矿用防爆薄壁水冷电机机壳变形分析与研究

王 铮 刘向萍 杨红强

(银川能源学院 宁夏 银川 750105)

前言

煤矿井下设备采用的隔爆型三相异步电动机其冷却系统常采用水冷式结构。这是基于煤矿井下特殊的环境条件和煤矿设备特殊的运行状况决定的。煤矿井下水冷式电动机具有以下特点：

(1)煤矿井下作业场狭窄，设备留给电动机的安装空间较小，环境空气流动性差。电动机采用风(空气)冷却结构，效果受到很大影响。尤其是在采掘面，当煤块、粉尘等堆积物阻塞电动机外部的通风散热通道时，电动机通风散热状况将更加恶劣。而采用水冷却结构，则避免了这个缺点。煤矿井下一般不缺压力源，水的导热系数远远大于空气。只要水冷却系统流道结构设计合理，其冷却效果和可靠性优于风冷式电动机。

(2)煤矿井下用电动机因受设备安装要求限制，往往要求有较小的外形体积和简单的外形结构。水冷式电动机结构上没有风扇、风罩、散热片等零件，并且水道布置在封闭的壳体之内，因此其外形简约，体积小于相同功率的风冷式电动机。

从以上分析可以看出水冷却系统在煤矿井下用电动机上的重要作用，因此对其系统和结构的设计研究尤为重要。目前国内许多电机厂家都积累了各自在此方面的宝贵经验，亟待进行理论性的整理和提高，本文对此问题展开初步探讨。

一、分析问题

水冷电机工作在矿井中，考虑到工作场地的局限性和物资运输的困难性，电动机的设计要求功率大、体积小、易运输，在工作时间内连续使用，不容易出现故障。但是该设备连续工作出现绕组温升高、转子扫膛、轴承抱死等问题。为了降低温升，保证整体机组的工作质量和工作周期，必须采用良好的冷却方法。目前水冷电机采用拆流式和循环式冷却结构，工作时或精加工后，机壳冷却水室通水，加压5～9MPa压力，在循环冷却水的压力下，机壳内、外圆发生变形，有些部位鼓胀。

(1)产生问题的主要原因是：机壳壳体因设计要求体积小而功率大，为了达到功率要求而将壳体内外筒壁厚度尺寸减少；水道内腔各分水室大小不一；分水室隔水条没有均匀分布。

(2)出现的结果是：电机发生振动；噪音大；电机突然停止。拆开机组发现以下问题：机组与机壳外圆抱死，局部有渗漏水；外套尺寸超出安装要求，与机组装配等困难；内套变形大，开裂，有渗漏水。

二、存在问题进行因果分析

(1)采煤机井下工作条件

外壳与机组配合间隙：0.1～0.25mm

电机工作温升：绕组温度不大于90～110℃，轴承温升不大于60℃。

冷却方法：水室循环水冷却，水室水压是5～9MPa。

电动机结构：水冷式，其结构由外套、内套、隔水条、端法兰组焊成形，水道结构是折流式，两端部法兰各有两进、两出四个水口。

(2)对电机使用过程存在问题和反司后进行拆解，从人、机、料、法、环、测及5W1H进行跟踪、查找问题，分析原因，验证，作因果分析见图1。

图1 机壳产生变形因果分析图

三、解决问题及效果验证

(一)从结构设计上解决问题

(1)在满足设计要求和电磁计算参数的条件下：尽可能增加内、外套壁厚；隔水条与外套配合热装后，采用钻孔焊牢见图2。

(2)在满足水流量的条件下：隔水条宽度和数量设置要合理。

图2 改进结构图

(二)从工艺方法上和模具上改进

完善焊接工艺守则；设计隔水条焊接工装，保证隔水条均匀分布。

(三)生产过程控制

在生产过程中，现场跟踪，要求操作人员严格按以下操作：

控制板料铣边尺寸公差；执行焊接工艺守则；粗加工后进行一次水压试验，测量、分析其变形情况。制造时，外套、内套、隔水条采用数控切割机下料，铣边机铣成各边及坡口，冷卷筒成型，加热校圆，车成内套外圆并将宽10mm的隔水条焊在内套外圆面上，车隔水条外圆面，与车削后的外套内圆面热装。

(四)效果验证

目前西北骏马公司YBC-40D、YBC-55B等(内径尺寸相同)多种电机机壳在精加工、经过型式试验和工业运行试验，存在配合尺寸超差、薄壁处鼓胀等问题，导致返修、退货、报废造成的损失很小且实验后侧量尺寸：(1)机壳内外套圆面圆柱度0.05mm得以保证；(2)水室进行10MPa水压试验后，机壳各配合圆面的变形不超过设计公差带的75%；(3)两端配合面与铁芯内圆面，三者之间的同轴度不超过0.05mm。

四、结论

近几年在煤矿井下用隔爆型水冷式电动机新产品开发设计中，应用上述设计理论和方法进行电动机水冷却系统结构的设计，产品经过型式试验和工业运行试验，实验数据和结果与设计要求达到统一，设计理论和方法行到验证，为电动机水冷却系统和结构的设计建立了科学依据，提高了设计的可靠性。特别是对一些有特殊要求的非传统结构的电动机水冷系统的设计，在电动机功率参数、外形体积安装结构等诸多约束条件限制下，如何实现可靠的冷却效果有较大指导作用。