煤礦用輕型化應(yīng)急救援用潛水電泵的研制

宋占松

(安標(biāo)國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心， 北京 100013)

0 引言

目前國內(nèi)的煤礦用應(yīng)急救援用潛水電泵的質(zhì)量和體積比較大，適應(yīng)性不強(qiáng),可靠性和配套性也較差。為進(jìn)一步降低其質(zhì)量和體積，提高可靠性和可移動性，提升礦井水災(zāi)應(yīng)急救援排水能力,有必要研制輕型化應(yīng)急救援用潛水電泵。

1 國內(nèi)外生產(chǎn)技術(shù)比較

我國煤礦用潛水電泵早年主要為引進(jìn)前蘇聯(lián)的產(chǎn)品。經(jīng)過近年來的發(fā)展，現(xiàn)在我國擁有5～70 m潛水電泵的生產(chǎn)企業(yè)12家，生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品的規(guī)格型號均已超過了大部分國外公司。但我國泵的制造工藝及材料與德國、瑞典等先進(jìn)國家的相比還存在一定的差距，尤其是在可靠性與使用壽命上，在國際上只能算中等水平[1]。由國外較為有代表性的安德里茨集團(tuán)德國里茨公司生產(chǎn)的救援排水潛水電泵與國內(nèi)參數(shù)作比較,見表1。

表1 國內(nèi)外技術(shù)參數(shù)比較

由表1可知,與國外同類產(chǎn)品相比，國內(nèi)潛水電泵行業(yè)技術(shù)明顯落后，處于國外20世紀(jì)80～90年代的水平，不能適應(yīng)當(dāng)前礦山排水應(yīng)急救援的需要[2]。德國里茨公司泵的管路部分起導(dǎo)流及懸吊泵工作部分和電動機(jī)的作用,管路部分由逆止閥、揚水管、泵座等零件組成。

2 目前存在的問題

應(yīng)急救援用潛水電泵屬機(jī)電一體化大型裝備，從參數(shù)計算(如電磁、水力、壽命等)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇，到制造工藝技術(shù)專業(yè)化要求都比較高，特別是潛水電動機(jī)技術(shù)和機(jī)泵配合技術(shù)，需要長期的技術(shù)研究和經(jīng)驗積累，同時還需真機(jī)實際試驗才能保證其安全可靠性。而我國潛水電泵生產(chǎn)企業(yè)除少數(shù)幾家具備一定的研發(fā)能力，普遍技術(shù)研發(fā)能力差，造成產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。市場無序競爭也不利于產(chǎn)品水平的提高。目前主要存在以下問題。

1) 現(xiàn)有的排水救援裝備笨重、使用壽命短，缺少耐磨性好、承壓性能強(qiáng)的軸瓦材料。主要表現(xiàn)在一些產(chǎn)品的技術(shù)性能過低或不全；一些潛水電泵吸入口過濾網(wǎng)罩面積過小，經(jīng)常發(fā)生堵塞，影響排水效果；一些潛水電泵設(shè)計的介質(zhì)適應(yīng)能力過低，只能適應(yīng)固體顆粒體積分?jǐn)?shù)4%以下甚至更低的水質(zhì)，造成磨損過快；一些潛水電泵適應(yīng)水質(zhì)的pH值范圍較窄，在酸性水源中，耐酸材料磨損很快，需要經(jīng)常更換設(shè)備；一些產(chǎn)品在電機(jī)功率匹配上不合理，經(jīng)常超載而燒毀電動機(jī)。

2) 排水設(shè)備成套性、適應(yīng)性差。泵、電動機(jī)、管路、電控、閥、電纜一體化的配套能力較差，不同廠家的水泵、管路及相關(guān)部件的性能、特點有差別，容易出現(xiàn)不匹配的問題，對排水環(huán)境適應(yīng)性也不同，缺乏成套性，影響排水作業(yè)效率，甚至影響排水作業(yè)順利進(jìn)行。在有些煤礦救援中，就出現(xiàn)臨時尋找且長距離調(diào)集備用耐高壓柔性排水管、合適的備用水泵和排水管路、管路接頭等設(shè)備和配件，安裝費時費力，多次出現(xiàn)水泵損毀情況，較長時間達(dá)不到理想的排水能力，降低了救援效率并增加了救援消耗[3]。

3) 現(xiàn)有產(chǎn)品在輕型化方面還有很大的差距。在井下運輸非常困難，嚴(yán)重影響救援的進(jìn)度。

因此,水泵的輕型化是提高煤炭產(chǎn)能的關(guān)鍵因素。

3 輕型化應(yīng)急救援用潛水電泵的研究分析

3.1 水泵輕型化分析

目前應(yīng)急救援用潛水電泵的特點包括揚程高、流量大、配置電動機(jī)功率大、體積大、質(zhì)量大，而且潛水深度深，電動機(jī)承壓大，氣密性要求高。由于使用環(huán)境對潛水泵提出了更高的要求，故對材料選型、鑄造和加工工藝也提出了更高的要求，零部件的大型化、電壓等級提高、潛水深度提高、水壓力增加對檢測設(shè)備、檢驗條件提出了更高的要求。

由水泵的理論可知：流量比例定律Q1/Q2=n1/n2；揚程比例定律H1/H2=(n1/n2)2；水泵的功率P∝Q×H。由此可推出：P1/P2=(n1/n2)3；式中：Q為流量;n為轉(zhuǎn)速;H為揚程。

在水泵尺寸不變的情況下，水泵的輸出功率與轉(zhuǎn)速成3次方正比關(guān)系。在功率不變的情況下，轉(zhuǎn)速提高，可大大減小水泵的體積。

3.2 電動機(jī)輕型化分析

根據(jù)電動機(jī)的理論，主要尺寸、功率、轉(zhuǎn)速有如下關(guān)系：

P=CA×D2×Lef×n

(1)

式中:CA為常數(shù);n為轉(zhuǎn)速;D2×Lef為電動機(jī)體積。

在功率一定的情況下，轉(zhuǎn)速升高，電動機(jī)的體積減小。故設(shè)計電動機(jī)轉(zhuǎn)速可提高，從而進(jìn)一步減小電動機(jī)的體積，最終使電動機(jī)的質(zhì)量進(jìn)一步減小。

4 輕型化潛水電泵的研制

經(jīng)反復(fù)研究論證實踐，研制出流量300 m3/h、揚程50 m,流量300 m3/h、揚程200 m，流量100 m3/h、揚程100 m共3種規(guī)格的礦用輕型快速搶險潛水電泵樣機(jī)各1臺。樣機(jī)滿足以下要求：

1) 耐酸堿度3

2) 混濁度>10%，連續(xù)工作時間不低于200 h。

3) 體積質(zhì)量較同功率泵的降低不低于30%。

4) 整機(jī)長度<4 m。

5) 具有防堵塞清洗裝置。

6) 主機(jī)配有可移動裝置。

7) 允許潛沒深度不小于70 m。

樣機(jī)的外形如圖1。樣機(jī)的技術(shù)參數(shù)見表2。

(a) 電泵BQ300-200-280(660/1 140)

(b) 電泵BQ300-50-75(380/660)

(c) 電泵BQ100-100-55(380/660)

表2 樣機(jī)技術(shù)參數(shù)

5 效果分析

電動機(jī)減重情況對比如表3所示。通過對比分析可以看出，輕型應(yīng)急救援用潛水電泵的減重最高達(dá)到40%左右。產(chǎn)品經(jīng)過專業(yè)檢測中心的檢驗合格。

表3 電動機(jī)減重情況對比

6 結(jié)論

通過研究潛水電泵的現(xiàn)狀及潛水電泵的輕型化分析，研制了煤礦用輕型化應(yīng)急救援用潛水電泵。通過對比分析可知,輕型化潛水電泵的設(shè)計是成功的，對煤礦井下透水事故的救援起到重要作用。