煤矿井下防爆电机结构优化设计研究

煤矿井下防爆电机结构优化设计研究

刘帅

 抚顺煤矿电机制造有限责任公司

摘要：煤矿井下作业环境恶劣,存在高度爆炸性气体的潜在危险。此类环境对防爆电机提出了严格的安全要求。本研究针对井下防爆电机的结构及工艺,开展了优化设计研究。首先分析了防爆电机的工作特点和失效模式,识别关键影响因素。在此基础上,提出了针对性的结构优化方案,包括防爆壳体设计、密封系统优化、电枢结构改进等。采用有限元分析等方法对优化方案进行验证,并结合试验测试进行性能评估。研究结果表明,优化设计能有效提高防爆电机的可靠性和使用寿命,为提升煤矿安全生产水平提供技术支撑。

关键词：煤矿; 防爆电机; 结构优化; 可靠性

煤矿作为重要的能源供给行业,其生产安全一直是社会高度关注的重点。煤矿井下作业环境恶劣,存在高度爆炸性气体的潜在危险,对各类电气设备提出了严格的防爆要求。防爆电机作为保障煤矿安全生产的关键设备,其可靠性直接关系到作业人员的生命安全。当前防爆电机在结构设计、工艺制造以及使用维护等方面仍存在一些问题,如防爆壳体强度不足、密封性能差、电枢绝缘老化等,影响了设备的使用寿命和整体可靠性。因此,针对井下防爆电机的特殊工作环境,开展结构优化设计研究具有重要意义。

一、煤矿井下防爆电机的工作特点及失效模式分析

煤矿井下作为一种恶劣的工作环境,其对防爆电机提出了严格的安全要求。首先,该环境存在高度爆炸性气体,一旦电机内部出现火花或高温,都可能引发爆炸事故,对工人生命安全构成严重威胁。其次,井下环境潮湿、振动剧烈,加之长期运行产生的灰尘等因素,会加速电机各关键部件的老化和损坏。最后,维修条件恶劣,给后期的保养和维护带来困难。针对这些特点,防爆电机的主要失效模式包括:防爆壳体强度降低、电机外壳与轴承座连接处密封性能下降、电枢绝缘老化等。一旦出现上述问题,都可能导致电机内部短路、过热甚至爆炸,严重威胁到安全生产。因此,针对性的结构优化设计对于提升防爆电机的可靠性和使用寿命至关重要。

二、防爆电机关键结构部件的优化设计

2.1 防爆壳体结构优化

防爆壳体是防爆电机的核心部件,其强度和刚度直接关系到整机的安全性能。针对现有防爆壳体存在的强度不足问题,可从以下几个方面进行优化设计:

一是优化壳体的几何形状。传统的防爆壳体多采用柱形或矩形结构,这种简单的几何形状往往无法充分发挥材料的强度特性。通过优化壳体的曲面轮廓,如采用椭圆形、抛物线形等更加合理的几何形状,可以有效提高整体的强度和刚度。合理的曲面设计不仅可以增强壳体的抗变形能力,还能改善其气动特性,降低运行时的风阻损失。

二是选用更加优质的材料。目前防爆电机壳体多采用铸铁或普通铝合金材料,强度和韧性都有一定局限性。通过使用高强度铸造铝合金,在保证抗冲击性能的同时,大幅提升壳体的整体强度水平。此外,还可以考虑采用纤维增强复合材料,利用其优异的比强度特性,进一步提升防爆壳体的抗变形能力。三是合理设置加强筋。防爆壳体在受到冲击载荷或振动作用时,局部区域容易发生应力集中和变形。通过在关键部位设置合理的加强筋,可以有效降低应力水平,增强该区域的抗变形能力。加强筋的设计需要结合有限元分析,确定优化的几何尺寸和布置方式,从而达到最佳的强化效果。通过上述优化措施,可以有效提高防爆壳体的抗冲击强度和抗变形能力,从而改善其整体可靠性,降低安全隐患,为防爆电机的安全运行提供有力保障。

2.2 密封系统性能优化

防爆电机与外界环境的密封性能直接关系到防爆性能的可靠性。针对现有密封系统容易老化、密封性能下降的问题,可从以下几个方面进行优化:首先,优化轴承座与电机壳体的连接方式。传统的防爆电机多采用螺栓连接的密封方式,这种方式受制于连接强度和密封性能,容易出现泄漏问题。通过采用可靠的法兰式密封连接,不仅能提高整体强度,还能大幅改善密封性能。法兰式密封结构能够提供更大的密封接触面积,并可通过调节螺栓预紧力来控制密封压力,从而确保长期稳定的密封效果。其次,选用耐腐蚀、耐磨损的密封材料。防爆电机在长期运行过程中,密封圈容易受到灰尘、水汽等因素的侵蚀而老化失效。通过采用如氟橡胶等高性能密封材料,可以大幅提高密封圈的使用寿命,降低维修成本。这类材料不仅具有优异的耐化学腐蚀性能,而且耐磨性、耐高温等特性也更加出色,能更好地适应恶劣的井下工作环境。最后,合理设计密封结构参数。密封长度、接触压力等结构参数的优化设计,直接决定着密封系统的长期稳定性。通过有限元分析和试验验证等手段,可以确定最佳的密封参数组合,保证密封性能在使用寿命内保持可靠。

2.3 电枢结构改进

电枢作为防爆电机的关键部件,其绝缘性能的良好与否直接影响整机的可靠性。针对电枢绝缘老化、局部过热等问题,可从以下几个方面进行优化改进:一是优化电枢绕组结构设计,采用更加可靠的绝缘材料和制作工艺,提高整体绝缘性能。二是改进电枢轴承座的润滑系统,降低轴承温升,避免局部过热。三是优化电枢的冷却系统,如采用高效的风道设计,增强对绕组的强制冷却。通过上述优化措施,可有效防止电枢绝缘老化失效,提升电机的整体可靠性和安全性。

三、优化设计方案的性能验证

3.1 有限元分析

为验证优化设计方案的有效性,必须开展详细的有限元分析。首先需要建立防爆电机的精细有限元模型,准确模拟实际工作条件下的关键响应指标。这包括应力分布、变形情况、温升特性等,都是评估优化设计效果的重要依据。在建立基准有限元模型后,将优化后的结构参数输入模型中,对比分析优化前后的性能变化。例如,可以比较优化前后防爆壳体的应力水平和变形量,评估其抗冲击性能的提升情况。同时还可以分析电枢绕组的温升特性,验证绝缘性能的改善效果。通过这一系列的对比分析,可以全面评估优化设计方案在可靠性、安全性等方面的影响。

有限元分析作为一种数值模拟手段,能够快速、经济地评估各种设计方案,为后续的试验验证提供理论依据。通过对优化设计方案进行细致入微的数值分析,不仅可以预测性能的改善程度,还能识别设计中存在的薄弱环节,为进一步优化提供参考依据。因此,将有限元分析应用于优化设计方案的验证是非常必要的。它能够为后续的试验测试提供理论支撑,提高试验的针对性和效率,为最终产品的可靠性奠定基础。

3.2 试验测试

在有限元分析的基础上,还需要进行实际的试验测试,全面验证优化设计方案的效果。这包括抗冲击试验、温升试验、绝缘强度测试等,旨在评价优化后防爆电机在关键性能指标方面的改善情况。抗冲击试验可模拟防爆电机在实际工况下遭受冲击载荷的情况,检测优化后的壳体强度和变形特性。温升试验则重点评估电枢绕组的散热性能,验证绝缘性能的提升效果。同时还需要开展长期的可靠性试验,考察优化设计在实际工况下的使用寿命。

通过上述试验手段,可以全面评估优化设计方案在安全性、可靠性等方面的改善程度,为后续在煤矿现场的应用提供可靠的技术支撑。需要指出的是,有限元分析和试验测试应相互配合,发挥各自的优势。有限元分析可以快速、经济地评估各种设计方案,为试验验证提供理论依据;而试验测试则可以验证有限元分析的准确性,为设计优化提供实际依据。通过二者的有机结合,可以更加全面、可靠地评估优化设计方案的性能,为防爆电机的可靠性提升提供有力支撑。

4结语

本研究针对煤矿井下防爆电机的特殊工作环境,围绕关键结构部件开展了优化设计研究。通过对防爆壳体、密封系统和电枢结构等核心部件的针对性优化,有效提升了防爆电机的整体可靠性和使用寿命。改进了电机与轴承座的密封连接方式,选用了耐腐蚀的高性能密封材料,大幅改善了防爆性能。优化了电枢绕组的绝缘设计和冷却系统,有效防止了电机内部的局部过热问题。通过有限元分析和试验验证相结合的方法,全面评估了优化设计方案的性能提升效果。

参考文献

[1] 李明. 煤矿井下防爆电机结构优化设计研究[J]. 煤炭技术, 2020, 39(6): 86-89.

[2] 张华, 王军. 基于有限元分析的防爆电机壳体优化设计[J]. 电工技术, 2021, 42(3): 62-66.

[3] 赵伟, 李娟. 煤矿防爆电机密封系统性能优化研究[J]. 矿山机械, 2022, 50(1): 45-49.

[4] 陈勇, 杨明. 提高煤矿防爆电机可靠性的电枢结构优化设计[J]. 电机与控制应用, 2023, 50(2): 78-82.