彭大華，張 宙

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

絞吸式挖泥船運用電機(jī)驅(qū)動絞刀裝置，對土層進(jìn)行切削，與水混合形成泥漿后，再通過吸泥泵將泥漿吸入并輸送到規(guī)定的拋泥區(qū)。絞吸式挖泥船用途廣泛，可以在江河湖海中作業(yè)，用以清淤、航道挖掘、吹填造地。在特殊情況下，絞吸式挖泥船安裝上大功率絞刀設(shè)備后，不需爆破即可挖掘玄武巖和石灰石等巖石地層。

本項目電機(jī)為“自航絞吸式挖泥船水下泥泵電軸系統(tǒng)”的配套電機(jī)，共3臺，其中2臺拖動鉸刀，1臺拖動吸泥泵。電機(jī)功率為4 000 kW，為目前國內(nèi)最大的挖泥船配套電機(jī)。挖泥船工作時先把橋架放入水中，然后起動吸泥泵和鉸刀，如圖1所示，再移動橋架到河床底部開始挖掘和吸泥工作。由于鉸刀電機(jī)選型時考慮挖掘巖石地層，在水中起動時負(fù)載阻力矩很小，相對來說吸泥泵電機(jī)起動所帶的負(fù)載要大些，起動結(jié)束時阻力矩約為0.6MN(MN為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩)，因此本文以吸泥泵電機(jī)作為對象進(jìn)行起動分析。

圖1 鉸刀驅(qū)動示意圖

電機(jī)要求能在搖擺22.5°，縱傾0～45°(最大達(dá)70°)工況下長期穩(wěn)定運行，在設(shè)計時需考慮電機(jī)在傾斜工作時各部件強(qiáng)度及軸承的受力情況。整個電軸系統(tǒng)如圖2所示，考慮了1號機(jī)、2號機(jī)單機(jī)運行或并聯(lián)運行，同時也考慮了3號機(jī)發(fā)電系統(tǒng)出故障改由2號機(jī)發(fā)電系統(tǒng)供電驅(qū)動吸泥泵繼續(xù)工作的狀況。

圖2 系統(tǒng)布置圖

1 電機(jī)電磁方案分析

挖泥船電機(jī)不同于普通電機(jī)，挖泥船電動機(jī)由船上的4 300 kW 6 P 6 300 V無刷勵磁同步發(fā)電機(jī)TFW4300-6H供電，發(fā)電機(jī)由柴油機(jī)驅(qū)動發(fā)電，具體規(guī)格參數(shù)如表1所示。由于異步電機(jī)起動電流較大，直接起動時對同步發(fā)電機(jī)形成巨大的沖擊，導(dǎo)致端電壓大幅下降，同時異步電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，導(dǎo)致電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩非常低，所以在電磁設(shè)計時要考慮盡量減小起動電流，同時增加起動轉(zhuǎn)矩，以確保電機(jī)能夠正常起動。在電機(jī)設(shè)計時考慮了3種方案，如表2所示。

表1 規(guī)格參數(shù)表

表2 方案對比

通過對比方案3，雖然有較大的起動轉(zhuǎn)矩和較小的起動電流，由于采用了高電阻率的轉(zhuǎn)子導(dǎo)電排，使得電機(jī)效率有所下降。在額定運行時，較方案1損耗增加了43 kW，不僅使電動機(jī)發(fā)熱增加了，同時發(fā)電機(jī)的容量也增加了。從船電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性考慮，方案1才是優(yōu)選。為了確認(rèn)方案1的可行性，我們對該系統(tǒng)起動進(jìn)行仿真分析，仿真時同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)定在80%的額定轉(zhuǎn)速，勵磁調(diào)節(jié)器給定機(jī)端電壓整定值為85%的額定電壓，希望通過對發(fā)電機(jī)的強(qiáng)勵來滿足起動要求，強(qiáng)勵倍數(shù)限值設(shè)定為額定勵磁電壓的2.3倍(約空載勵磁電壓的4.78倍)。起動過程中(見圖3)由于異步電機(jī)起動容量較大，同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓一直未達(dá)到整定值(約為55%UN)，此時勵磁電壓一直處于強(qiáng)勵限值。異步電機(jī)從同步電機(jī)加勵磁后約6.0s完成帶載起動，在起動完成后機(jī)端電壓達(dá)到整定值。仿真結(jié)果表明方案1通過同步發(fā)電機(jī)的強(qiáng)勵能夠起動吸泥泵電動機(jī)。

圖3 電機(jī)起動仿真曲線

2 電機(jī)定子結(jié)構(gòu)設(shè)計

為滿足最大傾斜70°的使用工況，在定子機(jī)座設(shè)計時，需對關(guān)鍵受力部位進(jìn)行加強(qiáng)。工作時傾斜角度較大，整個轉(zhuǎn)子重量軸向分量由軸伸端端蓋和機(jī)座前壁來承受，所以軸伸端端蓋內(nèi)側(cè)增加12根支撐筋，定子鐵心部分兩機(jī)壁之間加一道中壁，增強(qiáng)整個定子的剛性。機(jī)座定位止口參考立式電機(jī)結(jié)構(gòu)放在驅(qū)動側(cè)，定子鐵心壓裝后與機(jī)座進(jìn)行焊接固定，確保電機(jī)縱傾在0～70°工況下定子鐵心與機(jī)座不發(fā)生相對位移。

為了校核定子在0～70°傾斜工況下的變形情況，利用ANSYS軟件對傾斜工況進(jìn)行仿真分析。仿真分析主要考慮額定轉(zhuǎn)矩工況下定子和端蓋的強(qiáng)度和剛度。考慮的主要載荷有轉(zhuǎn)子重力、單邊磁拉力和額定轉(zhuǎn)矩。經(jīng)過仿真分析，得到定子和端蓋的變形分布如圖4所示。

額定轉(zhuǎn)矩工況時，定子和端蓋的最大等效應(yīng)力和最大變形匯總?cè)绫?所示。

圖4 70°和45°傾斜工況的定子和端蓋的變形分布圖

圖5 70°和45°傾斜工況的驅(qū)動端端蓋的變形分布圖

參數(shù)70°傾角55°傾角45°傾角0°傾角定子和端蓋的最大等效應(yīng)力/MPa45.044 42.814 41.243 23.368 定子和端蓋的最大變形/mm0.273780.240770.209650.017443驅(qū)動端端蓋的最大變形/mm0.273780.240770.209650.014813非驅(qū)動端端蓋的最大變形/mm0.0684150.0584170.0494790.017443

可見，在0～70°傾斜過程中，定子和端蓋的最大等效應(yīng)力都很小，完全滿足強(qiáng)度要求。對整個定子來說，驅(qū)動端的端蓋變形量最大，最大變形值為0.273 78 mm，小于0.5 mm規(guī)范要求，因此定子和端蓋的剛度能滿足傾斜挖泥的工況要求。

3 軸承設(shè)計

考慮到電機(jī)隨著挖泥深度的變化，傾斜的角度也相應(yīng)變化，要滿足最大傾斜70°使用工況，滾動軸承的設(shè)計是個關(guān)鍵，需特殊設(shè)計才可滿足正常運行。起初設(shè)計的軸承結(jié)構(gòu)為驅(qū)動端布置兩個面對面安裝的角接觸滾動軸承，但考慮到角接觸軸承承載能力相對較小，經(jīng)計算無法滿足50 000 h的壽命要求，最后驅(qū)動端改成三軸承結(jié)構(gòu)形式，如圖6所示。兩個角接觸軸承面對面布置位于驅(qū)動端，軸承外圈與軸承套不接觸， 主要起到軸向定位和承受軸向負(fù)荷的作用，軸承兩側(cè)加以彈簧預(yù)緊。圓柱滾子軸承布置于角接觸軸承后面，主要承受徑向力(轉(zhuǎn)子和聯(lián)軸器重量徑向分量、單邊磁拉力)，受力點位于端蓋上。甩油盤設(shè)計在圓柱軸承和角接觸軸承中間，便于潤滑油脂在軸承之間分布均勻。電機(jī)非驅(qū)動端無需承受軸向力，采用普通的圓柱滾子軸承就能滿足要求。

圖6 軸伸端軸承結(jié)構(gòu)圖

4 試驗驗證

1) 電機(jī)最終性能試驗值與設(shè)計值比較接近，具體數(shù)值如表4所示。

表4 試驗值與設(shè)計值比較

2) 工廠試驗電機(jī)在傾斜45°時，軸承溫度驅(qū)動端63 ℃，非驅(qū)動端48 ℃，電機(jī)振動0.9 mm/s，達(dá)到國家振動標(biāo)準(zhǔn)GB 10068中B級要求。

3) 系統(tǒng)起動：電機(jī)經(jīng)過聯(lián)調(diào)試驗，鉸刀和吸泥泵電機(jī)均能正常起動。

5 結(jié)語

該挖泥船電機(jī)設(shè)計時充分考慮了船用電軸系統(tǒng)和縱傾0～70°工況，對電機(jī)起動進(jìn)行多方案對比，并采用有限元方法對電機(jī)傾斜工況進(jìn)行仿真分析，得出最優(yōu)的設(shè)計方案，最終試驗結(jié)果符合預(yù)期，各項性能達(dá)到用戶的要求。