摘要：水泵配套電動(dòng)機(jī)絕緣是影響大型水泵機(jī)組耐久性的關(guān)鍵部件。本文通過分析耐久性的影響因素，介紹了影響電動(dòng)機(jī)絕緣的因素和確定電動(dòng)機(jī)絕緣狀態(tài)的方法，計(jì)算了基于可靠度的聚酯樹脂絕緣及環(huán)氧樹脂絕緣的老化壽命。根據(jù)算例泵站基于可靠度的水泵機(jī)組關(guān)鍵部件運(yùn)行壽命計(jì)算了基于可靠度的整個(gè)水泵機(jī)組的運(yùn)行壽命，將費(fèi)用最少的周期作為該泵站水泵機(jī)組的大修周期。

關(guān)鍵詞：水泵電動(dòng)機(jī)組 耐久性 影響因素 計(jì)算

0 引言

目前，泵站大修周期的確定缺乏理論依據(jù)，容易出現(xiàn)大修周期太短或太長。大修頻繁會(huì)造成人力、物力和財(cái)力的

浪費(fèi)，同時(shí)機(jī)組部件的精密配合面會(huì)因頻繁拆裝而受損；大修周期太長，某些關(guān)鍵部件已出現(xiàn)隱患或事故征兆，

需修不修，會(huì)造成故障影響范圍擴(kuò)大，水泵機(jī)組的安全可靠度降低。通過研究水泵機(jī)組的耐久性，合理確定大修

周期，對(duì)水泵機(jī)組的安全運(yùn)行和節(jié)省維修費(fèi)用很有意義。

1 影響水泵機(jī)組耐久性的主要因素

水泵導(dǎo)軸承的磨損、水泵汽蝕、電機(jī)絕緣老化是影響水泵機(jī)組耐久性的主要因素。大型水泵機(jī)組運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)故障，如電動(dòng)機(jī)油缸潤滑油油質(zhì)變差、水泵填料密封漏水量大，全調(diào)節(jié)水泵葉片與輪毅之間的橡皮密封漏油進(jìn)水等，這些故障對(duì)水泵機(jī)組的運(yùn)行影響不大，并且都可以通過小修處理。但水泵機(jī)組的有些關(guān)鍵部件的故障損壞會(huì)直接導(dǎo)致機(jī)組不能正常運(yùn)行，它們是水泵機(jī)組耐久性的決定性因素。

水泵導(dǎo)軸承的磨損量過大，軸承的徑向間隙過大，則水泵軸和葉輪的動(dòng)擺度過大，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)造成葉片碰殼，被迫停機(jī)。另一方面當(dāng)水泵導(dǎo)軸承磨損量達(dá)到一定的量，如果不及時(shí)維修或更換，就會(huì)造成水泵軸磨損量劇增，而修復(fù)泵軸需拆裝整個(gè)機(jī)組，耗費(fèi)大量人力物力。水泵汽蝕破壞過程分為四個(gè)階段：表面發(fā)毛、出現(xiàn)針狀小孔、小孔發(fā)展成窩蜂裝凹坑、穿孔或掉邊。絕緣是電動(dòng)機(jī)的重要組成部分，在長期運(yùn)行過程中，由于受電、熱、機(jī)械力的作用和不同環(huán)境條件的影響，絕緣會(huì)逐漸老化，當(dāng)絕緣達(dá)到老化極限時(shí)，電機(jī)絕緣故障會(huì)明顯提高，并且最終會(huì)導(dǎo)致機(jī)組被迫停機(jī)。

2 水泵配套電動(dòng)機(jī)絕緣耐久性

2.1 電動(dòng)機(jī)絕緣老化因子 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，其絕緣因長期受熱會(huì)產(chǎn)生各種物理和化學(xué)變化，導(dǎo)致材料變質(zhì)而劣化。熱老化的速率和絕緣受熱的溫度密切相關(guān)，溫度愈高，老化愈快。電老化是由絕緣結(jié)構(gòu)上電場分布產(chǎn)生的，主要表現(xiàn)為局部放電、漏電和電腐蝕，產(chǎn)生局部放電的原因是電機(jī)內(nèi)部電場并非均勻分布。在絕緣層內(nèi)存在空隙，線圈與鐵心之間存在空隙，均會(huì)產(chǎn)生電場集中，引起局部放電，局部放電能在絕緣層內(nèi)產(chǎn)生十分細(xì)微的樹枝放電途徑，造成放電區(qū)域絕緣腐蝕。漏電劣化則是在有電位差的絕緣表面上形成炭化電路，而使絕緣喪失其功能。當(dāng)絕緣結(jié)構(gòu)表面污染或附有異物時(shí)，在有電位差的部分產(chǎn)生泄露電流而發(fā)熱，使一部分絕緣材料分解成炭化物。機(jī)械老化主要表現(xiàn)為絕緣結(jié)構(gòu)的疲勞、裂紋、散弛、磨損等，它是由起動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)電磁力和熱應(yīng)力、運(yùn)行中的振動(dòng)、循環(huán)熱等原因產(chǎn)生的。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，電磁力在線圈絕緣內(nèi)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，在彎曲和擠壓應(yīng)力反復(fù)作用下，線圈絕緣層往往產(chǎn)生疲勞甚至斷裂。熱老化引起的絕緣收縮和絕緣層蠕變收縮將導(dǎo)致絕緣松動(dòng)，造成了線圈端部和槽內(nèi)部分的絕緣磨損。由于起動(dòng)、停機(jī)以及負(fù)載變化的熱循環(huán)，在線圈的絕緣層和導(dǎo)線之間因膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致絕緣與導(dǎo)線間剝離形成空隙，這些空隙又導(dǎo)致局部放電的增加和散熱困難。環(huán)境老化主要表現(xiàn)為灰塵、油污、鹽分和其他腐蝕性物質(zhì)對(duì)絕緣污染和侵蝕，以及絕緣表面吸濕或表面凝露，它們會(huì)導(dǎo)致絕緣電阻的降低和介質(zhì)損耗的增加，電動(dòng)機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)的老化是各種劣化的綜合表現(xiàn)。電動(dòng)機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)在熱因子、電因子、機(jī)械因子和環(huán)境因子的綜合作用下，產(chǎn)生了各種老化現(xiàn)象。圖1為6kV交流電動(dòng)機(jī)絕緣劣化的過程。

2.2 電動(dòng)機(jī)絕緣的診斷 電動(dòng)機(jī)絕緣診斷的順序如圖2所示：

2.3 基于可靠度的電動(dòng)機(jī)絕緣老化壽命的計(jì)算 根據(jù)《泵站電動(dòng)機(jī)絕緣老化原因分析與鑒別》，通過電動(dòng)機(jī)積累運(yùn)行時(shí)間和開、停機(jī)次數(shù)進(jìn)行老化分析。電動(dòng)機(jī)積累運(yùn)行時(shí)間增長，絕緣老化逐年嚴(yán)重，絕緣強(qiáng)度也跟著降低，絕緣強(qiáng)度可由下式確定：

式中：KT、KV、KN為熱、電、機(jī)械老化速率系數(shù)；t為運(yùn)行時(shí)間（h）；N為開、停機(jī)次數(shù)。

電動(dòng)機(jī)絕緣年老化速率計(jì)算公式：

式中：Ijy為電動(dòng)機(jī)絕緣年老化量；KTY為電動(dòng)機(jī)絕緣由熱因素引起的年老化量；KVY為電動(dòng)機(jī)絕緣由電因素引起的年老化量；KNY為電動(dòng)機(jī)絕緣由機(jī)械因素械引起老化量；Na為表示一年內(nèi)開、停機(jī)次數(shù)。設(shè)KTY、KVY和KNYN相互獨(dú)立，且它們的概率密度為拋物線分布，則根據(jù)基于可靠度的功率備用系數(shù)的方法，得電動(dòng)機(jī)絕緣年老化量為K對(duì)應(yīng)的可靠度P（K）為：

編程計(jì)算的電動(dòng)機(jī)絕緣年老化量小于某數(shù)值的可靠度如圖3：

假定當(dāng)絕緣老化達(dá)到30％時(shí)就必須進(jìn)行大修。則基于可靠度的聚酯樹脂絕緣的運(yùn)行壽命為：

計(jì)算基于可靠度的聚酯樹脂絕緣老化壽命，如圖4：

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的絕緣材料為聚酯樹脂時(shí)，其具有95％可靠度的老化壽命為16.5a。

3 水泵機(jī)組耐久性

3.1 水泵機(jī)組的耐久性 水泵機(jī)組的耐久性主要由水泵機(jī)組關(guān)鍵部件的耐久性決定的。算例泵站采用油潤滑導(dǎo)軸承，則其水泵機(jī)組的耐久性由油潤滑導(dǎo)軸承端面密封耐久性、水泵葉片和水泵葉輪外殼耐久性以及電機(jī)絕緣的耐久性決定。

3.2 提高水泵機(jī)組耐久性的措施

3.2.1 提高水泵導(dǎo)軸承耐久性的措施：提高水潤滑導(dǎo)軸承的耐久性需從提高水泵導(dǎo)軸承的抗磨損性能與減少導(dǎo)軸承的載荷兩方面出發(fā)。應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)載荷選擇適當(dāng)?shù)妮S瓦材料及材料的厚度，同時(shí)為了減少導(dǎo)軸承所受的載荷，泵站設(shè)計(jì)和機(jī)組安裝的時(shí)候應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①減小電機(jī)空氣間隙不對(duì)稱量；②減小轉(zhuǎn)動(dòng)部件質(zhì)心離轉(zhuǎn)動(dòng)中心的偏移量；③即采用護(hù)管，減小泵軸的繞流阻力；④減小由于組裝誤差或葉片形狀誤差造成的葉片角度不等量；⑤合理設(shè)計(jì)流道，減小施工誤差，從而減小葉輪非軸對(duì)稱來流的影響。

3.2.2 減少水泵汽蝕的措施：①合理地確定水泵的安裝高程，運(yùn)行時(shí)要及時(shí)清理攔污柵避免在泵站進(jìn)水中產(chǎn)生過大的水位跌落；②合理地設(shè)計(jì)進(jìn)水池和進(jìn)水流道，使水泵具有良好的進(jìn)水條件，使進(jìn)入葉輪的速率的壓力分布均勻，避免產(chǎn)生局部低壓區(qū)；③根據(jù)所需提供的揚(yáng)程和流量，通過調(diào)節(jié)葉片安裝角度，盡量使工作點(diǎn)移到允許汽蝕余量較小的區(qū)域；④提高葉輪表面的光潔度，增強(qiáng)抗汽蝕性能；⑤在容易發(fā)生汽蝕的部位涂一層環(huán)氧樹脂，以提高水泵的抗汽蝕性能；⑥若已出現(xiàn)汽蝕，必須及時(shí)采取修補(bǔ)措施。如以高分子材料涂敷：以環(huán)氧樹脂為主材料，加增韌劑、固化劑和多種填充材料組成，用來修復(fù)水泵被剝蝕的部分，修復(fù)分底、中、表3層進(jìn)行，修復(fù)的關(guān)鍵是底層涂敷之前應(yīng)徹底進(jìn)行被修復(fù)面的處理，達(dá)到露出金屬表面無銹斑、無油垢、無灰塵方可；⑦葉輪及葉輪外殼采用抗汽蝕強(qiáng)的材料，如不銹鋼，應(yīng)用表明，經(jīng)過一個(gè)大修周期，仍無汽蝕痕跡。

3.2.3 延長電動(dòng)機(jī)絕緣耐久性的措施：①在日常管理中，目視檢查、絕緣電阻測量，極化指數(shù)PI值的確定非常重要。絕不能過載運(yùn)行，對(duì)于過濾器、冷卻器在內(nèi)的冷卻系統(tǒng)要經(jīng)常檢查、清掃，消除導(dǎo)電性塵埃，對(duì)灰塵要進(jìn)行分析并采取對(duì)策，應(yīng)根據(jù)目視進(jìn)行槽楔松動(dòng)、漆膜龜裂等方面的傾向管理；②根據(jù)日常維修和檢查數(shù)據(jù)，根據(jù)需要為某些項(xiàng)目制定定期檢修方案。以免造成非計(jì)劃性緊急停機(jī)而帶來的重大損失。在定期檢修時(shí)，對(duì)絕緣要清掃和清理表面污損，干枯的間隔墊片要修補(bǔ)，冷卻系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)調(diào)整、修改，要根據(jù)振動(dòng)分析，檢查槽楔松動(dòng)情況，對(duì)電機(jī)線圈匝間絕緣進(jìn)行試驗(yàn)，或絕緣診斷，由此為基礎(chǔ)進(jìn)行絕緣性能的傾向管理。

4 算例水泵機(jī)組大修周期的定量確定

算例泵站采用ZL30-7水泵、油潤滑導(dǎo)軸承、電動(dòng)機(jī)絕緣材料為環(huán)氧樹脂。水泵設(shè)計(jì)流量Q＝30.2m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為H＝7m。每套水泵機(jī)組每次大修費(fèi)用為8萬元。當(dāng)該泵站水泵機(jī)組被迫停機(jī)1h，該泵站將少抽V＝3600Q的水，假設(shè)泵站的效率為50％，將V體積的水提升設(shè)計(jì)揚(yáng)程H高度所要耗費(fèi)的電能為E＝7200ρgQH。電費(fèi)每度0.5元，調(diào)水泵站電費(fèi)占整個(gè)調(diào)水成本的50％，則抽水V體積的水的成本S0＝2gQH元。設(shè)泵站經(jīng)濟(jì)效益為成本的一倍，則泵站停機(jī)1小時(shí)的經(jīng)濟(jì)損失S＝2gQH。油潤滑導(dǎo)軸承端面密封發(fā)生搶修時(shí)，維修費(fèi)用SD＝0.35萬元，需停機(jī)18小時(shí)，經(jīng)濟(jì)損失為7.46萬元。水泵葉輪外殼汽蝕破壞發(fā)生搶修時(shí)，維修費(fèi)用SK＝1.2萬元，需停機(jī)48小時(shí)，經(jīng)濟(jì)損失為20.02萬元。水泵葉片汽蝕破壞需要搶修時(shí)，維修費(fèi)用SY＝1.2萬元，需停機(jī)48小時(shí)，經(jīng)濟(jì)損失為20.02萬元。水泵配套電機(jī)絕緣更換的費(fèi)用為SJ＝20萬元，電機(jī)絕緣搶修一般需停機(jī)半個(gè)月，造成的經(jīng)濟(jì)損失為149.16萬元。水泵機(jī)組關(guān)鍵部件油潤滑導(dǎo)軸承端面密封耐久性較差，其具有95％可靠度的運(yùn)行壽命僅為3.4a，若以此確定機(jī)組的大修周期則過于頻繁，考慮使端面密封在運(yùn)行中期中進(jìn)行一次中修。水泵機(jī)組運(yùn)行必須以安全性為基礎(chǔ)，水泵機(jī)組的大修周期必須保證水泵機(jī)組關(guān)鍵部件在大修前的可靠度在85％~100％之間。水泵葉輪外殼、水泵葉片以及電動(dòng)機(jī)絕緣具有95％可靠度的運(yùn)行壽命分別為5.3、8.2、28.6a，因此根據(jù)葉輪外殼運(yùn)行壽命選擇大修周期。電動(dòng)機(jī)絕緣的搶修費(fèi)用較高，應(yīng)根據(jù)水泵機(jī)組的大修周期合理確定絕緣的更換周期CJT，其中CJ表示大修周期的整數(shù)倍，確保在此更換周期下絕緣的平均年更換和搶修經(jīng)濟(jì)損失最小。當(dāng)水泵機(jī)組大修周期T＝5.3a，水泵機(jī)組維修費(fèi)用和維修造成

的搶修費(fèi)用的年平均值最小，水泵機(jī)組大修前的最低可靠度為98％。

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