井下低壓冷卻水泵設(shè)計研究

楊美娟

目前井下大型設(shè)備的冷卻方式主要分為風(fēng)冷與水冷兩種，井下工作環(huán)境十分復(fù)雜，有時需要在深井工作時，設(shè)備附近空氣稀薄，空氣流通較少，風(fēng)冷作用效果不佳，因此水冷是首選冷卻方式。由于井下供配電較為復(fù)雜，因此許多設(shè)備都配有蓄電池作為備用電源或低壓供電電源。冷卻水泵的供電一般也多為低壓蓄電池，因此水泵的供電電壓一般為12V/24V的直流電。目前的許多設(shè)備由于發(fā)熱量的不同導(dǎo)致需要的水泵流量、揚(yáng)程參數(shù)不盡相同。甚至需要設(shè)計多個水路系統(tǒng)來解決散熱。為此設(shè)計一款性能較為充足的水泵來滿足不同工況的需求就顯得十分重要。

本文主要設(shè)計一種高效的井下的低壓冷卻水泵，該水泵的泵頭性能優(yōu)于市場上的絕大數(shù)產(chǎn)品，采用控制器與電機(jī)分離的方案解決自身發(fā)熱量大的問題，每個部件均采用密封設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)IP68的防護(hù)等級。最終通過實(shí)驗驗證水泵的性能曲線以及可靠性。

1泵頭設(shè)計及仿真

水泵的泵頭性能直接決定了整個水泵系統(tǒng)的設(shè)計，根據(jù)水泵的設(shè)計原理要想達(dá)到預(yù)期的設(shè)計需要根據(jù)目標(biāo)參數(shù)不斷調(diào)整葉輪性能，水泵的流量與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，水泵的流量與轉(zhuǎn)速和葉輪的截面積成正比。本文設(shè)計的水泵要求在14米揚(yáng)程能滿足130L/min的水流量，行業(yè)內(nèi)的管道口通常有1英寸與1.5英寸兩種規(guī)格，為了做到大流量輸出且與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兼容，水泵的管道進(jìn)出口為38mm，根據(jù)電機(jī)的定子沖片尺寸限制葉輪整個腔道外徑不能超過90mm，因此葉片數(shù)量為6，外徑為73mm，基于扁平化的設(shè)計角度出發(fā)，葉輪高度選擇8mm。

對圖1設(shè)計進(jìn)行流道仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。由仿真結(jié)果可以看出水泵的流道順暢，基本沒有氣蝕以及渦流的存在，仿真結(jié)果只能作為對流體流道運(yùn)行趨勢好壞的一種鑒別依據(jù)，實(shí)際中需要通過實(shí)驗驗證設(shè)計的可行性。

2電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

電機(jī)設(shè)計采用水泵與電機(jī)分離的方式，該方式相比于傳統(tǒng)的濕轉(zhuǎn)子的方式來說具有結(jié)構(gòu)簡單、振動較小等優(yōu)點(diǎn)，密封件采用的是油封或者機(jī)械密封。在泵頭與電機(jī)連接處有滴水孔的設(shè)計，防止機(jī)械密封泄漏量較大時水直接流入電機(jī)內(nèi)造成電機(jī)燒壞的情況。電機(jī)的泵頭位置與管道的鏈接采用喉箍鎖緊。電機(jī)的機(jī)殼采用擠壓成型工藝，這樣可以極大地節(jié)省模具的費(fèi)用。在機(jī)殼上有一些散熱筋可以很好地用于降低電機(jī)溫升，提升電機(jī)的可靠性與壽命。電機(jī)與控制器的設(shè)計采用分離方案，因此三相繞組U、V、W的出線需要解決密封的問題。本文的設(shè)計采用防護(hù)等級為IP68的接插件或者鎖緊器作為連接方式。這樣保證了整個水泵本體的密封等級可以做到IP68的防護(hù)等級，具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計參考下圖3所示。

3控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計

控制器的供電電壓為24V直流電壓，且需要與電機(jī)的U、V、W三相相連實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動控制，因此對外接口需要有24V的VBAT+、VBAT-以及三相U、V、W。三相線束可以通過一個3pin的標(biāo)準(zhǔn)接插件完成，電源供電線可以通過2pin的接插件完成。為了滿足不同需求，可以將2pin的電源接插件上用于自鎖的兩個小口引出CAN通信信號或者485通信信號，實(shí)現(xiàn)外部通信調(diào)速的目的。

散熱設(shè)計則采用伸出散熱筋的方式實(shí)現(xiàn)自然冷卻，安裝固定則是通過底板伸出的四個螺釘孔完成，頂板與底板間用O型橡膠圈壓緊，兩個端面的連接由于O型圈有0.3-0.5mm的壓縮量，當(dāng)靠螺釘固定壓緊時可以實(shí)現(xiàn)IP68的防護(hù)等級。

如圖5為水泵系統(tǒng)設(shè)計的3D示意圖，電機(jī)與控制器連接通過接插件完成，控制器的電源線束引出直接接到蓄電池上，可以根據(jù)環(huán)境的需求調(diào)節(jié)線束的長度。整體設(shè)計安裝固定方式十分方便，電機(jī)模塊與控制器單體都采用IP68防護(hù)等級設(shè)計，連接的接插件也是可以滿足IP68的防護(hù)等級，因此系統(tǒng)具備IP68的防護(hù)等級，具備潛水泵的防護(hù)要求。

4控制器熱仿真

控制器的溫升以及可靠性主要取決于溫升，對于水冷系統(tǒng)的發(fā)熱量往往需要能在85℃的環(huán)境溫度下工作，且溫升需要控制在40K以內(nèi)。這就對熱設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。由于沒有其他的散熱處理，因此需要靠自身的散熱筋解決散熱問題，控制器的發(fā)熱源主要取決于MOSFET的發(fā)熱，因此MOSFET上均采用貼近散熱片散熱。MOSFET與散熱片之間的導(dǎo)熱材料選取導(dǎo)熱系數(shù)盡可能高的導(dǎo)熱材料，這樣也有利于熱量的傳輸與分散。發(fā)熱源過多地集中在一起往往會造成局部溫度過高，這是非常危險的，因此在MOSFET的布局上也是盡可能地分散開來。這樣可以有效地利用控制器外殼均勻散熱。

5實(shí)驗驗證

根據(jù)設(shè)計要求做出相應(yīng)的樣機(jī)做性能測試，如圖6在實(shí)驗臺上搭建測試環(huán)境，主要測試不同轉(zhuǎn)速下水泵的流量、揚(yáng)程以及輸入功率。繪制系統(tǒng)的Q-H曲線以及N-H曲線。水泵的轉(zhuǎn)速測試具有局限性，無法直接獲取，為了能夠得到水泵的真實(shí)轉(zhuǎn)速，采用控制器外置測試相電流頻率的方式計算電機(jī)轉(zhuǎn)速。

本文針對井下低壓冷卻水泵設(shè)計，采用該效率的水泵泵頭與流道設(shè)計提升水泵系統(tǒng)整體的性能，采用接插件、鎖緊器等連接方式保證出線端的防護(hù)，通過機(jī)械密封與油封、密封圈等設(shè)計解決殼體部件的連接。整體的密封等級達(dá)到IP68，通過熱仿真修正控制器散熱結(jié)構(gòu)，最后通過測試實(shí)現(xiàn)了14米揚(yáng)程130L/min的工況要求，且效率達(dá)到62%。

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