我国煤炭储量有很大比例受到水害的威胁，煤矿水害被列为威胁煤矿安全生产的五大灾害之一[1]。因救援时潜水泵轴承或叶轮磨损严重、密封失效、电机过载等故障频繁发生，严重影响事故救援效率[2]。针对该问题，国内外学者对潜水泵的可靠性进行了初步探究，如：国内唐山煤炭研究院开展过耐磨性能试验，目的是掌握磨损介质在泵内的流变情况，探析介质对过流件的磨损机理等，但最终未给出可靠性研究结论[3-5];国外没有专门用于淹井救援的潜水电泵，仅瑞典ITT公司开发过污水泵测试系统，该系统是针对水污浊度高的环境下潜水材质符合性能研究，但未涉及矿山水害应急救援环境条件[6-7]。因长期以来救援潜水泵可靠性研究不足，致使潜水泵在救援过程中可靠性差的问题持续存在[8-9]。基于现有研究，采用试验验证和数值分析等方法，确定了影响淹井救援潜水泵关键部件工作可靠性的主要边界参数。这些边界参数的确定将有效提升救援潜水泵的可靠性和救援能力，为煤矿安全生产保驾护航[10]。

1、存在的问题

1.1 技术问题

目前潜水电泵产品标准尚待完善，只有日常排水的潜水电泵标准，且其适用范围有限。如《煤矿用隔爆型潜水电泵》[11]适用于干式电机，且下潜深度不超过5 m; 《井用潜水异步电动机》[12]适用于充水式电机，潜没深度不超过70 m。目前，针对救援潜水泵的可靠性没有有效可行的试验方法及试验装置，仅依据积累的经验对其质量的可靠性进行简单评判，未形成科学有效的可靠性评估方法，致使救援过程中故障问题频发[13-15]。

1.2 性能问题

由于救援潜水泵在日常工作中使用频次低，其可靠性无法得到保证，救援过程中经常出现绝缘失效不能启动、密封失效、叶轮磨损严重、电机过载等故障，造成排水效果不理想，排水进度十分缓慢，在使用过程中出现故障导致停止运行等问题非常突出，影响了排水效果，导致错过黄金救援时间，对矿山和被困人员造成了无可挽回的损失[16-18]。

2、试验条件和目的

根据救援潜水泵的实际运行工况，试验介质采用石英砂、煤粉与水的混合物。试验介质中煤粉、石英砂混合物混浊度为10%～13%。其中石英砂、煤粉体积比1∶10。考虑到各种颗粒在试验过程中冲击破碎，选用最严苛的杂质颗粒直径范围，介质中原煤粉选用2～5 mm的颗粒，石英砂选用0.2～0.5 mm的颗粒。

本文主要通过试验确定对轴承、密封件、叶轮、电机等关键部件可靠性有显著影响的关键参数，进而确定关键参数的边界范围，实现对救援潜水泵的可靠性评价。

(1) 轴承可靠性试验。进行轴承疲劳试验，研究疲劳、振动、磨损等因素对轴承的影响，建立轴承可靠性边界，优化轴承寿命模型，为轴承使用寿命判断提供参考依据。主要设备设施包括：振动平台、测振仪、测温仪、游标卡尺等。

(2) 密封可靠性试验。测试磨损、腐蚀、泄漏、介质、老化等因素对密封件的影响数据，研究严苛工况下水压对密封性能的影响。主要设备设施包括：老化试验装置、水压试验机、压力表、游标卡尺。

(3) 叶轮可靠性试验。通过模拟试验获得介质流速、流量、叶轮转速、杂质颗粒度、静平衡等影响因素的试验数据，探寻这些因素对叶轮和导叶损害的影响规律，建立叶轮损害模型，进一步优化叶轮耐磨性、材质及结构形式等，达到提高叶轮和导叶稳定运转的性能及寿命指标。主要设备设施包括：叶轮及过流部件可靠性试验装置、流量计、压力传感器、功率仪、天平、游标卡尺。

(4) 电机可靠性试验。通过模拟试验，研究不同工况下电机堵转、发热、超载、启动、运转等因素对电机的影响，探究这些因素对电机的损害规律，得到电机稳定运行关键技术指标优化方法，建立电机可靠性边界条件，为电机日常维护和检修提供参考。主要设备设施包括：电机测试系统、电压表、电流表、功率表、电阻测试仪、绝缘电阻表。

3、试验测试与分析

救援潜水泵的可靠性主要体现在轴承、密封件、叶轮、电机等关键部件，本试验以型号为BQW30-36-7.5的淹井救援泵为试验对象，主要从4个关键部件进行可靠性试验研究。

3.1 轴承可靠性试验分析

轴承在潜水泵中起重要支撑作用，通过元件间的滚动接触来支撑传动零件，可降低滑动阻力，减少功率消耗，在淹井救援时使设备更容易启动。轴承对轴进行固定作用，保障轴实现转动，并限制其轴向和径向的移动。若轴承的制造精度和装配精度不高，润滑情况较差，及外界受力等因素都会加剧轴承的振动，以致救援过程中发生烧轴的现象。因此有必要通过试验研究振幅对轴承可靠性的影响[19]。

3.1.1 基础振幅对轴承寿命的影响

试验步骤：

(1) 将电机放在振动平台上，调整平台振动烈度；

(2) 通电运转100 h, 期间每间隔8 h测试一次轴承温度，将电机从振动平台上拆下；

(3) 对电机进行空运转试验，测试电机振动值；

(4) 重复步骤(1)至步骤(3),直至轴承的振动烈度超过允许值(或电机运转出现不应有的周期性噪声)。

试验结果见表1。

表1 基础振动 - 振幅试验结果

通过试验验证，得出了轴承基本振幅对电机振幅、轴承温度与轴承寿命的影响关系。由表1可知，随着基础振幅逐渐增大，电机振动也会逐渐增大，轴承温度逐步升高，轴承寿命缩短。当基础振幅达到6 mm时，轴承出现明显破坏现象，轴承寿命大幅缩短。因此，将救援潜水泵的基础振幅控制在5 mm以内，能极大地提高救援潜水泵的使用可靠性。

3.1.2 润滑油对轴承寿命的影响

润滑油在轴承运转过程中可以有效降低振幅。因此，本试验通过改变润滑油量，以期确定润滑油油量对电机振动、轴承温度和轴承寿命的影响。试验步骤为：依次减少轴承中的润滑油量；通电运转，每8 h测试一次轴承温度及振动，直至振动烈度超过允许值(或电机运转出现不应有的周期性噪声)。试验结果见表2。

表2 润滑油 - 振幅试验结果

由表2可知，当润滑油量在20 mm以上时，轴承寿命相对较为稳定。当润滑油量少于油室的1/3时，轴承寿命大幅缩短，且出现轴承烧结现象。因此，控制救援潜水泵的润滑油量，保障油量不少于油室的1/3,定期检查并更换润滑油，能有效提高救援潜水泵的使用可靠性。

3.1.3 轴承游隙与电机振幅和轴承寿命的关系

轴承内外圈游隙余量对电机振动、轴承温度和轴承寿命有很大的影响，合理的游隙对轴承寿命延长至关重要。因此，本试验通过改变轴承游隙余量大小来验证其影响以及确定边界，试验结果见表3。

表3 轴承游隙 - 电机振幅 - 轴承寿命试验结果

由表3可知，当轴承游隙余量低于24 μm时，电机振幅、轴承温度和寿命变化不大；轴承游隙余量大于24 μm时，电机振幅显著增大，轴承温度上升，寿命突然缩短。因此救援潜水泵装配时应控制轴承游隙余量，将轴承游隙余量控制在24 μm以下可有效提高救援潜水泵的可靠性。

3.2 密封性可靠性试验分析

密封件是防止流体或固体微粒从零部件结合面间泄漏以及防止外界杂质如灰尘与水分等侵入机器设备内部零部件的材料或零件。对于救援潜水泵而言，密封圈能起到将水和固体微粒与电机腔有效分隔的作用，其可靠性对救援潜水泵可靠性产生直接影响[20]。一般常见的密封失效现象有老化、变形、磨损、承压等。通过试验对救援潜水泵密封可靠性进行分析是确定救援潜水泵可靠性边界的最直接有效方法。通过与可靠性相关的老化试验、密封圈变形试验、密封圈磨损试验、水压试验等对密封圈进行了量化测试，测试结果见表4至表7。

表4 密封圈老化 - 密封性能试验结果

表5 密封圈变形 - 密封性能试验结果

表6 密封圈磨损 - 密封性能试验结果

表7 密封圈耐水压性能试验结果

由表4至表7可知，密封圈承受2.5 MPa耐水压试验时未发生泄漏现象，当水压超过3.0 MPa时开始出现渗漏现象；密封圈老化试验达到55 d时，密封开始失效；密封圈变形超过5.28 mm时，密封失效；密封圈磨损量达到4.46 mm时，密封失效。因此，在救援潜水泵使用过程中定期进行密封圈更换，可以极大地提高救援潜水泵的使用可靠性。

3.3 叶轮可靠性试验分析

叶轮是水泵的重要工作部件，它的材质、形状、尺寸、加工工艺等对水泵性能有决定性的影响。叶轮的可靠性分析是救援潜水泵可靠性边界研究必不可少的内容。水泵叶轮主要有闭式叶轮、半开式叶轮、开式叶轮3种结构形式[21]。淹井救援泵一般采用闭式叶轮。

本试验以型号为30-36-7.5的救援潜水泵为试验对象，试验步骤如下：

(1) 首先调整介质酸碱度，杂质颗粒度，模拟严苛工况介质条件，将试验介质放入叶轮及过流部件可靠性试验装置中；

(2) 对待试验样品进行清水性能试验，记录其原始状态的流量、扬程、功率参数；

(3) 将待试验的样品分别称重、测量尺寸，并进行记录；

(4) 将待试验的样品安装在叶轮及过流部件可靠性试验装置中，通电运行50 h, 将被试验样品拆下冲洗干净，分别称重、测量尺寸，并记录重量、尺寸等参数；

(5) 对被试验样品进行清水性能试验，记录其流量、扬程、功率参数；

(6) 重复步骤(3)至步骤(5),直至有关参数有明显变化(如扬程下降超过5%,或流量下降超过8%);

(7) 更换另一被试验样品，重复如上试验。

试验结果如图1所示，图中数据为叶轮相应磨损时间后清水试验的额定流量值。

图1 叶轮材质 - 性能可靠性边界试验结果

由图1可知，过流部件材质采用HT250时，实际介质运转时间100 h后，水力性能出现明显降低；过流部件材质采用QT500-7时，实际介质运转时间150 h后，水力性能出现明显降低；过流部件材质采用QT600-3时，实际介质运转时间175 h后，水力性能出现明显降低；过流部件材质采用2Cr13、ZG270-500、ZG1Cr18Ni9Ti时，实际介质运转时间200 h后，水力性能未出现明显降低。因此，在选用救援潜水泵过流部件时应选择适合的材质。

3.4 电机可靠性试验分析

电机是救援潜水泵的动力源，其可靠性直接影响救援潜水泵的可靠性[22]。本试验通过模拟调整救援潜水泵的工作状态，电机的供电电压保持为660 V不变，在不同电流下稳定运转，考核电机的运转寿命。

试验步骤如下：

(1) 首先在电机测试系统上测试被试电机的电气性能；

(2) 调整负载，模拟电机在不同工况下(额定流量、额定功率、额定电流、功率限值)的使用条件并连续运转48 h;

(3) 停机后迅速测量温升；

(4) 静置24 h后测量绝缘电阻并对被试样机进行性能试验；

(5) 重复步骤(2)至步骤(4),测试其在另一工况下进行试验，直至有关参数有明显变化(如堵转电流超标、堵转转矩超标、启动转矩超标、绝缘失效);

(6) 将试验结果与原始性能参数进行比较，获得电机性能变化曲线，试验数据见表8。

表8 电流 - 电机性能试验数据

由表8可知，当电动机不超额定电流运转时，电机绝缘、堵转性能、启动电流、温升无明显变化，但当运转电流超过功率限值电流时，电机温升急剧升高，绝缘电阻急剧下降，堵转电流突然增大。因此，在救援潜水泵运行时或使用前应进行电流监测，当救援潜水泵运行电流接近或超过功率限值电流时应立即停机，查明原因，使救援潜水泵运转电流低于功率限值电流，这样才能提高救援潜水泵的运行可靠性。

4、应用与验证

基于以上试验研究结论，选取了5种不同型号(每个型号2台，共10台)的救援潜水泵，按照可靠性边界参数改变同型号的泵的关键参数，并对其进行了可靠性试验验证，试验运行结果见表9。

表9 救援潜水泵边界参数试验结果

由表9可知，改变救援潜水泵轴承游隙余量、电机振幅、润滑油量、密封圈老化时长、过流部件材质、运转电流等参数，当关键参数在前文中提出的可靠性边界参数范围内时，设备可靠运行时间可达200 h以上。但是，当超过边界参数条件时，救援潜水泵可靠运行时间明显缩短，甚至低于100 h。试验结果证明了试验所确定的可靠性边界参数可作为判断救援潜水泵可靠性的参考依据。

5、结论

经归纳分析救援潜水泵关键部件的运行可靠性与振幅、润滑、密封、材质、磨损、超载等影响因素的相关性，建议救援潜水泵设计、维修、保养时的性能参数优化如下。

(1) 轴承的优化。轴承振幅、轴承的间隙、润滑对轴承寿命、可靠性影响显著，研究表明当轴承基础振幅控制在5 mm以内，轴承游隙余量控制在24 μm以下，润滑油量不少于油室的1/3时，有利于提高轴承的寿命。

(2) 密封的优化。密封圈的承压应在2.5 MPa以下，最佳为1 MPa, 且磨损量少于4.4 mm时在较长时间内能保证密封性能。因此，应关注磨损量，定期保养、维护、更换密封圈，进而保障救援泵密封性能的可靠。

(3) 叶轮的优化。材质低于QT600-3性能指标时，救援潜水泵的使用寿命会急剧下降，建议叶轮材质尽量选用2Cr13、ZG270-500、ZG1Cr18Ni9Ti等材质，以保证过流部件的可靠性。

(4) 电机的优化。当潜水泵工作电流在限值功率电流以内工作时，电机能够长时间内稳定运转。可以设置监测装置，时刻监测电机的工作功率状态，当发现超过限值功率时，应引起高度注意。

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文章来源:张连军,张东岭,史志远,等.淹井救援潜水泵严苛条件下可靠性边界试验研究[J].矿业研究与开发,2024,44(11):232-238.