基于海水淡化的鉬合金鼠籠隔爆電動機螺紋接頭改進

李 冀

隨著科技進步，人口日益增多，人們向海洋開發的愿望也日趨強烈，海水淡化處理日趨普及，海水淡化的能耗成本受到特別關注。早期海水淡化采用蒸餾法，如多級閃蒸技術，通常只建在能量價格很低的地區。經反滲透海水淡化技術所獲得的淡水純度取決于滲透膜的致密度，致密度越高則獲得的淡水純度也越高，同時要求將參與滲透的海水提高到更高的壓力。因此，能量回收效率成了降低海水淡化成本的關鍵。當今世界在海水淡化領域液體能量回收利用的壓力交換器主要存在著一系列的機械運動件和電器切換機構，維修率較高，最終影響生產成本。

1 海水淡化領域壓力交換器的主要形式

傳統的轉子液壓缸結構類似柱塞泵，優點是工作液體介質與廢棄高壓液體不直接接觸，最高效率可達95%，缺點是液壓缸結構的轉子以及轉子桿自身都有很大的摩擦功耗，特別是轉子桿的往復密封技術最難達到理想效果，實際效率往往低于90%，特別是摩擦損耗導致設備停機頻繁、維護費用高。

透平-水泵組合的能量傳遞設備，優點是工作液體介質與廢棄高壓液體不直接接觸，且能適應大流量能量傳遞，但其單機的最高效率也低于75%，故這樣組合的能量傳遞設備機組效率一般只有40%至55%。

國際上對海水淡化投入最早以及最成功的發達國家，如日本、丹麥、荷蘭、瑞典、挪威、英國、美國以及德國等，都在壓力交換方面做過努力，但其最高交換效率都沒有超過95%，且配套工程龐大，外來電器驅動和切換閥門等控制元件過多導致意外事故頻繁發生，最終導致大幅度增大設備投資和日常管理維護等額外費用。

2 電動機螺紋接頭的改進方案

對鉬合金鼠籠隔爆電動機海水淡化螺紋接頭裝置進行了改進，低壓提升泵進口和低壓吸管之間串聯有水平螺紋恒向流器，高壓補充泵進口與所述的補水吸管之間串聯有垂直螺紋恒向流器，螺紋壓力交換提升機泵由壓力提升螺紋泵部分和螺紋壓力交換機部分所組成，壓力提升螺紋泵由鼠籠防爆電動機驅動；螺紋壓力交換機部分包括交換器轉子、交換器外筒以及預處理水端蓋和截留水端蓋，交換器轉子上有轉子兩端面和轉子外圓，轉子外圓與交換器外筒內圓之間為可旋轉滑動配合；壓力提升螺紋泵部分包括螺紋增壓泵體和增壓泵葉輪，且與所述的鼠籠Ⅲ型防爆電動機組成一體，螺紋增壓泵體前端面分別有增壓泵吸口和整體固定螺孔，增壓法蘭盤上有通孔與整體固定螺孔相對應，緊固螺釘穿越增壓法蘭盤上的通孔與整體固定螺孔配合。

圖1 電動機螺紋接頭的改進方案

3 螺紋壓力交換機工作原理

交換器轉子采用在旋轉圓周位置上布置了壓力交換通道，相鄰的兩個通道之間有隔離筋板作隔離；憑借低壓導入旋轉坡面和蓄壓導入旋轉坡面與交換器轉子端面的正向傾斜夾角，以及增壓導出旋轉坡面和卸壓導出旋轉坡面與交換器轉子端面的反向傾斜夾角，就能讓螺紋壓力交換機部分中唯一的運動件交換器轉子自如旋轉，完成壓力交換通道內流動方向切換，實現壓力交換。當壓力交換通道內的預處理海水和截流蓄壓海水一起分別處于與低壓流道和泄壓流道相同位置時，海水推著大氣壓力的截流蓄壓海水向下流入泄壓流道之中；當壓力交換通道內的預處理海水和截流蓄壓海水一起分別處于與增壓流道和蓄壓流道相同位置時，截流蓄壓海水推著預處理海水，向上注入增壓中心排孔；被交換壓力的預處理海水由增壓泵吸口被增壓泵葉輪吸入并經離心力增壓依次流經蝸殼螺紋凸臺和增壓螺紋接頭，最終并入高壓海水進管。

4 鼠籠防爆電動機關鍵部件組裝過程

4.1 鼠籠防爆電動機組裝

將定子固定在電動機外殼內孔上，將轉子固定在電動機轉軸最大直徑處且與定子位置相對應，用八顆前蓋板螺釘穿越電動機前蓋板上的端蓋機殼通孔與電動機外殼前端面上的機殼端面螺孔相配合，將電動機前蓋板固定在電動機外殼的前端面上，電動機前蓋板的前蓋軸承孔上固定著前軸承外圓，前軸承內孔固定著電動機轉軸的軸承前段軸；用另外八顆后蓋板螺釘與電動機外殼后端面上的機殼端面螺孔相配合，將電動機后蓋板固定在電動機外殼后端面，電動機后蓋板的后蓋中心孔上固定著后軸承外圓，后軸承內孔固定著電動機轉軸的軸承后段軸。

4.2 螺紋接頭管路連接

增壓內螺紋接頭連接，將轉換高壓管左端外螺紋與蝸殼出口凸臺上的內螺紋上分別涂上環氧樹脂，配對連接，使得轉換高壓管與蝸殼出口凸臺之間構成靜止密閉固定；與增壓內螺紋接頭連接方式一樣，分別將卸壓螺紋接頭、低壓螺紋接頭和蓄壓螺紋接頭與其所在位置兩側的管路進行螺紋連接，使得排泄管路與泄壓流道連通之間構成靜止密封固定、低壓管路與低壓流道連通之間構成靜止密封固定、膜回流管與蓄壓流道連通之間構成靜止密封固定。

4.3 關鍵部件組裝步驟

將前蓋空心軸上的空心軸調節臺階與電動機前蓋板上的前蓋軸承孔近外端處過渡配合，并用空心軸螺釘穿越前蓋空心軸上的空心軸臺階孔與電動機前蓋板上的前蓋螺孔相配合，將前蓋空心軸上的空心軸法蘭與電動機前蓋板上的前蓋凹臺面緊貼固定，使得前蓋空心軸上的空心軸臺階孔與電動機轉軸的轉軸外伸段外輪廓之間具有高精度同軸度來固定機封組件。

將葉輪調節圈間隙配合放入葉輪臺階孔之中并越過臺階孔退刀槽貼在軸承轂孔底面上；再將無內圈軸承上的軸承外圈微微過盈配合壓入葉輪軸承轂上的葉輪臺階孔之中，然后將葉輪孔用卡環用專用工具放入葉輪卡槽內，使得軸承外圈兩側分別貼著葉輪孔用卡環和葉輪調節圈。

葉輪軸承轂與電動機轉軸之間的連接：將固定在葉輪軸承轂上的軸承外圈連同圓柱滾針一起套入固定在外軸承支撐圓上一部分，轉動增壓泵葉輪，使得葉輪軸承轂上的葉輪花鍵孔與電動機轉軸上的軸花鍵段對準相配合，繼續推壓葉輪軸承轂，使得軸承外圈上的圓柱滾針整體與外軸承支撐圓完全相配合；先取用臺階防松螺釘穿越軸向定位擋圈中心孔后與電動機轉軸上的軸端螺孔相配合，使得軸向定位擋圈在臺階防松螺釘上的兩平行擋邊與軸花鍵段外端面之間有軸向自由量；再用五顆擋圈螺釘穿越軸向定位擋圈上的定位擋圈通孔后與葉輪軸承轂上的防松螺孔相配合，將軸向定位擋圈也緊固在葉輪軸承轂外端面上；最后用一顆擋圈螺釘依次穿越防松擋片上的通孔和軸向定位擋圈上的定位擋圈通孔后也與葉輪軸承轂上的防松螺孔相配合，使得防松擋片上的擋片拐角邊對準兩平行擋邊上的任意一平邊上，起到防松作用。

5 應用鼠籠防爆電動機實施反滲透海水淡化的工作過程

預處理海水吸管和啟動吸管均插入到預處理池水表面下方，啟動高壓啟動泵，由啟動吸管吸取海水預處理池中的預處理海水，依次經啟動高壓管、管路三通和高壓海水進管后，注入膜進水腔中直接參與滲透膜海水淡化。當膜進水腔中的預處理海水的壓力達到時，截流蓄壓海水被反滲透膜截流，其中的處理淡水穿透反滲透膜，進入膜出水腔中，經淡化水出管輸送到淡水儲備待用區域，未能穿越反滲透膜的截流蓄壓海水經膜回流管，通過蓄壓螺紋接頭進入蓄壓進口位置，沖擊交換機葉片后，輔助驅動交換機葉輪旋轉，截流蓄壓海水做功后泄壓，從泄壓出口排出，經過卸壓螺紋接頭，從排泄管路排放掉或送到下游處理程序。末級花鍵槽孔與花鍵傳動軸之間為花鍵齒圓周嚙合的軸向可滑動配合，輔助驅動花鍵傳動軸旋轉。這樣不僅可以帶動初級泵葉輪、中間前葉輪、中間后葉輪和末級泵葉輪同步旋轉，還降低了鼠籠型防爆電動機啟動負荷，避免了鼠籠型防爆電動機因啟動電流過大而燒毀。

6 電動機螺紋接頭的改進效果

采用螺紋連接結構拆裝、維護方便，特別是增設螺紋壓力交換提升機泵，壓力提升螺紋泵部分上的增壓泵吸口與螺紋壓力交換機部分上的增壓中心排孔直接對準，不但結構緊湊，而且增設螺紋壓力交換提升機泵的反滲透膜海水淡化工程與沒有螺紋壓力交換提升機泵的反滲透膜海水淡化工程相比，獲取單位淡水的能耗降低30%左右。

增壓泵葉輪上有葉輪臺階孔和葉輪花鍵孔，轉軸外伸段外端有軸花鍵段，前蓋空心軸穿越電動機軸伸入孔位于螺紋增壓泵體蝸殼內，外軸承支撐圓上配合有無內圈軸承，無內圈軸承支撐著葉輪軸承轂，轉軸外伸段穿越空心軸臺階孔，軸花鍵段與葉輪花鍵孔相互嚙合，將轉軸外伸段扭矩傳遞給增壓泵葉輪；結構實現了電動機轉軸、前軸承和后軸承只需承受純扭矩，而花鍵嚙合所產生的徑向力完全被無內圈軸承所承受，僅僅作用在前蓋空心軸上，完全避免了電動機轉軸上的轉軸外伸段承受徑向力，提高了鼠籠防爆電動機使用壽命；螺紋壓力交換機部分無需任何外來電器驅動和切換閥門等元件控制，憑借低壓導入旋轉坡面和蓄壓導入旋轉坡面與交換器轉子的正向傾斜夾角，以及增壓導出旋轉坡面和蓄壓導入旋轉坡面與交換器轉子的反向傾斜夾角，就能讓螺紋壓力交換機部分中唯一的運動件交換器轉子自如旋轉，完成壓力交換通道內流動方向切換，實現壓力交換，避免了采用任何電器控制可能導致的意外事故發生。

低壓管路與低壓吸管之間串聯有水平螺紋恒向流器，環形流道口與圓形流道口之間有變形四片流道相連通這種特殊設置，確保低壓流道內的瞬態高壓海水不會產生反向逆流，操作安全可靠。水平螺紋恒向流器內的擺轉閥芯具備擺轉靈敏的特點，環形流道口與圓形流道口之間有變形四片流道相連通這種特殊設置，使得水平螺紋恒向流器整體部件中沒有類似彈簧等任何阻礙零件，就能實現恒向流動功能，徹底消除了因低壓吸管上的管路附件故障影響發生故障的隱患。

高壓補充泵進口與補水吸管之間串聯有垂直螺紋恒向流器，這種特殊設置確保補充高壓管里的高壓海水不會產生反向逆流，操作安全可靠。垂直螺紋恒向流器內的環狀空腔設置，使得移動閥芯懸浮在垂直螺紋恒向流器之內，移動閥芯整體懸浮結構使之具備開啟、關閉敏捷的特性，使得垂直螺紋恒向流器整體部件中沒有類似彈簧等任何阻礙零件，就能實現恒向流動功能，徹底消除了因補水吸管上的管路附件故障影響正常工作的隱患。

7 結語

反滲透海水淡化技術所獲得的淡水純度取決于滲透膜的致密度，致密度越高則獲得的淡水純度也越高，同時要求將參與滲透的海水提高到更高的壓力。因此，能量回收效率成了降低海水淡化成本的關鍵。目前，在海水淡化領域液體能量回收利用的壓力交換器主要存在一系列的機械運動件和電器切換機構，維修率較高，最終影響生產成本。通過改進，預處理海水吸管與吸口管路之間串聯有水平螺紋恒向流器，這種特殊設置確保啟動高壓管里的兆帕的高壓海水不會產生反向逆流，操作安全可靠。高壓啟動泵進口與啟動吸管之間串聯有垂直螺紋恒向流器，這種特殊設置實現了恒向流動功能，徹底消除了因啟動吸管上的管路附件故障影響正常工作的隱患。

[1]吳干東.電動機轉子故障的分析[J].華北電力技術，2015，（9）：22-23.[2]陳慶祥.雙鼠籠電機斷籠的局部處理與原因分析[J].寧夏電力，2015，（3）：21-23.

[3]廖松濤.電動機轉子籠條斷裂的原因分析及預防措施[J].廣西電力，2014，27（4）：22-23.

[4]李海波.淺談電動機常見故障與維護[J].有色冶金節能，2016，27（12）：30-32.

[5]王伯輝.電動機的常見故障及維護[J].科技視界，2015，（1）：49.