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油田鉆井振動(dòng)篩用隔爆型振動(dòng)源三相異步電動(dòng)機(jī)
作者：
發(fā)布時(shí)間：
2020-06-03
在石油鉆井過(guò)程中，有一個(gè)鉆井泥漿的凈化處理環(huán)節(jié)，它是由固控設(shè)備來(lái)完成的。作為固控設(shè)備第一緩解的振動(dòng)篩是至關(guān)重要的。如何提供振動(dòng)篩的性能，為該設(shè)備直接提供振動(dòng)力，這便是本文所提及的隔爆型振動(dòng)源三相異步電動(dòng)機(jī)，在尺寸和功率一定的前提下，怎么提高其激振力是目前有待解決的問(wèn)題，本文將對(duì)油田鉆井振動(dòng)篩用隔爆型振動(dòng)源電動(dòng)機(jī) 設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。
1.設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題
1.1振動(dòng)篩對(duì)其配套的主要要求
（1）在油田鉆井惡劣環(huán)境高溫條件下，電動(dòng)機(jī)要有足夠的溫升性能，且經(jīng)受頻繁起動(dòng)工作條件。
（2）電動(dòng)機(jī)的繞組的絕緣結(jié)果適應(yīng)濕熱環(huán)境。
（3）電動(dòng)機(jī)耐沖擊和振動(dòng)。
（4）電動(dòng)機(jī)具備不同的轉(zhuǎn)速，適合泥漿的變化和處理能力。
（5）電動(dòng)機(jī)具有較高的an全性和可靠性。
1.2解決的主要問(wèn)題和途徑
由于隔爆型振動(dòng)源三相異步電動(dòng)機(jī)的功率限制在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，外型尺寸和結(jié)構(gòu)也受到制約，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的單位體積損耗增加，溫升高、散熱能力差，又要求產(chǎn)生最da的激振力，因此針對(duì)上述問(wèn)題設(shè)計(jì)時(shí)尤其是電磁設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了優(yōu)化，合理地選擇了參數(shù)。為ti高電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能和過(guò)載能力，降低其起動(dòng)電流和熱損耗，進(jìn)行了有利于電動(dòng)機(jī)散熱的電磁設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在材料選用方面，強(qiáng)化了外殼的強(qiáng)度和絕緣結(jié)果，解決了使用環(huán)境條件對(duì)電動(dòng)機(jī)的較高要求，充分保證其在使用過(guò)程中的安全和可靠性。
2.參數(shù)的選擇、結(jié)構(gòu)及性能設(shè)計(jì)
2.1主要技術(shù)參數(shù)的確定
額定功率：1.8KW（6極）、2.2KW（4極）
額定電壓：380V
額定頻率：50Hz
相數(shù)：3相
極數(shù)：4極、6極
激振力：60KN
額定轉(zhuǎn)速：1420r/min、980r/min
防護(hù)等級(jí)：IP55
絕緣等級(jí)：F
防爆等級(jí)：ExdⅡBT4
工作方式：以連續(xù)運(yùn)行工作制（SI）為基準(zhǔn)的連續(xù)定額，滿壓起動(dòng)；
工作環(huán)境溫度：-20℃-+55℃
2.2主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.2.1隔爆型外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
為了充分保證隔爆型振動(dòng)源三相異步電動(dòng)機(jī)的外殼強(qiáng)度，外殼材質(zhì)選用鑄鋼材質(zhì)。隔爆接合面又有止口式接合面。在振動(dòng)電機(jī)的端蓋上設(shè)計(jì)有密封圈，保證了其防護(hù)性能。考慮到振動(dòng)電機(jī)的特殊性，大大增加了隔爆型外殼的壁厚。殼體最小厚度為15mm，厚度為23mm。因振動(dòng)電機(jī)具有長(zhǎng)軸的特點(diǎn)，加工精度要求也高，加工時(shí)采用了一次拉削成型或鏜削成型。外殼加工完成后，其形位誤差的同軸度和同心度幾乎為零，充分保住了振動(dòng)電機(jī)在裝配時(shí)四組軸承的定位安裝和電動(dòng)機(jī)的氣隙參數(shù)。涉及到防爆參數(shù)方面完全符合GB3836.1-2010《易燃性環(huán)境 1部分：設(shè)備通用要求》和GB3836.2-2010《易燃性環(huán)境 2部分：由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)要求。其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。
2.2.2接線盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
接線盒部分的設(shè)計(jì)也采用了止口式隔爆型結(jié)構(gòu)，為保證振動(dòng)電機(jī)的防護(hù)性能，也設(shè)置了密封結(jié)構(gòu)。定子繞組的引接線及溫控線即主腔與接線腔之間的連接線全部采用澆封結(jié)構(gòu)，完全符合GB3836.3-2010《易燃性環(huán)境 3部分：由增安型“e”保護(hù)的設(shè)備》和GB3836.9---2006《易燃性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 9部分：澆封型“m”》的要求。一般情況下，為了充分隔爆振動(dòng)電機(jī)的可靠性，產(chǎn)品在出廠前用戶通過(guò)防爆電線密封接頭把接線盒內(nèi)接線連接好，留出大約兩米長(zhǎng)的電纜連接線，避免用戶在安裝接線時(shí)因不當(dāng)而影響隔爆振動(dòng)電機(jī)的隔爆和振動(dòng)性能。
2.2.3繞組的設(shè)計(jì)及環(huán)流的抑止
為了滿足振動(dòng)篩在泥漿處理過(guò)程中不同流量的要求，隔爆型振動(dòng)源三相異步電動(dòng)機(jī)材料4極和6極雙速運(yùn)行。在滿足兩種轉(zhuǎn)速的前提下，合理地選擇其結(jié)構(gòu)參數(shù)和尺寸，提高電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也應(yīng)考慮到ti高電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)。為提高效率，降低溫升，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能選擇大的定子槽形，加大定子的線圈的導(dǎo)線截面，以降低定子的銅損。同時(shí)根據(jù)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的集膚效應(yīng)原理，優(yōu)化了轉(zhuǎn)子槽型參數(shù)，ti高了轉(zhuǎn)子的電阻，以降低堵轉(zhuǎn)電流，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩隨之加大。
隔爆型振動(dòng)源三相異步電動(dòng)機(jī)在繞組設(shè)計(jì)時(shí)候兼顧了兩種轉(zhuǎn)速下的性能要求，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)確定繞組的接法、路數(shù)節(jié)距、匝數(shù)等參數(shù)。雙繞阻設(shè)計(jì)時(shí)遇到了一個(gè)問(wèn)題，即線圈環(huán)流問(wèn)題。由于兩個(gè)獨(dú)立的繞組嵌入同一定子鐵心槽中，根據(jù)電磁感應(yīng)定律。當(dāng)工作繞組通電時(shí)，電機(jī)氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)支撐，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)不僅在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而且也使得另外一套不工作的定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如果非工作繞組本身已構(gòu)成閉合回路，并且回路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不能互相抵消，則非工作繞組中會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。環(huán)流形成的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使工作繞組的磁勢(shì)波形畸變，會(huì)影響工作繞組的正常運(yùn)行。對(duì)個(gè)繞組的電氣性能，噪聲和振動(dòng)產(chǎn)生較大的影響，而且還會(huì)引起工作繞組的電流劇增，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的溫度升高，降低電動(dòng)機(jī)的使用壽命。
為了抑制電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的環(huán)流，我們?cè)谶M(jìn)行繞組接線時(shí)進(jìn)行了環(huán)流分析，采用正確的并聯(lián)路數(shù)和各繞組支路合成電動(dòng)勢(shì)為零，從而避免了一套繞組供電時(shí)，另一套繞組中環(huán)流的形成。
2.2.4轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)
隔爆型振動(dòng)源三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子不同于一般電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子，在工作時(shí)轉(zhuǎn)子軸的兩端裝有盡可能重的偏心塊，使其產(chǎn)生大激振力，充分發(fā)揮其振動(dòng)性能。因此對(duì)轉(zhuǎn)子軸額度強(qiáng)度和剛度要求非常高。為此轉(zhuǎn)子的軸采用了雙層復(fù)合性材料，內(nèi)層選用柔性和疲勞強(qiáng)度較好的材料，外層選用剛性強(qiáng)的材質(zhì)并加以特殊的工藝處理后，充分做到了內(nèi)柔外剛。然后裝入硅鋼片疊成的貼心，用鋁澆鑄成一個(gè)整體，同時(shí)吧端環(huán)及風(fēng)扇葉一起鑄出。
2.2.5軸承的裝配與潤(rùn)滑
由于振動(dòng)電機(jī)正常工作時(shí)，始終處于周期性振動(dòng)，這對(duì)于軸承的選用和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。我們采用了可調(diào)心軸承結(jié)構(gòu)。這種軸承結(jié)構(gòu)不僅較原一般結(jié)構(gòu)在承受軸向力方面有超過(guò)3-5倍以上的承載能力，最主要得是它能再±2°范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)心。如特殊情況下振動(dòng)電機(jī)要過(guò)負(fù)荷，軸發(fā)生撓曲時(shí)滾動(dòng)體與軸始終保持平行，從而杜絕了出現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的角度負(fù)荷的形成，振動(dòng)電機(jī)也就不會(huì)產(chǎn)生飽軸現(xiàn)象。
軸承的布置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示，在振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上多設(shè)置了兩組軸承機(jī)構(gòu)即在兩端偏心塊的末端增加一組軸承（由于振動(dòng)電機(jī)是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，圖1只表示出了振動(dòng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的左邊部分，右邊與左邊是相同的），大大ti高了振動(dòng)電機(jī)的徑向承載能力。為了防止振動(dòng)電機(jī)的軸在偏心塊作旋轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，因撓曲而產(chǎn)生角負(fù)荷，我們把圓柱滾子軸承的軸承座外表面設(shè)置成外球面狀，再與一個(gè)有內(nèi)求面狀的軸承套互相配合，在振動(dòng)電機(jī)的軸彎曲時(shí)，通過(guò)軸承套的內(nèi)圈球面與軸承座的外球面之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到調(diào)心效果，使軸承的滾動(dòng)體與軸始終保持同心，從而避免了造成圓柱滾子軸承損壞的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的情況發(fā)生。另外在振動(dòng)電機(jī)四套軸承的端外側(cè)也增設(shè)有軸承壓緊端蓋，它與軸承座、軸承套配合固定，使之夜承受軸向力。因此整個(gè)振動(dòng)電機(jī)的軸向力作用要左右相對(duì)稱的四個(gè)軸承位置處，充分保證了振動(dòng)電機(jī)在振動(dòng)工作時(shí)的可靠性。
所選用的軸承是國(guó)外進(jìn)口軸承，軸承的使用壽命可超過(guò)6萬(wàn)小時(shí)。電動(dòng)機(jī)外殼上還設(shè)置了注、排油裝置，軸承的密封采用了特殊結(jié)構(gòu)，防止雜物進(jìn)入軸承室。潤(rùn)滑脂采用專用潤(rùn)滑脂，每3個(gè)月進(jìn)行一次維護(hù)。因此大大降低了電動(dòng)機(jī)的軸承溫度，減少了故障幾率，ti高了軸承的運(yùn)行質(zhì)量，延長(zhǎng)了軸承的使壽命。
2.3防爆振動(dòng)電機(jī)主要性能情況
2.3.1繞組的絕緣情況
該電動(dòng)機(jī)采用H級(jí)絕緣結(jié)構(gòu)，采取措施防止定子繞組、引接線互相摩擦、產(chǎn)生相對(duì)位移等損壞絕緣而導(dǎo)致定子繞組繞損。電磁線選用聚酯亞胺漆包圓銅線，每只線圈端有PST帶半跌包，繞組端部進(jìn)行綁扎和封包。整體進(jìn)行VPI浸漆、烘干，充分保證絕緣漆液充滿定子繞組的所有間隙，使之成為整體。爾后繞組及端部引接線部分再用環(huán)氧樹(shù)脂澆封，使整個(gè)繞組更加穩(wěn)固，具有良好的防潮及熱穩(wěn)定性，也防止了電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中線圈與線圈之間、引線與引線之間發(fā)生相對(duì)移動(dòng)而造成的絕緣損壞。
2.3.2激振力的計(jì)算與偏心塊的確定
一般情況下，根據(jù)振動(dòng)篩所需要的激振力及配備的電動(dòng)機(jī)的數(shù)量（一般情況下為兩臺(tái)）確定出每臺(tái)隔爆型振動(dòng)源三相異步電動(dòng)機(jī)的激振力。根據(jù)激振力的大小、電機(jī)的轉(zhuǎn)速、偏心塊的偏心距等確定出偏心塊的質(zhì)量。偏心塊的質(zhì)量確定后再設(shè)計(jì)偏心塊的幾何外形，再進(jìn)行修正后，確定最終的激振力的大小。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，也可以用變頻器來(lái)調(diào)節(jié)振動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，獲得所需要的振動(dòng)頻率和激振力。
2.3.3電動(dòng)機(jī)的過(guò)熱保護(hù)
為防止電動(dòng)機(jī)在使用過(guò)程中，由于表面泥漿雜物的覆蓋而造成過(guò)熱，定子繞組內(nèi)埋置了熱保護(hù)元件。在定子繞組和軸承埋置鉑熱電阻Pt100，使用時(shí)需配置溫度繼電器測(cè)溫元件進(jìn)行溫度監(jiān)控，從而達(dá)到過(guò)熱超溫保護(hù)的目的。
本文對(duì)隔爆型振動(dòng)源三相異步電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)確定、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電磁設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述，目的是了解這種特殊的防爆電機(jī)的基本防爆結(jié)構(gòu)和性能。作為石油鉆井振動(dòng)篩的關(guān)鍵設(shè)備，其產(chǎn)品質(zhì)量直接影響到我國(guó)的石油固控設(shè)備的制造水平和鉆井的作業(yè)過(guò)程，通過(guò)不斷努力和坦率，在不遠(yuǎn)的將來(lái)能夠完全代替進(jìn)口產(chǎn)品，打下良好的基礎(chǔ)。
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