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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
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，它是由固控設備來(lái)完成的。作為固控設備第一緩解的振動(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，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，本文將對油田鉆井振動(dòng)篩用隔爆型振動(dòng)源電動(dòng)機 設計過(guò)程中的一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。
1.設計中的主要問(wèn)題
1.1振動(dòng)篩對其配套的主要要求
（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)機的繞組的絕緣結果適應濕熱環(huán)境。
（3）電動(dòng)機耐沖擊和振動(dòng)。
（4）電動(dòng)機具備不同的轉速，適合泥漿的變化和處理能力。
（5）電動(dòng)機具有較高的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)機的功率限制在一個(gè)很小的范圍內，外型尺寸和結構也受到制約，運行時(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，因此針對上述問(wèn)題設計時(shí)尤其是電磁設計方面進(jìn)行了優(yōu)化，合理地選擇了參數。為ti高電動(dòng)機的啟動(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)機散熱的電磁設計和結構設計。在材料選用方面，強化了外殼的強度和絕緣結果，解決了使用環(huán)境條件對電動(dòng)機的較高要求，充分保證其在使用過(guò)程中的安全和可靠性。
2.參數的選擇、結構及性能設計
2.1主要技術(shù)參數的確定
額定功率：1.8KW（6極）、2.2KW（4極）
額定電壓：380V
額定頻率：50Hz
相數：3相
極數：4極、6極
激振力：60KN
額定轉速：1420r/min、980r/min
防護等級：IP55
絕緣等級：F
防爆等級：ExdⅡBT4
工作方式：以連續運行工作制（SI）為基準的連續定額，滿(mǎn)壓起動(dòng)；
工作環(huán)境溫度：-20℃-+55℃
2.2主要結構設計
2.2.1隔爆型外殼的結構設計
為了充分保證隔爆型振動(dòng)源三相異步電動(dòng)機的外殼強度，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)電機的端蓋上設計有密封圈，保證了其防護性能?？紤]到振動(dòng)電機的特殊性，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)電機具有長(cháng)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)電機在裝配時(shí)四組軸承的定位安裝和電動(dòng)機的氣隙參數。涉及到防爆參數方面完全符合GB3836.1-2010《易燃性環(huán)境 1部分：設備通用要求》和GB3836.2-2010《易燃性環(huán)境 2部分：由隔爆外殼“d”保護的設備》標準要求。其結構示意圖見(jiàn)圖1。
2.2.2接線(xiàn)盒結構設計
接線(xiàn)盒部分的設計也采用了止口式隔爆型結構，為保證振動(dòng)電機的防護性能，也設置了密封結構。定子繞組的引接線(xiàn)及溫控線(xiàn)即主腔與接線(xiàn)腔之間的連接線(xiàn)全部采用澆封結構，完全符合GB3836.3-2010《易燃性環(huán)境 3部分：由增安型“e”保護的設備》和GB3836.9---2006《易燃性氣體環(huán)境用電氣設備 9部分：澆封型“m”》的要求。一般情況下，為了充分隔爆振動(dòng)電機的可靠性，產(chǎn)品在出廠(chǎng)前用戶(hù)通過(guò)防爆電線(xiàn)密封接頭把接線(xiàn)盒內接線(xiàn)連接好，留出大約兩米長(cháng)的電纜連接線(xiàn)，避免用戶(hù)在安裝接線(xiàn)時(shí)因不當而影響隔爆振動(dòng)電機的隔爆和振動(dòng)性能。
2.2.3繞組的設計及環(huán)流的抑止
為了滿(mǎn)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)機材料4極和6極雙速運行。在滿(mǎn)足兩種轉速的前提下，合理地選擇其結構參數和尺寸，提高電動(dòng)機的堵轉轉矩、大轉矩，同時(shí)也應考慮到ti高電動(dòng)機的效率和功率因數。為提高效率，降低溫升，設計時(shí)盡可能選擇大的定子槽形，加大定子的線(xiàn)圈的導線(xiàn)截面，以降低定子的銅損。同時(shí)根據電動(dòng)機啟動(dòng)時(shí)的集膚效應原理，優(yōu)化了轉子槽型參數，ti高了轉子的電阻，以降低堵轉電流，堵轉轉矩隨之加大。
隔爆型振動(dòng)源三相異步電動(dòng)機在繞組設計時(shí)候兼顧了兩種轉速下的性能要求，根據電動(dòng)機的工作狀態(tài)確定繞組的接法、路數節距、匝數等參數。雙繞阻設計時(shí)遇到了一個(gè)問(wèn)題，即線(xiàn)圈環(huán)流問(wèn)題。由于兩個(gè)獨立的繞組嵌入同一定子鐵心槽中，根據電磁感應定律。當工作繞組通電時(shí)，電機氣隙中產(chǎn)生旋轉支撐，旋轉磁場(chǎng)不僅在轉子導條中產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，而且也使得另外一套不工作的定子繞組中產(chǎn)生感應電動(dòng)勢。如果非工作繞組本身已構成閉合回路，并且回路中感應電動(dòng)勢不能互相抵消，則非工作繞組中會(huì )產(chǎn)生環(huán)流。環(huán)流形成的感應電動(dòng)勢使工作繞組的磁勢波形畸變，會(huì )影響工作繞組的正常運行。對個(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，導致電動(dòng)機的溫度升高，降低電動(dòng)機的使用壽命。
為了抑制電動(dòng)機內部的環(huán)流，我們在進(jìn)行繞組接線(xiàn)時(shí)進(jìn)行了環(huán)流分析，采用正確的并聯(lián)路數和各繞組支路合成電動(dòng)勢為零，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轉子的設計
隔爆型振動(dòng)源三相異步電動(dòng)機的轉子不同于一般電動(dòng)機的轉子，在工作時(shí)轉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。因此對轉子軸額度強度和剛度要求非常高。為此轉子的軸采用了雙層復合性材料，內層選用柔性和疲勞強度較好的材料，外層選用剛性強的材質(zhì)并加以特殊的工藝處理后，充分做到了內柔外剛。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軸承的裝配與潤滑
由于振動(dòng)電機正常工作時(shí)，始終處于周期性振動(dòng)，這對于軸承的選用和結構的設計提出了較高的要求。我們采用了可調心軸承結構。這種軸承結構不僅較原一般結構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°范圍內自動(dòng)調心。如特殊情況下振動(dòng)電機要過(guò)負荷，軸發(fā)生撓曲時(shí)滾動(dòng)體與軸始終保持平行，從而杜絕了出現點(diǎn)對點(diǎn)的角度負荷的形成，振動(dòng)電機也就不會(huì )產(chǎn)生飽軸現象。
軸承的布置結構見(jiàn)圖1所示，在振動(dòng)電機轉子軸上多設置了兩組軸承機構即在兩端偏心塊的末端增加一組軸承（由于振動(dòng)電機是對稱(chēng)結構，圖1只表示出了振動(dòng)電動(dòng)機結構的左邊部分，右邊與左邊是相同的），大大ti高了振動(dòng)電機的徑向承載能力。為了防止振動(dòng)電機的軸在偏心塊作旋轉振動(dòng)時(shí)，因撓曲而產(chǎn)生角負荷，我們把圓柱滾子軸承的軸承座外表面設置成外球面狀，再與一個(gè)有內求面狀的軸承套互相配合，在振動(dòng)電機的軸彎曲時(shí)，通過(guò)軸承套的內圈球面與軸承座的外球面之間相對運動(dòng)來(lái)達到調心效果，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)對點(diǎn)的情況發(fā)生。另外在振動(dòng)電機四套軸承的端外側也增設有軸承壓緊端蓋，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)電機的軸向力作用要左右相對稱(chēng)的四個(gè)軸承位置處，充分保證了振動(dòng)電機在振動(dòng)工作時(shí)的可靠性。
所選用的軸承是國外進(jìn)口軸承，軸承的使用壽命可超過(guò)6萬(wàn)小時(shí)。電動(dòng)機外殼上還設置了注、排油裝置，軸承的密封采用了特殊結構，防止雜物進(jìn)入軸承室。潤滑脂采用專(zhuān)用潤滑脂，每3個(gè)月進(jìn)行一次維護。因此大大降低了電動(dòng)機的軸承溫度，減少了故障幾率，ti高了軸承的運行質(zhì)量，延長(cháng)了軸承的使壽命。
2.3防爆振動(dòng)電機主要性能情況
2.3.1繞組的絕緣情況
該電動(dòng)機采用H級絕緣結構，采取措施防止定子繞組、引接線(xiàn)互相摩擦、產(chǎn)生相對位移等損壞絕緣而導致定子繞組繞損。電磁線(xiàn)選用聚酯亞胺漆包圓銅線(xiàn)，每只線(xiàn)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(mǎn)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(xiàn)部分再用環(huán)氧樹(shù)脂澆封，使整個(gè)繞組更加穩固，具有良好的防潮及熱穩定性，也防止了電動(dòng)機在運轉過(guò)程中線(xiàn)圈與線(xiàn)圈之間、引線(xiàn)與引線(xiàn)之間發(fā)生相對移動(dòng)而造成的絕緣損壞。
2.3.2激振力的計算與偏心塊的確定
一般情況下，根據振動(dòng)篩所需要的激振力及配備的電動(dòng)機的數量（一般情況下為兩臺）確定出每臺隔爆型振動(dòng)源三相異步電動(dòng)機的激振力。根據激振力的大小、電機的轉速、偏心塊的偏心距等確定出偏心塊的質(zhì)量。偏心塊的質(zhì)量確定后再設計偏心塊的幾何外形，再進(jìn)行修正后，確定最終的激振力的大小。在實(shí)際應用過(guò)程中，也可以用變頻器來(lái)調節振動(dòng)電機的轉速，獲得所需要的振動(dòng)頻率和激振力。
2.3.3電動(dòng)機的過(guò)熱保護
為防止電動(dòng)機在使用過(guò)程中，由于表面泥漿雜物的覆蓋而造成過(guò)熱，定子繞組內埋置了熱保護元件。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溫元件進(jìn)行溫度監控，從而達到過(guò)熱超溫保護的目的。
本文對隔爆型振動(dòng)源三相異步電動(dòng)機的主要參數確定、結構設計、電磁設計等方面進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述，目的是了解這種特殊的防爆電機的基本防爆結構和性能。作為石油鉆井振動(dòng)篩的關(guān)鍵設備，其產(chǎn)品質(zhì)量直接影響到我國的石油固控設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，在不遠的將來(lái)能夠完全代替進(jìn)口產(chǎn)品，打下良好的基礎。
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