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    油田鉆井振動篩用隔爆型振動源三相異步電動機

    油田鉆井振動篩用隔爆型振動源三相異步電動機

    2020-06-03 15:42
       在石油鉆井過程中,有一個鉆井泥漿的凈化處理環節,它是由固控設備來完成的。作為固控設備第一緩解的振動篩是至關重要的。如何提供振動篩的性能,為該設備直接提供振動力,這便是本文所提及的隔爆型振動源三相異步電動機,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題,本文將對油田鉆井振動篩用隔爆型振動源電動機設計過程中的一些關鍵問題進行簡要概述。
       1.設計中的主要問題
       1.1振動篩對其配套的主要要求
     (1)在油田鉆井惡劣環境高溫條件下,電動機要有足夠的溫升性能,且經受頻繁起動工作條件。
     (2)電動機的繞組的絕緣結果適應濕熱環境。
     (3)電動機耐沖擊和振動。
     (4)電動機具備不同的轉速,適合泥漿的變化和處理能力。
     (5)電動機具有較高的安全性和可靠性。
       1.2解決的主要問題和途徑
       由于隔爆型振動源三相異步電動機的功率限制在一個很小的范圍內,外型尺寸和結構也受到制約,運行時產生的單位體積損耗增加,溫升高、散熱能力差,又要求產生最大的激振力,因此針對上述問題設計時尤其是電磁設計方面進行了優化,合理地選擇了參數。為提高電動機的啟動性能和過載能力,降低其起動電流和熱損耗,進行了有利于電動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,解決了使用環境條件對電動機的較高要求,充分保證其在使用過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
       最大激振力: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,滿壓起動;
       工作環境溫度:-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源三相異步電動機的外殼強度,外殼材質選用鑄鋼材質。隔爆接合面又有止口式接合面。在振動電機的端蓋上設計有密封圈,保證了其防護性能??紤]到振動電機的特殊性,大大增加了隔爆型外殼的壁厚。殼體最小厚度為15mm,最大厚度為23mm。因振動電機具有長軸的特點,加工精度要求也高,加工時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,充分保住了振動電機在裝配時四組軸承的定位安裝和電動機的氣隙參數。涉及到防爆參數方面完全符合GB3836.1-2010《爆炸性環境第1部分:設備通用要求》和GB3836.2-2010《爆炸性環境第2部分:由隔爆外殼“d”保護的設備》標準要求。其結構示意圖見圖1。
    http://www.sevagaming.com/product/5.html
       2.2.2接線盒結構設計
       接線盒部分的設計也采用了止口式隔爆型結構,為保證振動電機的防護性能,也設置了密封結構。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構,完全符合GB3836.3-2010《爆炸性環境第3部分:由增安型“e”保護的設備》和GB3836.9---2006《爆炸性氣體環境用電氣設備第9部分:澆封型“m”》的要求。一般情況下,為了充分爆炸振動電機的可靠性,產品在出廠前用戶通過防爆電線密封接頭把接線盒內接線連接好,留出大約兩米長的電纜連接線,避免用戶在安裝接線時因不當而影響振動電機的隔爆性能和振動性能。
      2.2.3繞組的設計及環流的抑止
      為了滿足振動篩在泥漿處理過程中不同流量的要求,隔爆型振動源三相異步電動機材料4極和6極雙速運行。在滿足兩種轉速的前提下,合理地選擇其結構參數和尺寸,提高電動機的堵轉轉矩、最大轉矩,同時也應考慮到提高電動機的效率和功率因數。為了提高效率,降低溫升,設計時盡可能選擇大的定子槽形,加大定子的線圈的導線截面,以降低定子的銅損。同時根據電動機啟動時的集膚效應原理,優化了轉子槽型參數,提高了轉子的電阻,以降低堵轉電流,堵轉轉矩隨之加大。
       隔爆型振動源三相異步電動機在繞組設計時候兼顧了兩種轉速下的性能要求,根據電動機的工作狀態確定繞組的接法、路數節距、匝數等參數。雙繞阻設計時遇到了一個問題,即線圈環流問題。由于兩個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,電機氣隙中產生旋轉支撐,旋轉磁場不僅在轉子導條中產生感應電動勢,而且也使得另外一套不工作的定子繞組中產生感應電動勢。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勢不能互相抵消,則非工作繞組中會產生環流。環流形成的感應電動勢使工作繞組的磁勢波形畸變,會影響工作繞組的正常運行。對個繞組的電氣性能,噪聲和振動產生較大的影響,而且還會引起工作繞組的電流劇增,導致電動機的溫升增高,降低電動機的使用壽命。
       為了抑制電動機內部的環流,我們在進行繞組接線時進行了環流分析,采用正確的并聯路數和各繞組支路合成電動勢為零,從而避免了一套繞組供電時,另一套繞組中環流的形成。
       2.2.4轉子的設計
       隔爆型振動源三相異步電動機的轉子不同于一般電動機的轉子,在工作時轉子軸的兩端裝有盡可能重的偏心塊,使其產生最大激振力,充分發揮其振動性能。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,用鋁澆鑄成一個整體,同時吧端環及風扇葉一起鑄出。
       2.2.5軸承的裝配與潤滑
       由于振動電機正常工作時,始終處于周期性振動,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3-5倍以上的承載能力,最主要得是它能再±2°范圍內自動調心。如特殊情況下振動電機要過負荷,軸發生撓曲時滾動體與軸始終保持平行,從而杜絕了出現點對點的角度負荷的形成,振動電機也就不會產生飽軸現象。
       軸承的布置結構見圖1所示,在振動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(由于振動電機是對稱結構,圖1只表示出了振動電動機結構的左邊部分,右邊與左邊是相同的),大大提高了振動電機的徑向承載能力。為了防止振動電機的軸在偏心塊作旋轉振動時,因撓曲而產生角負荷,我們把圓柱滾子軸承的軸承座外表面設置成外球面狀,再與一個有內求面狀的軸承套互相配合,在振動電機的軸彎曲時,通過軸承套的內圈球面與軸承座的外球面之間相對運動來達到調心效果,使軸承的滾動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對點的情況發生。另外在振動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。因此整個振動電機的軸向力作用要左右相對稱的四個軸承位置處,充分保證了振動電機在振動工作時的可靠性。
       所選用的軸承是國外進口軸承,軸承的使用壽命可超過6萬小時。電動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,防止雜物進入軸承室。潤滑脂采用專用潤滑脂,每3個月進行一次維護。因此大大降低了電動機的軸承溫度,減少了故障幾率,提高了軸承的運行質量,延長了軸承的使壽命。
       2.3防爆振動電機主要性能情況
       2.3.1繞組的絕緣情況
       該電動機采用H級絕緣結構,采取措施防止定子繞組、引接線互相摩擦、產生相對位移等損壞絕緣而導致定子繞組繞損。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,繞組端部進行綁扎和封包。整體進行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氧樹脂澆封,使整個繞組更加穩固,具有良好的防潮及熱穩定性,也防止了電動機在運轉過程中線圈與線圈之間、引
    線與引線之間發生相對移動而造成的絕緣損壞。
       2.3.2激振力的計算與偏心塊的確定
       一般情況下,根據振動篩所需要的激振力及配備的電動機的數量(一般情況下為兩臺)確定出每臺隔爆型振動源三相異步電動機的激振力。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量。偏心塊的質量確定后再設計偏心塊的幾何外形,再進行修正后,確定最終的激振力的大小。在實際應用過程中,也可以用變頻器來調節振動電機的轉速,獲得所需要的振動頻率和激振力。
       2.3.3電動機的過熱保護
       為防止電動機在使用過程中,由于表面泥漿雜物的覆蓋而造成過熱,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,使用時需配置溫度繼電器測溫元件進行溫度監控,從而達到過熱超溫保護的目的。
       本文對隔爆型振動源三相異步電動機的主要參數確定、結構設計、電磁設計等方面進行了簡要闡述,目的是了解這種特殊的防爆電機的基本防爆結構和性能。作為石油鉆井振動篩的關鍵設備,其產品質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過程,通過不斷努力和坦率,在不遠的將來能夠完全代替進口產品,打下良好的基礎。
     

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