深水绳缆卷筒非接触式驱动器的研究

2015-03-02安振武王毅坚

吉林化工学院学报 2015年4期

安振武，王毅坚，张波

(1．中海油能源发展股份有限公司装备技术分公司，天津塘沽300452;2．吉林化工学院机电学院，吉林吉林132022;3．哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001)

用于深水的电机驱动磁耦合非接触式绳缆卷筒是对现有普通绳缆卷筒结构的改进，其中绳缆卷筒泛指起重机与卷扬机中卷筒、电缆缠绕用绞盘、软绳及软管盘绕滚筒等回转机构．它可在水深1 500～10 000 m范围内进行绳缆的缠绕作业．对于深水中回转机构的电机驱动，它的关键技术是电机输出轴水中动密封技术．随着水深的增加，电机输出轴动密封承受的压力越来越大，当水深超过4 500 m时，普通形式的动密封均达不到有效密封要求［1-2］．因此，本文将选取磁性材料进行深水绳缆卷筒非接触式驱动器的研究，解决深水电机输出轴动密封的难题，通过实验检验驱动器动密封的有效性及驱动力矩是否满足牵引绳索的要求．

1 绳缆卷筒拉力实验

本文所研究绳缆卷筒的作用是将一定长度的绳索收回卷筒或者拉紧，这时就需要知道拉力有多大，因此，进行绳缆卷筒实验获得不同长度绳缆拉紧时的拉力．此绳缆直径为:3 mm，材质:1Cr8Ni9Ti．实验方法是:选取30 m长钢丝绳作为试验用检测绳，将绳一端固定;另一端用弹簧秤施加不同的张紧力FT拉紧绳，同时用米尺测量出对应垂度f．分别在跨度 L=5、10、30 m下测量出4组数据如表1所示．

表1 不同跨度下张紧力FT与垂度f试验部分数据

由表1数据可以绘制出张紧力与垂度的关系曲线，如图1所示．

图1 不同跨度下检测绳张紧力与垂度试验曲线

根据表1实验数据采用高次多项式方法进行曲线拟合．通过多次试验分析，发现利用四次多项式拟合后的曲线能很好的反映出实验数据的变化规律．当跨度 l=5、10、20、30 m 时，经过多项式拟合后的检测绳张紧力计算公式分别为式(1)、式(2)．

由式(1)、(2)可得到各种跨度下检测绳不同垂度时对应的张紧力大小如表2所示．

表2 检测绳不同垂度时所需要的张紧力

利用表2中数据，可以确定3 mm钢丝绳各跨度范围内应提供的张紧力，为磁性材料驱动器设计提供设计依据．

2 磁耦合驱动器设计

2.1 磁性材料的选取

用于传递转矩的磁性材料，不仅需要高的磁感应强度，而且还需要高的矫顽力和磁能积．适应这种要求的磁性材料有铁氧体类磁钢和稀土类磁钢．至今为止，第三代稀土永磁的钕铁硼(Nd-Fe-B)具有最优越的磁能积．

Nd-Fe-B磁性材料，由于磁性能优异、价格低廉，对于形组合式磁路结构可以获得令人满意的磁转矩．这类永磁耦合器具有体积小、重量轻、功率大、效率高等独特优点，因此被广泛应用于腐蚀环境中．因此．此驱动器内外转子选用的为Nd-Fe-B永磁体材料，其所具有的磁力、物理特性如表3所示．

表3 材料磁特性及物理特性

2.2 磁力驱动器结构设计

磁力驱动器将电机旋转扭矩通过内外磁耦合力传至绞盘上，使其同步旋转．磁驱动器是通过永磁体的磁力将原动机与工作机联接起来的一种新型驱动器．它无需直接的机械联接，而是利用稀土永磁体之间的相互作用，利用磁场可穿透一定的空间距离和物质材料的特性，进行机械能量的传送．磁力驱动器的出现，彻底解决了某些机械装置中动密封存在的泄漏问题．

磁驱动器按照磁力传递结构形式可分为圆筒式和圆环式两种，为节省长度空间，此驱动器采用圆筒式磁力驱动形式，由1-外磁路转子，2-外磁路永磁体，3-紧定螺钉，4-电机仓，5-电机轴，6-驱动电机，7-O型圈，8-内磁路转子，9-内磁路永磁体，10-隔离套，11-滑动套等构件所组成，如图2所示．这种结构内、外两个导磁体是不直接接触的，密封通过隔离套与电机仓结合面处O型圈来实现．这样，将电机输出轴的动密封转换成静密封，能够实现深水至10 000-15 000 m的密封．

图2 绞车磁驱动器结构简图

2.3 磁耦合原理分析

磁耦合装置中，电机直接驱动内转子转动，内转子转动过程中，由于磁力作用，引起外转子同步转动，最终由外转子驱动卷筒转动．圆筒形静态磁路的结构尺寸如图3所示．

图3 圆筒形静态磁路结构

这种结构是由内、外两个磁环组成，每个磁环都是由m个N、S极交替排列的瓦形永磁体组成的．其气隙中心的磁场强度，可按内外相对应的两块永磁体产生的磁场强度的叠加进行计算，其值分别为［3，4］:

式中:Hi为内磁环上永磁体产生的磁场强度，Oe;Ho为外磁环上永磁体产生的磁场强度，Oe;Hg为工作气隙中的磁场强度，Oe;Br为永磁体剩余磁感应强度，T;tg为工作气隙宽度，cm;Lb为永磁体轴向长度，cm;Ls1为内永磁体内弧长，cm;Ls2为内永磁体外弧长，cm;Ls3为外永磁体内弧长，cm;Ls4为外永磁体内弧长，cm;tim为内永磁体厚度，cm;tom为外永磁体厚度，cm．

磁耦合传动的工作过程是当外磁转子被电动机带动旋转后，内磁转子跟随一同转动．由于内磁转子存在着负载惯性和负载阻力作用，所以只有在外磁转子相对内磁转子旋转一个位移转角差θ后，内磁转子才开始与外磁转子同步转动．当转角θ旋转到θ/2时，产生一个最大的转矩，最大转矩可按下式计算．

2.4 隔离套强度分析

隔离套主要用于密封驱动电机以及磁耦合部件中的内转子．隔离套厚度t越小，因涡流而导致的功率损失也越小，传动效率越高．但同时为了保证隔离套能承受深水压力，t值必须满足强度要求．根据材料力学知识，隔离套筒壁厚度可按下式计算［6］:

式中，P为壳体压力，MPa;Dn为隔离套筒内径，mm;［σ］为隔离套材料需用应力，bMPa;n为隔离套材料强度极限，MPa;n为安全系数，对于塑性材料在静载荷下取n=1．2～2．5;Φ为焊接系数，计算时取1．

对于此绳缆卷筒，考虑一定强度裕量，外压取p=18 MPa，Dn=90 mm，材料选取为 1Gr18Ni9Ti，取安全系数n=2，可得隔离套厚度t=3．2 mm，圆整后取t=4 mm．

用有限元方法进一步分析隔离套受外压下的应力和变形情况．由于隔离套的几何形状、载荷条件以及边界条件都满足轴对称条件，单元关键字设置为轴对称属性，由此分析过程中只需要建立隔离套的一个横截面即可．隔离套轴向的最大压应力发生在尾部过渡圆角内侧，值为179．42 MPa，如图4所示．

图4 隔离套在外压下等效应力分布图

由图可知，隔离套在过渡圆角内侧出现最大等效拉应力，为216 MPa，远小于1Gr18Ni9Ti的强度极限，因此隔离套的结构设计满足强度要求．

3 磁耦合驱动器样机与实验

对于此驱动器，由表2得最大转矩为16Nm，结合隔离套尺寸，可确定出内外转子永磁体尺寸．加工后的磁驱动器如图5所示．

图5 磁驱动器加工实物图

在此基础上，将电机安装至卷筒内，进行联合调试，如图6所示．

调试中使用弹簧秤模拟拉紧力，测试卷筒整体的拉力性能．此卷筒最大拉力为:338N，挠度约为:22 mm，小于绳缆拉紧挠度允许值35 mm，说明驱动器达到指标要求．此最大拉力比表2中理论计算值380N低，说明存在一定的能量损失，效率为:88．9%．这是由于在内外磁转子间存在的密封隔离套加大了它们的间隙造成的，因此，隔离套在满足强度条件下厚度越薄越好．此驱动器隔离套再次进行优化后，最终确定的厚度t=3．5 mm．

图7 绞车海上试验

进行卷筒最大拉力实验后，加工制造出卷筒样机，再次实验测得最大拉力为346N，效率为:91．1%，较优化前提高了2．2%，挠度约为20 mm，增加了安全余量．将绳缆卷筒与主机装配吊入海中进行绳缆收放实验，由潜水员水下观测得到绳缆卷筒转动平稳、钢丝绳收放自如、能够张紧，达到了工程使用要求，图7为卷筒下海前状态，件1为绞车、件2为测量主机．