深水繩纜卷筒非接觸式驅動器的研究

安振武，王毅堅，張 波

(1．中海油能源發展股份有限公司裝備技術分公司，天津塘沽300452;2．吉林化工學院機電學院，吉林吉林132022;3．哈爾濱工程大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱150001)

用于深水的電機驅動磁耦合非接觸式繩纜卷筒是對現有普通繩纜卷筒結構的改進，其中繩纜卷筒泛指起重機與卷揚機中卷筒、電纜纏繞用絞盤、軟繩及軟管盤繞滾筒等回轉機構．它可在水深1 500～10 000 m范圍內進行繩纜的纏繞作業．對于深水中回轉機構的電機驅動，它的關鍵技術是電機輸出軸水中動密封技術．隨著水深的增加，電機輸出軸動密封承受的壓力越來越大，當水深超過4 500 m時，普通形式的動密封均達不到有效密封要求［1-2］．因此，本文將選取磁性材料進行深水繩纜卷筒非接觸式驅動器的研究，解決深水電機輸出軸動密封的難題，通過實驗檢驗驅動器動密封的有效性及驅動力矩是否滿足牽引繩索的要求．

1 繩纜卷筒拉力實驗

本文所研究繩纜卷筒的作用是將一定長度的繩索收回卷筒或者拉緊，這時就需要知道拉力有多大，因此，進行繩纜卷筒實驗獲得不同長度繩纜拉緊時的拉力．此繩纜直徑為:3 mm，材質:1Cr8Ni9Ti．實驗方法是:選取30 m長鋼絲繩作為試驗用檢測繩，將繩一端固定;另一端用彈簧秤施加不同的張緊力FT拉緊繩，同時用米尺測量出對應垂度f．分別在跨度 L=5、10、30 m下測量出4組數據如表1所示．

表1 不同跨度下張緊力FT與垂度f試驗部分數據

由表1數據可以繪制出張緊力與垂度的關系曲線，如圖1所示．

圖1 不同跨度下檢測繩張緊力與垂度試驗曲線

根據表1實驗數據采用高次多項式方法進行曲線擬合．通過多次試驗分析，發現利用四次多項式擬合后的曲線能很好的反映出實驗數據的變化規律．當跨度 l=5、10、20、30 m 時，經過多項式擬合后的檢測繩張緊力計算公式分別為式(1)、式(2)．

由式(1)、(2)可得到各種跨度下檢測繩不同垂度時對應的張緊力大小如表2所示．

表2 檢測繩不同垂度時所需要的張緊力

利用表2中數據，可以確定3 mm鋼絲繩各跨度范圍內應提供的張緊力，為磁性材料驅動器設計提供設計依據．

2 磁耦合驅動器設計

2.1 磁性材料的選取

用于傳遞轉矩的磁性材料，不僅需要高的磁感應強度，而且還需要高的矯頑力和磁能積．適應這種要求的磁性材料有鐵氧體類磁鋼和稀土類磁鋼．至今為止，第三代稀土永磁的釹鐵硼(Nd-Fe-B)具有最優越的磁能積．

Nd-Fe-B磁性材料，由于磁性能優異、價格低廉，對于形組合式磁路結構可以獲得令人滿意的磁轉矩．這類永磁耦合器具有體積小、重量輕、功率大、效率高等獨特優點，因此被廣泛應用于腐蝕環境中．因此．此驅動器內外轉子選用的為Nd-Fe-B永磁體材料，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 磁力驅動器結構設計

磁力驅動器將電機旋轉扭矩通過內外磁耦合力傳至絞盤上，使其同步旋轉．磁驅動器是通過永磁體的磁力將原動機與工作機聯接起來的一種新型驅動器．它無需直接的機械聯接，而是利用稀土永磁體之間的相互作用，利用磁場可穿透一定的空間距離和物質材料的特性，進行機械能量的傳送．磁力驅動器的出現，徹底解決了某些機械裝置中動密封存在的泄漏問題．

磁驅動器按照磁力傳遞結構形式可分為圓筒式和圓環式兩種，為節省長度空間，此驅動器采用圓筒式磁力驅動形式，由1-外磁路轉子，2-外磁路永磁體，3-緊定螺釘，4-電機倉，5-電機軸，6-驅動電機，7-O型圈，8-內磁路轉子，9-內磁路永磁體，10-隔離套，11-滑動套等構件所組成，如圖2所示．這種結構內、外兩個導磁體是不直接接觸的，密封通過隔離套與電機倉結合面處O型圈來實現．這樣，將電機輸出軸的動密封轉換成靜密封，能夠實現深水至10 000-15 000 m的密封．

圖2 絞車磁驅動器結構簡圖

2.3 磁耦合原理分析

磁耦合裝置中，電機直接驅動內轉子轉動，內轉子轉動過程中，由于磁力作用，引起外轉子同步轉動，最終由外轉子驅動卷筒轉動．圓筒形靜態磁路的結構尺寸如圖3所示．

圖3 圓筒形靜態磁路結構

這種結構是由內、外兩個磁環組成，每個磁環都是由m個N、S極交替排列的瓦形永磁體組成的．其氣隙中心的磁場強度，可按內外相對應的兩塊永磁體產生的磁場強度的疊加進行計算，其值分別為［3，4］:

式中:Hi為內磁環上永磁體產生的磁場強度，Oe;Ho為外磁環上永磁體產生的磁場強度，Oe;Hg為工作氣隙中的磁場強度，Oe;Br為永磁體剩余磁感應強度，T;tg為工作氣隙寬度，cm;Lb為永磁體軸向長度，cm;Ls1為內永磁體內弧長，cm;Ls2為內永磁體外弧長，cm;Ls3為外永磁體內弧長，cm;Ls4為外永磁體內弧長，cm;tim為內永磁體厚度，cm;tom為外永磁體厚度，cm．

磁耦合傳動的工作過程是當外磁轉子被電動機帶動旋轉后，內磁轉子跟隨一同轉動．由于內磁轉子存在著負載慣性和負載阻力作用，所以只有在外磁轉子相對內磁轉子旋轉一個位移轉角差θ后，內磁轉子才開始與外磁轉子同步轉動．當轉角θ旋轉到θ/2時，產生一個最大的轉矩，最大轉矩可按下式計算．

2.4 隔離套強度分析

隔離套主要用于密封驅動電機以及磁耦合部件中的內轉子．隔離套厚度t越小，因渦流而導致的功率損失也越小，傳動效率越高．但同時為了保證隔離套能承受深水壓力，t值必須滿足強度要求．根據材料力學知識，隔離套筒壁厚度可按下式計算［6］:

式中，P為殼體壓力，MPa;Dn為隔離套筒內徑，mm;［σ］為隔離套材料需用應力，bMPa;n為隔離套材料強度極限，MPa;n為安全系數，對于塑性材料在靜載荷下取n=1．2～2．5;Φ為焊接系數，計算時取1．

對于此繩纜卷筒，考慮一定強度裕量，外壓取p=18 MPa，Dn=90 mm，材料選取為 1Gr18Ni9Ti，取安全系數n=2，可得隔離套厚度t=3．2 mm，圓整后取t=4 mm．

用有限元方法進一步分析隔離套受外壓下的應力和變形情況．由于隔離套的幾何形狀、載荷條件以及邊界條件都滿足軸對稱條件，單元關鍵字設置為軸對稱屬性，由此分析過程中只需要建立隔離套的一個橫截面即可．隔離套軸向的最大壓應力發生在尾部過渡圓角內側，值為179．42 MPa，如圖4所示．

圖4 隔離套在外壓下等效應力分布圖

由圖可知，隔離套在過渡圓角內側出現最大等效拉應力，為216 MPa，遠小于1Gr18Ni9Ti的強度極限，因此隔離套的結構設計滿足強度要求．

3 磁耦合驅動器樣機與實驗

對于此驅動器，由表2得最大轉矩為16Nm，結合隔離套尺寸，可確定出內外轉子永磁體尺寸．加工后的磁驅動器如圖5所示．

圖5 磁驅動器加工實物圖

在此基礎上，將電機安裝至卷筒內，進行聯合調試，如圖6所示．

調試中使用彈簧秤模擬拉緊力，測試卷筒整體的拉力性能．此卷筒最大拉力為:338N，撓度約為:22 mm，小于繩纜拉緊撓度允許值35 mm，說明驅動器達到指標要求．此最大拉力比表2中理論計算值380N低，說明存在一定的能量損失，效率為:88．9%．這是由于在內外磁轉子間存在的密封隔離套加大了它們的間隙造成的，因此，隔離套在滿足強度條件下厚度越薄越好．此驅動器隔離套再次進行優化后，最終確定的厚度t=3．5 mm．

圖7 絞車海上試驗

進行卷筒最大拉力實驗后，加工制造出卷筒樣機，再次實驗測得最大拉力為346N，效率為:91．1%，較優化前提高了2．2%，撓度約為20 mm，增加了安全余量．將繩纜卷筒與主機裝配吊入海中進行繩纜收放實驗，由潛水員水下觀測得到繩纜卷筒轉動平穩、鋼絲繩收放自如、能夠張緊，達到了工程使用要求，圖7為卷筒下海前狀態，件1為絞車、件2為測量主機．

4 結 論

本文進行了由磁性材料制作的繩纜卷筒驅動器的研究，將電機輸出軸動密封轉成靜密封的形式，解決了電機輸出軸深水密封的問題．通過繩纜卷筒海下收放繩纜實驗檢驗了密封性、可靠性，說明此驅動器的研制是可行的．目前，此裝置已經應用在海下工程施工中，具有一定的工程應用價值．

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