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          孔底馬達

          2021-11-06 08:47:22
          孔底馬達
          詳細介紹:

          孔底馬達


          一、孔底馬達的結構組成

          孔底馬達公司

          煤礦用孔底馬達主要由馬達總成、萬向軸總成、傳動軸總成三大部分組成,如上圖所示。在地面煤層氣開發工程中使用的孔底馬達通常還包括旁通閥總成、防掉總成等部分。

          1)馬達總成:由定子和轉子組成。轉子是一根有鍍鉻硬層的螺桿,定子是在金屬殼體內壁上壓注橡膠襯套而成,橡膠內孔是具有一定幾何參數的螺旋曲面。轉子的上端為自由端,下端與萬向軸連接;定子上端與鉆桿接手連接,下端與萬向軸殼體連接。

          2)萬向軸總成:萬向軸的作用是將馬達轉子的行星運動轉變為傳動軸的定軸轉動,將馬達總成產生的扭矩及轉速傳遞給傳動軸。萬向軸大多采用瓣形或球形形式。彎殼體孔底馬達的萬向軸殼體是一個帶有結構彎角的彎殼體,萬向軸的上端和馬達轉子相連,下端和傳動軸連接。

          3)傳動軸總成:主要由主軸、推力軸承組、徑向軸承、軸承外管等組成,傳動軸上端與萬向軸連接,下端與鉆頭連接,在傳遞動力的同時,也承受鉆壓產生的徑向和軸向載荷。

          二、孔底馬達的分類

          1.按結構特征分類

          1)按定、轉子的頭數分類,孔底馬達可分為單頭和多頭兩種。多頭具有低轉速、大扭矩特征,目前常用的為3/4、4/5、5/6、7/8等型多頭孔底馬達。

          2)按馬達的“級數”———即定子、轉子運動副所包含的定子導程的正倍數進行分類,單頭孔底馬達多在3級以上,多頭孔底馬達多在2級以上。級數越多,馬達可輸出的工作力矩值越大。

          2.按公稱直徑分類

          此分類方法便于設計制造部門和使用者根據鉆孔外徑要求選擇相應直徑的孔底馬達。煤礦井下常用的小口徑孔底馬達主要有 等幾種。

          3.按萬向軸殼體結構分類

          按萬向軸殼體結構分類可分為直孔底馬達(無結構彎角)和彎殼體孔底馬達(帶結構彎角)兩種。直孔底馬達上方加配彎接頭主要用于施工常規定向鉆孔,彎殼體孔底馬達主要用于施工近水平孔、多分支孔、大位移孔等。

          三、孔底馬達的結構參數

          孔底馬達是一種單螺桿容積式動力機械,其動力部件是馬達總成,因此孔底馬達的結構參數主要指馬達總成的參數,包括定轉子的頭數、級數和偏心距等。

          1.頭數

          孔底馬達定、轉子螺旋齒的數目稱為頭數。定子的頭數一般用Z1表示,轉子的頭數用Z2表示,則有Z1=Z2+1。

          轉子的頭數與定子的頭數之比,一般用i表示,該值也等于轉子導程T2與定子導程T1之比,即:轉子的頭數越少,轉速越高,扭矩越小;轉子的頭數越多,轉速越低,扭矩越大。

          2.級數

          孔底馬達的級數是指定子上每條螺旋齒完整螺旋(360°)總個數,一級就是一個完整螺旋。級數一般用K表示:煤礦井下隨鉆測量定向鉆進使用手冊(L為定子長度)。級數越多,馬達可輸出的工作力矩越大。

          3.偏心距

          孔底馬達的轉子裝配置定子之中時,定子的中心線與轉子中心線不重合,二者之間存在有偏距,稱為偏心距,一般用e表示。由于定、轉子的頭數不同,所以偏心距必然存在,也只有存在偏心距的前提下,轉子在液壓的作用下才能轉動,

          煤礦井下定向鉆孔的施工一般選擇小直徑長壽命孔底馬達,推薦使用外徑為φ73mm的孔底馬達,其性能參數見表5-1??椎遵R達彎角的大小根據鉆孔施工要求選擇:只有主孔而無分支的鉆孔,推薦使用1°~1.25°彎角的孔底馬達;施工帶有分支孔的定向鉆孔,則推薦使用1.25°~1.5°彎角的孔底馬達。

          表5-1 推薦使用的孔底馬達主要技術參數

          四、正常使用應具備的條件

          1.沖洗液

          孔底馬達正常使用首先需要滿足其對沖洗液的要求。根據表5-1,沖洗液量需控制在孔底馬達排量范圍內,并根據孔徑和孔底鉆屑的返排情況選擇較優沖洗液量。沖洗液所能達到的較大壓力大于孔底馬達較大壓降,同時能夠保證孔底鉆屑正常排出孔內。

          2.結構彎角

          根據施鉆地層的硬度、致密性等地質情況,考慮分支鉆孔施工和定向鉆孔軌跡的曲率半徑,優選孔底馬達的結構彎角,使孔底馬達滿足定向鉆孔按照設計正常鉆進的要求。

          五、使用方法及注意事項

          (一)使用方法

          1.下鉆前的檢查

          1)在孔口對孔底馬達進行空載檢測,確定孔底馬達工作正常后再下鉆。

          2)按設計連接好鉆具組合。如用可調彎接頭或可調彎殼體進行定向鉆進,應在孔口調整到設計角度。彎外管(或彎接頭)應將彎頭標記朝正上方,以便隨鉆測量系統修整工具面向角。

          2.下鉆

          1)下放鉆具時,需控制下放速度。遇有較為復雜地層時,應開動泥漿泵,慢慢沖孔通過。

          2)不可墩鉆或將鉆具直接下放到孔底。

          3)下放帶彎接頭或彎殼體的鉆具時,需要周期性轉動鉆具組合,以消除側鉆的影響。

          3.鉆進

          1)如果鉆具已下放置孔底,提起0.3~0.6m。

          2)沖洗孔底,以防孔底堆積或沉淀的鉆屑影響鉆速或造斜。

          3)沖孔后,再把鉆具上提0.3~0.6m,校對壓力值,記錄的壓力為循環壓力。

          4)重新下放至孔底并逐步加壓,馬達轉矩增加,壓力表數值升高,應注意把壓力表讀數限制在所選鉆具推薦的壓力范圍內。

          5)鉆頭不在孔底時,如果循環壓力低于計算值,說明循環水通路有泄漏,可能是鉆桿損壞造成的。

          6)如果循環壓力高于計算值,且側鉆造成壓力升高的因素已排除,循環壓力仍高于計算值很多,則可能是鉆頭水眼被堵、傳動軸被卡死或孔內瓦斯壓力大引起的。

          7)在孔口通過正轉鉆機動力頭調整工具面向角時,應先將鉆具提離孔底0.3~0.6m,如孔深超過300m時,每次調整工具面后,還應反復提拉、下放鉆具3~5次(行程300~600mm均可),以釋放孔內鉆桿柱吸收、儲集的扭矩,使儀器顯示的工具面向角是孔底馬達的真實值。

          4.起鉆

          1)起鉆時,應控制起鉆速度,以防卡鉆損壞鉆具。

          2)卸下鉆具,從傳動軸孔中沖洗鉆頭,將傳動軸水帽及軸承清洗干凈,然后平放鉆具,正常維修保養待用。若暫停使用或長時間擱置不用,建議向鉆具內注入少量礦物油防銹(不允許加入柴油)。

          (二)注意事項

          1)施鉆人員對孔底馬達的結構原理和使用參數進行詳細的了解學習,合理使用鉆具。

          2)根據鉆場的施工計劃,由技術人員根據地層結構、鉆孔布置等情況選定合理的鉆具組合,現場施工嚴格按照制定的計劃執行。

          3)對沖洗液的要求:根據鉆探工藝的需要選擇合適的沖洗液,一般要求使用清水。如循環使用沖洗液,對其所含的各種硬質顆粒予以限制,因為它會加速軸承、馬達的磨損而降低鉆具的使用壽命。沖洗液中的含砂量(粒徑≥74μm的固相顆粒的含量)應控制在1%以下(事實證明,若含砂量達到5%,孔底馬達使用壽命會降低50%)。同時注意沖洗液中不要混有氣體,因為混有氣體的沖洗液在馬達內壓力變化下容易產生“氣蝕”作用,對橡膠定子產生較大的危害。

          4)鉆頭的選擇:鉆頭與孔底馬達的匹配對孔底馬達能否發揮作用起重要作用,影響鉆頭與孔底馬達配套使用的因素主要有:①鉆孔方案及計劃。②針對地層需要的刃部結構。③沖洗液通道的結構。④預先計劃的機械鉆速。⑤使用該鉆頭、鉆具運轉的時間估算。⑥鉆頭水眼的壓降設計。

          對于PDC鉆頭,考慮過水通道的設計是否會造成額外的壓力損失,同時保證滿足排屑和冷卻的要求。應根據地層結構、地層硬度等合理選擇鉆頭類型,建議使用者不要隨意更換廠家配備的鉆頭類型和規格型號。

          5)對沖洗液流量的要求:沖洗液的流量決定孔底馬達的輸出轉速,由表5-1可以看出,孔底馬達都有一定的有效工作流量范圍,建議根據推薦使用的孔底馬達參數進行選擇,否則會降低孔底馬達的工作效率和使用壽命。

          6)對泥漿泵壓力的要求:要使孔底馬達獲得工作效率及合理的工作壽命,應將孔底馬達兩端的壓差控制在推薦參數范圍內。沖洗液在循環通路中,與鉆桿、孔壁的摩擦以及流動阻力均消耗掉一定的能量,這部分損失的能量表現為沖洗液壓力的損失。對于使用者來說,可以使用如下公式確定泥漿泵壓力:打鉆泵壓=循環泵壓+鉆具負載壓降。只要將鉆頭提離孔底,在額定流量下,泥漿泵壓力表上的讀數即為循環泵壓。

          7)孔底馬達空轉時,若保持泥漿流量不變,鉆具與鉆頭的壓力降為一個常數。鉆具工作時,隨著鉆壓逐步增加,沖洗液循環壓力逐步上升,當達到較大推薦值時,產生較好轉矩。繼續增加鉆壓,馬達兩端的壓力降超過較大設計值時,鉆具定子與轉子間密封被破壞,沖洗液通過鉆頭水眼流出,鉆具處于“制動”狀態。當因故障卡鉆時,沖洗液在鉆具制動的情況下,仍可以循環流過鉆具,如果鉆具長時間或頻繁處于制動狀態,對馬達的壽命會有嚴重的影響??傊?,要使鉆具獲得較好工作效率,應將鉆具兩端的壓差控制在推薦參數范圍內。

          六、常見失效形式及故障判斷

          1.常見失效形式

          孔底馬達存在以下四種常見失效形式:

          1)馬達總成失效。主要表現為:①孔底馬達使用較長時間后,馬達部分的配合間隙變大,容易加快定子橡膠磨損、變形、掉塊等;②沖洗液中含砂量較大會加速定轉子的磨損,造成沖洗液壓力損耗,從而降低馬達轉矩及壽命;③混有氣體的沖洗液在孔底馬達中的壓力變化下容易產生“氣蝕作用”,加速馬達的損壞,尤其是定子橡膠更容易被氣蝕壞。

          2)傳動軸總成失效。傳動軸在傳遞動力的過程中,承受軸向和徑向載荷,孔底馬達在孔底受力情況非常復雜,因此傳動軸部分容易出現的失效形式也很多,如止推軸承組斷裂、徑向軸承端面壓潰、傳動軸磨損,底部徑向軸承脫扣等, 

          3)萬向軸總成失效。萬向軸由于磨損嚴重或頓鉆等原因,容易出現間隙過大、瓣體損壞、水帽與傳動軸連接處螺紋變形咬合等失效形式。

          4)外殼體失效。外殼體失效主要是外殼體螺紋連接處脫扣和殼體扭斷及非正常磨損。主要原因是鉆遇復雜地層,且發生孔內事故時,在起拔過程中發生外殼體連接螺紋處脫扣或殼體扭斷。 

          2.失效原因分析

          造成孔底馬達失效的原因主要有以下幾點。

          1)地層因素。地層的裂隙、斷層、軟硬互層等結構構造使巖層呈現不均質性,在這種巖石中鉆進時,孔底馬達受力不平衡,易憋泵跳鉆,負荷不穩定,忽大忽小,徑向和軸向沖擊載荷對孔底馬達產生較大的破壞作用。

          2)孔內事故。特別是在松軟突出煤層中一旦發生埋鉆、卡鉆事故,處理時可能對孔底馬達造成損傷。

          3)鉆進參數。每種規格的孔底馬達都有其推薦的使用參數,實際使用中,隨意地的調整鉆進參數,超過孔底馬達推薦的使用參數,對孔底馬達的使用壽命造成影響。

          4)錯誤的操作。尤其是溜鉆、鉆壓大小不均,造成馬達頻繁、長時間制動,這對孔底馬達的使用壽命影響很大。

          5)鉆進方式。如采取復合鉆進方式,即傳動軸在馬達作用下回轉的同時,定子、萬向軸殼體、傳動軸殼體等在動力頭的作用下也在回轉。這種情況下改變了孔底馬達的孔內工況,受力情況變得非常復雜,定轉子、傳動軸、萬向軸的磨損加快,使壽命明顯降低。


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