FDWS型风冷式电磁涡流刹车概论

FDWS型风冷式电磁涡流刹车使用说明书上海申通石油机械厂一、概述风冷式电磁涡刹车是在吸取国外水冷式电磁涡流刹车先进技术基础上结合我国油田特点和需要研制的石油钻机绞车的一种新颖辅助刹车。

保证在钻井过程中进行下钻作业时对下放钻具产生可靠又可调的非摩擦式的强有力制动，使钻具平稳地坐落在转盘或卡瓦上，在几乎不使用主刹车(刹把)的情况下完成下钻作业。

它将水冷式涡流刹车优良的性能与高效实用的通风冷却系统融为一体，扬长避短，既综合了水冷式涡流刹车的优点，又克服了水冷式涡流刹车由于采用水冷却而造成的缺点。

采用强迫通风冷却，实现了钻机绞车和辅助刹车在冷却方式上的创新与突破。

具有制动扭矩大，制动特性好；流筒无级调速，任意控制钻具下放速度，实现下钻时的加速、等速和减速过程；工作可靠，寿命长，维护简单；主刹车刹带片和刹车轮网的磨损大幅度减少，主刹车寿命延长，钻井维修工作量减小，钻井成本下降，经济效益十分可观；工人劳动强度减轻，环境和空气污染得到控制，社会效益显著；采取强迫通风冷却，取代了水冷，避免了国内外水冷式涡流刹车和传统水刹车在使用中由于水源、水质及低温而造成的水垢、堵塞、冻裂、结构复杂等诸多不利和不良后果等特点，最大限度地满足了钻井工艺的需要，适应在我国任何地区，任何油田，尤其在寒地区油田使用，深受钻井工人欢迎。

二、用途风冷式电磁涡流刹车是一种无摩擦刹车，没有任何磨损件。

在高速和低速时都具有很高的制动扭矩，不像水刹车那样在低速时扭矩几乎为0，而且制动扭矩的调节又十分方便，司钻只要操作司钻开关便可调节自如，劳动强度减轻，要取消制动，只要将司钻开关关闭即可。

在一般情况下，只要操作司钻开关而不必使用刹把(主刹车)就能可靠地控制钻具下放速度。

将钻具平稳地座落在转盘或卡瓦上。

由于是风冷，不再发生像水冷时时而发生的设备冻裂冻坏、结垢、堵塞，刹车轮网表面裂纹等现象，能有效地减轻主刹车负担，延长主刹车寿命。

此外，使用这种刹车，也不需要单向离合器，因而是目前石油钻机最为理想的一种辅助刹车。

三、结构与工作原理风冷式电磁涡流刹车由刹车主体、可控硅整流装置及司钻开关等三部分组成。

它的空气换热系统与刹车主体组成一个整体。

1．刹车主体它由两个基本部分组成，如图一所示。

其一为静止部分，称为定子；其二为转动部分，称为转子。

在定子与转子之间有一定的气隙，称为工作气隙，风冷式涡流刹车的刹车主体采用外电枢结构的型式，也就是说，其转子在定子外面旋转。

刹车的定子由磁极和激磁线圈构成。

磁极是磁路的一部分，采用电工钢制成，这种材料的导磁系数高，矫顽力小，以满足下钻时有用制动扭矩大，而起空吊卡时无用制动扭矩小的要求。

激磁线圈是刹车的电路部分，工作时通以直流电流，它固定于磁极上，与磁极组成一个整体成为定子。

刹车在运行时要产生大量的热量，因此激磁线圈采用了耐高温的电磁线与相应的绝缘材料，以保证线圈在高温下仍具有良好的绝缘性能。

图一风冷式电磁涡流刹车结构示意图1. 端盖2. 转子3. 机座4. 定子5. 激磁丝圈6.上呼吸器7.下呼吸器刹车的转子通过牙嵌离合器或齿式离合器与绞车滚筒轴相联，由绞车滚筒驱动，与滚筒同速旋转。

转子既是磁路的一部分，又是电路的一部分，采用电工钢制成。

它和定子磁极、工作气隙构成刹车的完整磁路。

空气换热系统是风冷式电磁涡流刹车能否正常工作的关键所在。

我们采用了风源为离心式通风机的轴向通风冷却结构。

为了提高传热效率，强化换热系数。

除了采用强制通风冷却结构外，还应用了高效的翅片式空气换热器。

2．可控硅整流装置：它由整流变压器和可控硅半控桥式整流电路组成。

用以将钻机交流发电机或交流电网供给的交流电压变成可调直流电压，给激磁线圈通以可调直流电流。

考虑到使用风冷式电磁涡流刹车进行下钻作业时，其下钻速度的调整精度、调节系统的稳定性以及过渡过程动态品质方面的指标都要求不高，因此采用比较简单的闭环调节系统即可满足钻井工艺的要求。

通过调节激磁线圈的直流电流，便可调节刹车的制动扭矩，从而改变钻具的下放速度。

3．司钻开关：它实际上是一台可调的差动变压器，由铁芯、线圈、调节机构等部分组成。

将铁芯位置的变化转换成交流信号电压的变化，经桥式整流作为给定信号电压，去控制可控硅的导通角，达到改变电流电压，从而改变激磁线圈直流电流，改变制动扭矩，调节滚筒转速的目的。

风冷式电磁涡流刹车又称风冷式电磁涡流制动器。

它是一种将钻具下钻时产生的巨大机械能转换成电能，又将电能转换为热能的非摩擦式能量转换装置。

这种能量的转换及强有力的制动过程，是通过电磁感应原理完成的，而不是通过摩擦式的或其他形成的磨擦付完成的，没有任何磨损件。

制动时产生的巨大热量，通过通风冷却方式进行交换，它不同于水冷式涡流刹车，通过水介质进行吸收与交换。

当刹车工作时，在它的激磁线圈内通入直流电流，于是在转子与定子之间便有磁通相连，使转子处在磁场闭合回路中。

磁场所产生的磁力线通过磁极→气隙→电枢→气隙→磁极。

形成一个闭合回路。

如图二所示，下钻时，绞车滚筒旋转，通过离合器驱动转子以相同转速在定子所建立的磁场内旋转。

在这个磁场中，磁力线在磁级的齿部(凸极部分)分布较密，而在磁极的槽部(齿间部分)分布较稀，因此随着转子与定子的相对运动，转子各点上的磁通便处于不断重复的变化之中。

换句话说，转子沿工作气隙的圆周上的因磁极的齿部和槽部的磁导不等，在空间建立脉动磁场，根据电磁感应定律，转子上便产生感应电势，在这个感应电势作用下，转子中产生涡流。

涡流与定子磁场相互作用产生电磁力，力的方向由左手定则确定，该力沿转子的切线方向，并且与转子旋转方向相反。

这个力对转子轴心形成的转矩称为电磁转矩，也就是电磁涡流刹车阻止滚筒旋转的制动扭矩。

司钻通过调节司钻开关手柄位置，便调节了激磁电流的大小，改变了制动转矩的大小，从而达到了控制钻具下放速度的目的。

图二电磁涡流刹车工作原理示意图五、应用特点近十多年来，水冷式电磁涡流刹车在国外石油钻机上的应用范围不断扩大，海洋钻机、深井钻机以至中深井陆地钻机，配备涡流刹车的数量日益增加。

在国内，近几年来，水冷式涡流刹车也有了一定的发展。

涡流刹车之所以发展较快，是由于它具有以下比较突出的优点：1．制动特性好。

我们从涡流刹车和水刹车的制动特性曲线图三可以看到，水刹车在低速时其制动扭矩几乎为0，这是因为制动扭矩T 水图三 两种刹车的制动特性曲线T 水= a ( — ) 2 (D 5外 — D 5内 ) = cn 2. 因而在低速时水刹车对钻具下放无能为力，此时钻具负荷几乎都有主刹车承担。

而涡流刹车无论在高速或低速时都产生很高的制动扭矩，这是因为制扭动矩T 电 = CnB 2. 因而在钻具下放时，钻具负荷几乎全部由涡流刹车承担，最大限度地满足了下钻工艺的要求。

2．滚筒无极调速，下钻速度任意控制。

下钻时，司钻通过操作司钻开关可平滑地调节激磁电流，就可改变制动扭矩，无级地调节滚筒转速，要快则快，要慢则慢，要取消制动只要关上司钻开关便可灵活地使钻具加速，等速和减速，直至平稳地坐落在转盘或卡瓦上，在几乎不使用主刹车(刹把)的情况下完成下钻作业，不仅司钻劳动强度大大减轻，而且下钻时钻具负荷引起的动载系数、振动和冲击大大减少，制动过程十分平稳，有利于延长绞车、井架及游动系数的寿命。

3．由于下钻时几乎不使用主刹车，因而主刹车负担大大减轻，刹带片与刹车轮网的磨损与消耗大幅度减少，寿命成倍增长，钻井成本下降，经济效益十分显著。

据统计，与水刹车相比，采用涡流刹车可使刹带片寿命提高20倍以上，刹车轮网寿命提高3倍以上。

在大庆，钻一口2300米深的取芯井，采用风冷式电磁涡流刹车后，仅刹带片一项可节约6万元左右。

4．涡刹流车的强有力的制动功能是通过电磁感应原理产生制动扭矩来实现的，不存在n100摩擦与摩擦付，因而没有磨损与磨损另件，这种非摩擦式刹车工作可靠，寿命长，维护简单。

风冷式电磁涡流刹车将刹车的冷却介质由水改为空气，工作可靠性进一步提高，寿命进一步延长，冷却系统简化，维护更为简便。

同时，在起空吊卡时，涡流刹车的阻力矩几乎可忽略不计，而水刹车在反转时却有不小的阻力矩(转速较高)，因此在使用涡流刹车时不必安装超越离合器，又节约了能源。

5．风冷式电磁涡流刹车不同于水刹车和水冷式涡流刹车，下钻时由电磁能转换的巨大的热能不是用水来冷却和吸收，而是用强迫通风进行冷却和吸收，不仅简化了冷却系统缩小了冷却系统的体积，减轻了重量，更重要的是不受水冷时水质、水源及低温的影响和限制，提高了适应性，避免了水冷时经常发生的水垢、堵塞、锈蚀、设备冻裂冻坏等不良后果，轻则停机修理，重则造成停止下钻作业。

同时，配备风冷式涡流刹车，可在几乎不使用主刹车的情况下完成下钻作业。

因此，不仅辅助刹车取消了冷却水，而且绞车的刹车轮网也可取消冷却水，使钻机绞车和辅助刹车不再用水冷却，为钻井工作创优和升级创造了条件，解除了广大钻井工人在冬季钻井时设备时而冻裂损坏的后顾之忧，为解决刹车轮网表面裂纹，延长寿命提供了保证。

因此，风冷式电磁涡流刹车可在我国任何地区，任何油田，尤其适合在寒冷地区的油田钻井使用。

六、电气控制风冷式电磁涡流刹车工作时，激磁线圈内必须通入直流电流。

而钻机一般由交流发电机或交流电网供电，为了把交流电压变成可调直流电压，我们采用了ZCA10 — 40/320—Ye 型直流可控硅供电装置，并在原电路基础上作了部分修改和补充，采用只有电流反馈的单闭环系统。

主回路采用单相或三相半控桥式整流电路。

控制系统由信号给定、电流调节、触发器、电流变送、直流稳压电源等环节组成。

这种系统调节精度较高，反应快、易于稳定和调整。

给定信号分内控和外控，内控在本机面板上的电位器产生，外控由安装在司钻气控台上的司钻开关产生。

下钻时，司钻操纵司钻开关，便将司钻开关手柄的角度变化量转换成电压的变化量，经桥式整流作为给定信号电压。

这种无触点司钻开关，不但操纵方便灵活，线性度好，无接触磨损，而且给定信号的大小比较直观，便于司钻掌握。

改变给定信号电压，便改变了可控硅触发脉肿的相位，从而改变直流输出电压，激磁线圈的直流电流随之改变，制动扭矩得到调节。

从而达到任意控制滚筒转速和钻具下放速度的目的，使钻具依靠涡流刹车平稳地坐落在转盘或卡瓦上。

供电装置采用变压器进线，既满足了输出电压的要求，又使电源与可控硅元件之间有了安全隔离。

在可控硅元件的进线处有电容和压敏电阻作为过电压保护，每个可控硅元件还有阻容吸收装置。

离心式通风机的启动和停止是通过操作空气自动断路器来实现的。

在开始下钻时，必须首先启动风机，下钻结束后方能关上风机。

七、冷却风冷式电磁涡流刹车是一台将下钻时钻具的位能变成热能的能量变换装置。

它是依靠电枢中产生的涡流工作的。

涡流引起损耗导致电枢发热。

由于下钻时产生的热量相当可观，而且，随着钻井深度的增加，热量也随之增加，刹车电枢发热也越趋严重。