FDWS型风冷式电磁涡流刹车

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。