石油钻机用DSF50风冷电磁刹车性能与温度关系研究

石油钻机用DSF50风冷电磁刹车性能与温度关系的研究[摘要] dsf风冷电磁刹车在较长时间、大负荷运转条件下,制动力矩大幅下降,通过分析力矩下降的原因,高温产生的原因,温度变化和扭矩的关系,对电磁刹车性能下降提出了相应的对策。

[关键词] 扭矩热量绕组温度散热
石油钻机用风冷电磁刹车是由水冷电磁刹车改进而来,克服了北方冬季冷却水易冻和循环冷却的缺点,迅速得到应用。

但是空气比循环冷却水携带热量的能力要差很多,极易造成电磁刹车绕组温度升高超标准。

大部分生产厂家(修理厂家)在设计时对长时间和大负荷使用的工作条件考虑不周和产品台架实验程序执行不好,现场使用中出现制动扭矩严重下降的现象,不能保证足够的刹车制动扭矩,严重影响刹车系统安全。

本文着重通过对zj45j钻机配套的dsf50风冷电磁刹车的性能和绕组温度的关系进行理论分析,提出改进方法的设想,从而完善风冷电磁刹车的设计理论。

1 电磁涡流刹车的工作原理
电磁涡流刹车的原理是当运动的铁导磁体通过不均匀的磁场时,在此导体内与磁场方向垂直的平面上感应出环形电流,称为涡流。

此涡流将产生一个磁场,这个磁场的极性恰好与原固定磁场的极性相反,两个极性相反的磁场将反抗导体在磁场中的运动。

电磁涡流刹车主要由两部分组成,内部装有环状线圈的定子部分和包络定子的转子,定子和转子之间形成一个间隙,称为空气隙。

当转子被绞车滚筒带动强制旋转时,涡流在转子上产生大量热量,这
些热能由通过转子表面的空气或水带走。

2 电磁刹车的扭矩及钻具作用在滚筒上的扭矩分析
2.1 dsf50电磁刹车转速和扭矩的关系
电磁涡流刹车的额定制动扭矩75 kn是在最大额定励磁电压下,滚筒转速在50rpm 时的扭矩。

滚筒转速在35rpm时,电磁刹车的扭矩为最大扭矩的75%。

当转速超过50 rpm时,扭矩几乎稳定不变,扭矩的大小仅随励磁电流的大小而变化,其变化关系如图1所示。

2.2 钻具作用在zj45j钻机滚筒上的最大扭矩与dsf50风冷电磁刹车的扭矩分析
目前我公司在用zj45j 钻机配套的电磁刹车一般为dsf50风冷电磁刹车,其技术参数如表1和表2。

表1:jc-45绞车的技术参数:
表2:dsf50电磁涡流刹车基本参数:
127mm钻柱的名义平均质量为36kg/m,4500米钻柱的最大重量: q 柱max=4500m×36kg/m=162t=1620kn
游车的重量: g游钩=8t=80kn
根据公式:q柱max+g游钩=f快绳×n绳×η游 (公式一)
f快绳=(1620+80)/(12×0.8)=177kn
绞车滚筒直径685mm,钢丝绳直径32mm,缠绳系数0.9,以缠绳三层
计算: d3=685+3×0.9×32=771.2mm
作用在滚筒上的扭矩为:
m=177×0.7712/2=68.3 kn (公式二)
考虑到不确定的钻挺重量,与dsf50电磁涡流刹车额定制动扭矩75 kn*m也比较接近。

3 风冷与水冷电磁涡流刹车冷却能力的比较
zj45j钻机额定工作井深为4500m(使用127mm的钻杆),钩载为162t,以一档低速vⅰ=0.142m/s的速度升起,需要付出能量为: 162×1000×0.142=23004kgm/s
游绳效率为0.857,则绞车上的起升功率为:
23004×9.8/0.857=263kw
以同等重量的钻杆在同样的速度下放时,略去阻力浮力,则有263kw的功率被制动系统吸收,1w=0.859kal/h,1kal=4.186kj,则
1w=3.6kj,换算为热量则为:
263×1000×3.6=946800kj/h
即电磁刹车制动消耗的能量转化为热量为946800kj/h。

空气的比热容cv为1006j/kg℃,空气的密度ρ为1.29kg/m3,水的比热容为4186.8 j/kg℃,水的密度为1 kg/l,体积v的空气或水从进口的t1℃升高到出口的t2℃,带走的热量为
e=v×ρ×cv×(t2- t1)(公式三)
以电磁刹车为例,在最大负荷(4500m127mm钻柱)下产生的热量是946800kj/h,冷却介质带走的热量(环境温度25℃)见下表3:
表3:风冷、水冷散热能力比较
强迫式风冷却,相对于水冷却,散热效果不理想,绕组温升快,但是避免了水源,水质以及低温而造成的水垢,堵塞,冻裂等不良后果及水冷刹车的复杂结构。

风冷电磁刹车适应性强,尤其适合寒冷地区油田钻井使用。

理论上讲携带热量基本达到,但是考虑到冷却表面的锈蚀,实际的携带能力是不足的,现场使用中电磁刹车线圈的老化破坏情况较为严重。

4绕组温度变化和扭矩的变化的分析
在野外长时间运转后,转子表面被灰尘附着,导热效果下降,定子绕组温升快。

电磁刹车在大负荷工作一段时间后,转子和绕组发出的热量和介质带走的热量都稳定时,即热交换达到平衡时,绕组温度保持一定。

铜线绕组的电阻公式:
r2/r1=(235+t2)/(235+t1)(公式四)
r1为t1℃的直流电阻,r2为换算到基准温度时的电阻。

f,h级的基准温度为115℃,绕组绝缘能承受的最高温度为180℃。

在绕组温度25℃时绕组的阻值为7.5ω,通过绕组的电流为40a,在绕组温度115℃时绕组的阻值为10ω,通过绕组的电流为30a;在绕组温度180℃时绕组的阻值为12ω通过绕组电流为25a。

随着温度的升高,绕组阻值增大,励磁电压一定时,通过绕组的电流减小。

电流和扭矩的特性曲线如图2所示。

图2 电流和扭矩的特性曲线图
根据电流和扭矩的特性曲线图(图2),可以得出下表4。

绕组温度25℃时的扭矩为额定扭矩;当温度升高到115℃,电磁刹车的扭矩为额定扭矩的87%;温度为180℃时电磁刹车的扭矩为额定扭矩的80%。

表4:绕组温度与扭矩关系
在井深4500米左右时,电磁刹车负荷大,绕组温升快,制动扭矩下降大。

h级绕组标定温度为180℃,现场使用中绕组经常老化烧毁,故实际温度将大于h级绕组的标定温度,实际扭矩将小于电磁刹车额定扭矩的80%。

根据公式一和公式二,此扭矩能制动绞车时的钩载f为:
f=75×80%÷0.3857×12×0.8—80=1413kn
约为127mm钻具3925m。

这就是dsf50风冷电磁刹车所能够提供的最大持续工作能力。

5 结论
绕组温度升高,造成电阻增加,扭矩减小。

为了减少温度升高对电磁刹车扭矩的影响,使dsf50风冷电磁刹车满足现场施工的需要,我们提出以下解决方法:
1) 改善转子的散热条件。

增加转子的通风接触面积和传导面积,散热面采取防腐措施,增大通风量,加速散热。

2) 改善定子绕组的散热条件。

增加绕组,减少发热量;改善绕组结构,使绕组内部的热量及时散出。

3) 增加模拟现场环境,大负荷长时间条件下的检验。

目前,对电磁涡流刹车的出厂检验主要是在高转速下的空运转,检测轴承温升和密封;以及额定转速下,最大励磁功率所产生的制动扭矩。

缺乏对电磁涡流刹车在大负荷长时间条件下的检验,没有考虑绕组温度升高对电磁刹车的扭矩的影响。

需要增加模拟现场环境,大负荷长时间条件下的检验。

4) 适当降低风冷电磁刹车的标定工作能力,用来抵消因温度、腐蚀等环境因素导致的工作能力下降。

参考文献:
[1]赵家礼电机故障诊断修理手册机械工业出版社
[2]李海瀛海洋石油工程电气技术石油大学出版社。