FDWS型风冷式电磁涡流刹车

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、的。图二 电磁涡流刹车工作原理示意图四、主要技术参数技术参数型号最大制动扭矩N·m适用钻井深 度激磁功率激磁电流重量外型尺寸适用钻机型号DLmKWAkgmmmmFDWS1513000(增速型)150042425001100840ZJ15、BY40、65、65B、KREMCO650FDWS2020000200062432001306900ZJ20.2DH752DH100FDWS2510000(增速型)250064025009001112ZJ25FDWS32400003200940500013061002ZJ32. 大庆130.F125FDWS4060000400012406500151

10、41130ZJ40. F125FDWS45750004500(5钻杆)1540790017121139ZJ45DZJ45LF20012FDWS505000(4钻杆)ZJ50DZJ50LF200FDWS601100006000(5钻杆)23841100019261346ZJ60DZJ60LF32012FDWS707000(4钻杆)ZJ70DZJ70LF320五、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

11、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n100图三 两种刹车的制动特性曲线T水= a ( ) 2 (D5外 D5内 ) = cn2. 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 = CnB2. 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

12、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。

13、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

14、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

15、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 40/320Ye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

16、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

17、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。如果刹车散热条件不好或通风冷却系统发生故障，下钻时，产生的高温必将导致激磁线圈绝缘损坏，涡流刹车无法工作。因此，为了有效地进行热交换，及时地将电枢产生的热量传导到空气中去，保证涡流刹车正常工作，我们采用了强制通风冷却的空气换热系统。工作时，冷却空气从离心式通风机进风口吸入，进入刹车，从刹车另一端排出。应当指出，为了保证涡流刹车正常运行，在整个下钻过程中，必须使离心式通风机不停地运转。八、安装与调试 1风冷式

18、电磁涡流刹车开箱后，首先检查刹车主体、可控硅整流装置及司钻开关三个部件是否完好无损。转动刹车主体的转子是否转动自如，牙嵌或齿式离合器操纵是否灵活，风机叶轮转动是否碰擦。可控硅整流装置的元件与接线是否松动，元器件是否有损坏。司钻开关的操纵手柄转动是否灵活。在外观检查合格的基础上接着进行安装、接线和调试。角度误差的调整水平误差的调整图四 电磁涡流刹车轴与滚筒轴的找正2将涡流刹车主体吊装到绞车底座上，安放在原水刹车的位置。刹车轴与绞车滚筒轴之间用牙嵌或齿式离合器联接。安装时必须保证涡流刹车轴与绞车滚筒轴轴线严格找正，其同轴度误差不得大于0.25毫米。找正时可按图四所示方法，用百分表检查角度误差和水平

19、偏置误差，借助涡流刹车底板上的四个顶丝，在刹车与底座间用垫片进行调整。在现场安装调整时，如果没有百分表，可用钢板尺和塞规进行检验，也可用指针靠在离合器端面及径向在圆周的四个方向检查其跳动量。如果涡流刹车轴与绞车滚筒轴中心没有找正或误差很大，将造成轴承负荷增加，导致轴承早期磨损直至损坏报废。除了保证涡流刹车中心高与绞车滚筒中心高保持一致外，还必须保证离合器处于分离状态时其间有1519毫米的间隙。安装后的离合器应能灵活移动，保证离合器在挂合与分离时操作自如，没有任何卡阻现象。3将通风机安装在涡流刹车机座上，并用螺栓固定，不得松动。固定后的风机的叶轮应能转动自如。4将可控硅整流装置稳妥地安装在钻机配

20、电房或压风机房内，切不可露天安放，以防受潮受热而损坏。若安装处振动较为严重，应采取防振措施，如垫以橡皮等。5将司钻开关(司钻控制器)安装在绞车气控箱上或司钻操作方便的位置，便于司钻操纵，并用螺栓固定，不得松动。司钻开关应操作灵活，并保证自动复零与断电。6接线：严格按照电气原理图要求进行接线。在接线之前，先用500伏兆欧表检查涡流刹车激磁线圈及通风机电机绕组的对地绝缘电阻，其值必须须大于1 M一般正常情况下测得的绝缘电阻为无限大。(1) 对于FDWS15、20、25、32、40、50型电磁涡流刹车，用一根四芯橡套软电缆，YHC型，截面积为6mm2，将三相电源从配电房或发电房引至可控硅整流装置端子

21、板上。对于FDWS60、70型电磁涡流刹车，用一根四芯橡套软电缆，YHC型，截面积为10mm2，将三相电源从配电房或发电房引至可控硅整流装置端子板上。(2) 对于不同的电磁刹车，分别用一根(一台风机)或三根(三台风机)三芯橡套软电缆，YHC型，截面积为1.5mm2或2.5mm2 ，将三相电源从可控硅整流装置引至一台或三台通风机电机。(3) 对于FDWS15、20、25、32、45、50型电磁刹车，用一根两芯橡套软电缆，YHC型，截面积为6mm2，将直流电源从可控硅整流装置引至电磁刹车(激磁线圈)。对于FDWS60、70型电磁刹车，用一根两芯橡套软电缆，YHC型，截面积为10mm2，将直流电源从

22、可控硅整流装置引至电磁刹车(激磁线圈)。(4) 用一根四芯橡套软电缆，YHC型，截面积为1mm2，或0.75mm2 (4芯×1mm2或0.75mm2)，其中两芯将电源220V引入司钻开关输入端，另两芯将信号电压从司钻开关(司钻控制器)引至可控硅整流装置。(5) 用三根截面积大于2.5mm2的电缆或电线(铜芯)分别将可控硅整流装置外壳，涡流刹车外壳和司钻开关外壳与接地极连接起来，进行安全接地。接线完毕后，必须经过认真核对，特别是三相四线制的电源线将三相电源从配电房或发电房引至可控硅整流装置时，切切不可把相线误接到零线上，否则将造成机毁人亡的严重后果。在确认接线无误后方可接通电源。7电路

23、调试(1) 按电气原理图和接线图要求，严格检查接线是否正确无误，确认无误后方可接通电源，进行调试。(2) 可控硅整流装置直流输出端Z15( + )、Z12()的负载先不接涡流刹车激磁线圈(B1B3或B1B2)，先接500瓦、220伏白炽灯泡作假负载。(3) 接通控制电源、扳动开关K1 。主回路断开，交流接触器ZC断开。a. 观察指示灯HD(红色)是否变亮，检查交流输入电压220伏或380伏是否正常。b. 用示波器观察电容C11两端是否出现锯齿波。c. 用双线示波器或普通示波器观察触发脉冲波形，将探头分别接触G1Z11、G2X22， 脉冲波形应正常，脉冲应不丢失。(4) 接通主回路电源，揿下按扭

24、QA1，接触器ZC接通，指示灯LD(绿色)变亮。a. 用双线示波器观察直流输出端Z15( + )、Z12()之间以及可控硅控制极与阴极间的 波形，此时应观察到触发脉冲波形和直流输出波形。b. 将面板上的给定信号开关扳向“内”(即本机给定)。 调节给定电位器W1，由零逐渐增大，主回路的直流输出电压随着给定信号的增大 而增大，(从直流电压表和示波器以及假负载灯炮可以清楚看到输出电压的变化)。c. 将面板上的给定信号开关扳向“外”(即司钻开关给定)。 调节司钻开关(即司钻控制器)的手柄，即调节差动变压器的铁芯位移，也就调节了 给定信号电压，主回路的直流输出电压同样随着给定信号的变化而变化。从直流电

25、压表，灯炮以及示波器可以清楚地看到这种变化。 在调节过程中注意观察系统是否稳定。(5) 将可控硅整流装置直流输出端Z15( + )、Z12()接入涡流刹车激磁线圈(B1B3或B1B2)，调试用的假负载220伏、500瓦白炽灯炮仍并联在直流输出端Z15( + )、Z12()，不必拆除。使给定信号为零，然后分别接通控制电源K1和主回路ZC调节给定信号电压W1，随着给定信号的逐渐增加，涡流刹车激磁线圈的电流逐渐从零增大到最大值24安或40安或84安，从直流电压表、电流表白炽灯炮以及接在直流输出端的示波器波形可以清楚地观察到直流电压、直流电流的变化。在调试过程中分别进行“内控”与“外控”调试，并随时注

26、意系统是否稳定，若系统不够稳定，呈现振荡，可调节反馈电位器使之稳定。(6) 扳动空气开关，通风机起动，并立即切断电源，使通风机停止，观察通风机旋转方向是否正确，若反向，则改变任意两根相线位置，使转向符合要求。至此，风冷式电磁涡流刹车的安装与调试已经完成，即可投入运转。需要注意的是，刹车在每次搬家后，必须重复上述（6）接线和（7）电路调试的内容，不可省略，也不可麻痹大意。九、使用与保养在钻机搬家，涡流刹车安装与调试完成后，在使用前还需做好如下准备工作，方可投入运行，这些工作包括：1检查风机进风口及刹车排风口是否畅通无阻。钢板网处不允许有杂物和垃圾存在；风叶转动灵活自如，不得有任何卡阻现象或其他故障；在平时应保持风机清洁，清除泥浆等污物，在刹车内腔应保持清洁，清除垃圾、泥石、灰砂、螺栓、钉子等杂物，保持风道整洁畅道。2用手盘动牙嵌或齿式离合器，涡流刹车转子应转动灵活，不得有任何卡阻现象，转子与定子的空气隙中绝不允许有砂粒、金属切削，杂物和垃圾等存在，如有发现，必须立即消除。3在刹车两侧的轴承腔内注入足够的锂基润滑脂，用黄油枪打入时保证至少注满轴承腔的三分之二。在正常使用的情况下，一般应每星期注入一次润滑脂。4在牙