电 磁 涡 流 刹 车.doc

DWS70

电 磁 涡 流 刹 车

使 用 说 明 书

上海申通石油机械厂

一、性能及说明
DWS70型涡流刹车作为钻深为7000米的海洋或陆地钻机的辅助刹车，既可与绞车成套供应，也可为矿场已经使用的钻机配套作为单独部件供应。
１、技术规范
最大扭矩 110000N.m
钻井深度（用41/2"钻杆） 7000m
作用原理 感应涡流制动
线圈个数 4
每个线圈额定电阻（20°C时） 10.722Ω
线圈绝缘等级 H级
励磁功率 23KW
励磁电流（四线圈并联时） 84A
需用冷却水量 560L/min
最大出水温度（当进水温度42°C时） 78°C
重量 11000kg

二、结构
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。
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，电磁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 电磁涡流刹车结构示意图
1. 端盖 2. 转子 3. 机座 4. 定子 5. 激磁线圈
6.上呼吸器 7.下呼吸器

刹车的转子通过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。
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，达到改变直流电压，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。
壳体两侧装有四个排除不锈钢护罩内冷凝水的呼吸器及两个润滑轴承的黄油嘴。
涡流刹车输出轴端直径为190.52mm（71/2"）锥度为8：77ft。
刹车的外形尺寸为：
长度 1346mm（53"）
宽度 1926mm（76"）
高度 1926mm（76"）

三、冷却系统
涡流刹车与绞车的滚筒共用一个水冷却系统，由一个水泵供应冷却水，流经刹车的冷却水返回一个容积为40m3的水箱以便散热，刹车需用的冷却水量为560L/min确保涡流刹车的进出水温度在规定的范围内。冷却水系统的流程图如图二所示。
水质要求含有较低的矿物质（PH值不超过7～7.5），与内燃机水套内的水质要求相近，如果水质不合要求，则需进行化学处理，当刹车用于海洋时，也可以装置专门的海水冷却器。

四、安装说明
刹车本身带有支架，可直接安装于钻深为7000m的绞车上，如果应用于其他钻机则应更换支架，刹车轴端装有齿式离合器与滚筒相联接，请注意此处不需要也不允许用单向离合器，因刹车转子需要与滚筒一起在两个方向同步回转以保证转子能通过冷却水得到冷却。
从刹车排出的冷却水经过一个漏斗返回水箱，漏斗与排水接头稍离一段距离以保证排水流畅。当无回水泵时，水箱安装的位置应与涡流刹车内的冷却水有足够的水位差，使冷却水能自流返回，刹车两侧各有一个1½"溢流管，此管不允许堵塞，以防止内腔水位上升致使轴承锈蚀。
应当指出，电磁涡流刹车的冷却水必须在溢流管有一定的水流出时为适宜,从而保证冷却水在涡流刹车内有一定的水位高度。否则会造成涡流刹车过热，甚至烧坏线圈，导致涡流刹车损坏而无法正常工件。

五、作用原理
电磁涡流刹车又称电磁涡流制动器。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式的磨擦付完成的，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链，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。如图三所示，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。

图三 电磁涡流刹车工作原理示意图

六、安装与调试
1、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，齿式离合器操纵是否灵活。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15～19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．将可控硅整流装置稳妥地安装在钻机配电房或压风机房内，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。
4．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。
5．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对地绝缘电阻，其值必须大于1 MΩ，一般正常情况下测得的绝缘电阻为无限大。
6．电路调试
(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S1( + )、S2(－)的负载先不接涡流刹车激磁线圈，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G1—Z11、G2—X22，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S1( + )、S2(－)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S1( + )、S2(－)接入涡流刹车激磁线圈，调试用的假负载220伏、500瓦白炽灯炮仍并联在直流输出端S1( + )、S2(－)，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 40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。
至此，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（5）接线和（6）电路调试的内容，不可省略，也不可麻痹大意。

七、故障的排除
1、轴承的损坏——转子与定子表面擦碰，导致磁极间短路。
（1）产生的原因：
①与绞车滚筒轴不同轴度太大。
②轴承缺乏适当地润滑。
③刹车腔内水位过高使轴承密封工作恶化。
A、进水排量过大。
B、排水管被堵塞。
C、排水口背压过高。
（2）排除方法：
①调整轴的位置
②按轴承保养守则进行保养。
③将排水控制在560L/min，排水管直径不得小于4"，另外也不能产生刹车内腔与水箱的位置差不够或返回水箱的排出水管线过长的现象；刹车排出管不要连接在漏斗上。
2、空气隙恶化——空气和铁的氧化物是不良的导磁体，稍微增加空气隙或表面沉积锈蚀层将会大大减少穿过转子和磁极间的磁通量。
（1）、产生的原因：
①使用了高含盐量或高PH值（7～7.5）的冷却水造成转子和磁极表面有大量的锈蚀层和水垢层。
②磁极上氧化铁层被剥落，空气隙增大。
（2）排除方法：
①尽可能地保证应用干净的冷却水。
②加入抗锈蚀的化学药品。
③正确的空气隙为1.00～1.40mm，如果空气隙增大到2.5～3.2mm，此时刹车应进行大修。
注意：测量空气隙前应除去蚀锈层和水垢层，当空气隙达到1.8mm时，制动力矩将下降一半。
3、刹车过热造成故障——
①转子内径膨胀引起空气隙增大。
②线圈电阻增大，从而降低了通过线圈的电流，但磁通量与安匝数成正比关系，所以磁通量也相应减少。
③转子因变形而翘曲，使空气隙局部增大。
（1）产生的原因：
①进水排量低于560L/min.
②冷却系统中水量不足。
③刹车在高于额定负载下运转，排水温度高于78℃。
④转子过热没有得到充分冷却。
（2）排除方法：
①提高进水排量到推荐值。
②增加水箱的冷却水或增大水箱容积（在极热地区使用时应适当增大水箱容积）。
③当转子旋转时，减缓冷却水流畅速度。
4、一个或一个以上线圈损坏——磁通量减少
（1）①加在线圈上的电压过高。
②刹车线圈联接不正确。
③处理线圈内腔积聚冷凝水使线圈绝缘破坏。
（2）排除方法：
①使用正确的整流装置（参看控制系统有关章节）。
②按图纸规定连接线圈的引接线。
③A线圈内腔至呼吸器通道堵塞，清理呼吸器。
B从呼吸器排出的水份过多，说明线圈护罩已不能很好地密封，此时应进行大修。
C消除水冷却系统的故障。
5、线圈极性不对——装在一个定子上的两个线圈所产生的磁通按电流通过的方向可以相互消弱，如果线圈联接不正确将使力矩降低。
（1）产生的原因：接线不正确。
（2）排除方法：改变线圈联接方式，用指南针检查。

八、控制系统
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，我们采用节直流可控硅供电装置。
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冲的相位，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。

九、使用和维护
1、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。
2、在齿式离合器的滑动与转动部分注入足量机油或黄油，确保内齿圈，外齿圈及拨叉等部件的润滑，使离合器运动自如，“离”“合”可靠。
3、接通电源，使可控硅整流装置与司钻开关处于工作状态。
应当指出，为了确保安全，在下钻时司钻仍应手扶刹把，做到有备无患。在下钻过程中，严禁倒换发电机或拉闸停电。
在钻井过程中，电磁涡流刹车应经常进行维护保养，确保刹车正常工作，延长使用寿命。维护保养的主要内容有：
1、涡流刹车的固定螺栓是否有松动，包括刹车与绞车底座的紧固螺栓，外齿圈轴端的挡板固定螺栓，以及涡流刹车本身的紧固螺栓。如有松动，应及时拧紧。
2、每次下钻前，在刹车两侧的轴承腔内注入足够的锂基润滑脂。
3、位于刹车两侧上方的呼吸器，是作为线圈受热或冷却时通气用。位于刹车两侧下方的呼吸器，是作为线圈受热或冷却时产生的冷凝水排出用。防止在线圈中积聚水分，造成线圈损坏。在搬家安装时切忌碰撞损坏，对呼吸器内的垃圾及时清除，保持干净与畅通。
4、齿式离合器经常注入机油或黄油进行润滑，拨叉螺栓不得松动，检查“离”“合”位置是否正常。
5、用水不当时，在转子、定子表面将发生锈蚀，使气隙增大从而导致制动力矩减少，当检查空气隙大小时，应去掉锈痕及水垢。空气隙的增大将不能提供有效的磁通道而影响感应涡流的性能。新刹车的径向气隙在1.00mm～1.40mm之间。
6、冷却系统工作时的调整步骤参见图二的说明。
7、保持可控硅整流装置整洁、不淋雨、不受潮、不在阳光下曝晒，保护电器元件不受损伤，确保工作安全可靠。
8、保持司钻开关整洁，手柄运动灵活，在钻机搬家时保护手柄不受机械外力致伤，确保工作安全可靠。同外钻开关的手柄转动轴处应经常注入机油，确保润滑。
9、经常检查每根电缆是否受压受伤，绝缘是否良好，如发现绝缘损坏，应及时更换，特别是有接头的电缆，接头处的绝缘是否安全可靠。如有不良情况应及时采取措施，确保人身与设备安全。
10、当涡流刹车储存、运输或因某种原因在较长时间内不使用时，则应采取一些预防性的措施防止转子因水垢、积盐锈蚀等原因而粘贴在定子表面上。储存期间应首先给两个轴承注满锂基润滑脂，如果工作时曾经使用不合要求的水质则要通入新鲜的符合要求的水质进行冲洗。为了抑制锈蚀积垢，可通过两端面上的六个检查孔（1"）插入带喷嘴的气枪向刹车内腔喷淋煤油、柴油或近拟油品，请注意不要将油基物喷入线圈、呼吸器以防止线圈的绝缘恶化破坏。

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