电磁涡流刹车制动扭矩减小原因分析
电磁涡流刹车制动扭矩减小原因分析
目前，电磁涡流刹车已经广泛应用于石油钻机辅助刹车系统中。它利用电磁感应原理进行无磨损制动，应用电磁涡流刹车可大幅度减少主刹车的磨损，延长刹车盘的使用寿命，降低劳动强度。在一般情况下，只要操作司钻开关或自动控制给定信号而不必使用刹把（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。下面从现场使用过程中制动扭矩减小的故障入手，对影响电磁刹车使用性能的故障原因进行分析，并提出了对于类似故障检修的方法和防范措施。
1故障概况及经过
配套DWS50电磁涡流刹车的50D 钻机在运转过程中，操作人员反映起下钻过程中，挂合电磁刹车始终感觉无法达到理想的制动转矩，其制动功能明显低于正常状态。经检测控制柜控制功能良好，无交、直流故障显示，直流电压输出可达额定值。
2故障原因及时效机理分析
2.1电磁涡流刹车基本结构和工作原理
分析电磁刹车制动力矩减小的原因，应该首先从电磁刹车的基本结构和原理入手。电磁涡流刹车装置一般由刹车主体、可控硅整流装置、司钻开关、冷却系统等组成。电磁刹车是将钻具下放时产生的巨大机械能转换为电能，又将电能转化为热能的非摩擦式能量转换装置。其应用的是电磁感应原理。当刹车工作时，可控硅整流装置向定子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。绞车滚筒带动电磁刹车主轴上的转子以相同转速在该磁场内旋转。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，产生脉动磁场。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，按照左手定则，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为电磁转矩。该电磁转矩为阻止滚筒旋转的制动扭矩。
电磁涡流刹车的电磁转矩为：Te ＝CnB 2
式中，Te 代表电磁转矩；
C 为电磁涡流刹车的转矩系数，它与主体结构相关；
n 为电磁涡流刹车主轴转速（r/min），即钻机滚筒转速；
B 为电磁感应强度，它随着激磁电流强度的变化而变化。
由此可见，电磁刹车制动扭矩的大小与其主体结构、滚筒转速和激励电流强度密切相关。
2.2故障原因及分析
故障现象发生时，由于没有明显的故障现象指示，可根据由简入繁的故障排除方法，按照从外部设备至控制系统，以及刹车主体的顺序进行检测。首先对外部设备进行分析，该设备采用的是风冷式冷却系统，虽然环境温度较高，但电磁刹车本体温升仍在最大允许范围之内。该套设备配备有电磁刹车故障报警及指示系统，经检查无故障报警。该套设备未配备其它能对电磁刹车进行控制的模块，只有司钻控制手柄单独控制，控制灵活、给定信号准确。测量可控硅整流装置交流电源正常，直流输出电压最大可达到输入电压的1.2倍左右，且调节性能良好。检查电磁刹车系统各连接正常可靠，由此推断故障点应该在电磁刹车主体部分。
首先利用500M Ω绝缘电阻表测量各线圈绝缘电阻均在20M Ω以上。测量定子线圈阻值，阻值正常，分别为6.6Ω、6.5Ω、6.7Ω、6.6Ω。随后对定、转子之间空气隙进行测量，空气隙为1.41mm 。参照电磁涡流刹车标准的规定如下表：
根据比对，空气隙在正常范围之内。因此分析造成电磁刹车扭矩减小的可能原因是激磁线圈极性不正确。由于没有指南针，采用另一种电磁刹车激磁线圈极性判断方法，首先记录激磁线圈原来的连接位置，并按照现有顺序标号F1、F2、F3、F4、 F5、F6、 F7、F8。假定F1端子极性为+，F2端子极性为-，将线圈F1-F2连接至电磁刹车直流电源，确保其余各端子无短路、接地的情况，均匀操作司钻控制手柄，并确保给定值限制在50%以下，如果实际测量结果符合下面表2所示情况，表明线圈假设极性
正确，否则说明假设情况极性正好相反。
经实际测量，获得以下数据：
由此可以判断是线圈F1-F2假定的极性是相反的。按照上述步骤对其它激磁线圈分别进行了测试，最终得到以下结果：
以上表明线圈F1-F2反接了。按照电磁刹车原理图正确进行正确连接，电磁刹车制动扭矩得到明显提升。从电磁转矩的大小分析，由于该电磁刹车线圈连接方式为两串两并，当一组激磁线圈极性连接错误时，在相同工况下，激磁线圈所形成的磁场相互削弱，抑制了涡电流的产生，从而造成了电磁转矩的降低，削弱了电磁刹车的制动能力，此时电磁刹车的制动扭矩只能达到额定值的50%左右。
3故障原因分类
结合电磁刹车结构和工作原理，造成电磁刹车制动扭矩减小的原因大致可以分为外设工作状态不良、整流电源无法提供额定的励磁功率、刹车主体工作状态不正常以及使用工况不当。
3.1外设工作状态不正常主要有冷却系统故障造成电磁刹车过热和司钻控制手柄输出信号不足。电磁刹车温升过高，从而引起转子内径膨胀或变形翘曲引起气隙增加，同时造成定子线圈电阻增大和磁阻增大，使磁场强度削弱，制动转矩减小。极端情况下，高温将导致激磁线圈绝缘损坏。司钻控制手柄故障主要包括手柄操作机构故障，差动变压器线圈烧坏，控制连线或接插装置断路、短路，造成给定电压信号减小或者无给定。这类故障比较常见。
3.2整流电源无法提供额定的励磁功率。可控硅整流装置发生故障时，必定无法提供额定的直流电压，从而引起制动转矩减小。而造成可控硅整流装置故障的原因，主要是供电电压不稳或错相，可控硅模块或其它元器件损坏，触发不正常等。触发不正常比较常见的是电磁刹车司钻控制手柄故障。如手柄角度的变化无法正常转化为给定信号的变化，会造成给定信号电压低，可控硅整流装置输出直流电压低，无法提供足够的励磁功率，从而降低其使用性能。
3.3刹车主体工作状态不正常。主要是激磁线圈故障，空气隙恶化。由于一个或一个以上线圈断路或匝间短路，造成磁通量减小；如果线圈的极性
连接不对，也会造成磁通量减小。空气隙恶化时，由于空气和铁的氧化物的导磁性能较差，如果定、转子表面沉积锈蚀层将将会大大减少穿过转子和磁极间的磁通。如果磁极氧化铁层剥落，也会造成空气隙的增大，造成磁通量的减下。磁通量的减小必然导致制动扭矩的降低。
3.4电磁刹车使用工况不当。当电磁刹车在低速运转时，由于转子所产生的涡电流小，所以造成制动扭矩减小。极限情况下，如电磁刹车转子处于静止状态时，由于定转子无相对运动，则无法产生涡电流，不能提供制动力矩，只能引起电磁刹车的使用温度升高。由于保养不及时造成轴承损坏或由于装配不当原因引起定、转子表面之间摩擦时，会造成磁极短路，对磁通量产生影响，从而引起制动扭矩的下降。
4故障经验教训
通过以上故障的解决过程可以看出，设备的维护和保养应该着眼于细微之处，落到实处。对设备进行维护和保养的目的是为了降低设备故障发生率。随着各种设备在石油钻井现场的应用越来越多，只有做到了熟知设备的工作原理和结构，并能掌握一定分析问题的方法，在设备维护和管理的过程中，才能做到有的放矢。
5防范措施
为了切实维护好电磁刹车的使用性能，延长其使用寿命，应该切实做到以下几点：
5.1设备使用过程中，及时进行维护和保养；定时对设备各状态指标如刹车本体温升、整流装置输入输出状态参数等进行记录。
5.2指导操作人员合理使用，避免电磁刹车工作在低速重载的工况。
5.3禁止在正常钻进工况下使用电磁刹车。
5.4保障冷却系统处于良好的工况，避免设备超温运转。
5.5定期检查定转子空气隙；及时对定子呼吸器进行检查和清理，并对定子线圈进行阻值和绝缘进行测量和记录。
5.6搬迁期间做好设备保护工作，搞好控制和供电线路的安装质量。
5.7确保电磁刹车所配备的温度、流量、压力开关等检测、反馈和保护装置的灵敏可靠。