□ 李 剛 □ 謝 娜 □ 王先亮 □ 柴曉玲 □ 高 猛

1.山東科瑞機(jī)械制造有限公司 山東東營 257067 2.東營市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所 山東東營 257067

1 研究背景

為了提高鉆進(jìn)效率，改善絞車剎車性能，并減小盤剎的磨損，現(xiàn)代直流絞車已廣泛采用電磁渦流剎車作為絞車的輔助剎車。電磁渦流剎車在產(chǎn)生剎車力矩的同時，轉(zhuǎn)子內(nèi)表面會產(chǎn)生大量熱量，產(chǎn)生的熱量與剎車力矩成正比。所以，隨著井深的增加，絞車的起重質(zhì)量隨之增大，剎車需要的能力隨之提高，所產(chǎn)生的熱量也會隨之增大，必然需要有充分的冷卻水循環(huán)冷卻。否則，電磁渦流剎車轉(zhuǎn)子會因過熱而膨脹，使轉(zhuǎn)子和固定磁鐵之間的間隙增大，大大減小制動力矩［1-3］。因此最高出水溫度的限制是設(shè)備安全運(yùn)行的要求，而最高進(jìn)水溫度的限制是難以保證的，尤其在高溫環(huán)境下［4］。因此，高溫地區(qū)使用的電磁渦流剎車常因冷卻效果不佳而導(dǎo)致性能惡化，燒壞線圈的現(xiàn)象時有發(fā)生。國內(nèi)對于電磁渦流剎車進(jìn)水排量與溫升等的研究還較少［5-6］，沒有進(jìn)行定量的計算與分析，使選配冷卻系統(tǒng)設(shè)備時缺少數(shù)據(jù)依據(jù)［7-10］。筆者就電磁渦流剎車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計中冷卻水排量、冷卻穩(wěn)定溫度與負(fù)載功率之間的關(guān)系進(jìn)行分析，并設(shè)計了負(fù)載試驗進(jìn)行驗證。結(jié)果表明，理論計算數(shù)據(jù)可靠，可作為設(shè)計冷卻系統(tǒng)裝置的參考。

2 負(fù)載熱計算

在實際下鉆過程中，電磁渦流剎車屬于間歇工作制，它的制動與停歇就是發(fā)熱和冷卻過程。在未達(dá)到穩(wěn)定溫度以前，發(fā)熱曲線按一定規(guī)律周期性重復(fù)變化，每一個循環(huán)的發(fā)熱溫度和冷卻溫度都將比前一個循環(huán)的溫度高，直到熱平衡時為止。圖1所示為電器設(shè)備間歇工作制的典型發(fā)熱曲線。

▲圖1 間歇工作制典型發(fā)熱曲線

圖1中，縱坐標(biāo)表示溫度，橫坐標(biāo)表示時間，τm為額定工況下工作后的穩(wěn)定溫度，τn為過載情況下長期連續(xù)工作后的穩(wěn)定溫度。曲線oa表示工作時的發(fā)熱曲線，a點(diǎn)是工作時間tw結(jié)束時的溫度。曲線ae表示過載情況下長期連續(xù)工作的發(fā)熱曲線。曲線ab為切斷勵磁電流后的冷卻曲線，經(jīng)過ts時間而冷卻到b點(diǎn)溫度。從第一次工作開始點(diǎn)o到第二次工作開始點(diǎn)b的時間tw+ts為一個工作循環(huán)。從b點(diǎn)再經(jīng)過tw的工作時間，溫度將達(dá)到c點(diǎn)，然后又開始ts時間的間歇。此時發(fā)熱體隨之冷卻到d點(diǎn)，經(jīng)過一定的循環(huán)后發(fā)熱過程趨于穩(wěn)定。在電器設(shè)備中一般常以相對持續(xù)時間比例ΠB%表示重復(fù)短期工作情況，即：

式中：tw為下鉆期間剎車負(fù)荷時間；ts為下鉆期間剎車停歇時間。

石油鉆機(jī)在循環(huán)下鉆過程中掛合剎車的相對持續(xù)時間比例ΠB%受鉆機(jī)操作工的熟練程度及鉆機(jī)的自動化程度制約，筆者取ΠB%=33%。

將224 t負(fù)載（相當(dāng)于5 000 m井深負(fù)載）利用絞車進(jìn)行下鉆，鉆柱速度為0.28 m/s，繩系為12繩。絞車電機(jī)需要付出的功率P為：

式中：T 為電機(jī)扭矩，N·m；n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)繩系及絞車傳動比，計算得電機(jī)共需輸出功率約為670 kW。略去游繩效率，則絞車滾筒軸上的起升功率為670 kW。由電機(jī)特性曲線可知，此時每臺電機(jī)需輸出扭矩約為3 300 N·m。以同等質(zhì)量的鉆柱在同樣速度下下放時，略去阻力、浮力、游繩效率、滾筒纏繩效率后，將有670 kW的功率被制動系統(tǒng)所吸收。

ΠB%=33%時，計算模型以三次循環(huán)為一個周期。在每個運(yùn)行周期中，散熱系統(tǒng)可為水罐中的水完成三次循環(huán)降溫過程。第一次循環(huán)中，冷卻水將設(shè)備產(chǎn)熱帶走，并通過冷卻風(fēng)扇冷卻后進(jìn)入水罐。第二、第三次循環(huán)過程中，冷卻水不再吸收熱量，僅通過冷卻風(fēng)扇冷卻后進(jìn)入水罐。電磁渦流剎車散熱參數(shù)見表1。

表1 電磁渦流剎車散熱參數(shù)

3 水溫計算

3.1 一次循環(huán)后水溫

關(guān)系式如下：

式中：QW為功率，QW=192 kW；CW為水 比熱容 ，CW=4 200 J/（kg·℃）；VW為水流量，VW=25 m3/h；ρW為水密度，ρW=1 000 kg/m3；ΔTW為水溫差，℃；TW為最高允許出水溫度，TW=74℃。

得出一次循環(huán)后水溫差 ΔTW1=3 600QW/（CWVWρW）=6.58℃。

第一次冷卻后水溫Ta1=TW-ΔTW1=67.4℃。

3.2 二次循環(huán)后水溫

此循環(huán)為風(fēng)扇冷卻，空氣可帶走的熱量由水溫與空氣的溫差ΔTa決定，以空氣溫度50℃計算，帶走的熱量 Qa2=KSΔTa=120×82.5×（67.4-50）=123 kW， 其中：K 為散熱系數(shù)，K=120 W/（m2·℃）；S 為散熱面積，S=82.5 m2。

得出二次循環(huán)后水溫差 ΔTW2=3 600QW/（CWVWρW）=4.22℃。

第二次冷卻后出水溫度Ta2=Ta1-ΔTW2=67.4-4.22=63.2℃。

3.3 三次循環(huán)后水溫

此循環(huán)仍為風(fēng)扇冷卻，同理可算得空氣帶走的熱量Qa3為81.2 kW，水的溫差ΔTW3為8.2℃，出水溫度Ta3為60.4℃。得出三次循環(huán)后水的溫度大約為60℃。

同理可分別計算冷卻水排量為25 m3/h，負(fù)載功率為420 kW、550 kW時的冷卻水穩(wěn)定溫度，以及冷卻溫度為48℃時所需的冷卻水排量，結(jié)果見表2。

表2 冷卻水相關(guān)參數(shù)關(guān)系

由表2數(shù)據(jù)計算可以得到圖2、圖3。

由圖2可以看出，冷卻水排量保持25 m3/h一定時，冷卻水的溫度隨設(shè)備負(fù)載功率的升高有較大幅度升高，所以在設(shè)備運(yùn)行過程中需要時刻檢測設(shè)備負(fù)載功率。當(dāng)功率以一定線性差值提高的時候，冷卻水最終的穩(wěn)定溫度并不呈明顯的線性關(guān)系，說明溫度的平衡點(diǎn)受渦流剎車電磁線圈產(chǎn)熱特性的影響。

▲圖2 冷卻水排量一定時功率與溫度關(guān)系

▲圖3 穩(wěn)定溫度一定時功率與排量曲線

由圖3可知，冷卻水溫度保持在48℃，散熱功率升高時所需冷卻水的排量也相應(yīng)增大。同時，當(dāng)功率以一定線性差值提高時，冷卻水排量的增大可以近似看為線性提高，可為不同負(fù)載功率下泵的選型提供數(shù)據(jù)參考［11］。

4 試驗驗證

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，并假設(shè)冷卻參數(shù)，對其中一組數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗驗證。

4.1 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備如下：① 30 m3水罐一臺，配備25 m3/h水泵一臺；②JH-400冷卻風(fēng)扇一套，散熱系數(shù)為120 W/（m2·℃）；③ E-2000-DC 直流絞車一臺，配備 Baylor 7838電磁渦流剎車；④電控房一套；⑤鉆機(jī)控制房一套；⑥25 m3/h水泵一臺；⑦ 其他附件。

4.2 試驗方案

筆者的負(fù)載試驗方案如下：絞車啟動并運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，掛低速擋；然后將主電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至965 r/min，空負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)40 min；隨后使用電磁渦流剎車進(jìn)行剎車加載，調(diào)節(jié)電磁渦流剎車的勵磁電流，使每一臺電機(jī)的輸出扭矩達(dá)到約3 300 N·m，此時電機(jī)合計輸出功率為670 kW，電流約為505 A，持續(xù)時間20 min；在可編程序控制器控制下進(jìn)行空載40 min、加載20 min的自動循環(huán)，直至滿24 h。冷卻水的來源為冷卻水罐，冷卻水罐排水泵排量為25 m3/h。由于絞車在低位，無法利用自重使冷卻水回到冷卻水罐中，所以使用一臺排量為25 m3/h的回水泵，用于從電磁渦流剎車水箱抽水到水罐。試驗前，按照圖紙將管線連接。連接完成后，啟動水罐的一臺冷卻水泵，待絞車水箱水沒過抽水泵吸入管線時，啟動抽水泵。試驗設(shè)計方案及試驗現(xiàn)場分別如圖4、圖5所示。

▲圖4 試驗設(shè)計方案

▲圖5 試驗現(xiàn)場

4.3 試驗結(jié)果與分析

絞車電機(jī)負(fù)載數(shù)據(jù)如圖6所示。負(fù)載過程中記錄渦流剎車溫度數(shù)據(jù)，整理數(shù)據(jù)并繪制電磁渦流剎車溫度曲線，如圖7所示。

由于數(shù)據(jù)較多，負(fù)載試驗中截取24 h中的一部分時間段數(shù)據(jù)。由圖6可以看出，通過調(diào)節(jié)電磁渦流剎車的勵磁電流，電機(jī)的扭矩達(dá)到了預(yù)定的3 300 N·m。兩臺電機(jī)扭矩共輸出6 600 N·m，扭矩輸出較為平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，表明電磁渦流剎車制動扭矩達(dá)到6 600 N·m并穩(wěn)定運(yùn)行，即達(dá)到了設(shè)計的下鉆5 000 m的實際鉆井工況。

由圖7可以看出，在電磁渦流剎車開始加載時溫升比較快，這是因為電磁渦流剎車在加載初期機(jī)體本身溫度較低，冷卻水的溫度也較低。但是當(dāng)電磁渦流剎車加載幾個循環(huán)后，設(shè)備產(chǎn)熱增大，使電磁渦流剎車機(jī)體溫度及冷卻水的溫度都升高。從數(shù)據(jù)上看，溫度出現(xiàn)了從低溫狀態(tài)向高溫躍變的過程。從曲線上還可以看出，在冷卻水持續(xù)供給的工況下，溫度在經(jīng)歷交替上升、持續(xù)約400 min后趨于平衡，最高溫度穩(wěn)定在55～58℃區(qū)間。與前述理論計算的60℃相比，數(shù)據(jù)基本吻合。由于沒有考慮設(shè)備本身表面散熱造成的誤差，使理論值稍微偏高。經(jīng)理論計算及實際數(shù)據(jù)對比，確認(rèn)理論計算模型設(shè)計可靠，計算過程及數(shù)據(jù)可信。

5 結(jié)論

▲圖6 絞車電機(jī)負(fù)載

▲圖7 電磁渦流剎車溫度曲線

對電磁渦流剎車所需冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了分析，計算出當(dāng)冷卻水排量一定時，不同負(fù)載功率下的冷卻水穩(wěn)定溫度，發(fā)現(xiàn)隨負(fù)載功率的增大，冷卻水穩(wěn)定溫度并非線性升高。計算出冷卻水穩(wěn)定溫度一定時所需的冷卻水排量，發(fā)現(xiàn)隨負(fù)載功率的增大，若保證冷卻水溫度穩(wěn)定，所需冷卻水排量基本呈線性比例增大。

通過實際負(fù)載試驗驗證，筆者的計算模型可靠，此理論數(shù)據(jù)及計算方法可供鉆機(jī)冷卻水罐泵排量選擇、電機(jī)選型及回水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計參考。