双刹车在水井钻机中的应用
2012-10-08李旭文许铁民高常生宋海燕
李旭文,许铁民,高常生,宋海燕
(张家口中地装备探矿工程机械有限公司,河北 张家口075026)
卷扬机是水井钻机中的重要部件之一,卷扬机的作用是提升下降钻具。钻孔的深度越深,提升下降钻具的次数就越多,卷扬机所承受的负荷就越大。频繁的提升下降钻具和不正确的使用卷扬机的辅助刹车装置,极易导致卷扬机的制动盘和刹车带(块)出现发热、冒烟、甚至制动盘开裂现象,导致卷扬机过早维修或报废,图1是某种钻机卷杨机制动盘开裂的照片。
图1
应该指出,卷杨机制动盘开裂不一定就是制造厂家设计或制造的原因,和操作者的使用强度和能否正确使用辅助刹车装置也有很大关系。如与图1中出现裂纹的卷筒同型号的钻机,北京某地质工程勘察院从1999年开始购置使用了3台,钻出了从2600~4088m的地热井、冷水井数十口,从没有出现卷筒制动盘开裂的现象。还有河南某煤田系统某单位使用该种钻机进行了直径1100mm,深度851m的瓦斯排放井的钻凿,卷扬机承受了超设计能力的负荷,也没有出现卷筒制动盘开裂的现象。这说明,虽然该型钻机的卷扬机强度偏弱,在深水井钻凿中制动盘易出现问题,但和操作者是否正确使用也有很大关系。
现有的水井钻机大多采用的是行星式卷扬机,如附图2所示,是从岩心钻机发展而来的。使用行星式卷扬机,有一个提升盘,一个制动盘,内部有行星轮传动机构,结构紧凑,具有较大的传动比,一般传动比在3以上,传动平稳,操纵灵活,很容易地进行微动提升和微动下降。该型卷扬机在岩心钻机和浅水井钻机的广泛使用已证明是一种很好的结构,提升时,用刹车带刹紧提升盘,刹车带与提升盘除刹紧过程或使用微动提升微动下降功能时有动摩擦外,其余工况均为静摩擦,提升盘和刹车带(块)的发热很少,温度均在允许的范围内,提升盘和刹车带(块)的使用寿命较长,不易损坏。下降钻具时,松开提升盘,由于孔内钻具的重量,从而通过钢丝绳将力量传递到卷筒上带动卷筒反向旋转下降钻具。为了控制钻具匀速下降或让钻具停止下降,就需要用抱闸或刹车带对制动盘进行刹车。刹车就是在外力的作用下,刹车带(块)与制动盘进行摩擦产生摩擦力矩,当摩擦力矩与孔内钻具重量通过钢丝绳在卷筒上产生的力矩平衡时,钻具匀速下降;当摩擦力矩小于孔内钻具重量产生的力矩时,钻具加速下降,如操作不当极易发生事故,发生所谓的“墩钻”事故,这种情况应极力避免发生;当摩擦力矩大于孔内钻具重量产生的力矩时,钻具减速下降直至停止下降。刹车带(块)与制动盘进行动摩擦产生摩擦力矩,动摩擦会产生热量,频繁的下钻会使制动盘和刹车带(块)散热不及时,导致制动盘和刹车带(块)温度升高,据计算,在一个2000m深的钻井中,进行一次下钻,要下降2000m的钻具,按每次下降18m钻具计算,就需要下降111次,就需要111次刹紧制动盘;在一个3000m深的钻井中,进行一次下钻,要下降3000m的钻具,按每次下降18m钻具计算,就需要下降166次,就需要166次刹紧制动盘。这样高的下钻强度,单靠刹车带(块)与与制动盘的动摩擦是不适合的,极易导致刹车带(块)的石棉带(块)烧焦(现有的水井钻机的刹车带(块)一般使用石棉制品)导致摩擦系数下降甚至摩擦力接近于0、制动盘过热导致强度下降而开裂等现象发生。
图2 行星式卷扬机
据地质出版社编写的高等学校试用教材《岩心钻探设备及设计原理》介绍:“一般石棉制品允许工作温度为220℃”,超过此温度则摩擦系数大大下降;而对金属在此温度的金属性能没有查到数据,但其强度随着温度的升高而下降是一个不争的事实。因此,在如此高的下钻强度条件下,单纯使用刹车带(块)和制动盘是不能满足要求的,要配备其它能使钻具匀速下降的如水刹车、电磁涡流刹车辅助刹车装置和水套通水冷却制动盘和刹车带(块)的装置等。由于辅助刹车只能使孔内钻具重量产生的力矩与辅助刹车产生的阻力矩相互平衡而使钻具匀速下降,却不能使钻具停下来,这样在一个立根下钻终了时,钻具要停止下降后接上另一个立根继续下钻,仍然得用刹车带(块)刹车,在深水井钻凿中,这样的下钻强度仍是较高的,也很容易造成的制动盘和刹车带(块)出现发热、冒烟、甚至制动盘开裂现象,导致卷扬机过早维修和报废。
针对行星式卷扬机在深水井钻机使用中产生的问题,我公司将水井钻机的卷扬机和石油钻机的绞车进行了认真的分析研究,分析了行星式卷扬机和石油钻机绞车的优缺点:石油钻机由于钻进能力大,一般都采用双刹车系统,用刹车带或刹车盘进行刹车,用气胎离合器进行提升,同时采用链条传动,卷筒加长增加容绳量减少钢丝绳的相互挤压以提高钢丝绳的使用寿命。总结起来其优点是刹车带(块)和制动盘采用双刹车系统,降低了制动盘和刹车带(块)的工作强度,有效地减少了制动盘和刹车带(块)发热、冒烟、甚至制动盘开裂现象,提高了制动盘和刹车带(块)的使用寿命;缺点是体积较为庞大,噪音大,成本较高。根据多年的深水井钻机研发经验,结合深水井钻机的特点,分析行星式卷扬机和石油钻机双刹车绞车的优缺点,决定参考石油钻机的双刹车绞车用于深井水井钻机的研制:摒弃传统的行星式卷扬机,保留齿轮传动方式,去掉行星轮式传动,使用气胎离合器与摩擦盘接合进行提升,形成两个制动盘的双刹车卷扬机,参看图3,当提升钻具时,气胎离合器充气抱紧摩擦盘,经过齿轮传递的动力通过气胎离合器、摩擦盘、联接盘、卷扬机轴最后传至卷筒上,卷筒旋转缠绕钢丝绳提升钻具,当下降钻具时,气胎离合器放气,气胎离合器与摩擦盘之间留有间隙,卷筒在钢丝绳上钻具重量作用下反向旋转,靠刹车带(块)与与制动盘的摩擦控制下钻速度和停止下降,当然在实际使用中,在孔较深的情况下,应首先使用辅助刹车装置的,这里不做解释。
此种新型传动,使用了两个制动盘、两个刹车带,就使得在下降钻具的过程中,所需要的单个制动盘刹车力矩减少了50%,制动盘和刹车带的磨损相应地减少了50%。同时,由于刹车带和制动盘工作温度的降低,实际制动盘和刹车带的磨损减少量超过了50%。
我公司在新产品RPS3200钻机上采用此双刹车卷扬机,并已生产一台样机,2010年起在山东省第二水文地质大队进行了生产试验。该队使用该钻机已进行了四口地热井的钻凿,深度分别是2000m、2100m、1800m、3000m。在四口地热井钻凿完成后,仅更换了一次刹车带内的摩擦块,没有进行制动盘的维修。彻底解决了个别用户反映的张家口中地装备探矿工程机械有限公司的某种深水井钻机刹车带内的摩擦块磨损较快和卷筒制动盘使用过程中第一次维修时间较短的问题。
图4 施工现场
综上所述,在深水井钻机研发中,使用双刹车卷扬机相比单刹车的行星式卷扬机具有一定的结构优势,可以在深水井钻机设计时采用。以上是个人在RPS3200钻机研制中的体会,仅供参考。