修井机用盘式刹车系统的开发与设计

胡传富 （湖北江汉建筑工程机械有限公司，湖北 荆州434024）

随着石油开采事业的飞速发展，在修井过程中钩载越来越大，而且油井钻进越来越深，对于普通带式刹车系统，其刹车力明显不足，难以胜任紧急状态下和超深井作业的需要。为解决带式刹车存在的问题，笔者设计了一种将液压能转换成机械能用于铰车滚筒刹车的装置，其所有组件全部集成在修井机上，动力取自修井机本身的柴油发动机，采用2套独立的液压泵供油，辅以蓄能器，并互为备用。该装置操纵组件可灵活安装，其工作钳与安全钳采用3∶1的创新组合。该装置由2个装在滚筒轴端的刹车盘 （用来代替2个带式刹车轮毂）、支架及支架上的2组工作钳制动组和2组安全钳制动组、1套液压站及工作钳、安全钳手动刹车阀组成。

1 系统设计

1．1 盘式刹车系统设计准则

①结构合理，制动可靠，效率高；②在辅助刹车不能工作的情况下，有足够的刹车力矩刹住最大负荷；③操作方便，能极大地降低劳动强度；④系统出故障时，应具有失效保护功能；⑤易维修。

1．2 工作原理

盘式刹车工作系统由液压动力系统和应急系统2个子系统组成。盘式刹车正常工作时由液压动力系统操纵，应急子系统由气控作为先导控制源，在液泵失灵或游动系统失控等事故情况下操纵刹车系统工作。

1．3 盘式刹车系统结构方案

盘式刹车装置主要由制动执行机构 （执行机构又包括钳架、刹车盘和刹车钳3部分，刹车钳有工作钳和安全钳之分）、液压控制系统、操作组件、动力取力装置等部件构成。各部分之间用液压管线连接，其总体结构如图1所示。

图1 刹车装置总体结构

1）盘式刹车制动执行机构设计 制动执行机构主要包括工作钳、安全钳、刹车盘和钳架4部分。可根据需要进行组合，以满足各种修井机对刹车力矩的要求。其结构如图2所示。

2）液压控制系统设计 液压控制系统安装在发动机与角传动箱之间，包括液压站支架、油箱、附件、管线等。

3）盘式刹车操纵机构设计 通过操纵制动手柄或按钮可实现紧急工作制动、驻车制动及紧急制动等刹车功能。操纵机构包括工作制动刹车阀组件、驻车制动阀组件、控制阀块组件、3块压力表和紧急制动阀等组成 （见图3）。

4）动力取力装置设计 利用车载转向油泵以及通过发动机变扭器取力是本设计中主、备用油泵的动力来源。双驱取力器具有主、副轴输出，主轴联接修井机主油泵，副轴联接液压盘刹油泵；副轴可实现两端输出，以适应安装空间和匹配转向选择。

图2 制动执行机构

1．4 3种制动方式

1）工作制动 工作制动之前，拔出紧急制动按钮，使驻车制动手柄仍处于 “刹”位置，此时工作钳处于 “松刹”状态。拉动工作制动手柄，用工作钳刹住绞车，把驻车制动手柄推到 “松”位置。这样就可正常工作了。拉动工作制动手柄即可进行工作制动，其操作角度为0～60°，拉动角度越大，制动力越大。

图3 盘式刹车系统工作原理图

2）驻车制动 驻车制动用于在正常钻井作业中，悬持负载，当司钻任何时候离开司钻位置，应使用驻车制动。驻车制动只有安全钳参与制动。拉动驻车制动手柄至 “刹”位，实现驻车制动。转换到工作制动时，必须先解除驻车制动，即先拉动工作制动手柄，用工作钳刹住载荷，再推动驻车制动手柄至“松”位；然后进行工作制动。

3）紧急制动 主要用于紧急制动场合。按下紧急制动按钮，实现紧急制动。转换到工作制动时，必须先解除紧急制动，即先拉动工作制动手柄以刹住载荷，再拔出紧急制动按钮；然后进行工作制动。紧急制动时，工作钳、安全钳全部参与制动。

2 钳架受力分析

盘式刹车的工作钳与安全钳均是通过调节钳缸内油压的大小对刹车力进行调节的。工作钳依靠液压力制动，弹簧力松闸，不供油时处于松闸状态。安全钳依靠弹簧力制动，液压力松闸，不供油时处于制动状态。无论是工作钳还是安全钳，均有完全制动和松闸状态。制动时刹车块与刹车盘之间的间隙为0，弹簧不再变形，弹簧力为定值。完全松闸时刹车块与刹车盘之间存在间隙δ。为方便分析起见，假设2种钳的制动力相同，间隙δ相同，刹车块与刹车盘的接触面积相同，所用弹簧相同，弹簧力是弹簧变形量的函数。

工作钳与安全钳油缸内所需的最大及最小油压差不多，即它们对油压的要求基本相同。但由于工作钳弹簧的作用是克服摩擦力使活塞复位，而安全钳弹簧却要起到提供最大制动力的作用，因此工作钳的最大弹簧力和最小弹簧力都远远小于安全钳的最大弹簧力和最小弹簧力。

工作钳所提供的制动力与钳缸内的油压成正比，如果将油压作为反馈信号引入到司钻阀上，容易建立起反馈力与制动力之间的正比关系。而安全钳所提供的制动力与钳缸内的油压成反比，即油压小，制动力大；油压大，制动力小。若直接将油压反馈到司钻阀手柄上，则反馈力与制动力成反比，对于安全钳，不易直接将油压作为反馈信号引到司钻阀上。因此钻机盘式刹车应选用工作钳作为工作制动钳。

3 现场试验

XJ650修井机以前都是采用普通带式刹车，2011年11月首次选用盘式刹车系统，并在其专用试验场对该装置进行了充分的可靠性试验，其试验条件及结果如表1和表2。

表1 试验条件参数

表2 盘式刹车结论参数

通过以上试验验数据可得出以下结论：①使用3组常开钳刹车时，可制动大钩负荷达180t，大于修井机最大钩载150t；②使用一组常闭钳刹车时，可制动大钩负荷达62t，完全满足要求；③刹车盘直径选用∅1350mm，刹车组合选用3开1闭，设计合理，能满足XJ650修井机的刹车要求。

［1］（英）T．P．纽康姆 ．汽车制动文集 ［M］．吴植民，李明丽 等译 ．北京：人民交通出版社，1995．

［2］华东石油学院矿机教研室编 ．石油钻采机械 （上册）［M］．北京：石油工业出版社，1980．

［3］闻邦椿 ．机械工程手册：摩擦、磨损与润滑 ［M］．北京：机械工业出版社，2000．

［4］张嗣伟 ．钻井绞车刹车副的研究 ［J］．石油矿场机械，1981（1）：2-4．

［5］樊启蕴 ．用盘式刹车取代带式刹车的分析与建议 ［J］．石油机械，1994（8）：37-45．

［6］袁绩乾 ．机械制造技术基础 ［M］．北京：机械工业出版社，2003．

［7］秦伟 ．机械设计基础 ［M］．北京：机械工业出版社，2004．

［8］王积伟 ．液压与气压传动 ［M］．北京：机械工业出版社，2005 ．