钻机液压盘式刹车系统工作原理与维护分析

2022-06-24乔福家

设备管理与维修 2022年10期

乔福家

（中国石油川庆钻探工程有限公司国际工程公司，四川成都 610051）

0 引言

大型石油钻机在当前油气资源的勘探开发中的应用非常广泛，在石油钻机的整体结构中，液压盘式刹车是非常重要的组成部分，主要发挥钻机制动作用。只有充分保障液压盘式刹车的稳定性和可靠性，才能有效提升钻机运行的安全性。因此，针对液压盘式刹车的基本运行原理及维护方式进行探讨，对提升石油钻机的运行效果有重要意义。

1 液压盘式刹车

在石油钻机的主体结构中，液压盘式刹车属于非常重要的组成部分，刹车性能的有效发挥不仅直接决定了钻机制动效果，还与钻机运行有着紧密联系（图1）。液压技术在20 世纪得到大力发展，尤其是在工程技术领域，实现了广泛应用。进入21 世纪后，石油钻采技术也实现了快速发展，装备技术水平得到了全面提升，在石油钻机的绞车系统中，液压盘式刹车得到了广泛应用。其应用于石油钻机体现了制动可靠、制动力矩大、反应灵敏等优势，而且在运行中的实际能耗较小，正逐渐成为石油钻机中不可或缺的一种设备[1]。目前大部分石油钻机使用的制动装置都是液压盘式刹车，其主体包括刹车钳、刹车盘和钳架等部分，刹车钳可分为常开式和常闭式2 种模式。在石油钻机的运行过程中，可以根据实际工况需求发挥出工作制动、紧急制动、驻车制动和过卷制动等5 种方式。

图1 液压盘式刹车及液压站

（1）工作刹车。工作刹车是液压盘式刹车最重要的功能[2]。工作刹车可以通过控制手柄实现操作，同时也可以通过操作工作钳来对刹车盘施加压力，通过这种方式就可以将刹车力矩传递给主机。而且这一力矩可以实现调节，让钻机在不同运行工况下实现顺利钻进。

（2）驻车刹车。钻机停机过程中或操作人员暂离控制台的情况下，一旦发生大钩脱离滑落，可以通过驻车刹车功能进行有效规避。

（3）紧急刹车。钻机经常会在外界因素干扰下进行紧急制动，此时只需要将紧急刹车按钮按下即可完成制动，而且在紧急制动过程中工作钳和安全钳会同时产生作用。

（4）过卷/防碰保护。在大钩将重物举升到一定的高度的情况下，如果此时受某些因素影响，导致工作刹车不能正常运行，系统就会自动启动过卷/防碰撞保护，进而完成紧急制动动作。

（5）断电自动刹车。如果钻机在运行过程中系统出现了突然断电等情况，此时系统就会自动启动自动刹车功能，通过紧急刹车来规避安全事故的发生[3]。

2 刹车液压站

液压盘式刹车的主要动力源都来自于液压站，通常情况下包括动力、控制和辅助3 个不同单元。

（1）动力单元一般会配置恒压变量柱塞泵和三相异步电机，恒压泵能保障液压站在运行过程中保持压力平顺，且在输出大功率的同时保障低噪声运行，运行过程中发热较少，完全能满足石油钻机液压盘式刹车的运行需求。

（2）电磁阀是用来控制刹车钳的一种控制单元，在动力单元配置一个安全阀能保障系统实现正常运行。在整个刹车系统中配置了加油组件，该组件主要由过滤器和手摇泵组成，利用加油泵就可以完成油箱加油操作，而且能充分保障所加油液的清洁度。

（3）辅助元件的配置是为了保障液压盘式刹车系统能正常运行，通常情况下，针对石油钻机的液压盘式刹车会配置油温液位计、进油/回油滤清器、控制过滤器和电加热器等相关的辅助元件。

3 液压盘式刹车蓄能器工作原理

在液压盘式刹车系统中储能器属于能量储备装置，其作用是在适当时将系统能量经过转化后形成压缩能储备，系统在需要能量补给的情况下就可以将压缩能补充给系统，保障系统正常运行[4]。

系统在正常运行工况下，如果出现瞬时压力增加，储能器就能将系统多余能量吸收，让系统压力恢复正常。液压油本身属于一种压力介质，其压缩性能较差，液压油无法通过压力能的方式进行保存，要将系统中液压油以压力能的方式蓄积，就必须要借助于其他介质来实现。当前在液压系统蓄积液压油的过程中经常会采用囊式充气蓄能器，该蓄能器主要包括了气体部分、油液部分两个结构，系统压力不断升高的情况下，系统中部分液压油会进入蓄能器中，此时由于油液的进入会导致蓄能器中气体被压缩；在系统压力下降的情况下，蓄能器中的空气会产生膨胀并将油液重新压回到液压油路中，这样就可以有效补充系统的压力降。

在石油钻机液压盘式刹车系统中蓄能器通常会配置4 个胶囊，其中2 个用来为安全钳实现系统保压，系统泵停止运行后，可以利用另外2 个胶囊实现左右两路工作钳的供压。如果系统在正常运行工况下突然出现断电现象，可以利用胶囊蓄能为刹把手动操作4～6 次制动提供能量。

4 液压盘式刹车系统维护措施分析

（1）液压刹车系统在维护过程中要针对其液压站滤芯进行不断强化保养，严格按照设备的使用需求来进行滤芯的定期更换，按照6 个月周期来定期更换回油、高压滤芯，按照12 个月周期来进行加油、进油滤芯的更换；按照12 个月周期来进行安全钳碟簧和工作钳拉簧的更换。在检修保养过程中，需要对安全钳和工作钳之间的间隙进行详细检查，保障工作钳的间隙始终处在1 mm 的范围内，安全钳的间隙应该保持在0.5 mm。为了保障间隙检查的合理性，在维护过程中必须使用塞尺。

（2）要对油箱液面实施常态化检查，一旦在检查中发现液面过低，需要及时补充。如果油箱的液面在检查过程中出现了非正常下降的现象，必须要及时针对系统可能存在油液泄漏的位置进行及时检查，快速定位漏点，并采取有效措施及时处理。通常情况下，液压盘式刹车系统在实际运行过程中的工作温度最大值能够达到60 ℃，一旦温度超过限值，说明液压油此时可能存在被污染的情况，也可能是因为柱塞泵出现了严重磨损导致，这时必须要及时停机检查，同时找出问题所在并及时处理[5]。要想保障液压盘式刹车系统能实现稳定运行，就必须要保障液压油洁净。在对系统进行维护、添加过程中，需要使用专用加油系统，坚决杜绝通过空气滤清器加油而导致油液被污染。

（3）系统中的快速接头要在设备运行前进行详细检查，保障快速接头的正常运行。在移动管线或是管线意外膨胀的情况下也要对管线进行及时检查，确保管线不会损坏。还要对接头是否存在虚接等情况进行及时检查，一旦发现存在问题，需采取对应措施进行解决。系统内的各个紧固件要进行及时检查，查看是否存在松动现象，一旦发现存在松动要及时进行紧固。焊接件是保障设备运行的基础，运行前要进行严格检查，重点对钳体的焊缝进行严格检查，查看是否存在腐蚀或裂纹等现象，如果存在裂纹或腐蚀，应根据实际情况进行更换或维修。要保证刹车盘的最大磨损量不超过10 mm，即刹车盘的单边磨损不能超过5.0 mm，在检查过程中一旦发下刹车盘出现磨损超限的情况，必须要及时进行修复或更换。