修井機(jī)用盤式剎車系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)

胡傳富 （湖北江漢建筑工程機(jī)械有限公司，湖北 荊州434024）

隨著石油開采事業(yè)的飛速發(fā)展，在修井過程中鉤載越來越大，而且油井鉆進(jìn)越來越深，對(duì)于普通帶式剎車系統(tǒng)，其剎車力明顯不足，難以勝任緊急狀態(tài)下和超深井作業(yè)的需要。為解決帶式剎車存在的問題，筆者設(shè)計(jì)了一種將液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能用于鉸車滾筒剎車的裝置，其所有組件全部集成在修井機(jī)上，動(dòng)力取自修井機(jī)本身的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，采用2套獨(dú)立的液壓泵供油，輔以蓄能器，并互為備用。該裝置操縱組件可靈活安裝，其工作鉗與安全鉗采用3∶1的創(chuàng)新組合。該裝置由2個(gè)裝在滾筒軸端的剎車盤 （用來代替2個(gè)帶式剎車輪轂）、支架及支架上的2組工作鉗制動(dòng)組和2組安全鉗制動(dòng)組、1套液壓站及工作鉗、安全鉗手動(dòng)剎車閥組成。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．1 盤式剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

①結(jié)構(gòu)合理，制動(dòng)可靠，效率高；②在輔助剎車不能工作的情況下，有足夠的剎車力矩剎住最大負(fù)荷；③操作方便，能極大地降低勞動(dòng)強(qiáng)度；④系統(tǒng)出故障時(shí)，應(yīng)具有失效保護(hù)功能；⑤易維修。

1．2 工作原理

盤式剎車工作系統(tǒng)由液壓動(dòng)力系統(tǒng)和應(yīng)急系統(tǒng)2個(gè)子系統(tǒng)組成。盤式剎車正常工作時(shí)由液壓動(dòng)力系統(tǒng)操縱，應(yīng)急子系統(tǒng)由氣控作為先導(dǎo)控制源，在液泵失靈或游動(dòng)系統(tǒng)失控等事故情況下操縱剎車系統(tǒng)工作。

1．3 盤式剎車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

盤式剎車裝置主要由制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) （執(zhí)行機(jī)構(gòu)又包括鉗架、剎車盤和剎車鉗3部分，剎車鉗有工作鉗和安全鉗之分）、液壓控制系統(tǒng)、操作組件、動(dòng)力取力裝置等部件構(gòu)成。各部分之間用液壓管線連接，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 剎車裝置總體結(jié)構(gòu)

1）盤式剎車制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括工作鉗、安全鉗、剎車盤和鉗架4部分?？筛鶕?jù)需要進(jìn)行組合，以滿足各種修井機(jī)對(duì)剎車力矩的要求。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2）液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 液壓控制系統(tǒng)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)與角傳動(dòng)箱之間，包括液壓站支架、油箱、附件、管線等。

3）盤式剎車操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 通過操縱制動(dòng)手柄或按鈕可實(shí)現(xiàn)緊急工作制動(dòng)、駐車制動(dòng)及緊急制動(dòng)等剎車功能。操縱機(jī)構(gòu)包括工作制動(dòng)剎車閥組件、駐車制動(dòng)閥組件、控制閥塊組件、3塊壓力表和緊急制動(dòng)閥等組成 （見圖3）。

4）動(dòng)力取力裝置設(shè)計(jì) 利用車載轉(zhuǎn)向油泵以及通過發(fā)動(dòng)機(jī)變扭器取力是本設(shè)計(jì)中主、備用油泵的動(dòng)力來源。雙驅(qū)取力器具有主、副軸輸出，主軸聯(lián)接修井機(jī)主油泵，副軸聯(lián)接液壓盤剎油泵；副軸可實(shí)現(xiàn)兩端輸出，以適應(yīng)安裝空間和匹配轉(zhuǎn)向選擇。

圖2 制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1．4 3種制動(dòng)方式

1）工作制動(dòng) 工作制動(dòng)之前，拔出緊急制動(dòng)按鈕，使駐車制動(dòng)手柄仍處于 “剎”位置，此時(shí)工作鉗處于 “松剎”狀態(tài)。拉動(dòng)工作制動(dòng)手柄，用工作鉗剎住絞車，把駐車制動(dòng)手柄推到 “松”位置。這樣就可正常工作了。拉動(dòng)工作制動(dòng)手柄即可進(jìn)行工作制動(dòng)，其操作角度為0～60°，拉動(dòng)角度越大，制動(dòng)力越大。

圖3 盤式剎車系統(tǒng)工作原理圖

2）駐車制動(dòng) 駐車制動(dòng)用于在正常鉆井作業(yè)中，懸持負(fù)載，當(dāng)司鉆任何時(shí)候離開司鉆位置，應(yīng)使用駐車制動(dòng)。駐車制動(dòng)只有安全鉗參與制動(dòng)。拉動(dòng)駐車制動(dòng)手柄至 “剎”位，實(shí)現(xiàn)駐車制動(dòng)。轉(zhuǎn)換到工作制動(dòng)時(shí)，必須先解除駐車制動(dòng)，即先拉動(dòng)工作制動(dòng)手柄，用工作鉗剎住載荷，再推動(dòng)駐車制動(dòng)手柄至“松”位；然后進(jìn)行工作制動(dòng)。

3）緊急制動(dòng) 主要用于緊急制動(dòng)場(chǎng)合。按下緊急制動(dòng)按鈕，實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)。轉(zhuǎn)換到工作制動(dòng)時(shí)，必須先解除緊急制動(dòng)，即先拉動(dòng)工作制動(dòng)手柄以剎住載荷，再拔出緊急制動(dòng)按鈕；然后進(jìn)行工作制動(dòng)。緊急制動(dòng)時(shí)，工作鉗、安全鉗全部參與制動(dòng)。

2 鉗架受力分析

盤式剎車的工作鉗與安全鉗均是通過調(diào)節(jié)鉗缸內(nèi)油壓的大小對(duì)剎車力進(jìn)行調(diào)節(jié)的。工作鉗依靠液壓力制動(dòng)，彈簧力松閘，不供油時(shí)處于松閘狀態(tài)。安全鉗依靠彈簧力制動(dòng)，液壓力松閘，不供油時(shí)處于制動(dòng)狀態(tài)。無論是工作鉗還是安全鉗，均有完全制動(dòng)和松閘狀態(tài)。制動(dòng)時(shí)剎車塊與剎車盤之間的間隙為0，彈簧不再變形，彈簧力為定值。完全松閘時(shí)剎車塊與剎車盤之間存在間隙δ。為方便分析起見，假設(shè)2種鉗的制動(dòng)力相同，間隙δ相同，剎車塊與剎車盤的接觸面積相同，所用彈簧相同，彈簧力是彈簧變形量的函數(shù)。

工作鉗與安全鉗油缸內(nèi)所需的最大及最小油壓差不多，即它們對(duì)油壓的要求基本相同。但由于工作鉗彈簧的作用是克服摩擦力使活塞復(fù)位，而安全鉗彈簧卻要起到提供最大制動(dòng)力的作用，因此工作鉗的最大彈簧力和最小彈簧力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于安全鉗的最大彈簧力和最小彈簧力。

工作鉗所提供的制動(dòng)力與鉗缸內(nèi)的油壓成正比，如果將油壓作為反饋信號(hào)引入到司鉆閥上，容易建立起反饋力與制動(dòng)力之間的正比關(guān)系。而安全鉗所提供的制動(dòng)力與鉗缸內(nèi)的油壓成反比，即油壓小，制動(dòng)力大；油壓大，制動(dòng)力小。若直接將油壓反饋到司鉆閥手柄上，則反饋力與制動(dòng)力成反比，對(duì)于安全鉗，不易直接將油壓作為反饋信號(hào)引到司鉆閥上。因此鉆機(jī)盤式剎車應(yīng)選用工作鉗作為工作制動(dòng)鉗。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

XJ650修井機(jī)以前都是采用普通帶式剎車，2011年11月首次選用盤式剎車系統(tǒng)，并在其專用試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)該裝置進(jìn)行了充分的可靠性試驗(yàn)，其試驗(yàn)條件及結(jié)果如表1和表2。

表1 試驗(yàn)條件參數(shù)

表2 盤式剎車結(jié)論參數(shù)

通過以上試驗(yàn)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論：①使用3組常開鉗剎車時(shí)，可制動(dòng)大鉤負(fù)荷達(dá)180t，大于修井機(jī)最大鉤載150t；②使用一組常閉鉗剎車時(shí)，可制動(dòng)大鉤負(fù)荷達(dá)62t，完全滿足要求；③剎車盤直徑選用?1350mm，剎車組合選用3開1閉，設(shè)計(jì)合理，能滿足XJ650修井機(jī)的剎車要求。

［1］（英）T．P．紐康姆 ．汽車制動(dòng)文集 ［M］．吳植民，李明麗 等譯 ．北京：人民交通出版社，1995．

［2］華東石油學(xué)院礦機(jī)教研室編 ．石油鉆采機(jī)械 （上冊(cè)）［M］．北京：石油工業(yè)出版社，1980．

［3］聞邦椿 ．機(jī)械工程手冊(cè)：摩擦、磨損與潤滑 ［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000．

［4］張嗣偉 ．鉆井絞車剎車副的研究 ［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，1981（1）：2-4．

［5］樊啟蘊(yùn) ．用盤式剎車取代帶式剎車的分析與建議 ［J］．石油機(jī)械，1994（8）：37-45．

［6］袁績乾 ．機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) ［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．

［7］秦偉 ．機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) ［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004．

［8］王積偉 ．液壓與氣壓傳動(dòng) ［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005 ．