海洋石油鉆井平臺用自帶剎車氣動馬達(dá)的研制

柳水清

（煙臺市石油機(jī)械有限公司，山東 煙臺 264001）

防噴器氣動吊移裝置是保障海洋石油鉆井平臺或油田鉆井裝備生產(chǎn)安全的關(guān)鍵設(shè)備。中國石油天然氣公司、中國海洋石油總公司使用的鉆井平臺，在執(zhí)行海外石油鉆井合同時，防噴器氣動吊移裝置已成為鉆井平臺上必須的標(biāo)配。而該種設(shè)備多從美國英格索蘭等國外公司進(jìn)口。為掌握關(guān)鍵設(shè)備核心技術(shù)、 實現(xiàn)進(jìn)口設(shè)備的替代，以節(jié)約成本縮短配套周期，增強(qiáng)民族工業(yè)產(chǎn)業(yè)競爭力，必須及時研發(fā)該吊移裝置的核心部件——作為動力源使用的自帶剎車氣動馬達(dá)。

1 自帶剎車氣動馬達(dá)的結(jié)構(gòu)

海洋石油鉆井平臺用自帶剎車氣動馬達(dá)應(yīng)實現(xiàn)以下特定的要求：（1） 由于海洋石油鉆井平臺的工作空間十分有限，且對安全性能有很高的要求，因此用于自鎖的控制機(jī)構(gòu)，必須在滿足尺寸要求的前提下，能夠具有高可靠性。（2）必須具有在動力源失效時，馬達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)自動鎖定。（3）防噴器負(fù)荷大，有的達(dá)60 噸，而且負(fù)荷的懸停有精確的位置要求，因此馬達(dá)應(yīng)滿足在高起重負(fù)荷與頻繁啟停時的靈敏性與性能穩(wěn)定性。

為實現(xiàn)氣動吊移裝置對馬達(dá)的特殊要求，本公司在借鑒為高氣壓潛孔鉆機(jī)配套的行走減速器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，制定了如下設(shè)計方案：

如圖 1 所示，1 為馬達(dá)動力部分，2 為壓板，3為剎車彈簧，4 為剎車靜片，5 為剎車動片，6 為剎車活塞，7 為壓蓋，8 為隔離套，9 為主軸，10 為剎車殼體。

圖1

2 氣動馬達(dá)剎車機(jī)構(gòu)的工作原理

壓縮空氣自圖1 的進(jìn)氣口A 進(jìn)入剎車控制室右側(cè)，推動剎車活塞克服彈簧3 的彈力，移至剎車控制室的左端極限位置，從而使剎車靜片4和剎車動片5 脫開， 解除剎車片對輸出軸的制動。這時馬達(dá)可根據(jù)壓縮空氣的供給情況按要求的旋轉(zhuǎn)方向?qū)崿F(xiàn)動力輸出。 如進(jìn)氣口A 的壓縮空氣被釋放， 剎車活塞在彈簧3 的彈力作用下，推至剎車控制室的右端極限位置，從而使剎車靜片4 和剎車動片5 貼合而產(chǎn)生摩擦力，實現(xiàn)剎車片對輸出軸的制動。

該馬達(dá)的自動剎車特性通過與其配套的氣動系統(tǒng)來實現(xiàn)。 氣動系統(tǒng)的原理如圖2 所示。 以左起重馬達(dá)為例，氣源通過進(jìn)氣管路1 進(jìn)入氣動三聯(lián)件2，然后分成兩路，一路進(jìn)入氣動控制主閥的進(jìn)氣端，一路進(jìn)入按鈕盒3 的進(jìn)氣端。 如沒有按下按鈕閥，主閥的進(jìn)氣與出氣口處于截止?fàn)顟B(tài)，馬達(dá)沒有動力輸入，而且剎車活塞在彈簧的作用下使馬達(dá)主軸被剎車機(jī)構(gòu)制動，這時馬達(dá)處于剎車狀態(tài)。 當(dāng)按鈕盒的按鈕閥被按下時，通過按鈕閥輸出的先導(dǎo)控制氣體使主閥的閥芯換位，主閥的進(jìn)氣與出氣口被接通， 壓縮空氣分為兩路，一路進(jìn)入起重馬達(dá)一端的進(jìn)氣口驅(qū)動馬達(dá)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動力；另一路通過梭閥5、快排閥6，使馬達(dá)剎車機(jī)構(gòu)解除對主軸的制動，馬達(dá)主軸此時便在壓氣的作用下按控制要求的方向旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)按鈕閥松開后， 控制主閥的閥芯換位，主閥進(jìn)氣口的壓縮空氣被關(guān)閉，馬達(dá)一方面失去驅(qū)動力，另一方面進(jìn)入剎車控制腔的壓縮空氣通過快排閥6 被迅速排空，剎車活塞在彈簧的作用下立即實現(xiàn)制動， 起重馬達(dá)即刻處于剎車狀態(tài)，從而使起重負(fù)載實現(xiàn)按要求的位置懸停。

圖2

圖3

3 馬達(dá)剎車機(jī)構(gòu)的設(shè)計

馬達(dá)的實際工況如圖3 所示。起重馬達(dá)用螺栓通過法蘭盤聯(lián)接到減速箱體上，減速箱體內(nèi)有兩級減速機(jī)構(gòu)。 通過該減速機(jī)構(gòu)，馬達(dá)的回轉(zhuǎn)扭矩得以驅(qū)動鏈輪通過圖4 所示的滑輪組機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)負(fù)載的提升。

剎車機(jī)構(gòu)的設(shè)計，是根據(jù)客戶的負(fù)載提升要求，即負(fù)載提升速度、負(fù)載重量，以及與馬達(dá)相配套的減速機(jī)構(gòu)的具體配置，計算出馬達(dá)輸出端所需要的轉(zhuǎn)速及扭矩，根據(jù)這兩個參數(shù)，以及馬達(dá)剎車片所采用的材質(zhì)情況，計算出剎車片、剎車彈簧、剎車活塞的結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)而完成相應(yīng)馬達(dá)剎車機(jī)構(gòu)的設(shè)計。 現(xiàn)以FQ60 型起重吊移裝置為例，將其設(shè)計步驟簡述如下：

已知：

負(fù)載起重速度Vh≥0.5 m/min

負(fù)載重量P=60 t=588 000 N

驅(qū)動鏈輪的節(jié)圓周長c=0.54 m

滑輪組的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。根據(jù)滑輪組的原理，單聯(lián)滑輪組[1]：

m=n（設(shè)計手冊上冊2 P1368）

式中

m——滑聯(lián)組倍率

n——懸掛物品撓性件分支數(shù)。 本結(jié)構(gòu)中n=4。

驅(qū)動鏈輪通過兩級減速器與氣動馬達(dá)相聯(lián)接。

第1 級減速器為一對直齒減速：

Z1=13，Z2=23

則第1 級減速器的傳動比為：

第2 級減速器為三對直齒減速。三對齒輪的組合情況如表1：

則第2 級減速器的傳動比為：

表1

設(shè)馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)速為n， 額定輸出扭矩為M，驅(qū)動鏈輪的轉(zhuǎn)速為n′，驅(qū)動鏈輪的輸出扭矩為M′， 驅(qū)動鏈輪的直徑為D， 鏈條的線速度為vs，鏈條的張力為Q，根據(jù)圖3 所示滑輪機(jī)構(gòu)的工作原理，得出：

（設(shè)計手冊上冊2 P1368）

式中vh負(fù)載起重速度， 亦即動滑輪組的速度

式中 n′—— 驅(qū)動鏈輪的轉(zhuǎn)速

c —— 驅(qū)動鏈輪的節(jié)圓周長

式中 n——馬達(dá)的速度

i1——第1 級減速器的減速比

i2——第2 級減速器的減速比

綜合公式（1）、（2）、（3），得

圖4

經(jīng)計算，n ≥1 882.8 r/min

（設(shè)計手冊上冊2 P 1368）

式中 P——鏈條的張力，亦即撓性件自由端牽引力

Q——負(fù)載的重力，亦即起重量

式中 M——驅(qū)動鏈輪的輸出扭矩

D——驅(qū)動鏈輪的節(jié)圓直徑

式中 D——驅(qū)動鏈輪的節(jié)圓直徑

C——驅(qū)動鏈輪的節(jié)圓周長

式中 M——馬達(dá)的輸出扭矩

M′——驅(qū)動鏈輪的輸出扭矩

i1——第1 級減速器的減速比

i2——第2 級減速器的減速比

綜合公式（5）、（6）、（7）、（8），得

根據(jù)摩擦離合器的計算公式

式中 S——剎車活塞施加給剎車片組合的軸向力

Mn——許用傳遞扭矩。 Mn≥M＝24.8 N·m

k——工作情況系數(shù)。 查表得，k ＝2.5

i——摩擦片的對數(shù)。 本剎車機(jī)構(gòu)根據(jù)安裝尺寸要求，設(shè)計i ＝6

f——摩擦系數(shù)。 查表得， f＝0.2～0.3，取0.25

Dp——摩擦片工作面的平均直徑。 由于結(jié)構(gòu)尺寸限制，Dp＝102.5 mm

代入公式（10），得 S≥806.5 N

本剎車機(jī)構(gòu)使用6 根圓柱螺旋壓縮彈簧。根據(jù)彈簧的自由高度、壓縮長度、工作負(fù)荷，設(shè)計出彈簧尺寸為

D2=12，d=2，H0=30，n1=8 （設(shè)計計算過程略）

4 馬達(dá)動力部分的確定

為提高產(chǎn)品通用性，馬達(dá)的動力部分采用本公司常規(guī)產(chǎn)品TMY 系列葉片式氣動馬達(dá)結(jié)構(gòu)。馬達(dá)動力部分選型過程簡述如下：

仍以FQ60 產(chǎn)品為例。 根據(jù)本公司生產(chǎn)的功率相近的馬達(dá)性能曲線，在曲線圖上根據(jù)吊移裝置在起重負(fù)載時，馬達(dá)應(yīng)輸出的扭矩，找出對應(yīng)的馬達(dá)轉(zhuǎn)速。 其轉(zhuǎn)速滿足n≥1882.8 r/min 要求的功率最小的馬達(dá)， 即可作為本產(chǎn)品的動力部分。

圖5

經(jīng)過反復(fù)比較， 動力部分選定本公司產(chǎn)品TMY6 馬達(dá)結(jié)構(gòu)。該馬達(dá)在氣壓0.63 MPa 時的性能曲線見圖4。 通過性能曲線馬達(dá)輸出扭矩在24.8 N·m 時，轉(zhuǎn)速為 1950，符合 n≥1 882.8 r/min的要求。

5 生產(chǎn)及使用中出現(xiàn)的主要問題解決的方法

（1） 在實際工作中起升速度達(dá)不到設(shè)計要求。 設(shè)計值與實際工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)情況見表2。

通過表2 可以看出，實際狀態(tài)下滿負(fù)載的提升速度與設(shè)計值相差較大。產(chǎn)品是根據(jù)馬達(dá)在試驗臺上實際測得的性能曲線而進(jìn)行提升速度的設(shè)計，不應(yīng)存在如此大的誤差。經(jīng)仔細(xì)分析，斷定問題出在馬達(dá)進(jìn)氣口處的實際氣壓過低。馬達(dá)在試驗臺上檢測時，儲氣罐由3 米的氣管與馬達(dá)相接，而在實際工作中，如圖2 所示，氣源首先通過10 米的氣管連到氣動三聯(lián)件上，其次再由20 米的氣管連到主控制箱上，而后壓縮空氣經(jīng)過主閥后再由2 米的氣管連接馬達(dá)。因此，實際工況下，馬達(dá)進(jìn)氣已遠(yuǎn)達(dá)不到0.63 MPa， 而只有0.50～0.55 MPa 左右。 壓力損失的概算參見《長氣管空氣流量的計算》 一文[2]。 根據(jù)在試驗臺上0.55 MPa、0.50 MPa 氣壓下測得的氣馬達(dá)性能曲線，其提升速度的分析見圖6。

表2

通過圖6 的分析可以看出， 在滿負(fù)荷起重時，0.55 MPa 氣壓下，馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速為1300 rpm，而在0.50 MPa 氣壓下，馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速為620 rpm。通過公式（4）進(jìn)行反算，此時負(fù)載提升速度分別為 0.35 m/min、0.16 m/min。

針對實際工作中存在的問題，本公司采取了四個方面的解決辦法：（1） 原來的夾布膠管全部換成鋼絲纏繞的高壓膠管，避免夾布膠管剛性太低，容易在實際使用中打死彎，造成壓力過度損失的問題，并適度增加了膠管通徑；（2）將氣管接頭一律改為液壓管接頭， 進(jìn)一步改善了節(jié)流問題；（3） 在馬達(dá)排氣口， 用排氣更加通暢的消聲罩，取代了原來排氣阻力相對較大的金屬燒結(jié)式消聲罩。（4）對氣源的供氣壓力提高了要求。通過以上措施，很好地解決了馬達(dá)提升速度不夠的問題。

圖6

（2）負(fù)載行走速度過快。 負(fù)載的移位通過行走馬達(dá)驅(qū)動鋼軌上的鋼輪來實現(xiàn)。由于行走阻力很小，加之氣動馬達(dá)具有軟特性[3]，造成行走速度過快。 采取的措施是在行走馬達(dá)進(jìn)氣接頭上安裝可調(diào)式節(jié)流閥， 從而限制馬達(dá)的輸出速度。

（3）馬達(dá)剎車的控制不夠靈敏。 在實際使用過程中，馬達(dá)的制動與按鈕閥的操作指令間存在明顯的延遲，影響了對負(fù)載懸停位置的控制精度。 經(jīng)分析，判定是由于驅(qū)動馬達(dá)剎車機(jī)構(gòu)的壓氣排氣速度跟不上引起的。 在驅(qū)動剎車活塞打開剎車的壓氣換向后，殘余氣體要通過剎車進(jìn)氣管路、梭閥、馬達(dá)進(jìn)氣管路（此時處于排氣狀態(tài)）、主閥的排氣口來排放，在壓力降至足夠低前，馬達(dá)是不能實現(xiàn)剎車的。 為此，在梭閥前加裝了快排閥， 可保證解除剎車氣壓后，殘余氣體通過快排閥迅速釋放，從而保證了剎車機(jī)構(gòu)的靈敏性。 改進(jìn)后的系統(tǒng)，很好的滿足了起重裝置剎車靈敏性的要求。

（4）馬達(dá)長時間停用后，存在有的剎車打不開，造成馬達(dá)無法啟動的現(xiàn)象。 經(jīng)過多次現(xiàn)場分析，最終將問題鎖定在馬達(dá)剎車活塞的密封結(jié)構(gòu)上。 由于壓縮空氣中難免帶有微量的塵土及水汽， 停用后受到現(xiàn)場光照及溫度的影響，造成密封圈老化失去彈性，造成壓氣推不開活塞。 改進(jìn)后采用組合式密封結(jié)構(gòu)，成功的解決了馬達(dá)無法啟動的問題。

6 優(yōu)缺點及改進(jìn)的意見

氣動馬達(dá)作為動力輸出裝置，具有動力單一、體積小巧、安全可靠、輸出扭矩大、易實現(xiàn)無級調(diào)速、抗污染及水汽能力強(qiáng)、具備軟特性等優(yōu)點，適于負(fù)載變化劇烈、反復(fù)啟停、頻繁換向的工況，以及易燃、易爆、高溫、潮濕、粉塵等惡劣工作環(huán)境。 本公司研發(fā)的自帶剎車氣動馬達(dá)，集成了自動剎車保護(hù)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小巧、性能穩(wěn)定，不僅適于海洋石油鉆井平臺、油田鉆機(jī)等石油開采部門，作為防噴器吊移裝置動力源使用，也可廣泛應(yīng)用于化工、煤炭、基建等行業(yè)高危場合下作為提升裝置的動力源使用。

該馬達(dá)以壓縮空氣為動力，也必然具有氣動產(chǎn)品自身的一些缺點：噪聲高、振動大、動力線路與電動裝置相比難以布置等。 此外氣動馬達(dá)的軟特性也有不利的一面：動力輸出波動幅度較大。 反映在運行速度上，在低載荷工況下運行速度過快等情況，容易超出操作人員預(yù)判而引發(fā)不必要的危險等。 為進(jìn)一步提高產(chǎn)品的適用性、安全性，應(yīng)對其存在的缺陷進(jìn)行改進(jìn)。對于產(chǎn)品噪聲，除了應(yīng)選擇性能良好的配套元件外，還應(yīng)在產(chǎn)品主機(jī)設(shè)計階段應(yīng)予考慮。 對于振動、線路布置問題，應(yīng)增強(qiáng)相應(yīng)夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計，并采用重量輕、性能好的高新配套產(chǎn)品。 對于運行速度波動大的問題，除采取相應(yīng)的節(jié)流阻尼措施外， 還應(yīng)建立模擬實驗裝置，盡可能將問題消滅在出廠階段。

[1]機(jī)械設(shè)計手冊（上冊 第二分冊）（第二版）[K].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1987.12，1097、1219～1221.

[2]曹元彪.長氣管空氣流量的計算［J］.鑿巖機(jī)械氣動工具，1991(1)，25～26.

[3]www.China-airmotors.com/Article/jg/4474.html[EB].