X J 6 0修井機帶式剎車改造為液壓盤式剎車可行性分析

王鴻彬， 孫娟

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司 油田生產(chǎn)事業(yè)部鉆修井作業(yè)公司PL193A，天津300450；2.中石化河南石油勘探局 雙河社區(qū)，河南南陽473132）

0 引言

傳統(tǒng)的機械式帶式剎車因其自身存在的缺陷和不足難以滿足鉆井作業(yè)要求，無法保障設(shè)備和人身安全，因此，在中小型修井機及鉆機設(shè)備上用盤式剎車系統(tǒng)替換帶式剎車系統(tǒng)已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢［1］。

1 帶式剎車系統(tǒng)與盤式剎車系統(tǒng)優(yōu)缺點對比

1.1 帶式剎車系統(tǒng)缺點

1）安全性能差。剎車力矩、剎車性能不穩(wěn)定，剎把容易反彈傷人，不能保障人身安全。操作費力，剎車不靈敏，耐熱衰退性能低，易在修井作業(yè)或緊急狀態(tài)剎車時發(fā)生溜鉆和頓鉆事故，作業(yè)安全得不到保障。

2）使用性能差。剎帶易變形，松剎慢，易造成大鉤下放困難，操作不靈敏，難以實現(xiàn)快速精確控制。剎車結(jié)構(gòu)上分為活端與死端，導(dǎo)致摩擦塊磨損不均勻，而剎車包角大，剎車轂散熱慢，剎車轂溫度可達700～900℃，剎車塊高溫失效快，剎車轂高溫退火、龜裂，使用壽命低。

1.2 盤式剎車系統(tǒng)的優(yōu)點

液壓盤式剎車的剎車力矩容量大，制動效能穩(wěn)定。剎車副動作慣性小，剎車力可調(diào)性好。剎車準確靈敏，操作輕便，調(diào)整維修方便。液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，布局合理，性能可靠，使用安全，易遙控、易實現(xiàn)自動控制。

2 盤式剎車系統(tǒng)的選型

2.1 盤剎形式的確定

目前，國內(nèi)外鉆修機和大型礦機的盤式剎車系統(tǒng)有兩種形式：PS鉗盤式和FPS浮動盤式（見圖1）。

PS鉗盤式和FPS浮動盤式的比較：

圖1 盤式剎車裝置

1）制動盤表面污染，摩擦因數(shù)降低情況。PS鉗盤式制動器外置，制動器泄漏的壓力油能夠進入制動盤表面，造成閘瓦和制動盤的摩擦因數(shù)降低，制動力矩減小。FPS浮動盤式采用后置式單邊盤型制動器，制動器泄漏的壓力油不能夠進入制動盤表面，摩擦因數(shù)穩(wěn)定。

2）制動器結(jié)構(gòu)形式。PS鉗盤式剎車采用兩種結(jié)構(gòu)形式的制動器：安全制動器和壓力制動器，兩種制動器作業(yè)情況下不能同時作用。FPS浮動盤式采用一種結(jié)構(gòu)形式的常閉式盤形制動器，控制系統(tǒng)簡單，安全性、可靠性增強。

3）比壓。比壓是指制動器作用在閘瓦單位面積上的壓力，比壓的大小決定了閘瓦和制動盤的磨損程度，比壓越大，磨損越快。受絞車空間和散熱面積的制約，閘瓦的作用面積一定。PS鉗盤式剎車在正常制動作業(yè)的情況下，安全制動器不作用，閘瓦的作用面積減小，比壓增大。FPS浮動盤式采用單一結(jié)構(gòu)形式的常閉式盤形制動器，制動作業(yè)時所有的制動器都動作，閘瓦的作用面積恒定，比壓相對PS鉗盤式剎車小。

4）控制精度。PS鉗盤式剎車采用鉸軸連接，構(gòu)件間的間隙和剛性影響了動作的準確性，特別是磨損后影響較大。FPS浮動盤式制動器采用無鉸軸連接，剛性高，動作準確，液壓控制系統(tǒng)單一，動作迅速，盤閘控制精度高。

5）結(jié)構(gòu)尺寸。PS鉗盤式剎車采用左右兩邊制動閘瓦，軸向尺寸大，改造安裝后載車超寬，只適用于大型鉆機。FPS浮動盤式采用單邊盤型制動器，擋繩板與閘盤之間的距離最小，制動器執(zhí)行機構(gòu)所占用的空間位置也最小，改造后載車不超寬。

6）改造費用。兩種形式的盤式剎車的改造費用基本相當。

7）使用維護費用。PS鉗盤式剎車的比壓高，閘瓦磨損快，更換頻率大，控制系統(tǒng)復(fù)雜，所需備件多，使用維護費用高。FPS浮動盤式剎車比壓低，閘瓦磨損慢，更換頻率低，采用單一的常閉式液壓控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，所需備件少，使用維護費用低。

綜上所述，在XJ60車載修井機上采用FPS浮動盤式剎車優(yōu)于PS鉗盤式剎車。

2.2 F P S浮動盤式剎車型號的確定及液壓源的選配

2.2.1 制動器參數(shù)確定：

1）最大制動扭矩的確定：

Mmax=η絞η游K動Q游′D/（2Z）。

式中：η絞為絞車的機械傳動效率，η絞=0.9；η游為游動系統(tǒng)的傳動效率，η游=0.96；K動為動載系數(shù)，修井作業(yè)取K動=1.3；Q游′為下放時游動系統(tǒng)載荷，Q游′=70%Q游，Q游為起升時游動系統(tǒng)的載荷，XJ60修井機Q游=900 kN，則Q游′=70%Q游=900×70%=630 kN；D 為滾筒直徑，有 LeBus繩槽板時，D=D滾+D繩=φ429+φ26=φ455；Z 為有效繩數(shù)，XJ60修井機的游動系統(tǒng)為4×3，則Z=6。

Mmax=η絞η游K動Q游′D/（2Z）=0.9×0.96×1.3×630×

0.455 /（2×6）=26.83 kN·m。

2）制動器閘瓦、數(shù)量、閘瓦作用半徑的確定。

Fmax為單邊最大制動正壓力，考慮安裝尺寸的限制，采用120/60/6的對合組合碟形彈簧，則Fmax=50 kN。

閘瓦工作比壓和摩擦面積的確定：所選用的特殊配料閘瓦，許用比壓［p］=1.5 MPa，則閘瓦工作面積A=Fmax/［p］=50 kN/1.5 MPa=33 333 mm2。選用 A=215×190=40 850 mm2閘瓦，則 pmax=50 kN÷40 850 mm2=1.224 MPa。令 p=［p］/2=0.75 MPa，則 F=p×A=0.75 MPa×40 850 mm2=30.6 kN。

制動器制動正壓力儲備系數(shù)α=Fmax/F=1.634，所選用的特殊配料閘瓦的摩擦因數(shù)μ=0.35，制動器單邊制動力f′=Fμ=30.6×0.35=10.71 kN，一個制動器的制動力 f單=2f′=21.42 kN，閘瓦作用在制動盤的中線半徑R=350 mm，一個制動器的制動扭矩N1=21.42 kN×350 mm=7.479 kN·m。制動器數(shù)量預(yù)取n=6，安全系數(shù)a=nN1/Mmax=1.67。

計算結(jié)果：閘瓦作用在制動盤的中線半徑R=350 mm；閘瓦A=215×190；制動器單邊制動正壓力F=30.6 kN；制動器制動正壓力儲備系數(shù)α=1.634；制動器數(shù)量n=6，安全系數(shù)a=1.67；制動扭矩儲備系數(shù)γ=α×a=2.73。

2.2.2 液壓系統(tǒng)

1）液壓動力源（見圖2）。與載車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)功用一套液壓動力源，通過功能切換閥實現(xiàn)行車轉(zhuǎn)向和絞車制動工況的轉(zhuǎn)換。由于絞車制動工況需要的壓力低（額定工作壓力P=6 MPa），通過功能切換閥切換到絞車制動工況后經(jīng)溢流閥減壓。為使壓力穩(wěn)定、消除擾波、液壓泵停止工作后仍能使游車大鉤安全降落，在動力源上設(shè)置一套蓄能裝置。

2）閥組。閥組包括止回閥、比例溢流閥、手動換向閥等，實現(xiàn)工作制動、快速松剎和閉剎、緊急制動、過卷保護等修井機要求的功能。

3 盤式剎車系統(tǒng)在XJ60修井機上的安裝

1）制動盤的安裝。將原主滾筒的剎車轂去掉，裝上特制的制動盤即可。

2）制動器的安裝。加固車架大梁，焊接制動器支架下過渡底板，新制符合安裝制動器支架的絞車機架，分別將制動器支架的上下端固定。

3）安裝液壓動力源、操縱控制臺。將液壓動力源、操縱控制臺安裝于設(shè)計的位置。連接高壓軟管、快速接頭、管架、液壓硬管等。

4）連接氣路管線。利用原有氣路閥件，連接氣路管線，實現(xiàn)換擋、離合油門、天車防碰等功能。

4 結(jié)語

本文對比分析了帶式剎車和盤式剎車的優(yōu)缺點，闡述了帶式剎車改造為盤式剎車的可行性；對盤式剎車裝置的分類、結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)及其維護費用進行對比，確定需要安裝的盤式剎車的規(guī)格、型號及結(jié)構(gòu)形式，并對其在XJ60修井機上的具體安裝進行相應(yīng)計算。該分析和計算，為在小型作業(yè)機上用液壓盤式剎車替代帶式剎車提供了理論依據(jù)。

［1］ 高向前，馬青芳.石油鉆機盤式剎車技術(shù)的新發(fā)展［J］.石油礦場機械，2006，35（3）：92-94.