游梁式抽油機(jī)剎車保險(xiǎn)裝置的研究與應(yīng)用

段美言璽，劉繼剛

(1.新疆永升聚元石油機(jī)械有限公司，新疆 克拉瑪依 834000； 2.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引 言

當(dāng)前游梁式抽油機(jī)在國(guó)內(nèi)各大油田廣泛使用，抽油機(jī)減速器高速軸上的剎車裝置是其重要的制動(dòng)部件。剎車裝置的主要作用是根據(jù)工作需要將抽油機(jī)驢頭鎖定在需要?？康哪繕?biāo)位置，然后對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)或調(diào)整作業(yè)。

抽油機(jī)所處工作環(huán)境惡劣并且剎車裝置使用頻率高。由于剎車裝置本身的設(shè)計(jì)缺陷、工作環(huán)境和人為操作因素的影響，導(dǎo)致剎車經(jīng)常出現(xiàn)剎車行程不合適、剎車片磨損和老化、羊角軸銹死、拉桿斷裂等系列問(wèn)題[1-6]，從而造成剎車打滑和溜車現(xiàn)象，對(duì)抽油機(jī)的安全生產(chǎn)和員工的生命安全造成嚴(yán)重威脅。

1 剎車裝置工作原理與故障分析

1.1 剎車裝置工作原理

抽油機(jī)剎車裝置分為外抱式和內(nèi)張式兩種。外抱式剎車的工作原理是靠剎瓦與制動(dòng)輪之間的摩擦力制動(dòng)[7]，如圖1和圖2所示。內(nèi)張式剎車的工作原理與外抱式相同，靠制動(dòng)輪轂與制動(dòng)蹄片之間的摩擦力制動(dòng)[8]，如圖3所示。

圖1 外抱式剎車裝置結(jié)構(gòu) 1.調(diào)節(jié)螺母 2.對(duì)中板 3.彈簧 4.滑動(dòng)軸 5.操作桿 6.曲軸 7.傳動(dòng)桿 8.拉桿凸輪 9.制動(dòng)輪 10.剎瓦

1.2 剎車裝置故障分析

外抱式剎車在剎車制動(dòng)后剎瓦與制動(dòng)輪之間仍有相對(duì)滑動(dòng)的趨勢(shì)，使得停機(jī)瞬間依靠剎瓦對(duì)制動(dòng)輪產(chǎn)生的摩擦力實(shí)現(xiàn)的制動(dòng)系統(tǒng)平衡存在向失衡方向發(fā)展的趨勢(shì)，導(dǎo)致制動(dòng)失效致使抽油機(jī)曲柄旋轉(zhuǎn)[9-10]。內(nèi)張式剎車也采用機(jī)械摩擦式的制動(dòng)原理，長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)造成制動(dòng)蹄片磨損和老化，在此狀態(tài)下進(jìn)行剎車制動(dòng)，制動(dòng)蹄片與制動(dòng)輪轂之間也存在滑動(dòng)趨勢(shì)，致使剎車安全性大幅降低。

圖2 外抱式剎車裝置圖3 內(nèi)張式剎車裝置

無(wú)論外抱式還是內(nèi)張式剎車裝置，兩者都長(zhǎng)期處于磨損狀態(tài)，造成抽油機(jī)運(yùn)行能耗高，剎車壽命下降。通過(guò)調(diào)節(jié)，增加傳動(dòng)桿和滑動(dòng)軸的長(zhǎng)度雖然能將剎瓦完全打開，但在剎車制動(dòng)時(shí)卻不能有效地制動(dòng)，造成在最大操作范圍后制動(dòng)力仍不足，從而造成操作安全性低、可靠性差。抽油機(jī)原有的剎車保險(xiǎn)銷位于其減速箱與曲柄之間，不能實(shí)現(xiàn)減速器輸出軸任意轉(zhuǎn)動(dòng)角度下的鎖緊。而且操作人員需處在抽油機(jī)曲柄下操作保險(xiǎn)銷，存在安全隱患。

2 剎車保險(xiǎn)裝置研制與應(yīng)用

2.1 剎車保險(xiǎn)裝置工作原理

針對(duì)外抱式和內(nèi)張式兩種剎車裝置，分別設(shè)計(jì)了齒盤式剎車保險(xiǎn)裝置，其主要由操作機(jī)構(gòu)、護(hù)管、橫拉桿、變向支座、豎拉桿、齒盤、防意外鎖止彈簧、制動(dòng)板、制動(dòng)板軸、制動(dòng)軸座等組成，如圖4和圖5所示。

圖4 外抱式剎車保險(xiǎn)裝置示意圖 1.操作機(jī)構(gòu) 2.護(hù)管 3.橫拉桿 4.變向支座 5.豎拉桿 6.齒盤 7.制動(dòng)板 8.防意外鎖止彈簧 9.制動(dòng)板軸

齒盤式剎車保險(xiǎn)裝置的工作原理如下：抽油機(jī)停機(jī)剎車并使驢頭停在所需位置，轉(zhuǎn)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)手柄產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)護(hù)管中螺桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，使得旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為橫拉桿橫向運(yùn)動(dòng)，在變向支座運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換下豎拉桿產(chǎn)生豎直向下運(yùn)動(dòng)，使得與豎拉桿相連的制動(dòng)板產(chǎn)生豎直向下運(yùn)動(dòng)，隨即制動(dòng)板輪齒與固定在剎車上的齒盤輪齒相互嚙合，依靠制動(dòng)板與齒盤的嚙合卡死齒盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而阻止剎車輪及減速器輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，避免因抽油機(jī)剎車摩擦失效而造成的設(shè)備損壞和人員生命安全。

圖5 內(nèi)張式剎車保險(xiǎn)裝置示意圖 1.操作機(jī)構(gòu) 2.護(hù)管 3.橫拉桿 4.變向支座 5.豎拉桿 6.齒盤 7.防意外鎖止彈簧 8.制動(dòng)板 9.制動(dòng)板軸 10.制動(dòng)軸座

2.2 剎車保險(xiǎn)裝置設(shè)計(jì)與分析

抽油機(jī)剎車后齒盤式剎車保險(xiǎn)裝置的齒盤與制動(dòng)板嚙合，當(dāng)抽油機(jī)剎車具有溜車趨勢(shì)時(shí)，保險(xiǎn)裝置的齒盤承受的是由抽油機(jī)反向傳遞給減速器的靜扭矩。

保險(xiǎn)裝置的制動(dòng)板選用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)，硬度為260HBS。以油田廣泛應(yīng)用的12型抽油機(jī)為例，其懸點(diǎn)最大載荷Tn=12 kN·m，減速比約為i=30，傳遞給減速器輸入軸的反向扭矩：

外抱式齒盤的分度圓直徑Dw=300 mm，則傳遞給齒盤的力：

內(nèi)張式齒盤的分度圓直徑為Dn=436 mm，則傳遞給齒盤的力：

通過(guò)建立核心零部件制動(dòng)板的三維模型，使用有限元法，通過(guò)劃分網(wǎng)格、設(shè)定合理的邊界條件，得到制動(dòng)板應(yīng)力分布圖，如圖6和圖7所示。

圖6 外抱式剎車保險(xiǎn)制動(dòng)板應(yīng)力和變形

通過(guò)有限元分析，可得外抱式剎車保險(xiǎn)裝置制動(dòng)板的最大應(yīng)力為9.33 MPa；內(nèi)張式剎車保險(xiǎn)裝置制動(dòng)板的最大應(yīng)力為10.61 MPa，兩種剎車保險(xiǎn)裝置的制動(dòng)板滿足強(qiáng)度要求。

圖7 內(nèi)張式剎車保險(xiǎn)制動(dòng)板應(yīng)力和變形

2.3 剎車保險(xiǎn)裝置應(yīng)用

齒盤式剎車保險(xiǎn)裝置已在新疆部分油田投入使用，該裝置的應(yīng)用不僅節(jié)約了生產(chǎn)成本，更重要的作用是提高油田的安全成產(chǎn)。當(dāng)前各大油田擁有數(shù)量龐大的游梁式抽油機(jī)，而且大多數(shù)抽油機(jī)的剎車裝置老化磨損嚴(yán)重，不能滿足安全生產(chǎn)的要求，齒盤式剎車保險(xiǎn)一旦投入使用，將極大的提高抽油機(jī)剎車裝置的操作安全，降低日常生產(chǎn)和維修保養(yǎng)中的安全風(fēng)險(xiǎn)。該剎車保險(xiǎn)裝置的推廣應(yīng)用具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

3 結(jié) 論

游梁式抽油機(jī)剎車保險(xiǎn)裝置能有效避免因抽油機(jī)剎車裝置失效導(dǎo)致的打滑和溜車現(xiàn)象，消除剎車故障給操作人員和設(shè)備造成的安全隱患，剎車保險(xiǎn)裝置操作簡(jiǎn)單，可靠性良好，能有效降低抽油機(jī)作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)，具有良好的應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。