修井機用盤式剎車系統的開發與設計

胡傳富 （湖北江漢建筑工程機械有限公司，湖北 荊州434024）

隨著石油開采事業的飛速發展，在修井過程中鉤載越來越大，而且油井鉆進越來越深，對于普通帶式剎車系統，其剎車力明顯不足，難以勝任緊急狀態下和超深井作業的需要。為解決帶式剎車存在的問題，筆者設計了一種將液壓能轉換成機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上，動力取自修井機本身的柴油發動機，采用2套獨立的液壓泵供油，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的創新組合。該裝置由2個裝在滾筒軸端的剎車盤 （用來代替2個帶式剎車輪轂）、支架及支架上的2組工作鉗制動組和2組安全鉗制動組、1套液壓站及工作鉗、安全鉗手動剎車閥組成。

1 系統設計

1．1 盤式剎車系統設計準則

①結構合理，制動可靠，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荷；③操作方便，能極大地降低勞動強度；④系統出故障時，應具有失效保護功能；⑤易維修。

1．2 工作原理

盤式剎車工作系統由液壓動力系統和應急系統2個子系統組成。盤式剎車正常工作時由液壓動力系統操縱，應急子系統由氣控作為先導控制源，在液泵失靈或游動系統失控等事故情況下操縱剎車系統工作。

1．3 盤式剎車系統結構方案

盤式剎車裝置主要由制動執行機構 （執行機構又包括鉗架、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、操作組件、動力取力裝置等部件構成。各部分之間用液壓管線連接，其總體結構如圖1所示。

圖1 剎車裝置總體結構

1）盤式剎車制動執行機構設計 制動執行機構主要包括工作鉗、安全鉗、剎車盤和鉗架4部分。可根據需要進行組合，以滿足各種修井機對剎車力矩的要求。其結構如圖2所示。

2）液壓控制系統設計 液壓控制系統安裝在發動機與角傳動箱之間，包括液壓站支架、油箱、附件、管線等。

3）盤式剎車操縱機構設計 通過操縱制動手柄或按鈕可實現緊急工作制動、駐車制動及緊急制動等剎車功能。操縱機構包括工作制動剎車閥組件、駐車制動閥組件、控制閥塊組件、3塊壓力表和緊急制動閥等組成 （見圖3）。

4）動力取力裝置設計 利用車載轉向油泵以及通過發動機變扭器取力是本設計中主、備用油泵的動力來源。雙驅取力器具有主、副軸輸出，主軸聯接修井機主油泵，副軸聯接液壓盤剎油泵；副軸可實現兩端輸出，以適應安裝空間和匹配轉向選擇。

圖2 制動執行機構

1．4 3種制動方式

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

圖3 盤式剎車系統工作原理圖

2）駐車制動 駐車制動用于在正常鉆井作業中，懸持負載，當司鉆任何時候離開司鉆位置，應使用駐車制動。駐車制動只有安全鉗參與制動。拉動駐車制動手柄至 “剎”位，實現駐車制動。轉換到工作制動時，必須先解除駐車制動，即先拉動工作制動手柄，用工作鉗剎住載荷，再推動駐車制動手柄至“松”位；然后進行工作制動。

3）緊急制動 主要用于緊急制動場合。按下緊急制動按鈕，實現緊急制動。轉換到工作制動時，必須先解除緊急制動，即先拉動工作制動手柄以剎住載荷，再拔出緊急制動按鈕；然后進行工作制動。緊急制動時，工作鉗、安全鉗全部參與制動。

2 鉗架受力分析

盤式剎車的工作鉗與安全鉗均是通過調節鉗缸內油壓的大小對剎車力進行調節的。工作鉗依靠液壓力制動，彈簧力松閘，不供油時處于松閘狀態。安全鉗依靠彈簧力制動，液壓力松閘，不供油時處于制動狀態。無論是工作鉗還是安全鉗，均有完全制動和松閘狀態。制動時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。完全松閘時剎車塊與剎車盤之間存在間隙δ。為方便分析起見，假設2種鉗的制動力相同，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。

工作鉗與安全鉗油缸內所需的最大及最小油壓差不多，即它們對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位，而安全鉗彈簧卻要起到提供最大制動力的作用，因此工作鉗的最大彈簧力和最小彈簧力都遠遠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力與鉗缸內的油壓成正比，如果將油壓作為反饋信號引入到司鉆閥上，容易建立起反饋力與制動力之間的正比關系。而安全鉗所提供的制動力與鉗缸內的油壓成反比，即油壓小，制動力大；油壓大，制動力小。若直接將油壓反饋到司鉆閥手柄上，則反饋力與制動力成反比，對于安全鉗，不易直接將油壓作為反饋信號引到司鉆閥上。因此鉆機盤式剎車應選用工作鉗作為工作制動鉗。

3 現場試驗

XJ650修井機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，并在其專用試驗場對該裝置進行了充分的可靠性試驗，其試驗條件及結果如表1和表2。

表1 試驗條件參數

表2 盤式剎車結論參數

通過以上試驗驗數據可得出以下結論：①使用3組常開鉗剎車時，可制動大鉤負荷達180t，大于修井機最大鉤載150t；②使用一組常閉鉗剎車時，可制動大鉤負荷達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，設計合理，能滿足XJ650修井機的剎車要求。

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