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

0 引言

傳統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要求，無法保障設備和人身安全，因此，在中小型修井機及鉆機設備上用盤式剎車系統替換帶式剎車系統已經成為一種發展趨勢［1］。

1 帶式剎車系統與盤式剎車系統優缺點對比

1.1 帶式剎車系統缺點

1）安全性能差。剎車力矩、剎車性能不穩定，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，易在修井作業或緊急狀態剎車時發生溜鉆和頓鉆事故，作業安全得不到保障。

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，難以實現快速精確控制。剎車結構上分為活端與死端，導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 盤式剎車系統的優點

液壓盤式剎車的剎車力矩容量大，制動效能穩定。剎車副動作慣性小，剎車力可調性好。剎車準確靈敏，操作輕便，調整維修方便。液壓系統結構簡單、緊湊，布局合理，性能可靠，使用安全，易遙控、易實現自動控制。

2 盤式剎車系統的選型

2.1 盤剎形式的確定

目前，國內外鉆修機和大型礦機的盤式剎車系統有兩種形式：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，摩擦因數穩定。

2）制動器結構形式。PS鉗盤式剎車采用兩種結構形式的制動器：安全制動器和壓力制動器，兩種制動器作業情況下不能同時作用。FPS浮動盤式采用一種結構形式的常閉式盤形制動器，控制系統簡單，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構形式的常閉式盤形制動器，制動作業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，液壓控制系統單一，動作迅速，盤閘控制精度高。

5）結構尺寸。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，制動器執行機構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，控制系統復雜，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，結構簡單，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游為游動系統的傳動效率，η游=0.96；K動為動載系數，修井作業取K動=1.3；Q游′為下放時游動系統載荷，Q游′=70%Q游，Q游為起升時游動系統的載荷，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，XJ60修井機的游動系統為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α=Fmax/F=1.634，所選用的特殊配料閘瓦的摩擦因數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。制動器數量預取n=6，安全系數a=nN1/Mmax=1.67。

計算結果：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α=1.634；制動器數量n=6，安全系數a=1.67；制動扭矩儲備系數γ=α×a=2.73。

2.2.2 液壓系統

1）液壓動力源（見圖2）。與載車的轉向系統功用一套液壓動力源，通過功能切換閥實現行車轉向和絞車制動工況的轉換。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溢流閥減壓。為使壓力穩定、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，實現換擋、離合油門、天車防碰等功能。

4 結語

本文對比分析了帶式剎車和盤式剎車的優缺點，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、結構、技術參數及其維護費用進行對比，確定需要安裝的盤式剎車的規格、型號及結構形式，并對其在XJ60修井機上的具體安裝進行相應計算。該分析和計算，為在小型作業機上用液壓盤式剎車替代帶式剎車提供了理論依據。

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