石油鉆機盤式制動器的熱機耦合分析

鐘 陳，蔣寶軍，梁月平

（中國石油吐哈油田分公司油氣生產服務中心，新疆吐魯番 838299）

0 引言

為便于油氣安全開發，選用鉆井速度快、安全性高、經濟效益顯著的鉆機是非常必要的。在鉆機上設置有剎車系統以便于完成正常工況下的油氣開發，同時可以應對突發事故，設置制動裝置以避免出現危險的次生事故。石油鉆機在發展前期主要采用帶式剎車的方式，存在一定的弊端，諸如在正常工況下其振動沖擊較大，容易出現打滑，操作強度較大，而盤式制動器的出現既保留了原有制動方式性能可靠、結構簡單的優點，同時制動和散熱性能良好，制動力矩大且易于操作維修，在復雜的工作環境下也可以進行自動送鉆，因此進一步研究盤式制動器的機械性能，尤其對其熱機耦合分析，對提升石油工業的發展有一定的促進意義。

1 鉆機盤式制動器的研究動態

石油鉆機采用盤式制動方式可以顯著提升石油鉆機作業的效率。20 世紀80 年代，盤式制動剎車技術誕生于美國，中國石油大學（北京）在90 年代研究了盤式制動裝置在石油設備上的應用，并在油田投入試驗取得顯著效果，技術較為成熟[1]。

當前科技領域對鉆機盤式制動器的主要研究領域涵蓋盤式摩擦制動狀態下的應力場和溫度場的研究，通過數值法和有限元法求解瞬態條件下溫度場和應力狀態分布情況。國內學者研究了剎車盤的熱阻性、摩擦特性等與制動效果的關系和剎車片材料屬性對最大溫度的影響等。

熱機耦合理論分析涉及到熱力學、熱傳導、彈性力學等多學科的融合，探究熱應力、應變等物理參數與物體溫度之間的關系。鉆機液壓盤式制動器在進行制動工況分析時，涉及到復雜的應力場和溫度場問題，由此我國很多學者對其進行了探索研究[2-3]。

盤式制動器的熱機耦合研究最早可追溯用于汽車工業，采用的分析方法是數值法，學者們研究了制動盤上形成局部熱點的原因，同時結合不同的溫度條件探究了接觸摩擦面上的壓力分布和表面溫度分布情況[4-5]。本文選定ZJ70 液壓盤式剎車PSZ75型水冷盤式制動器，建立相應的三維模型，結合具體的實際尺寸，設置對應的制動工況，通過軟件建立三維熱機耦合模型，研究剎車盤溫度場和應力場的變化特性。

2 鉆機盤式制動器熱機耦合有限元模型

在鉆機絞車的配套部件中，液壓盤式制動器是關鍵一環，該設備主要是一種用于替代傳統帶式剎車且配套于地質石油探鉆機的剎車裝置。絞車制動的熱性能的主要影響因素就是盤式制動器運行的平穩性，以ZJ70 液壓盤式剎車PSZ75 型水冷盤式制動器實例為研究對象（圖1），基于熱力學原理建立熱機耦合模型，同時對瞬態溫度場和應力場進行仿真分析。

圖1 盤式制動器

盤式剎車制動系統主要包括滾筒、剎車盤、工作鉗、鉗架、過渡板等，組成了水冷式盤式結構。剎車系統涵蓋執行機構和控制機構，剎車盤、鉗架、常開、常閉的制動鉗組成了液壓盤式制動器的剎車執行機構。在受到外部的推力時，經由盤式制動器將其施加于剎車盤，在剎車塊與剎車盤之間產生相應的摩擦力，由此產生剎車力。控制單元部分包括液控單元和電控系統組成，剎車盤作為剎車系統的核心部件，與剎車塊共同構成剎車副。

本文選取水冷式剎車盤，相比于其他類型剎的車盤，其結構上額外增加了內部水冷通道以及進出水口。制動過程中，在內部水冷通道中通入冷卻循環水，這一步是經由內徑進水口完成的，循環水的作用是用于給產生摩擦熱流的盤表面進行降溫，水冷盤式制動裝置相比于煤礦挖掘所用的一些風冷盤式制動裝置，可以更好地增加石油鉆井深度，能承載更大強度的載荷。

鉆機液壓盤式制動器在進行制動時，用于防碰、過卷保護、駐車、緊急制動和連續制動等，緊急制動用于在石油鉆井開采發生緊急事故時使用，此種制動方式和過卷保護均通過安全鉗與工作鉗的配合實現剎車制動，由此建立水冷盤式制動器的熱機耦合分析模型。

（1）緊急制動和過卷保護。水冷式液壓盤式制動器進行緊急制動和過卷保護時，因為快速摩擦導致摩擦副在瞬間產生較大的熱量，剎車塊和剎車盤不會因為熱對流換熱和熱傳遞的方式降溫，反而會使其溫度快速升高。

（2）駐車制動。駐車制動工況時，屬于正常工況下的制動，安全鉗能夠充分使剎車盤和剎車塊的溫度下降，兩者可進行熱對流和熱傳導。

（3）連續制動。連續制動時，制動存在周期性，在相應的時間間隔內，剎車盤和剎車塊的溫度下降較快，同樣可以進行熱傳導和熱對流。

為了全面配合仿真模擬的條件限制，作出簡單假設：剎車塊和剎車盤的材料為各向同性，摩擦因數為定值；制動工況下，剎車塊背面承受壓力且受力均勻保持不變；摩擦副形成的平面是理想平面；材料之間的磨損忽略不計，假定摩擦副吸收了大部分的摩擦熱；外部初始環境條件相同，熱輻射根據換熱系數進行模擬（圖2）。

圖2 摩擦副的三維模型及網格劃分

本文選用的仿真軟件是ABAQUS，在建立的三維模型中保留了剎車塊和剎車盤，在兩者接觸區域將網格劃分的較為密集，其他部位劃分較為粗一些。參數設置和工況參數確定見表1、表2。本文僅對緊急制動狀態下的工況進行研究。

表1 摩擦副結構參數

表2 緊急制動工況參數

參數設置完成之后，查閱相關物理參數，分別在邊界條件上對剎車盤和剎車塊的熱物性參數（比熱容、導熱系數、熱膨脹系數等）進行設置，設置材料在不同溫度狀態下的熱物性參數值，同時設定自由度和熱邊界條件進行仿真。

3 鉆機盤式制動器熱機耦合分析

3.1 溫度場分析

仿真結果顯示，制動過程的前一段，剎車盤表面的溫度逐漸升高，在T=1 s 時溫度可達到峰值，最高溫度是240.5 ℃。分析溫度逐漸升高的原因，主要在于剎車塊與剎車盤剛開始接觸時短期內會產生大量摩擦熱，在短時內這些熱量不足以快速傳遞至其他部件位置，所以摩擦熱流輸入是表面溫度場分布的主要特征，剎車盤和剎車塊吸收了絕大多數的摩擦熱量。制動的后半段時間內，剎車盤的溫度分布逐漸趨向于軸對稱式分布，最高溫度逐漸降低，分析原因在于后期受制動的影響，轉速下降，摩擦產生的熱流也逐漸減小，熱流輸入對溫度場影響逐漸減弱，此時剎車塊與剎車盤之間的熱流傳低主導整個溫度場的分布。

觀察剎車盤表面的最高溫度分布情況，最高溫點出現在剎車塊與剎車盤接觸區域的摩擦環附近，最大值并非在摩擦環的中心線上，而在偏離中心線向外側的摩擦環上。分析原因是在實際情況下剎車塊不是軸對稱幾何圖形，接觸區域外部會輸入較多的熱流。緊急制動時，剎車盤表面的溫度先升高后降低。

3.2 應力場分析

水冷盤式制動器緊急制動時，分布在剎車盤表面的最大等效熱應力變化趨勢是先變大后減小，其中剎車塊與剎車盤接觸區域為等效熱應力值較高的位置，觀察內外徑的變化趨勢，外徑溫度高，所以溫差浮動大，故等效熱應力相對較大，而內徑上的等效熱應力分布情況相反。

在制動前期，剎車盤的表面出現最高等效熱應力，其變化趨勢是逐漸上升。后期隨著制動效應的提升，如在T=1 s 時，整個剎車盤表面均出現整體較高的等效熱應力，隨著時間的延長，等效熱應力數值逐漸下降，最終應力分布場趨向于軸對稱分布趨勢。分析原因在于隨著制動時間的延長，剎車盤上阻力越來越大進而轉速下降，呈現的摩擦熱流隨之減少，在T=2 s 時，雖制動工況結束，但剎車盤外表面仍有較高數值的等效熱應力，從側面反映出應力場也受溫度場的影響。

3.3 物理場影響因素參數優化

本文同時研究了剎車盤材料物理參數、材料屬性等方面對鉆機盤式制動器溫度場和應力場的影響，形成了相關實驗規律。對相關熱物性參數進行優化調整，得出：減小制動時的初速度和制動外部壓力，同時相應提高對流換熱系數與冷卻水流速，能夠在一定程度減弱剎車盤外表面的最大熱應力和最高溫度值，有效提升剎車盤工作的安全性能；在熱物性參數組合中，將比熱容和導熱系數增大，同時減小熱膨脹系數和彈性模量等，也能實現上述效果，在實際操作生產中，這兩種優化原理基本可行，能夠為后續研究盤式制動器散熱性提供借鑒。

4 結束語

結合石油鉆機盤式制動器的制動原理和工況模擬，建立盤式制動器的熱機耦合仿真模型，研究其溫度場和應力場的變化規律，同時對相關參數進行優化，在本研究后期還需要繼續探究不同參數對散熱溫度場和應力場的影響規律，實現多目標優化。