钻机液压盘式刹车制动分析

钻机液压盘式刹车制动分析
制动系统是钻机的重要组成部分，是保障钻井作业正常进行的关键，其性能直接影响钻井工程的质量与效益。

从完成钻井作业角度讲，带式刹车由于受制动原理与结构的限制，制动能力和总体性能难以全面满足钻井工艺的要求。

而盘式刹车由于其自身技术的特点，根据工艺需要配置制动系统以提高其总体性能的可能性要大得多。

因此，盘式刹车制动系统的性能就成为体现对盘式刹车技术认识与设计水平的重要方面。

1 液压盘式刹车制动系统的特点与分析
钻井作业要求制动系统工作可靠且具有良好的工艺特性。

可靠性首先表现在紧急情况时，刹车装置可在人为干预下快速作出反应，并提供足够的制动力矩；其次，系统可不在人为干预下实施应急自动刹车。

制动系统工艺特性是最大限度地满足送钻、起下管柱制动要求的性能以及满足正常情况下短时或长时停车制动要求的性能。

刹车钳是制动的执行元件，其性能直接影响整个系统的工作.
开式钳的制动力随油压的上升而增加，更符合带式刹车的操作习惯，油压调节特性更适合送钻和起下管柱等常规作业的要求。

因此，应选择开式钳作为完成常规作业制动的执行机构，以保证制动性能。

而意外情况下的紧急制动则主要应由闭式钳承担。

这是因为泄压制动快速，制动力来自碟簧的机械力，在无电力的条件下仍可制动。

因此，钻机盘式刹车的刹车钳应该由开式和闭式两种钳型组成。

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１钻机液压盘式刹车制动系统
图1是根据上述原则与要求设计的钻机盘式刹车制动系统原理图。

图1ZJ50钻机盘式刹车制动系统原理图
1—闭式钳；2—紧急阀；3—驻车阀；4—开式钳；5—司钻阀；6—防碰解除阀
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２液压盘式刹车制动受力分析
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1 钻机盘式刹车的常开钳与常闭钳均是通过调节钳缸内油压的大小对制动力进行调节的。

常开钳依靠液压力制动，弹簧力松闸，不充油时处于松闸状态。

常闭钳依靠弹簧力制动，液压力松闸，不充油时处于制动状态。

无论是常开钳还是常闭钳，均有完全松闸和制动状态。

完全松闸时刹车块与刹车盘之间存在间隙Δ。

制动时刹车块与刹车盘之间的间隙为0,弹簧不再变形，弹簧力为定值。

为方便分析，假设两种钳的制动力(最大正压力Nmax)相同，间隙Δ相同，刹车块与刹车盘的接触面积A相同，所用弹簧相同。

弹簧力F是弹簧变形量f的函数，用F(f)表示。

图2是常开钳工作状态简图。

图中，f1是刹车钳完全松闸时弹簧的变形量，此变形量是弹簧的最小变形量。

f2是刹车钳制动时弹簧的变形量，此变形量是弹簧的最大变形量。

常开钳制动时，活塞杆力平衡方程为
pA=F(f2)+N(1)
由于F(f2)是一定值，故正压力N随油压的升高而增大。

当正压力N达到最大值N max 时，油压也达到最大值p max，可表示为
p max=(F(f2)+Nmax)/A(2)
常开钳中弹簧的作用是克服摩擦力使活塞复位，故常开钳弹簧的弹簧力F(f2)不会很大。

可认为p max稍大于N max／A。

图２是常开钳工作状态简图
1—活塞；2—刹车块；3—活塞杆；4—刹车盘
常开钳松闸时，活塞杆力平衡方程式为
p1A=F(f1)(3)
由于f1＜f2，F(f1)＜F(f2)，故F(f1)很小，油压p1也很小。

图３是常闭钳工作状态简图。

图中，f ′1是刹车钳制动时弹簧的变形量，此变形量是弹簧的最小变形量；f ′2是刹车钳完全松闸时弹簧的变形量，此变形量是弹簧的最大变形量。

图2常闭钳工作状态简图
f ′1与f ′2存在以下关系
f ′2=f ′1+Δ(4)
常闭钳制动时，活塞杆的力平衡方程式为
F(f ′1)=pA+N(5)
F(f ′1)为一定值，故正压力N随油压的降低而增大。

当油压p=0时，正压力N达最大值Nmax=F(f ′1)，即常闭钳的最大制动力取决于弹簧的最小弹簧力。

因此，常闭钳弹簧的最小弹簧力很大。

常闭钳松闸时，活塞杆的力平衡方程式为
pmaxA=F(f ′2)≈Nmax=F(f ′1)(6)
式中，F(f ′2)是常闭钳松闸状态时的弹簧力。

由于Δ很小，可认为F(f ′2)稍大于F(f ′1)。

因此，常闭钳钳缸内的最大油压也稍大于Nmax/A。

也就是说两种钳缸的最大油压值相当。

从上述分析可知，常开钳与常闭钳钳缸内所需的最大及最小油压差不多，即它们对油压的要求基本相同。

但由于常开钳弹簧的作用是克服摩擦力使活塞复位，而常闭钳弹簧却要起到提供最大制动力的作用，因此常开钳的最大弹簧力和最小弹簧力都远远小于常闭钳的最大弹簧力和最小弹簧力。

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2 制动力的反馈
司钻熟悉的操作手感是反馈力大，制动力大；反馈力小，则制动力小。

由于盘式刹车刹车钳的制动力由油压调节，油压的大小可以反映制动力的大小，故可将油压作为反馈信号引到司钻阀手柄上。

从国外盘式刹车的资料来看，国外的司钻阀正是利用液压反馈使司钻阀具有操作手感的。

常开钳所提供的制动力与钳缸内的油压成正比，如果将油压作为反馈信号引入到司钻阀上，容易建立起反馈力与制动力之间的正比关系。

而常闭钳所提供的制动力与钳缸内的油压成反比，即油压大，制动力小；油压小，制动力大。

若直接将油压反馈到司钻阀手柄上，则反馈力与制动力成反比。

因此，对于常闭钳，不易直接将油压作为反馈信号引到司钻阀上。

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3 钳缸工作压力对比
为保证工作制动钳制动可靠，在设计工作制动钳时，一般应使其所能提供的制动力矩M max(刹车机构的制动能力)大于所需的最大制动力矩M0。

以国外石油钻机盘式刹车系统为例，其工作制动钳所能提供的制动力矩为其钻井作业中所需最大制动力矩的两倍，即Mmax ＝2M0。

因此，在钻井作业中，工作制动钳的实际制动力矩M＜Mmax／2。

由于常开钳与常闭钳钳缸内的最大油压值相当，可近似认为它们的最大油压都为pmax。

由于常开钳所提供的制动力矩M与所需油压p成正比，且M＜Mmax／2，这就意味着工作制动钳钳缸内的压力p＜pmax／2，p较低，因此常开钳作为工作制动钳时，一般在低压下工作。

常闭钳正好与常开钳相反。

常闭钳所提供的制动力矩M与所需的油压p成反比，M＜Mmax／2，这就意味着工作制动钳钳缸内的压力p较高，即pmax／2＜p＜pmax，因此常闭钳作为工作制动钳时，一般在高压下工作。

如果刹车机构的最大制动力矩等于所需制动力矩，即Mmax=M0，由于钻机大钩平均载荷为最大起重量的40％左右，由大钩载荷与制动力的关系可知，平均制动力矩为最大制动力矩的40％左右。

也就是说，工作制动钳提供小制动力矩的情况比提供大制动力矩的情况多。

因此，常开钳作为工作制动钳，在低压下工作比在高压下工作的时间多，而当常闭钳作为工作制动钳时，在高压下工作比在低压下工作的时间多。

此外，刹车钳工作时，钳缸内的活塞和钳缸之间将产生相对运动。

显然常开钳在油压较低的情况下产生相对运动，常闭钳则在油压较高的情况下产生相对运动。

可见，二者的动密封条件是不同的。

因此钻机盘式刹车应选用常开钳作为工作制动钳。

2. 组合式制动系统
送钻和起下管柱作业要求制动系统在较小制动力的范围内实现制动力的快速响应和微小调节。

出现紧急情况时，又要求制动系统能提供足够大的制动力。

这两种功能与性能，很难由一种单一的系统来实现。

因此可由并行的、功能不同的几套子系统组成的组合式系统来完成。

子系统既各司其职，又协同工作，形成功能与性能的互补。

这种子系统的互补特性，对钻机刹车机构十分重要。

钻机盘式刹车制动系统必须配置的子系统有工作制动子系统、紧急制动子系统和驻车制动子系统。

工作制动子系统承担常规作业的制动任务，需具有良好的工艺特性；紧急制动子系统则担任紧急情况下的制动，足够的制动力矩和快速制动是其性能的主要特点；驻车制动子系统在正常情况下提供短时或长时制动。

迄今为止，国内钻机盘式刹车有两种制动系统。

一种是仅设置闭式钳，全部制动任务均由其承担，这种系统的不足之处是工艺性和可靠性较差；另一种是同时设置开式钳与闭式钳，送钻和起下管柱等工艺操作由开式钳承担，紧急情况下的制动则由闭式钳承担。

显然,这种系统提高了紧急制动的可靠性，也改善了系统的工艺性。

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综上所述，钻机制动系统的性能直接影响钻井工程的安全质量与效益。

盘式刹车由于自身的特点，可灵活设计其制动系统，以更好地满足钻井工艺的需要，这是盘式刹车技术的重要优点之一。

充分认识这一点，认真配置其制动系统，并在实践中不断改进，是提高钻机盘式刹车技术水平的重要保障。