钻井绞车盘式刹车液压系统研究_朱小平

钻井绞车盘式刹车液压系统研究
Hydraulic System of the Disk Brake in Drilling Drawworks
朱小平1)　高纪念1)　张铜均金2)
1)西安石油学院机械系,710065;2)中原石油勘探局机仪所.第一作者:男,1953年生,副教授
摘　要　根据钻井绞车盘式刹车的结构原理和钻井作业对其液压系统的要求,提出一种新的钻井绞车盘式刹车液压系统方案,分析了其工作原理及特点.在液压系统中以先导减压阀为主阀,分别采用刹把和比例溢流阀进行调节,控制刹车力矩的变化,既保留了手动操作灵活方便的特点,又可实现自动送钻;油路采用压力控制和方向控制两种方式并联,油源采用二级赘余配置,系统可靠性高;利用气控换向阀控制紧急制动油缸,对钻井作业中可能出现的辅助刹车失效、溜钻、游车与天车相碰三种意外紧急情况提出了可行的处理措施,进一步保证了钻井作业的安全.分析表明,这套液压系统适用于钻井绞车盘式刹车的控制,具有一定的实用价值.
主题词　钻井设备,绞车刹车,液压系统,研究
中图资料分类法分类号　TE823
盘式刹车由于具有制动力矩可调性好、操作惯性小、动作灵敏、易实现自动控制、使用维护方便等优点[1],在钻井绞车制动系统中具有广阔的应用前景[2].盘式刹车主要采用液压系统进行操作和控制,其液压系统性能好坏直接影响到盘式刹车的工作性能.本文在研究盘式刹车结构的基础上,结合钻井作业的特点,提出一种新的钻井绞车盘式刹车液压系统,并对其工作原理和特点进行分析.
1　盘式刹车对液压系统的要求
典型的绞车盘式刹车结构如图 1.主要由刹车盘、刹车钳架、刹车钳、液压油缸等组成[3].刹车钳为一钳式杠杆机构,一端与液压缸活塞杆相连,另一端为嵌装摩擦片的刹瓦.液压油使油缸活塞杆伸出,推动杠杆使刹瓦压紧在刹车盘上,刹车盘与滚筒为一体,刹瓦与刹车盘间的摩擦力产生制动力矩,实现滚筒轴的制动.活塞杆收回时,刹瓦离开刹车盘,制动力矩消失,滚筒可自由转动.根据盘式刹车功能和钻井作业的特殊性,其液压系统应满足以下要求:
(1)具有足够的液压力和制动力矩,保证在以最大钻具重量下钻的条件下,可靠地制动滚筒;
(2)反应灵敏,刹瓦能迅速地压紧松开刹车盘;
(3)操作方便满足起下钻作业和送钻操作的要求(符合钻井操作的习惯);
(4)控制可靠,决不能因液压系统的故障造成井下事故;
(5)能在出现意外情况时紧急制动滚筒
.
图1　盘式刹车结构示意图
1-刹车钳;2-滚筒;3-刹车钳架;4-刹车盘;5-油缸
2　盘式刹车液压系统工作原理
2.1　盘式刹车液压系统的组成
根据盘式刹车主要功能和对液压系统的要求,拟定液压系统方案如图2所示.该液压系统由执行、控制和油源三大部分组成.
52西安石油学院学报·1999年11月·第14卷·第6期(J.of Xi’an Petr.Inst.Nov.1999Vol.14No.6)
图2　钻机绞车盘式刹车液压系统
(1)执行部分:主要由四个刹车钳动力油缸(1-1)和四个紧急制动钳动力油缸(1-2)组成.刹车钳完成正常作业的刹车操作,其动力油缸采用双活塞杆双向弹簧复位油缸,在液压力作用下,活塞杆伸出,使刹车钳夹紧刹车盘,制动滚筒;泄压后弹簧复位,刹车钳松开.紧急制动钳在发生意外情况时紧急制动绞车,采用双活塞杆双向动力油缸驱动.没有油压作用时,油缸活塞杆在弹簧作用下伸出,制动滚筒;油压作用下复位,刹车钳松开.
(2)控制部分:包括液压操作控制台(2-1)、气控操作台(2-3)、比例溢流阀(2-2)、先导控制阀(2-4)和先导控制油源(2-5).
(3)油源部分:主要有电机泵组(3-1)、气马达泵组(3-2)和油箱、冷却装置等.
2.2　盘式刹车液压系统的工作原理
根据主要功能,可将液压系统分成刹车钳控制回路和紧急制动钳控制回路两部分.
(1)刹车钳控制回路　由压力控制回路和换向回路组成.压力控制回路的主阀为先导减压阀(2-1-2),当换向阀(2-1-1)和(2-1-3)使先导减压阀(2-1-2)与油源和油缸(1-1)接通时,司钻可借助刹把调节减压阀(2-1-2),控制刹车钳动力油缸的供油压力,改变刹瓦与刹车盘间的摩擦力,实现起下钻作业和手动送钻作业.
(2)紧急制动钳控制回路　由换向回路和保压回路组成.紧急制动钳动力油缸的进油和排油用气控主换向阀(2-1-5)控制,正常情况下,阀(2-1 -5)总是使紧急制动钳动力油缸处于进油状态,压缩弹簧,活塞杆收回,紧急制动钳处于松开状态.一旦出现紧急情况,阀(2-1-5)换向,油缸回油泄压,活塞杆在弹簧作用下迅速伸出,使紧急制动钳夹紧刹车盘,制动滚筒.保压主要是用蓄能器实现的.
3　盘式刹车液压系统的主要特点
本文提出的盘式刹车液压系统主要有以下特点:
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朱小平等:钻井绞车盘式刹车液压系统研究
(1)刹车钳控制由压力控制和方向控制并联组成,一旦减压阀(2-1-2)出现故障,可用换向阀(2-1-1)的左位通道,使减压阀(2-1-2)短路,用先导控制阀(2-4)手动控制换向阀(2-1-3)实现起钻作业,将钻具起到套管内或其它安全井段,确保不因液压系统故障造成井下事故.用先导阀(2-4)手动控制换向阀(2-1-3),操作灵活、方便、可靠.
(2)油源采用两台泵并联布置,一台运转,一台备用.一旦运转的泵出现故障,备用泵立即起动,保证系统供油不受影响.两台泵分别采用不同的驱动方式,一台采用电机驱动,一台采用气马达驱动.若电路出现故障,可用气马达驱动备用油泵,向系统供油,进一步提高了系统的可靠性.
(3)通过刹把调节减压阀,控制刹车力矩的大小,符合钻井操作的习惯且操作方便省力;
(4)采用比例溢流阀控制先导减压阀实现自动送钻.在正常钻进时,可通过二位二通换向阀(2-1 -4)使比例溢流阀(2-2)与先导减压阀(2-1-2)的先导口接通,用比例阀控制,实现自动送钻.比例阀可于计算机一起构成闭环控制回路,以满足钻井的要求.由于采用比例溢流阀控制先导减压阀,所需比例溢流阀的流量要求不高,容易保证其的性能,可靠性高.
(5)本系统考虑到钻井作业的复杂性,对三种在钻井作业过程中可能出现的紧急情况提出了相应的处理措施.
第一种情况是当游车起升过高,有可能与天车相撞时,防碰天车装置发出控制信号,使阀(2-3-4)接通,在气压作用下,阀(2-1-5)换向,油缸(1 -2)泄压回油,紧急制动滚筒.为保证油缸(1-2)中的压力油迅速放出,阀(2-1-5)的回油口直接通油箱,减少回油阻力,以便及时使滚筒停止旋转.
第二种情况是考虑下钻过程中辅助刹车突然失效.目前钻井绞车广泛采用电磁涡流刹车作为辅助刹车.由于电磁涡流刹车在较大的转速范围内制动扭矩不变,司钻在操作时过分信赖电磁涡流刹车的制动能力,一旦失效,司钻来不及采取刹车措施,造成重大事故.这种情况在钻井现场时有发生.本系统将辅助刹车失效作为气控制信号引入,在下钻时利用换向阀(2-3-2)将辅助刹车失效信号气路与换向阀(2-3-3)的控制气路接通.当辅助刹车失效时,其失效信号通过阀(2-3-2)到达阀(2-3 -3)的控制口,阀(2-3-3)换向让气源提供的高压气体进入主换向阀(2-1-5)的控制口,紧急制动绞车,避免发生严重事故.
第三种情况为溜钻事故.在正常钻进时,如果刹车钳及其控制油路出现故障,可能引起溜钻,造成重大事故.为了避免溜钻事故的发生,本系统将溜钻信号作为气控信号引入.在钻进时,可利用换向阀(2-3-2)使溜钻信号的气路与换向阀(2-3-3)的控制气路接通.一旦出现溜钻现象,气控信号通过阀(2 -3-2)到达阀(2-3-3)的控制口,使阀(2-3 -3)接通气路,控制主换向阀(2-1-5)换向,及时刹住绞车滚筒,避免溜钻事故进一步恶化.
紧急制动钳控制回路的主换向阀采用气控阀,是考虑到钻机在正常工作时,气源总是有足够的压力,可保证紧急制动滚筒,有利于提高钻井作业的安全.
4　结束语
本文提出的钻井绞车盘式刹车液压系统,具有操作灵活方便,容易实现自动送钻,能及时处理辅助刹车失效、溜钻、游车与天车相碰三种钻井中常见的意外情况等特点.另外系统采用多级赘余配置,大大提高了系统的可靠性.是一个适合于钻井绞车盘式刹车的液压系统.
参考文献
1　徐月娟等.钻井绞车用新型刹车-液压盘式制动装置.
石油矿场机械,1990(2):28～30.
2　樊启蕴等.用盘式刹车取代带刹车的分析与建议.石油机械,1994(8):37～45.
3　汪寒等.盘式刹车系统设计初探.石油机械,1987(2): 37～44.
收稿日期　1999-02-23 编 辑　田美娥
54西安石油学院学报(J X A PI)1999年。