石油鉆機絞車的制動方式研究

1、石油機械china petroleum machineryv專題綜述石油鉆機絞車的制動方式研究姜 鳴 周聲強 劉育生（上海三高石油設備有限公司）摘要 介紹了目前石油鉆機絞車上常用的幾種制動裝置，包括帶式剎車（剎把制動及氣控剎 車）、液壓盤式剎車、電動機能耗制動、伊頓剎車、電磁渦流剎車和水剎車。論述了這6種絞車制 動方式的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，比較了它們之間的優(yōu)缺點，并展望了絞車制動方式的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞鉆機絞車制動裝置制動方式研究在石油與天然氣的開采作業(yè)中，絞車作為鉆機 驅(qū)動與傳動系統(tǒng)的重要組成部件，其性能的優(yōu)劣直 接關(guān)系到整臺鉆機的使用效果，是保證石油鉆機滿 足鉆井工藝要求、實現(xiàn)快速鉆采、獲得

2、良好經(jīng)濟效 益的極為重要的關(guān)鍵性因素之一。目前，石油鉆機 絞車常用的制動方式有以下幾種：帶式剎車（包 括剎把制動及其改進型氣控剎車）、液壓盤式剎 車、電動機能耗制動、伊頓剎車、電磁渦流剎車和 水剎車。通常，帶式剎車和液壓盤式剎車常作為主 剎車使用，電動機能耗制動、伊頓剎車、電磁渦流 剎車和水剎車常作為輔助剎車使用。絞車常用的制動方式1. 帶式剎車剎把制動是一種單杠桿式剎車裝置，是由控制 部分（剎把）、傳動部分（傳動杠桿）、制動部分 （剎帶和剎車轂）和輔助部分（平衡梁和調(diào)整螺 釘）等機構(gòu)組成。剎車時，司鉆操縱剎把轉(zhuǎn)動傳 動杠桿夾緊剎帶，使其緊緊抱住剎車轂，控制與剎 車殺同軸的絞車滾筒軸的旋轉(zhuǎn)。利

3、用平衡梁可以均 衡左右剎帶的松緊程度，保證受力均勻。調(diào)整螺釘 的作用是可以使剎帶和剎車轂之間保持合適的間 隙，克服因磨損導致的剎帶和剎車轂間距增大而產(chǎn) 生剎把剎止角度過小的問題。近年來，寶雞中發(fā)石油機械有限責任公司在剎 把制動的基礎上，研制了氣控剎車，利用氣控 系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的剎把機構(gòu)，通過控制氣缸內(nèi)壓縮空 氣的壓力變化，改變施加在剎車轂上的制動力矩大 小，從而達到抑制絞車轉(zhuǎn)動的目的。氣控剎車的執(zhí)行結(jié)構(gòu)由薄膜式常開氣缸和常偽 氣缸組成。當調(diào)壓氣進人常開氣缸時，氣壓推動氣 缸薄膜向下運動，將氣體壓力轉(zhuǎn)化為機械力，通過 活塞桿、曲拐及輸出軸輸岀動力，再通過聯(lián)軸節(jié)驅(qū) 動絞車剎車；同理，當調(diào)壓氣進入常閉

4、氣缸時，氣 壓推動氣缸薄膜向下運動，將氣體壓力轉(zhuǎn)化為機械 力，通過活塞桿、曲拐及輸岀軸輸出動力，再通過 聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動絞車剎車松開，同時壓縮彈簧儲存能 量。常開氣缸實現(xiàn)送氣剎車功能，常閉氣缸則是利 用彈簧力實現(xiàn)斷氣剎車功能。2. 液壓盤式剎車1989年美國的wabco公司和rexroth氣動設備 公司從火車氣動風冷式盤式剎車技術(shù)中得到靈感, 合作開發(fā)了修井機盤式剎車技術(shù)，并在franks300 系列修井機的1 287 kw絞車上得到了成功應 用2耳，從此拉開絞車盤式剎車裝置及其技術(shù)發(fā)展 的序幕。在國內(nèi)，中國石油勘探開發(fā)研究院機械研 究所自行設計和開發(fā)的ps系列液壓盤式剎車得到 了快速發(fā)展，已有20

5、0多臺服務于國內(nèi)外各大油 田。液壓盤式剎車裝置由制動執(zhí)行機構(gòu)、液壓站和 操作臺三大部件組成。執(zhí)行機構(gòu)是液壓盤式剎車的 制動執(zhí)行部件，安裝在絞車滾筒軸上，控制絞車的 運轉(zhuǎn)速度；液壓站是液壓盤式剎車的動力源，負責 為制動執(zhí)行機構(gòu)提供必要的液壓動力；操作臺是司 鉆遠程控制液壓盤式剎車的工作場所，通過動力控 制與操作裝置實現(xiàn)對制動執(zhí)行機構(gòu)的操作。制動執(zhí) 行機構(gòu)、液壓站和操作臺之間通過液壓管線連接。制動執(zhí)行機構(gòu)主要由剎車盤、剎車鉗、鉗架、 液壓油缸等部件組成，其中剎車鉗又可分為常開式工作鉗和常閉式安全鉗2種類型。常開式工作鉗為 杠桿機構(gòu)，一端與液壓缸活塞連接，另一端是嵌裝 摩擦片的剎瓦。當液壓油缸受壓帶

6、動活塞桿伸岀 時，將推動杠桿使剎瓦緊壓在剎車盤上，利用剎瓦 與剎車盤之間的摩擦產(chǎn)生對絞車滾筒軸的制動力 矩，實現(xiàn)對絞車轉(zhuǎn)速的控制。當活塞回縮時，帶動 剎瓦離開剎車盤的表面，滾筒軸則可以自由滾動。 常閉式安全鉗也是一杠桿機構(gòu)，利用彈簧的壓力使 剎瓦緊靠在剎車盤上。當液壓缸受力推動活塞運動 后，剎瓦離開剎車盤表面。因此，常閉式安全鉗具 有失油保護功能。3. 電動機能耗制動按驅(qū)動電動機類型不同，石油鉆機的傳動方式 可分為宜流傳動和交流傳動2種。直流傳動是指 柴油發(fā)電動機發(fā)出交流電后，通過scr整流裝置, 將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭煽氐闹绷麟?，并輸送給直流電動 機，由后者驅(qū)動絞車、轉(zhuǎn)盤和鉆井泵等工作機，即 所謂

7、的ac-scr-dc驅(qū)動方式；交流傳動是指柴油 發(fā)電動機發(fā)出交流電后，經(jīng)整流裝置處理后變換為 直流電，再經(jīng)過逆變裝置重新轉(zhuǎn)化為頻率可調(diào)的交 流電，由后者拖動交流變頻電動機驅(qū)動鉆機的工作 機，即所謂的ac-dc-ac驅(qū)動方式。目前，一般意義上的直流電動機能耗制動是指 在提升鉆具過程中，當切斷電動機電源后，電動機 電樞仍以一定速度做慣性運轉(zhuǎn)，與電動機電樞接人 電阻形成回路，并維持勵磁不變，使直流電動機進 入發(fā)電狀態(tài)，即能耗制動狀態(tài)。此時，電動機電樞 產(chǎn)生與其轉(zhuǎn)速方向相反的轉(zhuǎn)矩，使鉆具上升速度下 降至零位。此后，鉆具受重力作用以自由落體方式 下降，并拖動電樞反轉(zhuǎn)，電動機仍處于發(fā)電狀態(tài)， 電樞產(chǎn)生制動

8、轉(zhuǎn)矩，以阻止鉆具下降。當制動轉(zhuǎn)矩 與電動機電樞所受鉆具重力轉(zhuǎn)矩平衡時，電樞以一 定速度勻速轉(zhuǎn)動，鉆具以一定速度勻速下降。圖1給出了串激式直流電動機能耗制動的原理 圖。在電動機正常工作狀態(tài)時，閉合開關(guān)k1,斷 開開關(guān)k2和k3,電動機傳動機構(gòu)scr2向絞車電 動機的電樞和激磁繞組供電，使電動機正轉(zhuǎn)驅(qū)動絞 車，帶動游動系統(tǒng)向上提升鉆桿和套管等鉆具。當 欲放下鉆具時，通過狀態(tài)控制器切斷開關(guān)k1,同 時閉合開關(guān)k2和k3,使可控硅整流調(diào)壓器scr1 向電動機勵磁繞組供電，此時電動機變?yōu)榘l(fā)電機狀 態(tài)。當具有勢能的鉆桿和套管等鉆具帶動大鉤向下 運動時，絞車電動機電樞反轉(zhuǎn)發(fā)電，電能消耗在能 耗電阻心上。與此

9、同時，在電動機轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生阻 尼制動力矩，使絞車減速。開關(guān)k3開知2、電動機傳場 機構(gòu)（scr2）可控住雄漁訓ikb（scri）耗能電耐?.、圖1能耗制動原理圖這種類型的能耗制動系統(tǒng)僅可使電動機斷電后 鉆具的上升過程停止，但不能制止此后鉆具在重力 作用下的下降，因此必須配備電磁渦流剎車和其它 輔助制動裝置來控制鉆具的下放速度。同時，還需 要配備水冷卻系統(tǒng)來散熱，大大增加了設備投人成 本和運行費用，且在嚴寒地區(qū)使用非常不便。上海三高石油設備有限公司開發(fā)了一種直流電 動機補償式能耗制動系統(tǒng)，解決了上述問題。該系 統(tǒng)利用鉆機絞車電動機在下放鉆具時（電動機作 發(fā)電機運行且電樞反轉(zhuǎn)）電樞流出的電流方向與

10、絞車電動機在上提鉆具時（電動機作電動機運行 且電樞正轉(zhuǎn)）scr流入電樞的電流方向相同（因 而產(chǎn)生同方向轉(zhuǎn)矩）的特點，應用補償式能耗制 動控制系統(tǒng)控制流經(jīng)電樞的電流和磁場電流，達到 控制絞車下放鉆具速度和剎車的目的。對于交流傳動系統(tǒng)，能耗制動功能是交流變頻 電動機調(diào)速固有的特性。通過變頻系統(tǒng)制動單元, 定量控制施加在絞車上的制動扭矩，實現(xiàn)游車平穩(wěn) 下放，速度可調(diào)，零速懸停，并可實現(xiàn)絞車恒壓自 動送鉆、游車位置自動控制、對鉆井過程進行實時 監(jiān)控等功能，還簡化了絞車和轉(zhuǎn)盤的變速系統(tǒng)。4. 水剎車水剎車主要由主軸、定子和轉(zhuǎn)子組成，在定子 和轉(zhuǎn)子上輻射狀分布著許多成一定角度排列的葉 片。在下鉆時，滾筒軸

11、帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子室內(nèi)的 水因離心力作用壓入定子室，再在定子室內(nèi)受迫流 回，形成不斷循環(huán)的小渦流，充滿定子室和轉(zhuǎn)子 室。傾斜的葉片與渦流相互作用，吸取了下鉆時產(chǎn) 生的大部分動能，并轉(zhuǎn)化為熱能釋放出去。5. 伊頓剎車美國伊頓（eaton）集團開發(fā)和研制的伊頓 剎車是近年來非常熱門的一種石油鉆機絞車輔助制 動方式。此款伊頓盤式剎車主要由動摩擦盤組件、 中間盤組件、壓緊盤組件、端板組件、彈費組件、 閘盤組件、氣缸以及活塞等部件組成，適用于大慣 量制動和快速散熱的鉆采工況。伊頓剎車將氣動水 冷式制動方式與空氣冷卻式彈簧閘制動方式進行了 有機融合，構(gòu)成一種結(jié)構(gòu)緊湊的新型絞車制動方式。 其中，水冷卻部分應

12、用在高能量、恒定的滑動制動 情況，而彈簧閘則可作為緊急制動或駐車閘使用。伊頓剎車由壓縮空氣驅(qū)動。司鉆操作氣控閥, 讓壓縮空氣進入到法蘭氣缸，推動活塞對壓緊盤施 加壓力，帶動壓緊盤運動，迫使壓緊盤對靜止的彈 簧套產(chǎn)生壓力，彈簧開始壓縮。當壓緊盤移動時, 也帶動端板組件靠在制動板上。當端板組件向制動 板移動時，動摩擦盤組件也靠最初施加的空氣壓力 而移動，對與絞車滾筒軸同軸的閘盤施加壓力，達 到控制滾筒軸旋轉(zhuǎn)速度的目的。調(diào)制空氣壓力的大 小，可以改變剎車裝置施加的制動力矩。當釋放氣 缸中的空氣壓力后，可以卸除加在摩擦盤上的夾緊 力，使?jié)L筒軸能夠自由轉(zhuǎn)動。6. 電磁渦流剎車電磁渦流剎車是一種非摩擦式的

13、機械能電能 熱能轉(zhuǎn)換裝置。當鉆具下鉆時，絞車滾筒軸反轉(zhuǎn), 產(chǎn)生巨大的機械能，并通過離合器驅(qū)動電磁渦流剎 車的轉(zhuǎn)子以相同的轉(zhuǎn)速和方向在定子所建立的磁場 空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)，形成與定子固定磁場相反的脈動磁場, 將機械能轉(zhuǎn)化為電能。由電磁感應定律可知，此時 在轉(zhuǎn)子中會產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，并形成與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向 相反的電磁力和制動轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生下鉆時的制動力, 限制滾動軸的旋轉(zhuǎn)速度。通過調(diào)整定子激磁電流的 大小，可以改變制動轉(zhuǎn)矩的大小，進而達到控制鉆 具下放速度的目的。制動時，在電磁渦流剎車中會 產(chǎn)生巨大的熱能。根據(jù)冷卻方式的不同，電磁渦流 剎車可分為水冷式電磁渦流剎車和風冷式電磁渦流 剎車2種。前者是利用水介質(zhì)進行熱能

14、的吸收和交 換，后者則完全依賴強迫通風方式進行能量交換。各種制動方式的比較與展望1. 帶式剎車剎把制動是最早出現(xiàn)的絞車制動方式。剎把制 動具有結(jié)構(gòu)簡單、司鉆操作手感好等優(yōu)點，但司鉆 勞動強度大，安全性能差，維護不方便。隨著控制 技術(shù)的進步和司鉆控制房的誕生，司鉆遠程控制絞 車的運轉(zhuǎn)速度和方向已經(jīng)成為可能，單純的絞車剎 把制動方式隨之退出了歷史的舞臺。氣控剎車有效地解決了剎把制動的主要缺陷, 它通過控制氣壓大小來控制滾筒的轉(zhuǎn)速，將司鉆從 艱苦的作業(yè)環(huán)境中解放出來，實現(xiàn)司鉆對鉆機絞車 剎車的遠程控制，并將制動能力提高了1倍，對于 淺井鉆機具有誘人的市場價值。2. 液壓盤式剎車液壓盤式剎車具有制動力

15、矩容量大，制動效能 穩(wěn)定，操作靈敏、省力，維修方便，安全可靠等優(yōu) 點，可改善提升系統(tǒng)的工作性能，提高鉆井、修井 作業(yè)時效。液壓盤式剎車還具有控制精度高，易于 遙控操作，易于實現(xiàn)自動起下鉆和自動送鉆等功 能，且噪聲小，適合于環(huán)境敏感地區(qū)工作。相對其 它幾種絞車制動方式而言，液壓盤式剎車的機構(gòu)比 較復雜，需配備專門的液壓工作站和專門液壓油為 其提供動力，投人成本和使用費用高；因液壓失壓 或閥件故障引起的液壓盤式剎車工作失效情況出現(xiàn) 的概率較大；因漏油引起的環(huán)境污染問題也是影響 其使用的一個因素。另外，目前剎瓦和剎車盤之間 的間距無法實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)，需人工做周期性調(diào)整， 增加了設備維護難度，影響液壓盤

16、剎的使用效果。從上海三高石油設備有限公司為多臺鉆機絞車 配備的液壓盤式剎車裝置使用效果來看，液壓盤式 剎車具有反應速度滯后的缺陷。當司鉆操作盤剎手 柄遠程控制剎鉗的夾緊力時，指示儀表顯示剎鉗的 動作滯后于司鉆的動作，使司鉆易產(chǎn)生錯覺，引發(fā) 事故的發(fā)生。在電子手柄控制的液壓盤式剎車中， 這個缺陷更為明顯。這個問題的根源在于剎車盤和 剎鉗的間距不能實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)和液壓系統(tǒng)設計上的 缺陷。如何改進液壓盤式剎車響應速度滯后的問 題，是廣大科研人員應重點關(guān)注的研究方向。3. 電動機能耗制動電動機能耗制動方式不需要額外增加設備投 入，直接利用石油鉆機絞車的驅(qū)動電動機即可完 成，既滅少了設備的投入成本和維護費

17、用，提高了 設備的利用率和可靠性，又減輕了絞車整機的體積 和質(zhì)量，解決了鉆臺空間緊張的問題，是石油鉆機 理想的輔助剎車裝置。直流電動機補償式能耗制動 系統(tǒng)既可實現(xiàn)下鉆過程的平滑無級調(diào)速和零速滿轉(zhuǎn) 矩性能，還可實現(xiàn)使用絞車電動機和原scr系統(tǒng) 自動送鉆的功能，從而節(jié)省了一套自動送鉆裝置， 降低了設備投入和運行維護費用。同時，直流電動 機補償式能耗制動系統(tǒng)還具有單手柄操作和能設置 scr流入電樞的電流及磁場電流最大值和最小值的 功能，從而確保設備的安全運行和操作方便。直流 電動機補償式能耗制動系統(tǒng)有效解決了電動機制動 過程中制動轉(zhuǎn)矩和鉆具運動速度無法控制的頑疾, 使鉆具按現(xiàn)場需要的速度實現(xiàn)下放。在

18、相當長的一段時間內(nèi)，不論是國內(nèi)還是國際 市場，直流電驅(qū)動石油鉆機將是石油鉆井市場上的 主力軍，宜流電動機能耗制動系統(tǒng)的應用前景非常 可觀。相對而言，交流傳動系統(tǒng)由于成本較髙、控 制復雜等因素，影響了交流能耗制動的應用前景。4. 伊頓剎車近年來，伊頓剎車作為絞車輔助剎車裝置，深 受國內(nèi)各大油田的歡迎。伊頓剎車的低速制動性能 好，大大優(yōu)于電磁渦流剎車、水剎車等輔助剎車裝 置，僅次于能耗制動和液壓盤式剎車。伊頓剎車結(jié) 構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)赧輕，有利于絞車的整體搬 運。同時，氣動控制方式安全性能高，適用于易燃 易爆的工作環(huán)境。但是，伊頓剎車的價格高，并需 要增加水冷卻系統(tǒng)，使得設備投入成本大。目前，伊頓

19、剎車的使用多是采用如下的工作方 式：先通過手輪調(diào)壓閥事先設定伊頓剎車的工作壓 力，再利用二位制的工作開關(guān)控制伊頓剎車的工作 狀態(tài)?，F(xiàn)場實際使用表明，司鉆對壓力的設定比較 困難。如設定的壓力值偏小，則達不到所需的制動 力矩，會岀現(xiàn)溜鉆現(xiàn)象；如設定的壓力值偏大，則 系統(tǒng)響應時間過快，會出現(xiàn)墩鉆現(xiàn)象。增加1套氣 壓比例控制系統(tǒng)是解決上述問題比較理想的方法。5. 電磁渦流剎車電磁渦流剎車具有低速制動性能好的特點，在 較低的轉(zhuǎn)速下可以產(chǎn)生很高的扭矩，下鉆時只需司 鉆控制司鉆臺上的開關(guān)，便可方便地調(diào)節(jié)所需的扭 矩，極大地降低了主剎車的使用頻率，從而延長了 剎車輪和摩擦片的使用壽命，降低鉆井成本、提高 經(jīng)濟

20、效益。同時，電磁渦流剎車因為沒有剩余扭 矩，不需配備單向離合器。電磁渦流剎車沒有易損 件，使用壽命長，操作簡單，因此近年來在海洋鉆 機、深井鉆機和中深井陸地鉆機中得到了廣泛的推 廣和應用。水冷式電磁渦流剎車冷卻效果好，但常會因水 源、水質(zhì)、低溫等原因產(chǎn)生水垢、堵塞、銹蝕、設 備凍裂等缺陷，且結(jié)構(gòu)復雜，限制了其應用范圍。 風冷式電磁渦流剎車繼承了水冷卻渦流剎車的優(yōu) 點，又克服了其缺陷，深受鉆井作業(yè)人員的歡迎, 特別是寒冷地區(qū)的油田，更具有先天的優(yōu)越性。6. 水剎車水剎車作為最古老的絞車輔助剎車方式，因其 結(jié)構(gòu)簡單，曾作為輔助剎車裝置廣泛地應用在石油 鉆機的絞車上。但水剎車效率低，已被市場淘汰。7. 制動轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的對比圖2給岀了上述幾種石油鉆機絞車制動裝置的制動轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的對比曲線圖。圖2制動轉(zhuǎn)矩林速的特性曲線從圖中可以看出，補償式能耗制動具有最為理 想的性能曲線。在零轉(zhuǎn)速的情況下，依然具