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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。
１。
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１。
２液压盘式刹车制动受力分析1。
2。
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。
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:53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。
石油天然气钻井液压盘式刹车操作规程4.7.1 开机前检查操作箱与绞车接口板间工作钳、安全钳回路液压管线用快速接头的公、母接头并颜色区分开，防止管线错接,保证安全钳和制动钳间隙符合要求、各管路连接应正确、密封良好，各部件无阻卡。
4.7.2 为保证液压盘式刹车工作钳、安全钳液压管线不错接或虚接(用力摇动快速接头，并用力拔不出，方可确定为连接牢固)，在接完液压管线后，必须观察相应的压力表，压力表数值必须在相应工作状态的正常值范围内（工作制动时，工作钳压力表读数8MPa左右，紧急制动时，工作钳压力表读数为8Mpa左右，安全钳读数为0）。
4.7.3 开启吸油口阀门、柱塞泵泄油口阀门，关闭蓄能器组回油阀门，接通外部电源，开启气源。
4.7.4将刹把、紧急刹车按钮、驻车制动手柄复位，即：刹把处于“松”位，紧急刹车处于“刹”位，驻车制动手柄处于“刹”位。
4.7.5 启动电机此时系统处于紧急制动状态。
4.7.6解锁：先拉动刹把，使其刹住载荷；然后推动驻车制动手柄，拔出紧急刹车按钮，使其均处于“松”位。
4.7.7工作制动：拉动“刹把”即可进行工作制动，其操作角度为0°～ 60°，拉动角度越大，制动力越大。
4.7.8驻车制动：将驻车制动手柄至“刹”位，即实现驻车制动。
转换到工作制动时，必须先解除驻车制动，即先拉动刹把，使其处于“刹”位以刹住载荷，再推动驻车制动手柄至“松”位；然后进行工作制动。
4.7.9紧急制动：按下紧急制动按钮，实现紧急制动。
转换到工作制动时，必须先解除紧急制动，即：先拉刹把以刹住载荷，再拔出紧急制动按钮；然后进行工作制动4.7.10 下放钻具，特别在下放较重的钻具时，必须利用盘式刹车和辅助刹车的组合能力来安全下放钻柱和套管，不可将负载自由下降，必须连续减速,自始自终保持辅助刹车与绞车相连。
不得使用辅助刹车控制负载下降，防止引起控制失灵，造成事故。
4.7.11起下钻时，刹车手柄轻拉一些，使刹车块轻触刹车盘。
液压盘式刹车装置应安全使用刹车系统是钻井机械的关键要害装置。
钻井作业过程中主要承担以下工作：起下钻时，刹慢或刹住滚筒，控制下放速度，悬持钻柱；旋转作业时，控制滚筒转动，调节钻压，送进钻具。
在美国，刹车系统被认为“对钻井效果影响极大”；在欧洲，刹车系统被称为“一种非常危险的装置”；在我国油田，广泛流传着“司钻手中三条命”的说法，这些都表明了刹车装置对于钻井作业的重要性。
重视安全作业问题液控盘式刹车是一项集液压动力、液压传动及控制和机构执行于一体的新技术。
该产品是同时具备常开式和常闭式制动钳的复合制动系统。
近年来，液压盘式刹车装置已经成为钻机的标准配置，修井机和通井机也逐步开始安装使用液压盘式刹车装置。
液压盘式刹车装置的应用，不但改变了传统的带式刹车长期制约钻井技术进步的现状，提高了钻井的技术性能，改善了一线操作人员的劳动条件，提高了钻井的安全可靠性，而且为自动化钻井、智能化钻井解决了一项钻机核心部件的基础性关键技术。
但是，近几年随着石油勘探任务的加重，钻井作业队的数量不断增加，钻井作业过程中安全问题不容乐观。
特别是替代传统的带式刹车的新型液压盘式刹车装置是近几年才推广的新技术，由于仿冒产品的相继流入市场，过去使用带式刹车经常发生的顿钻、溜钻事故现在又重新抬头，时有发生，给钻井生产带来了严重的安全隐患。
钻机刹车装置是一个应引起包括研发、设计、采购、生产、使用及维修各个环节都要高度重视的关键部件。
为推广、应用好液压盘式刹车装置，尽量避免钻修井设备再因刹车问题产生事故，作为国内最早进行石油设备用液压盘式刹车技术的研究，并一直推广其应用的科研机构，中国石油勘探开发研究院采油采气装备所（原石油机械研究所）液压盘式刹车技术人员协同生产、应用方面的人员在认真总结液压盘式刹车装置使用经验的基础上，写成本文，希望给液压盘式刹车装置的现场使用人员提供可以借鉴的意见。
典型事故案例案例1：2008年2月，某钻井队在钻井接单根时发生顿钻事故。
