1、 8.4 8.4 剎車裝置剎車裝置 鉆井絞車的剎車包括主剎車和輔助剎車。 主剎車是機械式的，主要采用帶剎車，即通常所說的剎車機構。 盤式剎車以良好的性能正逐漸為鉆井絞車所接受。由于帶式剎車結構簡單，使用方便，因而今后相當長的時間內完全有可能是帶剎車和盤式剎車并存。 機械剎車的功用是剎慢或剎住被鉆柱載荷所帶剎慢或剎住被鉆柱載荷所帶動的滾筒，達到控制滾筒轉動，以調節鉆壓，送進動的滾筒，達到控制滾筒轉動，以調節鉆壓，送進鉆具，控制下鉆速度或達到懸持鉆具的目的。鉆具，控制下鉆速度或達到懸持鉆具的目的。 鉆井過程中司鉆總是手不離剎把，如果剎車機構不夠靈活省力，將加重司鉆的體力勞動強度，帶來操作不便。同時

2、剎車不可靠容易引發重大溜鉆事故，造成設備損失，井下事故，甚至危及人身安全。所以機械剎車是絞車上最重要的部件，因此要求它靈活省力，安全可靠，壽命長。8.4.18.4.1下鉆動力學下鉆動力學 1 1、下鉆操作過程及、下鉆操作過程及滾筒制動力矩滾筒制動力矩 下鉆操作的特點是在起鉆過程中作為系統負載的鉆柱載荷成為下鉆過程中系統的動力，帶動整個系統運動，而絞車上必須裝置包括機械剎車和輔助剎車的制動裝置來吸收鉆柱下放時釋放的能量。 制動裝置把吸收的能量轉變為熱能逸散到冷卻水或空氣中。 下鉆操作可分為三段(見圖8-11，8-12) 1)加速段OC 開始下鉆前要稍提鉆柱，撒掉吊卡(或卡瓦)，摘開離合器，剎住鉆

3、柱。此時滾筒上作用為靜懸持力矩M0。 司鉆將剎把抬起，完全松開剎帶，整個系統在鉆柱作用下以接近自由落體加速度加速。到B點開始剎車，由于制動裝置即滾筒吸收了能量，隨著制動力矩的增大，下落加速度逐漸減小。在此階段中有 MM靜M動式中：M滾筒制動力矩： M動下鉆系統產生的慣性力矩，（此時為負值）。 2)等速段CD 在此階段，下鉆系統受到的制動力矩與鉆柱靜力矩相等，鉆柱勻速下放。 此時： MM靜， M動0 3)減速段DE 鉆柱下放至D點接近立根行程終點，司鉆壓住剎把減速下放， 此時制動裝置制動力矩大于鉆柱靜力矩，加速度為負值（慣性力為正，向下）。到E點，完全剎住鉆柱。 MM靜M動 (8-16)最大制動

4、力矩發生在剎住鉆柱之時Mmax=M靜M動maxM靜 （817） 完全剎住后，M動0，MM靜。maxM1M動靜 以上三段所耗時間分別為tl、t2、t3。tl和t3都比較短，一般正常操作時各為35秒。 t2取決于勻速下鉆速度，一般安全操作時下鉆速度應控制在22.5米秒以內。 在不具備安全可靠，靈活的剎車裝置的情況下，下鉆速度過大，容易發生溜鉆砸轉盤事故，損壞設備。 顯然，如果鉆柱下放速度較大，且在下放終點顯然，如果鉆柱下放速度較大，且在下放終點前急剎車，就會產生很大的沖擊載荷。因此，司鉆前急剎車，就會產生很大的沖擊載荷。因此，司鉆在下鉆行程結束前在下鉆行程結束前4 45 5米就開始剎車減速，降低鉆

5、米就開始剎車減速，降低鉆柱的下放速度，然后剎住鉆柱，這樣就可以把沖擊柱的下放速度，然后剎住鉆柱，這樣就可以把沖擊載荷減小到最低限度。載荷減小到最低限度。2、最大制動力矩 Q游為下鉆時游動系統載荷，約為起鉆時的70，即 Q Q游游0.7Q0.7Q游游。 而當在下鉆終了剎住鉆柱時的最大制動力矩Mmax為： M MmaxmaxMM靜靜 （8 82020） 這里為動載系數，其值取決于下鉆操作。這是因為最大制動力矩產生于鉆柱剎止時，此時作用在快繩上的載荷為鉆柱的靜載荷、慣性載荷、振動載荷及沖擊載荷。其中上述前三種載荷與操作無關，而剎止時的沖擊載荷則完全取決于下鉆操作，當下鉆速度低(如以1 ms速度下放)

6、，行程結束前提前45米就開始減速平穩剎住鉆柱，沖擊載荷很小，1.5；如以高速(2ms)下放，并在終點急剎車，沖擊載荷較大，2.5。 8.4.28.4.2、帶式剎車機構、帶式剎車機構1.結構組成及作用原理圖813為單剎車機構示意圖。單杠桿帶剎車典型結構如圖8-13所示。 圖814所示為雙杠桿帶剎車典型結構。 剎車機構主要由制動部分(剎帶1，剎車鼓2)、控制部分(剎把4)、傳動部分(傳動杠桿或稱剎車曲軸3)、輔助部分(平衡梁6和調整螺釘7)、氣剎車等組成。 剎車時，操作剎把4轉動傳動杠桿3通過曲拐拉曳剎帶1活端使之抱緊剎車毅。剎把4同時轉動司鉆閥5以啟動、調節氣剎車8的氣缸壓力。氣剎車對傳動杠桿的

7、作用與剎把相同，故起省力作用。 平衡梁是用來均衡左右兩剎帶的松緊程度，以保證它們受力均勻。當剎車塊磨損使剎帶與剎車鼓之間的初始間隙增大，導致剎把剎止角過低時，可通過調整螺釘調整到合適的初始間隙。 剎帶由彈簧鋼板制成，用帶彈簧的螺釘掛在絞車外殼上，松開剎車時，彈簧使剎帶均勻脫離剎車鼓; 剎車塊鉚接在剎帶上，它由耐熱、耐磨，具有較大摩擦系數的石棉塑膠或石棉編制品壓制而成。 2.剎帶兩端的拉力 設兩剎帶活端總拉力為t，固定端拉力為T，則可根據歐拉公式得出剎帶活端拉力與剎帶包角和剎車片摩擦系數的關系。 歐拉公式推導 從剎帶上取出圓心角為d的微元，其力平衡關系如圖所示： X=0 dFtcos (d/2)

8、+(t+dt）cos (d/2 )0X=0 dFtcos (d/2)+(t+dt）cos (d/2 )0即：即： dF tcos (d/2)+t cos (d/2)+ dt cos (d/2)0消去同類項得：消去同類項得： dF + dt cos (d/2)0 cos (d/2) 1 dF dt （1） Y=0 dNtsin(d/2）（）（tdt)sin(d/2)0 Y=0 dNtsin(d/2）（tdt)sin(d/2)0 即：dNtsin(d/2） tsin(d/2） dt sin(d/2)0 合并同類項得： dN2 tsin(d/2） dt sin(d/2)0 sin(d/2）d/2，

9、dt sin(d/2) 是高階無窮小，舍去。 dN2 t (d/2）0 dNt d0 dN t d (2)由： dF dt （1） dN t d (2) dFdN 即： dF t d 代入（1） 得： t d dt dt / t d lnT lnt Tt e Ttdtdt00lnftTttTlnetT Tt e 式中：為剎車塊與剎車轂之間的摩擦系數，一般為0.350.45(有的特種材料的摩擦片其值可達0.5)；為剎帶圍抱角，鉆機帶剎車圍抱角一般在32116弧度之間。 端拉力之差即剎帶對剎車轂作用的制動力F制 F制 Ttt（ e 1） 由式(8-19)(8-20)可得最大制動力F制。 因此，下鉆

10、時帶剎車要剎止鉆柱的最大活端總拉力tmax為2maxQ DZDF 游制游筒轂 （824）2maxQDte1 Z D 游游筒轂 （825）11tFe制 （823）2.2.剎車杠桿機構計算。剎車杠桿機構計算。 剎車杠桿指剎把、曲拐軸、曲拐連桿等構件，其作用是將剎把上的操作力放大若干倍以滿足剎止鉆柱時活端總拉力t的需要。 杠桿力放大倍數稱為杠桿效益或杠桿增力倍數 it/P。 絞車剎車杠桿大致可分為兩種：單杠桿機構和雙杠桿機構。其示意圖見8-15。 1）單杠桿剎車機構對支點O取矩得： P PcoscosL L桿桿t tsin(+sin(+）r rP cosLt sinrtLcosiPrsin 桿桿由

11、（ ）得： （826）（ ） 由上式可見，i不僅決定于杠桿臂長比(1/r)，還與剎把傾角有關。當傾角減小時：cos，sin，i增大，說明剎把越省力，故在下套管時，載荷加大了，要求剎車力矩變大，這時可以利用單杠桿剎車的增力比i隨減小而增大的特性，在下套管前預先把剎帶調長，使剎死滾筒時的角變小，即可在剎車力不變的情況下增大制動力矩，減輕勞動強度，保證安全生產。tLcosiPrsin桿所以，單杠桿機構的增力比為： （826）（ ） 根據司鉆的操作情況，剎把最合適的傾角4530。以JC-14.5剎車杠桿為例，當4530時，i=2030，此時要把最重鉆柱Q=130t有效的剎止則需要剎把力670450N，

12、這顯然是人力所不能勝任的(剎把力應控制在400N以內)。 所以，在重型、超重型鉆機上，為保所以，在重型、超重型鉆機上，為保證當氣剎車出故障時仍能安全可靠地剎止證當氣剎車出故障時仍能安全可靠地剎止最大鉆柱載荷，就必須采用更高最大鉆柱載荷，就必須采用更高i i值的雙值的雙杠桿機構杠桿機構( (美國絞車廣泛采用雙杠桿機構美國絞車廣泛采用雙杠桿機構) )。2)2)雙杠桿機構雙杠桿機構 用浮動連桿把兩套杠桿鉸連在一起就組成了雙杠桿機構(圖8.15)。 P cosLF mF m PP cosL桿桿對支點0取距得： 所以：33otcosRF nF n ttcosR對支點 取矩得： 所以：333F m PP

13、cosLF n ttcosRP cosLtF n iPtcosRF mLn cosRm cos桿桿桿由和得： （827） 式中，l/R3為定值，n/m和角隨剎把傾角變化，當角減小時，n變大、m變小、即n/m變大，角隨剎把傾角的變小而增大，變小則cos增大，角變大則cos減小，故減小使i值變大。3tLn cos iPRm cos桿由 （827） 顯然仍符合剎車機構對其增力顯然仍符合剎車機構對其增力倍數倍數i i之要求，且增力倍數比單之要求，且增力倍數比單杠桿機構大得多杠桿機構大得多( (圖圖8.15)8.15)，即使，即使不借助氣剎車的加力，亦能較輕不借助氣剎車的加力，亦能較輕松地將最大鉆柱剎住

14、。松地將最大鉆柱剎住。 通過上述分析，可以得出以下結論: 1)帶剎車的制動力矩與剎帶和剎車鼓之間的圍抱角帶剎車的制動力矩與剎帶和剎車鼓之間的圍抱角和摩擦系數有關。和摩擦系數有關。對于采用單杠桿機構的帶剎車，常采用較大的圍抱角(如 11/6)。即使如此，在剎住最大鉆柱時，也需很大的剎把力。 2)采用雙杠桿機構既省力，又安全。 3)結構簡單緊湊，便于維修。 4)4)只能用于單向制動。只能用于單向制動。 5)5)活動端和固定端剎車塊磨損不一致。活動端和固定端剎車塊磨損不一致。8.4.3、盤式剎車 目前國內外在用的石油鉆機絞車上，廣泛應用著帶剎車系統。 但由于帶剎車系統的固有工作特性的限制，已不能充分

15、滿足深井和超深井作業和緊急狀態下剎車的需要，例如:剎車力矩不足，性能不穩定，操作費力，剎車不靈敏，耐熱衰減性能差等，致使在鉆井作業或緊急狀態剎車時、時有溜鉆和頓鉆事故發生。所以，安全、方便、靈敏的新型盤式剎車應運而生。 盤式剎車為盤鉗式液壓剎車，數十年前即已在機車，汽車，飛機及礦山提升機等獲得了成功運用。它成功地被引入鉆井絞車，現國外的盤式剎車絞車已完成系列化推廣運用工作， 表 (3.2)為美國National-Oilwell公司盤式剎車絞車系列的主要基本參數。 共有共有4 4種機械驅動絞車和種機械驅動絞車和6 6種電驅種電驅動絞車，絞車輸入功率從動絞車，絞車輸入功率從10001000馬力到馬

16、力到40004000馬力，鉆井深度從馬力，鉆井深度從20002000多米直到多米直到1200012000米左右。米左右。 國內從90年代開始研制盤式剎車，先在修井機絞車上使用，后來開始引入鉆井絞車，現國內新生產的40級別(包括ZJ40/2250)以下的鉆機絞車主要配用盤式剎車，同類級別在用鉆機絞車剎車也開始進行改裝，超重型鉆機盤式剎車絞車已研制成功。 根據技術發展預測，隨著石油鉆機絞車盤式剎車的技術發展，在新設計的絞車中會主要采用盤式剎車，而在用絞車亦將逐步改造成盤式剎車，盤式剎車取代剎車的進程將逐步加快。1.1.盤式剎車組成及工作原理盤式剎車組成及工作原理鉆井絞車用盤式剎車的典型結構如圖8.

17、16 盤式剎車通常由剎車盤、剎車鉗和液壓系統三大部件組成，其中液壓系統提供制動能量，剎車鉗是執行元件，剎車盤與剎車鉗上的剎車塊組成制動偶件。 按照剎車鉗缸零油壓時的制動狀態可分為常開式鉗和常閉式鉗。它們典型的制動工作原理如圖8.17所示。 對于常閉鉗制動方案(圖8-17a)，由于碟簧作用力可使剎車塊壓向剎車盤，因此增大進入鉗缸的油壓將抵消一部分碟簧作用力， 使制動力下降。反之，降低油壓，則可增加制動力 對于常開鉗制動方案(圖8-17b)，由于油壓作用力可使剎車塊壓向剎車盤，因此，增大進入鉗缸的油壓將使制動力增大，而降低油壓則將使制動力下降。 這樣，操作司鉆手柄，使進入鉗缸的油壓連續變化，可實現

18、對剎車制動力的連續調節。 鉆機盤式剎車全套工作鉗由工作鉗和應急鉗組成 。 前者用于正常鉆進操作(起下鉆，鉆進)過程； 后者作為安全保險用，亦稱安全剎車鉗。 剎車鉗的結構方案可分為杠桿式和固定鉗兩種，如圖(8.18)所示。杠桿鉗由一中心液缸推動雙活塞反向動作，通過杠桿機構對剎車塊加壓(圖8.18a，b 固定鉗由兩個對置液缸分居剎車盤兩側，分別通過活塞直接對剎車塊加壓(圖8.18c，.d)。 而上述的每一種又可分為常開式、常閉式兩類。 一般來說，絞車剎車工作鉗采用常開式的液壓加壓，而應急鉗采用常閉式的彈簧加壓。盤式剎車采用杠桿鉗以便利用杠桿增力倍數不致使液壓系統工作壓力過高，而采用固定鉗則可以使結

19、構緊湊，可靠性亦較高。 液壓系統的設計要保證在緊急情況下安全鉗回油，工作鉗進油而使它們同時剎止剎車盤(雙剎保險)，在油泵斷電時能利用儲能器臨時工作。2 2、盤式剎車特點、盤式剎車特點 與帶剎車相比，盤式剎車具有以下優點:1)1)剎車平穩、性能穩定、熱衰退性較小。剎車平穩、性能穩定、熱衰退性較小。 2)2)散熱好，散熱好，整體剎車盤，內部有水冷內腔，可把連續剎車產生的熱量很快帶到剎車盤外面，不使剎車盤過熱，摩擦系數穩定、使用壽命較長。摩擦系數穩定、使用壽命較長。 3)3)采用高合金鋼制造剎車盤，剎車盤表面具有較高采用高合金鋼制造剎車盤，剎車盤表面具有較高的硬度，耐磨性能好，使用壽命長，的硬度，耐

20、磨性能好，使用壽命長，更換易損件次數較少。 4)4)鉆井實踐表明:盤式剎車具有充足的具有充足的儲備剎車力矩，在水儲備剎車力矩，在水剎車或電磁渦流剎車剎車或電磁渦流剎車出現故障時，也能剎出現故障時，也能剎住最大載荷。住最大載荷。 司鉆的控制力小，司鉆的控制力小，具有靈敏的操作手感。具有靈敏的操作手感。5)5)液壓系統工作壓力為液壓系統工作壓力為6.85MPa6.85MPa，最大壓力為，最大壓力為13.7Mpa13.7Mpa，實際使用實際使用只需要四分之一的設計壓力就可以剎住最大只需要四分之一的設計壓力就可以剎住最大鉆柱載荷，使用安全可靠。鉆柱載荷，使用安全可靠。 6)6)盤式剎車容易控制和掌握，

21、剎車時沒有噪音，盤式剎車容易控制和掌握，剎車時沒有噪音，對環境污染較少，工人勞動條件改善。對環境污染較少，工人勞動條件改善。 7)7)更換方便，更換方便，更換剎車鉗最多不超過15分鐘，此外，由于剎車塊壽命長，更換次數也大大減少。更換次數也大大減少。 8)8)盤式剎車與自動送鉆裝置相結合，可實現優良盤式剎車與自動送鉆裝置相結合，可實現優良的自動送鉆功能。的自動送鉆功能。這種一體化技術，具有優良的鉆井性能和鉆井質量，還具有較好的各種技術經濟指標。 9)9)液壓控制系統還可實現遙控盤式剎車，液壓控制系統還可實現遙控盤式剎車，這一優點對于井口存在著危險的井進行鉆井是非常重要的，可以確保操作人員的安全。

22、 10)10)采用微機監控盤式剎車，采用微機監控盤式剎車，如果鉆機提升系統出現超速、超載荷或超位以及鉆機功率不足時，盤式剎車可以自動剎車，確保安全作業。8.4.48.4.4、輔助剎車、輔助剎車 由于鉆柱下放時要釋放巨大能量。隨著井深的增加，下鉆時釋放的能量愈來愈大，如果只是用絞車的機械剎車(主剎車)來吸收這個能量顯然是不能勝任的。因此各級鉆機包括大型修井機都采用輔助剎車裝置來輔助主剎車吸收鉆柱下鉆時所釋放的能量。 鉆機上曾廣泛使用水剎車作為輔助剎車，但它在低速運轉時制動扭矩非常低，不能滿足深井下鉆的需要。國內從八十年代起逐漸采用電磁場渦流剎車作為輔助剎車。我國制造的電磁渦流剎車已成為系列，正推

23、廣應用于各級鉆機。1、水剎車 水剎車的作用就是在下鉆時吸收鉆柱釋放的能量，控制鉆柱下鉆速度，保持鉆具以安全的速度均勻下放。圖3.27為水剎車典型結構 它主要由旋轉主軸6(可借助離合器與滾筒軸相連)及同定于其上的轉子3，固定在外殼內并對稱于轉子兩側的定子2、4，組成。 轉子和定子上都有很多呈輻射狀分布的直葉片。它們逆著下鉆時轉子旋轉方向成一角度(如45)，以加大水流對轉子葉片的阻力。兩葉片之間形成水室，下部有進水口，頂部有出水口。 下鉆時，滾筒軸帶動轉子旋轉，在轉子水室中的水受到離心力作用被甩向外緣，并受迫被導流入定子水室； 在定子水室中由外緣流向心部，然后又受迫被導流入轉子水室。于是水流形成小渦流循環于定子水室和轉子水室之間。 這樣，運動著的傾斜轉子葉片，迎面去切割高速循環的小渦流，受