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摘要 石油钻机配置盘式刹车制动系统的基本原则是制动系统工作可靠且具有良好的工艺特性。在此基础上，提出盘式刹车的刹车钳应由开式和闭式两种钳型组成，刹车制动系统由工作制动子系统、紧急制动子系统和驻车制动子系统组合而成，并指出制动系统应具有制动能力储备、安全保障系统和备用系统。同时，分析了ZJ50钻机盘式刹车制动系统的主要特点。
主题词 钻机 盘式刹车 制动系统 特性
制动系统是石油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深度与设计水平的重要方面。
配置制动系统的基本原则与要求
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。
1.刹车钳钳型选择
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。与直推对置式钳相比，浮式杠杆钳制动同步性好，间隙自动补偿容易，且结构简单［1］。因此，在钳型的选择上，首先应考虑选用浮式杠杆钳。
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。
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，但在系统设置上仍存在某些缺陷，从而导致制动性能的不足。
3.制动能力储备
作业安全可靠是钻井工程的首要问题。因此，制动能力储备系数是石油钻机盘式刹车设计必须考虑的问题。带式刹车由于制动能力有限，无法根据工艺需要配置制动力的储备量。盘式刹车则具有这样的优越条件。根据国外钻机盘式刹车及其它重型机械盘式刹车的配置经验［2］，笔者认为，对石油钻机特别是对深井钻机来说，盘式刹车工作制动子系统的制动能力储备系数应大于等于2，而紧急制动子系统的制动能力储备系数应大于等于3，驻车制动子系统制动能力储备系数则可依据驻车需要达到2或3。
4.安全保障系统
设置安全保障系统，对意外事件进行监控，并根据需要实施应急自动制动或发出报警信号，是对盘式刹车制动系统的又一要求。其监控功能主要包括天车防碰报警与制动、非正常油压报警与制动、油温报警及油路堵塞报警等。
5.备用系统
为了尽量减少故障停机时间，提高钻井时效，还需设置相应的备用系统，即对影响钻机工作的司钻阀和油泵等关键元器件按照冗余技术的要求进行配置。
ZJ50钻机盘式刹车制动系统
图1是根据上述原则与要求设计的ZJ50钻机盘式刹车制动系统原理图。
（图片）
图1 ZJ50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
系统的主要特点如下。
(1)工作制动子系统由司钻阀和开式钳组成，制动能力储备系数为2。
(2)紧急制动子系统由紧急阀控制闭式钳和开式钳接力制动。闭式钳首先泄压制动，接着系统给开式钳直接充压制动。开式钳制动滞后于闭式钳，滞后时间可调。该子系统的制动能力储备系数为3。这种设计可在不增加闭式钳数量的条件下，提高紧急制动系统的制动能力，减少紧急制动时的冲击。
(3)设置的驻车制动子系统在正常情况下提供驻车制动。它可用驻车阀直接控制开式钳充压制动，提供2倍的制动能力。需要时，还可再压下紧急阀，闭式钳泄压制动，此时制动能力储备系数是3。这种设置提高了该系统工作时应付各种不正常情况的能力，同时也可根据驻车时间长短的需要，实施不同的制动。
综上所述，石油钻机制动系统的性能直接影响钻井工程的质量与效益。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，是提高我国钻机盘式刹车技术水平的重要保障。
6/13/2004
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