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摘要分析石油钻机盘式刹车常开式与常闭式两种工作钳的受力时假设两种钳的制动力相同，刹车块与刹车盘之间的间隙相同，接触面积相同，所用弹簧相同。结果表明，常开钳的工作正压力随油压的升高而增大，常闭钳的工作正压力随油压的降低而增大，两种工作钳钳缸内的最大及最小油压值相当。因此，采用常开钳作为钻机盘式刹车的工作制动钳，具有易建立反馈力与制动力间的正比关系，钳缸可在较低的压力下工作以及对弹簧与密封的要求比较低等优点。
主题词石油钻机盘式刹车制动钳受力分析
受力分析
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。制动时刹车块与刹车盘之间的间隙为0,弹簧不再变形，弹簧力为定值。为方便分析，假设两种钳的制动力(最大正压力Nmax)相同，间隙Δ相同，刹车块与刹车盘的接触面积A相同，所用弹簧相同。弹簧力F是弹簧变形量f的函数，用F(f)表示。图1是常开钳工作状态简图。图中，f1是刹车钳完全松闸时弹簧的变形量，此变形量是弹簧的最小变形量。f2是刹车钳制动时弹簧的变形量，此变形量是弹簧的最大变形量。
常开钳制动时，活塞杆力平衡方程为
pA=F(f2)+N(1)
由于F(f2)是一定值，故正压力N随油压的升高而增大。当正压力N达到最大值Nmax时，油压也达到最大值pmax，可表示为
pmax=(F(f2)+Nmax)/A(2)
常开钳中弹簧的作用是克服摩擦力使活塞复位，故常开钳弹簧的弹簧力F(f2)不会很大。可认为pmax稍大于Nmax／A。 （图片）
图1常开钳工作状态简图
1—活塞；2—刹车块；3—活塞杆；4—刹车盘 常开钳松闸时，活塞杆力平衡方程式为
p1A=F(f1)(3)
由于f1＜f2，F(f1)＜F(f2)，故F(f1)很小，油压p1也很小。
图2是常闭钳工作状态简图。图中，f ′1是刹车钳制动时弹簧的变形量，此变形量是弹簧的最小变形量；f ′2是刹车钳完全松闸时弹簧的变形量，此变形量是弹簧的最大变形量。（图片）
图2常闭钳工作状态简图 f ′1与f ′2存在以下关系
f ′2=f ′1+Δ(4)
常闭钳制动时，活塞杆的力平衡方程式为
F(f ′1)=pA+N(5)
F(f ′1)为一定值，故正压力N随油压的降低而增大。当油压p=0时，正压力N达最大值Nmax=F(f ′1)，即常闭钳的最大制动力取决于弹簧的最小弹簧力。因此，常闭钳弹簧的最小弹簧力很大。
常闭钳松闸时，活塞杆的力平衡方程式为
pmaxA=F(f ′2)≈Nmax=F(f ′1)(6)
式中，F(f ′2)是常闭钳松闸状态时的弹簧力。 由于Δ很小，可认为F(f ′2)稍大于F(f ′1)。因此，常闭钳钳缸内的最大油压也稍大于Nmax/A。也就是说两种钳缸的最大油压值相当。
从上述分析可知，常开钳与常闭钳钳缸内所需的最大及最小油压差不多，即它们对油压的要求基本相同。但由于常开钳弹簧的作用是克服摩擦力使活塞复位，而常闭钳弹簧却要起到提供最大制动力的作用，因此常开钳的最大弹簧力和最小弹簧力都远远小于常闭钳的最大弹簧力和最小弹簧力。
制动力的反馈
司钻熟悉的操作手感是反馈力大，制动力大；反馈力小，则制动力小。由于盘式刹车刹车钳的制动力由油压调节，油压的大小可以反映制动力的大小，故可将油压作为反馈信号引到司钻阀手柄上。从国外盘式刹车的资料来看，国外的司钻阀正是利用液压反馈使司钻阀具有操作手感的。
常开钳所提供的制动力与钳缸内的油压成正比，如果将油压作为反馈信号引入到司钻阀上，容易建立起反馈力与制动力之间的正比关系。而常闭钳所提供的制动力与钳缸内的油压成反比，即油压大，制动力小；油压小，制动力大。若直接将油压反馈到司钻阀手柄上，则反馈力与制动力成反比。因此，对于常闭钳，不易直接将油压作为反馈信号引到司钻阀上。
钳缸工作压力对比
为保证工作制动钳制动可靠，在设计工作制动钳时，一般应使其所能提供的制动力矩Mmax(刹车机构的制动能力)大于所需的最大制动力矩M0。以国外石油钻机盘式刹车系统为例，其工作制动钳所能提供的制动力矩为其钻井作业中所需最大制动力矩的两倍，即Mmax＝2M0。因此，在钻井作业中，工作制动钳的实际制动力矩M＜Mmax／2。
由于常开钳与常闭钳钳缸内的最大油压值相当，可近似认为它们的最大油压都为pmax。由于常开钳所提供的制动力矩M与所需油压p成正比，且M＜Mmax／2，这就意味着工作制动钳钳缸内的压力p＜pmax／2，p较低，因此常开钳作为工作制动钳时，一般在低压下工作。常闭钳正好与常开钳相反。常闭钳所提供的制动力矩M与所需的油压p成反比，M＜Mmax／2，这就意味着工作制动钳钳缸内的压力p较高，即pmax／2＜p＜pmax，因此常闭钳作为工作制动钳时，一般在高压下工作。
如果刹车机构的最大制动力矩等于所需制动力矩，即Mmax=M0，由于钻机大钩平均载荷为最大起重量的40％左右，由大钩载荷与制动力的关系可知，平均制动力矩为最大制动力矩的40％左右。也就是说，工作制动钳提供小制动力矩的情况比提供大制动力矩的情况多。因此，常开钳作为工作制动钳，在低压下工作比在高压下工作的时间多，而当常闭钳作为工作制动钳时，在高压下工作比在低压下工作的时间多。此外，刹车钳工作时，钳缸内的活塞和钳缸之间将产生相对运动。显然常开钳在油压较低的情况下产生相对运动，常闭钳则在油压较高的情况下产生相对运动。可见，二者的动密封条件是不同的。因此钻机盘式刹车应选用常开钳作为工作制动钳。
7/6/2004
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