1、石油机械设备1第二章 钻机起升系统石油机械设备2概述概述 钻机的起升系统实质上是一台重型起重机，它是钻机的核心。它主要由井架钻井架、天车、游车、大钩、游动系统钢绳、绞车和辅助刹车等设备组成。起升系统的作用主要是起下钻具、下套管、控制钻头送进等。石油机械设备32.1 井 架石油机械设备4 井架是一种具有一定高度和空间的金属桁架结构。井架是钻采机械的重要组成部分。它在钻井或修井过程中，用于安放天车，悬挂游车、大钩、吊环、吊卡等机具，以及起下、存放钻杆、油管及抽油杆，并需承受井中钻柱重量。因此，对井架的要求如下：石油机械设备5 1)应具有足够的强度、刚度和整体稳定性。以保证起下一定深度的钻杆柱、套管
2、或油管柱。石油机械设备6 2)有足够的工作高度和空间，足够的钻台面积。工作高度大，起下立根长度长，速度快，可节省时间。井架上下底应有必要的尺寸，以安装天车，并保证起下操作时游动系统设备畅行无阻；便于在钻台上布置设备，安放工具，方便工人操作，使司钻有良好的视野。石油机械设备7 3)应保证拆装方便，安全，移动迅速。为此，结构应简单、轻便，并尽可能采用分段或整体运输，水平安装及整体起放的安装移运方法。石油机械设备82.1.1概述1.井架的基本组成 主要包括：井架主体，天车台，二层台，立管平台，工作梯。2.井架的基本参数 井架的基本参数是反映井架特征和性能的技术指标，亦是设计、选择和使用井架的依据。基
3、本参数主要包括：井架高度、最大钩载、二层台立根容量、抗风能力等。石油机械设备93.井架型号 井架型号的组成：JJ(表示井架)、最大钩载/井架高度-井架型式、改进序号2.1.2井架结构类型 井架按其主体结构形式可分为四种基本类型：塔形井架；A形井架；桅形井架；前开口井架。石油机械设备101塔形井架 塔形井架是一种横截面为正方形或矩形的四棱截锥体空间桁架如图所示。石油机械设备11 井架主体由四扇平面梯形桁架组成,每扇又分为若干桁格，同一高度的四面桁格在空间构成井架的一层，故整个井架也可视为由多层空间桁架组成。石油机械设备12塔形井架的主要特点：(1)井架主体部分为封闭结构，整体稳定性好，承载能力大
4、。(2)整个井架由许多单一构件用螺栓联接而成，制造简单，运输方便。(3)井架内部空间大，起下操作方便，安全。(4)拆装工作量大，高空作业不安全，搬迁不方便。石油机械设备13 塔形井架适用于较少搬迁而要求承载能力大，稳定性好的钻机，如海洋钻机、超深井钻机。石油机械设备142.前开口井架 前开口井架亦称为形井架，如图所示。其主要结构特征是：1)整个井架主体是35段焊接结构组成。段间采用锥销定位和螺栓联接。石油机械设备15石油机械设备16 2)通常采取水平拆装，整体起落和分段运输的办法搬迁井架。搬迁方便、安全、迅速。石油机械设备17石油机械设备18 3)因受运输尺寸限制，井架主体截面尺寸较小，使井架
5、内部空间比较狭窄。为了方便游系设备上下运行和立根排放，井架主体作成前扇敞开，横截面为开口矩形(即形)的不封闭空间结构，其整体稳定性较塔形井架差而较A形井架优。有的前开口井架最上段作成四边封闭结构以增强其稳定性。石油机械设备19 4)井架各段两侧桁架结构形式相同，背扇则采用特殊腹杆布置形式，如菱形，以保证司钻视野良好。由于前开口井架具有结构简单，移运、搬迁方便、良好的承载能力和整体稳定性，而成为应用最广泛的陆地钻机井架。如美国陆地钻机几乎全部采用前开口井架。我国制造的各种钻机(从1560)都可以配置此类井架。石油机械设备203.A形井架 它是由两个等截面的空间杆件结构或管柱式结构的大腿靠天车台和
6、二层台及附加杆件连接而成的“A”字形空间结构。石油机械设备21 大腿的前方或后方有撑杆支承，或在后方用人字架支承。整个井架仍和前开口井架一样，采取地面水平组装，整体起放，分段运输。两个大腿都是由35段封闭的焊接结构用螺栓联结的整体结构。大腿断面依所选型材不同，而采取不同的截面形状，一般为矩形或三角形。撑杆有杆系柱结构，矩形断面或管柱结构。石油机械设备22 A形井架的每根大腿都是封闭的整体结构，承载能力强和稳定性好。井架内部空间大，钻台宽敞，司钻视野开阔。由于两腿间联系较弱，致使井架整体稳定性较差。石油机械设备23石油机械设备24 下图是A形井架利用本身的撑杆来起放井架，安装方便，起放平稳。但撑
7、杆在起放时要在大腿上滑动，且撑杆受力复杂，故井架大腿和撑杆结构较复杂。石油机械设备254桅形井架 桅形井架是一节或几节杆件结构或管柱结构组成的单柱式井架，有整体式和伸缩式两种。这种井架一般利用液压缸或绞车整体起放，分段或整体运输，拆装移运很方便。石油机械设备26石油机械设备27石油机械设备28 由于井架横截面尺寸小，为了避免游系设备上下运行不便，并适应井架伸缩或折叠的需要，井架前扇一般做成部分或全部敞开的形截面结构。同时井架工作时也向井口方向前倾(倾角一般在7以内)。因此，绷绳成了井架不可缺少的基本支承之一，是桅形井架整体结构的主要特征。桅形井架结构简单，轻便，但承载能力小，只用于车装轻便钻机
8、和修井机。石油机械设备292.1.3典型自升式井架简介 JJ450/45-K4、JJ300/43-A和JJ225/43-KC1三种井架的结构特征、现场安装拆卸和起升方法及规程。2.1.4井架的维护和保养 井架的润滑、维护保养的要点和规程，以及注意事项。石油机械设备302.2 钻机的游动系统石油机械设备312.2.1概述 钻机的游动系统由天车、游车、钢丝绳和大钩组成。它实质上是用钢丝绳把天车和游动滑车联系起来组成的动滑轮系统。它可以大大降低快绳拉力，从而大为减小钻井绞车上的载荷。通常所说的游动系统结构，指的是游车轮数天车轮数。如“游动系统56”，即表示游车轮数为5，天车轮数为6。石油机械设备32
9、2.2.2游动系统钢丝绳与滑轮力学分析1.运动分析 起下钻的目的是为了更换新钻头，继续钻进。为了提高钻井效率，要充分利用绞车功率，以缩短起下钻时间。为此，首先要了解起下钻过程的运动规律和大钩载荷变化规律。如图2-1所示，设V为大钩速度，V1V6 为各段钢绳速度，Vf和Vd 为快绳和死绳速度，Z为有效绳数，D为滑轮直径,V和n为天车滑轮旋转的线速度和转速。石油机械设备33图图2-1 2-1 游动系统运动和钢丝绳拉力分析图游动系统运动和钢丝绳拉力分析图a aF F1 1F F2 2F F3 3F F4 4F F5 5F F6 64 4F Ff fV Vf f0 0F Fd dV Vd db bc
10、cV V1 1V V2 2V V3 3V V4 4V V5 5V V6 6石油机械设备34则钢绳速度依次为：Vf=V1=6V=ZV;V2=V3=4V;V5=V4=2V;V6=Vd=0 （2-1）天车滑轮速度依次为：V1=ZV，n1=60ZV/(D);V2=4V，n2=604V/(D);V3=2V，n3=602V/(D);V4=0，n4=0;（2-2）石油机械设备35由上述分析及(2-1)和(2-2)式可见：其一，在起下钻过程中，快绳侧的钢丝绳运动速度明显高于死绳侧，其弯曲次数比死绳侧要多出数倍，快绳侧钢丝绳会疲劳断丝或断芯。当钢丝绳一个螺距上断丝数达到绳中全部钢丝数10%，或者钢绳断芯致使钢绳
11、直径小于原始直径的75%时，应将此段钢绳报废，即将报废段钢丝绳斩断，由死绳端储绳卷筒中放出新绳，重新固定在滚筒上。石油机械设备36 其二，在起下钻过程中，快绳一侧的滑轮转速要比死绳一侧高数倍，所以愈靠近快绳处的滑轮轮槽及滑轮轴承磨损愈严重。因此当对天车、游车进行检修时应将其滑轮及轴承进行倒换，即把靠近死绳侧的滑轮及轴承与靠近快绳侧的滑轮及轴承对换，以均衡它们的寿命。当轮槽磨损严重或已经出现波纹状沟痕时，应更换滑轮，以延长钢绳的寿命。石油机械设备372.动力分析 三种工况：大钩悬重静止、大钩起升、大钩下放。如图2-1所示，设：Qs，s为起升时游动系统起重量和效率；Qh为钩载；Gs为游动部件常量；
12、Ff，F1，F2，Fz，Fd为快绳、各游绳和死绳的拉力；Qs，s为下钻时游动系统起重量和效率；Ff，F1，F2，Fz，Fd为下钻时快绳、各游绳和死绳的拉力。1）当大钩悬重静止时，各段游绳拉力相等，即：Ff=F1=F2=Fz=Fd；Qs=Qh+Gs=F1+F2+Fz=ZFf；Ff=Qs/Z （2-3）石油机械设备38 在大钩起升和下放时，钢绳处于运动状态，由于钢绳与滑轮轮槽间和滑轮轴承的摩擦阻力和钢绳内部的摩擦阻力(弯曲阻力和由于弯直变化而产生的僵性阻力)，使各绳拉力发生了变化。2）当大钩起升时，有：FfF1F2FzFd 设为一个绳轮的效率，则快绳拉力为 Ff=Qs(1-)/(1-z)（2-4）
13、游动系统效率为：s=(1-z)/Z(1-)（2-5）可见，有效绳数越多，游动系统效率越低。石油机械设备393）当下钻时，有：FfF1F2FzFd 则快绳拉力为 Ff=Qsz(1-)/(1-z)（2-6）游动系统效率为：s=Zz(1-)/(1-z)（2-7）由上述分析可见，在起钻和下钻时各游绳拉力是不同的，其中起钻时快绳拉力为最大。当Z相同时可取s s，即：s=s=（z+1）/2 （2-8）石油机械设备40表2-1给出了钻机游动系统的效率值，可直接选取。表表2-1 2-1 游动系统效率游动系统效率石油机械设备412.2.3天车 天车是安装在井架顶部的定滑轮组(见图2-2)。石油机械设备42 天车
14、主要由天车架、滑轮、轴承、轴承座和辅助滑轮等零部件组成。石油机械设备43 天车架是由钢粱焊接的矩形框架，用以安装天车滑轮轴并与井架顶部相连接（如下图所示）。石油机械设备441.天车的结构特点 三种基本结构形式：滑轮轴共轴线，并且各滑轮相互平行；滑轮轴线平行，快绳滑轮在另一根轴上；滑轮轴不共轴线，并且快绳滑轮相偏斜。2.天车的技术规范 技术规范中所列参数包含：最大钩载、滑轮数、滑轮尺寸、重量、安装尺寸。石油机械设备45 TC-350天车六个滑轮分为两组，中间由一个轴套隔开。快绳滑轮安装在两组天车滑轮之间的前上方，便于快绳直接从井架外侧引向滚筒。滑轮轴承为双列园锥滚子轴承，用锂基黄油润滑，每个轴承
15、都单独有一个钻在滑轮轴上的润滑油通道。图图2-2 TC-3502-2 TC-350天车天车石油机械设备462.2.4游车 游车是靠钢绳悬在井架内部作上下往复运动的动滑轮组。(见图23)石油机械设备47图图2-32-3YC-350YC-350游车游车石油机械设备48 图2-2，2-3所示的TC-350天车和YC-350游车都配用于国产45级别钻机上，它们可配用具有不同规格的轮槽形状的滑轮，便于分别用11/4in，138in或32.5mm，33.5mm，34.5mm的钢丝绳，以适应我国油田目前所用钢丝绳规格较多的状况。石油机械设备492.2.5大钩 大钩悬挂在游车下面。石油机械设备50 钻机大钩一
16、般皆为三钩，主钩悬挂水龙头，副钩悬挂吊环。大钩主要由钩身、钩杆、钩座、提环、止推轴承和弹簧组成。石油机械设备511.钻井工作对大钩的要求：1)应具有足够的强度和工作可靠性；2)钩身能灵活转动，以便上、卸扣；3)大钩弹簧行程应足够补偿上、卸扣时钻杆在垂直方向上的位移；4)钩口和侧钩的闭锁装置应绝对可靠，启闭方便；5)具有缓冲减振功能，能减小拆卸立根时的冲击。石油机械设备522.大钩结构特点：钻井大钩有两大类：一类是独立大钩，可与游车分开拆装；一类是游车大钩，游车和大钩为整体结构，二者不能分开。DG-350大钩如图2-4所示，主要配备于 ZJ45级钻机。图图2-4 DG-3502-4 DG-350
17、大钩大钩石油机械设备53 DG-350大钩的吊环1与吊环座3由销轴2连接，吊环座3与大钩中心处的钩杆13焊接在一起，筒体7和钩身8用左旋螺纹连接，并用止动块防止螺纹松动。钩身和筒体可沿钩杆上下运动，筒体内装有5、6两个压缩弹簧。石油机械设备54 在工作时，大钩下的钻柱载荷通过钩身作用在筒体上，使弹簧5、6压缩，通过筒体的台阶端面作用于固定在钩杆上的止推轴承16的座圈15上，从而使大钩载荷通过提环作用于游车上。压缩弹簧在起钻时能使立根松扣后向上弹起。石油机械设备55 DG-350大钩筒体内装有机油。止推轴承上座圈将油腔分为两部分，座圈上开有油孔使两部分油腔相通。由于油流通过孔道的阻尼作用，吸收了
18、起下作业时钩身的冲击振动，可防止钻杆接头螺纹损坏。石油机械设备56 筒体上端有一个由六个小弹簧和定位盘4组成的定位装置，它的作用是借助定位盘与吊环座环形接触面间的摩擦力，防止提升空吊卡时钩身相对提环转动，以便于二层台井架工操作。石油机械设备57 DG-350大钩的转动锁紧装置17可以在圆周任一位置将钩身锁住。当把“止”端手把向下拉时，锁紧装置中的制动轮嵌入大钩锁环的凹槽内，使钩身不能相对提环转动。当将“开”端的手把向下拉时，制动轮脱出大钩锁环凹槽并被卡住，钩身即可转动。石油机械设备582.3 钻井绞车石油机械设备59石油机械设备60石油机械设备61石油机械设备62 钻井绞车不仅是起升系统的执行
19、部件，而且也是整个钻机的核心设备，是钻机三大工作机之一。石油机械设备632.3.1概述1.钻井绞车的功用(1)用以起下钻具，下套管；(2)钻进过程中控制钻压，送进钻具；(3)借助猫头进行上、卸钻具丝扣，起吊重物及进行其它辅助工作；(4)作为转盘的变速机构或中间传动机构；(5)整体起放井架。石油机械设备642.钻井绞车的组成 根据上述功用，尽管各型绞车结构上各式各样，但究其实质一般都由以下几部分组成：石油机械设备65(1)滚筒、滚筒轴总成，这是绞车的核心工作部件。滚筒应有足够的容绳量，保证缠绳状态良好以延长钢绳寿命；石油机械设备66(2)绞车具有灵敏可靠的主刹车机构及性能良好的辅助刹车，使其能准
20、确地调节钻压，均匀送进钻具，在下钻过程中随意控制下钻速度和省力地将最重钻柱载荷刹住；下图为刹车机构示意图。石油机械设备67(3)猫头和猫头轴总成，用以满足用大钳上、卸扣和其它辅助起重的需要。有的猫头轴上还装有捞砂滚筒，用以提取岩心筒；石油机械设备68(4)传动变速系统，引入并分配动力和传递运动，提供足够的档速；(5)控制系统，包括牙嵌、齿式、气动离合器。它们一般都属于钻机控制系统的组成部分；(6)润滑系统，包括黄油润滑、滴油润滑和密封、飞溅或强制润滑；(7)支撑系统，有焊接的框架式支架或密闭箱壳式座架。中型绞车整体运输，其重量约在10吨以内;重型和超重型绞车要拆散成单元运输，运输的单元应在15
21、吨以内，以便移运。石油机械设备692.3.2钻井绞车的技术特性参数 钻井绞车的特性参数有绞车功率，快绳拉力，钢丝绳直径，档数，各档转速，滚筒的直径和长度，刹车毂直径等。2.3.3现代绞车的结构方案 绞车的传动方案决定了它的结构类型，按绞车轴数大致可归纳为：单轴、双轴绞车（一般需配变速箱）；三轴和多轴绞车；独立猫头绞车；电驱动绞车。石油机械设备70 1.单轴绞车和双轴绞车：这类绞车的特点是猫头直接装在滚筒轴两端，滚筒活装在滚筒轴上。为了提供不同的起升速度，在绞车外面设置变速箱分别传动绞车和转盘。下图为C-1500型钻机绞车示意图。石油机械设备71 单轴绞车结构简单，功率小，重量轻，移运方便，如C
22、-1500型钻机绞车(下图)就是这种类型。其缺点是猫头转速偏高，位置过低，操作不便，且滚筒档速不能独立安排，影响起下钻速度。石油机械设备72双轴绞车(如左图）双轴绞车由猫头轴和滚筒轴组成，由于猫头和滚筒分轴，使猫头的速度和位置都得到改善，解决了猫头的操作不便问题。其仍然采取外变速方案。如ZJl5D和ZJ20-2型钻机采用此方案以使绞车结构简单，重量轻，便于移运。石油机械设备732三轴绞车 这类绞车的特点是在双轴绞车的基础上增加了引入动力的传动轴，且猫头轴亦参加变速传动。大庆130钻机和ZJl30-1采用的JCl14.5绞车即属此类(下图)。石油机械设备74 它能实现相互独立的三个低速档和一个高
23、速档。由于三轴之间空间较大，不能设置倒档，该型钻机在机房设置有倒档齿轮箱。由于变速机构也兼顾转盘，取消了外变速箱，但绞车本身却复杂了，重达20吨，移运时折成三轴一架四个单元运输，移运和安装都不方便。石油机械设备753.多轴绞车 左图所示为JC-45绞车。石油机械设备76 将四轴以上的绞车称为多轴绞车，其特点是猫头轴不参加变速传动，猫头中间空出来的位置可加装辅助捞砂滚筒，而另设中间轴解决变速和传动的要求。一般可实现6正2倒的滚筒速度，ZJ32J、ZJ45、ZJ45J、ZJ60D等国产钻机都采用这一方案。石油机械设备77 2.4 绞车的刹车机构石油机械设备78 钻井绞车的刹车包括主刹车和辅助刹车。
24、主刹车用于各种刹车制动，辅助刹车仅用于下钻时将钻柱下放速度刹慢。主刹车是机械式的，主要采用带刹车，即通常所说的刹车机构。盘式刹车以良好的性能正逐渐为钻井绞车所接受。由于带式刹车结构简单，使用方便，因而今后相当长的时间内完全有可能是带刹车和盘式刹车并存。图2-5所示为PS系列盘式刹车。石油机械设备79图图2-5 PS2-5 PS系列盘式刹车系列盘式刹车石油机械设备80 机械刹车的功用是刹慢或刹住被钻柱载荷所带动的滚筒，达到控制滚筒转动，以调节钻压，送进钻具，控制下钻速度或达到悬持钻具的目的。钻井过程中司钻总是手不离刹把，如果刹车机构不够灵活省力，将加重司钻的体力劳动强度，带来操作不便。同时刹车不
25、可靠容易引发重大溜钻事故，造成设备损失，井下事故，甚至危及人身安全。所以机械刹车是绞车上最重要的部件，因此要求它灵活省力，安全可靠，寿命长。石油机械设备812.4.1带刹车的结构原理1.带刹车的结构组成 主要由控制部分、传动部分、制动部分平衡梁和气刹车等组成。图2-6所示为单杠杆刹车机构。图图2-6 2-6 单杠杆单杠杆 刹车机构刹车机构石油机械设备82石油机械设备832.刹把调节与刹带、刹车块的调整 随着刹车块磨损量的增加，刹把终刹位置逐渐降低，影响操作时就需调节刹带使刹把终刹位置恢复至合适高度。当磨损到一定程度后，刹车带需进行整圆或更换新带。刹车块磨损量达到一定厚度时就要更换。3.刹车机构
26、的润滑 要按规定对各部件注入润滑脂或润滑油，保持机构润滑状况良好。石油机械设备842.4.2带刹车机构的基本计算1.绞车的工作计算 1）滚筒的缠绳直径 滚筒任意一层缠绳直径可表示为：De=D0+d+2(e-1)d （2-9）式中 D0为滚筒直径；e为缠绳层数；De为任意一层(或最外层)缠绳直径；为修正系数；d为钢绳直径。2）滚筒的平均工作直径为：Da=(D2+De)/2 （2-10）式中 D2为第二层缠绳直径；De为最外层缠绳直径。石油机械设备85 3）滚筒缠绳总长为：L=D1n+Zl （2-11）式中 D1为第一层缠绳直径；n为层缠绳圈数；Z为有效绳数；l为立根长度。4）快绳速度为：Vfmi
27、n=D2n/60 （2-12）Vfmax=Den/60 （2-13）Vfa=Dan/60 （2-14）5）大钩速度为：Vfmin=Vfmin/=D2n/60Z （2-15）Vfmax=Vfmax/Den/60Z （2-16）Vfa=Vfa/Dan/60Z （2-17）石油机械设备862.绞车的制动计算 下钻操作的特点是在起钻过程中作为系统负载的钻柱载荷成为下钻过程中系统的动力，带动整个系统运动，而绞车上必须装置包括机械刹车和辅助刹车的制动装置来吸收钻柱下放时释放的能量。图图2-6 2-6 下钻操作示意图下钻操作示意图石油机械设备87 制动装置把吸收的能量转变为热能逸散到冷却水或空气中。石油机械
28、设备88 开始下钻前要稍提钻柱，撒掉吊卡(或卡瓦)，摘开离合器，刹住钻柱。下钻开始时，司钻将刹把抬起，完全松开刹带，整个系统在钻柱作用下以接近自由落体加速度加速。到此时开始刹车，由于制动装置即滚筒吸收了能量，随着制动力矩的增大，下落加速度逐渐减小。图图2-7 2-7 下钻示意图下钻示意图石油机械设备89 当钻柱下放至接近立根行程终点时，司钻压住刹把减速下放，此时制动装置制动力矩大于钻柱静力矩，加速度为负值（惯性力为正，向下）。直至到达终点，完全刹住钻柱。MM静M动石油机械设备90 一般安全操作时下钻速度应控制在22.5米秒以内。在不具备安全可靠，灵活的刹车装置的情况下，下钻速度过大，容易发生溜
29、钻砸转盘事故，损坏设备。显然，如果钻柱下放速度较大，且在下放终点前急刹车，就会产生很大的冲击载荷。因此，司钻在下钻行程结束前45米就开始刹车减速，降低钻柱的下放速度，然后刹住钻柱，这样就可以把冲击载荷减小到最低限度。石油机械设备911）制动力的确定石油机械设备92（1）最大制动力矩 由于减速下放所产生的惯性力矩，当下钻终了刹住钻柱时刻的制动力矩达到最大。最大制动力矩为：Mmax=M静=(QsD2)/(2Z)sd (2-18)（2）最大制动力 Mmax=FbmaxDd/2，即 Fbmax=Fb=(QsD2)/(ZDd)sd (2-19)石油机械设备93 式（2-18）和（2-19）中的为动载系数
30、，其值取决于下钻操作。这是因为最大制动力矩产生于钻柱刹止时，此时作用在快绳上的载荷为钻柱的静载荷、惯性载荷、振动载荷及冲击载荷。其中上述前三种载荷与操作无关，而刹止时的冲击载荷则完全取决于下钻操作，当下钻速度低(如以1 ms速度下放)，行程结束前提前45米就开始减速平稳刹住钻柱，冲击载荷很小，1.5；如以高速(2ms)下放，并在终点急刹车，冲击载荷较大，2.5。石油机械设备942）刹带两端的拉力 刹带两段端拉力的关系：T=teua 制动力与两端拉力的关系：T=t+Fb 所以得：tmax=Fbmax/(eua-1)Tmax=Fbmaxeua/(eua-1)3）刹车杠杆传动比刹车杠杆指刹把、曲拐轴
31、、曲拐连杆等构件，其作用是将刹把上的操作力放大若干倍以满足刹止钻柱时活端总拉力t的需要。（1）单杠杆刹车机构为：i=t/F=(l/r)cos/sin(+)(2-20)（2）双杠杆刹车机构为：i=t/F=(l/r)b(cos)/asin(+)(2-21)石油机械设备95下图为单刹车机构结构示意图。石油机械设备96图图2-8 2-8 单杠杆带刹车机构示意图单杠杆带刹车机构示意图石油机械设备97图图2-9 2-9 双杠杆带刹车机构示意图双杠杆带刹车机构示意图石油机械设备98 刹车机构主要由制动部分(刹带1，刹车鼓2)、控制部分(刹把4)、传动部分(传动杠杆或称刹车曲轴3)、辅助部分(平衡梁6和调整螺
32、钉7)、气刹车等组成。石油机械设备99 刹车时，操作刹把4转动传动杠杆3通过曲拐拉曳刹带1活端使之抱紧刹车毅。刹把4同时转动司钻阀5以启动、调节气刹车8的气缸压力。气刹车对传动杠杆的作用与刹把相同，故起省力作用。石油机械设备100平衡梁是用来均衡左右两刹带的松紧程度，以保证它们受力均匀。当刹车块磨损使刹带与刹车鼓之间的初始间隙增大，导致刹把刹止角过低时，可通过调整螺钉调整到合适的初始间隙。石油机械设备101 刹带由弹簧钢板制成，用带弹簧的螺钉挂在绞车外壳上，松开刹车时，弹簧使刹带均匀脱离刹车鼓;刹车块铆接在刹带上，它由耐热、耐磨，具有较大摩擦系数的石棉塑胶或石棉编制品压制而成。石油机械设备10
33、2通过上述分析，可以得出以下结论:1)带刹车的制动力矩与刹带和刹车鼓之间的围抱角和摩擦系数有关。对于采用单杠杆机构的带刹车，常采用较大的围抱角(如 11/6)。即使如此，在刹住最大钻柱时，也需很大的刹把力。2)采用双杠杆机构既省力，又安全。3)结构简单紧凑，便于维修。4)只能用于单向制动。5)活动端和固定端刹车块磨损不一致。石油机械设备1032.4.3液压盘式刹车的结构组成与工作原理 目前国内外在用的石油钻机绞车上，广泛应用着带刹车系统。但由于带刹车系统的固有工作特性的限制，已不能充分满足深井和超深井作业和紧急状态下刹车的需要，例如:刹车力矩不足，性能不稳定，操作费力，刹车不灵敏，耐热衰减性能
34、差等，致使在钻井作业或紧急状态刹车时时有溜钻和顿钻事故发生。所以，安全、方便、灵敏的新型盘式刹车应运而生。石油机械设备104 盘式刹车为盘钳式液压刹车，数十年前即已在机车，汽车，飞机及矿山提升机等获得了成功运用。它已被成功地引入到了钻井绞车。现国外的盘式刹车绞车已完成系列化推广运用工作。国内从90年代开始研制盘式刹车，先在修井机绞车上使用，后来开始引入钻井绞车，现国内新生产的40级别(包括ZJ40/2250)以下的钻机绞车主要配用盘式刹车，同类级别在用钻机绞车刹车也开始进行改装，超重型钻机盘式刹车绞车已研制成功。图2-10所示，为SY-PS盘式刹车。石油机械设备105图图2-10 SY-PS2
35、-10 SY-PS盘式刹车盘式刹车石油机械设备106石油机械设备107 根据技术发展预测，随着石油钻机绞车盘式刹车的技术发展，在新设计的绞车中会主要采用盘式刹车，而在用绞车亦将逐步改造成盘式刹车，盘式刹车取代刹车的进程将逐步加快。石油机械设备1081.液压盘式刹车的结构组成 液压盘式刹车由刹车盘、开式刹车钳（安全钳）、闭式刹车钳（工作钳）、钳架、液压动力源、控制系统等组成。其中液压系统提供制动能量，刹车钳作为执行元件，刹车盘与刹车钳上的刹车块组成制动偶件。如图2-11所示，为钻井绞车用盘式刹车的典型结构。石油机械设备109图图2-11 2-11 钻井绞车用盘式刹车的典型结构钻井绞车用盘式刹车的
36、典型结构石油机械设备110石油机械设备111石油机械设备112下图是盘式刹车的刹车盘石油机械设备113图图2-12 502-12 50钻机上的刹车钳及钳架钻机上的刹车钳及钳架石油机械设备114石油机械设备115石油机械设备1162.刹车系统工作原理 按照刹车钳缸零油压时的制动状态可分为常开式钳和常闭式钳。它们典型的制动工作原理如图2-13所示。石油机械设备117图图2-13 2-13 盘式刹车钳工作原理盘式刹车钳工作原理 对于常闭钳制动方案(图2-13a)，由于碟簧作用力可使刹车块压向刹车盘，因此增大进入钳缸的油压将抵消一部分碟簧作用力，使制动力下降。反之，降低油压，则可增加制动力。石油机械设
37、备118 对于常开钳制动方案(图2-13b)，由于油压作用力可使刹车块压向刹车盘，因此，增大进入钳缸的油压将使制动力增大，而降低油压则将使制动力下降。这样，操作司钻手柄，使进入钳缸的油压连续变化，可实现对刹车制动力的连续调节。图图2-13 2-13 盘式刹车钳工作原理盘式刹车钳工作原理石油机械设备119 钻机盘式刹车全套工作钳由工作钳和应急钳组成。前者用于正常钻进操作(起下钻，钻进)过程；后者作为安全保险用，亦称安全刹车钳。刹车钳的结构方案可分为杠杆式和固定钳两种，如图2-14所示。杠杆钳由一中心液缸推动双活塞反向动作，通过杠杆机构对刹车块加压(图2-14a，b)。固定钳由两个对置液缸分居刹车
38、盘两侧，分别通过活塞直接对刹车块加压(图2-14c，d)。上述的每一种又可分为常开式和常闭式两类，如图2-15所示。石油机械设备120图图2-15 2-15 刹车钳的结构方案刹车钳的结构方案石油机械设备121图图2-15 2-15 刹车钳的结构方案刹车钳的结构方案石油机械设备122图图2-15 2-15 刹车钳的结构方案刹车钳的结构方案石油机械设备123 一般来说，绞车刹车工作钳采用常开式的液压加压，而应急钳采用常闭式的弹簧加压。盘式刹车采用杠杆钳以便利用杠杆增力倍数不致使液压系统工作压力过高，而采用固定钳则可以使结构紧凑，可靠性亦较高。液压系统的设计要保证在紧急情况下安全钳回油，工作钳进油而
39、使它们同时刹止刹车盘(双刹保险)，在油泵断电时能利用储能器临时工作。石油机械设备1243.液压盘式刹车的特点 与带刹车相比，盘式刹车具有以下优点:1)刹车平稳、性能稳定、热衰退性较小。2)整体刹车盘，内部有水冷内腔，可把连续刹车产生的热量很快带到刹车盘外面，不使刹车盘过热，具有较好的刹车性能、摩擦系数稳定、使用寿命较长。3)采用高合金钢制造刹车盘，刹车盘表面具有较高的硬度，耐磨性能好，使用寿命长，更换易损件次数较少。石油机械设备125 4)钻井实践表明:盘式刹车具有充足的储备刹车力矩，特别是在水刹车或电磁涡流刹车出现故障时，也能刹住最大载荷。司钻的控制力小，具有灵敏的操作手感。石油机械设备12
40、6 5)液压系统工作压力为6.85MPa，最大压力为13.7Mpa，实际使用只需要四分之一的设计压力就可以刹住最大钻柱载荷，使用安全可靠。石油机械设备127 6)盘式刹车容易控制和掌握，刹车时没有噪音，对环境污染较少，工人劳动条件改善。石油机械设备128 7)更换刹车钳最多不超过15分钟，此外，由于刹车块寿命长，更换次数也大大减少。8)盘式刹车与自动送钻装置相结合，可实现优良的自动送钻功能。这种一体化技术，具有优良的钻井性能和钻井质量，还具有较好的各种技术经济指标。石油机械设备129 9)液压控制系统还可实现遥控盘式刹车，这一优点对于井口存在着危险的井进行钻井是非常重要的，可以确保操作人员的安
41、全。10)采用微机监控盘式刹车，如果钻机提升系统出现超速、超载荷或超位以及钻机功率不足时，盘式刹车可以自动刹车，确保安全作业。石油机械设备1304.盘式刹车的发展 盘式刹车经过十多年的实践，基本结构没有大的变化，其中发展主要体现于以下方面:1)刹车盘的结构改进：除有风冷和水冷结构之外，由于刹车力矩储备较大，在中小型石油钻机中，有可能减少为一个刹车盘。只用一个刹车盘，简化刹车结构、降低成本、提高指标。2)刹车钳的结构改进：取消双活塞液缸和杠杆增力机构，改为两个液缸直接控制刹车块。将工作刹车钳由常开式改为常闭式结构，用工作刹车钳代替紧急刹车钳。在每个刹车盘上只用一种常闭式工作刹车钳。减少品种、通用
42、性和互换性好，易损件储备品种也大大地减少。石油机械设备131 3)自动送钻与盘式刹车一体化技术：这种一体化技术是继盘式刹车问世以来，又派生出来的一种新技术，它具有送钻更均匀、钻井质量高、取芯率高、井眼轨迹偏移小、经济效益好、事故少等优点，具有更高的技术经济指标。美国GH-Bear自动送钻装置与GHTTE型盘式刹车一体化技术就是其中一例。此外，盘式刹车对于科学钻井、自动化钻井、最优化钻井、智能化钻井均显示了较高的适应性，其发展前景广阔。石油机械设备132 4)扩大微机的使用功能：国外正在进一步研究开发钻井过程软件以及反馈控制系统，利用微机选择最优钻井工况参数，并监测各种实时钻井参数，以便快速反馈
43、给控制系统，进一步实现全自动化钻井作业，达到高新技术发展阶段，以实现最高的经济效益。5)新型刹车块：刹车块质量是决定刹车性能和使用寿命的关键，国外正在研究开发非石棉、耐高温、刹车性能好、摩擦系数稳定、寿命长的新型盘式刹车块，进一步提高盘式刹车的使用性能和使用寿命。石油机械设备133 6)绞车不用辅助刹车：装有带刹车的绞车，辅助刹车(电磁涡流刹车或水刹车)是一种必不可少的部件。由于盘式刹车具有更大的刹车力矩储备，可用盘式刹车直接刹住大钩最大载荷，所以绞车可取消辅助刹车，还可用AC电动机进行反馈制动，可提高盘式刹车的使用寿命。7)对于采用气控制的钻机的盘式刹车开始采用气控制盘式刹车，从而省去昂贵的
44、液压控制系统。石油机械设备1342.4.4辅助刹车 由于钻柱下放时要释放巨大能量。随着井深的增加，下钻时释放的能量愈来愈大，如果只是用绞车的机械刹车(主刹车)来吸收这个能量显然是不能胜任的。因此各级钻机包括大型修井机都采用辅助刹车装置来辅助主刹车吸收钻柱下钻时所释放的能量。钻机的辅助刹车过去多为水刹车，现在已逐渐被电磁刹车和依顿盘式刹车所取代。石油机械设备135 钻机上曾广泛使用水刹车作为辅助刹车，但它在低速运转时制动扭矩非常低，不能满足深井下钻的需要。国内从八十年代起逐渐采用电磁场涡流刹车作为辅助刹车。我国制造的电磁涡流刹车已成为系列，正推广应用于各级钻机。石油机械设备1361.电磁涡流刹车
45、 电磁涡流刹车（如图2-16）利用电磁感应原理进行无磨损制动。它的优点是制动性能好，使用寿命长，操作简单，无易损件。国内外钻机已广泛应用。1）电磁涡流刹车结构特点 电磁涡流刹车主要由左右定子和转子组成，定子中固嵌着激磁线圈。如图2-17所示。石油机械设备1372、电磁涡流刹车图图2-16 2-16 电池涡流刹车电池涡流刹车石油机械设备138石油机械设备139图图2-17 2-17 电磁涡流刹车结构电磁涡流刹车结构石油机械设备1402）电磁涡流刹车工作原理 直流电流通过激磁线圈在磁极周围产生固定磁场，当滚筒轴转动时，带动处于该磁场的转子旋转，由于转子磁通密度变化而在转子表面产生感应电动势，遂产生
46、涡电流。此涡电流形成旋转磁场，与固定磁场相互作用产生制动力矩。制动产生的热量由冷却水带走。司钻通过电位器可调低直流电流强度，即降低固定磁场的磁场强度，可使图2-18的特性曲线下移。这样在任何载荷下都可以调得任一需要的下钻速度。当转速降至35r/min时，制动力矩仍为最大值的75%，完全能满足低速重载的下钻要求。石油机械设备141 DS系列电磁涡流刹车机械特性曲线如图2-18所示。图图2-18 2-18 电磁涡流刹车电磁涡流刹车机械特性曲线机械特性曲线石油机械设备142 除滚筒轴转速低于50r/min的一小段外，中、高速段制动力矩很大，且几乎不变化。石油机械设备1432.盘式辅助刹车 美国依顿公司生产的WCB系列水冷却盘式刹车，是目前比较理想的辅助刹车。它特别适合于达转动惯量的制动以及快速散热。依顿刹车主要由法兰组件、气缸、静动摩擦盘、复位弹簧、活塞、齿轮转子等组成。
