地质绞车典型刹车装置对比分析

高明帅，沈怀浦，孙军盈，马晨晖，段莹，周思汛

(1.中地装(北京)科学技术研究院,北京 100120；2.中国地质调查局油气资源调查中心,北京 100029；3.同方知网(北京)技术有限公司,北京 100192)

地质绞车典型刹车装置对比分析

高明帅1，沈怀浦1，孙军盈1，马晨晖2，段莹3，周思汛1

(1.中地装(北京)科学技术研究院,北京 100120；2.中国地质调查局油气资源调查中心,北京 100029；3.同方知网(北京)技术有限公司,北京 100192)

近年来我国地质钻探装备向着电器化、自动化的方向发展，大量新技术不断投入到地质装备中，如机、电、液、气及钻井仪表一体化控制技术、交流变频控制技术、能耗制动等新技术，设备的技术含量越来越高，对操作人员的要求也逐渐提高。本文旨在通过对地质钻机绞车不同刹车装置的结构、原理、性能、操作进行对比分析，为设计人员提供设计依据的同时也可以指导现场操作人员了解设备的使用特点，避免由于误操作造成对设备和人员的损害。

地质钻机；绞车；刹车装置；特性；对比

0 前言

地质钻机主要由回转系统、给进系统、提升系统以及泥浆循环系统组成，其中提升系统主要由绞车装置完成起下钻具作业，绞车直接关系到钻探工程的施工效率以及设备、人员的安全性，绞车的可靠性主要依靠于制动装置。由于石油钻机最先面临钻具重量大、钻井深度深等特点，使得石油钻机绞车发展快于地质钻机绞车。但是近几年随着浅部固体矿产资源的不断开发，使得地质勘探逐渐向更深层的领域开拓，这就给原有地质绞车的刹车系统带来新的挑战。目前地质钻机绞车系统常用的制动装置包括应用在机械式钻机上的闸带式刹车，用于减缓绞车运行速度的水刹车和电磁涡流刹车、以及目前处于新技术应用推广阶段的用于带有液压/气压系统的盘式刹车、变频电驱动钻机所配备的能耗制动等。对于这些刹车装置原理的介绍和特性的对比分析不仅可以让施工人员对设备有更清楚的认识，还可以为设计人员在开展地质绞车刹车系统设计时提供参考。

1 典型刹车装置分析

1.1 闸带式刹车装置

地质钻机绞车系统由动力单元、滚筒及刹车系统组成，在机械式钻机的绞车系统中使用最广泛的就是闸带式刹车装置，由于该装置结构简单、性能可靠、操作手感强、便于司钻掌握井下钻头的工作情况等特点，在地质钻机发展初期钻探作业深度浅时受到青睐。如图1所示为水井钻机手把式抱闸装置示意图，抱闸时通过操控手柄4使力通过连杆1传递给抱闸体3实现抱闸刹车，当松开手柄压紧力消失弹簧2起作用将抱闸体与刹车轮脱离。该装置是地质钻机绞车刹车最早使用的刹车装置，由于刹车手感明显受到使用早期钻井工人的喜好[1-2]。但是随着井深的增加，使用闸带式刹车装置出现了劳动强度大、闸带发热等问题，针对此问题对抱闸式刹车装置进行了气液改造，这也为实现绞车的自动控制提供基础。

1.连杆；2.弹簧； 3.抱闸体；4.手柄。图1 水井钻机手把式抱闸装置示意图

针对手把式抱闸机构的气/液改造是源于钻探深度的增加使得频繁需要使用刹车装置，在孔深逐渐加大的需求下，手把式抱闸装置使得工人的劳动强度急剧加大。所以在原有抱闸装置的基础上进行气/液改造，解放工人的双手，提高地质钻探设备的自动化水平，为整机自动化升级改造打下基础。图2为气控抱闸装置示意图，该装置考虑了深孔绞车使用过程中存在一般工作刹车和紧急刹车不同的工况需求，设置工作气缸和安全气缸两种不同的刹车形式，工作气缸为钻井过程中一般的刹车需求提供制动力，通过调节气压的大小可调节刹车力矩；而安全气缸则用于断电或者紧急情况下刹车，该气缸采用弹簧夹紧气压松开的结构[3]。通过双抱闸机构既满足了绞车正常刹车工况又较图1所示的手把式抱闸机构冗余一套刹车系统提升了绞车的安全性。

1.刹带机构；2.安全刹车连杆机构；3.安全气缸；4.工作刹车连杆机构；5.工作气缸。图2 气控卷扬抱闸装置

1.2 水刹车装置

抱闸装置在使用过程中存在两种功能，一是使下降过程中的钻具停止运动，二是减缓钻具的下放速度实现匀速送钻。但是在减缓钻具下放速度的工况下使用闸带式刹车装置会出现滚筒控制精度不够、发热大甚至失效、闸带磨损过快、劳动强度急剧增加等情况。所以水刹车装置多与闸带式刹车配套使用。水刹车能使在深井情况下得以“匀速”地下降钻具，使钻具的下降不致因手把的控制不当而失速，并能减轻下钻时的体力消耗和制动抱闸的负担，可防止卷筒摩擦发热，延长刹车带的使用寿命。

图3所示为常见的水刹车结构。其主要由定子1，转子2，滑动齿轮8，传动轴6，壳体5等组成，定子和转子上均有放射状叶片。当绞车下降钻具时，从进水口12进水，出水口11出水，通过拨叉9使滑动齿轮8右移与卷筒的内齿圈啮合，带动转子旋转，与定子一同切割水流产生阻力，这个阻力抵消一部分由钻具下放所引起的卷筒回转扭矩，从而减缓钻具下降速度。由于水刹车转子在低速切割水流时产生制动扭矩很小，不太适用于深孔重载情况下的下钻辅助制动，更不能使钻具的下降完全停止，必须与驻车制动配合使用。钻机上装有专门的离心泵向水刹车供水，在离心泵与输出动力的三角皮带之间装有牙钳式离合器，以控制离心泵的工作启停[1-2]。

1.定子；2.转子；3.通油隔套；5.壳体；6.传动轴；4、7.密封圈；8.滑动齿轮；9.拨叉；10.轴套；11.放水管；12.进水管。图3 立轴钻机水刹车

水刹车的工作能力与其液体的充满程度和压力有关。为了避免水在水刹车中由于能量的积累而沸腾，因此必须让冷却液体在水刹车与外部之间进行循环实现冷却作用。即往水刹车充水的同时，也必须让水从排水口排出，并且可控制排水量来调节水刹车的制动性能。

1.3 电磁刹车装置

电磁涡流刹车又称电磁涡流制动器，由刹车主体、可控硅整流装置、司钻控制器及冷却系统四部分组成。它是一种将钻具下钻时产生的巨大机械能转换成电能，又将电能转换为热能的非摩擦式能量转换装置。这种能量的转换及强有力的制动过程，是通过电磁感应原理完成的，而不是通过摩擦的形式完成的，没有任何磨损件。制动时产生的巨大热量，通过水或空气等介质进行吸收与交换。下面就典型电磁刹车装置机械组成和工作原理作简要介绍。

1.3.1 刹车主体

1.端盖；2.转子；3.机座；4.定子；5.励磁线圈；6.上呼吸器； 7.下呼吸器图4 电磁涡流刹车结构示意图

它由两个基本部分组成，如图4所示。静止部分称为定子；转动部分称为转子。在定子与转子之间有一定的气隙，称为工作气隙，电磁涡流刹车的刹车主体采用外电枢结构的型式，也就是说，其转子在定子外面旋转。刹车的定子由磁极和激磁线圈构成。磁极是磁路的一部分，采用导磁系数高，矫顽力小的电工钢制成，以满足下钻时有用制动扭矩大，而起空吊卡时制动扭矩小的需求。激磁线圈是刹车的电路部分，工作时通以直流电流，它固定于磁极上，与磁极组成一个整体成为定子。刹车在运行时要产生大量的热量，因此激磁线圈采用了耐高温的电磁线与相应的绝缘材料，以保证线圈在高温下仍具有良好的绝缘性能。刹车的转子通过齿式离合器与绞车滚筒轴相联，由绞车滚筒驱动，与滚筒同速旋转。由电工钢制成转子既是磁路的一部分，又是电路的一部分。它和定子磁极、工作气隙构成完整的刹车磁路。

1.3.2 工作原理

当涡流刹车工作时，在它的激磁线圈内通入直流电流，于是在转子与定子之间便有磁通相连，使转子处在磁场闭合回路中。磁场所产生的磁力线通过磁极→气隙→电枢→气隙→磁极，形成一个闭合回路。如图5所示，下钻时，绞车滚筒旋转，通过离合器驱动转子以相同转速在定子所建立的磁场内旋转。在这个磁场中，磁力线在磁级的齿部(凸极部分)分布较密，而在磁极的槽部(齿间部分)分布较稀，因此随着转子与定子的相对运动，转子各点上的磁通便处于不断重复的变化之中。转子沿工作气隙的圆周上的因磁极的齿部和槽部磁导率不等，在空间建立脉动磁场，根据电磁感应定律，转子上便产生感应电势，在这个感应电势作用下，转子中产生涡流。涡流与定子磁场相互作用产生电磁力，力的方向由左手定则确定，该力沿转子的切线方向，并且与转子旋转方向相反。这个力对转子轴心形成的转矩称为电磁转矩，也就是电磁涡流刹车阻止滚筒旋转的制动扭矩。司钻通过调节司钻开关手柄位置，便调节了激磁电流的大小，改变了制动转矩的大小，从而达到了控制钻具下放速度的目的。但由于其依赖电能工作，所以一般用于电驱动钻机或现场取电方便的水井钻探工程，同时其在运行过程中会产生大量的热必须配备专门的风冷或水冷系统进行散热。

图5 电磁涡流刹车工作原理示意图

1.4 盘式刹车装置

随着全液压钻机的推广，液压系统在地质钻机上的使用也越来越广泛，作为闸带式刹车装置的升级替代产品的液压盘式刹车装置由于其尺寸小、操作方便而逐渐被钻井施工单位所接受，针对液压盘式刹车的研究也越来越受到重视。第一台盘式刹车是为NSCO公司1625型绞车设计的，于1985年2月由Rowan公司安装在该公司的西部分公司31号钻机上，而且在俄克拉荷马州Cheyenne 的Roger Mills县为El Paso公司进行一次现场试验，取得较好的使用效果[4]。

针对盘式刹车装置国内外学者先后做了广泛的研究，其中使用最为广泛的四种形式如图6所示，包括机械式盘刹、液压单向盘刹、液压双向盘刹以及用于弹簧夹紧液压松开的液压-弹簧式盘刹。液压盘式刹车装置由于其体积小、动作快、劳动强度低及刹车方式对绞车滚筒影响小等特点深受广大使用者喜爱。

如图6a所示机械式盘式刹车是通过推杆的前后摆动实现对制动盘的夹紧，动摩擦片在推杆摆动过程中受到凸轮机构的推动向左伸出，这种盘式刹车的制动扭矩受到外界因素的制约，同时由于受到凸轮机构尺寸的限制使得摩擦片的移动距离不大，多用于静止刹车场合。图6b与图6c所示的液压盘式刹车主要区别在于动摩擦片的数量，工作原理都是采用液压油推动带有摩擦片的活塞夹紧制动盘，这种结构的盘式刹车在松开时由于没有油压而自动失去刹车扭矩，无需将活塞收回，减少结构自身的复杂程度。

前三种盘式刹车的结构型式主要针对运行过程中的刹车制动，而图6d所示的液压-弹簧式刹车装置主要应用于驻车制动或紧急制动工况下，由于其盘钳的夹紧是依靠弹簧力的作用，在失去压力的情况下弹簧弹出夹紧制动盘，当需要打开时通过液压油压缩弹簧进而使动摩擦片松开制动盘。

图6 4种盘式刹车形式

1.5 能耗制动系统

随着近几年变频钻机的发展，变频技术在地质钻机上的应用取得较好的应用效果，尤其是交流变频电动机的四象限运行特性使得钻机的运行性能得到充分的体现。特别在深孔地质钻机绞车下放钻具过程中，由于钻具长时间拖拽滚筒运行，电机转子转速高于定子同步转速使电机处于发电状态，所以如何有效的解决钻具下放时势能的释放是变频钻机能耗制动的关键问题。由于变频钻机绞车电机是受变频器控制，所以当变频器将由电网转换进来的直流电压信号转换为频率可调的交流信号供给电机时进行控制。当钻具反向拖动绞车旋转时产生的电能通过逆变器反馈给直流母线，直流母线上能耗制动单元会检测直流电压，当电压超过门限电压时能耗制动单元接通，制动电阻在通电的情况下将多余的电能转换为热能，继而通过风冷或水冷的方式进行散热，这个完整过程如图7所示就是能耗制动的执行步骤[5-7]。

图7 能耗制动原理图

通过能耗制动可以克服长时间的送钻而引发的负性负载发电问题，同时变频技术还可以通过闭环控制使电机实现“悬停”，即电机在“零速”的情况下仍能输出扭矩平衡钻具重量，这种特性也充当了刹车的功能。但是此时的变频器是通过实时采集编码器反馈来的电机偏转信号，对变频器输出进行实时调节使电机的速度和转矩保持不变，最终实现绞车的悬停功能。由此可见不允许长期使绞车处于悬停状态，更不能将绞车的“悬停”作为驻车制动使用，这就要求即便具备能耗制动的变频钻机仍需配备机械式驻车制动装置。而对于能耗制动的设计更需要综合设备的机械结构、运行工况、载荷、下放速度及制动时间等因素对能耗制动的门限电压、制动功率及制动电阻进行合理设计选型，同时要注意现场使用时能耗制动与驻车制动之间的配合。

2 对比分析

通过上文对于几种不同制动方式的原理和使用特性的介绍，可将制动装置按照其使用工况分为驻车用制动装置(如表1)和减速用制动装置(如表2)，不同制动装置从控制方式、可靠性、动力消耗、检查维护、环境敏感、劳动强度等方面对比如下所示。

从表1可以看出液压盘式刹车由于采用液压系统控制对检查和维护液压管路时会产生液压油泄漏问题，但其制动效果要优于闸带式刹车，通过配备电液控制系统即可以实现将液压盘刹装置应用于机械、液压、电控三种控制方式的钻机上；闸带式驻车装置受环境的影响和劳动强度较大，该装置多用于老式机械钻机，但正逐渐被液压盘式刹车装置替代。

通过表2的对比分析可以看出闸带式刹车装置相比于其他几种减速用制动装置效果较差，该装置和水刹车多用于早期的地质钻机，现多被替换为液压盘式刹车或电磁涡流刹车；电磁涡流刹车与能耗制动多依靠于电能所以在电驱动或者取电方便的工程现场可以考虑配备此方式，同时能耗制动表现出来的优异的减速用制动特性也是电驱动钻机发展不可或缺的功能模块之一；液压盘式刹车装置多采用控制油缸步进式运动实现“夹紧-松开-夹紧”的方式，所以用液压盘刹进行减速制动时较难实现平滑制动，多出现抖动现象。

表1 典型驻车用制动装置特性对比

表2 典型减速用制动装置特性对

3 总结

本文通过对比分析不同刹车装置的原理和制动特性，为设计人员选择刹车装置时提供参考。在电控钻机上推荐使用能耗制动+液压盘刹，涡流刹车+液压盘刹两种制动方式的组合；在全机械式钻机上推荐使用水刹车+闸带式制动组合；在液压钻机上推荐使用水刹车+液压盘刹或者水刹车+液控闸带式刹车组合方式；也可根据钻机动力形式选择一种或几种不同的刹车装置来实现刹车作业。对于不同刹车装置的组合形式，笔者与目前施工队伍中产生的主刹车和辅助刹车的看法略有不同[8]。笔者认为不同的刹车装置作用原理不同，使用工况更不相同，不能简单地从制动力大小或者使用次数的多少来决定主次，而应该按照刹车装置的使用工况科学地加以区分。

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本期广告索引

1. 上海地学仪器研究所

封2

2. 北京海光仪器有限公司

前插1

3. 重庆地质仪器厂

前插2～3

4. 北京奥地探测仪器有限公司

前插4～5

5. 北京探矿工程研究所大口径岩土钻掘技术研发中心

前插6

6. 中国国际黄金矿业技术高峰论坛

中插1

7. 无锡钻探工具厂有限公司

中插2～3

8. 张家口中地装备探矿工程机械有限公司

中插4～5

9. 衡阳中地装备探矿工程机械有限公司

中插6～7

10. 无锡金帆钻凿设备股份有限公司

中插8～9

11. 连云港黄海机械股份有限公司

中插10～11

12. 雷克工程机械有限公司

中插12

13. 中国国际矿业大会

后插1

14. 天津立林机械集团有限公司

后插2

15. 河北永明地质工程机械有限公司

后插3

16. 重庆探矿机械厂

后插4～5

17. 中地装(北京)科学技术研究院

后插6～封3

18. 勘探技术研究所钻头与钻具研究中心

封底

2017-01-16

高明帅(1991-)，男，硕士研究生，中地装(北京)科学技术研究院产品研发部，主要从事地质钻探装备研发工作，北京市西城区德外黄寺大街24号院，Tel：15011513992，E-mail：gmsstudy@163.com。

P634.35

A

1009-282X(2017)02-0017-05