液压盘式刹车装置故障自动检测刹车液压回路

杨艳， 祝贺.2， 肖虎， 李晓康， 刘宏亮.2， 徐斌荣

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡 721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西宝鸡 721002）

0 引言

液压盘式刹车装置为机、电、液一体化产品，它是绞车的重要部件。液压盘式刹车装置由液压站、操作台、制动执行机构及管路部分组成。液压站是动力源，为执行机构提供必需的液压动力；执行机构是刹车制动的执行部分，包括常开式工作钳和常闭式安全钳、钳架、刹车盘等；操作台是执行机构的控制中心，它通过电信号控制液压站中的电磁阀组，对制动执行机构的动作进行控制。目前钻机的盘刹装置均采用常开和常闭双刹车机构的液压刹车机构，且大多液压回路将常开和常闭双刹车机构分开单独设置，当遇到断电、电动机故障、液压泵故障、液压管线或接头损坏、电动机与泵的联轴器损坏等情况时，液压盘式刹车的液压系统逐步失去压力，其工作刹车（常开）的功能逐步丧失，由于现场需操作人员高度关注井口设备、人员的工作情况，且钻机的噪声很大，操作人员很难发现该故障，安全刹车（常闭）没有参与刹车，这就造成了多起钻具掉落的重大事故发生。

我公司研发的液压盘式刹车装置故障自动检测刹车液压回路适应于具有常开和常闭双刹车机构的液压刹车机构，特别适应于各类及各种型号的石油钻机的液压盘式刹车装置。该回路由电动机液压泵总成、手动伺服刹车阀、梭阀、工作钳（常开）、压力表、常闭钳、常闭刹车阀、紧急刹车阀、压力传感器、管路总成等组成。该回路的应用，实现了液压盘式刹车装置出现断电、电动机故障、液压泵故障、液压管线或接头损坏、电动机与泵的联轴器损坏等情况，液压盘式刹车的液压系统逐步失去压力情况下，刹车装置自动刹车，其避免了钻具掉落的重大事故发生[1-7]。

1 液压盘式刹车装置故障自动检测刹车液压回路研究

1.1 功能简介

通过操作刹车阀的控制手柄，调节工作钳对制动盘的正压力，从而为主机提供大小可调的刹车力矩，满足送钻、起下钻等不同工况的要求。遇到紧急情况或停机及司钻离开操作位置时，按下红色紧急制动按钮，工作钳、安全钳全部参与制动，实现紧急刹车。当大钩提升重物上升到某高度应该实现制动的位置，由于操作失误或其它原因，未实施制动时，过卷阀或防碰阀会动作并发出信号，工作钳和安全钳全部参与刹车，实施紧急制动，避免碰撞天车事故发生。

若设备运行过程中，出现以下几种突发状况，此刹车液压回路均可起到重要作用。

1）液压盘式刹车断电后，电动机液压泵总成停止工作，继续操作刹车装置工作，液压系统压力降低后该回路可保证装置自动刹车。

2）电动机故障，如电动机电路线路短路、缺相、轴承损坏等使电动机停转致泵不工作，继续操作刹车装置工作，液压系统压力降低后该回路可保证装置自动刹车。

3）液压泵故障，如泵磨损、泄漏、烧死等使液压泵不能给系统提供液压油或规定数据的压力、流量的液压油，则继续操作刹车装置工作，液压系统压力降低后该回路可保证装置自动刹车。

4）液压管线或接头损坏，如液压管线爆裂、砸裂、断裂及接头损坏致液压油外排，使液压系统压力降低，该回路可保证装置自动刹车。

5）电动机与泵的联轴器损坏致液压泵停止工作，继续操作刹车装置工作，液压系统压力降低后该回路可保证装置自动刹车。

1.2 工作原理

制动执行机构主要包括工作钳、安全钳、刹车盘和钳架（支座），其结构及布置如图1所示[8-12]。

图1 制动执行机构图

当给油缸输入压力油时，产生推力推动油缸活塞杆伸出，通过连杆、销轴、闸靴、使刹车块接触刹车盘，通过拉杆将推力F传递到刹车块端，从而作用于刹车盘，产生正压力。在正压力的作用下产生摩擦力，即制动力。制动力与油压为正比例变化关系，当油压为零时，在复位蝶簧的作用下，活塞回到原始位置，使刹车块脱离刹车盘，工作钳处于完全打开状态，如图2所示。

图2 工作钳

安全钳的工作原理与工作钳相反。当给油缸输入额定工作压力油时，油压产生的力克服碟簧弹力压缩碟簧，油缸活塞杆缩回，通过连杆、销轴、闸靴使刹车块脱离刹车盘，实现松刹。当放油时，油压为零时，蝶簧的弹力作用于活塞的端面，油缸活塞杆伸出，通过连杆、销轴、闸靴使刹车块接触刹车盘，弹力传递到刹车块端，从而作用于刹车盘，产生制动力，实现刹车，如图3所示。

液压盘式刹车装置故障自动检测刹车液压回路工作原理如下，具体原理如图4所示[13-15]。

图3 安全钳

图4 自动检测刹车液压回路结构图

在工作时，启动电动机液压泵总成1的电动机，液压泵工作，通过管路总成10、手动伺服刹车阀2和常闭刹车阀7供油，通过手动伺服刹车阀2和工作钳（常开）4刹车，工作钳（常开）4刹车的刹车力的大小与液压系统的压力大小成正比，液压缸的活塞面积乘以系统压力等于作用力。同时操作常闭刹车阀7使常闭钳6的液压缸充油升压，压缩缸内的蝶形弹簧，打开刹车钳，释放绞车刹车盘。下放钻具时，绞车刹车盘是否转动及转动的快慢均由操作者掌握的手动伺服刹车阀2的开度大小而定。而当出现断电、电动机故障、液压泵故障、液压管线或接头损坏、电动机与泵的联轴器损坏等情况，液压盘式刹车的液压系统逐步失去压力情况时，随着液压系统压力

逐步下降，常闭钳6的液压缸油压随之下降，缸内的蝶形弹簧压缩量减少，液压缸的活塞杆伸出，刹车块贴紧刹车盘，刹车钳的刹车力随之逐步上升，直至刹死绞车刹车盘。这就可完全避免钻具掉落的重大事故发生。

2 结论

本文研发了一种液压盘式刹车装置故障自动检测刹车液压回路，优化了液压盘式刹车装置液压系统的设计、制造，并实现高效、安全的刹车功能，完全避免钻具掉落的重大事故发生，对石油钻井的安全进行起到重要作用。

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（责任编辑 张立明）