雙剎車在水井鉆機中的應用

李旭文，許鐵民，高常生，宋海燕

（張家口中地裝備探礦工程機械有限公司，河北 張家口075026）

卷揚機是水井鉆機中的重要部件之一，卷揚機的作用是提升下降鉆具。鉆孔的深度越深，提升下降鉆具的次數(shù)就越多，卷揚機所承受的負荷就越大。頻繁的提升下降鉆具和不正確的使用卷揚機的輔助剎車裝置，極易導致卷揚機的制動盤和剎車帶（塊）出現(xiàn)發(fā)熱、冒煙、甚至制動盤開裂現(xiàn)象，導致卷揚機過早維修或報廢，圖1是某種鉆機卷楊機制動盤開裂的照片。

圖1

應該指出，卷楊機制動盤開裂不一定就是制造廠家設(shè)計或制造的原因，和操作者的使用強度和能否正確使用輔助剎車裝置也有很大關(guān)系。如與圖1中出現(xiàn)裂紋的卷筒同型號的鉆機，北京某地質(zhì)工程勘察院從1999年開始購置使用了3臺，鉆出了從2600～4088m的地熱井、冷水井數(shù)十口，從沒有出現(xiàn)卷筒制動盤開裂的現(xiàn)象。還有河南某煤田系統(tǒng)某單位使用該種鉆機進行了直徑1100mm，深度851m的瓦斯排放井的鉆鑿，卷揚機承受了超設(shè)計能力的負荷，也沒有出現(xiàn)卷筒制動盤開裂的現(xiàn)象。這說明，雖然該型鉆機的卷揚機強度偏弱，在深水井鉆鑿中制動盤易出現(xiàn)問題，但和操作者是否正確使用也有很大關(guān)系。

現(xiàn)有的水井鉆機大多采用的是行星式卷揚機，如附圖2所示，是從巖心鉆機發(fā)展而來的。使用行星式卷揚機，有一個提升盤，一個制動盤，內(nèi)部有行星輪傳動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，具有較大的傳動比，一般傳動比在3以上，傳動平穩(wěn)，操縱靈活，很容易地進行微動提升和微動下降。該型卷揚機在巖心鉆機和淺水井鉆機的廣泛使用已證明是一種很好的結(jié)構(gòu)，提升時，用剎車帶剎緊提升盤，剎車帶與提升盤除剎緊過程或使用微動提升微動下降功能時有動摩擦外，其余工況均為靜摩擦，提升盤和剎車帶（塊）的發(fā)熱很少，溫度均在允許的范圍內(nèi)，提升盤和剎車帶（塊）的使用壽命較長，不易損壞。下降鉆具時，松開提升盤，由于孔內(nèi)鉆具的重量，從而通過鋼絲繩將力量傳遞到卷筒上帶動卷筒反向旋轉(zhuǎn)下降鉆具。為了控制鉆具勻速下降或讓鉆具停止下降，就需要用抱閘或剎車帶對制動盤進行剎車。剎車就是在外力的作用下，剎車帶（塊）與制動盤進行摩擦產(chǎn)生摩擦力矩，當摩擦力矩與孔內(nèi)鉆具重量通過鋼絲繩在卷筒上產(chǎn)生的力矩平衡時，鉆具勻速下降；當摩擦力矩小于孔內(nèi)鉆具重量產(chǎn)生的力矩時，鉆具加速下降，如操作不當極易發(fā)生事故，發(fā)生所謂的“墩鉆”事故，這種情況應極力避免發(fā)生；當摩擦力矩大于孔內(nèi)鉆具重量產(chǎn)生的力矩時，鉆具減速下降直至停止下降。剎車帶（塊）與制動盤進行動摩擦產(chǎn)生摩擦力矩，動摩擦會產(chǎn)生熱量，頻繁的下鉆會使制動盤和剎車帶（塊）散熱不及時，導致制動盤和剎車帶（塊）溫度升高，據(jù)計算，在一個2000m深的鉆井中，進行一次下鉆，要下降2000m的鉆具，按每次下降18m鉆具計算，就需要下降111次，就需要111次剎緊制動盤；在一個3000m深的鉆井中，進行一次下鉆，要下降3000m的鉆具，按每次下降18m鉆具計算，就需要下降166次，就需要166次剎緊制動盤。這樣高的下鉆強度，單靠剎車帶（塊）與與制動盤的動摩擦是不適合的，極易導致剎車帶（塊）的石棉帶（塊）燒焦（現(xiàn)有的水井鉆機的剎車帶（塊）一般使用石棉制品）導致摩擦系數(shù)下降甚至摩擦力接近于0、制動盤過熱導致強度下降而開裂等現(xiàn)象發(fā)生。

圖2 行星式卷揚機

據(jù)地質(zhì)出版社編寫的高等學校試用教材《巖心鉆探設(shè)備及設(shè)計原理》介紹：“一般石棉制品允許工作溫度為220℃”，超過此溫度則摩擦系數(shù)大大下降；而對金屬在此溫度的金屬性能沒有查到數(shù)據(jù)，但其強度隨著溫度的升高而下降是一個不爭的事實。因此，在如此高的下鉆強度條件下，單純使用剎車帶（塊）和制動盤是不能滿足要求的，要配備其它能使鉆具勻速下降的如水剎車、電磁渦流剎車輔助剎車裝置和水套通水冷卻制動盤和剎車帶（塊）的裝置等。由于輔助剎車只能使孔內(nèi)鉆具重量產(chǎn)生的力矩與輔助剎車產(chǎn)生的阻力矩相互平衡而使鉆具勻速下降，卻不能使鉆具停下來，這樣在一個立根下鉆終了時，鉆具要停止下降后接上另一個立根繼續(xù)下鉆，仍然得用剎車帶（塊）剎車，在深水井鉆鑿中，這樣的下鉆強度仍是較高的，也很容易造成的制動盤和剎車帶（塊）出現(xiàn)發(fā)熱、冒煙、甚至制動盤開裂現(xiàn)象，導致卷揚機過早維修和報廢。

針對行星式卷揚機在深水井鉆機使用中產(chǎn)生的問題，我公司將水井鉆機的卷揚機和石油鉆機的絞車進行了認真的分析研究，分析了行星式卷揚機和石油鉆機絞車的優(yōu)缺點：石油鉆機由于鉆進能力大，一般都采用雙剎車系統(tǒng)，用剎車帶或剎車盤進行剎車，用氣胎離合器進行提升，同時采用鏈條傳動，卷筒加長增加容繩量減少鋼絲繩的相互擠壓以提高鋼絲繩的使用壽命。總結(jié)起來其優(yōu)點是剎車帶（塊）和制動盤采用雙剎車系統(tǒng)，降低了制動盤和剎車帶（塊）的工作強度，有效地減少了制動盤和剎車帶（塊）發(fā)熱、冒煙、甚至制動盤開裂現(xiàn)象，提高了制動盤和剎車帶（塊）的使用壽命；缺點是體積較為龐大，噪音大，成本較高。根據(jù)多年的深水井鉆機研發(fā)經(jīng)驗，結(jié)合深水井鉆機的特點，分析行星式卷揚機和石油鉆機雙剎車絞車的優(yōu)缺點，決定參考石油鉆機的雙剎車絞車用于深井水井鉆機的研制：摒棄傳統(tǒng)的行星式卷揚機，保留齒輪傳動方式，去掉行星輪式傳動，使用氣胎離合器與摩擦盤接合進行提升，形成兩個制動盤的雙剎車卷揚機，參看圖3，當提升鉆具時，氣胎離合器充氣抱緊摩擦盤，經(jīng)過齒輪傳遞的動力通過氣胎離合器、摩擦盤、聯(lián)接盤、卷揚機軸最后傳至卷筒上，卷筒旋轉(zhuǎn)纏繞鋼絲繩提升鉆具，當下降鉆具時，氣胎離合器放氣，氣胎離合器與摩擦盤之間留有間隙，卷筒在鋼絲繩上鉆具重量作用下反向旋轉(zhuǎn)，靠剎車帶（塊）與與制動盤的摩擦控制下鉆速度和停止下降，當然在實際使用中，在孔較深的情況下，應首先使用輔助剎車裝置的，這里不做解釋。

此種新型傳動，使用了兩個制動盤、兩個剎車帶，就使得在下降鉆具的過程中，所需要的單個制動盤剎車力矩減少了50%，制動盤和剎車帶的磨損相應地減少了50%。同時，由于剎車帶和制動盤工作溫度的降低，實際制動盤和剎車帶的磨損減少量超過了50%。

我公司在新產(chǎn)品RPS3200鉆機上采用此雙剎車卷揚機，并已生產(chǎn)一臺樣機，2010年起在山東省第二水文地質(zhì)大隊進行了生產(chǎn)試驗。該隊使用該鉆機已進行了四口地熱井的鉆鑿，深度分別是2000m、2100m、1800m、3000m。在四口地熱井鉆鑿完成后，僅更換了一次剎車帶內(nèi)的摩擦塊，沒有進行制動盤的維修。徹底解決了個別用戶反映的張家口中地裝備探礦工程機械有限公司的某種深水井鉆機剎車帶內(nèi)的摩擦塊磨損較快和卷筒制動盤使用過程中第一次維修時間較短的問題。

圖4 施工現(xiàn)場

綜上所述，在深水井鉆機研發(fā)中，使用雙剎車卷揚機相比單剎車的行星式卷揚機具有一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，可以在深水井鉆機設(shè)計時采用。以上是個人在RPS3200鉆機研制中的體會，僅供參考。