鉆機液壓盤式剎車系統工作原理與維護分析

喬福家

（中國石油川慶鉆探工程有限公司國際工程公司，四川成都 610051）

0 引言

大型石油鉆機在當前油氣資源的勘探開發中的應用非常廣泛，在石油鉆機的整體結構中，液壓盤式剎車是非常重要的組成部分，主要發揮鉆機制動作用。只有充分保障液壓盤式剎車的穩定性和可靠性，才能有效提升鉆機運行的安全性。因此，針對液壓盤式剎車的基本運行原理及維護方式進行探討，對提升石油鉆機的運行效果有重要意義。

1 液壓盤式剎車

在石油鉆機的主體結構中，液壓盤式剎車屬于非常重要的組成部分，剎車性能的有效發揮不僅直接決定了鉆機制動效果，還與鉆機運行有著緊密聯系（圖1）。液壓技術在20 世紀得到大力發展，尤其是在工程技術領域，實現了廣泛應用。進入21 世紀后，石油鉆采技術也實現了快速發展，裝備技術水平得到了全面提升，在石油鉆機的絞車系統中，液壓盤式剎車得到了廣泛應用。其應用于石油鉆機體現了制動可靠、制動力矩大、反應靈敏等優勢，而且在運行中的實際能耗較小，正逐漸成為石油鉆機中不可或缺的一種設備[1]。目前大部分石油鉆機使用的制動裝置都是液壓盤式剎車，其主體包括剎車鉗、剎車盤和鉗架等部分，剎車鉗可分為常開式和常閉式2 種模式。在石油鉆機的運行過程中，可以根據實際工況需求發揮出工作制動、緊急制動、駐車制動和過卷制動等5 種方式。

圖1 液壓盤式剎車及液壓站

（1）工作剎車。工作剎車是液壓盤式剎車最重要的功能[2]。工作剎車可以通過控制手柄實現操作，同時也可以通過操作工作鉗來對剎車盤施加壓力，通過這種方式就可以將剎車力矩傳遞給主機。而且這一力矩可以實現調節，讓鉆機在不同運行工況下實現順利鉆進。

（2）駐車剎車。鉆機停機過程中或操作人員暫離控制臺的情況下，一旦發生大鉤脫離滑落，可以通過駐車剎車功能進行有效規避。

（3）緊急剎車。鉆機經常會在外界因素干擾下進行緊急制動，此時只需要將緊急剎車按鈕按下即可完成制動，而且在緊急制動過程中工作鉗和安全鉗會同時產生作用。

（4）過卷/防碰保護。在大鉤將重物舉升到一定的高度的情況下，如果此時受某些因素影響，導致工作剎車不能正常運行，系統就會自動啟動過卷/防碰撞保護，進而完成緊急制動動作。

（5）斷電自動剎車。如果鉆機在運行過程中系統出現了突然斷電等情況，此時系統就會自動啟動自動剎車功能，通過緊急剎車來規避安全事故的發生[3]。

2 剎車液壓站

液壓盤式剎車的主要動力源都來自于液壓站，通常情況下包括動力、控制和輔助3 個不同單元。

（1）動力單元一般會配置恒壓變量柱塞泵和三相異步電機，恒壓泵能保障液壓站在運行過程中保持壓力平順，且在輸出大功率的同時保障低噪聲運行，運行過程中發熱較少，完全能滿足石油鉆機液壓盤式剎車的運行需求。

（2）電磁閥是用來控制剎車鉗的一種控制單元，在動力單元配置一個安全閥能保障系統實現正常運行。在整個剎車系統中配置了加油組件，該組件主要由過濾器和手搖泵組成，利用加油泵就可以完成油箱加油操作，而且能充分保障所加油液的清潔度。

（3）輔助元件的配置是為了保障液壓盤式剎車系統能正常運行，通常情況下，針對石油鉆機的液壓盤式剎車會配置油溫液位計、進油/回油濾清器、控制過濾器和電加熱器等相關的輔助元件。

3 液壓盤式剎車蓄能器工作原理

在液壓盤式剎車系統中儲能器屬于能量儲備裝置，其作用是在適當時將系統能量經過轉化后形成壓縮能儲備，系統在需要能量補給的情況下就可以將壓縮能補充給系統，保障系統正常運行[4]。

系統在正常運行工況下，如果出現瞬時壓力增加，儲能器就能將系統多余能量吸收，讓系統壓力恢復正常。液壓油本身屬于一種壓力介質，其壓縮性能較差，液壓油無法通過壓力能的方式進行保存，要將系統中液壓油以壓力能的方式蓄積，就必須要借助于其他介質來實現。當前在液壓系統蓄積液壓油的過程中經常會采用囊式充氣蓄能器，該蓄能器主要包括了氣體部分、油液部分兩個結構，系統壓力不斷升高的情況下，系統中部分液壓油會進入蓄能器中，此時由于油液的進入會導致蓄能器中氣體被壓縮；在系統壓力下降的情況下，蓄能器中的空氣會產生膨脹并將油液重新壓回到液壓油路中，這樣就可以有效補充系統的壓力降。

在石油鉆機液壓盤式剎車系統中蓄能器通常會配置4 個膠囊，其中2 個用來為安全鉗實現系統保壓，系統泵停止運行后，可以利用另外2 個膠囊實現左右兩路工作鉗的供壓。如果系統在正常運行工況下突然出現斷電現象，可以利用膠囊蓄能為剎把手動操作4～6 次制動提供能量。

4 液壓盤式剎車系統維護措施分析

（1）液壓剎車系統在維護過程中要針對其液壓站濾芯進行不斷強化保養，嚴格按照設備的使用需求來進行濾芯的定期更換，按照6 個月周期來定期更換回油、高壓濾芯，按照12 個月周期來進行加油、進油濾芯的更換；按照12 個月周期來進行安全鉗碟簧和工作鉗拉簧的更換。在檢修保養過程中，需要對安全鉗和工作鉗之間的間隙進行詳細檢查，保障工作鉗的間隙始終處在1 mm 的范圍內，安全鉗的間隙應該保持在0.5 mm。為了保障間隙檢查的合理性，在維護過程中必須使用塞尺。

（2）要對油箱液面實施常態化檢查，一旦在檢查中發現液面過低，需要及時補充。如果油箱的液面在檢查過程中出現了非正常下降的現象，必須要及時針對系統可能存在油液泄漏的位置進行及時檢查，快速定位漏點，并采取有效措施及時處理。通常情況下，液壓盤式剎車系統在實際運行過程中的工作溫度最大值能夠達到60 ℃，一旦溫度超過限值，說明液壓油此時可能存在被污染的情況，也可能是因為柱塞泵出現了嚴重磨損導致，這時必須要及時停機檢查，同時找出問題所在并及時處理[5]。要想保障液壓盤式剎車系統能實現穩定運行，就必須要保障液壓油潔凈。在對系統進行維護、添加過程中，需要使用專用加油系統，堅決杜絕通過空氣濾清器加油而導致油液被污染。

（3）系統中的快速接頭要在設備運行前進行詳細檢查，保障快速接頭的正常運行。在移動管線或是管線意外膨脹的情況下也要對管線進行及時檢查，確保管線不會損壞。還要對接頭是否存在虛接等情況進行及時檢查，一旦發現存在問題，需采取對應措施進行解決。系統內的各個緊固件要進行及時檢查，查看是否存在松動現象，一旦發現存在松動要及時進行緊固。焊接件是保障設備運行的基礎，運行前要進行嚴格檢查，重點對鉗體的焊縫進行嚴格檢查，查看是否存在腐蝕或裂紋等現象，如果存在裂紋或腐蝕，應根據實際情況進行更換或維修。要保證剎車盤的最大磨損量不超過10 mm，即剎車盤的單邊磨損不能超過5.0 mm，在檢查過程中一旦發下剎車盤出現磨損超限的情況，必須要及時進行修復或更換。

5 結束語

在石油鉆機作業中，液壓盤式剎車承載著絞車滾筒、游車、大鉤和鉆桿的制動功能，是鉆機中的重要部件，一旦發生故障，可能會造成較為嚴重的后果。在液壓盤式剎車的方案確定中，要根據實際工況和鉆機的規格和使用的場合，綜合考慮確定，以得出經濟合理、安全可靠、滿足實際工況的液壓盤式剎車系統方案。