大制动力可调水刹车研制及应用.docVIP

大制动力可调水刹车研制及应用 　　摘 要:大制动力可调水刹车是专门为2000m～3000m钻机设计的一种辅助刹车装置。在深孔钻进下放钻具时,为减轻制动闸带和卷筒的磨损,减少卷筒制动毂的发热量,通过水刹车装置实现对下放钻具的辅助制动。钻机原有水刹车结构不能无极调节,适用范围小。已有的可调水刹车制动能力小。为此研发了大制动力可调水刹车,该装置经过反复试验应用,可随钻孔深度(3000m以内)而调整闸门开度来控制下放钻具速度,能有效减轻制动闸带和卷筒的磨损,减少卷筒制动毂的发热量,有效提高了钻机钻进的安全性、经济性和可靠性。 　　关键词:水刹车 大制动力 可调 应用 　　中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)01(c)-0106-02 　　 　　在钻机下钻过程中,如果直接靠闸带控制下钻速度,则会造成闸带磨损快,闸筒发热量大,闸筒齿轮挡内轴承、齿轮损坏增多等现象。如选用电磁辅助刹车,成本会增加三倍之多。该大制动力可调水刹车是专门为2000m～3000m钻机设计的一种辅助刹车装置。可随钻孔深度而调整闸门开度来控制钻具下放速度,可有效减轻制动闸带和卷筒的磨损,减少卷筒制动毂的发热量。该装置成本低、使用保养简单、经济实用,满足了用户对钻机设备低成本高效率的要求。 　　 　　1水刹车的结构原理 　　水刹车是一种液力传动装置,即以水为工作介质的能量转换装置。用它控制下钻,将钻具的位能大部分转变为水的热能。它可以看作是一种涡轮固定的液力偶合器,其工作原理与液力偶合器类似。 　　它主要由固定在主轴上的转子(泵轮)、定子(涡轮即壳体)、机械密封、调节开度的闸板及操纵机构组成。如图1。水由下部输入,充满腔体后由上部流出。 　　在转子、定子上都有辐射状叶片,叶片朝旋转方向倾斜一定角度,叶片之间形成水室。主轴旋转时,转子水室中的水受离心作用甩向外缘,进入定子(壳体)上的水室。靠近轴心处的水流被“抽空”,形成负压,于是定子水室外缘的水,被迫折回流向内缘轴心处。这样在转子和定子水室中形成循环圆即涡流,不断循环,并且随着转子的转动绕主轴转动,形成螺管形的水流。 　　转子叶片带动涡流状态的介质,以很大的径向速度和圆周切线速度冲向逆向的静止不动的定子叶片,这就对转子叶片造成很大的反作用力。涡流被导入定子并强迫改变流向,当它以逆转方向冲向转子水室中时,又给转子叶片以一定的阻力。这些阻力作用于不同的叶片半径上,就形成水刹车的制动力矩。类似于涡轮传动,可得出水刹车的刹车力矩为: 　　Ms=α1(n/100)2(D外5-D内5)N?m 　　水刹车的制动功率: 　　Ns=α2(n/100)2(D外5-D内5)Kw 　　式中:α1、α2为水刹车的转矩系数和功率系数。 　　n为下钻时水刹车周周的转速,r/min。 　　D外、D内为水刹车水室的外径、内径,m。 　　系数α1、α2取决于结构因素,如叶片形状、数目、倾斜角、叶片与水室表面的粗糙度等。这两个系数必须实测才能确定。在定子与转子之间可用操纵机构推出一个很薄的隔板(闸板),它全部或部分隔断定子水室中的水流,使其不能全部进入定子水室形成环流,从而减少了阻尼作用。闸板对转子覆盖面子的大小,相当于改变了实际作用的D外,引起Ms的变化。 　　下钻时,钻具以近似自由落体方式加速下落,带动卷筒高速反转,经过增速机构驱动水刹车主轴高速旋转。但水流的阻尼作用马上使之减速,于是钻具也随之被减速,而强制水流作螺管状流动。水流内部强烈的剪切内摩擦,水流与水室壁面摩擦,水温的升高以及水流及转子、提升系统的运动吸收了钻具大部分位能,而使之减速。 　　 　　2水刹车的工作特性 　　此水刹车的设计应用了相似原理,根据公司原有动轮直径330mm的可调水刹车,在此基础上将影响制动力的主要参数动轮直径增加到530mm,其余相关尺寸相应放大。根据制动力矩与动轮直径的平方成正比,理论上制动力矩应为原来的2.5倍。通过试验测定,确实达到了理论数值。 　　(1)主要特性参数。 　　制动回转转数: 300～400r/min 　　平衡速度:最小0.7m/s 　　制动负荷:最大480kN 　　使用介质: 清水(或防冻液) 　　给水方法: 水泵强制循环 　　流量:100L/min 　　压力:0.1MPa 　　（2)水刹车特性试验曲线如图2所示。 　　图中系数C=α1(D外5-D内5)。 　　图中Ⅰ型线表示了制动力矩随开度大小变化的情况:制动力矩正比于开度。每一个开度下,制动力矩正比于转速,但在每条曲线的上部均发生畸变,不再符合平方关系。说明工作转速很高即制动功率很大时,特性要变差,水刹车应在一定的功率下使用。 　　线型Ⅱ的曲线说明阻力矩随背压增加而增加,但此种变化不如开度改