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:
水刹车的制动功率:
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。
1-手轮;2-压板;3-进给轴;4-右导杆;5-长导杆;6-闸门;7-转子;8-主轴;9-壳体;1 0-左导杆;1 1-连杆
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。
(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变的影响大。因此, 用调背压的方法调节制动力矩的范围较小。
线型Ⅱ的曲线说明:水刹车反转时力矩很小, 故下钻回升时不必摘开水刹车。
制动力矩随水温增加而减低, 出口水温在30°C～60°C以内, 影响不很明显。但水温达70°C以后, 转速—制动力矩曲线明显发生畸变, 说明水温过高将使制动力矩明显减小。
3 水刹车的使用维护
水刹车应充满清洁的无杂质的中性水。水温如果超过70°C, 制动力矩将急剧下降。因为水刹车高速旋转, 由于离心的作用, 水室中心部分压强低于周围压强, 甚至变成负压, 进而形成一个低压饱和蒸汽环。汽环的形成将减少涡流循环圆中的水量, 减低制动力矩。水温的升高将促成汽环的形成和膨胀。因此要用水泵强制水刹车内的工作介质循环, 在一个较大的水箱内自然冷却, 散发掉所吸收的热量, 再泵入水刹车内。
水刹车的主轴与壳体之间采用了机械密封。机械密封的动环用紧定螺钉固定在主轴上, 静环固定在轴承盒上, 动、静环均用硬质合金制成, 摩擦面加工成镜面, 弹簧的弹力将它们压紧, 起密封和补偿磨损的作用。滑环非常耐磨, 有很高的使用寿命。维修时, 主要是检查或更换静环上的O型密封圈, 检查和防止转销未插在静环孔内, 以免顶歪静环, 使动静环磨偏和泄露。工作时, 摩擦面渗入的工作介质, 起冷却或润滑作用, 所以从轴承盒下部的泄水孔有少许滴水是正常的, 虽然采用了硬质合金滑环能耐高温, 但也不允许干磨。因此, 启用水刹车前应先泵入循环水。如果长期不用, 应充以混合10%以上机械油的轻油, 以防生锈。在0°C以下的地区施工, 还应该注意防冻, 或采用防冻液作工作介质。
4 应用实例
2010年1～10月, 河南水文一队使用我公司的配有大制动力可调水刹车的TSJ3000/445钻机在河南濮阳施工一口岩盐勘探井设计井深2700余米。该井从2000m开始取芯作业, 每钻进9m左右要起下钻一次, 起下钻非常频繁, 最深时钻具重量近70t。该队每次下钻在700m, 800m左右时开始挂上水刹车开始水刹车闸门开度调为1/4, 在下到1200m左右将开度调为1/2, 再下到1700m左右, 闸门开度继续调大为3/4, 2000m以上后将闸门开度调到最大。结合刹车抱闸制动, 基本把钻柱速度控制在1m/s以内, 由于制动功率比较大, 队上使用一个约6m3大的水箱, 用JCB-180机床电泵强制循环散热。在使用过程中, 运转声音正常, 闸门调节灵活有效, 制动能力强, 调节范围大。水循环良好, 散热块, 水温未超过50°C。由于使用了水刹车, 闸带的磨损较小, 这口井从开钻至完井只换了一次刹车块。为用户节约了成本, 提升了钻机的安全可靠性。因此用户对此装置给予了很高的评价。
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
参考文献
[1] 韩广德.中国煤炭工业钻探工程学[M].煤炭工业出版社, 2000.
[2] 颜荣庆.液压与液力传动[M].人民交通出版社, 1988.
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