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钻机液压盘式刹车制动分析

制动系统是钻机的重要组成部分，是保障钻井作业正常进行的关键，其性能直接影响钻
井工程的质量与效益。从完成钻井作业角度讲，带式刹车由于受制动原理与结构的限制，制
动能力和总体性能难以全面满足钻井工艺的要求。而盘式刹车由于其自身技术的特点，根据
工艺需要配置制动系统以提高其总体性能的可能性要大得多。因此，盘式刹车制动系统的性
能就成为体现对盘式刹车技术认识与设计水平的重要方面。

1液压盘式刹车制动系统的特点与分析

钻井作业要求制动系统工作可靠且具有良好的工艺特性。可靠性首先表现在紧急情况时，刹
车装置可在人为干预下快速作出反应，并提供足够的制动力矩；其次，系统可不在人为干预
下实施应急自动刹车。制动系统工艺特性是最大限度地满足送钻、起下管柱制动要求的性能
以及满足正常情况下短时或长时停车制动要求的性能。刹车钳是制动的执行元件，其性能直
接影响整个系统的工作.
开式钳的制动力随油压的上升而增加，更符合带式刹车的操作习惯，油压调节特性更适合送
钻和起下管柱等常规作业的要求。因此，应选择开式钳作为完成常规作业制动的执行机构，
以保证制动性能。而意外情况下的紧急制动则主要应由闭式钳承担。这是因为泄压制动快速，
制动力来自碟簧的机械力，在无电力的条件下仍可制动。因此，钻机盘式刹车的刹车钳应该
由开式和闭式两种钳型组成。

１。１钻机液压盘式刹车制动系统

图1是根据上述原则与要求设计的钻机盘式刹车制动系统原理图。

图1ZJ50钻机盘式刹车制动系统原理图

1—闭式钳；2—紧急阀；3—驻车阀；4—开式钳；5—司钻阀；6—防碰解除阀

１。２液压盘式刹车制动受力分析

1。2。1钻机盘式刹车的常开钳与常闭钳均是通过调节钳缸内油压的大小对制动力进行调节
的。常开钳依靠液压力制动，弹簧力松闸，不充油时处于松闸状态。常闭钳依靠弹簧力制动，
液压力松闸，不充油时处于制动状态。无论是常开钳还是常闭钳，均有完全松闸和制动状态。
完全松闸时刹车块与刹车盘之间存在间隙Δ。制动时刹车块与刹车盘之间的间隙为0,弹簧不
再变形，弹簧力为定值。为方便分析，假设两种钳的制动力(最大正压力Nmax)相同，间隙
Δ相同，刹车块与刹车盘的接触面积A相同，所用弹簧相同。弹簧力F是弹簧变形量f的
函数，用F(f)表示。图2是常开钳工作状态简图。图中，f1是刹车钳完全松闸时弹簧的变形
量，此变形量是弹簧的最小变形量。f2是刹车钳制动时弹簧的变形量，此变形量是弹簧的
最大变形量。

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常开钳制动时，活塞杆力平衡方程为

pA=F(f2)+N(1)

由于F(f2)是一定值，故正压力N随油压的升高而增大。当正压力N达到最大值Nmax
时，油压也达到最大值pmax，可表示为

pmax=(F(f2)+Nmax)/A(2)

常开钳中弹簧的作用是克服摩擦力使活塞复位，故常开钳弹簧的弹簧力F(f2)不会很大。可
认为pmax稍大于Nmax／A。

图２是常开钳工作状态简图
1—活塞；2—刹车块；3—活塞杆；4—刹车盘

常开钳松闸时，活塞杆力平衡方程式为

p1A=F(f1)(3)

由于f1＜f2，F(f1)＜F(f2)，故F(f1)很小，油压p1也很小。

图３是常闭钳工作状态简图。图中，f′1是刹车钳制动时弹簧的变形量，此变形量是弹簧
的最小变形量；f′2是刹车钳完全松闸时弹簧的变形量，此变形量是弹簧的最大变形量。

图2常闭钳工作状态简图

f′1与f′2存在以下关系

f′2=f′1+Δ(4)

常闭钳制动时，活塞杆的力平衡方程式为

F(f′1)=pA+N(5)

F(f′1)为一定值，故正压力N随油压的降低而增大。当油压p=0时，正压力N达最大值
Nmax=F(f′1)，即常闭钳的最大制动力取决于弹簧的最小弹簧力。因此，常闭钳弹簧的最
小弹簧力很大。

常闭钳松闸时，活塞杆的力平衡方程式为

pmaxA=F(f′2)≈Nmax=F(f′1)(6)

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式中，F(f′2)是常闭钳松闸状态时的弹簧力。由于Δ很小，可认为F(f′2)稍大于F(f′
1)。因此，常闭钳钳缸内的最大油压也稍大于Nmax/A。也就是说两种钳缸的最大油压值相
当。

从上述分析可知，常开钳与常闭钳钳缸内所需的最大及最小油压差不多，即它们对油压的要
求基本相同。但由于常开钳弹簧的作用是克服摩擦力使活塞复位，而常闭钳弹簧却要起到提
供最大制动力的作用，因此常开钳的最大弹簧力和最小弹簧力都远远小于常闭钳的最大弹簧
力和最小弹簧力。

1。2。2制动力的反馈

司钻熟悉的操作手感是反馈力大，制动力大；反馈力小，则制动力小。由于盘式刹车刹车钳
的制动力由油压调节，油压的大小可以反映制动力的大小，故可将油压作为反馈信号引到司
钻阀手柄上。从国外盘式