液压盘式刹车装置故障自动检测刹车液压回路

液压盘式刹车装置故障自动检测刹车液压回路
杨艳1
，祝贺
1.2
，肖虎
1
，李晓康
1
，刘宏亮
1.2
，徐斌荣
1
（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西宝鸡721002）
摘要：介绍了一种液压盘式刹车装置故障自动检测刹车液压回路。

当液压盘式刹车装置出现断电、电动机故障、液压泵故障、液压管线或接头损坏、电动机与泵的联轴器损坏等一系列因素，造成液压盘式刹车的液压系统逐步失去压力时，其刹车装置能自动刹车，具有避免钻具掉落的重大事故发生的重要作用。

关键词：液压盘式刹车装置;故障自动检测;刹车液压回路
中图分类号:TE922;TH137.7文献标志码:粤文章编号：员园园圆原圆猿猿猿（圆园员8）04原园046原园3 Automatic Fault Detection and Brake Hydraulic Circuit in Hydraulic Disc Brake YANG Yan1,ZHU He1.2,XIAO Hu1,LI Xiaokang1,LIU Hongliang1.2,XU Binrong1
（1.Baoji Oilfield Machinery Co.,Ltd.,Baoji721002,China;2.National Oil and Gas Drilling Equipment Research Center,Baoji721002,China;）Abstract:This paper introduces an automatic fault detection and brake hydraulic circuit in hydraulic disc brake. Hydraulic disc brake hydraulic system will gradually lose pressure when the hydraulic disc brake device is in the state
of power failure,motor failure,hydraulic pump failure,hydraulic pipeline or joint damage,motor and pump coupling damaged.Its automatic brake device can prevent the drill from falling.
Keywords:hydraulic disc brake device;automatic fault detection;brake hydraulic circuit
0引言
液压盘式刹车装置为机、电、液一体化产品，它是绞车的重要部件。

液压盘式刹车装置由液压站、操作台、制动执行机构及管路部分组成。

液压站是动力源，为执行机构提供必需的液压动力；执行机构是刹车制动的执行部分，包括常开式工作钳和常闭式安全钳、钳架、刹车盘等；操作台是执行机构的控制中心，它通过电信号控制液压站中的电磁阀组，对制动执行机构的动作进行控制。

目前钻机的盘刹装置均采用常开和常闭双刹车机构的液压刹车机构，且大多液压回路将常开和常闭双刹车机构分开单独设置，当遇到断电、电动机故障、液压泵故障、液压管线或接头损坏、电动机与泵的联轴器损坏等情况时，液压盘式刹车的液压系统逐步失去压力，其工作刹车（常开）的功能逐步丧失，由于现场需操作人员高度关注井口设备、人员的工作情况，且钻机的噪声很大，操作人员很难发现该故障，安全刹车（常闭）没有参与刹车，这就造成了多起钻具掉落的重大事故发生。

我公司研发的液压盘式刹车装置故障自动检测刹车液压回路适应于具有常开和常闭双刹车机构的液压刹车机构，特别适应于各类及各种型号的石油钻机的液压盘式刹车装置。

该回路由电动机液压泵总成、手动伺服刹车阀、梭阀、工作钳（常开）、压力表、常闭钳、常闭刹车阀、紧急刹车阀、压力传感器、管路总成等组成。

该回路的应用，实现了液压盘式刹车装置出现断电、电动机故障、液压泵故障、液压管线或接头损坏、电动机与泵的联轴器损坏等情况，液压盘式刹车的液压系统逐步失去压力情况下，刹车装置自动刹车，其避免了钻具掉落的重大事故发生[1-7]。

1液压盘式刹车装置故障自动检测刹车液压回路研究1.1功能简介
通过操作刹车阀的控制手柄，调节工作钳对制动盘的正压力，从而为主机提供大小可调的刹车力矩，满足送钻、起下钻等不同工况的要求。

遇到紧急情况或停机及司钻离开操作位置时，按下红色紧急制动按钮，工作钳、安全钳全部参与制动，实现紧急刹车。

当大钩提升重物上升到某高度应该实现制动的位置，由于操作失误或其它原因，未实施制动时，过卷阀或防碰阀会动作并发出信号，工作钳和安全钳全部参与刹车，实施紧急制动，避免碰撞天车事故发生。

若设备运行过程中，出现以下几种突发状况，此刹车液压回路均可起到重要作用。

1）液压盘式刹车断电后，电动机液压泵总成停止工作，继续操作刹车装置工作，液压系统压力降低后该回路可保证装置自动刹车。

2）电动机故障，如电动机电路线路短路、缺相、轴承损坏等使电动机停转致泵不工作，继续操作刹车装置工作，液压系统压力降低后该回路可保证装置自动刹车。

3）液压泵故障，如泵磨损、泄漏、烧死等使液压泵不能给系统提供液压油或规定数据的压力、流量的液压油，则继续操作刹车装置工作，液压系统压力降低后该回路可保证装置自动刹车。

4）液压管线或接头损坏，如液压管线爆裂、砸裂、断裂及接头损坏致液压油外排，使液压系统压力降低，该回路可保证装置自动刹车。

5）电动机与泵的联轴器损坏致液压泵停止工作，继
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续操作刹车装置工作，液压系统压力降低后该回路可保证装置自动刹车。

1.2工作原理
制动执行机构主要包括工作钳、安全钳、刹车盘和钳架（支座），其结构及布置如图1所示[8-12]。

当给油缸输入压力油时，产生推力推动油缸活塞杆伸出，通过连杆、销轴、闸靴、使刹车块接触刹车盘，通过拉杆将推力F传递到刹车块端，从而作用于刹车盘，产生正压力。

在正压力的作用下产生摩擦力，即制动力。

制动力与油压为正比例变化关系，当油压为零时，在复位蝶簧的作用下，活塞回到原始位置，使刹车块脱离刹车盘，工作钳处于完全打开状态，如图2所示。

安全钳的工作原理与工作钳相反。

当给油缸输入额定工作压力油时，油压产生的力克服碟簧弹力压缩碟簧，油缸活塞杆缩回，通过连杆、销轴、闸靴使刹车块脱离刹车盘，实现松刹。

当放油时，油压为零时，蝶簧的弹力作用于活塞的端面，油缸活塞杆伸出，通过连杆、销轴、闸靴使刹车块接触刹车盘，弹力传递到刹车块端，从而作用于刹车盘，产生制动力，实现刹车，如图3所示。

液压盘式刹车装置故障自动检测刹车液压回路工作原理如下，具体原理如图4所示[13-15]。

在工作时，启动电动机液压泵总成1的电动机，液压泵工作，通过管路总成10、手动伺服刹车阀2和常闭刹车阀7供油，通过手动伺服刹车阀2和工作钳（常开）4刹车，工作钳（常开）4刹车的刹车力的大小与液压系统的压力大小成正比，液压缸的活塞面积乘以系统压力等于作用力。

同时操作常闭刹车阀7使常闭钳6的液压缸充油升压，压缩缸内的蝶形弹簧，打开刹车钳，释放绞车刹车盘。

下放钻具时，绞车刹车盘是否转动及转动的快慢均由操作者掌握的手动伺服刹车阀2的开度大小而定。

而当出现断电、电动机故障、液压泵故障、液压管线或接头损坏、电动机与泵的联轴器损坏等情况，液压盘式刹车的液压系统逐步失去压力情况时，随着液压系统压力
图1制动执行机构图图2工作钳
图3安全钳
图4自动检测刹车液压回路结构图
1.电动机液压泵总成
2.手动伺服刹车阀
3.梭阀摇
4.工作钳
（常开） 5.压力表 6.常闭钳7.常闭刹车阀8.紧急刹车阀
9.压力传感器10.管路总成
（下转第50页）
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逐步下降，
常闭钳6的液压缸油压随之下降，缸内的蝶形弹簧压缩量减少，液压缸的活塞杆伸出，刹车块贴紧刹车盘，刹车钳的刹车力随之逐步上升，直至刹死绞车刹车盘。

这就可完全避免钻具掉落的重大事故发生。

2
结
论
本文研发了一种液压盘式刹车装置故障自动检测刹车液压回路，优化了液压盘式刹车装置液压系统的设计、制造，并实现高效、安全的刹车功能，完全避免钻具掉落的重大事故发生，对石油钻井的安全进行起到重要作用。

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兰州:兰州理工大学,2016.
（责任编辑
张立明）
作者简介：杨艳(1984—)，女，硕士，工程师，现从事机械设计研究工
作。

收稿日期：2017-06-13
（上接第47页）
车一般己经停止工作，所以对过山车整体轨道钢结构施加的载荷只有重力载荷和极限载荷，其分析结果见图4和图5所示。

由结构应力云图（图4）可以看出,轨道钢结构最大应力位置出现在出第一个立环处的立柱C44与支撑管的相交处，Von Misses 应力为65.5342MPa ，安全系数为6.71。

由结构变形云图（图5）可以看出,轨道钢结构最大位移出现在第二个立环上部的立柱C42耀C44之间，位移值为91.4398mm 。

选取一根轨道（左轨道）作沿轨道最大位移分量图，
如图6和图7所示。

图6为沿轨道X 向U x 分布，
图7为沿轨道Z 向U Z 分布。

此时整体结构最大变形出现在第二个立环顶点位置，其值为85.192mm [15]。

另外，沿轨道Y 向位移U Y ，最大值为6.677mm 。

沿轨道Z 向位移U Z ，最大值为-5.401mm 。

分析结果表明，极限风载（+X 方向）工况结构强度满
足规范要求，但是结构的侧向位移过大会对钢结构产生塑性变形，应当引起足够的重视。

4结论
过山车整体轨道钢结构在承受侧向即
（+X 方向）极限风载时，结构整体变形最大，其值为91.4398mm ，位置在两
个立环的顶端部分，应力为65.5342MPa ，极限应力按440
MPa 时许用应力为125.7MPa ，此时结构强度满足要求。

对
于变形过大的部分，可考虑施工时在整体结构的侧面
（即2个大立环的外侧）不远处种植防风树或者安装挡风墙，以
避免在长时间的极限大风时整体结构产生塑性变形，
此分析结果对于同类问题有很强的借鉴和参考价值。

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（责任编辑
马忠臣）
作者简介：袁浩（1985—），男，硕士研究生，主要研究方向为工程结构
动力学及其应用；
尹晓春（1963—），男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为撞击瞬态动力学、
结构动力学；于博（1990—），男，博士研究生，主要研究方向为撞击瞬态动力学。

通信作者：尹晓春，yinxiaochun2000@ 。

收稿日期：2017-06-14
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