CN104024678B - 具有可拆卸的传热插入件的液体冷却制动组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于旋转部件的制动器，所述制动器使用液体冷却剂，并包括：壳体，用于容纳液体冷却剂；静止元件，该静止元件布置在所述壳体中；磨损板，该磨损板布置在所述静止元件上；摩擦元件，该摩擦元件与所述旋转部件连接，用于接触所述磨损板；以及可拆卸的传热插入件，该传热插入件布置在所述磨损板附近，并与所述冷却剂流体连通，所述传热插入件包括非电化学材料。

Description

具有可拆卸的传热插入件的液体冷却制动组件

相关申请

本申请要求美国专利申请No.61/585947(申请日为2012年1月12日)和13/731477(申请日为2012年12月31日)的优先权，所有这些文献都整个被本文参引。

技术领域

本发明涉及一种液体冷却制动器，更特别是涉及一种用于控制或停止旋转轴的、流体操作的液体冷却制动组件。

背景技术

流体操作制动装置在广泛的工业用途中使用。这样的装置通常包括制动组件，该制动组件与旋转轴连接，且该旋转轴轴向穿过制动组件的中心延伸。制动组件通常还包括制动垫片或其它利用摩擦力的装置，以便控制或停止旋转轴，且摩擦力通过施加气动压力来控制。因为制动的摩擦力能够产生大量的热量，因此这种制动器通常使用液体流(例如油、乙二醇或水)通过制动器组件，以便耗散在制动操作过程中产生的热量。

油和天然气行业是频繁使用这种流体操作液体冷却制动器的一个领域。在油和天然气行业中，钻机将井深深地钻入地层中，以便不仅鉴定地质油层，而且还产生井，该井允许从这些油层中抽取油或天然气。钻机使用钻杆柱，该钻杆柱由多段管组成，以便在地层中形成孔。有时必须在称为起出管(tripping pipe)(或者称为起出圆形钻具或者简称为起出钻具)的处理中从井孔内取出钻杆柱。这通过物理脱开来进行，当从井孔拉出时，每2或3个钻杆接头一次，然后将它们竖直地堆在油井架的架中。在该处理过程中，当多段管架起时，钻杆柱必须悬起。钻机使用液体冷却制动器组件，该液体冷却制动器组件附接在绞车卷轴上，以便在起出钻具的同时保持钻杆柱。制动器很坚固，因为钻杆柱较重。

用于油和天然气行业中使用的液体冷却制动器组件通常具有摩擦盘，该摩擦盘与磨损板接合，并将较重钻杆的势能转变成通过摩擦产生的热量。磨损板由于摩擦力而变得非常热，并通过循环的冷却剂(最通常为水、乙二醇或油)来冷却，该冷却剂经过传热插入件，该传热插入件布置在磨损板和安装凸缘或反作用板之间。通常，传热插入件由钢构成，并形成有很多较小的竖直凸起，例如小块、栓钉或销。小块允许冷却剂在它们周围循环，以便传递热量离开磨损板。

不过，小块在经过一段时间后被腐蚀，特别是当水用作冷却剂时，因为水与钢反应。另外，由于在小块和磨损板、安装凸缘或反应板之间使用不同的金属，因此小块受到电化学腐蚀。由钢制造的传热插入件布置在磨损板附近，该磨损板通常由铜制造。当使用水时，它用作电解质，因此建立电化学耦合。在不同金属之间的电势差是对传热插入件加速侵蚀的一个因素。当小块被腐蚀时更少的热量传送离开磨损板，从而在腐蚀发展时使得制动器无效。

腐蚀的传热插入件能够进行修理。在通常的工业实践中，传热插入件的多个部分能够通过喷砂或类似处理而除去，并焊接新的钢以代替除去的部分。然后，对新的小块进行机械加工，以便彼此相对平齐和与周围表面平齐。修理方法昂贵和费时间，并需要具有较大和昂贵设备的高级机械工厂。修理并不适合在现场很容易地进行，大部分的油和天然气钻机在该现场中使用。修理液体冷却制动器要考虑的附加成本是钻机在进行修理时的停机时间。

因此需要一种液体冷却制动器组件，它能够在传热插入件被腐蚀或磨损时很容易和快速地修理。还需要一种制动器组件，它能够在其使用的现场修理。还需要一种用于液体冷却制动器组件的便宜修理。

发明内容

根据本发明，一种用于旋转部件的制动器包括：壳体，用于容纳液体冷却剂；静止元件，该静止元件布置在壳体中；磨损板，该磨损板布置在静止元件上；摩擦元件，该摩擦元件与旋转部件连接，用于接触磨损板；以及可拆卸的传热插入件，该传热插入件布置在磨损板附近，并与冷却剂流体连通，该传热插入件包括非金属材料。

而且，根据本发明，一种用于旋转部件的制动器包括：壳体，用于容纳液体冷却剂；用于壳体的安装凸缘；第一和第二安装元件，该第一和第二安装元件布置于壳体内；压力板，该压力板布置在壳体内；磨损板，该磨损板布置在各安装元件、安装凸缘和压力板上；多个摩擦元件，这些摩擦元件与旋转部件连接，用于接触磨损板；可拆卸的复合传热插入件，该传热插入件布置在各磨损板附近，并与液体流体连通，复合传热插入件包括碳纤维/环氧酚醛树脂复合材料；以及活塞，用于压力板、第一和第二安装元件和安装凸缘的轴向运动。

还根据本发明，一种用于旋转部件的制动器有可拆卸的传热插入件。制动器使用冷却剂，并有：壳体，用于容纳该冷却剂；静止元件，该静止元件布置在壳体中；磨损板，该磨损板布置在静止元件上；以及摩擦元件，该摩擦元件与旋转部件连接，用于接触磨损板。可拆卸的传热插入件布置在磨损板附近，并与冷却剂流体连通，且包括非电化学(非流电)的复合材料。

附图说明

通过下面结合附图对本发明实施例的说明，将更清楚本发明的上述和其它特征以及优点，并更好地理解本发明，附图中：

图1是根据本发明的液体冷却制动器的透视图；

图2是根据本发明的液体冷却制动器的端视图；

图3是图2的实施例在沿由箭头所示的方向看时沿线3-3的剖视图；

图4是本发明的可拆卸传热插入件的透视图；

图5是表示流过本发明的可拆卸传热插入件的冷却剂流的视图；以及

图6是本发明的可拆卸传热插入件的热型面。

具体实施方式

应当知道，本发明并不将它的应用局限于在下面的说明书中所述或在附图中所示的部件的结构和布置方式的细节。本发明能够有其它实施例，能够以多种方式来实现或实施。还有，应当知道，这里使用的措辞和术语是为了说明目的，并不应当认为是限制。这里使用“包括”、“包含”或“有”以及它们的变化形式将意味着包含在后面列出的项和它的等效物以及附加的项。除非另外限制，否则术语“连接”、“相连”和“安装”以及它们的变化形式将广义地使用，并包含直接或间接的连接、相连和安装。另外，使用“连接”和“相连”以及它们的变化形式并不局限于物理或机械连接或相连。

参考附图，首先参考图1、2和3，图中表示了根据本发明的液体冷却制动器10。制动器10与旋转部件连接，例如在拉动工作中在油或天然气钻机上使用的卷轴。制动器10通常通过孔12来接收旋转部件。在部件和制动器10之间的紧摩擦连接使得制动器10固定在旋转部件上。多个螺栓或双头螺栓14环绕制动器10的周边布置，并将制动器10的壳体16的元件固定在一起。

制动器10包括缸18和活塞20，该活塞20布置在形成于缸18中的空腔内。内部密封件22和外部密封件24提供了在活塞20和缸18之间的密封接合。活塞20与压力板26接合，并响应施加在活塞20上的气动压力而提供该压力板的轴向运动。布置在压力板26中的衬套28与释放弹簧30接合，该释放弹簧30再与第一反作用板32接合。第二释放弹簧34布置在第一反作用板32和第二反作用板36之间。第三释放弹簧38布置在第二反作用板36和安装凸缘40之间。弹簧30、34、38通常将压力板26、释放板32、36和安装凸缘40偏压成并不相互接触。

制动器10包括锁定螺母42a、42b，该锁定螺母42a、42b将双头螺栓14固定在缸18上。扁平垫圈44a、44b分别布置在锁定螺母42a、42b和缸18之间。双头螺栓14布置在夹管46内。主要包括铜的磨损板48布置在反作用板32附近。平头螺钉50在各侧将摩擦盘芯52夹持在摩擦块、垫或盘54上。应当知道，摩擦盘芯52是环绕制动器10的轴向直径延伸的环形部件，通常包括钢。衬套56环绕双头螺栓14布置。磨损垫片58布置在双头螺栓14上，以便适应在制动器10中的磨损，并与释放弹簧38和安装凸缘40接合。螺钉62将传热插入件60和磨损板48固定在压力板26、反作用板32、36和安装凸缘40上。来自外边源(未示出)的气动压力向活塞20施加压力，以便使得压力板26、释放板32、36和安装凸缘40相互接触，由此摩擦块54与磨损板48接合。

下面参考图4，安装凸缘40表示为有可拆卸的复合传热插入件60。并不是如本领域已知那样使得安装板和传热插入件形成为单个零件(这样，传热插入件的磨损或腐蚀部分必须通过喷砂或其它类似处理来除去)，而是可拆卸的传热插入件60形成为单独部件。因此，安装凸缘40形成为具有空腔，该空腔的尺寸设置成容纳可拆卸的复合材料传热插入件60。如后面更充分所述，当可拆卸的复合材料传热插入件60磨损或被腐蚀时，制动器组件可以通过简单地取出可拆卸的复合传热插入件60和用新的插入件代替它而进行修理。这样的修理可以在现场进行，不需要复杂的、费时间的和昂贵的处理(过去通常利用这样的处理来修理制动器组件)。

可拆卸的复合传热插入件60用于传递由在摩擦块54和磨损板48之间的摩擦产生的热量。可拆卸的复合传热插入件60包括碳纤维/环氧酚醛树脂复合材料，如后面更充分所述。可拆卸的复合传热插入件60由已知的制造方法来形成，并包括多个小块、栓钉或销64。小块64形成于可拆卸的复合传热插入件60的、分别面对安装凸缘40、反作用板32、36和压力板26的反面上。可拆卸的复合传热插入件60有与磨损板58接触的观察面。小块64从可拆卸的复合传热插入件60上竖立，并在可拆卸的复合传热插入件60的反面上大致布置在等间距的同心圆区域中，除了在复合传热插入件60的中心和它的外周边缘74之间近似等距地布置的多个等间距小圆区域61。由图4可知，在所示实施例中，小块64为均匀的高度和直径，并横过可拆卸的复合传热插入件60的表面均匀地布置；不过，根据复合传热插入件60的合适传热特征，也向本领域技术人员提出其它形状的小块64以及在可拆卸的复合传热插入件的表面上的其它布置方式。在所示实施例中，脊66沿大致径向方向形成于可拆卸的复合传热插入件60的反面上，即，脊66大致指向由可拆卸的复合传热插入件60形成的圆的中心。因此，脊66形成槽道68，该槽道68穿过布置在可拆卸的复合传热插入件60上的小块64的区域中的一部分，因此，冷却剂(通常为水，但是也可以使用其它液体，例如乙二醇或油)从壳体16外部流至可拆卸的复合传热插入件60的反面上，横过小块64，并通过由大致径向布置的脊72形成的槽道70而流出壳体16外。如前面结合小块64所述，根据可拆卸的复合传热插入件60的合适传热特征，也提出脊66、72和槽道68、70的不同布置方式。复合传热单元60可以在其中形成有狭槽或凹槽设计74，以便以合适方式引导冷却剂横向流过。

可拆卸的复合传热插入件60可以由任意合适材料来制造。在一个实际实施例中，可拆卸的复合传热插入件60是30/70碳纤维/环氧酚醛树脂复合材料。碳纤维假定是短纤维、随机定向、标准模量的纤维。平均材料特性值用于这些材料的每一个，并使用混合规则来寻找用于复合材料的合适材料值如下：

ρ_c＝ρ_mV_m+ρ_fV_f＝(0.0462lb/in³)(0.7)+(0.0643lb/in³)(0.3)＝0.05163lb/in³

在上述等式中，ρ和V分别表示密度和体积分数(volumefraction)。下标c、m和f分别表示复合材料、基体和纤维。

类似的，对于导热率和比热：

k_c＝k_mV_m+k_fV_f＝(0.087BTU/ft·h·°F)(0.7)+(6.4BTU/ft·h·°F)(0·3)＝1·9BTU/ft·h·°F

C_c＝C_mV_m+C_fV_f＝(38BTU/lbm·°F)(0.7)+(25BTU/lbm·°F)(0.3)＝34BTU/lbm·°F

在产品的热分析中使用以下假设：

进口温度＝70°F

进口压力＝40psi

进口水流速≥27gal/min

热功率定额＝201.3kW。

在实际实施例中，认为以下特性适用于复合材料的合适功能：

密度：0.0516lb/in³

比热：0.341Btu/lb-°F

导热率：1.98Btu/ft-h-°F。

也可以为其它的碳纤维/环氧酚醛树脂百分比，如本领域技术人员显然知道的。

下面参考图5，水流表示为通过形成于脊66之间的槽道68，然后沿可拆卸的复合传热插入件60的反面沿大致圆形方向，如由箭头“a”表示，都如上述结合图4所述。应当知道，液体冷却剂(在该实例中为水)耗散通过从磨损板48导热而传递的一部分热量。加热的水通过由脊72形成的槽道70而流出制动器10。

图6是灰度图，表示当制动器10使用时可拆卸的复合传热插入件60的热图。往回参考图5，水流过和环绕小块64而在可拆卸的复合传热插入件60上流动。在图6上的更轻阴影表示可拆卸的复合传热插入件60的更高温度区域，而更暗的阴影表示更低温度区域。由图6可知，较高温度区域主要确定于可拆卸的复合传热插入件60的外周边缘74，而传热插入件60的本体相对更冷，如由图中的更暗灰度阴影来表示。还应当知道，由于循环的水的作用，可拆卸的复合传热插入件60有相对均匀的较低温度。

已经进行了测试来使得由前述复合材料制造的传热插入件的热特性与由水冷却的已知钢插入件来比较。下面的表格表示了测试结果。

其它材料可以代替碳纤维/环氧酚醛树脂复合材料，如本领域技术人员将提出的。在用作可拆卸的复合传热插入件60的选择材料中的关键性质包括可模制性、可重复性、尺寸稳定性、低成本、硬度、无电化学性和非金属。

在所示实施例中，压力板26、反作用板32、36和安装凸缘40由钢制造。本领域技术人员应当知道，压力板26、反作用板32、36、安装凸缘40和可拆卸的复合材料传热插入件60并不产生电化学耦合，因为它们并不构成不同材料。因此，可拆卸的复合传热插入件60并不产生电化学腐蚀，与包括钢的已知插入件不同。当然，应当知道，当使用液体冷却剂例如乙二醇或油时，在压力板26、反作用板32、36和安装凸缘40以及复合传热插入件60之间不会产生电化学作用。

尽管小块64不会受到电化学腐蚀，因为复合传热插入件60由钢制造，但是小块64将由于冷却剂与它接触而被侵蚀。应当知道，当小块64被磨掉，从而降低可拆卸的复合传热插入件60的传热能力时，可拆卸的复合传热插入件60可以很容易地更换。修理是简单地打开制动器10的壳体16和使得可拆卸的复合传热插入件60整个更换。在修理操作中并不需要进行昂贵和费时间的喷砂和焊接操作。根据本发明的制动器单元因此可以很容易和快速地在现场修理，因此不需要专用工具或机械加工设备来更换该可拆卸的复合传热插入件60。当制动器单元10用于偏远地方时(例如在偏远地点的钻机上)，制动器单元10能够快速和很容易地修理，且停机时间最少。

本发明实施例的前述说明是为了示例说明目的。而并不是排他或者将本发明限制为所述的精确步骤和/或形式，显然，根据上述教导能够进行多种变化和改变，本发明的范围将由附加权利要求来确定。

Claims (22)

1.一种用于旋转部件的制动器，所述制动器使用液体冷却剂，包括：

壳体，用于容纳液体冷却剂；

静止元件，该静止元件布置在所述壳体中；

磨损板，该磨损板布置在所述静止元件上；

摩擦元件，该摩擦元件与所述旋转部件连接，用于接触所述磨损板；以及

可拆卸的传热插入件，该传热插入件布置在所述磨损板附近，并与所述液体冷却剂流体连通，所述可拆卸的传热插入件包括不易产生电化学腐蚀的材料。

2.根据权利要求1所述的制动器，其中：所述可拆卸的传热插入件包括非金属材料。

3.根据权利要求1所述的制动器，其中：所述可拆卸的传热插入件包括碳纤维/环氧酚醛树脂复合材料。

4.根据权利要求1所述的制动器，其中：所述可拆卸的传热插入件包括复合材料，该复合材料包含30％的碳纤维和70％的环氧酚醛树脂。

5.根据权利要求1所述的制动器，其中：所述可拆卸的传热插入件包括复合材料，该复合材料包含至少20％但小于40％的碳纤维以及至少60％但小于80％的环氧酚醛树脂。

6.根据权利要求1所述的制动器，其中：所述可拆卸的传热插入件是环形部件。

7.根据权利要求6所述的制动器，其中：所述可拆卸的传热插入件有与所述液体冷却剂流体连通的表面，且还包括环绕所述表面布置的多个小块。

8.根据权利要求7所述的制动器，其中：所述小块环绕所述可拆卸的传热插入件的所述表面布置成同心圆。

9.根据权利要求8所述的制动器，还包括：脊，该脊布置在所述可拆卸的传热插入件的所述表面上，用于引导所述液体冷却剂通过所述小块。

10.根据权利要求1所述的制动器，还包括：

多个摩擦元件；

多个静止元件；

多个磨损板，这些磨损板布置在所述多个静止元件上，所述磨损板与所述多个磨损元件相连；以及

多个可拆卸的传热插入件，这些传热插入件布置在所述磨损板附近。

11.根据权利要求10所述的制动器，还包括：压力板；以及活塞，用于向所述压力板提供轴向力。

12.一种用于旋转部件的液体冷却制动器，包括：

壳体，用于容纳该液体；

用于所述壳体的安装凸缘；

第一和第二安装元件，该第一和第二安装元件布置于所述壳体内；

压力板，该压力板布置在所述壳体内；

磨损板，该磨损板布置在各所述安装元件上；

多个摩擦元件，这些摩擦元件与所述旋转部件连接，用于接触所述磨损板；

可拆卸的复合传热插入件，该传热插入件布置在各所述磨损板附近，并与所述液体流体连通，所述可拆卸的复合材料传热插入件包括碳纤维/环氧酚醛树脂复合材料；以及

活塞，用于所述压力板以及所述第一和第二安装元件的轴向运动。

13.根据权利要求12所述的制动器，其中：所述可拆卸的复合传热插入件包括复合材料，该复合材料包含30％的碳纤维和70％的环氧酚醛树脂。

14.根据权利要求13所述的制动器，其中：所述可拆卸的复合传热插入件包括复合材料，该复合材料包含至少20％但小于40％的碳纤维以及至少60％但小于80％的环氧酚醛树脂。

15.根据权利要求12所述的制动器，其中：各所述可拆卸的复合传热插入件为大致环形形状。

16.根据权利要求15所述的制动器，其中：所述可拆卸的复合传热插入件有用于与所述磨损板接触的观察面以及反面；且还包括布置在所述反面上的多个小块，所述小块具有大致均匀的直径和高度，所述小块布置在大致同心圆的区域中。

17.根据权利要求16所述的制动器，还包括：多个脊，这些脊布置在所述可拆卸的复合传热插入件的所述反面上，沿大致径向方向对齐，用于引导所述液体横过所述可拆卸的复合传热插入件的所述反面。

18.一种用于制动器的可拆卸的传热插入件，该制动器用于旋转部件，所述制动器使用液体冷却剂，并有：壳体，用于容纳所述液体；静止元件，该静止元件布置在所述壳体中；磨损板，该磨损板布置在所述静止元件上；以及摩擦元件，该摩擦元件与所述旋转部件连接，用于接触所述磨损板；

可拆卸的传热插入件布置在所述磨损板附近，并与所述液体流体连通，

所述可拆卸的传热插入件包括不易产生电化学腐蚀的材料。

19.根据权利要求18所述的可拆卸的传热插入件，其中：所述可拆卸的传热插入件包括非金属材料。

20.根据权利要求18所述的可拆卸的传热插入件，其中：所述可拆卸的传热插入件包括碳纤维/环氧酚醛树脂复合材料。

21.根据权利要求18所述的可拆卸的传热插入件，其中：所述可拆卸的传热插入件包括复合材料，该复合材料包含30％的碳纤维和70％的环氧酚醛树脂。

22.根据权利要求18所述的可拆卸的传热插入件，其中：所述可拆卸的传热插入件包括复合材料，该复合材料包含至少20％但小于40％的碳纤维以及至少60％但小于80％的环氧酚醛树脂。