CN108622814A - 一种主辅刹一体化绞车系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主辅刹一体化绞车系统，包括绞车结构部分和绞车控制部分，绞车结构部分包括主辅刹一体化刹车系统，主辅刹一体化刹车系统通过联轴器连接有滚筒轴总成，滚筒轴总成与滚筒编码器通过螺纹连接，滚筒轴总成通过联轴器还连接有变速箱，变速箱通过离合器连接有自动送钻装置，变速箱通过联轴器连接有主电机，绞车控制部分包括PLC控制系统，PLC控制系统通过工业总线连接有司钻控制房，司钻控制房通过工业控制总线与主辅刹一体化刹车系统的连接。还公开了上述主辅刹一体化绞车系统的控制方法，该系统采用一套刹车系统替代常规的两套刹车系统，减少了系统冗余，简化了刹车机构，减轻了绞车重量，降低了生产成本。

Description

一种主辅刹一体化绞车系统及其控制方法

技术领域

本发明属于石油钻采装备技术领域，具体涉及一种主辅刹一体化绞车系统，还涉及该系统的控制方法。

背景技术

绞车是石油钻机的核心设备，其工作性能的好坏直接影响着钻机的钻井质量、钻井效率和钻井成本。随着工业技术和石油装备更新发展需求，钻井绞车有了很大的发展，其主要特征为：形式呈现多样化、功率大型化、性能更先进合理。按照驱动形式进行分类，绞车有机械驱动绞车、电驱动绞车和液压驱动绞车。

绞车的刹车系统由主刹车和辅助刹车组成，用于控制和制动滚筒，可实现调节钻压、下放钻具、控制下放速度以及悬持钻具，主刹车为直接主动的控制和制动滚筒的刹车；辅助刹车为利用其它设备构成制动转矩，控制钻具下放速度，但不能使滚筒制动，其主要有水刹车、电磁涡流刹车、气动盘式刹车及电机能耗制动等。

目前，石油钻井绞车配备的刹车方式主要有四种类型，分别为液压盘式刹车、主电机能耗制动刹车、电磁涡流刹车和伊顿刹车；液压盘式刹车主要由液压控制部分和制动钳两部分组成，可实现工作制动、紧急制动、驻车制动、防碰制动，具有制动容量大、可靠性高、安全性高、刹车灵敏度高、劳动强度低、刹车散热性好、热稳定性好且可遥控操作的特点，然而，其需要配备额外的液压站、液压阀件、刹车钳等，生产成本较高且维护工作量大。主电机能耗制动刹车，在下放钻具时，调速手柄给定下放速度，电动机同向运转，电机转矩加上钻具自重，使钻具下放速度大于变频器给定频率速度，电机转矩变为反向制动转矩，其无需配备新的刹车机构，直接可将动力电机作为主刹车，不产生物理磨损，不损耗电机，可持续反复使用，绿色环保，但是这种刹车方式只能在交流变频主电机驱动的绞车上使用，其他形式的绞车均不能使用。电磁涡流刹车是利用涡流损耗的原理，在进行下钻作业时对下放钻具产生可调的非摩擦式制动，其制动扭矩较大、制动特性较好、工作可靠性高、使用寿命较长，还可任意控制钻具下放速度。伊顿刹车是一种依靠气动压紧和弹簧松开的推推盘式刹车，通过调节气压大小，进而调节刹车力矩的大小，但是其气控调节精确度较低，且长时间使用后磨损程度较大。由此可知，上述几种类型的刹车系统均有优缺点。而基于钻机工作的需求，以及保证绞车的工作安全，无论是哪种形式的绞车，都要配备至少两种形式的刹车，来实现主辅刹车的标准配置。

交流变频电驱动绞车：主刹车常配备为液压推盘式刹车，辅助刹车为主电机能耗制动；直流电驱动绞车：主刹车常配备为液压推盘式刹车，辅助刹车为电磁涡流刹车或伊顿刹车；机械驱动绞车：主刹车常配备为液压推盘式刹车，辅助刹车为电磁涡流刹车或伊顿刹车。

尽管主刹车和辅助刹车的刹车形式在满足钻机正常工况需求的同时，提高了钻机的安全性，但是却需增加了额外的系统，液压盘刹需要配置专用的包括液压站、液压阀组等的液压系统；主电机能耗制动仅限于交流变频绞车；电磁涡流刹车需要专用的控制系统；伊顿刹车则需要配置专用的气控系统和冷却系统，而这些额外的系统既占用钻台空间，造成系统冗余，增加重量，又会带来额外的成本支出。

发明内容

本发明的目的是提供一种主辅刹一体化绞车系统，实现了主辅刹车一体化。

本发明的另一目的是提供上述绞车系统的控制方法。

本发明所采用的技术方案是，一种主辅刹一体化绞车系统，包括绞车结构部分和绞车控制部分，绞车结构部分包括主辅刹一体化刹车系统，主辅刹一体化刹车系统通过联轴器连接有滚筒轴总成，所述滚筒轴总成与滚筒编码器通过螺纹连接，滚筒轴总成通过联轴器还连接有变速箱，变速箱通过离合器连接有自动送钻装置，变速箱通过联轴器连接有主电机，绞车控制部分包括PLC控制系统，PLC控制系统通过工业总线连接有司钻控制房，司钻控制房通过工业控制总线与主辅刹一体化刹车系统连接。

本发明的特点还在于，

主电机设置有两个，且分别位于变速箱的两侧。

主辅刹一体化刹车系统为推盘式结构，包括多根沿圆周方向设置的长螺杆，长螺杆依次将常闭部分、压紧盘、动盘、止推盘、中间盘、摩擦盘、摩擦片、复合式缸体串接，长螺杆上设置有磨损监测系统，磨损监测系统通过控制线路连接有位移传感器。

摩擦片设置有多个，每两片摩擦片之间设置有复位弹簧。

复合式缸体为圆环形结构，且其内外圆环的外边缘有均匀分布多个凸耳，每个凸耳上设置有圆孔，多根长螺杆穿过圆孔将复合式缸体串联；复合式缸体的外圆环内嵌设有常闭部分，常闭部分包括常闭气缸和常闭活塞，常闭活塞的外边缘均匀分布有多个凸耳，每个凸耳上设置有圆孔，多根长螺杆穿过圆孔将常闭活塞串联，复合式缸体的内圆环外设置有分隔环，且分隔环位于常闭部分与常开部分之间，复合式缸体的内圆环内嵌设有常开部分，常开部分包括常开活塞和常开气缸，常开活塞和常开气缸之间设置有气囊。

常闭气缸和常闭活塞之间设置有制动弹簧。

本发明所采用的另一技术方案是，一种主辅刹一体化绞车系统的控制方法，具体步骤如下：

1)通过司钻控制房启动钻机，进入初始状态，同时，常开部分中常开气缸内的气压为最大值，即处于最大制动状态；常闭部分中常闭气缸内的气压为零，制动弹簧压缩常闭活塞，属于制动状态；

2)判断PLC控制系统、主辅刹一体化刹车系统、司钻控制房是否正常；

3)绞车进行提升或下放动作，具体步骤如下：

3.1)通过司钻控制房控制，逐渐向主辅刹一体化刹车系统常闭部分中常闭气缸施加气压，直到气缸力克服制动弹簧的作用力，打开常闭部分；

3.2)通过控制主辅刹一体化刹车系统中常开部分气压值的大小来调节张紧扭矩的大小，并实时监测滚筒编码器的参数，由PLC控制系统根据动力模型进行分析，进而控制负载的上提或下放速度，实现绞车的辅刹功能；

3.3)通过司钻控制房控制，控制常开部分的常开气缸的气压值，使得刹车系统的摩擦扭矩大于负载力矩，使负载的上提或下放速度为零，即可实现工作制动，完成刹车。

当进行绞车驻车制动或紧急制动工况时：通过司钻控制房控制，直接完全释放主辅刹一体化刹车系统的常闭部分中常闭气缸内的气压，从而制动弹簧压缩常闭活塞，使常闭部分进入制动状态，即可实现驻车制动或紧急制动，完成绞车主刹车功能。

本发明的有益效果是，该系统实现了主辅刹车一体化，减少了系统冗余，简化了刹车机构，减轻了绞车重量，降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明一种主辅刹一体化绞车系统的原理图；

图2是本发明一种主辅刹一体化绞车系统的结构示意图；

图3是本发明一种主辅刹一体化绞车系统中主辅刹一体化刹车系统的结构示意图；

图4是本发明一种主辅刹一体化绞车系统中主辅刹一体化刹车系统中复合式缸体的结构示意图；

图5是常规推盘式刹车系统的结构示意图。

图中，1.长螺杆，2.制动弹簧，3.常闭部分，4.齿圈，5.常闭气缸，6.常闭活塞，7.限位板，8.止推盘，9.摩擦盘，10.常开压紧盘，11.密封，12.常开部分，13.常开活塞，14.常开气缸，15.摩擦片，16.复位弹簧，17.常闭压紧盘，18.复合式缸体，19.分隔环，20.气囊，21.主电机，22.变速箱，23.主辅刹一体化刹车系统，24.滚筒轴总成，25.滚筒编码器，26.离合器，27.自动送钻装置，28.PLC控制系统，29.司钻控制房，30.磨损监测系统，31.位移传感器，32.控制线路，33.动盘，34.中间盘。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种主辅刹一体化绞车系统，如图1及图2所示，包括绞车结构部分和绞车控制部分，绞车结构部分包括主辅刹一体化刹车系统3，主辅刹一体化刹车系统23通过联轴器连接有滚筒轴总成24，滚筒轴总成24与滚筒编码器25通过螺纹连接，滚筒轴总成24通过联轴器还连接有变速箱22，变速箱22通过离合器26连接有自动送钻装置27，变速箱22通过联轴器连接有主电机21，绞车控制部分包括PLC控制系统28，PLC控制系统28通过工业总线连接有司钻控制房29，司钻控制房29通过工业控制总线与主辅刹一体化刹车系统23连接。

主电机21设置有两个，且分别位于变速箱22的两侧。

主辅刹一体化刹车系统23为推盘式结构，如图3所示，包括多根沿圆周方向设置的长螺杆1，长螺杆1依次将常闭压紧盘17、动盘33、止推盘8、中间盘34、摩擦盘9、摩擦片15、复合式缸体18进行串接，且长螺杆1能调节其之间的距离；

摩擦片15设置有多个，每两片摩擦片15之间设置有复位弹簧16；

复合式缸体18为圆环形结构，如图4所示，且其内外圆环的外边缘有均匀分布多个凸耳，每个凸耳上设置有圆孔，多根长螺杆1穿过圆孔将复合式缸体18串联起来；

复合式缸体18的外圆环内嵌设有常闭部分3，常闭部分3包括常闭气缸5和常闭活塞6，常闭气缸5和常闭活塞6之间设置有制动弹簧2，常闭活塞6的外边缘均匀分布有多个凸耳，每个凸耳上设置有圆孔，多根长螺杆1穿过圆孔将常闭活塞6串联起来，复合式缸体18的内圆环外设置有分隔环19，复合式缸体18的内圆环内嵌设有常开部分12，常开部分12包括常开活塞13和常开气缸14，常开活塞13和常开气缸14之间设置有气囊20，目的是提高常开部分的充放气效率，并且气囊20的引入降低了对常开活塞3和常开气缸14之间的密封要求，因此去除了密封11，简化了常开活塞13和常开气缸14的结构；

复合式缸体18上的凸耳与常闭活塞6上的凸耳一一对应。

常闭气缸5与常开气缸14之间共用复合式缸体18；

每个长螺杆1上均设置有磨损监测系统30，磨损监测系统30通过控制线路32连接有位移传感器31；

当摩擦片15的磨损超出磨损极限后，位移发生变化，则位移传感器32将传递信号给磨损监测系统30，进一步反馈信号给PLC控制系统28。

齿圈4为圆筒状结构且设置于推盘式结构的圆周中心，齿圈4的外圈为外花键，内圈为键槽，齿圈4穿过止推盘8、摩擦盘9、动盘33和中间盘34；

其中，摩擦盘9、动盘33的内圈为内花键，齿圈4通过外圈的外花键与摩擦盘9、动盘33的内花键相配合连接，传递扭矩；齿圈4的外圈为外花键，内圈为键槽；止推盘8、摩擦盘9、中间盘34的内圈均为内花键；齿圈4的外圈外花键与止推盘8、摩擦盘9、中间盘34的内花键相配合连接，以传递扭矩；齿圈4的内圈键槽结构与工作轴连接，以输入扭矩。

常开部分12为气动压紧和弹簧松开，可动态张紧，调节制动力，控制钻具下放速度，满足辅刹的功能；常闭部分3为弹簧制动和气动松开，可用于静态驻车和紧急制动，可控制和制动滚筒，完成主刹车的功能。

本发明的主辅刹一体化刹车系统23与常规的推盘式辅助刹车，如图5所示，其结构上存在以下优势：

主辅刹一体化刹车系统23因为结构的变化而去除了限位板7、常开压紧盘10、密封11；

(1)常规推盘式刹车的常开部分与常闭部分结构上设置为相对布置，作用力方向是相对的，造成力的叠加效果并不明显；而主辅刹一体化刹车系统23的常开部分12与常闭部分3为并列设置，作用力是同方向的，力的叠加为两者之和，因此刹车力要远大于常规推盘式刹车；

(2)常规推盘式刹车常闭部分和常开部分均采用气缸结构，加工精度要求高，密封要求高，生产成本高，易磨损；而主辅刹一体化刹车23的常开部分12的气缸设置为气囊式结构，易于维护，降低了缸体的加工精度要求，降低了生产成本，延长了使用寿命，且损坏后只需更换气囊，无需更换缸体，因此维护更换方便；

(3)主辅刹一体化刹车系统23的常开部分12与常闭部分3的气缸功用复合式缸体18，简化缸体结构，减少零件数量；

(4)主辅刹一体化刹车系统23配备了磨损监测系统30，通过设置的位移传感器31可以实时监测刹车的摩擦片15的磨损量，保证刹车在摩擦片15的正常磨损范围内安全运行。

本发明一种主辅刹一体化绞车系统的控制方法为：

1)通过司钻控制房9启动钻机，进入初始状态，同时，常开部分12中常开气缸14内的气压为最大值，即处于最大制动状态；常闭部分3中常闭气缸5内的气压为零，制动弹簧2压缩常闭活塞6，属于制动状态；

2)判断PLC控制系统28、主辅刹一体化刹车系统23、司钻控制房29是否正常，即系统内置的检测程序没有出现故障报警信号，则表明系统正常；

3)绞车进行提升或下放动作，具体步骤如下：

3.1)通过司钻控制房29控制，逐渐向主辅刹一体化刹车系统23常闭部分3中常闭气缸5施加气压，直到气缸力克服制动弹簧2的作用力，打开常闭部分3；

3.2)通过控制主辅刹一体化刹车系统23中常开部分12气压值的大小来调节张紧扭矩的大小，并实时监测滚筒编码器5的参数，由PLC控制系统28根据动力模型进行分析，进而控制负载的上提或下放速度，实现绞车的辅刹功能；

3.3)通过司钻控制房29控制，控制常开部分12的常开气缸14的气压值，使得刹车系统的摩擦扭矩大于负载力矩，使负载的上提或下放速度为零，即可实现工作制动，完成刹车；

其中，当进行绞车驻车制动或紧急制动工况时：

通过司钻控制房29控制，直接完全释放主辅刹一体化刹车23的常闭部分3中常闭气缸5内的气压，从而制动弹簧2压缩常闭活塞6，使常闭部分3进入制动状态，即可实现驻车制动或紧急制动，完成绞车主刹车功能。

本发明一种主辅刹一体化绞车系统，该系统实现了主辅刹车一体化，采一套刹车系统替代常规的两套刹车系统，减少了系统冗余，简化了刹车机构，减轻了绞车重量，降低了生产成本。

本发明的主辅刹一体化刹车系统采用推盘式结构，其具有制动力矩大、刹车热容量高且安全性高的特点，同时，可采用气控、液压控制或电气、电液复合控制，从而能根据绞车的特性需求灵活选择配置，

本发明主辅刹一体化绞车系统能适用于电驱动绞车和机械传动等其他类型绞车；同时，该主辅刹一体化绞车系统既可以与滚筒轴通过联轴器连接，也可以直接串联在滚筒轴上。

Claims (8)

1.一种主辅刹一体化绞车系统，其特征在于，包括绞车结构部分和绞车控制部分，所述绞车结构部分包括主辅刹一体化刹车系统(23)，所述主辅刹一体化刹车系统(23)通过联轴器连接有滚筒轴总成(24)，所述滚筒轴总成(24)与滚筒编码器(25)通过螺纹连接，所述滚筒轴总成(24)通过联轴器还连接有变速箱(22)，所述变速箱(22)通过离合器(26)连接有自动送钻装置(27)，所述变速箱(22)通过联轴器连接有主电机(21)，所述绞车控制部分包括PLC控制系统(28)，所述PLC控制系统(28)通过工业总线连接有司钻控制房(29)，所述司钻控制房(29)通过工业控制总线与所述主辅刹一体化刹车系统(23)连接。

2.根据权利要求1所述的一种主辅刹一体化绞车系统，其特征在于，所述主电机(21)设置有两个，且分别位于所述变速箱(22)的两侧。

3.根据权利要求1所述的一种主辅刹一体化绞车系统，其特征在于，所述主辅刹一体化刹车系统(23)为推盘式结构，包括多根沿圆周方向设置的长螺杆(1)，所述长螺杆(1)依次将常闭部分(3)、压紧盘(17)、动盘(33)、止推盘(8)、中间盘(38)、摩擦盘(9)、摩擦片(15)、复合式缸体(18)串接，所述长螺杆(1)上设置有磨损监测系统(30)，所述磨损监测系统(30)通过控制线路(32)连接有位移传感器(31)。

4.根据权利要求3所述的一种主辅刹一体化绞车系统，其特征在于，所述摩擦片(15)设置有多个，每两片所述摩擦片(15)之间设置有复位弹簧(16)。

5.根据权利要求3所述的一种主辅刹一体化绞车系统，其特征在于，所述复合式缸体(18)为圆环形结构，且其内外圆环的外边缘有均匀分布多个凸耳，每个凸耳上设置有圆孔，多根长螺杆(1)穿过圆孔将复合式缸体(18)串联；所述复合式缸体(18)的外圆环内嵌设有常闭部分(3)，所述常闭部分(3)包括常闭气缸(5)和常闭活塞(6)，常闭活塞(6)的外边缘均匀分布有多个凸耳，每个凸耳上设置有圆孔，所述长螺杆(1)穿过圆孔将常闭活塞(6)串联，所述复合式缸体(18)的内圆环外设置有分隔环(19)，且所述分隔环(19)位于常闭部分(3)与常开部分(12)之间，所述复合式缸体(18)的内圆环内嵌设有常开部分(12)，所述常开部分(12)包括常开活塞(13)和常开气缸(14)，所述常开活塞(13)和常开气缸(14)之间设置有气囊(20)。

6.根据权利要求5所述的一种主辅刹一体化绞车系统，其特征在于，所述常闭气缸(5)和常闭活塞(6)之间设置有制动弹簧(2)。

7.一种主辅刹一体化绞车系统的控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)通过司钻控制房(29)启动钻机，进入初始状态，同时，常开部分(12)中常开气缸(14)内的气压为最大值，即处于最大制动状态；常闭部分(3)中常闭气缸(5)内的气压为零，制动弹簧(2)压缩常闭活塞(6)，属于制动状态；

2)判断PLC控制系统(28)、主辅刹一体化刹车系统(23)、司钻控制房(29)是否正常；

3)绞车进行提升或下放动作，具体步骤如下：

3.1)通过司钻控制房(29)控制，逐渐向主辅刹一体化刹车系统(23)常闭部分(3)中常闭气缸(5)施加气压，直到气缸力克服制动弹簧(2)的作用力，打开常闭部分(3)；

3.2)通过控制主辅刹一体化刹车系统(23)中常开部分(12)气压值的大小来调节张紧扭矩的大小，并实时监测滚筒编码器(25)的参数，由PLC控制系统(28)根据动力模型进行分析，进而控制负载的上提或下放速度，实现绞车的辅刹功能；

3.3)通过司钻控制房(29)控制，控制常开部分(12)的常开气缸(14)的气压值，使得刹车系统的摩擦扭矩大于负载力矩，使负载的上提或下放速度为零，即可实现工作制动，完成刹车。

8.根据权利要求7所述的一种主辅刹一体化绞车系统的控制方法，其特征在于，当进行绞车驻车制动或紧急制动工况时：通过司钻控制房(29)控制，直接完全释放主辅刹一体化刹车系统(23)的常闭部分(3)中常闭气缸(5)内的气压，从而制动弹簧(2)压缩常闭活塞(6)，使常闭部分(3)进入制动状态，即可实现驻车制动或紧急制动，完成绞车主刹车功能。