复合驱动钻机并车箱轴惯性刹车装置研制

付华 ，王圣波 ，刘连祥 ，张景惟 ，闫团刚

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.中原石油工程公司 塔里木分公司，新疆 库尔勒 841003；3.宝钛集团有限公司，陕西 宝鸡 721014）

0 引言

复合驱动钻机一般为2～4台柴油机与液力变矩器或液力耦合器组成的动力机组（柴油机与液力变矩器或液力耦合器采用万向轴相连或者为一体机），通过皮带并车箱或整体链条箱并车后，分别驱动绞车和泥浆泵。并车传动箱在各传动轴上设置有气胎离合器4，通过控制离合器4的脱开或挂合，同时配合操作手动挂挡机构7脱开或挂合来实现不同的功能组合。如图1所示，当将手动挂挡机构7挂合，同时将一、二号轴端离合器均挂合时，一、二号柴油机组动力并机，可满足大功率传动的需要，实现功率互济；当将手动挂合机构7脱开，同时将一、二号轴端离合器均挂合时，一号柴油机组驱动绞车，2号柴油机组驱动泥浆泵9。两者之间互不影响，从而更加合理地调节动力机组的功率分配，提高功率利用率。

图1 复合驱动钻机后台动力传动原理简图

目前现有的复合驱动钻机并车箱轴作业时，当1号柴油机动力驱动1号传动轴运转时，2号柴油机动力未启时，2号传动轴存在随1号传动轴随动的情况，此时2号传动轴会使液力耦合器减速箱也随动转动，从而减少了液力耦合器的使用寿命。因此分析“无动力输入轴随有动力输入轴转动”的原因，寻求其解决方法显得尤为必要。

1 原因分析

现有复合驱动钻机柴油机动力传递图如图2所示，柴油机组1通过法兰与液力耦合器2直连，液力耦合器2与并车箱轴端通过万向轴3连接，同时并车箱轴端设有挂合离合器5，当挂合并车箱相应轴端离合器5，相对应的柴油机动力即可传递至并车箱轴。与之相反，当相应的并车箱轴在外力作用下运转也会带动液力耦合器2运转。再结合图1可知，并车箱轴各轴间通过链条连接，因并车箱各轴之间没有设置刹车装置，当有动力输入轴运转时，若摩擦鼓与空套轮轴承之间的摩擦力小于有动力输入轴的传输力，就会带动无动力输入轴随同转动。此时若无动力输入轴上的车离合器脱开不充分，就会导致与无动力输入轴相连的液力耦合器运转。

图2 柴油机与并车箱动力传动图

由此可知，与无动力输入轴连接的液力耦合器转动的原因：一是并车箱中的无动力输入轴上的摩擦鼓与空套轮轴承之间的黄油太多，使其之间的摩擦力减少；有动力输入轴带动了无动力输入轴转动；二是因加工或安装误差导致摩擦鼓与气胎离合器之间的间隙太少，气胎离合器脱开不完全，导致有动力输入轴的动力传递给了液力耦合器。

2 解决对策

2.1 设计依据

通过以上分析可知，解决无动力输入轴随有动力输入轴转动的方法目前有以下3个方面：一是减少并车箱中各传动轴上的摩擦鼓与空套轮鼓轴承之间的黄油，以增大之间的摩擦力；二是调整摩擦鼓与气胎离合器之间的间隙，使气胎离合器能完全脱开；三是设置一种惯性刹车装置，无动力输入轴不运转时将其完全抱死，有效刹住有动力输入轴传入的随动力。但是方法一中黄油的加注量不好测量，同时黄油量太少，当传递转矩大时，会烧轴承；方法二中调大摩擦鼓与气胎离合器之间的间隙，可能导致传递转矩的能力降低，甚至出现打滑现象，存在安全隐患。经比较，方法三可行。

2.2 刹车装置应具备的功能

根据并车箱传动原理图1和上述分析，惯性刹车装置至少应具备以下功能：1）惯性刹车装置只要将并车箱轴的随动运转力刹住即可；2）并车箱中的传动轴经柴油机驱动运转时，惯刹装置必须能完全脱开，以免损坏刹车装置；3）惯性刹车装置刹车时，确保直接驱动其运转的柴油机停机。

3 惯性刹车装置设计

3.1 惯性刹车装置结构设计

结合图2可知,并车箱轴端离合器处与万向轴连接的连接法兰处有安装空间，可在此设置刹车，同时因气缸能提供一定的力，且控制简单，所以选择气缸作为刹车装置的驱动装置。惯性刹车装置的结构如图3所示，由垫板1、支架2、销轴3、气缸4、导向块5、连接件6、刹车底板7、摩擦片8,、安装螺钉9组成。垫板1焊接在并车箱轴端离合器法兰10的正下方，支架2通过螺栓与垫板相连，支架2与气缸4通过销轴3连接，连接件6、刹车底板7、摩擦片8连成一体组成刹车执行机构，连接件6与气缸4的活塞杆端连接。由此可通过控制气缸活塞杆的上下运动来控制刹车执行机构与法兰10的轴面贴合与分开。实现惯性刹车装置的刹车与释放。同时设置的导向块5能确保刹车执行机构垂直向上运动，以至于对准法兰轴面，确保刹车性能。

图3 惯性刹车装置结构图

3.2 气控制系统

气控原理图如图4所示，气源经一个常通气控阀2与刹车气缸3的杆腔相连，使惯性刹车装着初始时处于脱开状态，避免意外损坏惯性刹车装置。同时，惯性刹车装置由一个三位四通手柄开关1控制，分惯刹、离合、停止三个位置，离合位与并车箱轴端离合器相连，控制并车箱相应轴上的车离合器挂合，惯刹位分出三路气，一路气接相对应的柴油发电机组的急停口，控制直接驱动其运转的柴油机停机，避免惯性刹车装置损坏；一路气去控制刹车气缸杆腔回路的继气阀换向，使刹车气缸的杆腔排气。一路气与刹车气缸的塞腔连通，通过控制刹车气缸塞腔通气来控制刹车执行机构动作刹车。

图4 气控原理图

4 创新技术

1）该惯性刹车装置在现有并车箱轴上安装方便。该惯性刹车装置能有效安全地刹住无动力输入轴。

2）该惯性刹车装置与相应的并车箱轴上的离合器能实现互锁，即离合器挂合时，惯性刹车装置不刹车，惯性刹车装置刹车时，离合器不能挂合，避免损坏刹车装置，确保了设备的安全工作。

3）该惯性刹车装置与相应的柴油机组动力实现自锁，即惯性刹车装置刹车时，相应的柴油机组立即停机，避免损坏刹车装置，确保了设备的安全工作。

5 结论

研制的惯性刹车装置能有效地刹住无动力输入轴，从而避免了相应液力耦合器的运转，提高了液力耦合器的使用寿命，同该刹车装置能很好地与相应的车离合器及柴油机组动力互锁，增强了系统的安全性。

研制的惯性刹车装置已成功应用在西部钻探ZJ40LDB14型复合驱动钻机上，达到了预期效果，并获得了用户一致好评。