（机械工程专业论文）石油钻机智能化液压盘刹车系统研究.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 摘要 四川宏华石油设备有限公司研制的智能化盘式刹车电液系统，采用了先进和适用 的技术和装备，可以大幅提高机械钻机钻井过程的安全性，延长钻井设备寿命，降低司 钻的劳动强度，应用于数控变频调速( d b s ) 石油钻机上，将会达到理想的效果。 目前的d b s 钻机配置的电控盘刹液压系统，以及更老一代的手动盘刹液压系统， 存在以下的固有缺陷： 1 开环控制，控制精度不高，操作原始，无法进行数据的反馈及传输； 2 系统的制动模式单一，在任何工况下都是同样的制动特性，不能对制动状态进 行控制及调节，不能很好的适合于各种不同的工作环境及工作状况，系统动态性能先 天性决定，与多种元件性能有关； 3 制动响应速度慢，在紧急情况下常出现溜钻、顿钻及砸转盘等重大的安全事故； 4 由于绞车变频电机独立于液压系统之外的悬停制动特性要求，大大的影响了全 系统的制动效果； 5 系统复杂，出现故障不易判断。 对于新一代的智能化盘刹系统，将针对以上缺陷进行改进，达到更新换代的目的。 具备以下特点： 1 闭环控制，制动响应速度快、控制精度高； 2 可根据紧急制动、驻车制动、工作制动的不同工况设置相适应的系统动态响应 特性模型； 3 响应时间及控制特性可调，控制参数( 如控制值、反馈值等) 及控制状态( 如 响应特性曲线) 时时可见； 4 将游车高度分为安全段和危险段，与系统的制动模式结合； 5 将电机的悬停制动特性融入系统，避免电机本身的制动时间较长而大大影响系 统的制动特性； 6 融入系统故障处理程序，具有智能化故障检测诊断功能； 盘刹液压系统为钻机提升绞车的制动提供液压能源。整个液压系统由液压油泵组， 蓄能器装置，控制阀组，常开式油缸，常闭式油缸，压力传感器，以及连接管路等组 成。盘刹液压刹车操作是由阀控液压缸实现的。其动态特性在很大程度决定着整个系 统的性能，它取决于控制阀、液压缸和负载组合。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第| i 页 曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼皇_ 一一i i 曼曼曼皇曼曼鼍 盘刹控制系统，采用闭环控制原理，根据钻机工况的需要调整系统的控制动态特 性，直接在系统显示器上进行系统响应状态的设置，调整，控制及显示，融入智能化 故障诊断及处理系统，可大大提高系统的安全性、可靠性、操作舒适性，减少事故损 失。 关键词：智能化液压盘刹电液比例控制闭环系统动态响应 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第l ii 页 a b s t r a c t a ni n t e l l i g e n td i s cb r a k ee l e c t r o h y d r a u l i c s y s t e m w i t ha d v a n c e d a n ds u i t a b l e t e c h n o l o g ya n dd e v i c e sd e v e l o p e db ys i c h u a nh o n g h u ap e t r o l e u me q u i p m e n tc o ，l t d ，h a s g r e a t l yi m p r o v e dt h es a f e t yo fm e c h a n i c a lr i gd r i l l i n go p e r a t i o n s ，p r o l o n g ss e r v i c el i f eo f d r i l l i n ge q u i p m e n ta n ds a v e sd r i l l e r sl a b o r ，w h e na p p l i e dt ov f d ( v a r i a b l ef r e q u e n c y d i g i t a l c o n t r o l l e d ) r i g ，i d e a le f f e c t sc a nb ea c h i e v e d i n h e r e n td e f e c t sc o n s i s t si nt h ep r e s e n te l e c t r o - c o n t r o l l e dd i s cb r a k eh y d r a u l i cs y s t e m e q u i p p e di nd b sr i g s ( v f dr i g s ) o rm a n u a l l y o p e r a t e dd i s cb r a k eh y d r a u l i cs y s t e mo ft h e s t i l lo l d e rg e n e r a t i o n ，i n c l u d i n g ： o p e n l o o pc o n t r o l ，f a i r l yl o wc o n t r o lp r e c i s i o n ，u n s o p h i s t i c a t e do p e r a t i o n s ，i n c a p a b l eo f d a t af e e d b a c ko rt r a n s m i s s i o n ； s i n g l eb r a k i n gm o d e ，w i t hs a m eb r a k i n gc h a r a c t e r i s t i c sa ta l lw o r k i n gc o n d i t i o n s ， i n c a p a b l eo fc o n t r o l l i n ga n da d j u s t i n gb r a k i n gp e r f o r m a n c e ，n o ts u i t a b l ef o rv a r y i n gw o r k i n g c o n d i t i o n sa n dw o r k i n ge n v i r o n m e n t s ；d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e md e p e n d so nt h a t o f c o m p o n e n t se q u i p p e d ； s l o wb r a k i n gr e s p o n s e ，o f t e nr e s u l t i n gi n ，i nc a s eo fe m e r g e n c y , s u c hs e r i o u sa c c i d e n t s a sb r a k e s l i p p i n g ，t h es t r i n g d r o p p i n g ，o rk n o c k i n go nt h er o t a r yt a b l e ； t h er e q u i r e m e n t so fs u s p e n s i o n b r a k i n gi nt h ed r a ww o r k sv f dm o t o ri n d e p e n d e n to f t h eh y d r a u l i cs y s t e ms e v e r e l ya f | 陀c tt h eb r a k i n gp e r f o r m a n c eo ft h ee n t i r es y s t e m ；a n d ， c o m p l i c a t e ds y s t e ma n dd i f f i c u l td i a g n o s i so nf a i l u r e s t h en e wg e n e r a t i o no fi n t e l l i g e n td i s cb r a k es y s t e mi m p r o v e st a r g e t i n gt h ed e f e c t s a b o v ea n dh a st h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ： c l o s e l o o pc o n t r o l ，q u i c kb r a k i n gr e s p o n s ea n dh i 曲c o n t r o lp r e c i s i o n ； c a p a b l eo fs e t t i n ga p p r o p r i a t es y s t e mr e s p o n s ep e r f o r m a n c em o d e l sp e rv a r y i n g w o r k i n gc o n d i t i o n si ne m e r g e n c yb r a k i n g ，p a r k i n ga n ds e r v i c eb r a k i n g ； a d j u s t a b l er e s p o n s et i m ea n dc o n t r o lf e a t u r e s ，a n df u l l yv i s u a lf o rc o n t r o lp a r a m e t e r s ( s a yc o n t r o lv a l u e sa n df e e d b a c k s ) a n dc o n t r o ls t a t u s ( s a yr e s p o n s eb e h a v i o rc u r v e ) ； c l a s s i f i e dt r a v e l l i n gb l o c kh e i g h ti n t os a f ei n t e r v a la n dd a n g e r o u si n t e r v a l ，i n t e g r a t i n g w i t i lt h es y s t e mb r a k i n gm o d e ； i n c o r p o r a t e dm o t o r ss u s p e n s i o n b r a k i n gi n t ot h es y s t e m ，a v o i dt h ei m p a i r m e n to ft h e s y s t e mb r a k i n gp e r f o r m a n c ec a u s e db yf a i r l yl o n gm o t o rb r a k i n gt i m e ；a n d ， i n c o r p o r a t e ds y s t e mt r o u b l es h o o t i n gp r o g r a m s ，h a v i n ga u t o m a t i ct r o u b l es h o o t i n ga n d d i a g n o s i sf u n c t i o n s 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1v 页 t h ed i s cb r a k i n gh y d r a u l i cs y s t e mp r o v i d e sh y d r a u l i ce n e r g yf o rb r a k i n gh o i s t i n gd r a w w o r k so far i g t h ee n t i r es y s t e mc o n s i s t so fh y d r a u l i co i l p u m pp a c k a g e ，a c c u m u l a t o r s ， c o n t r o lv a l v e s ，n o ( n o r m a l l yo p e n ) c y l i n d e r s ，n c ( n o r m a l l y - c l o s e d ) c y l i n d e r s ，p r e s s u r e s e n s o r s ，c o n n e c t i n gp i p i n ge t c o p e r a t i o n so ft h eh y d r a u l i cb r a k e sa r ea c h i e v e db yv i r t u eo f v a l v e - c o n t r o l l e d c y l i n d e r s i t sd y n a m i cb e h a v i o rd e t e r m i n e st oag r e a te x t e n tt h e p e r f o r m a n c eo ft h ee n t i r es y s t e m ，a n di sd e t e r m i n e db yt h ec o m b i n a t i o no fc o n t r o lv a l v e s ， c y l i n d e r sa n dl o a d s t h ed i s cb r a k ec o n t r o ls y s t e ma d o p t sc l o s e - l o o pc o n t r o l s ，m a k i n gi tp o s s i b l et o 删u s t t h es y s t e mc o n t r o ld y n a m i cp e r f o r m a n c ef o rv a r y i n ga p p l i c a t i o n so far i ga n dd i r e c t l ys e t , a d j u s t ，c o n t r o la n dd i s p l a yt h es y s t e mr e s p o n s es t a t u so nt h em o n i t o r i n c o r p o r a t e dw i t h i n t e l l i g e n td i a g n o s i sa n dt r o u b l e s h o o t i n gs y s t e m ，i tc a ng r e a t l yi m p r o v e st h e s a f e t y , r e l i a b i l i t y , u s e r - f r i e n d l i n e s sa n dl e s s e nl o s sc a u s e db yp o s s i b l ea c c i d e n t s k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n t ，h y d r a u l i cd i s cb r a k e ，e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l ， c l o s e d l o o ps y s t e m ，d y n a m i cr e s p o n s e 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 论文的选题背景 图卜1 石油钻机提升绞车用盘式刹车装置 石油钻机盘式刹车系统作为钻机重要组成部分，目前在钻机上应用的非常普遍，对 钻机的生产效率、钻机安全性能有着关键的影响。经过多年的使用，现有盘式刹车系 统作为开环系统，其固有的特点及缺陷已经显现出来。 制动响应速度太慢，在紧急情况下常出现游车下滑及砸转盘的重大事故； 制动响应特性为开环系统所固有，不能对其进行设置，调整及控制； 系统复杂，出现故障不易判断； 系统开环控制精度不高，操作原始，无法进行数据的反馈及传输； 由于气控的过卷控制，在低温地区易出现冰堵阀件现象，导致刹车失灵； 目前的盘刹系统，是当前全球钻机普遍流行的系统，如果我们对其进行升级改造， 优化设计，解决上述问题，无疑将大大提高中国钻机的技术含量，引领钻机盘刹系统 的技术革命，新型的智能化盘式刹车系统将达到全球领先的技术水平。 1 2 石油钻机液压盘式刹车系统技术的发展概况 石油钻机绞车盘式刹车是8 0 年代发展起来的四大钻井装备新技术( 项驱和侧驱、 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 页 液压驱动钻井泵、a c 变频驱动、盘式刹车) 之一，是应用带刹车系统以来最重大的变 革之一。石油钻机绞车盘式刹车的研制与应用，标志着石油钻机绞车的刹车系统走上 了新的发展阶段。 目前，国内外在用的石油钻机绞车中，广泛应用着带刹车系统，因为带刹车系统是 一种成熟的传统结构，使用时间很长，是一种结实可靠、使用习惯的刹车系统。但是， 随着油田的继续不断开发，钻井深度逐渐增加，大钩载荷不断增大，由于带刹车系统 固有的工作特性的限制，已经不能充分满足深井和超深井作业和紧急状态下刹车的需 要。例如：刹车力矩不足、刹车性能不稳定、操作费力、刹车不灵敏、耐热衰退性能 差等，致使在钻井作业时或紧急状态刹车时发生溜钻和顿钻事故。所以，一直迫使人 们研究开发与应用新型盘式刹车。 早在7 0 年代，就在绞盘起锚机上采用了盘式刹车，装在钻井船上使用效果较好。 为了进一步用于石油钻机，一直在实践中不断改进与完善。直到8 0 年代，美国r o w e n 公司和g a l v e s t o nh o u s t o n 公司才开始设计了石油钻机绞车盘式刹车，安装在美国 n a t i o n a ls u p p l y 公司生产的1 6 2 5 2 d e 型超深井石油钻机上进行试验，并于1 9 8 5 年2 月取得试验成功。1 9 8 5 年8 月，美国钻井承包商杂志报导了试验结果。1 9 8 5 年1 1 月，美国石油新闻杂志也载文报导了盘式刹车研制成功。1 9 8 6 年2 月，美国世 界石油杂志也刊发了盘式刹车试验成功的信息。1 9 8 6 年6 月，美国石油工程师 杂志也报导了盘式刹车研究成功，并说明了盘式刹车的结构与工作原理。盘式刹车在 当时已成为石油钻机的热门话题。对盘式刹车试验均给予肯定的评价，从此掀开了盘 式刹车进一步深入广泛应用的篇章。 1 9 8 6 年美国g a l v e s t o nh o u s t o n 公司改装了系列石油钻机绞车的带刹车系统，绞 车输入功率为6 0 0 - 30 0 0h p ，共有6 种规格系列盘式刹车，经过钻井实践证明具有 较好的使用效果。 美国n a t i o n a lo i l w e l l 公司在1 6 2 5 2 d e 型绞车上试验成功盘式刹车后，总结了 研制盘式刹车经验，进一步改进了盘式刹车，并且完成了系列石油钻机( 包括机械驱 动和电驱动石油钻机) 盘式刹车设计，替换了原来的k 型系列带刹车系统。绞车的输 入功率范围为1 0 0 0 一- , 4 0 0 0h p ，刹车盘直经为1 3 8 4 1 3 1 7 2 7 1 2 m m 。 1 9 8 8 年，美国c o n t i n e n t a le m s c o 公司推出了s s ( s u r es t o p ) 型石油钻机绞车 盘式刹车，用于该公司生产的c 系列石油钻机中的3 种规格绞车( 绞车输入功率分别为 1 5 0 0 h p 、2 0 0 0 h p 、3 0 0 0h p ) ，也可用于现有在用的石油钻机进行改装。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 曼量曼曼曼曼皇曼蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼兰曼岂曼曼堂曼曼曼岂曼曼曼曼曼i 一； i i 一| 曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! ! ! 曼曼 美国i d e c o 公司在钻井深度为8 0 0 0 m 石油钻机绞车上也采用了盘式刹车，经过钻 井实践证明效果也很好。 挪威m a r i t i m eh y d r i l i c s 公司是专门生产液压驱动石油钻机的公司，世界著名 的m u d m a s t e r 液压驱动钻井泵就是该公司第一个研究开发的。该公司在1 9 9 2 年研制的 海洋石油钻机中，采用了盘式刹车系统，绞车的输入功率为4 0 0 0 h p ，刹车盘直径为 2 2 2 0m m ，这是目前世晁上石油钻机绞车最大直径的刹车盘。该海洋钻机研制成功后， 在海洋地区钻井，绞车盘式刹车也取得了较好的使用效果。 根据技术发展预测结果，石油钻机绞车盘式刹车将会有更大的技术发展，在新设 计的绞车中将会更多地采用盘式刹车，在用的绞车中将会逐步改造成盘式刹车，有可 能全部替代石油钻机绞车带刹车系统。 美国n a t i o n a l0 i l w e l l 公司认为：盘式刹车不仅具有带刹车的优点，而且还具 有它本身独特的优点。 ( 1 ) 增加了刹车的静扭矩和动扭矩，在滚筒转速变化条件下，可以实现恒扭矩刹 车。 ( 2 ) 盘式刹车的刹车扭矩较平稳，增加了刹车系统使用的稳定性和可靠性； ( 3 ) 减少司钻施加到刹把上的操作力； ( 4 ) 简化了刹车系统的维护保养，使用方便； ( 5 ) 液压控制系统使用灵活、可靠； ( 6 ) 增加可靠性，不会发生溜钻、顿钻事故； ( 7 ) 摩擦耐热衰退性好，使用寿命长； ( 8 ) 更换易损件简单、方便、劳动量少； ( 9 ) 盘式刹车在使用中具有较好的操作手感。在设计中，考虑到液压控制系统施 加的力与刹车力矩之间的比例关系、刹车系统与增力机构之间的关系，从而在刹把上 可以形成与k 系列带刹车相类似灵敏操作手感。实践证明：在钻井、起下钻和下套管 作业时，司钻根据手感可控制钻井质量、下套管和起下钻质量以及较好地处理各种事 故。 9 0 年代，在原液压盘刹的基础上，随着钻机d b s 技术的兴起及一统天下，对盘刹提 出了更高的要求，要求对盘式刹车进行电气控制，液压系统不进司钻操作室，大幅提高 系统的控制精度，出现了电控液压盘刹。其优点也是显而易见的。 ( 1 ) 液压管线不进司钻室，提高了操作空间无污染，人性化。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 ( 2 ) 实现液压盘刹的电比例控制，直接提高了盘式刹车的控制精度； ( 3 ) 减少司钻施加到刹把上的操作力： ( 4 ) 简化了刹车系统的维护保养，使用方便： ( 5 ) 液压控制系统使用灵活、可靠： 实现了系统的电气化及微机化，所有的操作及显示通过电控手柄及p l c 完成目前， 随着电控液压盘刹的进一步深化使用，同时又显露出一定的缺陷，为此，研究开发智 能的盘式刹车系统，显得迫切必要的。 1 3 智能化液压盘式刹车系统的组成、功能和控制方式 智能化液压盘式刹车装置由三部分组成：液压站、操作台及制动执行机构，制动 执行机构和液压站之间用液压管线连接，操作台与液压站之间则通过控制电缆连接。 液压站是动力源，为执行机构提供必须的液压动力；执行机构是制动执行部分， 它由刹车钳、钳架、刹车盘组成，刹车钳分为常开式工作钳和常闭式安全钳两种型式。 操作台是动力控制系统，它通过电信号控制液压站中的操纵阀组，实现制动执行机构 的动作控制，该装置能实现以下功能： 工作制动：通过操作刹车阀的控制手柄，控制工作钳对制动钳的正压力，从而为 主机提供大小可调的刹车力矩，实现送钻调节钻压调节下钻速度等。 紧急制动：遇到紧急情况是，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。 过卷或自动刹车保护：当大钩提升重物上升到某位置，由于操作员失误或其它原 因，应该工作制动而未实施制动时，过卷阀会自动换向，工作钳、安全钳全部参与制 动，实现紧急刹车。避免碰天车事故或其它事故。 驻车制动：当钻机不工作或司钻要离开工作台时，拉下驻车制动手柄，安全钳刹 车，以防大钩滑落。 系统的控制采用压力闭环方式，实现以下功能： 能够在触摸显示屏上进行相关参数的设置和控制状态的显示：当故障时，能够发 出声光报警，并能在触摸屏上提示故障发生点，并且显示故障内容及处理方法；所有 传感器的数据能够在触摸屏上显示。 1 4 论文的主要内容 本论文主要讲述了以下内容： 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 液压盘刹系统的基本概念，包括工作制动，驻车制动，紧急制动，过卷或自动刹 车保护，动态响应特性，智能化盘刹液压系统等； 液压盘刹系统的组成，包括液压站、操作台及制动执行机构，制动执行机构和液 压站之间用液压管线连接，操作台与液压站之间则通过控制电缆连接。； 液压盘式刹车系统测试，验证，制动响应过程分析，制动过程的动力学模型； 智能化盘刹系统制动模式的建立与匹配，包括各种制动模式状态下的响应特性曲 线的设置要求，试验匹配等； 智能化盘式刹车系统的经济效益和社会效益。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 第二章智能化液压盘刹系统的基本概念 2 1 概述 智能化盘刹系统，建立在d b s 钻机传统电控盘刹基础上，自动判断游车高度，选择 相适应的刹车模式，改进了系统的动态性能，确保各种制动模式下的系统安全性，零 部件使用的可靠性，自动判断系统故障，并提示故障处理方法，称之为智能化液压盘 刹系统。 液压系统采用恒压变量，分路直动的压力控制方式，选用高精度比例压力控制阀 直接控制工作钳缸，达到精确控制工作压力的目的。 控制系统的设计，为适应多种制动模式，设置不同的特性曲线，能够在触摸显示 屏上进行制动状态参数的设置和控制状态的显示；当故障时，能够发出声光报警，并 能在触摸屏上提示故障发生点，并且显示故障内容及处理方法；所有传感器的数据能 够在触摸屏上显示；为严格控制上碰下砸事故，要求： 将游车高度检测参数融入本系统，设定为上中下三段，上端为防碰段，下段为防砸 段，中间段为安全段，设置为不同的电机制动响应要求。 上段为防碰段，游车底部距离钻台高度为2 8 米以上，在此阶段，实现紧急制动，系 统响应为应急速度，设置为0 5 s ，电机制动( 悬停，从高转速回零) 响应时间调整为 1 s 。 中段为安全刹车段，可适当延长刹车时间，以减小刹车对系统的冲击及损坏，电机 制动电机制动( 悬停，从高转速回零) 响应时间设置为3 s 。 下段为防砸段，游车底部距离钻台高度为2 米，设置为0 5 s ，电机制动( 悬停，从 高转速回零) 响应时间设置为l s 。 2 2 工作制动 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。此时要求系统系统平稳可 靠，减小冲击，减小摩擦片的磨损程度，提高制动系统的可靠性和使用寿命，响应时 间为3 s ，要求制动过程为先快后慢，全程平缓制动，其制动曲线为双折线方式。 2 3 紧急制动 遇到紧急情况时，按下紧急制动按钮，工作钳、安全钳全部参与制动，实现紧急 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第7 页 | ； 一 一一i i一一 ；i 曼皇曼! 曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼 刹车。 2 4 过卷保护 当大钩提升重物上升到某位置，由于操作员失误或其它原因，应该工作制动而未 实施制动时，过卷阀或防碰阀会发出信号，工作钳和安全钳全部参与刹车，实施紧急 制动，避免碰天车事故，系统要求设置为全程快速紧急制动模式，其制动曲线为线性 方式，系统响应时间设置为0 5 s 。 2 5 驻车制动 当钻机不工作或司钻要离开操作台时，拉下驻车制动手柄，安全钳刹车，以防大 钩滑落，此时要求系统系统平稳可靠，减小冲击，减小摩擦片的磨损程度，提高制动 系统的可靠性和使用寿命，响应时间为3 s ，要求全程平缓制动，其制动曲线为线性方 式。 2 6 断电保护 当绞车电机断电，或者盘刹泵电机断电时，系统实现紧急刹车制动，以免钻杆下 落至井底造成顿钻事故，其制动曲线为线性方式，系统响应时间设置为0 2 s 。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 第三章盘式刹车系统组成 3 1 概述 智能化液压盘式刹车装置由三部分组成：液压站、制动执行机构、操作控制系统， 制动执行机构和液压站之间用液压管线连接，操作台与液压站之间则通过控制电缆连 接。 液压站是动力源，为执行机构提供必须的液压动力；执行机构是制动执行部分， 它由刹车钳、钳架、刹车盘组成，刹车钳分为常开式工作钳和常闭式安全钳两种型式。 操作控制系统是动力控制系统，它通过电信号控制液压站中的操纵阀组，实现制动执 行机构的动作控制。液压系统的动力站如图3 一l 。 图3 1 盘刹液压站装配图 3 2 液压原理图 原理图见图3 2 液压系统原理图。 3 3 系统的技术性能及参数 3 3 1 液压系统 系统额定工作压力8m p a 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 工作介质冬季用l - h v 3 2 低温抗磨液压油 夏季用l - h m 4 6 抗磨液压油 系统单泵额定流量 油箱容积 电机功率 蓄能器容量 冷却水流量 外形尺寸( 长x 宽高) 重量： 3 3 2 常开式工作钳 单边最大正压力 外形尺寸( 外径长度) 重量： 3 3 3 常闭式安全钳 单边最大正压力 外形尺寸( 外径长度) 重量 3 4 液压系统的设计计算 1 8 l m i n 1 5 0l 2 2 k w x2 4 6 3 l 2 4m 3 h 1 2 0 6 1 0 5 0x1 2 0 4r f l m a 8 1 2k g 3 4 1 系统主参数的设计计算及校核 n = 6 5 k n 西1 8 0 2 5 0 ( m a x ) 3 0k g n = 7 5 k n 中2 1 0 x3 0 5 ( m a x ) 5 8k g 系统压力设置为8 m p a 时，按照p s s o 带j j 动钳的规格参数，此时输出推力为8 0 k n ，系 统压力定为8 5 m p a 。表3 1 为钳缸的主要技术参数表。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第10 页 曼曼曼量笪曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! ! ! ! 曼曼曼曼曼曼皇m- - 蔓皇皇皇曼皇曼岂曼皇曼皇曼! 曼曼皇蔓蔓皇曼! 蔓量曼曼曼曼量皇! 曼曼曼曼曼皇曼 表3 - 1 主要技术参数 类别名称参数值 单边最大制动正压力k g 8 08 0 k n 工 有效行程3 0 m m 作 刹车块允许最小工作厚度1 2 m m 钳 外形尺寸k g 8 05 8 0 m m x 4 1 5 m m 4 2 0 m m 重量( k g 8 0 服g 7 5 k g 7 0 )2 0 0 18 0 17 5 k g 单边最大制动正压力b g 8 08 0 k n 安刹车块最大工作间隙 l r n m 全刹车块允许最小工作厚度1 2 m m 钳外形尺寸 b g 8 06 1 0 m m 4 1 5 m m 4 2 0 m m 重量( b g 8 0 ) 2 2 0 k g 额定压力p s s c 8 0 7 8 m p a 夏季l h m 4 6 抗磨液压油 工作介质 液冬季l h v 3 2 低温抗磨液压油 压单泵额定流量1 5l m i n 系电机功率2 2 k w 统 蓄能器容量 p s s c 8 04 6 l 加热器功率l k w 冷却水流量 2 m 3 h 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第11 页 图3 - 2 液压系统原理图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第12 页 表3 2 系统计算主参数表 名称参数值 主刹车p s 8 0 液压盘式刹车 工作钳单边最大正压力n l 8 0 k n 安全钳单边最大正压力n 2 8 0 k n 工作钳个数n 1 3 安全钳个数n 2 3 计算摩擦系数u 0 3 滚筒直径d 6 8 5 m m 钢丝绳直径d 3 5 r a m 大钩有效绳数z 1 2 绞车传动比i 6 5 刹车盘外径d c 1 4 0 0 m m 绞车滚筒效率叩所 0 9 7 游动系统效率7 7 丁 0 7 7 刹车盘的有效摩擦半径： r e = d e 2 = ( d c - 0 1 ) 2 = ( 1 4 - 0 1 ) 2 = 0 6 5m 开式单钳制动力矩为： m d l = k n l r e = 2u n 1 r e = 2 x 0 3 x 8 0 0 0 0 x 0 6 5 = 3 1 2 0 0n m 闭式单钳制动力矩为： m d 2 = k n 2 r e = 2u n 2 r e = 2 x 0 3 x 8 0 0 0 0 x 0 6 5 = 3 1 2 0 0n m 其中，k 为刹车钳制动效能因素。k = 2i j 校核动载荷：( 使用最大钻柱钩载进行计算) 最大工作刹车力矩为： 妙 m b l m a x = 2 zr ltr ld r = 3 1 5 0 0 0 0 7 8 3 2 1 2 x 0 7 7 0 9 7 1 0 0 0 = 7 6 7 5 8n i l l 其中：q 为最大钩载，单位为n ，由实际知5 0 d b s 钻机q 为3 1 5 t 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第13 页 d r 为滚筒平均缠绕直径，因缠绕三层可立起一立根，所以第二层绳时的直径也就 是滚动平均直径：d r = d + d + 2 x o 9 d = 6 8 5 + 3 5 + 2 x o 9 x 3 5 = 7 8 3 m m 则应选取的开式刹车钳的数量为 1 3 = m b m a x m d = 7 6 7 5 8 312 0 0 = 2 4 6 取整数3 ， 而：g d s = q l m a x = 3 6 5 0 0 0 = 1 8 0 0 0 0k g 、 q = 1 0 g d s = 1 8 0 0 0 0 0 n 故工作制动时的安全系数最小为3 2 4 6 = 1 2 2 5 )驻车制动时，刹最大钻柱重量时， 瓣b 争叼所 = 1 5 木1 8 0 0 0 0 0 术7 8 3 2 1 2 ：i ：0 7 7 * 0 9 7 1 0 0 0 = 6 5 7 9 2 n m 其中1 3 为下钻动载系数，一般1 3 = 1 5 - - - , 2 5 ( 慢刹车急刹车) 则应选取的闭式刹车钳的数量为 n = m b m a x m d = 6 5 7 9 2 31 2 0 0 = 2 1 取整数，可得所需开式钳数量为3 ，所需闭式钳数量为3 ，与实际应用情况相符合。 故驻车制动的安全系数为3 2 1 = 1 4 3 6 )紧急制动时的安全储备系数 旦3 x 3 1 2 0 0 + 3 x 3 1 2 0 0 n = 肘a 。= 瓦两_ = 2 4 4 依据带式刹车的安全系数为2 5 3 ，盘式刹车的经验安全系数为1 5 2 之间，可知 此设计符合安全要求。 通过以上计算，刹车系统在选择钳子数目、给定压力是正确的，即我们所提供的 刹车力矩是可以满足刹车要求的。 3 4 2 液压系统的基本组成 整个液压系统由油箱装置、变量油泵组、蓄能器装置、控制阀组、常开式液压缸、 常闭式液压缸、压力传感器及连接管路等组成。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第14 页 3 4 2 1 液压站 1 ) 液压油箱装置 数量1 套 容积 1 0 0 l 材质不锈钢 油箱在液压系统中的功能有：储存液压系统所需的工作介质；散发液压系统工作 中产生的一部分热量；沉淀混入介质中的杂质；分离混入工作介质中的空气或水分。 盘刹液压系统油箱由不锈钢焊接而成，分成吸油腔和回油腔，两个腔分别安装有 空气过滤器( 3um ) ，液压系统工作时，油箱液面以上的空气经滤网与大气相通，液面 上升时由里向外排出空气，液面下降时由外向里吸入空气。这样既能维持油箱内的压 力和大气压力平衡，又可滤去空气中的杂质，减少油液污染。油箱上配备带电信号连 续输出及现场可视液位计，用于检测油箱油位高低，电加热器用来加热油箱的油液。 同时，油箱上还配置了1 个双筒式回油过滤器( 1 0pm ) 。 液位指示报警器：带液位开关1 b s l l ，设置三个触点报警( 1 s l 1 a 油液高位， 1 s l l b 油液低位，1 s l l c 泵停止工作) 。 温度控制器；带四个触点开关1 b s t l 1 s t 1 a油温过低( 温度1 0 ) 1 s t 1 b加热接通( 温度2 0 ) 1 s t 1 c加热切断( 温度3 0 ) 1 s t 1 d冷却接通( 温度4 5 ) 1 s t 1 e冷却切断( 温度3 5 ) 1 st 1 f油温过高( 温度6 0 ) 电加热器：带控制开关1 b r h l 1 b r h 3 功率3 1 k w 供电条件a c 2 2 0 v5 0 h z 接通条件油温低于2 0 ( 2 ，液位在低液位以上 切断条件油温3 0 ，油位过低 2 ) 变量油泵装置 数量2 台( 1 台工作l 台备用) 型式柱塞式恒压变量泵 i i i i i i i i i i i i i i i 高i t 一 一t一 t t l i i 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第15 页 型号p h p l 0 5 0 r 2 ( p a 砌旺r ) 工作流量15 l m i n 工作压力1 0 m p a 电机功率3 k w 电机转速 9 9 0 r p m 供电条件 a c 3 8 0 v5 0 h z 主泵装置安装在油箱附近，通过减震器固定在一个共同框架上。泵电机用钟罩式 法兰及弹性联轴器连接，每台泵吸油口设有避振喉和蝶阀，出油口设有高压软管( 进 1 2 ) 、压力表、板式球阀、单向阀、电磁溢流阀以及压力过滤器( 5pm ) 。由液压站的操作 箱或者主操作室的c r t 控制。 主泵启动条件： a ) 对应截止阀限位开关2 b s q l 或2 b s q 2 打开； b ) 截止阀限位开关1 b s q 0 打开； c ) 循环泵正常启动之后； d ) 无电气故障。 主泵自动停止条件： a ) 对应截止阀限位开关2 b s q l 或2 b s q 2 关闭； b ) 止阀限位开关1 b s q 0 关闭； c ) 油温高于最高温度1 s t 1 f ( 6 0 ) ，延时5 分钟后； d ) 液位低于最低液位1 s l l c ，延时1 0 秒钟后； 曲循环泵停止后； d 电气出现故障。 3 ) 冷却器 冷却器为列管式水冷冷却器，用来平衡整个系统的发热。可根据系统的工作温度 确定是否投入使用。液压系统的发热按照工作电机的最大功率的3 0 来计算， 电机安装功率：p - - 6 + l = 7 k w 系统发热功率：h = 0 3 p = 0 3 7 = 2 1 k w 通过冷却器的小时流量：0 = 1 5x6 0 = 9 0 0 l h 进油温度：t 1 _ 4 5 0 c 出油温度：t 2 _ 3 5 0 c 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第16 页 进水温度：t 3 _ o 2 5p2 取4 0 b a r k 一等熵系数，取1 4 v 一利用容积( l ) 工作钳缸基本参数： k g 8 0 ，运行速度：v = 1 2 m m s ，工作行程为l = 2 m m ，工作钳半径r = 6 2 5 m m 数量： n = 6 个； 计算数据： 工作钳缸运行到工作行程所需要的油容积，k 为油液损失系数，一般取k = i 2 v l = n x ( 3 1 4 x r 2 l ) 木k = 6 ( 3 1 4 6 2 5 2 2 ) ，i c l 2 1 0 0 0 = 1 7 6 6 3 m l 安全钳缸基本参数： b g 8 0 ，运行速度：v = 1 2 m m s ，工作行程为l = l m m ，工作钳半径r = 9 5 m m 数量：n = 6 个； 安全钳缸运行到行程所需要的油容积，k 为油液损失系数，一般取k = i 2 v 2 = n ( 3 1 4 x r 2 x l ) = 6 x ( 3 1 4 x 9