Розділ 12 гальмівні пристрої
12.1 Загальні відомості
Гальмівні пристрої, застосовуються в бурових машинах і механізмах, по призначенню поділяються на головні і допоміжні. Головні призначені для зупинки машин і механізмів і приводяться в дію в кінці руху або при тривалих перервах в роботі, допоміжні — для тривалого гальмування з метою зниження швидкості руху. В якості основних гальм в бурових машинах і механізмах використовуються фрикційні гальмівні пристрої, які поділяються на стрічкові і колодкові.
В стрічковому гальмі робочий елемент — гнучка стрічка із фрикційними накладками, які притискаються до гальмівного шківа при кутовому зміщенні одного з кінців стрічки. В колодковому гальмі робочий орган - колодки, які при зустрічному лінійному зміщенні притискаються до зовнішньої поверхні гальмівного барабана. В бурових машинах в якості допоміжних використовуються гідродинамічні і електричні гальмівні пристрої.
Гальмо слід встановлювати на швидкохідних валах машини, які отримують найменший обертовий момент, що дозволяє зменшити розміри гальма, які залежать від необхідного гальмівного моменту. Замикання і розмикання гальмівних пристроїв здійснюється за допомогою механічного, пневматичного і електричного приводів, оснащених ручним або автоматичним управлінням. Автоматичне управління забезпечує зупинку в аварійних ситуаціях.
12.2 Стрічкове гальмо бурової лебідки
Стрічкове гальмо — головне гальмо бурової лебідки. Воно призначене для зупинки і утримання в нерухомому стані бурильної колони та інший інструмент, який опускається та піднімається із свердловини. Стрічкове гальмо при необхідності може бути використане в якості допоміжного. Наприклад, у випадку відмови або недостатнього гальмівного моменту допоміжного гальма лебідки для зниження швидкості опускання колони труб в свердловину використовується стрічкове гальмо. При відсутності регулятора подачі долота стрічкове гальмо використовують для підтримки осьового навантаження на долото і подачі бурильної колони по мірі заглиблення вибою свердловини.
Згідно ГОСТ 12.2.О41-79 стрічкові гальма повинні відповідати таким вимогам:
гальмівний момент повинен бути достатнім для надійно-го утримання в нерухомому стані колони труб найбільшої ваги, відповідної допустимій вантажопідйомності лебідки;
привід гальма повинен забезпечити плавне регулювання гальмівного моменту і м’яку посадку на стіл ротора, яку опускають в свердловину колони труб;
гальмо повинно розгальмовуватись одночасно з включенням приводу лебідки;
температура на поверхнях тертя фрикційної пари не повинна перевищувати допустимої температури нагрівання матеріалів, які використовуються в гальмівній парі;
конструкція гальма повинна виключати самовільне галь-мування і розгальмовування і забезпечувати легкість
керування, зручність і доступність огляду, регулювання і заміни деталей і вузлів, які зносились.
У бурових лебідках в якості головного використовується двохстрічкове гальмо, яке володіє важливими перевагами в порівнянні з однострічковими. В першу чергу слід відмітити надійність двохстрічкового гальма, яке зберігає працездатність при відмові одної із стрічок. Розподілення гальмівного моменту на два шківа дозволяє вдвічі зменшити контактні тиски і, значить, збільшити довговічність гальмівних шківів і колодок.
Кінематичні схеми стрічкового гальма бурових лебідок показані на рис. 12.1. Стальні стрічки 4 з фрикційними накладками огинають циліндричні гальмівні шківи 2, які встановлені на барабані 3 лебідки. В результаті тертя між нерухомими накладками і гальмівними шківами виникає гальмівний момент, протидіючий обертанню барабана і утримуючий його в нерухомому стані.
Установка гальмівних шківів безпосередньо на барабані лебідки потребує збільшення необхідного гальмівного моменту, так як барабан лебідки найбільш тихохідний орган в кінематичному ланцюгу підйомного механізму. Але при відсутності проміжних ланок між гальмом і талевим канатом забезпечуються надійність і безпека гальмування лебідки.
Кінці стрічок з'єднуються з балансиром 10 і шатунними шийками 9 колінчатого валу 8. Кінець стрічки, що з'єднується з балансиром, прийнято називати набігаючим, а протилежний, який з'єднуються з колінчатим валом, - збігаючим. Збігаючі кінці стрічок, які охоплюють гальмівні шківи під кутом більше 270 (рис. 12.1, в, г), з'єднуються з колінчатим валом за допомогою обойми О і кронштейнів К. При гальмуванні колінчатий вал повертається і збігаючі кінці стрічок переміщаються по дузі, яка описується радіусом шатунних шийок.
а — У2-2-11, У2-5-5; б — ЛБУ-1100; в — ЛБУ-1700, ЛБУ-300; г — У2-300
Рисунок 12.1 — Кінематичні схеми стрічкових гальм лебідок
Після вибору вільного ходу фрикційні накладки притискаються до гальмівних шківів. Величина вільного ходу залежить від радіальних зазорів між фрикційними накладками і гальмівними шківами, які утворюються при розгальмовуванні. Напрям обертання барабана при опусканні повинен співпадати з напрямом кутового зміщення гальмівних стрічок при гальмуванні лебідки. В цьому випадку шківи, які обертаються будуть затягувати гальмівні стрічки і завдяки цьому зменшаться зусилля, необхідні для гальмування. При підніманні гальмівні шківи, обертаючись в зворотному напрямку, будуть відкидати гальмівні стрічки і цим самим сприяти розгальмуванню лебідки одночасно з включенням її приводу.
Поворот колінчатого вала для замикання і розмикання гальма здійснюється гальмівною ручкою 1. В лебідках, розміщених на підлозі бурової площадки, гальмівна ручка встановлюється на консолі гальмівного вала (рис. 12.1, а). В лебідках, які знаходяться під підлогою бурової площадки (рис. 12.1, б, в, г), гальмівна ручка з валом 13 на підшипниках 11 монтуються на підлозі бурової площадки з'єднуються з колінчатим валом 8 за допомогою важелів 12,15 і тяги 14.
Для оперативного гальмування лебідки разом з ручним використовується пневматичний привід, який складається з гальмівного циліндра 7, шток якого з'єднуються з мотильовою шийкою 5 колінчатого вала, і регулятора керування 6. Пневматичний привід полегшує працю буровика при спуско-підіймальних операціях. В лебідках великої потужності гальмівний привід оснащується пневматичним циліндром 19 (рис. 12.1, в, г) для автоматичного гальмування лебідки при зменшенні тиску в пневматичній системі при обезживленні бурової і підніманні талевого блока.
Під тиском повітря, яке поступає через клапан 20 від мережі або балона 18, шток циліндра 19 висувається і провушина 16 звільняє шийку 17 гальмівного вала, забезпечуючи керування гальмом ручкою 1 або пневматичним циліндром 7, як в нормально розімкнутих гальмах. В аварійних ситуаціях тиск повітря в пневматичному циліндрі 19 падає і під дією зворотної пружини шток переміщається в зворотному напрямі. Провушини 16 штока повертають гальмівний вал і в результаті цього лебідка гальмується. В цьому стані гальмо діє як нормально замкнуте.
Гальмівні стрічки 12 виготовляються із сталевого листа товщиною 6-10 мм, зігнутою по діаметру гальмівних шківів 11 барабана 13 лебідки (рис. 12.2). Ширина стрічки вибирається залежно від колодок, що використовуються, ширина яких по стандарту становить 220-260 мм. Довжина стрічки розраховується по діаметру і кута охоплення (270-340 градусів) гальмівного шківа з врахуванням товщини накладок. Стрічка по довжині має отвори для кріплення накладок 14 і оснащена кінцевими провушинами для з'єднання з валом 2 і балансиром 5 гальма.
Внаслідок великих контактних тисків гальмівні колодки, розміщенні з сторони набігаючого кінця стрічки, зношуються більш інтенсивно. Для вирівнювання зношування колодок кінці стрічок в процесі експлуатації міняють місцями. Завдяки цьому значно скорочується розхід колодок. Останні кріпляться до стрічки стальними планками, запресованими в тіло колодки. Для цього кінці планок виводять через отвори в стрічці і загинають з зовнішньої сторони. Кріплення гальмівних колодок за допомогою болтів і заклепок з потайними головками більш трудомістке.
Між колодками з зазором 1,7-4,2 мм встановлені дистанційні планки 15, які сприяють щільному і рівномірному при
Рисунок 12.2 — Стрічкове гальмо бурової лебідки
ляганню колодок до поверхні гальмівних шківів. Рівномірність радіального зазору між гальмівними накладками і шківом по дузі охоплення регулюється пружинними відтяжками 16 і опорними роликами 17. Одночасно пружинні відтяжки служать для відводу стрічки від шківа при розгальмовуванні лебідки. Гальмівні шківи і диски барабана 13 між собою з’єднуються на ковзаючих посадках.
Невелика глибина центрованих посадочних поверхонь полегшує їх зборку.
Балансир 5 служить для вирівнювання натягування гальмівних стрічок і являє собою стальний рівноплечий важіль. Балансир обертається на осі, встановленій в стійці 3, яка кріпиться болтами до рами 4 лебідки. До балансира за допомогою болтів 10 і різьбових стаканів 8 приєднуються набігаючі кінці гальмівних стрічок. Болт має вушко для з'єднання з гальмівною стрічкою і різьбу для накручування стакана. При прокручуванні стакана болт переміщується по різьбі і регулює радіальний зазор між шківом і гальмівними накладками, який створюється в розімкнутому гальмі. Якщо зазори відрегульовані неоднаково, балансир обертається на своїй осі і опускає кінець стрічки, яка охоплює гальмівний шків з великим зазором. В результаті цього досягається одночасне затягування гальмівних стрічок з однаковим зусиллям.
Кут повороту балансира зростає із збільшенням різниці радіальних зазорів на шківах гальма. Якщо зазори на кожному із двох шківів відрегульовані однаково, то при гальмуванні ба-лансир зберігає горизонтальне положення. Опори верстатів мають сферичну форму, яка забезпечує їх самовстановлення при відхиленнях балансира від горизонтального положення. Пружина стиску 7 вибирає осьовий зазор між балансиром і стаканом, який утворюється при розгальмовуванні.
Через отвори в рамі проходять шпильки 6, які з'єднуються на різьбі із стаканами балансира. На хвостовики шпильок накручені аварійні гайки, які сприймають натяг стрічки при обриві або при надто великому радіальному зазорі одної із стрічок гальма. Аварійні гайки закручуються з осьовим зазором відповідно нижньої опорної плити на рамі лебідки. Величина зазору залежить від вільного ходу стрічки і не повинна перевищувати допустимого значення. При великому зазорі гальмування лебідки однією стрічкою стає неможливим, так як після вибору вільного хода гальмівні накладки не будуть притиснуті до шківа. Тому переміщення набігаючого кінця стрічки граничиться зазором між аварійною гайкою і опорною плитою рами, допустиму величину, якого по вимогам безпеки слід постійно контролювати в процесі експлуатації лебідок.
Привід стрічкового гальма складається з колінчатого вала 2, який встановлений на радіальних сферичних підшипниках, корпуса 9, які закріплені на рамі лебідки. Шатунні шийки колінчатого вала за допомогою тяг з’єднуються із збігаючими кінцями гальмівних стрічок. Обойма тяги надівається на вал і встановлюється напівтулках з антифрикційних матеріалів. Згідно вимогам (ГОСТ 12.2.41-79), кінець гальмівної ручки при замкнутому гальмі повинен знаходитись від підлоги площадки бурильщика на відстані не менше 80-90 см, а мускульне зусилля, яке прикладається до ручки не повинно перевищувати 250 Н.
Збільшення кута повороту ручки під час замикання гальма свідчить про недопустимий радіальний зазор між гальмівними накладками і шківами, який викликаний їх спрацюванням в процесі експлуатації. Для встановлення нормального положення ручки при замиканні гальма необхідно зменшувати створений зазор шляхом підтягування гальмівних стрічок різьбовими стаканами балансира.
Ручка гальма, як вказувалось, встановлюється на кінці гальмівного вала або на окремому валі, який з’єднаний з гальмівним валом лебідки за допомогою важеля 1 і механічних передач.
На рис. 12.3 показано пристрій ручного керування гальмом, змонтоване на окремому валі. Гальмівна ручка 5 приварена до ступиці 9 зубчатого сектора, який закріплений на валі 13 шпонкою. Вал змонтований на сферичних підшипниках 12, корпуса 10 і 15, які закріплені болтами на окремій плиті 8. Тяговий важіль 14, який регулюється по довжині з’єднується з важелем колінчатого вала, синхронно сприймаючим рухом для дистанційного управління стрічковим гальмом бурових лебідок.
Привід гальма оснащений стопорним пристроєм, який складається із зубчастого валика 2 і гальмівного шківа 3. Валик 2 встановлюється в корпусі 10 на підшипниках 11 і знаходиться в зачепленні із зубчастим сектором 1, закритим кожухом 7. Шків 3 охвачується гальмівною стрічкою 4, кінці якої кріпляться до важеля 6 і створюють сумарне стрічкове гальмо. Важіль повертається на осі, яка запресована в корпусі 10. Під дією моменту, який створюється вантажем 6, гальмівна стрічка, охоплюючи шків, утримує валик 2 і зубчастий сектор 1, який знаходиться з ним в зачепленні від повороту. При цьому гальмівна ручка, жорстко зв'язана з сектором 1, фіксується в заданому положенні. Гальмівна ручка та інші деталі приводу гальма володіють достатньою жорсткістю, яка необхідна для ліквідації втрати ходу під час включення гальма.
Рисунок 12.3
Виконавчий орган пневматичного приводу стрічкових гальм — гальмівний циліндр односторонньої дії, в якому робочий хід поршня здійснюється під дією стиснутого повітря, а зворотній хід - під дією пружини. Конструкції гальмівних циліндрів бурових лебідок показані на рис. 12.4. Звичайний гальмівний циліндр 12 (рис. 12.4, а) використовується для оперативного гальмування лебідки і складається з поршня 1, гільзи 2, штока 5, кришок 3 і 14. Поршень ущільнюється резиновою манжетою, яка затиснута болтом і диском. Глуха кришка 14 ущільнюється резиновою прокладкою і має конічні різьбові отвори для підводу стиснутого повітря в циліндр.
Рисунок 12.4 — Пневматичний гальмівний циліндр односторонньої дії
Верхня кришка 3 має горловину з втулкою 8 для направляючого штока поршня 1. Пружина 4 відтискає поршень в крайнє нижнє положення. Кришки гальмівного циліндра затягуються шпильками 9 і 13. Всередині штока поршня встановлена резинова шарова опора 11 штока 5, який з’єднується з важелем 6 колінчатого вала 7. Гальмівний циліндр кріпиться до стійки 10, яка встановлена на рамі лебідки. При подачі стиснутого повітря в поршневу порожнину циліндра поршень 1 під дією зусилля, що створюється стискає пружину і переміщує шток 5, який повертає важіль 6 разом з колінчатим валом 7 стрічкового гальма.
Плавність гальмування досягається поступовим збільшенням тиску повітря в циліндрі гальма, який забезпечується краном Казанцева. При розгальмовуванні тиск повітря в циліндрі понижується і поршень під дією пружини відводиться в початкове положення. Шток 5 повертається в початкове положення ручкою гальма, яка повертається при розгальмовуванні стрічкового гальма. Положення штовхача в середині штока поршня забезпечує незалежне керування гальмом за допомогою механічного і пневматичного приводів.
Пружинні гальмівні циліндри (рис. 12.4, б) служать для автоматичного гальмування лебідки. Поршень 2 з'єднується з штоком 1, який має провушину А для з’єднання з ручкою гальмівного вала. В процесі нормальної роботи лебідки пружини 5 постійно стиснуті під тиском повітря, яке поступає через отвір В у порожнину Б циліндра. При аваріях відключається подача повітря і тиск в порожнині Б падає. Під дією пружини шток повертається в початкове положення і замикає гальмо. Плавність аварійного гальмування забезпечується дроселюючою шайбою, через яку повітря виходить з циліндра. Перекоси поршня і штока ліквідуються за допомогою шарнірного кріплення гальмівного циліндра 4 до стійки 3 рами лебідки.