專利名稱：磁流變體石油鉆機輔助剎車裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種石油鉆機輔助剎車裝置，尤其是一種應用磁流變體技術的石油鉆機輔助剎車裝置。
背景技術：
目前，公知公用的石油鉆機輔助剎車裝置有水剎車，電磁渦流剎車，多盤式剎車，伊頓氣控剎車四種。
水剎車是石油鉆機經常采用的一種輔助剎車，其制動扭矩與轉速的二次方成正比，因此在低速運轉時制動扭矩非常低，不能滿足深井下鉆的需要。
電磁渦流剎車，如中國專利公告號2079386，提供了一種新型電磁渦流剎車裝置。由電動機、變壓器、整流器、定子、定子線圈、轉子軸、冷卻水腔及循環水冷裝置等組成，其主要特征是它的定子可由電機經蝸桿蝸輪驅動相對于轉子轉動，以使剎車轉子停轉后仍能保持一定的制動力矩，在鉆柱懸停和不啟動鉆機主發動機的情況下，低速起吊一定重量，用于石油鉆機鉸車輔助剎車，可提高處理事故的能力。雖然電磁渦流剎車在中高轉速段具有大的接近不變的制動扭矩，但在一小部分低轉速下，制動轉矩隨著轉速的變小而急劇變小。
多盤式剎車，如中國專利公告號2470525，提供了一種鉆機盤式剎車裝置，包括有換向閥、油泵、閉式鉗、開式鉗，油泵通過換向閥與閉式鉗連接，換向閥2與換向閥4的控制口連接，換向閥1與換向閥3的控制口連接，可隨時、自動的對因剎車塊磨損而產生的間隙進行調節，可在減少剎車鉗數量的情況下滿足緊急剎車對剎車力的要求，同時還滿足了維修時僅使用閉式鉗的要求。又如中國專利公告號2390857，提供了一種液控盤式剎車裝置。主要由剎車鉗、鉗架和剎車盤組成，剎車盤與主機絞車滾筒固連，剎車鉗與絞車底座上的鉗架固連，剎車鉗包括工作鉗和安全鉗，剎車鉗的剎車片設置在盤外圓的兩側，和杠桿一端鉸接的鉗體固連，鉗體固連的支桿經銷軸與杠桿槽孔呈滑配合，杠桿另一端經銷軸分別與活塞，油缸相連，彈簧兩端分別與活塞桿及油缸相連。多盤式剎車依靠摩擦襯片與金屬盤的摩擦產生制動力矩，摩擦襯片容易損壞，需經常更換。
伊頓氣控輔助剎車是利用壓縮空氣的壓力達到剎車目的，但需要對壓縮空氣進行嚴格的處理。
另外在制動技術領域，有磁流變液制動器。如中國專利，授權公告號CN 1231686C，公開了一種結構可變的旋轉式磁流變液制動器，包括軸承端蓋、密封蓋、導磁內筒、電磁線圈、導磁外筒、轉軸、定位鍵、軸承、磁流變液、兩個轉盤、密封材料，其特征在于導磁內筒和導磁外筒均是由導磁材料制成的圓筒體，導磁內筒具有圓盤形的分隔結構，該結構中心開有供轉軸運行的圓孔，轉軸穿過導磁內筒后，通過定位鍵與兩個轉盤相接；電磁線圈附在導磁外筒殼體內，其導線引出導磁外筒外，將電磁線圈與導磁外筒一起套在導磁內筒上，左端的密封蓋通過螺栓與導磁內筒左端連接，軸承壓緊密封材料，左端的軸承端蓋連接于左端的密封蓋上，在導磁內筒內注滿磁流變液，同理，軸承壓緊密封材料，右端的軸承端蓋連接于右端的密封蓋上。
這是一種盤式磁流變液制動器(國外已有)，是一種剪切模式的制動器。其結構是兩個轉盤在導磁內筒轉動，靠圓盤的面剪切磁流體，兩盤之間必須保持非常近的距離，否則不起作用。其制動的原理是利用了在磁場下，定子與轉子(轉盤)之間磁流體剪切強度發生變化產生制動扭矩。因此這種制動器的缺點是第一，轉子(轉盤)的圓周面不會產生制動力矩；第二，轉子(轉盤)與定子之間的距離過大時制動力矩會很小，當轉盤很大時，機械制造難以保證轉子與定子的之間距離的均勻性，最佳距離一般是0.5-3毫米；第三，由于其容納的磁流變液的量較少，熱容量小，溫度上升快，磁流變液的剪切性能會大幅度下降，會導致制動力矩大幅度下降，制動力矩不足，難以應用于象石油鉆機這樣要求大制動力的場合；第四電磁線圈套在導磁內筒上產生的熱量不容易散發出；第五，線圈燒毀后，會失去制動力矩，安全性差。
發明內容
本發明的目的是針對現有石油鉆機輔助剎車裝置技術存在的問題，提供一種磁流變體石油鉆機輔助剎車裝置，利用該裝置能完成石油鉆機輔助剎車，并且該裝置具有在鉆機絞車任何轉速下都能獲得滿足深井下鉆的需要的制動力矩，并且可以實現石油鉆機輔助剎車制動力矩無級可調，反應速度快。磁流變體石油鉆機輔助剎車裝置依靠葉片攪拌磁流變液產生制動力矩，沒有磨損件，使用壽命長，性能安全可靠。同時克服旋轉式磁流變液制動器采用2個轉盤結構，轉盤轉子只有徑向面產生制動力矩的不足，而且克服其要求制造精度高、溫度上升快、不易散發熱量、安全性差的缺點。
本發明采用的技術原理是本發明提供的應用磁流變體技術的石油鉆機輔助剎車裝置采用了磁流變體材料，通過軸帶動葉片旋轉，攪拌在磁場作用下的磁流變體從而產生較大的制動力矩。與旋轉式磁流變液制動器相比，其結構明顯不同，采用了葉片結構，可不用苛求葉片與四周的距離。其制動原理是在磁場下磁流變的粘度會變得很高，葉片四周，包括葉片的徑向和軸向的邊，都會產生剪切阻力，同時由于磁流變的粘度會變得很高，葉片迎著磁流變液的面也會產生較大的阻力，是一種攪拌的原理。該種結構磁流變液充液量大，熱容量大、容易實施冷卻，適合于大功率制動的場合。采用導磁柱放在缸筒外側的結構，線圈容易散熱；而且導磁柱也可多根，線圈纏繞量大，線圈可分別纏繞在導磁柱上，即使一根線圈燒毀，其余線圈仍然發揮作用，增大了該剎車的安全可靠性，不會因一根線圈的燒毀造成整個制動剎車失靈。
本發明提供的磁流變體石油鉆機輔助剎車裝置具體結構包括有上、下導磁端蓋，上、下導磁端蓋之間固定有非導磁材料制成的圓柱型缸筒，圓柱型缸筒外有導磁圓柱，導磁圓柱安裝在缸筒的外側；上、下導磁端蓋中間有不導磁的軸，不導磁的軸上固定有厚度為10-60毫米的導磁徑向直葉片，缸筒和兩根繞有勵磁線圈的導磁圓柱固定在上、下導磁端蓋之間，缸筒與上、下導磁端蓋配合形成了一個密閉的圓柱形腔體。安裝在軸上的葉片位置在圓柱型缸筒腔體中，葉片的側端面和上下端面分別與缸筒和上、下導磁端蓋之間的間隙為2-30毫米。密閉的圓柱形腔體內充滿磁流變體。
不導磁的軸與導磁端蓋之間可以有滾動軸承、密封圈和壓板。
不導磁的軸與一端導磁端蓋之間有滾動軸承、密封圈和壓板；不導磁的軸與另一端導磁端蓋之間有滾動軸承。
上、下導磁端蓋之間的距離可以在200-1000毫米之間。圓柱型缸筒內徑在300-1500毫米之間。兩根繞有勵磁線圈的導磁圓柱的直徑在10-300毫米之間；在導磁圓柱上的勵磁線圈匝數在200-1000匝之間。
所述的葉片的形狀可以有直板式，空槽式，開口式；還可以在開口式葉片的兩邊有錐孔的圓筒。
直板式葉片的形狀為矩形；空槽式葉片是在直板式葉片的基礎上對稱開有幾個狹長的矩形槽；開口式葉片是在直板式葉片的基礎上對稱開兩個圓孔，兩個圓孔上可以安裝帶錐孔的圓筒。
所述的導磁圓柱的數量2-5根，葉片的數目是2-12片。
磁流變體石油鉆機輔助剎車裝置應用了磁流變體材料，通過軸帶動葉片旋轉，攪拌在磁場作用下的磁流變體從而產生較大的制動力矩。由于缸筒不導磁，故該裝置在勵磁線圈的作用下，在上、下導磁端蓋之間產生了一個均勻的磁場方向垂直于導磁端蓋的軸向磁場。腔內的磁流變體在磁場的作用下發生磁流變效應。軸轉動時，被置于腔內的葉片旋轉，攪拌腔內的磁流變體，使得腔內的磁流變體發生剪切，而磁流變體的剪切屈服應力就會對軸的旋轉形成較大的制動力矩。該剪切屈服應力是磁流變體本身的特性，僅與磁流變效應的強弱有關，而與剪切應變率無關，即與軸的轉速無關。本發明的軸與石油鉆機絞車的剎車軸連接。當需要輔助剎車時，給勵磁線圈接通直流電源，兩根導磁圓柱所產生磁場，在上下端蓋之間形成均勻的磁場，葉片受到剪切屈服應力，同時石油鉆機絞車的剎車軸獲得較大的制動力矩。磁流變體石油鉆機輔助剎車裝置形成的較大制動力矩，能起到較好的輔助石油鉆機絞車剎車作用。
由于磁流變效應的強弱與磁場強度有關，所以可以通過增強磁場強度來增強磁流變效應，從而增大剪切屈服應力，也就是增大制動力矩，反之則減小制動力矩。而磁場強度的大小可以通過調節勵磁線圈的電流的大小來改變。因為磁流變效應的響應時間為毫秒級，則可以實現制動力矩的快速調節。
本發明的突出的有益效果是在鉆機絞車任何轉速下都能提供較大的制動力矩，克服了以前的輔助剎車低速性能差的缺點。同時，采用本發明的技術方案，能實現在鉆機絞車任何轉速下制動力矩的無級可調，并且響應速度快，為提高石油鉆機的自動化水平準備條件。另外本發明的結構簡單，制造成本低廉；不涉及固體間的摩擦，使用壽命長。由于采用了葉片結構，可不用苛求葉片與四周的距離，加工制造簡單，葉片四周和葉片迎液面都會產生阻力，制動力矩大。該種結構磁流變液充液量大，熱容量大、容易實施冷卻。這些都是區別于轉盤結構的旋轉式磁流變液制動器突出優勢之處。由于采用導磁柱放在缸筒外側的結構，線圈容易散熱，而且導磁柱也可多根，線圈纏繞量大，線圈可分別纏繞在導磁柱上，即使一根線圈燒毀，其余線圈仍然發揮作用，增大了該剎車的安全可靠性，不會因一根線圈的燒毀造成整個制動剎車失靈。從而可有效防止頓鉆事故發生，這對于高風險的鉆井行業尤為重要。這也是區別于旋轉式磁流變液制動器轉盤結構的優勢之處。
本發明的上述石油鉆機輔助剎車裝置結構有突出的改進，完全符合石油鉆機輔助剎車制動力矩大的需要并產生了意想不到有益效果；其結構簡單，加工制造成本低，產生了積極、進步的效果。是一項新穎、實用的新設計。
下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。
圖1是本發明磁流變體石油鉆機輔助剎車裝置結構剖面示意圖。是實施例1的結構示意圖。
圖2是本發明磁流變體石油鉆機輔助剎車裝置的導磁徑向直葉片8的結構示意圖。
圖3是本發明磁流變體石油鉆機輔助剎車裝置的導磁葉片8的另一種結構示意圖。是實施例2的葉片8結構示意圖。
圖4是本發明磁流變體石油鉆機輔助剎車裝置的導磁葉片8的另一種結構示意圖。是實施例3的葉片8結構示意圖。
圖中，1.上導磁端蓋，2.繞有勵磁線圈的導磁圓柱，3.下導磁端蓋，4.滾動軸承，5.密封圈，6.軸，7.壓板，8.葉片，9.磁流變體，10.缸筒，11.勵磁線圈，12.矩形孔，13.帶錐孔的圓筒。
具體實施例方式
實施例1參閱附圖1。磁流變體石油鉆機輔助剎車裝置，上、下導磁端蓋1、3外徑為1000毫米，厚度50毫米，導磁材料制成。上導磁端蓋3中間有軸孔。上、下導磁端蓋1、3之間固定有非導磁材料制成的圓柱型缸筒10，圓柱型缸筒10內徑700毫米，高度300毫米，不導磁材料制成。圓柱型缸筒10外有兩根繞有勵磁線圈的導磁圓柱2，繞有勵磁線圈的導磁圓柱2有效長度300毫米，直徑70毫米。兩根繞有勵磁線圈的導磁圓柱2安裝在缸筒10的兩側；缸筒10和兩根繞有勵磁線圈的導磁圓柱2固定在上、下導磁端蓋1、3之間。上、下導磁端蓋1、3中間有不導磁的軸6，不導磁的軸6直徑150毫米，長度450毫米，不導磁材料制成。不導磁的軸6與上端導磁端蓋3之間有滾動軸承4、密封圈5和壓板7；不導磁的軸6與另一端導磁端蓋1之間有滾動軸承。不導磁的軸6上固定有導磁徑向直葉片8。葉片8的數目可以是6片。葉片8厚度10毫米導磁材料制成。勵磁線圈11在繞有勵磁線圈的導磁圓柱2上纏繞的匝數分別為600匝。導線直徑0.8毫米。缸筒10與上下導磁端蓋1、3配合形成了一個密閉的圓柱形腔體。固定在軸6上的葉片8位置在圓柱型缸筒10腔體中，葉片8的形狀是直板式。參閱附圖2。葉片8的側端面和上下端面分別與缸筒10和上、下導磁端蓋1、3之間的間隙各為7毫米。密閉的圓柱形腔體內充滿磁流變體9。
本發明軸6與石油鉆機的滾筒軸相連接；將兩根繞有勵磁線圈的導磁圓柱2上的勵磁線圈11端頭分別相應地接在同一個輸出電流可調的穩流的直流電源正、負極上。通電流后，兩根繞有勵磁線圈的導磁圓柱2所產生的磁場方向關于軸6對稱，并且磁場強度相同，從而在上導磁端蓋3和下導磁端蓋1之間形成一個比較均勻的磁場。葉片8受到剪切屈服應力，同時石油鉆機絞車的剎車軸獲得較大的制動力矩。然后通過調節電源的輸出電流，就能改變磁場強度的大小，從而改變制動力矩的大小。
實施例2實施例2與實施例1基本相同，不同點是繞有勵磁線圈的導磁圓柱2的數量為4個，繞有勵磁線圈的導磁圓柱2均布安裝在缸筒10的外側。繞有勵磁線圈的導磁圓柱2上的勵磁線圈11匝數分別為350匝。參閱附圖3。葉片8的數目可以是4片。葉片8的形狀是空槽式，葉片8上有兩個對稱的矩形孔12。葉片8的側端面和上下端面分別與缸筒10和上、下導磁端蓋1、3之間的間隙各為3毫米。
實施例3實施例2與實施例1基本相同，不同點是繞有勵磁線圈的導磁圓柱2的數量為6個，繞有勵磁線圈的導磁圓柱2均布安裝在缸筒10的外側。繞有勵磁線圈的導磁圓柱2上的勵磁線圈11匝數分別為750匝。參閱附圖4。葉片8的數目可以是2片。葉片8的形狀是開口式，在葉片8的兩邊有帶錐孔的圓筒13。葉片8的側端面和上下端面分別與缸筒10和上、下導磁端蓋1、3之間的間隙各為6毫米。
權利要求
1.一種磁流變體石油鉆機輔助剎車裝置，由上、下導磁端蓋(1、3)、圓柱型缸筒(10)、導磁圓柱(2)、不導磁的軸(6)和葉片(8)組成，其特征是上、下導磁端蓋(1、3)之間固定有非導磁材料制成的圓柱型缸筒(10)，圓柱型缸筒(10)外有導磁圓柱(2)，導磁圓柱(2)安裝在缸筒(10)的外側；上、下導磁端蓋(1、3)中間有不導磁的軸(6)，不導磁的軸(6)上固定有厚度為10-60毫米的導磁徑向直葉片(8)，缸筒(10)和兩根繞有勵磁線圈(11)的導磁圓柱(2)固定在上、下導磁端蓋(1、3)之間，缸筒(10)與上、下導磁端蓋(1、3)配合形成了一個密閉的圓柱形腔體，安裝在軸(6)上的葉片(8)位置在圓柱型缸筒(10)腔體中，葉片(8)的側端面和上下端面分別與缸筒(10)和上、下導磁端蓋(1、3)之間的間隙為2-30毫米，密閉的圓柱形腔體內充滿磁流變體(9)。
2.根據權利要求1所述的磁流變體石油鉆機輔助剎車裝置，其特征是不導磁的軸(6)與導磁端蓋(1、3)之間可以有滾動軸承(4)、密封圈(5)和壓板(7)。
3.根據權利要求1所述的磁流變體石油鉆機輔助剎車裝置，其特征是不導磁的軸(6)與一端導磁端蓋(3)之間可以有滾動軸承(4)、密封圈(5)和壓板(7)；不導磁的軸(6)與另一端導磁端蓋(1)之間可以有滾動軸承。
4.根據權利要求1所述的磁流變體石油鉆機輔助剎車裝置，其特征是上、下導磁端蓋(1、3)之間的距離在200-1000毫米之間。圓柱型缸筒(10)內徑在300-1500毫米之間，兩根繞有勵磁線圈(11)的導磁圓柱(2)的直徑在10-300毫米之間；在導磁圓柱(2)上的勵磁線圈(11)匝數在200-1000匝之間。
5.根據權利要求1或2或3或4所述的磁流變體石油鉆機輔助剎車裝置，其特征是所述的葉片(8)的形狀是直板式。
6.根據權利要求1或2或3或4所述的磁流變體石油鉆機輔助剎車裝置，其特征是所述的葉片(8)的形狀是空槽式，葉片(8)上有矩形孔(12)。
7.根據權利要求1或2或3或4所述的磁流變體石油鉆機輔助剎車裝置，其特征是所述的葉片(8)的形狀是開口式，在葉片(8)的兩邊加上帶錐孔的圓筒(13)。
8.根據權利要求1或2或3或4所述的磁流變體石油鉆機輔助剎車裝置，其特征是所述的葉片(8)的數目是2-12片。
9.根據權利要求1或2或3或4所述的磁流變體石油鉆機輔助剎車裝置，其特征是所述的導磁圓柱(2)的數量2-5根。
全文摘要
一種磁流變體石油鉆機輔助剎車裝置。特征是上下導磁端蓋之間固定有非導磁材料制成的圓柱型缸筒，圓柱型缸筒外有兩根導磁圓柱；上下導磁端蓋中間有不導磁軸，軸上固定有導磁葉片，缸筒和兩根繞有勵磁線圈的導磁圓柱固定在上下導磁端蓋之間，缸筒與上下端蓋配合形成了一個密閉的圓柱形腔體。葉片的位置在圓柱型缸筒腔體中，葉片側端面和上下端面分別與缸筒和上下導磁端蓋之間有間隙。密閉腔體內充滿磁流變體。效果是在鉆機絞車任何轉速下都能提供較大的制動力矩，克服了目前輔助剎車低速性能差的缺點；并且能通過改變通過勵磁線圈的電流強度，實現制動力矩的無級可調，響應速度快，制造成本低，使用壽命長。
文檔編號F16D57/00GK1945047SQ200610113990
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月24日 優先權日2006年10月24日
發明者王德國, 楊漢立 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油大學(北京)