姜金鳳 李蒙

摘 ?要：近年來，石油開采技術(shù)迅猛發(fā)展，與此相對應(yīng)的是諸多石油開采設(shè)備的不斷發(fā)展。石油鉆采設(shè)備作為石油開采設(shè)備的一項(xiàng)重要技術(shù)近年來得到了長足發(fā)展。石油鉆采設(shè)備中最為重要的部分就是剎車系統(tǒng)部分，該部分技術(shù)的優(yōu)越性和先進(jìn)性在很大程度上決定其最終的使用效率及安全度。因此，本文對于當(dāng)前市面上石油鉆機(jī)廣泛應(yīng)用的剎車安全保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行逐一分析。特別是其中的剎車信號部分及與其相對應(yīng)的氣控信號部分等。石油鉆機(jī)剎車安全保護(hù)系統(tǒng)是否能夠在保持足夠安全度的同時(shí)，滿足人性化設(shè)計(jì)需求，同時(shí)兼具智能、自動(dòng)化的特征，將會對整個(gè)石油鉆機(jī)設(shè)備最終的使用效果產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響?；谝陨显O(shè)計(jì)理念，本文以此為核心展開探討，提出相應(yīng)的安全保護(hù)系統(tǒng)改進(jìn)措施，以此來使得不同石油鉆機(jī)系統(tǒng)都能夠獲得相應(yīng)的優(yōu)化路徑。進(jìn)一步推動(dòng)了石油開采行業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：石油鉆機(jī);剎車安全保護(hù)系統(tǒng);設(shè)計(jì)與應(yīng)用;氣控

中圖分類號：TE922???文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A????文章編號：2096-6903（2019）05-0000-00

0 引言

石油鉆機(jī)設(shè)備在其發(fā)展過程中，已經(jīng)擁有了包含：斷氣、斷電保護(hù)功能及過卷、重錘、電子等防碰措施在內(nèi)的高效的安全保護(hù)系統(tǒng)。石油鉆機(jī)系統(tǒng)之所以能夠獲得有效的運(yùn)行，在本質(zhì)上也與以上措施之間在保護(hù)邏輯上的全面性有著密不可分的聯(lián)系。這種內(nèi)在聯(lián)系，也能夠?qū)崿F(xiàn)對于液壓盤剎車系統(tǒng)的高度控制。因此，最終整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)才會獲得逐步提升。在此背景下，在滿足現(xiàn)有石油鉆機(jī)現(xiàn)場使用狀況下，探究一種更深度的且能夠統(tǒng)籌其內(nèi)在保護(hù)邏輯的方案，會對其最終安全使用水平的提升產(chǎn)生不容小覷的深遠(yuǎn)影響。

1 石油鉆機(jī)剎車安全保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

當(dāng)前的石油鉆機(jī)，擁有多種不同形式的驅(qū)動(dòng)方法，對于不同的石油鉆機(jī)，其控制操作單元所采用的控制形式也不同。一般來講，主要有氣控閥控制形式與電磁閥控制形式兩種。此外在其執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，盤剎系統(tǒng)擁有多種類型的手柄，如機(jī)械類手柄、電子類手柄等。因此，不管是在設(shè)計(jì)全新的石油鉆機(jī)，還是對舊有的石油鉆機(jī)進(jìn)行改造，首先要對其剎車安全保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行針對性的重新設(shè)計(jì)，使其獲得相應(yīng)的、源源不斷的使用動(dòng)力。本文在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)這一目標(biāo)為中心，提出一種兼具安全性和可靠性，同時(shí)還具有高度智能化水平的石油鉆機(jī)剎車安全保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

石油鉆機(jī)的剎車安全保護(hù)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，其外圍多個(gè)氣控信號均具有重要作用。以上信號既包括斷電斷氣保護(hù)的內(nèi)容，同時(shí)還包括防碰重大壓力的錘擊、防碰電子等內(nèi)容。該系統(tǒng)通過對以上多個(gè)氣控信號的統(tǒng)一控制，來實(shí)現(xiàn)其盤剎控制目的。在該控制過程中，還需要用到多個(gè)梭閥工具，只有將不同信號合并成一路，才能夠?qū)崿F(xiàn)最終的控制目的。

由圖1可知：當(dāng)以上信號集結(jié)為一路時(shí)不僅能實(shí)現(xiàn)控制盤的剎車動(dòng)作還可以將剎車信號傳送到PLC中作為反饋信息。該過程的實(shí)現(xiàn)是通過機(jī)械式開關(guān)完成的。圖1當(dāng)中A部分，是作為氣控信號形式存在的。當(dāng)盤剎系統(tǒng)突然發(fā)生駐車現(xiàn)象或急剎車現(xiàn)象時(shí)，氣控信號就會借助二位三通氣控閥門，及時(shí)地向PLC傳輸相應(yīng)的剎車信息。當(dāng)盤剎部分所使用的手柄類型為機(jī)械性或電子性時(shí)，這種形式尤為適用。

圖1中的B部分是整個(gè)系統(tǒng)中的電控信號部分，其作用主要體現(xiàn)在：當(dāng)整個(gè)盤剎系統(tǒng)處于緊急剎車狀態(tài)時(shí)，會產(chǎn)生相應(yīng)的剎車信號，并以電信號的形式直接傳達(dá)給PLC模塊。當(dāng)盤剎系統(tǒng)的手柄部分所用形式是電子類型的時(shí)候，其作用更為明顯。

圖1中的C部分在信號形式上與前兩種存在一定差異—其信號形式為液壓型。當(dāng)盤剎系統(tǒng)突然發(fā)生急剎車等現(xiàn)象時(shí)，這一部分的作用會隨之凸顯出來。其發(fā)生作用的形式是借助于工作鉗及安全鉗來將原有的以液壓形式呈現(xiàn)的信號，轉(zhuǎn)化為以電的形式呈現(xiàn)的信號從而使得PLC模塊能夠收到相應(yīng)信息，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的有效控制。當(dāng)盤剎系統(tǒng)所使用的手柄類型為機(jī)械型或是電子型時(shí)，這一形式的重要性會被凸顯出來。

以上三種形式可以滿足當(dāng)前各種不同配置的石油鉆機(jī)系統(tǒng)。在不同類型的石油鉆機(jī)使用及設(shè)計(jì)過程中，開發(fā)者和使用者可以從自身使用需求出發(fā)，對石油鉆機(jī)的安全剎車保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行量身定做。在重新設(shè)計(jì)過程中，既可以使用其中的某一類控制信號模式，也可以采用兩種及以上信號的組合控制模式因此整個(gè)石油鉆機(jī)的剎車系統(tǒng)變得更為靈活，同時(shí)進(jìn)一步提高了鉆機(jī)運(yùn)行的安全度。當(dāng)設(shè)計(jì)者立足于不同鉆機(jī)的具體使用途徑，對其進(jìn)行針對化的設(shè)計(jì)并采用與之相對應(yīng)的信號控制模式時(shí)，其最終設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)才能夠真正在各類石油開采工程中，得到更為有效的應(yīng)用。

2 石油鉆機(jī)剎車安全保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用分析

以圖1所示的主要內(nèi)容為出發(fā)點(diǎn)，探究石油鉆機(jī)剎車安全保護(hù)系統(tǒng)在實(shí)際當(dāng)中的應(yīng)用方式。

2.1 斷電保護(hù)的實(shí)現(xiàn)

斷電保護(hù)的實(shí)現(xiàn)。這一保護(hù)的實(shí)現(xiàn)，依賴于PLC模塊所輸出的相關(guān)信號，這一信號類型通常被稱之為盤剎安全鉗控制信號。該信號通過對兩位三通電磁閥進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)最終的斷電保護(hù)目的。在實(shí)際操作過程中，如果系統(tǒng)處于正常情況，PLC模塊所輸出的是高電平信號，此時(shí)電磁閥雖然依然保持在通電狀態(tài)之下，但是其同時(shí)也處于關(guān)閉狀態(tài)下。如系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入斷電狀態(tài)或是存在某種故障時(shí)，電磁閥就會出現(xiàn)相應(yīng)的失電現(xiàn)象。此時(shí)，通過相應(yīng)的信號傳輸，剎車保護(hù)機(jī)制被及時(shí)啟動(dòng)。

2.2 斷氣保護(hù)機(jī)制的運(yùn)行原理

斷氣保護(hù)機(jī)制之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，其與處于盤剎系統(tǒng)當(dāng)中的斷氣剎車機(jī)制有著密不可分的聯(lián)系。在開關(guān)正常時(shí)，如果過卷防碰與重錘防碰兩個(gè)防碰設(shè)置處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，就會使得剎車信號同樣也處在關(guān)閉狀態(tài)。除此之外，當(dāng)游車所處的位置高度超過一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，以上這兩個(gè)設(shè)置的開關(guān)也會隨之打開。因此剎車保護(hù)系統(tǒng)就能夠受到來自氣信號的指引獲得相應(yīng)的啟動(dòng)。

對于電子防碰這一外圍設(shè)施，在其采集信號時(shí)，通常要借助于編碼器來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)PLC模塊經(jīng)過計(jì)算得出相應(yīng)的游車所處位置高度后，與設(shè)計(jì)參數(shù)值相比較，從而決定其是否輸出相應(yīng)的控制信號，來啟動(dòng)剎車機(jī)制。

2.3 液壓盤剎系統(tǒng)

液壓盤剎系統(tǒng)在工作時(shí)往往需要借助相應(yīng)的操作手柄來實(shí)現(xiàn)其控制目的。首先，通過工作鉗所產(chǎn)生的對于制動(dòng)盤的壓力大小，來為主動(dòng)機(jī)輸出相應(yīng)的剎車力矩信號。因此，不管石油鉆機(jī)所處的工作狀況如何，其都能夠獲得充足的動(dòng)力。當(dāng)石油鉆機(jī)處在制動(dòng)狀態(tài)下時(shí)，只有工作鉗會處于隨時(shí)待命的預(yù)備剎車狀態(tài)中。因此，在突發(fā)情況發(fā)生之時(shí)，操作人員必須及時(shí)地按壓緊急制動(dòng)按鈕，以此來為接下來的剎車目的做準(zhǔn)備。當(dāng)按下這一按鈕之后，系統(tǒng)當(dāng)中不管是安全鉗還是工作鉗都能夠及時(shí)地被啟動(dòng)，從而為實(shí)現(xiàn)最終的剎車目的做準(zhǔn)備。

如圖1所示諸多氣控信號之間相互連接，不管是斷氣斷電保護(hù)系統(tǒng)，還是諸如過卷以及重錘防碰等系統(tǒng)，它們在工作過程中借助的連接工具通常包含兩種。其一是氣管線，其二是梭閥。當(dāng)這兩類工具將上述信號連接成一路之后，就能夠形成一個(gè)系統(tǒng)性的盤剎控制氣信號。如果要在其中增加一個(gè)額外的氣信號控制部分，也必須借助于增加梭閥以及氣管線等工具來實(shí)現(xiàn)這一目的。因此當(dāng)盤剎系統(tǒng)獲得啟動(dòng)時(shí)，其就能夠借助于機(jī)械壓力的途徑，將其所要傳達(dá)的信號輸送到PLC模塊中。

2.4 PLC模塊的作用

PLC模塊處在石油鉆機(jī)的司鉆房內(nèi)部。實(shí)現(xiàn)這一模塊與電控房中的CPU進(jìn)行即時(shí)通信目的，需要借助于相應(yīng)的通信模塊。當(dāng)兩者之間的連接被建立之后，CPU模塊能夠?qū)LC模塊當(dāng)中的相應(yīng)數(shù)值進(jìn)行即時(shí)讀取。當(dāng)盤剎系統(tǒng)所采用的信號控制模式為氣控類型時(shí)，其往往需要在其氣路當(dāng)中進(jìn)行一個(gè)三通的接入。與此同時(shí)，還要保留一路氣路以便用于和控制口之間的相互連接。當(dāng)其中的兩位三通氣控?fù)Q向閥同時(shí)存在多個(gè)接口時(shí)。在其P口可以令其接入相應(yīng)的氣源部分。而在其A口則可以接入梭閥這一部分。對于梭閥當(dāng)中存在的出氣口這一部分，也必須令其及時(shí)地接入處在外圍地區(qū)的三通。

在電控信號使用過程中，需要盤剎控制系統(tǒng)進(jìn)行如下操作。首先，從其本身預(yù)留的急停接點(diǎn)信號當(dāng)中及時(shí)地進(jìn)行相應(yīng)的電信號輸出。其次，再將這些信號輸入到PLC模塊當(dāng)中。

如其使用的是液壓信號，則必須在盤剎系統(tǒng)左右兩大部分的工作鉗當(dāng)中采用相應(yīng)的方式，借助于液壓線管來接入相應(yīng)的三通部分。此外在三通部分下屬的接口當(dāng)中，還要再接上一個(gè)壓力變送器。此時(shí)如果能夠?qū)⑦@一變送器當(dāng)中的內(nèi)容及時(shí)地切換成電信號形式，再將其迅速地接入原先有PLC模塊當(dāng)中，則能夠取得事半功倍的剎車控制效果。

當(dāng)前從各類石油鉆機(jī)的配置情況來看，以上這些不同的信號控制形式，都有其自身的優(yōu)勢和缺點(diǎn)，但只要設(shè)計(jì)方能夠按照自身的石油鉆機(jī)的不同用途，來對其進(jìn)行精細(xì)化的控制模式的配置，就能夠在最終其投入使用的過程當(dāng)中，令其取得事半功倍的控制效果，使得安全性、智能性等特征都能夠得以發(fā)揮到極致。

3 不同類型剎把的保護(hù)功能和報(bào)警功能分析

眾所周知，盤式剎車當(dāng)中往往會用到不同類型的剎車把手，其主要包括以下兩大類型：其一是機(jī)械型，其二是電控型。這兩種類型的剎車把手的使用均有不同特征在其最重要的兩大功能—保護(hù)功能及報(bào)警功能方面，該兩者同時(shí)存在差異。

3.1機(jī)械剎車把手的保護(hù)功能和報(bào)警功能分析

（1）過卷保護(hù)功能分析。石油鉆機(jī)在實(shí)踐操作過程中需要進(jìn)行很多重物的提升。因此，在操作過程當(dāng)中，如果發(fā)生了將某個(gè)重物提升到一定位置上之后，由于操作不當(dāng)?shù)仍蚨鵁o法實(shí)現(xiàn)原有制動(dòng)目的時(shí)，其過卷保護(hù)系統(tǒng)就會相應(yīng)的得到啟動(dòng)。當(dāng)這一系統(tǒng)啟動(dòng)之后，盤剎系統(tǒng)也能夠接收到相應(yīng)的信號，因而啟動(dòng)緊急機(jī)制來處理這一問題。

（2）失氣保護(hù)功能分析。石油鉆機(jī)在工作過程中，往往需要借助一定的能源來進(jìn)行發(fā)力，此時(shí)必須設(shè)計(jì)一個(gè)相應(yīng)的供氣源。如果這一供氣源在進(jìn)行操作的過程中，無法發(fā)揮其原有作用，例如出現(xiàn)了突然失氣現(xiàn)象，那么這一系統(tǒng)也會及時(shí)地進(jìn)行自我保護(hù)并采取緊急制動(dòng)措施。

（3）失電報(bào)警功能分析。石油鉆機(jī)所具備的盤剎系統(tǒng)本身需要獲得相應(yīng)的電源供給才能啟動(dòng)相應(yīng)的工作機(jī)制。當(dāng)這一供電失靈時(shí)，尤其是當(dāng)發(fā)生失電現(xiàn)象時(shí)，這一系統(tǒng)就會啟動(dòng)自動(dòng)化報(bào)警機(jī)制，使得整個(gè)系統(tǒng)能夠啟動(dòng)應(yīng)急機(jī)制。

（4）低壓報(bào)警保護(hù)功能分析。在盤剎系統(tǒng)工作過程當(dāng)中，遇見相應(yīng)的系統(tǒng)壓力降低等問題時(shí)，如果降低的水平達(dá)到了某一原先設(shè)置的邊界范疇時(shí)，系統(tǒng)也會發(fā)出一定的報(bào)警信號，此時(shí)，整個(gè)盤剎系統(tǒng)就會啟動(dòng)其設(shè)定的剎車機(jī)制，以此來進(jìn)行自我保護(hù)。

（5）停機(jī)之后進(jìn)行短時(shí)操作的功能分析。在各類石油鉆機(jī)設(shè)備當(dāng)中，往往都會具備蓄能器部分。這一部分在工作時(shí)，通常能夠?yàn)橛捅锰峁┫鄳?yīng)的能量。但是由于某些原因，當(dāng)這一能源供應(yīng)出現(xiàn)不足狀況時(shí)，系統(tǒng)由于具備短時(shí)操作功能，因而能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)短時(shí)期內(nèi)的鉆具操作提供相應(yīng)的動(dòng)力支持。

3.2電控型剎車把手的保護(hù)功能和報(bào)警功能分析

（1）失電保護(hù)功能分析。電控類型的剎車把手，能夠在整個(gè)系統(tǒng)失去相應(yīng)的電源供應(yīng)時(shí)，為其提供緊急功能，以此來實(shí)現(xiàn)最終的保護(hù)效果。

（2）除此之外，電控類型的剎車把手系統(tǒng)，也具備與機(jī)械類型的系統(tǒng)相一致的過卷、失氣保護(hù)功能。此外，在系統(tǒng)處于低壓狀態(tài)時(shí)，其也會啟動(dòng)自身的報(bào)警機(jī)制。當(dāng)油箱中的液位較低時(shí)或是其檢測到整個(gè)系統(tǒng)的油溫過高時(shí)，其同樣也會啟動(dòng)相應(yīng)的報(bào)警機(jī)制，來對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)的保護(hù)。

4盤剎系統(tǒng)使用時(shí)的注意問題及分析

4.1盤式剎車啟動(dòng)問題

在正式啟動(dòng)剎車機(jī)制之前，必須確保剎車手把、緊急制動(dòng)按鈕、駐車時(shí)的相應(yīng)制動(dòng)手柄開關(guān)都還原到其原來的位置。。

4.2剎車解鎖問題分析

當(dāng)盤式剎車的工作狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，例如，當(dāng)其從原來的緊急狀態(tài)切換到工作正常狀態(tài)時(shí)，必須對其制動(dòng)手柄的位置進(jìn)行調(diào)整。只有在此前提下，才能夠承擔(dān)相應(yīng)的負(fù)荷水平。其次，還需要使得這一緊急制動(dòng)按鈕或是相應(yīng)的手柄所配置的開關(guān)得到釋放。最后，可以通過靈活的對于手柄力度的調(diào)控，來實(shí)現(xiàn)對于剎車力矩大小的有效控制。

4.3制動(dòng)功能及其操作分析

一般來說，盤式剎車系統(tǒng)都會擁有三個(gè)相應(yīng)的操作手柄。而這些手柄也會擁有其相應(yīng)的三種功能。因此，在操作過程當(dāng)中必須明確這三種手柄的作用，避免操作過程當(dāng)中的功能失誤。比如，在進(jìn)行送鉆工作的時(shí)候，必須借助于工作制動(dòng)手柄來進(jìn)行及時(shí)操作，而不能采用其他的手柄。

4.4采取盤式剎車和輔助剎車相互配合的方式

由于剎車系統(tǒng)在石油鉆機(jī)使用過程中扮演重要角色，因此，其具備相應(yīng)的冗余安全設(shè)計(jì)。為滿足以上設(shè)計(jì)就必須配備相應(yīng)的輔助剎車設(shè)計(jì)，并以此來使其最終的工作效率和安全性能得以大大提升。

4.5懸持負(fù)荷

眾所周知，在盤式剎車系統(tǒng)當(dāng)中通常配備駐車制動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是為了使司鉆能夠在短時(shí)間內(nèi)停止絞車工作，令其能夠獲得在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)懸持載荷的目的。但是在使用這一功能時(shí)，應(yīng)當(dāng)避免令其長期內(nèi)保持制動(dòng)。特別是在司機(jī)已經(jīng)離開原來的司機(jī)位置的時(shí)候，更加應(yīng)當(dāng)避免這一現(xiàn)象的出現(xiàn)。

5 結(jié)語

近年來，隨著石油開采事業(yè)的蓬勃發(fā)展，石油鉆機(jī)這一設(shè)備得到了前所未有的開發(fā)和應(yīng)用。石油鉆機(jī)系統(tǒng)中的剎車安全系統(tǒng)保護(hù)部分，其重要性更是不言而喻。但是就當(dāng)前的剎車安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程來看，依然存在著諸多漏洞。因此，本文分析了一種可以在實(shí)踐當(dāng)中被廣泛運(yùn)用的剎車安全保護(hù)系統(tǒng)模型，并提供了與之相對應(yīng)的控制措施。提出了這一剎車安全系統(tǒng)在使用過程中所需要注意的要點(diǎn)。以此為基礎(chǔ)，推動(dòng)我國石油鉆機(jī)整體性能的優(yōu)化，使其在核心剎車安全方面獲得更為優(yōu)良的設(shè)計(jì)，從而獲得整體上的使用水平和安全度的提升。在智能性方面，滿足于當(dāng)下對于石油鉆機(jī)的發(fā)展要求，從而推動(dòng)我國石油開采事業(yè)的日益繁榮。

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收稿日期：2019-05-18

作者簡介：姜金鳳（1985—），女，山東東營人，本科，工程師，研究方向：電氣自動(dòng)化;李蒙（1984—），男，山東東營人，碩士研究生，工程師，研究方向：電氣自動(dòng)化。

Design and Application of Oil Rig Brake Safety Protection System

JIANG Jin-feng，LI Meng

（1.Shandong Kerui Machinery Manufacturing Co.， Ltd.，Shandong ?Dongying ?257091;2.Shandong Xinhui Construction Group Co.， Ltd.，Shandong ?Dongying ?257091）

Abstract：In recent years， oil extraction technology has developed rapidly， and this is in line with the continuous development of many oil exploration equipment. As an important technology of oil extraction equipment， oil drilling equipment has been developed in recent years. The most important part of the oil drilling equipment is the brake system part. The superiority and advancement of this part of the technology largely determine its ultimate efficiency and safety. Therefore， this paper analyzes the brake safety protection system widely used in oil rigs on the market. In particular， the brake signal portion and the corresponding air control signal portion thereof. Whether the oil rig brake safety protection system can meet the humanized design requirements while maintaining sufficient safety， and at the same time has the characteristics of intelligence and automation， which will have a profound impact on the final use effect of the entire oil rig equipment. Based on the above design concepts， this paper explores this as the core and proposes corresponding safety protection system improvement measures， so that different oil rig systems can obtain corresponding optimization paths. Further promoted the development of the oil exploration industry.

Key words：Oil rig;Brake safety protection system;Design and application;Air control