专利名称：磁流变体石油钻机辅助刹车装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种石油钻机辅助刹车装置，尤其是一种应用磁流变体技术的石油钻机辅助刹车装置。
背景技术：
目前，公知公用的石油钻机辅助刹车装置有水刹车，电磁涡流刹车，多盘式刹车，伊顿气控刹车四种。
水刹车是石油钻机经常采用的一种辅助刹车，其制动扭矩与转速的二次方成正比，因此在低速运转时制动扭矩非常低，不能满足深井下钻的需要。
电磁涡流刹车，如中国专利公告号2079386，提供了一种新型电磁涡流刹车装置。由电动机、变压器、整流器、定子、定子线圈、转子轴、冷却水腔及循环水冷装置等组成，其主要特征是它的定子可由电机经蜗杆蜗轮驱动相对于转子转动，以使刹车转子停转后仍能保持一定的制动力矩，在钻柱悬停和不启动钻机主发动机的情况下，低速起吊一定重量，用于石油钻机铰车辅助刹车，可提高处理事故的能力。虽然电磁涡流刹车在中高转速段具有大的接近不变的制动扭矩，但在一小部分低转速下，制动转矩随着转速的变小而急剧变小。
多盘式刹车，如中国专利公告号2470525，提供了一种钻机盘式刹车装置，包括有换向阀、油泵、闭式钳、开式钳，油泵通过换向阀与闭式钳连接，换向阀2与换向阀4的控制口连接，换向阀1与换向阀3的控制口连接，可随时、自动的对因刹车块磨损而产生的间隙进行调节，可在减少刹车钳数量的情况下满足紧急刹车对刹车力的要求，同时还满足了维修时仅使用闭式钳的要求。又如中国专利公告号2390857，提供了一种液控盘式刹车装置。主要由刹车钳、钳架和刹车盘组成，刹车盘与主机绞车滚筒固连，刹车钳与绞车底座上的钳架固连，刹车钳包括工作钳和安全钳，刹车钳的刹车片设置在盘外圆的两侧，和杠杆一端铰接的钳体固连，钳体固连的支杆经销轴与杠杆槽孔呈滑配合，杠杆另一端经销轴分别与活塞，油缸相连，弹簧两端分别与活塞杆及油缸相连。多盘式刹车依靠摩擦衬片与金属盘的摩擦产生制动力矩，摩擦衬片容易损坏，需经常更换。
伊顿气控辅助刹车是利用压缩空气的压力达到刹车目的，但需要对压缩空气进行严格的处理。
另外在制动技术领域，有磁流变液制动器。如中国专利，授权公告号CN 1231686C，公开了一种结构可变的旋转式磁流变液制动器，包括轴承端盖、密封盖、导磁内筒、电磁线圈、导磁外筒、转轴、定位键、轴承、磁流变液、两个转盘、密封材料，其特征在于导磁内筒和导磁外筒均是由导磁材料制成的圆筒体，导磁内筒具有圆盘形的分隔结构，该结构中心开有供转轴运行的圆孔，转轴穿过导磁内筒后，通过定位键与两个转盘相接；电磁线圈附在导磁外筒壳体内，其导线引出导磁外筒外，将电磁线圈与导磁外筒一起套在导磁内筒上，左端的密封盖通过螺栓与导磁内筒左端连接，轴承压紧密封材料，左端的轴承端盖连接于左端的密封盖上，在导磁内筒内注满磁流变液，同理，轴承压紧密封材料，右端的轴承端盖连接于右端的密封盖上。
这是一种盘式磁流变液制动器(国外已有)，是一种剪切模式的制动器。其结构是两个转盘在导磁内筒转动，靠圆盘的面剪切磁流体，两盘之间必须保持非常近的距离，否则不起作用。其制动的原理是利用了在磁场下，定子与转子(转盘)之间磁流体剪切强度发生变化产生制动扭矩。因此这种制动器的缺点是第一，转子(转盘)的圆周面不会产生制动力矩；第二，转子(转盘)与定子之间的距离过大时制动力矩会很小，当转盘很大时，机械制造难以保证转子与定子的之间距离的均匀性，最佳距离一般是0.5-3毫米；第三，由于其容纳的磁流变液的量较少，热容量小，温度上升快，磁流变液的剪切性能会大幅度下降，会导致制动力矩大幅度下降，制动力矩不足，难以应用于象石油钻机这样要求大制动力的场合；第四电磁线圈套在导磁内筒上产生的热量不容易散发出；第五，线圈烧毁后，会失去制动力矩，安全性差。
发明内容
本发明的目的是针对现有石油钻机辅助刹车装置技术存在的问题，提供一种磁流变体石油钻机辅助刹车装置，利用该装置能完成石油钻机辅助刹车，并且该装置具有在钻机绞车任何转速下都能获得满足深井下钻的需要的制动力矩，并且可以实现石油钻机辅助刹车制动力矩无级可调，反应速度快。磁流变体石油钻机辅助刹车装置依靠叶片搅拌磁流变液产生制动力矩，没有磨损件，使用寿命长，性能安全可靠。同时克服旋转式磁流变液制动器采用2个转盘结构，转盘转子只有径向面产生制动力矩的不足，而且克服其要求制造精度高、温度上升快、不易散发热量、安全性差的缺点。
本发明采用的技术原理是本发明提供的应用磁流变体技术的石油钻机辅助刹车装置采用了磁流变体材料，通过轴带动叶片旋转，搅拌在磁场作用下的磁流变体从而产生较大的制动力矩。与旋转式磁流变液制动器相比，其结构明显不同，采用了叶片结构，可不用苛求叶片与四周的距离。其制动原理是在磁场下磁流变的粘度会变得很高，叶片四周，包括叶片的径向和轴向的边，都会产生剪切阻力，同时由于磁流变的粘度会变得很高，叶片迎着磁流变液的面也会产生较大的阻力，是一种搅拌的原理。该种结构磁流变液充液量大，热容量大、容易实施冷却，适合于大功率制动的场合。采用导磁柱放在缸筒外侧的结构，线圈容易散热；而且导磁柱也可多根，线圈缠绕量大，线圈可分别缠绕在导磁柱上，即使一根线圈烧毁，其余线圈仍然发挥作用，增大了该刹车的安全可靠性，不会因一根线圈的烧毁造成整个制动刹车失灵。
本发明提供的磁流变体石油钻机辅助刹车装置具体结构包括有上、下导磁端盖，上、下导磁端盖之间固定有非导磁材料制成的圆柱型缸筒，圆柱型缸筒外有导磁圆柱，导磁圆柱安装在缸筒的外侧；上、下导磁端盖中间有不导磁的轴，不导磁的轴上固定有厚度为10-60毫米的导磁径向直叶片，缸筒和两根绕有励磁线圈的导磁圆柱固定在上、下导磁端盖之间，缸筒与上、下导磁端盖配合形成了一个密闭的圆柱形腔体。安装在轴上的叶片位置在圆柱型缸筒腔体中，叶片的侧端面和上下端面分别与缸筒和上、下导磁端盖之间的间隙为2-30毫米。密闭的圆柱形腔体内充满磁流变体。
不导磁的轴与导磁端盖之间可以有滚动轴承、密封圈和压板。
不导磁的轴与一端导磁端盖之间有滚动轴承、密封圈和压板；不导磁的轴与另一端导磁端盖之间有滚动轴承。
上、下导磁端盖之间的距离可以在200-1000毫米之间。圆柱型缸筒内径在300-1500毫米之间。两根绕有励磁线圈的导磁圆柱的直径在10-300毫米之间；在导磁圆柱上的励磁线圈匝数在200-1000匝之间。
所述的叶片的形状可以有直板式，空槽式，开口式；还可以在开口式叶片的两边有锥孔的圆筒。
直板式叶片的形状为矩形；空槽式叶片是在直板式叶片的基础上对称开有几个狭长的矩形槽；开口式叶片是在直板式叶片的基础上对称开两个圆孔，两个圆孔上可以安装带锥孔的圆筒。
所述的导磁圆柱的数量2-5根，叶片的数目是2-12片。
磁流变体石油钻机辅助刹车装置应用了磁流变体材料，通过轴带动叶片旋转，搅拌在磁场作用下的磁流变体从而产生较大的制动力矩。由于缸筒不导磁，故该装置在励磁线圈的作用下，在上、下导磁端盖之间产生了一个均匀的磁场方向垂直于导磁端盖的轴向磁场。腔内的磁流变体在磁场的作用下发生磁流变效应。轴转动时，被置于腔内的叶片旋转，搅拌腔内的磁流变体，使得腔内的磁流变体发生剪切，而磁流变体的剪切屈服应力就会对轴的旋转形成较大的制动力矩。该剪切屈服应力是磁流变体本身的特性，仅与磁流变效应的强弱有关，而与剪切应变率无关，即与轴的转速无关。本发明的轴与石油钻机绞车的刹车轴连接。当需要辅助刹车时，给励磁线圈接通直流电源，两根导磁圆柱所产生磁场，在上下端盖之间形成均匀的磁场，叶片受到剪切屈服应力，同时石油钻机绞车的刹车轴获得较大的制动力矩。磁流变体石油钻机辅助刹车装置形成的较大制动力矩，能起到较好的辅助石油钻机绞车刹车作用。
由于磁流变效应的强弱与磁场强度有关，所以可以通过增强磁场强度来增强磁流变效应，从而增大剪切屈服应力，也就是增大制动力矩，反之则减小制动力矩。而磁场强度的大小可以通过调节励磁线圈的电流的大小来改变。因为磁流变效应的响应时间为毫秒级，则可以实现制动力矩的快速调节。
本发明的突出的有益效果是在钻机绞车任何转速下都能提供较大的制动力矩，克服了以前的辅助刹车低速性能差的缺点。同时，采用本发明的技术方案，能实现在钻机绞车任何转速下制动力矩的无级可调，并且响应速度快，为提高石油钻机的自动化水平准备条件。另外本发明的结构简单，制造成本低廉；不涉及固体间的摩擦，使用寿命长。由于采用了叶片结构，可不用苛求叶片与四周的距离，加工制造简单，叶片四周和叶片迎液面都会产生阻力，制动力矩大。该种结构磁流变液充液量大，热容量大、容易实施冷却。这些都是区别于转盘结构的旋转式磁流变液制动器突出优势之处。由于采用导磁柱放在缸筒外侧的结构，线圈容易散热，而且导磁柱也可多根，线圈缠绕量大，线圈可分别缠绕在导磁柱上，即使一根线圈烧毁，其余线圈仍然发挥作用，增大了该刹车的安全可靠性，不会因一根线圈的烧毁造成整个制动刹车失灵。从而可有效防止顿钻事故发生，这对于高风险的钻井行业尤为重要。这也是区别于旋转式磁流变液制动器转盘结构的优势之处。
本发明的上述石油钻机辅助刹车装置结构有突出的改进，完全符合石油钻机辅助刹车制动力矩大的需要并产生了意想不到有益效果；其结构简单，加工制造成本低，产生了积极、进步的效果。是一项新颖、实用的新设计。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明磁流变体石油钻机辅助刹车装置结构剖面示意图。是实施例1的结构示意图。
图2是本发明磁流变体石油钻机辅助刹车装置的导磁径向直叶片8的结构示意图。
图3是本发明磁流变体石油钻机辅助刹车装置的导磁叶片8的另一种结构示意图。是实施例2的叶片8结构示意图。
图4是本发明磁流变体石油钻机辅助刹车装置的导磁叶片8的另一种结构示意图。是实施例3的叶片8结构示意图。
图中，1.上导磁端盖，2.绕有励磁线圈的导磁圆柱，3.下导磁端盖，4.滚动轴承，5.密封圈，6.轴，7.压板，8.叶片，9.磁流变体，10.缸筒，11.励磁线圈，12.矩形孔，13.带锥孔的圆筒。
具体实施例方式
实施例1参阅附图1。磁流变体石油钻机辅助刹车装置，上、下导磁端盖1、3外径为1000毫米，厚度50毫米，导磁材料制成。上导磁端盖3中间有轴孔。上、下导磁端盖1、3之间固定有非导磁材料制成的圆柱型缸筒10，圆柱型缸筒10内径700毫米，高度300毫米，不导磁材料制成。圆柱型缸筒10外有两根绕有励磁线圈的导磁圆柱2，绕有励磁线圈的导磁圆柱2有效长度300毫米，直径70毫米。两根绕有励磁线圈的导磁圆柱2安装在缸筒10的两侧；缸筒10和两根绕有励磁线圈的导磁圆柱2固定在上、下导磁端盖1、3之间。上、下导磁端盖1、3中间有不导磁的轴6，不导磁的轴6直径150毫米，长度450毫米，不导磁材料制成。不导磁的轴6与上端导磁端盖3之间有滚动轴承4、密封圈5和压板7；不导磁的轴6与另一端导磁端盖1之间有滚动轴承。不导磁的轴6上固定有导磁径向直叶片8。叶片8的数目可以是6片。叶片8厚度10毫米导磁材料制成。励磁线圈11在绕有励磁线圈的导磁圆柱2上缠绕的匝数分别为600匝。导线直径0.8毫米。缸筒10与上下导磁端盖1、3配合形成了一个密闭的圆柱形腔体。固定在轴6上的叶片8位置在圆柱型缸筒10腔体中，叶片8的形状是直板式。参阅附图2。叶片8的侧端面和上下端面分别与缸筒10和上、下导磁端盖1、3之间的间隙各为7毫米。密闭的圆柱形腔体内充满磁流变体9。
本发明轴6与石油钻机的滚筒轴相连接；将两根绕有励磁线圈的导磁圆柱2上的励磁线圈11端头分别相应地接在同一个输出电流可调的稳流的直流电源正、负极上。通电流后，两根绕有励磁线圈的导磁圆柱2所产生的磁场方向关于轴6对称，并且磁场强度相同，从而在上导磁端盖3和下导磁端盖1之间形成一个比较均匀的磁场。叶片8受到剪切屈服应力，同时石油钻机绞车的刹车轴获得较大的制动力矩。然后通过调节电源的输出电流，就能改变磁场强度的大小，从而改变制动力矩的大小。
实施例2实施例2与实施例1基本相同，不同点是绕有励磁线圈的导磁圆柱2的数量为4个，绕有励磁线圈的导磁圆柱2均布安装在缸筒10的外侧。绕有励磁线圈的导磁圆柱2上的励磁线圈11匝数分别为350匝。参阅附图3。叶片8的数目可以是4片。叶片8的形状是空槽式，叶片8上有两个对称的矩形孔12。叶片8的侧端面和上下端面分别与缸筒10和上、下导磁端盖1、3之间的间隙各为3毫米。
实施例3实施例2与实施例1基本相同，不同点是绕有励磁线圈的导磁圆柱2的数量为6个，绕有励磁线圈的导磁圆柱2均布安装在缸筒10的外侧。绕有励磁线圈的导磁圆柱2上的励磁线圈11匝数分别为750匝。参阅附图4。叶片8的数目可以是2片。叶片8的形状是开口式，在叶片8的两边有带锥孔的圆筒13。叶片8的侧端面和上下端面分别与缸筒10和上、下导磁端盖1、3之间的间隙各为6毫米。
权利要求
1.一种磁流变体石油钻机辅助刹车装置，由上、下导磁端盖(1、3)、圆柱型缸筒(10)、导磁圆柱(2)、不导磁的轴(6)和叶片(8)组成，其特征是上、下导磁端盖(1、3)之间固定有非导磁材料制成的圆柱型缸筒(10)，圆柱型缸筒(10)外有导磁圆柱(2)，导磁圆柱(2)安装在缸筒(10)的外侧；上、下导磁端盖(1、3)中间有不导磁的轴(6)，不导磁的轴(6)上固定有厚度为10-60毫米的导磁径向直叶片(8)，缸筒(10)和两根绕有励磁线圈(11)的导磁圆柱(2)固定在上、下导磁端盖(1、3)之间，缸筒(10)与上、下导磁端盖(1、3)配合形成了一个密闭的圆柱形腔体，安装在轴(6)上的叶片(8)位置在圆柱型缸筒(10)腔体中，叶片(8)的侧端面和上下端面分别与缸筒(10)和上、下导磁端盖(1、3)之间的间隙为2-30毫米，密闭的圆柱形腔体内充满磁流变体(9)。
2.根据权利要求1所述的磁流变体石油钻机辅助刹车装置，其特征是不导磁的轴(6)与导磁端盖(1、3)之间可以有滚动轴承(4)、密封圈(5)和压板(7)。
3.根据权利要求1所述的磁流变体石油钻机辅助刹车装置，其特征是不导磁的轴(6)与一端导磁端盖(3)之间可以有滚动轴承(4)、密封圈(5)和压板(7)；不导磁的轴(6)与另一端导磁端盖(1)之间可以有滚动轴承。
4.根据权利要求1所述的磁流变体石油钻机辅助刹车装置，其特征是上、下导磁端盖(1、3)之间的距离在200-1000毫米之间。圆柱型缸筒(10)内径在300-1500毫米之间，两根绕有励磁线圈(11)的导磁圆柱(2)的直径在10-300毫米之间；在导磁圆柱(2)上的励磁线圈(11)匝数在200-1000匝之间。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的磁流变体石油钻机辅助刹车装置，其特征是所述的叶片(8)的形状是直板式。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的磁流变体石油钻机辅助刹车装置，其特征是所述的叶片(8)的形状是空槽式，叶片(8)上有矩形孔(12)。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的磁流变体石油钻机辅助刹车装置，其特征是所述的叶片(8)的形状是开口式，在叶片(8)的两边加上带锥孔的圆筒(13)。
8.根据权利要求1或2或3或4所述的磁流变体石油钻机辅助刹车装置，其特征是所述的叶片(8)的数目是2-12片。
9.根据权利要求1或2或3或4所述的磁流变体石油钻机辅助刹车装置，其特征是所述的导磁圆柱(2)的数量2-5根。
全文摘要
一种磁流变体石油钻机辅助刹车装置。特征是上下导磁端盖之间固定有非导磁材料制成的圆柱型缸筒，圆柱型缸筒外有两根导磁圆柱；上下导磁端盖中间有不导磁轴，轴上固定有导磁叶片，缸筒和两根绕有励磁线圈的导磁圆柱固定在上下导磁端盖之间，缸筒与上下端盖配合形成了一个密闭的圆柱形腔体。叶片的位置在圆柱型缸筒腔体中，叶片侧端面和上下端面分别与缸筒和上下导磁端盖之间有间隙。密闭腔体内充满磁流变体。效果是在钻机绞车任何转速下都能提供较大的制动力矩，克服了目前辅助刹车低速性能差的缺点；并且能通过改变通过励磁线圈的电流强度，实现制动力矩的无级可调，响应速度快，制造成本低，使用寿命长。
文档编号F16D57/00GK1945047SQ200610113990
公开日2007年4月11日 申请日期2006年10月24日 优先权日2006年10月24日
发明者王德国, 杨汉立 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油大学(北京)