ТОРМОЗНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ СКВАЖИН ИЛИ БУРОВЫХ ЛЕБЕДОК
BRAKING DEVICE FOR WRILLING EQUIPMENT, FOR EXAMPLE DRILL WINCH

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к тормозным устройствам. Более конкретно, настоящее изобретение относится к тормозным устройствам для барабанов лебедок, которые применяются на буровых станках, станках по обслуживанию скважин и т.п.
Уровень техники
После того, как с помощью бурового станка пробурена скважина и установлена обсадная труба, станок демонтируют и удаляют с площадки. После этого для обслуживания скважины обычно используют мобильную ремонтную установку или рабочий станок. Обслуживание включает, например, установку и удаление колонн насосно-компрессорных труб, насосных штанг и насосов. Это обычно выполняют с помощью тросовой лебедки, которая содержит талевый блок, который поднимает и опускает вышеупомянутые насосно-компрессорные трубы, насосные штанги и насосы.
В патенте США 4334217 описана система управления движением талевого блока на буровом станке. Как описано в этом патенте, талевый блок может быть поднят или опущен за пределы безопасной зоны. Их называют «выше короны», если талевый блок достигает самого верхнего безопасного положения, и «ниже пола», если он достигает самого нижнего безопасного положения. Достижение положений выше короны/ниже пола может привести к повреждению оборудования и представляет опасность для персонала, работающего на оборудовании. Поскольку часто оператор тросовой лебедки не имеет возможности видеть положение талевого блока или он может отвлечься от наблюдения за положением талевого блока, то он может непредвиденным образом выйти за безопасные положения талевого блока.
Буровые станки и мобильные установки, служащие для обслуживания скважин, часто оборудуют устройствами безопасности, которые предотвращают или, по меньшей мере, уменьшают возможность достижения талевым блоком положений выше короны или ниже пола. Устройства по предотвращению положений выше короны и ниже пола могут быть различными. Эти устройства предусматривают использование концевых выключателей, радара, ультразвуковых датчиков, расположенных вблизи кронблока, кодировщиков барабана и счетчиков троса, используемых в качестве чувствительных устройств, которые фиксируют слишком близкое приближение талевого блока к кронблоку. Кроме этого, системы безопасности могут содержать встроенные программируемые цепи логического контроля (PLC), служащие для выявления положения цилиндров и их включения. В другом варианте система безопасности может быть настроена в «безопасный режим». Когда схема переходит в безопасный режим, включается цилиндр, благодаря чему срабатывает тормозная система на лебедке с тем, чтобы предотвратить дальнейшее движение бурового станка.
Хотя существует много различных способов предотвращения положений выше кронблока и ниже пола, большинство из них имеет то общее свойство, что после того, как датчик или иное устройство определит ожидаемые положения выше кронблока или ниже пола, устройство с помощью пневматического или гидравлического цилиндра включает тормоза трубного барабана. На фиг.1 приведена схема известного устройства 100 торможения трубного барабана. Хотя для простоты показана только одна сторона барабана 105, обычному специалисту в данной области техники понятно, что на барабане 105 обычно имеется два тормозных фланца 115, расположенных на каждой стороне барабана 105. Каждая сторона барабана 105 содержит тормозную ленту 120, намотанную вокруг фланца 115. Каждая тормозная лента 120 приводится в действие балансиром 130. В одном из известных вариантов общий балансир 130 приводит в действие обе тормозных ленты 120 на барабане 105. Как показано на фиг.1, тормозные ленты 120 приводятся в действие балансиром 130, который вращается по часовой стрелке и задает натяжение тормозных лент 120, вызывая их затягивание и приложение давления на тормозные фланцы 115. Давление, приложенное тормозными лентами 120, вызывает замедление или остановку вращения барабана 105 на трубе 110 в зависимости от величины давления, приложенного тормозными лентами 120, вызывая при этом соответствующее уменьшение перемещения троса 160, как это видно на фиг.1-4.
Как далее показано на фиг.1, в известном тормозном устройстве балансир 130 можно поворачивать, нажимая вниз на тормозную рукоятку 155. Тормозная рукоятка 155 закреплена к тормозному рычагу 150, который поворачивается на оси 145, когда к тормозной рукоятке прикладывается направленное вниз усилие. При повороте тормозного рычага 150 угловой рычаг 140 поворачивается по часовой стрелке, при этом угловой рычаг 140 и тормозной рычаг 150 механически соединены друг с другом. Угловой рычаг 140 одним концом закреплен к тормозному рычагу 150, а другим - к тормозной тяге 165 и поворачивается на оси 145. Другой конец тормозной тяги 165 закреплен к другому концу балансира 130. Поворот углового рычага 140 создает усилие в тормозной тяге 165, благодаря чему балансир 130 поворачивается по часовой стрелке на оси 125.
Т.к. буровой станок работает в скважине с большой нагрузкой, тормозная система нагревается, и тормозные ленты 120 вытягиваются, что вызывает ослабление в устройстве 100. Для компенсации этой проблемы в обычных тормозных устройствах, подобных приведенному на фиг.1, имеется регулирующий вертлюг 135, который является частью тормозной тяги 165. Регулирующий вертлюг 135 может вращаться на тормозной тяге 165, укорачивая или удлиняя тягу 165, если в этом возникает необходимость. Например, поскольку тормозные ленты 120 при работе становятся более нагретыми и удлиняются, оператор укоротит длину тормозной тяги 165, используя для этого регулирующий вертлюг 135. Наоборот, т.к. тормозные ленты 130 начинают охлаждаться и укорачиваться, оператор, вращая регулировочный вертлюг 135, удлинит тягу 165. Задачей оператора является установка тормозной рукоятки 155 на такой высоте, на которой ему удобно работать.
Для обеспечения безопасного торможения бурового станка или лебедки устройство 100 должно работать при некотором натяжении, которое необходимо для того, чтобы тормозные ленты 120 оставались в постоянном или практически постоянном контакте с тормозными фланцами 115. Поскольку вес тормозной рукоятки 155 и тормозного рычага 150 будет давать достаточное направленное вниз усилие, чтобы замедлить вращение барабана 105, оператор обычно поднимает тормозную рукоятку 155 и рычаг 150, как показано на фиг.2 и 3. За счет подъема тормозной рукоятки 155 и рычага 105, тормозные ленты 120 оказывают меньшее давление на тормозные фланцы 115, благодаря чему барабан 105 вращается на более высокой скорости.
Как указано выше и более подробно показано на фиг.4 и 5, наибольшее число известных тормозных устройств буровых станков содержат дополнительное устройство 405, служащее для предотвращения положений выше кронблока или ниже пола. Устройство может содержать цилиндр 410, который может быть пневматическим или гидравлическим. Приведенный в действие цилиндр 410 резко вытягивает тягу 415 наружу и передает давление на рычаг 420, закрепленный к балансиру 130. Под действием этого давления балансир 130 поворачивается по часовой стрелке, вынуждая тормозные ленты 120 оказывать давление на тормозной фланец 115, благодаря чему замедляется движение барабана 105 и троса 160. Однако, как показано на фиг.5, поскольку балансир 130 также механически соединен с тормозной рукояткой 155 через тормозную тягу 165, угловой рычаг 140 и тормозной рычаг 150, то при включении цилиндра 410 тормозная рукоятка 155 неожиданно перемещается вниз. Если оператор находится поблизости тормозной рукоятки 155 или удерживает ее с тем, чтобы уменьшить тормозное давление на барабан 105, когда цилиндр 410 работает, то оператор может пострадать от резкого движения вниз тормозной рукоятки 155. Следовательно, существует необходимость в тормозном устройстве, которое дает возможность приводить в действие цилиндр независимо от действия тормозной рукоятки, так что, когда тормоза приводятся в действие в момент достижения положения выше кронблока, или ниже пола, или в результате иных действий, то тормозная рукоятка не вырвется из рук оператора и не нанесет ему вреда.
Раскрытие изобретения
Предметом настоящего изобретения является тормозное устройство, которое дает возможность приводить в действие цилиндр, который механически независим от тормозной рукоятки и не связан с ней, так что, когда тормоза приводятся в действие в момент достижения положения выше кронблока, или ниже пола, или в результате иных действий, то тормозная рукоятка не вырвется из рук оператора и не нанесет ему вреда.
В соответствии с одной отличительной особенностью настоящего изобретения устройство торможения барабана может содержать тормозные фланцы, расположенные на каждой боковой стороне трубного барабана. Одна или более тормозная лента может иметь возможность за счет трения сцепляться с каждым тормозным фланцем. Балансир может быть соединен с тормозными лентами. Балансир имеет возможность вращаться вокруг одной неподвижной оси с тем, чтобы увеличивать или уменьшать натяжение тормозных лент. С балансиром может быть соединен механизм, обеспечивающий передачу усилия от углового рычага, которая может вращаться вокруг другой неподвижной оси. Тормозной рычаг может содержать выступ. Тормозной рычаг может вращаться вокруг неподвижной оси, которая является такой же, или отличается от неподвижной оси, вокруг которой вращается угловой рычаг. Под действием усилия тормозной рычаг может вращаться вокруг неподвижной оси, и выступ может контактировать с угловым рычагом и вызывать его вращение в том же направлении в течение времени контакта выступа с угловым рычагом.
В соответствии с другой отличительной особенностью настоящего изобретения устройство торможения барабана может содержать тормозные фланцы, расположенные на каждой боковой стороне трубного барабана. Одна или более тормозная лента может иметь возможность за счет трения сцепляться с каждым тормозным фланцем. Балансир может быть соединен с тормозными лентами. Балансир имеет возможность вращаться вокруг неподвижной оси с тем, чтобы увеличивать или уменьшать натяжение тормозных лент. С балансиром может быть соединен механизм, обеспечивающий передачу усилия от углового рычага, которая может вращаться вокруг другой неподвижной оси. Тормозной рычаг может содержать выступ. Тормозной рычаг может вращаться вокруг неподвижной оси, которая является той же, или отличающейся от той, вокруг которой вращается угловой рычаг. Под действием усилия тормозной рычаг может вращаться вокруг неподвижной оси, и выступ может контактировать с угловым рычагом и вызывать его вращение в том же направлении в течение времени контакта выступа и углового рычага. Тормозное устройство далее может содержать пружину, установленную между тормозным рычагом и угловым рычагом. Когда тормозной рычаг приподнят, чтобы уменьшить натяжение тормозных лент на тормозном фланце, пружина может передавать подъемное усилие тормозного рычага на угловой рычаг, благодаря чему угловой рычаг вращается в том же направлении, что и тормозной рычаг и передает усилие вращения на балансир с тем, чтобы уменьшить торможение трубного барабана.
Различные аспекты настоящего изобретения могут быть лучше поняты и оценены из нижеследующего подробного описания вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи и формулу изобретения. Кроме того, из нижеследующего подробного описания и чертежей специалистам в данной области техники могут быть понятны иные аспекты, системы, способы, особенности, преимущества и цели настоящего изобретения. Предполагается, что все эти аспекты, системы, способы, особенности, преимущества и цели должны быть включены в данное описание, должны входить в объем настоящего изобретения и должны быть защищены прилагаемой формулой изобретения.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения и его преимуществ ниже будет приведено подробное описание со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее.
На фиг.1 приведен вид сбоку известного устройства торможения барабана.
На фиг.2 приведен вид спереди известного устройства торможения барабана, показанного на фиг.1.
На фиг.3 показан результат от усилия, приложенного к тормозной рукоятке известного устройства торможения барабана, показанного на фиг.1.
На фиг.4 приведен вид сбоку другого известного устройства торможения барабана, которое содержит средство включения системы безопасности, предотвращающей аварийную ситуацию в положениях выше кронблока и ниже пола.
На фиг.5 показан результат от усилия, приложенного к балансиру со стороны предохранительного цилиндра в известном устройстве торможения барабана, приведенном на фиг.4.
На фиг.6 приведено тормозное устройство, содержащее тормозной рычаг, механически независимый от углового рычага, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фиг.7 приведен вид в закрытом состоянии устройства торможения барабана, показанного на фиг.6 и выполненного в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фиг.8 приведен тормозной рычаг, приводящий в действие тормозное устройство посредством контакта с угловом рычагом в устройстве торможения барабана, показанном на фиг.6, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Ниже будут подробно описаны варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на чертежи, показывающие работу устройства торможения барабана, применяемого при обслуживании скважин или буровых лебедок. Хотя примеры тормозного устройства, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, описаны на примере оборудования, использованного для тормозных устройств, применяемых для замедления или остановки барабана на оборудовании обслуживания скважин или буровой лебедке, специалистам в данной области техники будет понятно, что данное тормозное устройство может быть использовано во многих других целях с тем, чтобы замедлить или остановить транспортные средства или устройства другого типа.
Ниже будет более подробно описан способ и устройство поворота тормозного рычага относительно углового рычага с тем, чтобы привести в действие тормозное устройство, со ссылкой на фиг.6-8, на которых приведен один из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.6, устройство 600 торможения барабана содержит тормозную рукоятку 155, закрепленную к тормозному рычагу 150. Тормозной рычаг 150 проходит между тормозной рукояткой 155 и средством поворота 610. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения средство поворота 610 представляет собой ось вращения, однако специалисты в данной области техники понимают, что возможны другие способы и устройства, которые позволяют стержню или валу вращаться вокруг неподвижной оси. Тормозной рычаг 150 может быть выполнен из стали, алюминия или другого металла и неметаллического материала, известного специалистам в данной области техники. В одном варианте осуществления настоящего изобретения тормозной рычаг 150 содержит сквозное отверстие, в которое может быть вставлен подшипник (не показан). Сквозное отверстие и подшипник в нем имеют такие размеры, что могут быть вставлены в поворотное устройство 610. Подшипник уменьшает износ тормозного рычага 150, вызванный рядом циклов включения и выключения тормозных лент 120.
Тормозной рычаг 150 содержит также выступ 605, закрепленный к одной боковой стороне рычага 150 и вытянутый вдоль этой стороны. В одном варианте осуществления настоящего изобретения выступ 605 представляет собой кусок стальной плоской пластины, которая приварена перпендикулярно к боковой стороне рычага 150, как показано на фиг.6, однако специалистам в данной области техники понятно, что для достижения такого же результата могут быть использованы иные способы и углы крепления. Выступ 605 служит для упора в угловой рычаг 635 и передачи нагрузки, когда усилие на тормозную ручку 155 прикладывается в нижнем направлении. Однако, когда угловой рычаг 635 вытянут вперед под действием цилиндра 410 и усилия, приложенного к балансиру 130 со стороны рычага 420, движение углового рычага 635 не будет порождать соответствующего движения тормозной ручки 155.
Далее тормозной рычаг 150 содержит выступ 625 крепления пружины, закрепленный к одной боковой стороне тормозного рычага 150 и направленный наружу от него. Выступ 625 крепления пружины способен удерживать один конец пружины и в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, и выполнен из стали. Устройство 600 торможения барабана далее содержит угловой рычаг 635, установленный с возможностью вращения вокруг неподвижной оси 145 и связанный с другой осью вращения 140 на тяге 165. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения неподвижная ось 145 представляет собой подшипниковый узел, однако могут быть использованы иные узлы, известные специалистам в данной области техники. Ось вращения 140, тяга 165, регулирующий вертлюг 135, балансир 130, цилиндр 410, шток цилиндра 415, рычаг 420, тормозные ленты 120, тормозной фланец 115 и трубный барабан 105 в целом такие же, как и показанные на фиг.1-5.
В отличие от известных устройств торможения барабана, описанных на фиг.1-5, угловой рычаг 635, показанный на фиг.6-8, не находится в состоянии жесткого соединения с тормозным рычагом 150. Вместо этого угловой рычаг 635 соединен с тормозным рычагом 150 с помощью пружины 620. Один конец пружины 620 закреплен к выступу 625 крепления пружины на тормозном рычаге 150, а противоположный конец закреплен к выступу 630 углового рычага 635. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения концы пружины 620 закреплены к винтовой стяжке (не показана), которая позволяет увеличивать или уменьшать линейное расстояние между выступом 625 крепления пружины и выступом 630 углового рычага, однако специалистам в данной области техники понятно, что существует множество иных способов крепления пружины 620 и конструкций регулирующих средств. Как показано на фиг.6, когда устройство торможения не введено в действие, существует зазор 615 между угловым рычагом 635 и выступом 605.
На фиг.7 приведен вид тормозного рычага и углового рычага, когда тормозной рычаг приподнимается оператором в тормозном устройстве 600, показанном на фиг.6. Как показано на фиг.6 и 7, когда оператор поднимает тормозную ручку 155 вверх, обеспечивая минимальную величину давления на тормозные ленты 120 (не показаны), зазор 615 между тормозной накладкой 605 и угловым рычагом 635 сохраняется. Натяжение пружины 620, вызванное подъемом ручки 155 оператором, будет поднимать угловой рычаг 635 с помощью выступа 630 углового рычага. Усилие пружины 620, поднимающей и вращающей угловой рычаг 635 по часовой стрелке, будет заставлять тягу 165 поворачивать балансир по часовой стрелке, благодаря чему уменьшается усилие, прикладываемое к тормозным лентам 120 на тормозном фланце 115.
Как показано на фиг.6, в данном варианте осуществления настоящего изобретения уменьшается усилие, приложенное к тормозной ручке 155, когда цилиндр 410 приведен в действие. Когда цилиндр 410 включен и вытягивает шток 415 напротив рычага 420, балансир 130 поворачивается против часовой стрелки, что вызывает натяжение тормозных лент 120 на тормозном фланце 115 и замедление вращения барабана 105. Поворот балансира 130 с помощью тяги 165 вызывает соответствующий поворот углового рычага 635. Поскольку угловой рычаг 635 поворачивается против часовой стрелки, пружина 620 демпфирует вращательное усилие углового рычага 635 и растягивается, благодаря чему тормозная рукоятка 155 остается практически в том же положении, в котором она была до приведения в действие цилиндра 410. Поскольку тормозная рукоятка 155 может совершать некоторое ограниченное перемещение в ситуациях, когда рукоятка 155 не удерживается оператором, то в тех ситуациях, когда оператор удерживает рукоятку 155 при повороте балансира 130, вызванном цилиндром 410, усилие, необходимое оператору для продолжения удержания рукоятки 155, уменьшается, благодаря чему существенно снижается опасность нанесения вреда оператору.
На фиг.8 показано взаимодействие тормозного рычага 150 и углового рычага 635, когда к тормозной рукоятке 155 оператор приложил направленное вниз усилие в одном из вариантов выполнения устройства 600 торможения барабана. Как показано на фиг.6-8, когда оператор прикладывает к тормозной рукоятке 155 направленное вниз усилие, тормозной рычаг 150 начинает поворачиваться против часовой стрелки на оси вращения 610. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения тормозной рычаг 150 может поворачиваться вокруг той же неподвижной оси 145, как и угловой рычаг 635, не вызывая при этом непосредственного вращательного воздействия на угловой рычаг 635. В отличие от известного тормозного устройства 100, угловой рычаг 635 не начинает поворота на оси вращения 145 при начальном движении тормозного рычага 150. Вместо этого угловой рычаг начинает поворачиваться и, когда накладка 605 повернется в точку «А» - контакта с угловым рычагом 635, начинает прикладывать к ней усилие, вызывая начало поворота против часовой стрелки углового рычага 635, как показано на фиг.8. Поскольку угловой рычаг 635 поворачивается, то это через тягу 165 вызывает соответствующий поворот балансира 130, который натягивает тормозные ленты 120 на тормозном фланце 115 и обеспечивает замедление или остановку вращения трубного барабана 105.
Итак, в данном варианте осуществления настоящего изобретения описан способ и устройство, обеспечивающие независимую работу углового рычага и тормозного рычага в устройстве торможения барабана. За счет обеспечения независимой работы тормозного рычага и углового рычага, настоящее изобретение позволяет привести в действие цилиндр независимо от действия тормозной рукоятки, так что, когда тормоза приведены в действие цилиндром, рукоятка не будет неожиданно смещаться вниз и травмировать оператора. Из вышеприведенного очевидно, что описанные примеры осуществления настоящего изобретения преодолевают ограничения известных устройств. Специалистам в данной области техники будет ясно, что настоящее изобретение не ограничено какими-либо рассмотренными применениями и что описанные варианты приведены для иллюстрации и не ограничивают предмета изобретения. На основе описания приведенных вариантов осуществления настоящего изобретения специалисты могут предложить эквивалентные элементы конструкции и способы реализации устройства на практике. Хотя были показаны и описаны примеры вариантов осуществления настоящего изобретения, специалистам в данной области техники ясно, что могут быть внесены изменения и усовершенствования, не выходящие за объем и существо настоящего изобретения.