刹车系统是石油钻机的关键部件,其制动特性决定着钻井作业的安全、工程质量和经济效益。目前国内外对刹车系统性能评价、优化方法及刹车自动化实验技术等方面尚缺乏深入的研究,本论文以石油钻机刹车系统为研究对象,采用理论分析、实验研究和计算机仿真相结合的方法,对刹车系统制动特性及相关技术进行了系统、深入的评价和优化研究,得到了一些有价值的研究成果。　　 首先,根据机械振动学相关理论,建立了大钩悬重系统的动力学模型,在AMESim中对该模型进行了仿真和模态分析,结合现场大钩载荷谱数据,得出了悬重信号为低频振动信号的结论,并利用电液伺服技术设计了阀控马达的负载模拟系统,实现了钻机组合刹车实验台的加载功能。　　 其次,针对不同钻机刹车系统的特点,基于多学科的相关理论,运用灰箱和黑箱的建模方法,机理建模原理,以及气控盘式刹车系统、液压盘式刹车系统、气控带式刹车系统、电磁涡流刹车系统,电机再生能耗制动系统等五种常见钻机刹车系统的台架实验数据,建立了此五种刹车正确的数学模型和AMESim仿真模型,深入研究了刹车系统的制动特性规律,为石油钻机刹车相关技术的开发提供了理论依据。　　 依据钻井作业的具体工艺要求,建立了包含制动容量、响应特性、制动效能、微调特性等指标的刹车系统制动特性综合评价体系,运用价值分析方法,对刹车系统进行了对比分析和评价。结果表明,液压盘式刹车和电机能耗制动刹车总体性能最好,气控盘式刹车和电磁涡流刹车次之,气控带式刹车最差;液压盘式刹车制动容量最大、能耗制动刹车、气控带式刹车次之、气控盘式刹车、电磁涡流刹车最小;气控带式刹车、气控盘式刹车、液压盘式刹车、电磁涡流刹车、能耗制动刹车的工艺特性依次更优;液压盘式刹车、气控盘式刹车、电磁涡流刹车、气控带式刹车、能耗制动刹车的制动效能因数逐渐增大。　　 通过分析研究发现,刹车制动特性的关键是工艺特性的优化问题,物理式刹车和机械式刹车优化的重点不同。以液压盘式刹车为例,提出了采取PWM阀代替普通比例阀、增设压力开关、采用积分分离的PID算法以及油压内环PID镇定等优化策略,并应用到恒钻压自动送钻系统之中,室内和现场实验结果表明,这种优化使基于液压盘式刹车的自动送钻系统,达到了较好的应用效果。　　 本文还根据主、辅刹车性能互补的匹配原则,提出了几种最优匹配方式,分析了其具体特点和适用范围,为钻机的选配提供了理论参考。