石油工程机装备第五章起升系统工作原理与设备11版.ppt

第五章 起升系统工作原理与设备 第三节 刹车机构特性 绞车有主、辅刹车。 一、刹车功用与使用要求 1. 功用 刹慢或刹住滚筒，控制放速，悬持钻具； 调节钻压，送进钻具。 2. 要求：安全，省力，寿命长。 二、结构与原理 1. 结构 以单杠杆刹车机构为例。 由刹把4；传动杠杆（或称刹车曲轴3）；刹带1；刹鼓2；平衡梁6和调整螺钉7；气刹车等组成。,2.作用原理 刹车时，操作刹把4转动传动杠杆3，通过曲拐拉拽刹带1活动端抱住刹车鼓。 扭动刹把手柄可控制司钻阀5启动气刹车。气刹车起省力作用。,平衡梁：均衡左、右刹带受力。 当刹块磨损时，用螺钉7调整间隙。 刹带1不工作时，用弹簧拉起； 刹车块则铆在钢带上。 3. 气刹车与防碰天车 气刹车：减轻司钻的负载 （旋转刹把气缸拉刹带活端）。 防碰天车：游车超高使气缸刹车。,防碰天车 控制钢绳,重垂,三、刹带两端的拉力 刹带包角为 ，摩擦系数为 ，刹带死端拉力 ，活端拉力 力按欧拉公式计算: 制动力 ： 设 为刹车鼓半径， 制动力矩： 根据下钻钩载算出 ， 和 作为刹车机构的设计依据。,压力分布规律曲线,切向力平衡方程,死端,活端,四、刹车杠杆工作分析 1.单杠杆刹车机构 活端拉力t，刹把长 ,曲拐臂长r，传动效率 ： 刹把力： 增力倍数： 或 的大小取决于 与r的比值。 与 也随 变化， 和 是定值。 刹把的最佳倾角 4530。 单杠杆用于轻、中型钻机上。 双杠杆用于重、超重型钻机上。,单杠杆刹车机构图,t,活端力,刹把角,结构角,2双杠杆刹车机构 两套单杠杆组成。 设 为刹把力， 为刹带活端拉力， 为连杆上的拉力， 、 分别为二轴至连杆的垂直距离（虚线所示）。 力矩关系： （P力对轴1的矩） （F中间连杆对轴1的矩） （t 力对轴2的矩）（F对轴2的矩） 增力倍数：,双杠杆车机构图,增力倍数：单杠杆 ；双杠杆 80。 确保 4530时， =4025kgf，刹车就比较省力。 3. 带刹的优点 （1）制动力矩随 增大，能满足重载需要。 （2）双杠杆省力、安全。 （3）简单，方便。 4. 带刹缺点 （1）滚筒轴受一弯曲力，值为 、 的向量和。 （2）只能单向制动。 （3）活端和死端的刹块磨损不一致。,五、盘式刹车 1985年美国GH、NSCO、EMSCO三家公司开始将盘式刹车用于钻机绞车。我国90年开始在修井机上改装盘式刹车，95年胜利机械厂生产的钻机已采用盘式刹车。 1. 结构组成 包括：刹车盘（滚筒两侧）、刹车液缸、刹车钳（或刹车杠杆）、刹车块、液控系统等。,刹车液缸,液压盘式刹车机构,主要包括：工作钳、安全钳、刹车盘和钳架，根据用户需要，执行机构可以布置在绞车滚筒的一端或两端。 通过工作钳和安全钳不同型号和不同数量的配置，如1+1；2+1；2+2；3+1等，可以适用于ZJ70, ZJ50, ZJ40等不同型号、不同类型的钻机、修井机及通井机。,液压盘式刹车机构,主刹车钳,应急刹车钳,2. 刹车钳类型 全套刹车包括：工作钳（下钻及钻进用）；应急钳（安全钳）。 杠杆钳。液缸在刹车盘外缘，双活塞反向动作。 固定钳。两个液缸对置于刹车盘外侧，活塞直接对刹块加压。 3.工作方式 常开式：液压加压刹车； 常闭式：用弹簧加压刹车，用液压松刹。,常闭式,常开式,杠杆钳,固定钳,工作钳 工作钳采用常开式单作用油缸给油刹车、杠杆原理传力、弹簧复位的工作原理。工作钳的压力通过司钻操作刹把进行无级调节，以刹住不同的钩载。 工作钳参与工作制动和紧急制动。,安全钳 安全钳采用常闭式单作用油缸给油松刹、杠杆原理传力的工作原理，与工作钳形成安全互锁。 安全钳参与驻车制动和紧急制动。,刹车盘 刹车盘是刹车系统的核心部件之一，与刹车块组成刹车副。按结构形式分为：水冷式、风冷式和实心刹车盘三种。,胜利钻机机械厂生产的 型钻机上，JC32绞车为盘式刹车（图6-37）。 该刹车钳属于常闭式。,用于安全钳,4. 单钳制动力矩 式中 块的正压力， ； 有效摩擦半径， ； 摩擦系数。 设 为单块单位压力， 则单块摩擦力矩: 单钳的制动力矩:,为微弧长； 为微面积。,5. 优点（盘式刹车与带式刹车相比） 刹车盘散热性好【有1/10 盘面摩擦发热】； 刹车块的吃水稳定性好 （由于比压大和离心作用不易存水和油污物）； 比压分布均匀，摩擦副的寿命较长； 双向制动（带式单向）； 操作省力； 有应急钳，刹车可靠； 6.盘刹缺点： 比压比带式大二倍，摩擦表面温度高，对刹块材料要求高。,汽车盘式刹车,第四节 辅助刹车 与滚筒轴相联，下钻时起作用。 一、水刹车 1. 作用 下钻时刹慢滚筒，保持钻具均速下放。 2. 结构 定子、转子、各自之上有叶片，结构图参看P29。,定子,定子,转子,叶片,水刹车,绞车,刹把,水刹车,3. 作用原理 下钻时，滚筒带水刹车转子旋转，运动中倾斜的叶片，迎面去切割水涡流，形成阻力矩。,4 制动力矩 ，当 低时 很小。 水室充满度反映了刹车能力。 5. 制动功率 式中 力矩和功率系数； 滚筒转速，r/min； 水室外径，m； 水室水环内径，当水室充满时即水室内径，m。,转速与制动力矩关系曲线,1.结构 主要由左、右定子和转子组成，定子中固嵌线圈。,二、电磁涡流刹车 新型辅助刹车。 利用电磁感应原理实现制动。 无损制动，性能好，广泛应用。,2.原理 定子通直流，产生固定磁场。 当滚筒带动转子转动时，转子产生涡电流。 涡流形成旋转磁场，与固定磁场作用产生制动力矩。,电磁涡流刹车,电磁涡流刹车,电驱动绞车,液压盘式主刹车,3特性 （M-n曲线） 调节线圈的电流可改变M-n曲线。 当转速低时，仍有较大制动力矩。 滚筒转速较低时，M随n增加迅速增大，中、高速段力矩几乎不变。,图5-25 DS电磁涡流刹车的M-n特性,第五节 井架 一、功用、组成与要求 1功用 （1） 安放天车，悬挂游车、大钩及工具。 （2） 起下钻、下套管。 （3）存放立根。,2结构组成 图5-26所示井架组成。 （1）主体为空间桁架； （2）天车台，装天车和天车架； （3）天车架，安装、维修天车之用； （4）二层台，包括井架工操作的台和存靠立根的指梁； （5）立管平台，水龙带操作台； （6）工作梯。,3钻井工艺对井架的基本要求 （1）足够的承载能力。 （2）足够的工作高度、空间、钻台面积。 （3）拆装、移运方便。,二、整体结构类型 1. 塔架 塔架是四棱锥，截面为正方形。 分四扇，每扇分若干桁架。 主要特征： （1）封闭结构，整体稳定好，承载能力大。 （2）单构件连接。 （3）井架内空间大。 （4）单件拆装工作量大，高空作业，不安全。 国外用四柱腿式塔架。,塔型井架,塔型井架,塔型井架,2. 前开口井架 又称形或K形架， 主要特征： （1）地面组装，整体起放，分段运输（45段）。 （2）前扇敞开、截面为形。 （3）结构不封闭，两侧结构相同。,型井架,整体起升井架,整体起升井架,3A形井架 主要特征： （1） 两大腿通过天车台、二层台连成“A”字形。 在大腿的前方或后方有撑杆支承，或后方有人字架支承。 （2） 地面组装，整体起放，分段运输45段。 （3）整体稳定性不理想。,A形井架,A形井架,4桅形井架 （1）有整体式和伸缩式两种。桅架是用液缸或绞车整体起放。 （2）桅架向井口方向倾斜，靠绷绳稳定。 （3）桅架简单、轻便、但承载能力小，用于车装轻便钻机和修井机。,桅形井架,绷绳,桅形井架,绷绳,三、井架基本载荷 1恒载 井架的恒载：井架自重、设备、工具重。 2最大静载 即最大钩载。,3工作绳拉力 快绳和死绳合力。 近似计算作用力,式中 工作绳拉力，kN； 游绳拉力，kN； 最大钩载，kN； 游系重量（包括大钩、游车、钢绳），kN； 有效绳数。,4风载 风是空气的运动，由动能变为压力能。 风压取决于风速、空气的密度及结构形状、风向和面积。 风载计算式： 式中 风载，N； 承风面，即垂直于风向的井架外廓面积， 计算风压，Pa。,式中 基本风压，Pa； 工作风压系数，一般取0.30.4； 风压高度变化系数； 风压体型系数（与结构有关）； 风振系数。 上述各系数可查阅有关气象标准（略）。 基本风压 ：即气温15时距离地面10m处的静压力。,式中 15时空气的密度， ； 风速，m/s，各风力对应不同的风速。【5级风速（10.7m/s）】,立根排放,二层台,立根盒,钻杆立根排放,5立根载荷 立根重水平力及立根风载。 水平作用到井架上。 立根重水平载荷计算： （垂直反力为 ） 立根线密度，kg/m； 立根长，m； 立根数； 立根与钻台面的倾角，一般 。 立根风载，按风载法计算。 承风面积为： 每排立根数； 立根接头外径，m。 6绷绳载荷：桅架需计入绷绳拉力。,第六节 天车、游车、大钩和钢丝绳 天车、游车、钢丝绳和大钩，统称为游动系统。 一、天车和游车 天车：是装在井架顶部的定滑轮组。 游车：是作往复运动的动滑轮组。 游系结构：指的是游车轮数天车轮数。 结构特点：天车、游车都是多个绳轮通过滚动轴承装在一根心轴上。,游车,二、大钩 有单钩、双钩和三钩。钻机用三钩（主钩两吊环钩）。 1. 组成：大钩由钩身、钩杆、钩座、提环、止推轴承和弹簧组成。 2. 要求