（机械工程专业论文）jc40单轴齿轮绞车开发与研究.pdf

中文摘要 论文题目：j c 4 0 单轴齿轮绞车升友与研冗 专业：机械工程 硕士生：吴建民( 签名) 宴型 指导教师：陆品( 签名)( 垒盏 王定亚( 签名) 乏了妥亘b 一 摘兽 绞车是钻机系统的核心部件。为了开发国内外各种石油钻机市场，本文完成了j c 4 0 单轴齿轮传动绞车设计研究。 j c 4 0 单轴齿轮传动绞车是配备于z j 4 0 d b 型钻机的主要部件，绞车为全新设计，绞 车的设计思想突破了原有多轴绞车结构模式。同时绞车采用交流变频电机作为动力，实 现无极调速，并且采用多项当今先进技术，其特点是：无极调速，动力从滚筒的一端输 入，各主要连接采用联轴器连接，传动选用齿轮变速形式等。 本文对绞车的研究要点如下： ( 1 ) 介绍了现有绞车类型、结构和性能特点，阐述了绞车今后的发展趋势和本文所 研究绞车的目的、意义及国内外石油钻井绞车的研究现状。 ( 2 ) 阐述了绞车的功能，在充分分析确定了绞车主要组成元件形式的情况下，建立 了4 种绞车方案，通过方案对比和工艺性、可靠性、技术性等综合分析，择优选择出绞车 设计传动方案，并对此方案的可行性进行了分析。 ( 3 ) 确定了绞车基本参数，同时对绞车主要组成系统如电动机、绞车滚筒、变速传 动箱等进行了详细的参数设计。 ( 4 ) 系统的设计了绞车总体、变速箱总成、滚筒轴总成等图形结构，介绍了绞车及 主要部件的结构特点，详细绘制了滚筒轴等关键零件结构尺寸图形。 ( 5 ) 绞车强度设计以滚筒轴、变速箱输出端低速级齿轮等典型零件为设计重点，先 后从模型简化、受力分析、应力计算、静强度、疲劳强度和可靠性设计等多方面着手， 进行了全面系统的设计。 ( 6 ) 同时应用a n s y s 对滚筒在不同工况载荷下进行了有限元分析，了解了滚筒工作 时的应力分布和危险状况，这为进一步改进滚筒结构提供了必要的理论依据。 关键词：绞车滚筒电驱动齿轮传动设计有限元分析 论文类型：应用研究 n 英文摘要 s u b j e c t ：d e v e l o p m e n ta n dr e s e a c ho ft h ej c - 4 0s i n g l e a x i sg e a rt r a n s m i s s i o n d r a w w o r k s s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：w u j i a n m i n ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：l up i n ( s i g n a t u r e ) 厶翌应 w a n gd i n g y a ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t d r a w w o r k si sac o r ec o m p o n e n to fad r i l l i n gr i g i no r d e rt oe x p l o r i n gd o m e s t i ce v e r y k i n dd r i l l i n gr i gm a r k e t ，s o m ed e s i g er e s e a r c ho ft h ej c 4 0d r a w w o r k si sf i n i s h e di nt h i s a r t i c l e t h ej c - 4 0d r a 、矾0 r k sw i l lb ee q u i p p e dw i t ht h ez j 4 0 d bd r i l l i n gr i g a n di ti sam a i n c o m p o n e n to ft h ez j 4 0 d bd r i l l i n gr i g t h i sd r a w w o r k sh a sac o m p l e t e l yn o v e ld e s i g nw h i c h m a d eag r e a tb r e a k t h r o u g ha g a i n s tt h ep r e s e n tm u l t i a x i sd r a w w o r k ss t r u c t u r em o r e a tt h e s a m et i n e ，w es e l e c tv a r i a b l e f r e q u e n c ya c p o w e rt od r i v et h i sd r a w w o r k sw i t ht h ep u r p o s eo f r e a l i z i n gt h es t e p l e s ss p e e dr e g u l a t i o n i nt h ed e s i g n ，w ea l s oa d o p tm a n yi n t e r n a t i o n a l t e c h n i c a ld e v e l o p m e n ts u c ha s v a r i a b l e - f r e q u e n c ya cp o w e ra n dh y d r a u l i cd i s cb r a k e i t f e a t u r e st h a ti tr e a l i z et h es t e p l e s ss p e e dr e g u l a t i o n ，p o w e ri s i n p u t t e df r o mt h ed r u ms i d e ， t h em a i nm o d u l e sa r ej o i n e dt o g e t h e rb yc o u p l i n g s ，p o w e rt r a n s m i s s i o ni sb ym e a n so fg e a r s p e e dr e g u l a t i o n k e yp o i n t so ft h ej c 4 0s i n g l e a x i sg e a rt r a n s m i s s i o nd r a w w o r k sr e s e a c hi nt h ea r t i c l e a r es t a t e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) i ti sp r e s e n t e dh e r ea b o u tt h ec u r r e n t d r a w w o r k s t y p e s t r u c t u r e a n d p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c ，s t a t e di t sf u t u r ed e v e l o p m e n tt e n d e n c ya n dt h ep u r p o s e ， s i g n i f i c a n c et or e s e a r c ht h i sj c - 4 0d r a w w o r k s d r i l l i n gd r a w w o r k sr e s e a r c hd e v e l o p m e n t c i r c u m s t a n c eh o m ea n da b r o a da tp r e s e n ti sa l s oi n t r o d u c e dh e r e ( 2 ) i ti se l a b o r a t e dh e r eo nd r a w w o r k sf u n c t i o n d e t a i l e da n a l y s i si sm a d et os e t d r a w w o r k sm a i nc o m p o n e n t s ，b a s e du p o nw h i c hf o u rk i n d so fd r a w w o r k sd e s i g n a r e e s t a l a l i s h e d a f t e rm a k i n gc o l l a t i o na n dc o m p a r i s o nb e t w e e nt h e s e d e s i g n s ，a n dm a k i n g c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s o nt h e i rt e c h n i q u e p e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t y , t h eo p t i m u m d r a w w o r k st r a n s m i s s i o nd e s i g ni ss e l e c t e d f e a s i b i l i t ya n a l y s i so ft h es e l e c t e dd e s i g ni sa l s o m a d eh e r e i n ( 3 ) s e tt 1 1 ed r a w w o r k sb a s i cp a r a m e t e r s m e a n w h i l ee l a b o r a t e dp a r a m e t e r sd e s i g nf o r d r a w w o r k sc o n f i g u r a t i o ni sa l s om a d eh e r e i nf o ra l lt h ec o n s t i t u t i o ns y s t e ms u c ha sm o t o r d r a w w o r k sd r u ma n dt r a n s m i s s i o nb o xa sw e l i 1 i i 英文摘要 ( 4 ) s y s t e m a t i c a l l yd e s i g n i n gt h es t r u c t u r eo fd r a w w o r k su n i t ，g e a rr e d u c e rb o x u n i ta n d d r u ms h a f ta sw e l l i n t r o d u c i n gt h es t r u c t u r a lf e a t u r e so fd r a w w o r k sa n di t sm a i nc o m p o n e n t s d r a w i n gu pi nd e t a i lt h es t r u c t u r a ld i m e n s i o nd r a w i n g so f a l lt h ec r u c i a lp a r t ss u c ha sd r u m s h a f ta n ds oo n ( 5 ) f o c u s e du p o nt y p i c a lp a r t ss u c ha sd r u ms h a f t ，g e a rb o xo u t p u tl o w e r s p e e dg e a r e t c c a r r y i n go u tf r o mv a r i e sr a m i f i c a t i o n ss u c ha sm o d e l s i m p l i f i c a t i o n ，f o r c ea n a l y s i s ， s t r e s sc a l c u l a t i o n ，s t a t i cs t r e n g t h ，f a t i g u es t r e n g t ha n dd e s i g nr e l i a b i l i t y a sw e l l ，a l l s i d e d c o m p r e h e n s i v ed e s i g nh a sb e e n m a d e ( 6 ) m e a n w h i l ed r u mi sc a r r i e do u tt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw i t ha n s y s u n d e rt h e d i f f e r e n to p e r a t i n gl o a d w er e a l i z e dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n dd a n g e r o u sc o n d i t i o n so ft h e w o r k i n gd r u m ，a n di tp r o v i d e s a ne s s e n t i a lt h e o r yb a s i sf o rf u r t h e ri m p r o v i n gt h ed r u m s t r u c t u r e k e y w o r d s ：d r a w w o r k s ，d r u m ，e l e c t r i c a lp o w e r e d ，g e a rt r a n s m i s s i o n ，d e s i g n f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s t h e s i s ： a p p l i c a t i o n - r e s e a r c h 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：l 幽 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：巡 导师签名：j 笙j 量一 日期：型乒业 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 现代石油钻机是一套联合机组，其主要任务是打开通向地下油气层的通道一井筒。 钻机的类型多种多样，但仅从钻深能力上来说，按照我国1 9 9 9 年发布的石油钻机型式 与基本参数 1 1 规定，在选定钻杆为4 ”( 1 1 4 m m ) 的情况下，钻机分为1 0 0 0 m 、1 5 0 0 m ， 2 0 0 0 m ，3 0 0 0 m ，4 0 0 0 m ，5 0 0 0 m 7 0 0 0 m ，9 0 0 0 m 和1 2 0 0 0 m 等九个级别。 一套钻机一般来说应具有旋转钻井、钻井液循环、钻具起升、动力机组、传动、控 制、底座和辅助设备等八大系统和设备。石油钻机绞车是石油钻机上最关键的设备之一。 它在石油钻井过程中，不仅担负着起下钻具、下套管、控制钻压、处理事故、提取岩芯 筒、试油等各项作业，而且还担负着井架及底座起放任务，是钻机运动转化和速度变化 及维持钻头恒定钻压的重要机构，是钻机的核心部件。 绞车一般由动力机( 电机、柴油机等) 、减速装置( 如减速箱、链条箱等) 、滚筒轴、 离合器( 盘式或气胎式) 、刹车( 3 z 刹车及辅助刹车) 等部件组成。绞车在钻井过程中具 有起下钻具、下套管、控制钻进过程钻压和整体起立井架等功用，它的工作特点是操作 使用频繁，变速范围宽、载荷变化大。 1 1 1 钻井工作对绞车的要求 根据绞车的功用和特点【2 】，一般来说，钻井工作对绞车有以下要求： ( 1 ) 为了保证起升最重的钻具，要求绞车各零部件在强度、刚度满足其使用性能的 前提下，绞车要有足够的功率。 ( 2 ) 为了适应起重量的变化及提高功效，绞车应有足够的起升档数或变速调解范围。 ( 3 ) 绞车滚筒应有足够的尺寸和容绳量。 ( 4 ) 绞车应有灵敏可靠的刹车系统，以便刹住最大载荷，准确调节钻压，均匀送进 钻具。 ( 5 ) 绞车控制部分应便于操作，安全可靠。 1 1 2 钻井绞车类型及特性介绍 绞车的形式多种多样，但主要有以下几种类别： ( 1 ) 从动力上分类，绞车有柴油机驱动，包括柴油机直接驱动和柴油机加液力变矩 器( 或偶合器) 驱动两种型式；电驱动绞车主要包括直流电驱动和交流电驱动两种，直 流又分为直流直流( d c d c ) 和可控硅直流( a c s c r d c ) 电驱动两种，交流又可分为交流 交流( a c a c ) 电驱动和变频器加交流( a c v d f a c ) 驱动两种；液压驱动绞车是通过液力 驱动，即以液压马达为动力来带动绞车( 或液缸举升) 完成钻井作业。 ( 2 ) 从结构上来说，绞车一般有五种类型，即单轴、双轴、三轴、五轴和各为单轴 西安石油大学硕士学位论文 的主、辅绞车等【2 】。双轴绞车是将滚筒和猫头各自装在两根轴上，靠链条联系在一起， 其不足是由于变速机构与传动系统采用了齿轮和链条两种方式，使得管理维修不方便； 三轴绞车能实现独立的三低一高档转速，转盘可通过绞车传动，是目前常用的绞车结构 型式；五轴绞车可以实现正倒多种变速，是重型和超重型绞车的典型方案，但不足是结 构复杂，效率低下；两个单轴绞车是将主滚筒与猫头分开在不同的两个单元上，可高、 低位布置，结构简单，特别适宜于电驱动方式，这在超深井和海洋钻井中应用较多。 ( 3 ) 从变速调解状况分类，一般可分为一档、两档、四档和六档等多种形式。一档、 两档变速多使用在电驱动钻机上，其变速过程主要通过交流变频系统或s c r 控制系统实 现，靠电机反转实现倒档；四档变速一般按内变速2 x 2 = 4 乘法变速机构进行设计，反转 靠电机换向或内部换向装置完成；六档变速按3 x 2 = 6 乘法变速结构设计，多考虑在机械 传动的情况下使用，倒档完全靠齿轮换向装置实现。 1 1 3 钻井绞车的发展趋势 纵观钻机的发展历史，钻机经历了一个由简单到复杂，由自动化水平低到自动化水 平高的发展变化过程，钻井绞车的发展过程也同样如此。随着电子技术、液压气动技术 等新技术的日新月异，石油钻井绞车将会朝着以下几个方面发展【1 7 】： ( 1 ) 进一步向电驱动方向发展。原因是直流s c r 控制和交流变频控制钻机及绞车有 其它许多钻井设备无法比拟的优越性。近几年国内多家厂商生产了大量的直流和交流变 频钻机，从数量上已经超越了西方国家，但技术水平还处于上世纪9 0 年代水平，可靠性 等仍有待进一步验证。目前国外钻机已经朝着数字化网络化方向发展，国内的研究也刚 刚开始。 ( 2 ) 进一步向自动化、智能化方向努力。为了安全、高效、科学、合理的钻井，国 外己开发了液压钻机、全自动钻机等，这对我国今后发展自动化、智能化水平较高的产 品会产生重大的影响。 ( 3 ) 继续向大型化方向发展。美国大陆爱姆斯科公司于1 9 9 7 年开发出世界第一台 5 0 0 0 马力绞车，被誉为第5 代电动提升装置【3 1 ，所以，发展大功率绞车的趋势是必然的， 2 0 0 7 年，宝石机械研制成功世界首台交流变频驱动1 2 0 0 0 米特深井陆地钻机，配备的绞 车功率达到6 0 0 0 马力，中国也成为第二个具有生产配套万米钻机的国家。 ( 4 ) 向分体式、单轴式方向发展。目前，许多钻机的主绞车与猫头绞车采用了分体 结构，分别置于钻机钻台面和后台底座上，由独立的动力机构驱动。单轴式绞车近年来 比较流行，这两种绞车的共同特点是结构简单，体积小，重量轻，便于运输安装等。 ( 5 ) 向系列化、标准化、模块化方向努力。随着国际市场的逐步规范化，钻井设备 向系列化、标准化、通用化等方向发展的趋势是必然的，这有利于增加设备的互换性及 产品性能的稳定性，并能节约大量的生产成本。 ( 6 ) 向高适应性方向发展。由于受沙漠、海洋、极地等钻井条件的限制，要想拓展 第一章绪论 石油开采市场领域，就必须有适应这些恶劣环境和气候的钻井设备，因此，开发高适应 性的钻井设备是今后和未来的必然要求。 1 2 研究的目的和意义 绞车是钻机系统的核心部件之一。随着石油钻并技术的不断发展及钻井工艺的逐渐 完善，人们对钻井设备提出了更高的要求，传统钻机在日新月异的石油生产中暴露出许 多问题，如生产效率低下，不能满足当前环境保护的要求等等。所以，上世纪末期开始， 人们对新型钻机进行了大量的研究和实践，这不仅是工业化生产的要求，也是人性化的 体现，符合当今“以人为本”的思想理念。 知识经济是在经济全球化的背景下的一种以高新技术产业为支柱，以智力资源( 人才 和知识) 为依托的一种崭新的经济。在知识经济时代，一切工业技术和产品都将面临技术 变革加速和产品寿命周期大幅度缩短的挑战。加入世界贸易组织后，国外产品将更容易 进入我国市场。与此同时，进一步开放技术市场，减少或取消技术转让的限制。但任何 国家或地区都不可能独立开发出所有的技术，也不可能在所有的技术领域都处于领先地 位。因此，经济全球化也给一些国家带来了充分利用自己的智力资源，在世界大市场中 抢占一席之地的机遇。我国的石油机械工业参与国际分工，加速国际、国内产品市场一 体化的进程，可以改善我国机械产品的出口环境，促进我国机械产品的升级换代，并有 利于引进技术。 在这种背景下，我国钻井行业要想和国外钻井承包商及其技术服务公司争夺国内钻 井市场，并挤入国际钻井市场，除了保持钻井技术持续高速发展之外，还必须有技术先 进的钻机。跨越发展才能尽快缩小我国石油钻机与国际上先进的石油钻机之间的技术差 距，实现赶超国际先进水平的目标，从而使国产钻机在国际钻机市场上占有相当的份额。 目前，交流变频电驱动以其启动平稳，过载性能强，恒功率调速范围宽，电动机无 电刷火患等优势，已成为当代电驱动钻机的发展方向。国外从2 0 世纪8 0 年代末期开始 将该技术应用到钻井设备以来，由于当时大功率变频器的制约，发展速度缓慢，随着大 功率变频器的商业化生产，该技术在美国等发达国家得到了迅速发展。相比较，我国也 于2 0 世纪9 0 年代中期开始将变频技术引入石油钻机。 在我国使用的陆地钻机中，国产钻机占约8 0 ，而电驱动钻机有9 0 以上为国外引 进的【l5 1 。尽管近几年我国在开发电驱动钻机上已取得了突破性进展，但仍跟不上市场发 展的需要，其主要原因在于：一是由于国内研制电驱动起步较晚，品种太少，数量有限； 二是产品性能上还存在着一定的差异，国产s c r 电动钻机仍处在世界水平的第三代产品 上；三是在交流变频电驱动的研究上我国在变频器的核心技术上没有掌握；四是国产电 动钻机仍存在重量、体积偏大的现象，对于直流防护防爆的要求达不到或无法取得国际 权威认证。 本文选择设计j c 4 0 单轴齿轮绞车是配备于z j 4 0 d b 型钻机的主要部件，它的作用是 西安石油大学硕士学位论文 起升井架、底座起下钻等作业。z j 4 0 d b 钻机采用交流变频技术，是目前替代大庆- - i i 型 钻机的理想方案，其他方案的绞车为多轴绞车，结构复杂，传动链多。为此根据当今技 术的发展与市场的需求，我们研制开发j c - 4 0 单轴齿轮绞车是具有现实意义的。 j c 4 0 单轴齿轮传动绞车研究的主要目的在于： ( 1 ) 满足绞车系列化开发的需要。随着国内研究的深入，开发出适应国内外需要的 系列化变频钻机及系列单轴钻并绞车的趋势是必然的。 ( 2 ) 适应国际市场竞争的需要。随着我国步入世贸组织，要想使国内产品走出国门， 不断增加钻机的中标率，我们就必须尽早着手开发性能先进、技术水平高的产品去适应 市场，参与国际市场竞争，中油长城钻井公司的经验也证实了这一点。 ( 3 ) 从结构形式入手，改变传统思维模式，力求结构新颖，操作简单。逐步改善国 内钻井设备比较陈旧，效率低，体积、重量大，成本高，安装、运输、维修困难的不利 局面。 ( 4 ) 采用世界钻机最新技术，缩小我国与世界发达国家之间的差距，尽早使我国整 体钻井设备进入世界先进行列。 ( 5 ) 满足国内外不同油田地质条件的要求，不断完善适应环境要求的特殊钻机，如 适应沙漠环境的沙漠钻机，适应平原的高运移性车载钻机。 ( 6 ) 满足国内石油勘探开发生产的需要，国内油田目前使用最多的仍然是4 0 0 0 米钻 机，其承担着超过四成的生产油井作业的任务，j c 4 0 单轴齿轮传动绞车将为油田的钻 机增加新品种和活力，更重要的是提高生产效率，减轻工人劳动强度。 ( 7 ) 为国内海洋市场提供国产化先进设备，随着国内海洋油气勘察从滩海向近海及 深水方向发展，国内将迎来海洋石油勘探开发的热潮，j c 4 0 单轴齿轮传动绞车将为海 洋地质勘察船、修钻船提供更加先进的提升设备。 1 3 国内外研究现状 多年来，世界石油钻机绞车一直采用多轴结构和链条传动，绞车总体设计存在着体 积大和质量重等缺点影响了其应用与发展。现代钻机，尤其是海洋钻修设备，都迫切需 要一种体积小和质量轻的新型结构绞车。 1 3 1 国外研究状况 上世纪末，德国、挪威和美国等国家均开发出新型单轴齿轮传动绞车，其优点是体 积小，质量轻，突破了多轴结构和链条传动的传统模式，大大地提高了现代绞车的技术 经济指标。这种新型绞车在钻井实践中取得了较好的作业效果和较高的经济效益，具有 广阔的发展前途【l l 】。 ( 1 ) 德国新型单轴齿轮传动绞 9 0 年代中期，德国w i r t h 公司研制出3 种规格单轴齿轮传动绞车，近两年又开发了 4 第一章绪论 2 种，形成了g h l 0 0 0 e g 、g h 2 0 0 0 e g 、g h 2 5 0 0 e g 、g h 3 0 0 0 e g 和g h 4 0 0 0 e g 等5 种 规格单轴齿轮传动绞车。绞车基本参数分别为：大钩提升载荷1 4 5 4 、4 9 2 9 、5 6 1l 、8 5 3 6 和9 0 5l k n ；输入功率7 3 5 、1 4 7 0 、1 8 3 8 、2 2 0 5 和2 9 4 1 k w ；大钩最大提升速度1 8 0 、1 9 7 、 1 7 3 、1 6 9 和1 6 2 m s ；最大钻进速度6 9 、7 5 、5 6 和4 8 m h ；自动送钻装置的最大载荷 13 6 6 、2 8 2 7 、3 2 2 3 和2 5 0 0 k n 。 ( 2 ) 挪威新型单轴齿轮传动绞车 近几年来，挪威m a r i t i m eh r i l i e s 公司开发了m h 5 0 0 2 0 型单轴齿轮传动绞车，在海 洋油田钻井作业，取得了较好的使用效果和经济效益。绞车基本参数：输入功率2 0 0 0 k w ； 滚筒直径长度1 2 7 3 m m x l 5 1 0 m m ；滚筒最高工作转速3 0 0 r m i n ；快绳拉力载荷5 0 0 k n ； 快绳最高速度2 0 m s ；液控盘式刹车的刹车盘直径2 2 2 0 m m ；液压动力源压力和排量 3 5 m p a 和3 5 0 0 l m i n ；外形尺寸( 长宽x 高) 5 2 5 0 m m 2 8 3 0 m m 3 0 4 0 m m ；质量3 4 0 0 0 k g 。 ( 3 ) 美国新型单轴齿轮传动绞车 近年来，美国c o n t i n e n t a l e m s c o 公司在原有e l e c t r o h o i s ti i e 型和e l e c t r o h o i s ti i i 型 绞车的技术基础上，开发成功世界最大功率e l e c t r o h o i s tv 型单轴齿轮传动绞车，适用于 超深井和特深井钻井作业，也适用于深海地域钻井作业。 e l e c t r o h o i s tv 型绞车的优点是：钻井性能好，适应各种现代钻井工艺的需要；有充 足的功率配备，钻井效率高，速度快，时效高，具有较好的钻井经济效益；采用单轴结 构和齿轮传动，体积小，质量轻，振动小，噪音低，传动平稳，维护保养简单方便；自 动送钻性能好，钻井质量高；多种型式刹车并用，刹车能力强，效果好，钻井安全可靠。 绞车的基本参数：输入功率3 7 3 0 k w ；钻井深度6 0 9 6 m 以上；活绳最大拉力载荷9 6 6 7 6 k n ； 滚筒直径长度1 2 1 9 m m x2 4 3 8 m m ；大钩最大提载荷1 0 2 2 0 k n ( 有效绳数为1 4 时) 和 l1 2 6 0 k n ( 有效绳数为1 6 时) ；液控盘式刹车刹车盘直径2 4 3 8 m m f l 6 】。 美国国民油井公司开发的新型单轴齿轮传动绞车，采用a c s c r d c 电驱动型式， 由2 台8 4 3 k w 的d c 电动机提供动力。每台电动机均通过挠性联轴节与变速齿轮箱相联 接，变速齿轮箱有3 个挡，再加上d c 电动机调速，可获得较满意的大钩提升速度。变 速齿轮箱利用液压盘式离合器进行挂合和打开。采用液控盘式刹车，可代替原有带刹车 系统。绞车的全部操作均集中在司钻台上，并有各种钻井测录仪表显示实时数据。司钻 可以根据指示的大钩载荷，利用控制手柄来选择绞车挡数，操作相当简单方便。若发生 司钻操作失误或大钩载荷超过额定载荷时，司钻操作台上均有显示，可使司钻及时纠正， 选择更合适的挡位。 绞车采用的自动送钻装置，是一种恒钻压自动钻井方式，可实现钻压值的精确调节。 钻井速度为0 4 2 m h 。这种自动送钻装置除可用于自动送钻之外，还可用于在动力机或 绞车出现故障停机时，以较慢的速度将2 2 5 吨以下大钩载荷的井下钻具提起，防止井下 可能发生的各种事故。 这些新型单轴齿轮传动绞车的优点是：钻井安全可靠，使用寿命长，运转率较高， 西安石油大学硕士学位论文 事故和停机时间较少，钻井速度快，适应性较强，可钻各种高难度井；提升速度较高， 变速范围较宽，可满足各种现代钻井工艺的需要；绞车在工作时的振动较小，噪音较低， 可减少对周围环境的污染；装备的投资费用较低，维护保养费用较少。 上述国外4 家公司研究开发的单轴齿轮传动绞车具有以下特点： ( 1 ) 绞车适用于a c s c r d c 电驱动、a c 变频电驱动和液压驱动，不适用于机械驱 动。 ( 2 ) 绞车适用于多电动机或多液压马达传动，不适用于单电动机或单液压马达传动。 ( 3 ) 绞车只有l 根滚筒轴，动力经过齿轮变速箱之后，从滚筒的- b y 或两侧传动绞 车。 ( 4 ) 电驱动绞车采用2 挡到4 挡齿轮变速箱，液压驱动绞车采用1 挡或4 挡齿轮变 速箱。 ( 5 ) 采用液控盘式刹车或计算机控多盘刹车。 ( 6 ) 采用自动送钻装置。 ( 7 ) 除德国w i r t h 公司绞车之外，其余3 家公司绞车均取消了电磁涡流刹车。 1 3 2 国内研究状况 1 9 5 7 年以来，我国石油钻机技术大体上经历了仿制和在引进消化再创新两个阶段。 目前己形成年生产钻深1 0 0 0 1 2 0 0 0 米的各种陆地及7 0 0 0 米以下海洋石油钻机4 0 0 台的 生产能力，并开发了可用于斜井和丛式井以及沙漠地区钻井用的钻机、项部驱动、盘式 刹车和交流变频驱动三项新技术，基本上跟上了国外钻机技术发展的步伐【8 1 。 我国目前钻深1 0 0 0 1 2 0 0 0 米的电驱动钻机已经形成系列，具备生产1 0 0 0 - 7 0 0 0 米机 械传动、直流电传动、顶部驱动陆地、沙漠、海洋等各种成套钻机的能力。全国目前有 9 0 0 多台大中型钻机，其中8 7 都为国产。近些年来，我国的石油钻机已经在国际市场 上占有举足轻重的地位。除了直接出口之外，目前三大公司为了获得海外份额，已经有 2 0 0 多套钻机带到海外打井，主要以中石油长城钻井公司为主。 ( 1 ) 国内钻机发展水平 1 ) 成套石油钻机具备国际竞争力： 2 ) 国产电驱动钻机发展迅速； 3 ) 钻机在适应性、成套性、品种多样性和系列化、自动化、智能化等方面与发达国 家还有一定差距： 4 ) 国产钻机特别是机械钻机的维修时间占生产总时间的5 1 0 ，而美国只占 2 一3 ： 5 ) 适应沙漠、戈壁、沼泽、极地等条件的钻机研制才刚起步； 6 ) 需要加大发展小井眼石油钻机、连续管石油钻机、自动化石油钻机等先进钻井设 备的投资，推广车装钻机，发展撬装及拖挂钻机。 6 第一章绪论 ( 2 ) 国内钻机的主要差距 从整体上看，与国外钻机相比，主要表现在以下几方面的问题引。 1 ) 技术更新缓慢，先进技术不够普及 不少钻机超期服役，严重老化，约有5 0 的国产钻机的新度系数在0 3 以下( 含0 3 ) 。 根据2 0 0 5 年的数据，中油集团公司已更新钻机6 5 台，占钻机总数的1 0 。电驱动钻机 在国产钻机中所占比例虽己从1 9 9 8 年的2 8 9 增加到6 8 ，但仍远远低于国外水平。 2 ) 产品的可靠性差 美国钻机配用的柴油机大修周期不小于2 4 万3 万小时，而我国钻机配用的柴油机 大修周期只有l 万1 5 万小时。国产钻机可靠性差的主要原因在于基础部件质量相对较 差，所以国产电驱动钻机仍然采用c a t 柴油发电机组。 3 ) 国内企业恶意竞争，市场混乱 我国出口的钻机均有不同的质量问题，甚至曾出现了外商因质量问题大批退货的事 件，严重影响了我国石油装备业的声誉，从一个侧面也反映出国内石油装备企业制造水 平良莠不齐，恶性竞争的现实。随着金融危机的来临，国内钻机制造企业也面临一次洗 牌。只有经历阵痛才能使真正有实力的企业和好的产品立于世界市场之中。 在我国中型钻机中，4 0 0 0 m 钻机是市场拥有量最多的机型之一，其中大部分采用动力 机组加链条传动箱方式【l9 1 。即机械驱动的4 0 0 0 米钻机，其形式有如下几种：a 全机械 驱动z j 4 0 l 钻机，采用两台或三台柴油机加液力耦合器( 正车箱) 或液力变矩器为动力， 通过整体链条箱并车后驱动绞车和泥浆泵，再由绞车通过爬坡万向轴驱动转盘。b 罗马 f 2 2 0 型钻机，该型钻机是上个世纪7 0 年代产品，技术落后，濒临淘汰。它采用开式链 条传动，转盘有两级链条传动并爬坡，安装困难，维护费用高。c 大庆i i 型钻机，原为 苏联产，后由宝石厂和兰石厂合作生产了几百台这样的钻机，它采用三台柴油机皮带并 车，爬坡后驱动绞车和转盘，绞车为三轴链条型绞车，离合器换档形成四档，该设备已 使用2 0 余年。其技术性能已经不适用于工业技术的发展【2 0 1 。d 复合驱动钻机，即钻机 后台传动和z j 4 0 l 钻机相同，转盘采用独立驱动形式，由直流或交流电机经一档或两档 链条箱或齿轮箱驱动。复合驱动式钻机具有先进性与经济性、适应面广和改造升级快的 特点【2 1 l 。该类型钻机的最大优势在于采用了电驱动转盘，实现了转盘的无级调速，钻机 性能大大提高，并且绞车都设置了自动送钻装置，提高了钻机的自动化水平。 国内钻井公司为了拓展海外钻井市场，自营钻机出国承包钻井，在国内准备了数量较 多、配套齐全、性能先进的国产电驱动钻机【2 2 1 。其中直流电驱动4 0 0 0 米钻机，z j 4 0 d 钻机采用三台发电机组作为主动力，发出的6 0 0 v ，5 0 h z 交流电经s c r 柜整流后变为 0 - 7 5 0 v 直流电，分别驱动为j c 4 0 d 绞车、z p 2 7 5 转盘和f 1 3 0 0 泥浆泵提供动力的串励 直流电动机；绞车由2 台电机驱动；转盘由l 台电机采用独立驱动；2 台泥浆泵各由2 台电机驱动。a c s c r - - d c 驱动方式是目前钻机最好的驱动传动方式之一，通过对直 流电机的功率，扭矩特性和绞车所需的功率分析，扭矩特性好的直流电机只能在恒功率 西安石油大学硕士学位论文 调速范围内工作时，才能符合绞车的功率与扭矩特性【2 3 1 。 随着钻井工艺与钻井市场的发展，新型交流变频钻机的需求愈来愈大【2 引，其中交流 变频4 0 0 0 m m 钻机，z j 4 0 d b 钻机柴油发电机组作为主动力，发出的6 0 0 v 、 5 0 h z 交流 电经变频单元( v f d ) 分别驱动带绞车、转盘和泥浆泵的交流变频电动机。转盘采用独立 驱动方式，绞车由两台6 0 0 k w 高速交流变频电机驱动，经一档二级斜齿轮减速箱减速后， 驱动单滚筒，绞车主刹车采用单端面液压盘式刹车，辅助刹车采用电机能耗制动。转盘 由一台4 0 0 k w 的交流变频电动机驱动。2 台泥浆泵各由l 台8 0 0 k w 交流变频电机驱动1 2 5 。 j c - 4 0 单轴齿轮绞车是国内为z j 4 0 d b 钻机而研制开发的全新的绞车，采用了多项当 前具有国际先进水平的技术【2 酬。目前国内钻机所配备绞车以链传动居多，如2 0 0 0 h p 直 流绞车，采用四排l1 2 ”链条和双排2 ”链条驱动，为四轴两档绞车。另外气胎换档绞车 也是链条驱动，有4 档和6 档绞车，但都属多轴绞车，结构复杂，外形尺寸偏大，以柴油 机为动力的绞车，多为4 档或6 档，靠机械换档增加绞车的调速范围，使绞车和转盘获 得理想的转速和扭距。同样，国内4 0 0 0 米钻机配备的绞车为三轴绞车，分为气胎离合器 换档和拨叉换档，倒档均由倒档齿轮实现，气胎换档绞车为4 正2 倒档，拨叉换档绞车 为6 正2 倒档。无论气胎还是拨叉均由气动实现换档。装配、调试和维修的工作量都相 应较大。 直流电动钻机电动机的恒功率调整范围d x ( r = 1 2 1 3 ) ，为了扩大调速范围，绞车也 要设4 个挡；交流变频电动钻机绞车的恒功率调速范围很宽( i 净2 3 ) ，所以绞车可设计成 单速单轴绞车，它是随着交流变频调速技术的成功应用而诞生的一个新生事物，其结构 简明，纵向尺寸小，占地面积小，便于运移。但是，有关单轴绞车的输入功率配备是一 个全新的问题，值得探讨。宝石j c - 4 0 单轴齿轮绞车配备了两台6 0 0 千瓦变频电机，经 验证明是有效的、可靠的，能够更好的完成钻井工艺需要的绞车功率【2 7 1 。 j c - 4 0 单轴齿轮绞车采用交流变频驱动和再生发电制动绞车的技术( 能耗制动) ，钻 机绞车具有变频调速和再生发电制动的工作特性，了解电动机再生发电制动的工作原理 和过程，进而利用再生发电制动技术在钻机绞车上应用，具有无可比拟的优越性：( 1 ) 可 使电动机在四象限运行，方便地实现电动机的正转、反转、加速、减速、制动等；( 2 ) 能 够可靠地实现绞车的防上碰下砸的保护功能；( 3 ) 可以方便地实现绞车的自动送钻功能； ( 4 ) 可以实现数字控制和异常情况的紧急刹车；( 5 ) 减轻了配套使用的盘式刹车的工作量和 摩擦片的消耗；( 6 ) 在海上钻井平台，可容易地实现升程自动补偿；( 7 ) 简化了绞车结构， 减少了维修保养的工作量。另外从机电一体化的角度来看，钻机绞车在矢量变换变频调 速下的机械特性容易控制并实现，通过绞车三相异步电机矢量变换控制的工作原理，绞 车电机在电动运行和再生发电运行状态下的能量传递过程，使钻机具有能耗制动的特性， 近年迅速发展起来的交流变频钻机绞车的均采用这一技术【2 8 j 【2 引。 随着当前钻机模块化和运移行的要求越来越高，如何提高钻机及其设备的模块化， 从而提高运移行，或者采用整体移动技术是近年来的一种研究方向。石油钻机用户也日 第一章绪论 益提出多样性、适应性的需求，为了达到钻机的模块化及绞车模块化，从而使钻机装卸 运输的模块化成为可能。j c - 4 0 单轴齿轮绞车的出现可以成功解决这一技术难题，绞车 可以由自背车运输，也可以在运移时直接和钻机底座由办拖挂车整体运输，在油田运用 后得到良好的效果，特别适于沙漠、隔壁地区。 1 4 主要研究内容 随着我国石油消耗量的逐年递增，每年进口石油愈来愈大，对原有油气区块的重新 评估及开发更显重要，科学钻探以及科学钻井工艺技术的发展，迫切需要性能先进、自 动化水平高的新型深井钻井装备。交流变频电驱动钻机是理想的钻井装备，以其先进的 技术、简化的结构、优异的输出特性以及良好的适应性和可靠性、安全性，深受用户欢 迎，已成为深井钻机的发展方向，其应用越来越广泛。 所以本文在学习和研究了许多国内外典型和新型结构钻井绞车的基础上，通过逐步 探索，设计j c - 4 0 单轴齿轮传动绞车。在设计研究中，主要做了以下工作： ( 1 ) 对绞车的组成、类型、性能特点等进行概要介绍，明确阐述了绞车今后的发展 方向及开发设计j c - 4 0 型绞车的目的、意义，同时对国内外钻井绞车的研究状况进行了 必要的分析介绍。 ( 2 ) 介绍了绞车功能，对组成绞车各主要单元部件的结构和性能特点进行了对比、 分析和选择，并在此基础上设计了几种绞车传动方案，对这几种方案的结构组成进行了 介绍，并对各方案工艺性、可靠性、经济性、技术性、安装运输维修性、标准化、通用 性等进行了综合分析，从中选出了最优方案，对其进行了可行性分析。 ( 3 ) 完成了绞车参数设计，确定了绞车总体参数，并先后对组成绞车主要单元如滚 筒、变速箱、主刹、离合器等技术参数进行了较为详细的设计计算。 ( 4 ) 对绞车总体结构、主要组成部件及关键零件等进行了比较详细的设计，确定了 绞车总体结构尺寸和重量。 ( 5 ) 完成了绞车主要组成零件的强度设计，尤其对滚筒轴、变速箱输出齿轮等关键 零件进行了模型简化、载荷分析、应力分析、静强度分析、疲劳强度分析及可靠性分