（机械工程专业论文）sg5250txj修井机分动箱设计.pdf

7， ， 螺 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：日期：年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交、赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存 学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 年月日 年月日 摘要 石油修井机是油田油井建立产液通道和完成采油工艺要求或油气水井发生故障，造 成油井减产甚至停产时进行修井作业的关键设备。本文介绍了国内外修井机的技术现状 及发展趋势，针对胜利油田孚瑞特石油装备有限责任公司生产的s g 5 2 5 0 t x j 修井机使用 过程中所发现的问题，应胜利石油管理局临盘采油厂( 原临盘作业大队) 的要求对其传 动系统的技术改造方案进行了确定。该方案为：选用b y 3 5 0 变矩器替代w g l 8 0 变速箱， 重新设计一台分动箱，改变整个动力传动系统，彻底提高整车的性能，满足用户的使用。 根据改造方案，设计出了分动箱的具体结构，对主重要零部件进行了设计计算和强度校 核，并对分动箱整体结构进行了干涉分析和有限元强度计算。所设计的分动箱通过在临 盘采油厂的进行实际运用和试验，验证了其结构的合理性、性能的可靠性，最终实现了 技术改造的预期目的。 关键词：石油修井机；分动箱；设计计算 d e s i g no fs g 5 2 5 0 t x j w o r k o v e rr i gt r a n s f e rc a s e z h a n gj i a n ( m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x ux i n g p i n g s e z h a ih u i n i n g a b s t r a c t w e l ls e r v i c eh o i s ti st h ek e ye q u i p m e n to fw o r k o v e r t r e a t m e n tw h e nt h eo i lw e l lw h e nt h eo i lc u to r s t o pp r o d u c t i o nb e c a u s eo fo i l f i e l dp r o d u c e d f l u i dc h a n n e lt oe s t a b l i s ht e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sa n dt i l e c o m p l e t i o no f o i lw e l l so rg a sf a i l u r e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et e c h n o l o g ys t a t u sa n dd e v e l o p m e n t t r e n do f w e l ls e r v i c eh o i s to fd o m e s t i ca n df o r e i g n s g 5 2 5 0 t x jw o r k o v e rr i g i st h ep r o d u c t i o no fs h e n g l i o i l f i e i df r e e tp e t r o l e u me q u i p m e n tc o ，l t d ，f o rt h er e q u i r m e n to fs h e n g l ip e t r o l e u ma d m i n i s t r a t i o n s h o u l dl i 印锄o i le x t r a c t i o np l a n t ( f o r m e r l yp r od i s ko p e r a t i n gt e a m ) ，w ed e t e r m i n e dt h e t r a n s f o r m a t i o n p r o g r a mo fi t s t r a n s m i s s i o ns y s t e m t h ep r o g r a mi s ：w ec h o o s e db y 3 5 0t o r q u ec o n v e 懈褐t h e 托p l a c e m e n to fw g 18 0t r a n s m i s s i o nt or e d e s i g n at r a n s f e rc a s ea n dc h a n g et h ee n t i r ed r i v e t r a i n , 廿l o r o u g h l yt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l e ，m e e tr e q u i r m e n t o ft h eu s e r s f o l l o w i n gt h e t r a n s f o r m a t i o np l a n , w ed e s i g n e dt h es p e c i f i cs t r u c t u r e o ft h et r a n s f e rc a s e ，i t si m p o r t a n tp a r t sw e 陀 d e s i g n e da n dv e r t i f i e d w ea n a l y s i s e dt h es t r u c t u r eo fw h o l et r a n s f e rc a s e ，i n c l u d i n g i t sn e 疵r e n c e a n a l y s i sa n df i n i t ee l e m e n ts t r e n g t hc a l c u l a t i o n t h ed e s i g n e dt r a n s f e rc a s e w a st e s t e dt h a ti t s 蝴r ew 舔 r a t i o n a l i t ya n di t sp e f f o m a n c ew a sr e l i a b l et h r o u g ht h ee x a m i n a t i o ni nl i n p a n o i le x t r a c t i o np l a n t , w e c h i e v e do u ra n t i c i p a t i o no f t e c h n i c a ir e c o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：w e l ls e r v i c eh o i s t ；t r a n s f e rc a s e ；d e s i g nc a l c u l a t i o n s 目录 第1 章前言 1 1 1 引言 l 1 1 1 修井作业的主要内容 l 1 1 2 一般修井机的基本结构特点 l 1 1 3 目前我国修井机主要种类 3 1 2 国内外修井机技术现状及发展趋势 4 1 2 1国外( 美国) 修井机的主要特点5 1 2 2 国产修井机的特点 6 1 2 3 国产修井机发展趋势 7 1 3 选题来源、目的及研究意义 8 1 3 1 选题的来源一 8 1 3 2 选题的目的和研究意义l o 第2 章分动箱设计计算 l l 2 1 分动箱设计方案的确立 1 l 2 1 1 设计要求 1 1 2 1 2 分动箱结构形式的选择 1 1 2 2 分动箱主要零部件设计计算 1 3 2 2 1 传动齿轮的设计和强度校核 1 3 2 2 1 1 传动齿轮的设计1 3 2 2 1 2 传动齿轮的强度校核 1 3 2 2 1 3 传动齿轮参数的确定 1 7 2 2 2 轴的设计 1 7 2 2 2 1 轴的材料选择 1 7 2 2 2 2 轴的校核 1 8 2 2 2 3 轴的结构设计 2 0 2 2 3 轴承的选择与校核 2 l 2 2 3 1 轴承型号的选择2 1 2 2 3 2 轴承寿命计算2 2 2 2 4 分动箱箱体的选择和设计 2 3 2 2 4 1 分动箱箱体结构设计 2 2 4 2 分动箱润滑形式的选择 2 3 分动箱干涉分析与有限元强度计算 2 3 1 箱体的实体造型设计 2 3 2 分动箱的干涉检查 2 3 3 分动箱的有限元分析 2 3 3 1 有限元建模的准则 2 3 3 2 有限元模型的建立 2 3 3 3 有限元分析结果 2 3 4 结论 2 4 分动箱现场应用验证 第3 章结论 3 1 本选题的创新点 3 2 结论 参考文献 攻读硕士学位期间取得的学术成果 致谢 犸 抖 m m 拍 卯 ” ” 凹 儿 弛 鹑 弘 弱 弘 撕 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第1 章前言 1 1 引言 在石油与天然气勘探开发的各项施工中，修井作业是一个重要环节。油田油井建立 产液通道和完成采油工艺要求进行修井作业；油气水井在自喷、机械采油或注水、注气 过程中，随时有可能发生故障，造成油井减产甚至停产时也必须进行修井作业。诸如： 油井下沙堵、井筒内严重结蜡、结盐、油层堵塞、渗透降低、油气水互通、生产油层枯 竭等油井本身的故障：油管断裂、油管连接脱扣、套管挤扁、断裂、和渗漏等油井结构 损坏；抽油杆弯曲、断裂和脱扣、抽油泵工作不正常等井下采油设备故障。这些故障都 需通过井下作业来进行排除。更换井下设备，调整油井参数，恢复油井正常生产等均需 要作业设备完成。石油修井机是实现修井作业的关键设备。 1 1 1 修井作业的主要内容 ( 1 ) 、起下作业，如对发生故障或损坏的油管、抽油杆、抽油泵等井下设备和工具提 出、修理更换、再下入井内，以及抽吸、捞沙、机械清蜡等。 ( 2 ) 、井内的循环作业，如冲砂、热洗、循环泥浆及挤水泥等。 ( 3 ) 、旋转作业，如钻沙堵、钻水泥塞、扩孔、重钻、侧钻及修补套管等。 ( 4 ) 、建立油井产能通道。 1 1 2 一般修井机的基本结构特点 一般修井机的基本结构主要有动力部分、传动部分、绞车部分( 包括井架、游动系 统) 、液、气、电控制系统，自走底盘、辅助部分，如水刹车( 盘式刹车) ，液压小绞车、崩 扣液缸( 液压锚头) 、钻台( 包括转盘，水龙头) 等。 ( 1 ) 修井机的动力一般采用高速柴油机，在动力的配置上又分为单发动机和双发动机， 单发动机为车上，车下共用，双发动机分为车上，车下共用两台发动机和车上，车下各由 一台发动机供给动力。 ( 2 ) 传动部分一般采用发动机和液力机械变速箱直接连接，如果车上车下共用两台发 动机，那就需要一个分动箱，液力机械变速箱和分动箱、角传动箱之间用传动轴连接，然 后通过链条和捞砂滚筒或主滚筒连接，再通过链条到转盘角传动箱，爬坡链条箱到转盘。 也可由分动箱通过传动轴直接到爬坡链条箱到转盘。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第1 章前言 捞砂滚筒、主滚筒、转盘一般采用气动轴向气囊推盘离合器控制，也可用气动胎式 离合器控制。 ( 3 ) 绞车分为单滚筒和双滚筒，单滚筒为只有一个主滚筒，双滚筒则为主滚筒和捞砂 滚筒，主滚筒为了排绳整齐采用了“里巴斯 绳槽。 井架一般采用高强度角钢焊制，中空桁架结构，大吨位修井机的井架也可用高强度 矩型管焊制，井架可根据修井机型号不同有一节、两节的分别。小吨位的修井机采用一 节井架，如s j l 5 0 。两节井架中的第二节一般用液压油缸顶出。 天车大都采用“班德轮 式结构，这种结构可防止大绳打扭。 游车大钩由游车和大钩两部分组成，二者用销轴连结。 ( 4 ) 在修井机中有两套各自独立的液压系统，主液压系统和液压转向助力系统。 a 、主液压系统的主要作用是修井机到井场就位后，调平车辆和井架的立放，及辅助 作业如液压小绞车，崩扣液缸，液压钳等。 b 、液压转向助力系统，用于车辆行驶时减轻驾驶员转动方向盘的力量。 ( 5 ) 修井机中气路系统主要起控制作用，如各离合器接合及脱开、发动机的油门、变 速箱的换档、液压泵的控制、修井机行驶时油门、换档及刹车的控制。 ( 6 ) 电气系统的作用，主要是供给车辆的仪表显示，车灯及发动机起动用电，为2 4 伏 直流电。 ( 7 ) 自走底盘，优化设计专用底盘，具有车身短，转弯半径小，机动灵活的优点，越野能 力强，适应泥泞，戈壁，山区，滩涂等复杂道路行驶，选用重型车桥，桥载能力大，前桥采用 液压助力转向，操作轻便，平头单坐金属驾驶室，视野开阔。 ( 8 ) 辅助部分： a 、钻台包括转盘、水龙头，是油水井的大修及钻井的关键设备，它的传动有链条传动 和传动轴直接传动。 b 、水刹车( 盘式刹车) 在大吨位修井机中用于下钻时减慢钻具的下降速度，减轻刹车毂 及刹带的磨损。 c 、液压小绞车，用于起吊工具，配合施工。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 d 、崩扣液缸( 锚头绞车) ，用于卸扣( 崩扣) 。 1 1 3 目前我国修井机的主要种类 ( 1 ) 、常规修井机 用于平原、丘陵、山地、戈壁、沙漠边缘( 包括有公路通达的沙漠腹地) 基本型式的 修井机，经过2 0 多年的持续开发，已经形成额定钩载2 0 01 5 0 0 k n ，最大钩载5 0 0 1 8 0 0 k n 完整的产品系列，主要产品型号有x j l 5 0 、x j 2 5 0 - - - x j 7 5 0 、x j l 0 0 0 ：x j 2 0 、 x j 4 0 、x j l 3 5 、x j l 5 0 。在产品系列上与美国已无差异。 常规修井机多为车载式，采用专用底盘( 少数额定载荷6 0 0k u 以下的小吨位修井 机也采用通用二类底盘) ，满足前后桥驱动形式，车桥数从2 桥至7 桥，液压助力转向， 双管路制动。行驶和作业共用一套动力系统，多采用车台柴油机+ 液力机械传动箱。 大吨位修井机( 女i x j l 0 0 0 ) 采用双机并车，以保证较大的输出动力；小吨位修井机 有底盘柴油机全功率取力，配液力变矩器和机械变速箱或纯机械变速箱的方案。中型 以上修井机配置转盘旋转系统。控制系统采用传统的液、气、电控制方式，整体上处 于手动操作阶段，与钻机相比还存在相当大的差距。 ( 2 ) 、海洋修井机 国内厂家为海洋采油平台设计配套修井机始于1 9 9 6 年。中海油天津分公司、湛江分 公司、深圳分公司、中石化胜利油田的在用海洋修井机已超过3 0 台套。 海洋修井机分平行和垂直2 种布置方式，多采用柴油机配液力机械传动箱，使用塔 形井架或直立套装无绷绳井架。已经形成最大钩载9 0 0 k n 、11 2 5 k n 、1 3 5 0k n 、1 5 8 0 k n 、 l 1 8 0 0 k n 和2 2 5 0 k n 的产品系列，修井深度最大达7 5 0 0 m ( 3 2 英寸钻杆) 。制造厂家已 具备完全配套能力，即除主机外，依据海洋作业环境和平台提供的条件，对钻井泵及 钻井液净化系统、井控系统、油气水电供给系统、井lit _ 具等综合配套，成套交付使 用。国产海洋修井机完全能够替代国外产品。2 0 0 4 年为科麦奇中国有限公司 k m g h x j l 8 0 d b 海洋修井设施是国内首次开发的变频电驱海洋修井成套设备。传动方式 为a c v v v f v c ( 绞车、转盘) a c s c r d c ( 钻井泵) 。单滚筒绞车，配风冷液压盘式刹车 了应力测试系统，能便捷地进行实物测试，将测试能耗制可实现自动送钻。井架首次 采用前开i l k 型直立套装自升式无绷绳井架，分为5 段，靠绞车动力带动大钩将底座以 上各段依次提升到位。有效工作高度达4 1 m ，满足平台吊机能力，底跨( 正面x 侧面) 为 5 m x 4 6 m ，司钻视野和操作空间开阔。此套设施在完善已有设计基础上应用多项新技术， 3 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第1 章前言 代表了海洋修井机的发展水平。 ( 3 ) 、特殊修井机 国内厂家和研究机构在常规修井机的基础上，研制了沙漠修井机、液压蓄能修井机、 修井洗井车、不压井修井机等特殊产品。沙漠修井机为单滚筒车装自走式，采用重载车 桥和大型沙漠轮胎，全轮驱动。最大钩载1 5 8 0 k n ，配功率5 3 0 k w 柴油机，柴油机和空 压机的空滤系统特殊配置适用于风沙环境。内循环强制水冷绞车系统，适用于干燥高温 条件。设计中考虑配套装置模块化，便于搬迁和安装。 液压蓄能修井机以节能环保为出发点，取消井架、游车、天车、绞车、变速传动装 置等常规修井机的传统部件，配置简化，大幅度降低修井机的功率。1 9 9 4 年试制出第 一台原理实验样机，2 0 0 1 年工业机投入使用。解决了有效蓄存能量、有效利用能量、 能量的输出与回收等关键技术问题。在用主要机型为x x j 3 0 0 5 0 0 ，大钩提升力 3 0 0 5 0 0 k n ( 5 0 0 k n 用于处理事故) ，装机功率4 5 k w ，使用井场电网电力。 修井洗井车集修井和洗井两种功能为_ 二体，钻井泵装在车上，车台柴油机驱动绞 车、钻井泵，也是底盘行走的动力。配备液压转盘，作业功能齐全。钻井液管汇直接 与立管连接，减少作业面积和作业准备时间。在用机型为x j c 3 5 0 s x j 2 5 0 p ，车台柴油 机功率3 0 0 k w ，额定钩载7 5 0 k n ，钻井泵最大工作压力2 0 m p a ，最大排量1 9 l m i n 。 我国特殊修井机无论是种类和性能，还是使用范围，与北美地区相比都有明显差 距。如国外不压井作业技术已处于很高水平，配套设备相对成熟，而国内还处在开发 不压井修井设备的初级阶段，已经开发的样机还存在诸多问题。 综上所述，我国修井机的发展经历了技术引进、消化吸收、创新开发的磨炼，实现 了从陆上到海洋、从国内用户到国际市场的跨越。在综合制造方面，部分技术已走到 世界的前列，但在技术创新、特殊用途产品的开发方面，还有一定的差距。期望再用 不到2 0 年时间，我国修井机不仅在数量和品质方面，而且在品牌影响力方面都走在世 界的前列。 1 2 国内外修井机技术现状及发展趋势 国外生产修井机的主要厂家集中在美国、加拿大、罗马尼亚、俄罗斯等国家。国内 各油f f l 目前使用的进口修井机绝大部分是美国生产的，从技术水平来看，美国石油修井 机代表着当今世界修井机的发展方向。 我国修井机的发展经历了技术引进、消化吸收、创新开发的磨练，实现了从陆上到 4 中国石油大学( 华东) = i = = 程硕士学位论文 海洋、从国内用户到国际市场的跨越。在综合制造方面，部分技术已走到世界的前列；但 在技术创新、特殊用途产品的开发方面，还有一定的差距。国内的第四石油机械厂及南 阳石油机械厂是最具代表性的厂家，它们在广泛吸收国外先进技术的基础上，先后研制 出具有自主知识产权2 0 t 1 8 0 t 石油修井机系列产品，部分技术达到了国际先进水平，在 国内各大油田得到广泛应用，并已实现部分批量出口，在国际市场上也占据了一席之地。 1 2 1 国外( 美国) 修井机的主要特点 ( 1 ) 钩载和功率储备系数大 最大钩载和最大钻柱重量之比大于等于2 ，以提高修井机解卡能力和下管柱能力， 节约解卡时间，而不必采用分段下管柱工艺。 ( 2 ) 传动系统合理紧凑 美国陆地用修井机均为自走式，为分离驱动型式，车上车下共用一台或两台柴油机， 经济性好，便于布置。采用a l l i s o n 液力传动箱，传动平稳柔和，在一定转速范围内可 实现无级变速，简化传动系统和绞车结构，减轻绞车重量。 ( 3 ) 绞车设计合理 美国修井机绞车采用密封框架式绞车架、飞溅润滑链条传动，绞车底座侧面设置刹 带磨损指示器，可随时检测出刹带磨损情况，以便及时调整和更换。滚筒上带有里巴斯 ( l e b u s ) 绳槽板，采用水刹车为辅助刹车，并开始应用先进的盘式刹车系统。 ( 4 ) 运载车结构简单 美国的修井机运载车多采用后双桥驱动，泥泞道路挂前桥( 单桥) ，无桥间减速箱， 结构简单，但越野性较差，不适合中国的路况。 ( 5 ) 井口操作自动化程度高 美国修井机井架采用液压起放及伸缩，配置动力油管钳、液压锚头、液压小绞车、 液压钢丝绳剪断器及引绳器，以提高修井效率。特别是配置了液压锚头，即在井架上设 置了卸扣液压缸，通过钢丝绳和大钳上卸扣而不用工人拉锚头，省力安全。一部分修井 机配置了立柱自动排放机械手，以及替代井口工的机器人，正逐步实现修井机械化、自 动化。 ( 6 ) 故障率低 平均无故障工作时间长，零部件互换性好，便于维修。 ( 7 ) 操作方便、安全可靠 5 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第1 章前言 1 2 2 国产修井机的特点 ( 1 ) 5 0 t 以下修井机 主要用于油气井的检泵、起下作业。5 0 t 以下修井机因其移运频繁，多为车装式，使 用专业汽车制造厂提供的可靠性好的二类越野底盘，以适应油田井场泥泞道路；通过全 功率取力器，使移运和作业共用一台柴油机。但使用现有的底盘时车上布置常常比较困 难，前桥容易超载。 5 0 t 以下修井机也有自走式的，使用拼装底盘，其优点是车上布置比较自由，前桥 可选用大负荷桥和轮胎，负载情况较好，但一般较昂贵。 也有在二类底盘上加装一台柴油机，单独用于修井机作业，但这种型式常造成前桥 过载，且购置费用高，已基本不采用。 中小修井机的一项技术进步是采用了原来只用于大型修井机的液力+ 机械传动，这 种动力型式工作可靠、传动平稳柔和、可过载保护、使用方便；虽然传动效率低于纯机 械传动方式，但其无级变速特点可使柴油机经常处于最佳工作区域，所以其综合效率并 不劣于机械传动。这此优点足以抵消其价格较贵的缺点。 ( 2 ) 大型修井机 大型修井机均为自走式，使用拼装的运载车，车上布置比较自由，前桥可选用大负 荷桥和轮胎，负载情况较好，行驶和作业共用一台柴油机，l o o t 以上可采用双机配置。 双机形式可以适应降低整车设计，提高行驶时的经济性( 此时可单机工作) ，修井机作业 时也有更大的安全系数。由于修井机对柴油机的要求苛刻，国产柴油机暂时还不能满足， 一般使用进口机型。目前多采用美国卡特匹勒、康明斯、底特律柴油机，其中卡特匹勒 柴油机以其工作可靠、比功率大、系列齐全、对燃料要求不苛刻、售后服务网络( 从配 件供应到大修) 比较完善，而在国内修井机行业中占绝对优势。 液力变速箱多采用美国a l l i s o nc l ( b ) t 5 0 0 0 、6 0 0 0 系列，一般采用带降距箱形式， 使车上车下布置简化。a l l i s o nc l ( b ) t 6 0 0 0 系列没有带降距箱形式，国内一些厂家不得 不用5 0 0 0 的降距箱去配6 0 0 0 系列传动箱，但其最大扭矩与传动箱不匹配，安全性差。 我国引进的大型修井机，其底盘驱动型式一般为i 0 4 ( 8 4 、1 2 4 、1 4 x 4 ) 常驱 动，泥泞道路挂上前桥变为1 0 6 ( 8 x 6 、1 2 x 6 ) ，但前后桥中间没有桥间减速器，为刚 性驱动。而我国石油天然气行业现场多为偏远地区，多数地区交通不便，路面情况复杂， 要求修井机具有良好的越野性，引进的修井机越野性不强，不适应中国路面，由于前后 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 桥中间没有桥间减速器，因此频繁发生打齿和断桥等故障，所以现有国产运载车多采用 i o x 8 ( 8 8 、1 2 8 、1 4 8 ) 常驱动形式，前后双驱动桥之间设有桥间差速箱，行驶性 和越野性较好。 1 2 3 国产修井机发展趋势 ( 1 ) 钩载和功率储备系数显著提高 适应提高最大钩载，使最大钩载和最大钻柱重量之比大于等于2 。能够获得明显经 济效益。为增大最大钩载，除了提高井架等结构件的强度外，还必须增大装机功率，将 名义比功率由每l o k n 钩载配i 2 2 8 k w ，提高到每l o k n 钩载配4 一- 8 k w 。 ( 2 ) 修井机移运性不断提高 中小型修井机仍然选用专业汽车制造厂提供的二类越野底盘；大型修井机选用1 2 x 8 、1 0 x 8 、8 x 8 常驱动拼装底盘，前后桥间有桥间差速箱，可实现差扭变速，行驶性 和越野性较好。 ( 3 ) 盘式刹车得到广泛应用 从1 9 8 6 年8 月开始，美国w a b c o 公司和r e x r o t h 气动设备公司借鉴火车气动风冷 式盘式刹车技术，合作开发了修井机盘式刹车，用在f r a n k s 3 0 0 系列修井机的1 2 8 7 w 型 绞车上，1 9 8 9 年1 2 月投入使用，效果良好。在国内，中国石油大学( 华东) 与胜利石油 管理局井下作业公司于1 9 8 8 年8 月合作研制了j l o a p s 2 5 型盘式刹车，1 9 9 1 年1 0 月投 入现场使用，效果良好。用液压盘式刹车取代带式刹 车作为绞车主刹，为司钻集中控制提供保证，同时解决刹车块频繁更换和机械式刹车连 杆机构过长的问题。 ( 4 ) 采用顶部驱动系统 1 9 8 1 年美国v a r c o - b j 公司首先研制了t d s - i 型顶部驱动系统，到1 9 9 1 年底全世界 在用的顶部驱动系统共有3 6 6 台，其中美国v a r c o - b j 公司生产的3 1 2 台顶驱动、美国 n a t i o n a ls u p p l y 公司生产的1 4 台顶驱都采用a c s c r d c 驱动；挪威n a r i t i n e h y d r a n l i c s 公司生产的4 0 台项驱中1 l 台采用a c s c r _ d c 驱动和变频驱动，2 9 台为液 压驱动。加拿大t e s c o 公司的“轻便顶部驱动专家( p r o t a b l et o pd r i v es p e c i a l i s t s ) 特别适用于修井机。 ( 5 ) 完善钻用修井机 完善钻用修井机，重点强化转盘传动系统，开发侧钻用循环系统，满足东部油田侧 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第l 章前言 钻工艺要求。 ( 6 ) 完善特种修井机制造技术 满足海洋、沙漠特殊环境的石油修井机。如海洋修井机采用a c s c r d c 顶部驱动系 统，分段组装塔形井架。沙漠修井机具有优越的沙漠移运性，良好的防尘防砂性能的散 热性能及较好的抗低温性能。 ( 7 ) 大力发展a c s c r d c 和v f d 驱动方式 电驱动修井机多用于撬装修井机上，也有用于陆地轮胎式修井机上。 1 3 选题来源、目的及研究意义 1 3 1 选题的来源 4 0 吨轮式修井机是目前国内较理想的轻型修井机械，井架高度为1 8 c 0 2 1 m ( 两级伸 缩) ，其主要适用于油、气、水井的小修作业，适应修井深度3 2 0 0 m ( 2 1 2 油管) ，大 修深度2 0 0 0 m ，具体用途如下： ( 1 ) 进行起下钻杆、油管、抽油杆、深井泵等工作； ( 2 ) 清理井底、降低砂面、泥浆循环等作业； ( 3 ) 油井发生故障进行打捞工作； ( 4 ) 对油井可以进行检泵； ( 5 ) 加深或提高泵挂深度； ( 6 ) 进行井口设备的安装。 胜利油田孚瑞特石油装备有限责任公司生产的s g 5 2 5 0 t x j 型修井机，是胜利油田井 下作业中经常用到的作业设备，其额定钩载为4 0 吨，主要用于3 2 0 0 m 以下油井的小修作 业和2 0 0 0 m 以下油井的大修作业。该机的传动系统主要由w g l 8 0 液力变速箱、角传动 箱、绞车减速装置、传动轴及前后驱动桥等部分组成。 原车的动力传动路线如下图卜1 所示： 8 中国石油大学( 华东) t 程硕士学位论文 345 1 、发动机2 、w g l 8 0 变速箱3 、角传动箱4 、绞车5 、井架起升液缸 图1 - 1 原车动力传动路线图 该类设备与江汉四机厂、南阳二机厂生产的修井机相比，在作业过程中存在以下问 题： 原车匹配w g l 8 0 液力变速箱，系液力定轴式变速箱，由液力变矩器、中间轴变速结 构及液压控制的多片摩擦离合器组成。该变速箱的特点是动力换档，操纵方便，可用于 全轮驱动和输入输出有较长轴距的轮式车辆，适用于装载机、挖掘机、推土机、平地机、 汽车起重机、牵引车、矿用翻斗车和轨道车辆等工程机械。该变速箱是针对工程机械设 计的，要求的工况相对稳定，而且对工作环境的要求也相对较高，而修井机工况与装载 机的工况截然不同。修井机的工况相对比较恶劣，在工作过程中的冲击载荷是任何普通 机械所无法比拟的。修井机连续作业时间长、负荷变化大、换档频繁，致使该变速箱经 常出现离合器打滑或烧毁、脱档或跳档、油温过高、轴承烧损等故障，维修频率高，造 成作业效率非常低，维修费用高，这样既影响了井下作业的生产效率，又增加了设备的 维修成本。 针对该车在使用过程中存在的问题，胜利石油管理局临盘采油厂( 原临盘作业大队) 2 0 0 9 年1 0 月提出对s g 5 2 5 0 t y l j 修井机的传动系统进行技术改造。经过充分调研和论证， 胜动集团石油机械公司确定了该改造项目的可行性，并与临盘采油厂达成协议，对该项 目进行了立项。 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第1 章前言 1 3 2 选题的目的和研究意义 临盘采油厂与胜动集团一直以来长期合作，相互之间建立了充分的信任和 项目的立项和实施能够充分展示我公司的技术力量，进一步坚定临盘采油厂与 合作信念。通过与临盘采油厂的广泛合作，带动与其它采油厂的合作，从而不 公司在胜利油田的影响力，为公司在油田的长足发展奠定坚实的基础。 另外，胜利石油管理局约有该类设备五、六十台，大部分已经停用或少用 传动系统存在的问题，油田可以通过低投入重新恢复该类设备，从而提高各个 设备利用率，对油田提高作业效率，节省设备成本，具有重大意义。 l o 中国石油大学( 华东) i 程硕士学位论文 第2 章分动箱设计计算 2 1 分动箱设计方案的确立 2 1 1 设计要求 分动箱是变速箱和作业传动系统之间的传动部件，是各工作机动力传递的纽带，其 性能的好坏直接关系到传动系的效率，关系到修井机的整体布局和修井机的主要性能。 性能良好的分动箱应具有传递功率大、效率高、操作灵敏、结构紧凑、使用维护方便的 特点，最大限度地满足修井的移运及修井工艺要求，满足各工作机所要求的转矩及转速 范围。 一般油田设备的底盘底部离地间隙5 0 0 l 啪。传动轴夹角理论上一般1 2 0 ，但为了保 证传动轴的传动扭矩不大于许用扭矩，延长万向节的寿命，提高传动的效率和十字轴旋 转的均匀性，夹角越小越好。综合考虑取夹角临界值即传动轴夹角8 0 。查原车参数可 知，原车分动箱的传动比为1 3 8 ，为了提高绞车的提升能力，需要略微降低绞车的转速， 这样就需要加大分动箱的传动比；但是为了不影响、不降低整车性能，传动比又不能太 大，综合考虑后取传动比为1 5 ，即传动比 1 3 8 。 综上所述，分动箱所连接的传动轴连接后的夹角 8 0 ：分动箱传动比大于1 3 8 。 下表2 - 1 为w g l 8 0 液力变速箱输入输出参数： 分动箱 输入转矩输出转速输出转矩 变速箱档位输入转速( r m i n ) ( n m )( r m i n )( n m ) 一档5 6 4 14 3 7 2 5 4 0 8 86 0 3 4 二档 8 4 6 22 9 1 26 1 3 24 0 1 8 6 三档1 2 9 4 11 9 0 49 3 1 82 6 2 7 5 四档 1 8 6 7 61 3 1 9 41 3 5 3 31 8 2 0 7 倒档 5 6 4 14 3 7 2 54 0 8 86 0 3 4 表2 - 1 w g l 8 0 液力变速箱输入输出参数表 2 1 2 分动箱结构形式的选择 根据已有发动机的功率曲线图，选定选用b y 3 5 0 变矩器替代w g l 8 0 液力变速箱， 使发动机工作时处于比较经济的状态。 综合用户的意见，参照目前成熟的传动技术，结合s g 5 2 5 0 t x j 修井机整车结构特 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第2 章分动箱设计计算 点，最终确定用b y 3 5 0 变矩器替代w g l 8 0 变速箱，但b y 3 5 0 变矩器传动比与w g l 8 0 变速箱的不同，为了保证整车的性能不变( 或提高) ，需要根据b y 3 5 0 变矩器的负荷曲 线图对分动箱进行匹配，确保修井机的底盘动力输入和绞车提升能力等性能，使变矩器 和分动箱的匹配经济、适用，即选定或设计分动箱与b y 3 5 0 变矩器配套使用。 对分动箱的选定分析如下： 方案一、选用国内生产的技术成熟的分动箱。该方案的不足之处为：( 1 ) 所确定的 分动箱存在性能与b y 3 5 0 变矩器不匹配的间题；( 2 ) 技术成熟的分动箱外观尺寸、结 构是成型的，在s g 5 2 5 0 t x j 修井机底盘上安装，不仅安装位置不合适，需要对底盘车 架进行改动，同时与原车的绞车性能不匹配，需啊哟更换绞车。方案一不仅改造工作量 大，费时费力，而且存在成本高等不足。 方案二、根据变矩器和绞车的性能重新设计一台分动箱，对原车的传动轴进行改造 后加以利用，既可以满足b y 3 5 0 变矩器配套使用要求，而且也避免了更换原车的绞车 等，减少了施工的工作量，降低了改造成本，同时也满足了改造的目的。 比较两种方案，按照第二种方案改造后能彻底提高整车的性能，减少改造工作量， 满足用户的使用要求，同时可以为用户节约改造费用，因此决定设计一台分动箱。 通过分析原车的传动系统以及修井机各种传动箱的传动结构，本项目设计的分动箱 确定为平行轴式结构。此结构简单，安装精度易于保证。根据整车动力输出旋向、空间 位置及滚筒旋向要求，确定分动箱为三轴式，其轴的分布形式( 自上而下) 为：i 轴、 i i 轴、i 轴，其中i 轴、i i i 轴为断开式轴，这样可以实现一端输入，三端输出且各输出 端( 带有独立的分离机构) 均可独立工作且互不干涉，能够同时实现为作业和行驶两个 系统传递动力；安装挂档装置，实现作业和行驶动力传递的切换；为了保证作业传动系 中滚筒的转速不超过设计要求值，故分动箱设定一定的减速比。分动箱的齿轮传动采用 直齿轮传动，输入轴与输入法兰、输出轴与输出法兰及齿轮与轴之间均用花键联接，强 度高、易于安装和调整中心距。 分动箱动力传动结构如简图2 1 所示： 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 l ll i 力龄- j ，。f 葫力 l 虹。 一-工 p - 一， ，i 。 洲 t 。二工 融吣 一l 当乜。一 传萄辅 工i 厂 图2 - 1 分动箱动力传动结构简图 2 2 分动箱主要零部件设计计算 2 2 1 传动齿轮的设计和强度校核 2 2 1 1 传动齿轮的设计 ( 1 ) 传动齿轮材料的选择 传动齿轮材料的选择应符合以下条件： a 、齿面具有足够的强度，以获得较高的抗点蚀、抗磨粒磨损、抗胶合和抗塑性流动 能力； b 、在变载荷和较大冲击载荷下有足够的弯曲疲劳强度； c 、具有良好的加工和热处理工艺性； d 、价格合理。 综合以上四点并结合热处理后材料的性能特点，选用材料2 0 c r m n t i ，渗碳淬火。 ( 2 ) 传动齿轮参数的选择 传动齿轮参数的选择应结合设计要求及下列数据： w g l 8 0 变速箱分动箱i 、i 轴的中心距为5 2 0 m m ，齿数z 1 = 2 8 ，z 2 = 4 1 ，乙= 4 0 ， m = 7 ，i - 1 3 8 ，柴油机动力输出中心至前后桥中心线平面的距离为5 4 0 m m ，初步选定参数 为： i 、m 轴的中心距为5 4 0 m m ( 此时分动箱至前后桥的传动轴呈水平状态) ，z 1 = 2 4 ， z 2 = 3 0 ，互= 3 6 ，m = 9 ，i _ 1 5 。 2 2 1 2 传动齿轮的强度校核 ( 1 ) i 轴齿轮齿面接触疲劳强度计算 1 3 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第2 章 分动箱设计计算 查手册，得 c ：孕，e ：e 够 式中，碣一i 轴齿轮分度圆直径；口一分度圆压力角：五一i 轴齿轮传递的名义转矩。 实际计算载荷为：兄舒z = 巧k 矿k 髟e 式中，髟一使用系数，与柴油机的运转特性等有关，对起升设备，可取1 5 ； 髟一动载系数，与齿轮的啮合误差有关。当i 轴齿轮齿数为2 5 ，分度圆处的圆周速度 估算为2 0 m s 时，v z 1 0 0 = 6 ，查图表可得，巧2 1 7 8 ； 砭一齿间载荷分配系数，与齿轮啮合刚度、基圆齿距误差等因素有关。可按计算的 总重合度s ，查表求得k 。 矿 1 8 8 - 32 圭, + 珊傩 式中，z l 和z 2 为传动齿轮副齿数，对直齿齿轮传动2 0 。代入相关数值得0 2 i 8 8 。查 表得，砭= 1 2 。 k 口一齿向载荷分布系数，与齿宽系数相关，设= o 3 ，查表得& 2 i o 。 将数据代入式得k = 3 2 。 i 轴齿轮直径按下式求出： d 式中，“= 乡乞；乙一弹性系数；乙一节点区域系数；乙一重合度系数。 查勰纠8 9 8 ；z ，= 2 5 0z 。由下式桶乙：厚- o 8 4 接触疲劳极限 l i m ：1 3 0 0 1 6 5 0 比p 口，查得接触安全系薮昂= 1 o 。 应力循环次数慨n ，蜊厂= 1 ，( 吾n l l l x 脚 应力循环次数n 为： ，= 6 0 厂，。，i li -一， 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 式中，一较长时间作用的最大转矩；m - 指数；得m = 6 6 。 在一定档位，滚筒提升油管时，分动箱输入轴的转速和转矩z 都随着被提升油管 根数的多少而变化，但各档输出的最大功率基本相同，即在每一档时，分动箱都近似恒 功率下无级运转。近似计算时，设分动箱在各档以其平均转速运转，各档运转时间占总 时间的比例分别为2 0 、5 0 、3 0 。以一档时平均转速下的载荷为基数，求出其它档 相对它的比例值。这样，寿命同期内，分动箱输入齿轮载荷的分布规律可以简化如下图 2 2 所示： p 0 图2 2 分动箱工作齿轮载荷分布规律 预计分动箱使用寿命l o 年，每年平均3 0 0 个工作日，单班制，在试用期间内，工 作时间占6 0