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z j 5 0 l d b 石油钻机天车设计 洪云霞( 机械工程) 指导教师：李安副教授 摘要 随着钻井技术的快速发展，对钻井设备的先进性、可靠性以及经济实用性的要求越 来越高。老式钻机由于结构复杂，性能落后，难以满足钻井新技术、新工艺的需要，因 此开发一种新型石油钻机替代老式钻机势在必行。z j 5 0 315 0 l d b 钻机是根据市场的需要 和用户的要求研制的一种新型机电混合驱动的石油钻机。天车是钻机重要部件之一，是 钻机主机提升系统的固定部分，它通过绞车和提升系统的游动部分一起来完成起下钻作 业、处理事故作业以及正常钻进。美国石油学会的a p is p e c4 f “钻井和修井井架、底 座规范 、8 a 和8 c “钻井和采油提升设备规范”对其主要结构和零件有严格的设计要求， 通过广泛查阅、检索国内外文献资料，严格依据a p i 标准设计了天车的参数和结构。 z j 5 0 l d b 天车架采用自动焊接机焊制h 型钢，零件选用了q 3 4 5 一b 、4 0 c r n i m o a 和3 5 c r m o a 等新材料，大大的提高了天车的稳定性和刚度。滑轮采用了新型的环锻工艺，保证了滑 轮的制造质量，设计了防碰、防护和防坠落等新结构，更好的满足了t t s e 要求。并对天 车轴、滑轮、天车架进行了力学计算，a n s y s 有限元分析计算，得出新型的z j 5 0 l d b 天 车的各项指标完全满足设计要求。 关键词：z j 5 0 l d b 石油钻机天车设计a n s y s 有限元分析计算 可靠性稳定性 c r o w nb l o c kd e s i g no fz j 5 0 l d b p e t r o l e umd r i l l i n gr i g h o n gy u n x i a ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rl ia n a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fd r i l l i n gt e c h n o l o g y , t h ed e m a n df o rm u c ha d v a n c e d ，r e l i a b l e a n de c o n o m i c a l l ya p p l i c a b l ed r i l l i n ge q u i p m e n tb e c o m e sm o r ea n dm o r es t r o n g e r t h e c o m p l e x i t yi ns t r u c t u r ea n du n - s a t i s f y i n gp r o p e r t i e sm a k eo l dd r i l l i n gr i g sh a r dt om e e tt h e d e m a n do fn e w d r i l l i n gt e c h n o l o g ya n dp r o c e s s s oi ti su t t e r l yn e c e s s a r yf o rt h ei n d u s t r yt o f i n dan e wt y p eo fo i ld r i l l i n gr i gt or e p l a c et h eo l do n e s z j 5 0 315 0 l d b ，an e wt y p eo f e l e c t r o m e c h a n i c a lc o m b i n a t i o nd r i v e no i ld r i l l i n gr i g ，i sd e v e l o p e db a s e do ns o l i dm a r k e t s u r v e ya n du s e r s d e m a n d c r o w nb l o c k ，a ni n t e g r a lc o m p o n e n to ft h eh o i s t i n gs y s t e m ，i so n e o ft h em o s tc r i t i c a lp a r t so ft h er i g t r i pi no ro u to ft h eh o l e ，w e l l - s i t ef a i l u r eh a n d l i n ga n d n o r m a lp e n e t r a t i o nc a nb ec o n d u c t e db y c o m b i n i n gi tw i t hd r a w w o r k sa n dt r a v e l i n gb l o c k so f t h eh o i s t i n gs y s t e m s t r i c tr e q u i r e m e n t sc a nb ef o u n di na p is p e c4 f “s p e c i f i c a t i o nf o r d r i l l i n ga n dw e l ls e r v i c i n gs t r u c t u r e s ”，8 aa n d8 c“s p e c i f i c a t i o nf o rd r i l l i n ga n d p r o d u c t i o nh o i s t i n ge q u i p m e n t ”i nt e r mo fd e s i g n i n gm a i ns t r u c t u r ea n d p a r t so ft h i sc r i t i c a l c o m p o n e n t t h ep a r a m e t e r sa n dc o n f i g u r a t i o no ft h ec r o w nb l o c kd e s c r i b e di nt h i sa r t i c l ea r e m a d ei na c c o r d a n c eo fr e l a t i v ea p is t a n d a r d sa n da r et h er e s u l t so fe x t e n s i v ep e r u s i n ga n d s e a r c ho fd o c u m e n t sp u b l i s h e da th o m ea n da b r o a d t h ec r o w nb l o c kh a si t sr e l i a b i l i t ya n d r i g i d i t yg r e a t l yi m p r o v e db ya d o p t i n gi - b e a mw e l d m e n tf o ri t sp l a t f o r ma n dn e wm a t e r i a l s s u c ha sq 3 4 5 一b ，4 0 c r n i m o aa n d3 5 c r m o af o ri t sp a r t s i - b e a mw e l d m e n tq u a l i t yc a nb e g u a r a n t e e db ya u t o m a t e dw e l d i n gm a c h i n e n e wr i n gf o r g i n gp r o c e s si su s e df o rc r o w n s h e a v e sw i t hs e c u r e dm i l l i n gq u a l i t ya n dn e ws t r u c t u r e sl i k ec r o w n o - m a t i c ，a n t i f a l l i n g d e v i c ea n dc r o w np r o t e c t i o na d dm o r es a f e t yf a c t o r st ob e t t e rm e e th s e r e q u i r e m e n t s s h a f t s ， s h e a v e sa n dp l a t f o r mo ft h ec r o w nb l o c k sa r ea l lg ot h r o u g hc o m p u t a t i o no nm e c h a n i c sa n d b ya n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h er e s u l t sp r o v et h a tt h i sn e wt y p eo fa j 5 0 l d bc r o w n b l o c kc a nf u l l ym e e td e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ： z j 5 0 l d b d r i l l i n gr i g ，d e s i g no fc r o w nb l o c k ， a n s y sf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，r e l i a b i l i t y , s t a b i l i t y 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：荔秽年，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) 送交学位论文，以学术交流为目的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。 学位论文作者躲趁圣镬。 指导教师签名：乡王l 日期：习吵年4 - 月日 日期：2 口吵年歹月，日 中国石油大学( 华东) i 程硕士学位论文 第一章绪言 1 1 研制的目的和意义 随着经济的快速发展，人类的生产和生活对石油的需求大幅度增加，特别是在我国， 石油的产量已经远远不能满足经济发展的需要。经调查表明，目前我国的石油进口依存 度已经接近5 0 ，进口、内产石油各占一半天下，5 0 的权重很难说进口石油是国内自产 石油的补充了。在国际石油价格一度达到1 5 0 美元一桶的情况下，高油价促使国内石油 装备的快速发展，国内外各大钻机制造商一度订单饱满，由于石油钻机结构复杂，制造 难度高，国际上只有少数国家掌握了钻机的设计制造技术。我国在5 0 年代前苏联钻机 大庆型钻机技术的基础上，逐步掌握了石油钻机的制造技术，但与发达国家相比仍有一 定的差距。因此，需要对石油钻机的各部件制造技术进行长期的深入研究。 1 1 1 国内外石油钻机发展现状及水平 ( 1 ) 国外石油钻机发展现状及水平 石油钻机市场具有国际化的原因是石油钻机结构复杂，成套和技术难度大，价格昂 贵，每台售价近千万元到几千万元不等，全世界总共才拥有各类陆地石油钻机4 3 0 0 多 台。海洋钻机2 0 0 - 3 0 0 多台。世界制造石油钻机的国家乃至厂商都不多，总计每年生 产成套石油钻机的能力约6 0 0 ，- - - 8 0 0 台左右。 2 0 世纪9 0 年代以来，国外研究改进、开发创新了多种新型石油钻机，涌现了许多 新结构、新技术。为了适应浅海、海滩、沙漠和丘陵等不同地带油气藏的勘探和开发， 美国、德国、法国、加拿大、意大利、墨西哥和罗马尼亚等国先后开发了各种类型的石 油钻机。其中美国n a t i o n a lo i l w e l l 公司、e m s c o 公司、d r e c o 公司生产的钻机质量最 好，使用寿命可超过1 0 1 5 年。 9 0 年代以来，国外在高端钻机、小井眼石油钻机、套管钻机、液压钻机、连续套管 钻机、自动化钻机及钻机配套技术方面发展很快，一些技术已进人实用阶段。最具代表 的是美国n a t i o n a lo i l w e l l 公司，在海洋、极地、陆地、沙漠、车装和斜井钻机等各 方面都具有较强的技术优势，特别是在重型钻井技术上走在国际前列；美国v a r c o 公司 的顶部驱动钻井装置占市场6 0 ，- - 7 0 的份额，在电子司钻、交流变频驱动单绞车等方面 也有技术优势，v a r c o 公司的大钩、水龙头的最大静载荷已达到1 0 0 0 0k n ，转盘最大开 口直径也达到1 5 3 7m m ( 6 0 5 ) 英寸，可满足1 5 0 0 0m 钻机的配套要求。2 0 0 5 年3 月 这两家龙头企业以股权置换的方式进行了实质性的合并后，更形成了钻机制造领域一强 第一章绪言 称雄的局面。 此外，挪威姗公司在液压技术上具有优势和特色，开发了新型液压石油钻机、液 压绞车、液压转盘、粹压顶驱装置及液压铁钻工、机械手等产品；意大利s o i l m e c 公司 在新型液压钻机、海洋钻机用折迭式k 型井架等技术上也有明显优势。 ( 2 ) 国内石油钻机发展现状及水平 我国的石油钻机是为开采国内石油发展起来的，改革开放后，国内钻机市场面对世 界钻机的竞争，各钻机制造企业充分认识到，必须以国际市场为研制的出发点才能站稳 国内市场。根据“国内市场国际化，国际市场本土化”的大趋势，紧跟国内、国际市场 需求，开发石油钻机前沿技术。国内目前钻深1 0 0 0 - - - 7 0 0 0 m 的钻机己形成系列，具备生 产1 0 0 0 - - 9 0 0 0 m 机械传动、电驱动、顶部驱动陆地、沙漠、海洋各种成套钻机的能力。 全国现有大型钻机8 0 0 台，中型钻机1 6 6 台，其中8 7 的大中型钻机都是国产。乜3 ( 3 ) l d b 型石油钻机背景 进入2 1 世纪以来，石油钻机自动化、数字化、智能话、信息化水平快速发展。钻 机整体向着交流变频调速电驱动石油钻机( a c g t o a c ) 方向发展。随着交流变频技术 的迅速发展，交流变频电驱动石油钻机会取代可控硅直流电驱动钻机，该型钻机具有现 用机械驱动钻机和直流电驱动钻机无可比拟的优越性能，将成为陆地和海洋石油钻机发 展的换代产品。但是d b 钻机投资大，性价比低，链条传动的l 型钻机价格低，但由于 爬坡万向轴的超长，不适合于7 5 米以上钻台高度大型石油钻机，因此出现了借助于链 条和交流变频传动之间的一种机电混合驱动l d b 型钻机，经过几年的发展已将成为我国 石油钻机的主力机型之一。 1 1 2 我国石油钻机新技术、新产品研发基础 我国是石油资源贫乏的国家，我国2 0 1 0 年对外石油依存度为5 0 ，到2 0 2 0 年将达到 8 0 。发达国家对我国石油需求增长己表现出严重关注和不满，口1 石油作为我国的重要战 略物资已是不争的事实。 我国石油缺口需要依靠3 个途径解决。一是提高国内油田，的原油产量和采收率，二 是提高海外原油产量，三是靠进口。但主要的方式应是前2 个途径，而提高原油产量和采 收率的有效途径是采用先进的钻井新技术，钻水平井、老井侧钻及分支井等是提高单井 产量，增加可采储量，提高油田采收率的有效手段之一。然而钻井装备的技术水平决定着 钻井新技术水平，没有先进的钻井装备就不可能实施和探索钻井新技术，无论是在国内 还是国外提高油田单井产量和采收率都是一句空话。特别需要强调的是，当我国原油到 2 中国石油大学( 华东) 7 1 2 程硕士学位论文 了十分紧缺的时候，不能指望从国外进口先进的石油钻井装备来开采石油，就像现在受 到武器禁运一样。所以石油钻机将直接影响到我国的石油安全，应把它作为战略装备来 对待。加快石油钻机的技术开发已刻不容缓h 1 。 宏华集团和宝鸡石油机械有限责任公司在2 0 0 7 和2 0 0 8 两年中年生产钻机达到了 1 0 0 台，高原公司两年中也生产了6 0 多台。我国钻机引进了国际技术，是在苏联和美国 技术基础上发展来的，1 9 9 4 年开始逐步的展开了新型石油钻机制造的。近几年我国钻机 与发达国家相比有些机型已经达到国际先进水平，加上价格优势，2 0 0 6 - 2 0 0 9 年已有上 百部钻机出口到了美国、印度、印尼、俄罗斯等国家，并且我国已有几十个钻井队用国 产钻机在国外市场上从事钻井服务。石油钻井的不同地域、不同用户的需要，促进了我 国石油钻机新技术、新产品的研发工作。 石油钻机是完成石油钻井任务的主要工具，随着科学技术的不断发展，国内外钻井 技术和竞争力也得到了长足的发展。回顾钻井技术和装备发展的历史，可以看到促进钻 井技术及装备的发展的动力主要有提高劳动生产率、降低劳动强度、降低消耗、提高可 靠性、安全性和环保要求及经济要求。 天车是石油钻机的关键部件之一，承担着钻井过程中起钻、停钻、下钻等钻井过 程的全部载荷。目前天车的设计主要沿用传统的设计方法，以单个零件为设计对象，本 文以z j 5 0 l d b 石油钻机的天车为研究对象，目的是为z j 5 0 l d b 石油钻机的制造提供合格 的天车部件。 大庆i i 一1 3 0 钻机是我国自主研发的机械式中型钻机，长期以来一直是我国的主力 钻机，在石油勘探开发领域发挥了巨大的作用。随着科学技术的发展，对钻井设备的先 进性、可靠性以及经济实用性的要求越来越高。大庆i i - 1 3 0 钻机与上世纪九十年代研 发生产的电驱动、复合式驱动钻机相比，逐渐暴露出一些弊端：传动复杂、工作效率低 下、性能落后、动力匹配不合理、职工劳动强度大、不能满足现代钻井h s e 工作要求等， 且大多数设备严重超期服役。因此，开发一种新型石油钻机替代大庆i i - 1 3 0 钻机势在 必行。 石油钻机是完成石油钻井任务的主要工具，其与钻井工艺密不可分、相互促进、共 同发展。随着科学技术的不断发展，国内外钻井技术和竞争力也得到了长足的发展。回 顾钻井技术和装备发展的历史，可以看到促进钻井技术及装备发展的动力主要有提高劳 动生产率、降低劳动强度、降低消耗、提高可靠性、安全性和环保要求以及经济要求。 3 第一章绪言 1 1 3 钻机设计、制造的总体发展趋势 a 全面规划、合理布局； b 部件标准化设计制造； c 钻进驱动方式多样化； d 测量控制系统进一步加强； e 辅助设备机械化程度进一步提高； 6 适应新工艺的发展。 1 1 4 目前各级钻机的发展趋势 a 对3 0 0 0 m 以下的钻机，由于钻井载荷小、钻井周期短、搬家频繁，要求钻机要 具有良好的移运性、经济性、技术先进性和可靠性。可分为车装钻机和撬装钻机两种形 式，应大力推广车装钻机，同时发展撬装钻机，电力供应充足的地区，使用电驱动钻机。 今后需要开发高速柴油机、阿里逊传动箱和小节距传动链条。 b 4 0 0 0 m 钻机是当前乃至今后一个时期内国内使用的主力机型钻机，该级别钻机要 充分体现结构紧凑、运输单元少、拆装方便、移运快捷、可靠性高、价格适中等特点。 对于该级别钻机应以机械驱动钻机为主，其重点是发展机电复合型钻机、适当发展交流 变频电驱动钻机。 c 5 0 0 0 - 9 0 0 0 m 钻机，由于多用于钻探井、深井和开发井，对该级别钻机要求技术 含量高、性能先进、质量可靠、操作维修简便、机械化、自动化、智能化程度高，并且 有良好的移运性。 d 提高钻机集装化程度和高移运性能，是今后亟待解决的重点。大型钻机应采用 轮式运输方式、小型钻机应采用独立驱动大模块运输形式或车载形式。要实现的关键是 必须对模块合理组合，简化传动结构、减小设备外形尺寸和设备重量等方面下功夫1 。 z j 5 0 3 1 5 0 l d b 石油钻机项目由胜利石油管理局提出，我公司做了大量的技术调研、 市场调研，进行钻机方案设计和技术设计。胜利石油管理局、机动处、钻井处等有关处 室也多次组织有关专家进行论证，一致认为设计新型z j 5 0 3 1 5 0 l d b 钻机替代大庆 i i - 1 3 0 钻机，有利于创造行业优势、增强市场竞争能力、实现钻井行业和油田的持续稳 定发展，能够更好地参加市场竞争，促进钻井事业的更快发展。 天车是钻机重要部件之一，是钻机主机提升系统的固定部分，它通过绞车和提升系 统的游动部分一起来完成起下钻作业、处理事故作业以及正常钻进。由于天车的安全性 能要求较高，所以美国石油学会的a p i 标准4 f 钻井和修井井架、底座规范、8 a 和8 c 4 中国石油大学( 华东) 工程硕上学位论文 钻井和采油提升设备对其主要结构和零件有严格的设计要求，因此天车的设计质量 直接影响钻机的安全性能和使用性能。 1 2 天车设计依据和原则 1 - 2 1 设计依据 满足5 0 0 0 米钻井工艺要求，适应国内外钻井市场要求，整机性能和制造质量达到 当前国际同类产品先进水平。 在环境温度- 2 0 c , - - + 5 0 。c ，湿度9 0 9 6 ( + 2 0 时) 情况下可正常工作。海拔高度在 1 0 0 0 米以下。 序号标准号标准名称 1a p is p e cq 1 质量纲要规范m 2a p is p e c4 f 钻井和修井井架、底座规范 3a p is p e c7 k 钻井设备规范8 3 4a p is p e c8 c 钻井和采油提升设备9 3 5a p is p e c8 a 钻井和采油提升设备m 1 6a p is p e c9 a 钢丝绳规范3 7a w sd 1 1 钢结构焊接规范m 3 8a i s c 建筑钢结构规范m 1 9 s y t 5 6 0 9 2 0 0 5 石油钻机型式与基本参数1 1 0 s y t 5 3 0 4 2 0 0 5 石油钻采机械产品用锻件通用技术条件n 朝 11s y t 5 3 0 5 2 0 0 5 石油钻采机械产品用焊接通用技术条件n 6 1 1 2s y t 5 3 0 7 2 0 0 5 油钻采机械产品用装配通用技术条件n 列 1 3 s y t 5 3 0 8 2 0 0 5石油钻采机械产品用涂漆通用技术条件n 叩 1 4s y t 5 3 0 9 2 0 0 5 石油钻采机械产品用包装通用技术条件n 9 3 1 5s y t 6 2 7 6 2 0 0 5 石油天然气工业、健康、安全与环境管理体系呦3 1 2 2 设计原则 天车设计依据“安全、可靠、先进、方便、实用”的原则。技术性能及参数符合 s y t 5 6 0 9 1 9 9 9 石油钻机的型式与基本参数；设计符合石油工业部标准和a p i 规范。 布局合理，满足国内外5 0 0 0 m ( 采用1 1 4 m m 钻杆) 钻井作业工艺要求，满足整拖 5 第一章绪言 打丛式井的要求。 配套零件选用国内先进的、成熟的、可靠的产品。 外观设计精美，满足快速安全拆装的要求，并具有使用、检修、调整、维护方便 等特点。 满足制造、运行经济性的要求。 配套设备标牌为中、英文对照，仪表为公英制。 在防碰、防护、防坠落等方面满足h s e 有关规定和要求。 铭牌上打a p i 标记。 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第二章方案设计 2 1 总体参数 根据相关标准和用户的要求确定天车按如下参数设计： 名义钻深范围( 巾114mm 钻杆) ： 5 0 00m ( 由127mm钻杆)：4 50 0m 最大钩载 3 1 5 0 k n 最大快绳拉力： 3 4 0 k n 滑轮数7 个 提升系统轮系：6 7 ( 花穿) 滑轮外径( 按a p i 标准) 1 2 7 0 m m 滑轮底径 中115 6 m m 捞砂滑轮外径及数量 中6 1 0 r a m1 个 快绳直径 3 5 m m 外形尺寸( 长宽高) 4 0 6 0 x 2 7 3 5 x 3 9 7 4 m m 理论质量6 8 1 5 k g 游系结构为6 7 ，即游车6 个滑轮，天车7 个滑轮，游动系统原理如图2 1 所示。 至滚筒 天车 端 图2 - 1游动系统起升原理结构示意图 f i g 2 - 1u p r i s i n gp r i n c i p l es t r u c t u r es k e t c hm a po ft r a v e l l i n gs y s t e m 7 第二章方案设计 2 2 方案设计 为了达到结构和承载要求，z j 5 0 l d b 天车由天车架、主滑轮组总成、快绳轮总成、 辅助滑轮、围栏、防碰装置、捞砂滑轮、滑轮起重架及挡绳架等组成。 ( 1 ) 天车架 天车架按a p is p e c4 f 规范设计，采用整体焊接结构，主要的两条纵梁和两条横梁 用q 3 4 5 - b 板材焊接而能满足承载要求，主要焊缝进行磁粉探伤。天车架上部用螺栓分 别与滑轮组轴座及快绳轮轴座连接。天车架和井架之间靠2 个定位销定位后，用螺栓连 接。 ( 2 ) 滑轮组总成 滑轮组总成应由主轴、支座、6 个滑轮、轴承等组成。根据实践经验，每个滑轮和 轴之间选用一个3 7 9 5 1 k 双列圆锥滚子轴承，它们可保证滑轮容易转动和有较好的平稳 性及抗轴向力的作用。轴端设有给滑轮加注润滑脂的m i o l 黄油嘴，每一个轴承都有 一个自己的单独润滑油道，可方便地向轴承内加注润滑脂，使滑轮转动灵活。滑轮绳槽 按a p is p e c8 a 规范设计。滑轮绳槽经淬火处理，耐磨损，寿命长。 ( 3 ) 快绳轮总成 快绳轮总成应由轴、支座、滑轮、轴承等组成。轴端装有一个m i o 1 黄油嘴，可 方便地向轴承内加注润滑脂。 ( 4 ) 辅助滑轮 天车上应装有4 组辅助滑轮，滑轮轴端均装有m i o 1 黄油嘴。辅助滑轮可用于气 动绞车起吊重物，最大载荷为5 0 0 0 k g 。为了满足h s e 要求，需设计防坠落结构。 ( 5 ) 防碰装置及护架 天车架下部应装有防碰天车的方木，该装置在游车冲撞天车时能起到缓冲作用。方 木设计防坠落结构。 为了保护滑轮和防止钢丝绳跳槽，所有滑轮上方均装有支撑在天车架上的挡绳架， 从而使天车满足了h s e 要求。 ( 6 ) 滑轮起重架 天车需要设计滑轮起重架，供维修天车滑轮用，起重架为桁架式结构。桁架式滑轮 起重架最大起重量为5 0 0 0 k g ，可起吊天车上最重的组件( 滑轮组总成) 。 2 2 1 天车滑轮设计 滑轮是用来导向和支撑，以改变绳索及其传递拉力的方向或平衡绳索分支的拉力。 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 受力不大的滑轮直接安装于心轴上；受力较大的滑轮则装在滑轮轴承或滚动轴承上，后 者一般用在转速较高，载荷大的工况。 ( 1 ) 滑轮的结构和材料 承受载荷不大的小尺寸滑轮( d 3 5 0 r a m ) 一般制成实体滑轮，用q 2 3 5 一a 或铸铁。 承受载荷大的滑轮一般采用球铁或铸钢、铸成带肋和孔或轮辐的结构。大型滑轮( d 8 0 0 m m ) 一般用型钢和钢板的焊接结构。 z j 5 0 l d b 天车的滑轮尺寸很大，对滑轮的强度要求高，要有一定的强度和冲击韧性， 使用时应尽量使其不易破裂。根据使用要求所用材料：轮缘材料：3 5 c r m o a ；轮毂材料： 3 5 # ；腹板材料：q 3 4 5 - b ，安装在滚动轴承上。 ( 2 ) 滑轮直径 根据a p i 对滑轮直径要求，钢丝绳直径d = 3 5 m m 滑轮绳槽底半径r ( 0 5 3 - - - 0 6 ) d = ( 1 8 5 5 - - 一2 1 ) ，取值r = 1 8 6 9 m m 绳槽两侧面夹角2b = 3 0 。， 滑轮直径： d 。h d = 2 8 3 5 = 9 8 0 m m 取值d 。= 11 9 1 m m h 一与机构工作级别和钢丝绳结构有关的系数，查机械设计手册表8 1 5 4 心5 1 ， h = 2 8 滑轮底径 d 底= d 。- d = l1 9 1 - 3 5 = 11 5 6 m m 滑轮外径d = d 底+ 2 ( 1 3 3 d 1 7 5 d ) = 11 5 6 + 2 ( 1 3 3 3 5 1 7 5 3 5 ) = 1 2 4 9 1 1 2 7 8 5 ， 取d = 1 2 7 0 m m ( 3 ) 滑轮型式 根据天车的使用情况并查表8 一卜6 8 、8 一卜6 8 、8 一卜6 9 瞳5 3 确定滑轮结构型式如图 2 2 ( 可见附录1 ) 所示，根据钻井和采油提升设备标记：滑轮h lc 0 1 3 8 s p e c 8 a5 0 n 们 ( 4 ) 滑轮技术要求 1 所用材料：轮缘材料：3 5 c r m o a ；轮毂材料：3 5 # ；腹板材料：q 3 4 5 - b ； 2 绳槽工作表面淬火：h r c 4 5 - 5 0 ，淬深2 - 3 r a m ； 3 轮槽用样板检查； 4 做静平衡试验，不平衡力矩不得超过1 7 4 8 n 咖； 5 绳槽及附近表面应进行磁粉探伤，按a s t me 7 0 9 磁粉检验的推荐作法验收 3 3 ： 9 第二章方案设计 6 绳槽底涂黑色油漆，轮辐轮缘部分涂红色油漆，涂漆标准符合钢结构规范m 1 ； 7 打印滑轮绳槽标记。 论 。南 警一 l ， 蕤 兹 j 戮i 。l 步 j【 图2 2 滑轮结构型式 f i g 2 2p u l l e ys t r u c t u r ef o r m 2 2 2 天车轴设计 轴包括结构设计和工作能力计算两方面的内容。轴的结构设计是轴上零件的安装、 定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构设计 不合理，会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性，还会增加轴的制造成本和轴上 零件装配的困难等。因此，轴的结构设计是轴设计中的重要内容。 轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。多数情况下， 轴的工作能力主要取决于轴的强度。对轴进行强度计算、以防止断裂或塑性变形。 ( 1 ) 结构和材料的选择 设计轴的主要步骤：材料选择，热处理、计算、结构设计、工作能力校核、绘图等。 轴的结构取决于受载荷的情况，轴上零件的布置和固定方式，轴承的类型和尺寸、轴的 毛坯、制造和装配工艺及运输等条件，由于天车轴只承受弯矩，因此选用固定心轴。根 据其结构特点选择光轴较为合理。光轴优点是形状简单，加工容易，应力集中源少，但 需要考虑好轴上零件装配和定位。根据以上分析，t c 3 1 5 天车的主轴选为固定心轴的光 轴。综合考虑材料的机械性能确定轴选用4 0 c r n i m o a 。 ( 2 ) 天车轴的尺寸 天车主轴上有6 个滑轮。轴中间有注油孔，根据已知载荷选定轴承为3 7 9 5 1 k ，则可 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 知天车轴的外径为2 5 4 m m ，由轴承为3 7 9 5 1 k 可确定滑轮宽度为9 3 m m ，滑轮间距1 0 1 6 m m ， 滑轮间间距为8 6 m m 。根据设计标准相关要求，天车轴结构设计如图2 3 ( 可见附录2 ) 所示： ( 3 ) 天车轴技术要求 综合考虑轴的承载能力、材料特性和机械强度，确定轴的设计技术要求。 a 锻件应符合石油钻采机械产品用锻件通用技术条件的有关规定，按i i i 级锻 件检验n 5 3 。 b 经调质处理，h b 2 6 9 3 0 2 ，机械性能：抗拉强度9 8 0m p a ；屈服强度 q 8 3 5m p a ；伸展率哦1 2 ；收缩率y 5 5 ；冲击吸收功7 8j 。 c 超声波探伤检查，符合a s m e 锅炉及压力容器规范无损检测口钔不许有任何 影响强度的缺陷存在。 d 组装前，去刺并用高压风吹净孔内污物。 e 6 一1 0 油孔按图示位置，依次错开9 0 0 。 司t i 影 - 鲤 逊心心心淞心沁心吣心划心沁淑心吣心沁汹 i 乎 父心心洲闷忒心浏f 心心心心心心菠 炙 1号f日i 7 譬i 拶ih 气粼心测瀑心燃 2 2 1 j “1 1 1 62 i n1 1 1 j i1 i t 6 必 1 i 蛞j b 白 图2 3 天车轴结构图 f i g 2 3s t r u c t u r ed r a w i n go fc r o w n b l o c ka x l e 2 2 3 天车架的设计 天车架按a p is p e c4 f 规范设计，采用整体焊接框架结构，主要的两条承载纵梁和 第二章方案设计 两条横梁用q 3 4 5 - b 板材焊接，从而成能满足承载要求，主梁间距2 2m x2 2m 。天车 架上部用螺栓分别与主滑轮轴座及导向滑轮轴座连接，下部用螺栓与井架相连。 架体设计技术要求为： 1 焊缝质量应符合石油钻采机械产品用焊接件通用技术条件的规定，主焊缝 表面应进行探伤n 引； 2 花纹板按实际需要下料制作，与天车架相平焊，焊缝为断续焊5 0 ( 5 0 ) ； 3 未注焊缝为连续焊，焊高不小于8 m m ； 4 架体焊后调变形并打磨光滑； 5 所有外露表面均涂c 0 6 1 铁红醇酸底漆： 6 焊接要求符合a w sd 1 1 钢结构焊接规范n 引。 天车架结构如图2 4 ( 可见附录3 ) 所示。 l l 一擎 d互1 虏 旱阜1 l 朋虬雌札j h叶rfl l 叮珊c l r兽h 隹彗、i l 、 剐 _ 一：川 i i6 i 豢。 _ i 一 一 - 土 噌 千 i 1 i i i _ h。 藩 萝 长zr卅 uk- i l j _4 “ 1i 一一 一一i毛 i i ，测 l l _繁 ) 咔。推豢羊悻| = 1 一 a i- 0l 7 吼1v _l 拢一it i f iiii “e l l f 了 一 p l| 二 一jj j |f7 j 。f 驰、 - i 灏鳃 盔 f 1 竺。i k 7 f 峙 j 詹 二面也劫 t i 口 i i ” “ 鲁 庄庄睡 图2 - 4 天车架结构图 f i g 2 - 4s t r u c t u r ed r a w i n go fc r o w nb l o c ks h e l f 1 2 技术要求 i 翮糊均力官 2 胜质量盅 拎s y 5 3 0 5 擞蝴到嘲i 肇售： 3 戡矬烯颤下抖慨与天辕j 日平掉鼻鼍；9 麟 舫0 ( 5 0 l ： 籀磷逢j 连辫蜱蠢习谛于8 ： 5 所有升赫i 蜘娅色腆： 67 译嗣嘲熟| t 两。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第三章 3 1 天车外力分析 游动系统原理如图3 - 1 所示。 123 设计计算 4 567 图3 - 1 游动系统原理图 f i g 3 - 1p r i n c i p l ed r a w i n go fh o i s ts y s t e m 由图3 一l 可知需要知道图示上的以下参数，才能进行相关计算。 p 为快绳拉力； q 为天车轮处天车轴受的均布力； z 为有效绳数，z - - - 1 2 ； l 为1 个滑轮宽度，l = 1 0 1 6 m m ： v 为各档钩速 3 2 滚筒在各档下的转速、快绳拉力、钩载及钩速 3 2 1 钻机总体参数 根据双方签订z j 5 0 3 1 5 0 l d b 石油钻机技术协议和有关技术标准，与天车计算相 关的钻机总体参数有如下技术要求： 名义钻深范围( 巾1 14m m 钻杆) ：5 00 0 m ( 由12 7mm钻杆)：4 5 00 m 1 3 第三章设计计算 最大钩载： 最大快绳拉力： 绞车输入功率： 档数： 钻井绳直径： 提升系统绳系： 柴油机偶合器机组型号台数： 单台柴油机功率： 柴油机设计工作转速： 3 2 2 传动方案参数计算 3150k n 3 4 0 k n 1 l0 0k w 4 正 35 m m 6 7 ( 花穿) g12 v19 0p zli 0 3 1 0 0 0 k w 13 0 0r min 钻机传动路线如图3 2 所示，钻机采用整体链条箱并车，链条箱并车将三台 g 1 2 v 1 9 0 p z l l o 柴油机液力偶合器正车减速箱( y o z j 7 5 0 - - 2 0 f l 。) 机组的动力进行合并 分配，统一驱动二台钻井泵、绞车、一台空气压缩机和一台节能发电机。转盘为交流变 频电驱动，上钻台的动力由转盘电控制系统提供，通过交流变频电动机、减速箱、万向 轴驱动转盘。 柴油机型号输出转速1 3 0 0r m i n ，y o z j 7 5 0 - 2 0 fl s h 偶合器传动比i = 2 。由此，2 1 1 2 柴油机偶合器机组输出转速6 5 0 r m i n ，即链条箱输入转速。 3 n b 一1 6 0 0 泥浆泵输入转速确定：按z j 5 0 3 1 5 0 l d b 钻机传动图三根传动轴转速6 5 0 r m i n ，取主动链轮z = 2 6 ，从动链轮z = 3 8 ，因此并车箱两根带泵轴转速 甩= 石2 6 6 5 0 = 4 4 4 7r m i n ，即泥浆泵实际输入转速4 4 4 7r m i n ， 3 | 绞车输入转速( 即并车箱输出转数) 的确定：并车箱主动链轮齿数z - - 3 0 ，从动链轮齿 数z = 2 7 ，绞车输入转速刀：3 0 4 4 4 7 = 4 9 4r m i n 。 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 z p 3 1 5 转盘 i ：3 5 6 n ：l 一2 5 6 r p m m = 3 3 1 ni t i l t s i l x l 2 5 1 5 第三章设计计算 3 2 3 绞车参数计算 ( 1 ) 滚筒缠绳层数e 查石油钻采机械4 - 6 公式乜门 窖：+ 里旦垡塑窖一 伊d 髑 d 。+ d 冀十罟 9 d 强 式中：d 。滚筒直径，d o = 6 8 5 m m d 绳钥丝绳直径，d 绳= 3 5 m m c i ) = o 9 = 0 n 一锯撇肛畚 l 简滚筒长度l 筒= 11 3 4 m m 滚筒上钢绳被压扁时直径上的增量，k = l m m 刀：l ：坐：3 1 5 n 略+ 3 5 + 1 将已知数值代入方程，并解方程可得 p = 5 ( 层) ( 2 ) 滚筒平均工作直径d 平 查石油钻采机械公式4 - 5 d 平= d o + ( e 中+ 1 ) d 绳 = 6 8 5 + ( 5 0 9 + 1 ) 3 5 = 8 7 7 5m m 快绳力及扭矩： 快绳最大拉力壤= 3 4 0 k n 并近似认为快绳力为垂直拉力。 滚筒轴扭矩：丁= 壤生2 - 3 4 0 半= 1 4 9 1 7 5 k n m 1 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 按传动方案，绞车的输入轴和中间轴各分成两独立的轴总成。中间采用球笼式万向 联轴器连接起来。运行时，输入轴通过链轮z = 2 0 带动中间轴上的空套链轮z = 2 4 和z = 4 2 旋转，挂合中间轴上的任一气胎离合器，动力经链轮z = 3 4 和z ：1 9 分别传递到滚筒轴上 链轮z = 3 7 和z = 7 4 上，挂合滚筒轴上的高速离合器或低速离合器可获得2 2 档正车转 速。 输入轴、中间轴、滚筒轴换档采用气胎离合器换档，司钻可直接操作气阀实现速度 转换，换档时无须停车。 ( 3 ) 效率计算 表3 1 部件效率( t a b 3 1c o m p o n e n te f f i c i e n c y ) 部件名称万向轴链条轴承 效率代号1 1 万r l 链r l 承 数值 0 9 9 o 9 7o 9 9 系统效率 滚筒缠绳及滚筒轴效率：r l 滚= 0 9 7 ； 偶合器效率：r l 偶= 0 9 7 ；n 带= 0 9 3 。 从动力机组输出端到绞车输入端效率： r 1 动- 绞= n 偶t 1 万2r l 3 n 链2 = o 9 7 0 9 9 2 0 9 9 3 木0 9 7 2 = 0 8 7 游动系统效率：有效绳数：z = 1 2 立根长度：1 = 2 8 m 1 2 绳时q 游= o 7 7 绞车传动效率：r l 绞= r l 链2r 1 承2 = o 9 7 2 0 9 9 2 = 0 9 2 2 ( 4 ) 钩速和提升能力 滚筒转萼n i = 4 9 4 x 石2 0 万1 9 = 6 0 4r p m n 2 = 4 9 4 i 2 0 i 1 9 ：1 0 5 7r p m 2 47 4 n 3 = 4 9 4 = 2 0