修井机绞车设计论文

第 1 页 共 42 页摘要修井机是油田用于修井作业不可缺少的设备，绞车是修井机上的核心部分。本文介绍了修井机的类型、特点以及国内外的发展状况。XJ-450 修井机是一种较小规模，它的设计是为小型修井作业而设计的。通过对已有的方案对比分析确定了 XJ-450 修井机绞车总体设计方案:通过对载荷及动力传动方式的分析选择了钢丝绳，完成了滚筒体，滚筒轴和链轮的结构设计;同时，在文中对刹车和离合器进行了简单的介绍和选择，确定了刹车盘的冷却方式;完成了绞车组成系统设计选择和主要构件的设计选择;并对滚筒轴等主要构件进行了校核:对链条计算方法进行探讨;最后，对修井机进行了经济型评价，从而完成了整体的设计，得出了一些结论。关键词:修井机;绞车;滚筒；滚筒轴 XJ-450第 2 页 共 42 页AbstractWorkover rig is the necessary equipment that is used for workover jods in oil tied .And drawworks is the core of parts in worover rig .This article inuduced the workover rig type, the characteristic as well as the domestic and foreign development present situation .XJ-450 workover rig is developed for small scale workover jobs.XJ-450 workover rig overall design project is selected based on making conparision and analysis of the current transmission project design. Through analyzing the load power transfer manner chose proper wirerope and competed the structure design of drawwork and drumbo and drum shaft .Meanwhile simply introduced and chosed Allison transmission box installation, brakes and clutch. Chosed proper cooling system for brakes. And the match analysis between twist alter apparatus and diesel oil power is finished. Also designed and chosed the main component and finally carded out force analysis to make sure the safe of dram body, drum shaft. Finally, has carried on the economy appraisal to the workover rig and competed the whole design the work, and get some conclusion.Keywords:Workover rig;drawworks；drumbo ；drum shaft第 3 页 共 42 页目 录摘要 .1第一章 修井机绞车基本参数 .51.1 绞车工作原理及主要结构图 .51.2 XJ450 的基本参数及要求 .71.3 确定参考的绞车类型 .81.4 XJ450 传动系统 .9第二章 滚筒和滚筒轴的设计计算 .102.1 快绳的运动分析 .102.2 游动系统钢绳拉力和效率 .122.3 各个参数计算与选取 .14第三章 轴的设计 .18第 4 页 共 42 页3.1 按扭转强度条件估计最小轴径 .183.2 轴的设计 .19第四章 滚筒的计算 .284.1 扭矩与弯矩 .284.2 滚筒体所受的载荷 .29第五章 刹车类型的分析和选取 .35结论 .37参考文献 .38致 谢 .39第 5 页 共 42 页第一章 修井机绞车基本参数1.1 绞车工作原理及主要结构图绞车一般有五种类型，即单轴，三轴，五轴等。单轴绞车是将滚筒和猫头在同一根轴上操作，该绞车的不足是猫头的转速过高，位置过低，操作不便：双周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，使得管理和维修不方便：三轴绞车能实现独立的三低一高档转速，是重型和超重型绞车的典型方案，但是机构复杂，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，在超深井和海洋钻井中应用较多。如图 1-1 所示，动力机 1 将自身的能量以旋转的形式传递给绞车变速系统 2，变速系统根据钻机、修井机等所要执行的动作将速度调整到合适的数值范围，然后将扭矩传递给运动转换系统 3（即滚筒） ，滚筒再通过钢丝绳 5 带动天车 6、游车7、大钩 8 等游吊系统，最终完成大钩上移或下行的垂直运动，达到下放或起出钻具等目的。在这一运动转换过程当中，如遇紧急情况需要停车或需要绞车承受部分钻第 6 页 共 42 页具载荷，改第 7 页 共 42 页善井下钻头钻压，则需通过刹车控制系统 4 来实现。绞车的工作原理如图：图1 绞车工作原理1.2 XJ450 的基本参数及要求小修深度 m 2-7/8钻杆 5500修井深度 m 2-7/8钻杆 4500最大钩载 kN 1125提升系统绳系 8大钩最大提升速度 m/s 1.5井架形式 桅杆、双层、液缸起升、伸缩第 8 页 共 42 页表 1 Xj450 相关参数1.3 确定参考的绞车类型表 2 xj450 绞车相关参数井架高度（净空） m 31 .3游动系统结构 45大绳直径 mm 26绞车形式 单滚筒、配 22SR 水刹车绞车额定功率 kW(HP) 400绞车提升档位 五正一倒快绳最大拉力 kN 210型 号 JC21D形 式 单滚筒额定功率 400kW技术参数 主滚筒(里巴斯绳槽)直径 mm 450滚筒体长度 mm 912直径 mm 1070宽度 mm 310刹车毂冷却方式 喷水冷却刹车带包角 345o钢丝绳直径 mm 26第 9 页 共 42 页1.4 Xj450 传动系统Xj450 传动系统图快绳拉力 kN 210(第二层)型号 ATD-324H（气动推盘）型式 气动推盘传递扭矩 54731N.m离合器工作压力 0.7Mpa辅助刹车 Wcb224第 10 页 共 42 页第二章 滚筒和滚筒轴的设计计算2.1 快绳的运动分析本机为 45 结构，钢丝绳的死端固定在死绳固定器， 活端固定在主滚筒上。如图所示：图 2 游动系统穿绳图3 游动系统穿绳简图第 11 页 共 42 页设 V 为大钩速度， 为钢丝绳速度，v为天车滑轮速度，Z 为有效绳数。0为滑轮直径。则钢丝绳速度由快绳侧至死绳依次为:D轮01823645V672890天车滑轮的切向速度 V，和转速 n 依次为:116088,VvnD轮226,轮33044,Vvn轮44622,D轮550,vn结论:通过上述分析一可见，在起钻过程中快绳一侧的滑轮转速比死绳一侧的转速快数倍。所以，当天车、游车进行检修时，应将其滑轮及轴承相互倒换，以使轴第 12 页 共 42 页承第 13 页 共 42 页的寿命均衡。在设计轴承选型计算时，应以快绳的轴承工况为依据。同样，在快绳侧的钢绳由于弯曲次数比死绳次多出数倍，前边的钢绳会提前疲劳断丝，所以钢绳经过一定时间后，应从死绳端储绳卷筒中放出新绳，从滚筒上截掉一段旧绳，然后重新固定缠好，即一段一段向滚筒力方向补充新绳。2.2 游动系统钢绳拉力和效率设 为起升时游动系统的起重质量和效率， 为下钻时游系统的,Q游游 ,Q游游起重质量和效率，P、P为快绳和死绳的拉力， 为游绳的拉力。12,zP(1) 大钩静止时，各绳拉力相等。即: 12zZQP绳(2) 当起升时，由于滑轮轴承的摩擦阻力和通过滑轮时的弯曲阻力，使各绳拉力发生变化：即: 21zP设 为一个绳轮的效率，则:因为 12+zQ游第 14 页 共 42 页故 231+.zPQ（ ）游所以 ()=z游Z游 游所以起升时的游动系统效率为: (1)=z游可见游动系统的效率上要取决于游动系统的有效绳数 Z，Z 越多则效率越低。其次是与单轮效率有关， 的大小取决于滑轮轴承类型和钢绳的特性。（3）下钻时的情况与上升时刚好相反。即: 121zzPP12 1(.) zzQ游因为 (1)Zz游 游(1)=z游起钻和下钻时游绳拉力时不同的，其中起钻时快绳拉力最大，这是快绳拉力为 P 时绞车的参数选择和核算钢丝绳的重要依据。 第 15 页 共 42 页2.3 各个参数计算与选取2.3.1 钢丝绳的选取因为大钩起升时快绳拉力为： ZQP游 游由石油钻采机械概论表 5-1 中查得起下钻时游动系统的效率 =0.841游由原始数据知最大载荷为 1125kN所以： max125.960.84PKN根据我国钻机标准中规定，各级石油钻机应保证在钻井绳数和最大钻柱重量的情况下直径变大，钢丝绳的安全系数 n=3 为了避免钢丝绳直径太大使滚筒直径和滑轮直径变大，钢丝绳直径不能太大。因而，在此取 n=4所以 maxnP断为钢丝绳的断裂载荷断所以 其中 =222.95KN； =4maxn断 maxn由于 bFP断第 16 页 共 42 页式中 为考虑钢丝绳弯曲引起的折合系数，纤维绳芯 金属绳芯 0.950.98F 为钢丝绳面积总和(不包括绳芯)， 为钢丝绳的抗拉伸强度。 b，bP断 2950.*4所以 25.769Fdm依据机械设计手册选取钢丝绳直径为 26mm2.3.2 滚筒绕满四层时的直径滚筒 Dt=450mm，绳 Ds=26mm，增量系数 =0.9第一层缠绳直径 10.4ssdD第二层缠绳直径 2.2sss第三层缠绳直径 30.4sss第四层缠绳直径 40.6sssdDmax=D4=450+0.626+60.926=591.96mm滚筒长度：Lt=（1.92.2）Dt mm=（855990）mm 取 Lt=912mm2.3.3 刹车毂直径 D毂刹车毅直径 的大小说明了绞车的高度和表明绞车机构的刹车能力的大小。毂=1.823,tm毂 （ ）第 17 页 共 42 页所以 =,mD毂 （ 810 35）取 1070mm毂2.3.4 每层缠绳圈数 n91236tsnLd2.3.5 缠绳层数 e注意到缠绳容量也可以表示为: MneD平对于开槽滚筒: 式中 取 0.9020Ssszlned把数据代入公式得 e=42.3.6 滚筒缠绳平均直径 平有 01sedD平式中： .滚筒体直径 mm0.钢丝绳直径 mmsd.系数取 0.9.缠绳层数e.平均缠绳直径 mmD平把数据代入公式：第 18 页 共 42 页4501.9*2654.mD平2.3.7 快绳的最大拉力 0P0QZ游 游式中： 表示钢丝绳的最大负荷（1125KN）游游动系统提升的效率。游根据石油钻采设备修井机游动系统起升效率取 0.841代入公式 0125.96*0.83kNQPZ游 游第 19 页 共 42 页第三章 轴的设计3.1 按扭转强度条件估计最小轴径由于滚筒体快绳和传动链条传递来的载荷是经常变化的，并常常有震动和冲击性。材料多选用中碳钢调质。在此选用 42CrMo 许用扭转应力 为 35-55mpa。滚T筒所承受的最大拉力 Po=222.95KN，滚筒缠绳后的最大直径为 Dmax=591.96mm，轴所承受的扭矩 max00.591624.72.T KNmDP由于此轴主要承受扭矩，所受的弯矩较小，其扭转强度条件为：TTTW式中： -扭转切应力，MPa-所受的扭矩，N.m-轴的抗弯矩截面系数，T3m-许永扭转切应力，MPa；第 20 页 共 42 页对于圆轴， ： d-轴的直径3=16dWT由前面的计算结果可以知道：滚筒的所承受的最大拉应力：Po=222.95KN滚筒缠绳后的最大直径为：Dmax=0.59196m联立得TTTW代入数据得：316Td其中取 =55Mpa，T3164.720.1825dm由于轴的直径大于 100mm，又轴上有键槽和通孔，取最终轴的最小直径为 190mm。3.2 轴的设计根据滚筒轴上装配多种零件的需要，如链轮，离合器，轴承，滚筒等，以及轴的一般实际原则。确定轴的具体结构尺寸，具体设计如下： 轴的最小轴径用来安装离合器的，为了满足最小直径要求，取离合器处的直径为 190mm,取长度为 293mm。第 21 页 共 42 页离合器的左端是两个并排的深沟球滚子轴承，并且轴承的两端需要轴套定位，该段轴右端的离合器要轴肩定位，又轴承的内径为 5 的整数倍，取轴径 200mm，两个并排的轴承 6040 加两个套筒，取 160mm。深沟球滚子轴承左边是一个调心滚子轴承 23044，取轴径 220mm，利用轴肩定位，取长度 90mm。调心滚子轴承左端是一段安装自来水管的轴，取轴径 230mm，长度取 155mm。再左边是链接滚筒的左连接盘，取轴径 240mm，长度 155mm。再左边是滚筒部分，取轴径 250mm，长度与滚筒大致相当，取 912mm。滚筒左边与右边大致对称，联接盘与自来水管取相同数据。左自来水管部分左侧有圆柱滚子轴承，取 N2244E，取轴径 220mm，长度108mm。最左边有辅助刹车，其中有轴套，帮助定位，取轴径 200mm，长度 310mm。3.2.1 轴的强度校核水平分量和垂直分量分别为 Pr 和 Pn，则 Pr=Pn= 02P由于滚筒在工作中钢丝绳的位置会发生变化，因此，轴的受力也会发生变化，为了得轴的危险截而，需要考虑整个滚筒工作过程的轴的受力。现在以滚筒轮毂左端为坐标原点建立坐标轴分析轴的受力。设滚筒钢丝绳与水平面夹角恒为 45。第 22 页 共 42 页分析两支架处轴承的受力链轮分度圆直径 =0.934m（z=66，p=44.45）180sinrPzd设链轮处轴收到的拉力为 Fr 则 ，其中2rrTFd02MaxDPT-滚筒体所受载荷最大时轴所受到扭矩;-滚筒体所受的最大载荷;0P-链轮分度圆直径;rd-滚筒缠绳后的最大直径:MaxD代入数据得 =64.722KN2.950160T则 64.7138.5909r KNF已知 Pr=Pn= = =148.49KN02P20其中查资料得滚筒轴上各零件的重量为：辅助刹车 500kg 记 ，轮毂G辅282kg，滚筒 1002kg，离合器 450kg。轴本身的重量是均布载荷，对强度和刚度的影响很小，可以忽略不计。计算时认第 23 页 共 42 页为所有的载荷全部是加在个零件轮毂中心的集中载荷，即将滚筒重量分为两半，各加一半在左右轮毂上。其中 =500*9.8=4.9KN， = =(282+1002/2)*9.8=7.673KN, G辅 滚 1G滚 2=450*9.8=4.41KN离（1）当钢绳在滚筒左侧时1）分析轴的铅垂面受力由 M(B)=0 1209+8672+7912+(9127)(27)(05)()rrGGPF辅 滚 滚 离（ ） （ ）将数据代入式中得， =128KN1rF又由 M（A）=020986(27)(286791)(2867912705)(710rr GPF辅 滚 1滚 离（ ） -（ ）将数据代入式中得， =45.14KN1r2）分析轴的水平面受力由 M(B)=0 得1(9127)(205)(8679127)NrNPF代入数据得 =132.84KN1N第 24 页 共 42 页又由 M(A)=0 得2(2867912705)(2867)(8679127)0r NNFPF代入数据 =122.95KN2N（2）当钢绳在滚筒右侧时1）分析轴的铅垂面受力由 M(B)=0 1209+8672+7912+(72)(7)(205)()rrGGGPF辅 滚 滚 离（ ） （ ）将数据代入式中得， =44.87KN1rF又由 M（A）=020986(2791)(286791)(2867912705)(71)0rrPF辅 滚 1滚 离（ ） -（ ）将数据代入式中得， =128.27KN1r2）分析轴的水平面受力由 M(B)=0 得1(72)(05)(28679127)NrNPF代入数据得 =49.71KN1N又由 M(A)=0 得第 25 页 共 42 页2(2867912705)(286791)(8679127)0r NNFPF代入数据 =39.8KN2N（3）作出弯矩图和扭矩图钢丝绳在滚筒左边和右边的情况下，弯矩图扭矩图如图所示：图 4 绳子在钢绳左边 第 26 页 共 42 页图 5 绳子在钢绳右边3.2.2 按弯扭合成应力校核轴的强度已知轴的弯矩和扭矩之后，可针对某些危险截面（即弯矩和扭矩大而轴径可能不足的截面）做弯扭合成强度校核计算。按第三强度理论，计算应力 24ca通常有弯矩缠绳的弯曲应力 是对称循环变应力，而由扭矩所产生的扭转切应力 则通常不是对称循环变应力。为了考虑两者循环特性不同的影响，引入折合系第 27 页 共 42 页数，则计算应力为：224()ca式中的弯曲应力为对称循环变应力。当扭转切应力为净应力时，取 ；0.3当扭转切应力为脉动循环变应力是，取 ；若扭转切应力亦为对称循环变应力0.6时，取 。1对于直径为 d 的圆轴，弯曲应力为 ，扭转切应力 ，将MW2TW和 代入式中得轴的弯扭合成强度条件为： 222214ca TMW-轴的计算应力，MpacaM-轴所受的弯矩，N.mmT-轴所受的扭矩，N.mmW-轴的抗弯截面系数，mm3-对称循环变应力时轴的许用弯曲应力1进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面）的强度。根据上一步的计算结果，及轴旋转，扭转切应力为脉动循环 ，轴的计算0.6第 28 页 共 42 页应力：（1） 当钢绳在滚筒左侧时第 29 页 共 42 页在危险截面处为实心轴，333*20.1.250dW21()647.543068NmM2 222 22 3482693. .647*015caPT（2） 当钢绳在滚筒右侧时在危险截面处为实心轴，333*20.1.250dW22()435067.49NmM2 22 22 3.6*4710.5547186ca TP前已选定的材料为 42CrMo，由表查的 =70Mpa，因此 ，故安全。11ca第 30 页 共 42 页第 4 章 滚筒的计算4.1 扭矩与弯矩由材料力学知识得起升时最大载荷出现在当钢丝绳在滚筒中间是时弯矩最大。扭矩不随钢丝绳的位号变化而变化。所以:/2wodMPL/oTD式中滚筒体参数为:-滚筒体在快绳最大拉力作用下的最大弯矩 N.mwT-滚筒体在快绳拉力作用下的最人拉力 N.m-滚筒体轮L 两端的最大距离 mdL-快绳最大拉力 NoP把数据代入上面的公式中得=2229500.912/2=101665.2N.MwM第 31 页 共 42 页T =2229500.59196/2=65988.741N.M4.2 滚筒体所受的载荷修井机绞车的载荷工况主要有最大钩载、正常修井和严重修井工况。由于滚筒所受载荷主要与快绳拉力有关，而这三种工况下最大钩载的快绳拉力最大，为此在计算滚筒体所受载荷时只需考虑最大钩载工况即可。由快绳拉力 P 对滚筒壁造成的载荷有弯矩 ，扭矩 以及缠紧的钢绳对壁筒的压力 。实测表明，由前两M弯 扭 1种载荷所产生的应力都很小（不及第三者的 10%） ，所以在计算时可以忽略不计。而外压力 在壁筒中产生的压缩应力却很大，成为我们核算强度的侧重点。1P由于轮辐两边加强的作用，所以压缩应力的最大点发生的最大压缩应力的最大点发生在滚筒长度的中段。而此应力有以内壁表面的切向应力 为最大。maxt根据材料力学厚壁筒的一般公式，只有外压力 时1P2max1-t Dp筒筒 内式中 ， 分别为滚筒体的外径和内径。筒 内设滚筒体壁厚为 ，以 代入上式，然后略去 的小值不记，则-2=内 筒 24得近似式 max12tp筒第 32 页 共 42 页这样一来，对于一定结构尺寸的滚筒，其最大压应力取决于滚筒的外压力 。1P实际的滚筒上钢绳作多层缠绕时， 不是按比例增加的。maxt首先，滚筒和钢绳两者都是弹性体，当缠完第一层钢绳时滚筒体向内收缩，暂时稳定为一定的弹性状态，再继续缠第二层钢绳时，在新增加的外压力 的作用下1滚筒体进一步被压缩，这就使原先已缠好的第一层钢绳的拉力松弛下来，而小于原来的拉力 P,减小程度与滚筒的弹性和钢绳的相对刚度有关，可按下述经验公式计算：多层缠绳是对最大应力maxt iPAS式中 Pi-钢丝绳缠绕 i 层时, 滚筒表面所承受的压力 MPa；Ai-钢丝绳 i 层缠绕经验系数，见表；F-快绳拉力，N；-滚筒壁厚, mm；S-滚筒绳槽间距, mm。表 3 多层缠绕系数缠绳层数 1 2 3 4 5多层缠绕系数1.0 1.41.82 2.15第 33 页 共 42 页对于 Xj450 修井机绞车，其最大钩载时的快绳拉力为 222.95KN，钢丝绳直径 d为 26mm，滚筒作用直径为 450mm，对最大钩载工况，钢丝绳一般缠绕 2 层，其多层缠绕系数为 1.4，滚筒绳槽间距按标准槽 s=d+2=28mm，钢绳对滚筒的压力可近似看成在滚筒表面的平均分布压力，代入式中， max1.4295078.6MPa0.t iPAS滚筒体壁强度条件，其安全系数max1.5stn式中 -滚筒体材料的屈服极限，KN/m2.经查，490MPas符合条件，安全。参考过程设备设计第三版，表 2-1 得，厚壁圆筒的筒壁应力值在仅受外压的的情况下：表 4 厚壁圆筒计算仅受外压 0ip应力分析 任意半径 r 处 内壁处 irR外壁处 orRr2201ipK0 0p220ir201p201Kz20其中：K 是径比 0iR-滚筒所受的外载荷0p第 34 页 共 42 页-轴向应力z-周向应力第 35 页 共 42 页-径向应力r多层缠绳的情况下，外压力载荷0029501.46.7.48PaPpASD其中： 为滚筒外径0为快绳拉力径比 0.251.640iRK代入数据计算得表 5 厚壁圆筒计算结果表仅受外压即 0ip应力分析 任意半径 r 处 内壁处 irR外壁处 orr2146875.i0 -46666666.67Pa 2.ir-288109756.12Pa -241443089.4Paz-144054878.06Pa扭矩引起的滚筒体最大剪应力为：max 444416 285064.pa(1)60.59/.otPoDTJK第 36 页 共 42 页其中：K 是径比 0iD是滚筒缠绳的最大直径max是快绳的最大拉力 oP是滚筒体截面惯性矩J是滚筒体在快绳拉力作用下的扭矩T根据叠加原理，滚筒体表面附近一点处的主应力根据弹性理论可以用以下方程求出：（1）32130nnnII其中（2）1rz（3）2 zrI（4）23zrr解方程求出三个主应力分别为 ， ， 。123将数据代入计算得：1）内壁处 0(289756.)(40587.6)42163.8rzI2 1.2(0)452.415367.zr2 23 140587.6450.8()()098zrrI 解方程得三个方向上的主应力为： ， ，123.1pa251369.pa314627.pa根据第四强度理论：第 37 页 共 42 页22221 2=+31735.08169.487.05369.17()()()/5.0149687.02496pa- 合2）外壁处 1(-.)+(21.4)+(8.)3.2rzI2 46.7*(309.)241309.*(4587.1)+46.7*(14058.)-2508258.rzr2 23 71 6.(.6()-1509.zrrI 解方程得三个方向上的主应力为： ， ，14027.8pa234589.pa36482.pa根据第四强度理论：22222 21=+3134589.047.856()()(.34895.1047.8561.67 )/pa-合滚筒体的强度条件为：17850/(2495106.8)=32s合2/7.45s合其中，滚筒体的材料为 40Cr， 为 785Mpas参考海上钻井绞车的安全系数 1.67，此滚筒的安全系数符合安全要求。第 38 页 共 42 页第五章 刹车类型的分析和选取由于国产修井机时绞车的刹车系统几乎都不配置辅助刹车，而且不少带刹车也没有冷水冷却系统，从而使带式刹车的工作条件而恶劣，工作性能和寿命都不高。因此，在修井机(特别是亚型修井或钻修两用机)中，一盘式刹车取代了带式刹车时十分必耍的。盘式刹车的特点，刹车力矩大，刹车效率高与以往的刹车相比，盘式刹车具有较高的可移性，并且刹车功率受温度影响小，并且可以省去辅助刹车机构。但是没有辅助刹车的话对盘式刹车的刹车片磨损过大并影响钻具的起升和下放，影响工作进度.而电磁辅助刹车的价格贵，综合考虑本设计采用水刹车作为辅助刹车。采取新型可调式水刹车，这种水刹车在原有的水刹车上做了一些小的改变，使水刹车的制动力矩变 成可以调节这就使绞车这起升 和下放得速度的到更明显的控制。第 39 页 共 42 页盘式刹车具有凡下优点:（1）