XJ-350修井机绞车的设计计算

1、i xj-350 修井机绞车的设计计算 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-350 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-350 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，在文中对阿里逊传动 箱、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

2、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，方案设计，滚筒，滚筒轴 ii workever rig 350 design and calaulate abstract workover rig is the necessary equipment that is used for workover jods in oil fied .and drawworks is the core of parts in worover rig .this article intrduced the workover rig type, the character

3、istic as well as the domestic and foreign development present situation .xj-350 workover rig is developed for small scale workover jobs. xj-350 workover rig overall design project is solected based on making conparision and analysis of the current transmission projcet design. through analyzing the l

4、oad power transfer manner chose proper wirerope and competed the structure design of drawwork and drumbody 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 al

5、ter apparatus and diesel oil power is finished. also designed and chosed the main component and finally carried out force analysis to make sure the safe of drum body, drum shaft. finally, has carried on the economy appraisal to the workover rig and competed the whole design the work, and get some co

6、nclusion. key words: workover rig，dreawwork，project design，drum，drum shaft iii 目录 摘摘 要要.i abstract.ii 第第 1 章章 绪论绪论.1 1.1 课题的意义.1 1.2 修井机设备概述.1 1.2.1 修井设备的组成.1 1.2.2 修井设备的特点.2 1.3 修井机.2 1.3.1 修井机的分类.2 1.3.2 修井机的发展方向.3 第第 2 章章 修井机结构设计修井机结构设计.1 2.1 动力机类型和井架的分析选择.1 2.1.1 动力分析.1 2.1.2 井架结构.1 2.2 修井机总体方案对

7、比分析和设计.2 2.2.1 修井机传动方案及典型结构.2 2.2.2传动方案设计和选择.7 2.3工作原理.7 第第 3 章章 设计计算设计计算.9 3.1修井机绞车基本参数.9 3.1.1 原始数据.9 3.1.2 其他数据.9 3.2修井机绞车结构概述.10 3.2.1 主要部件.11 3.2.2 轴系部件.12 iv 3.2.3 刹车部件.12 3.3 绞车主要零件部件设计选择.12 3.3.1 绞车的功能和原理.12 3.4 绞车设计计算.13 3.4.1 快生运动分析.13 3.4.2 游动系统钢绳拉力和效率.15 3.4.3 钢丝绳的选 3 取.16 3.4.4 滚筒设计.17

8、3.4.5 滚筒轴结构设计.25 3.5 刹车类型的分析和选取.33 3.5.1 刹车直径的尺寸确定.35 3.5.2 刹车力矩的确定.35 3.5.3 刹车钳数 n 的计算.36 3.6 离合器的选取.36 3.7 刹车盘冷却方式的选择.37 3.8 轴承的校核.37 3.9 键的校核.38 第第 4 章章 链条计算方法的探讨链条计算方法的探讨.40 第第 5 章章 经济性评价经济性评价.42 结结 论论.43 参考文献参考文献.44 致致 谢谢.46 1 第 1 章 绪论 1.1 课题的意义 随着石油上钻井及采油的发展，绞车的应用也越来越来明显。绞车是石油 钻机上一个极重要的工作部件，设计

9、绞车的主要依据，就是要求要适合钻井工 艺。 近几年来，由于石油钻井业的发展，技术和装备水平的不断提高，因而 钻井数量减少，绞车使用量大幅度降低。我国的绞车一方面是数量上过剩；另 一方面是质量不高、品种不全。在国内钻机生产厂家生产疲软的情况下，却又 不得不花巨资从国外引进。面对如此局面，凡从事石油机械事业的国人不得不 考虑如何振兴民族工业，是我国的石油钻机赶上世界水平。 随着科学的发展，油田上的钻采设备也在日益更新，同时，随着生产的 需求，这就要求我们当代的科学研究人员在生产设备的研究也开发方面不断的 要求创新，力求与国际接轨。而对于我们当代大学生，同时也就提出了更高的 要求。通过本次设计不仅可

10、以提高我们的学习成绩，同时也可以培养我们的创 新精神，使我们在今后的工作与学习中学会更好的如何去面对困难，克服困难。 1.2 修井机设备概述 1.2.1 修井设备的组成 井下修理是采油作业中繁忙的工作，它用来对井下设备和井身进行维修工 作，以保证井下设备操作正常和恢复油井原油产量。一般修理工作包括以下内 容： 起下油管、抽油杆和抽油泵等井下作业工具，进行抽吸、打捞和重新射孔 等等井下操作。 进行冲洗、挤水泥、注水泥塞、酸化和你将循环等工作。 钻沙堵、水泥塞、扩孔、重钻、加深和铣切等旋转工作。 某些修理工作只需要起下操作。但不少修井工作是起下操作和循环操作都需 2 要甚至旋转操作也要进行。为了进

11、行修井工作，要求成套的修井设备，它由起升 设备、冲洗设备、手工操作和机械化工具等组成。 1.2.2 修井设备的特点 全套的修井机同钻机一样也包括完整的工作机组，即起升组（绞车、井架等） 、循环机组（洗井泵）和旋转机组（转盘和动力水龙头） 。但与钻机相比，又有 许多特点。 修井机的三个机组之间的关系相当松散。许多机组是以单轴芯形式出现，如 通井机、轻型修井机只有起升设备，洗衣机、水泥车、锅炉车只有循环设备，只 有在油井大修时，才出动三个机组齐全的重型修井设备。修井是根据修井作业的 具体任务，任选三个工作机组的一个、两个或全套。 修井机的三个工作机组中起升绞车为主体的修井设备。 修井机作业周期短，

12、修井机的移动、准备等工作所占时间比重高。因此，对 修井机在运移性、快速拆装性等方面的要求比较高。修井设备的三个工作机组一 般都是装在汽车、拖拉机或拖车上，以缩短修井设备的运移、安装和拆卸时间。 由于钻柱的重要比油管和抽油杆要重的多，因此，修井机的起升能力约是钻 机的三分之一左右。 1.3 修井机（黑体四号） 1.3.1 修井机的分类（黑体小四号） 1) 按修井深度和起升能力分类 （1） 轻型，大钩额定载荷，最大修井作业深度，q额4000kn3000lm （2）中型， ，400800,30006000knqknmlm 额 （3）中型，。800,6000qkn lm 额 2) 按运载方式分类 （1

13、）履带式拖拉机运载的修井机，这种修井机适用于沼泽地区和崎岖不平 地区，对中方便，自重较大，比较稳定，但行驶速度太慢，履带会顺坏公路面。 （2）汽车运载和自走式修井机。行驶速度快，运移性好。一般来说，轻型 3 修井机用车装，中型和重型修井机用自走式。为了提高越野性能，都采用多轴驱 动底盘，这种载荷方式便于对中。特别是后对中，即把车倒到井口，井架从车尾 起立，操作方便。 （3）拖车或半拖车运载的修井机，一般在重型修井机中，这种运载方式的 缺点是不容易对准井口。 3) 按传动方式分类 普通修井机。普通修井机指主要传动（绞车和泵）采用液力机械传动的修井 机。它也可能局部采用液压传动，也可以不用。例如采

14、用液压来起升井架，驱动 绞车和水龙头，液压钳等，但循环泵大多不采用液压驱动。有的液压修井机还带 有液压起下装置。美国奥蒂斯服务公司和布朗石油工具公司都生产成套的、带有 液压起下装置的液压修井机。 盘管修井机。盘管式修井机的起升机组是用液压马达驱动的，但由于其起升 机组的工作原理与一般的修井机的工作原理完全不同，所以不列入液压修井机之 中。 这种修井机是与连续起下的柔性油管柱配套使用的。其起升机组包括管柱起 下装置和卷筒两部分。连续管柱盘绕在一个大卷筒上，每根长达 600700m，用 特殊的环链起下装置下入井中或从内起出。管柱在下入井口是伸直，从井口起出 后从新盘绕在卷筒上。 4) 按使用区域来

15、划分 从使用区域来分，修井机可分为陆用和海上修井机设备两大类，上面讲的按 装载车辆分类指的是陆上修井机，海上修井机则或是安装在固定平台上，或是装 在修井船上。 海上修井机的特点是要求机器占用面积：起升、循环及旋转系统齐全；自动 化，机械化程度高；另外还有防腐，防喷等要求。 1.3.2 修井机的发展方向 多年来，世界石油钻井绞车一直采用多轴、链条传动形式，该类型绞车由于 体积、重量、结构等因素一直困扰着其应用于发展。但随粉液压、电控等新技术 的发展应用，绞车的性能结构也发生了重大变化，为了能够较深入得了解石油钻 4 采设备新技术的应用状况，以下进行简要介绍。 我国由于起步较晚，在石油钻采新技术的

16、应用上还显得比较落后，尤其在液 压、交流变频控制等应用到较大型钻井设备上的例子还较少，我国最早采用交流 变频调速技术在辽河油田的油、水泵试验当中，随后推广到原油集输、供水和采 暖供热系统上来。 目前，国内外修井机的发展趋势主要表现在以下几个方面： （1）不断提高修井机的运移性能 一般轻型修井机采用车载式，而中型和重型修井机则多采用自走式。公路 行驶时速一般为，最高可达。为提高越野性能，多采30 40/km h70 80/km h 用多轴驱动底盘。用在沙漠中的修井机，装备有特殊的底盘和沙漠轮胎。 （2）缩短装拆修井机设备所用时间。 缩短修井机工作中准备和收尾工作所占的时间，特别是用于压井和油井导

17、流 操作所用的时间，以缩短总的修井时间。因此，我国应大力发展不压井修井设 备。 （3）不断提高修井机机械化水平 国外新型修井机多数采用了起下操作机械化工具和旋转操作的液压设备。广 泛采用了动力油管钳和抽油杆钳、动力卡和动力卡盘（动力卡瓦需要借助于转盘 进行工作，动力卡盘因本身有外壳，可装在井口进行独立工作） 、对开式游动滑 车和自动吊卡、液压操作的管子移动装置，以及起下多油管管柱的动力卡盘和吊 卡等。还广泛采用了动力水龙头和动力短节以及替代笨重的转盘、转盘传动机构 和方杆。动力水龙头实际上替代了普通水龙头和转盘的作用。而动力短节和普通 水龙头合用、可以替代转盘和方钻杆。 由于修井机机械化水平的

18、提高，大大减轻了工人的体力劳动强度，提高了工 作效率，劳动条件也有所改善。 1 第 2 章 修井机结构设计 2.1 动力机类型和井架的分析选择 2.1.1 动力分析 对于拖拉机装和汽车装修井机，大多数利用拖拉机和汽车本身的动力。自 行式和拖车式修井机则采用单独的发动机。发动机燃料采用天然气，适当地条 件而定。 利用拖拉机和汽车本身的动力时，必须加强发动机的冷却系统，特别是利 用汽车的动力时更应如此，因此汽车的冷却系统一般是按行驶条件设计的，而 行使时冷却条件比修井机停止时的冷却条件好的多。同时，还应考虑能调节汽 车冷却系统的能力，以防止发动机在严寒条件下的启动和工作困难。 自行式修井机的发动机

19、都装在后面的底盘上，它的装载是特制的，利用动 力分配箱，把动力传到底盘的下面，驱动行走机构。自行式修井机的发动机有 两种安装方式，横向安装和纵向安装。前者用链条后者用万向轴及锥齿轮传动， 传动结构比较复杂，但发动机的重量较均匀，链传动速度较低。 目前修井机的发动机多采用高速柴油机，也有少数用电和燃气轮机作为动 力源，装机功率都比较大，每吨其重量配备的功率高达 66.7kw，起升速度和 其载重能力也都较大，大大提高了修井机设备的工作效率。 根据设计所给的题目要求和数据，次修井机为中型修井机，经计算所给功 率符合要求，故实际为车装修井机，采用汽车发动机作为动力源。 2.1.2 井架结构 修井机井架

20、有筒式（又称桅杆式）和结构式（又称框架式）之分/筒式井架 有单筒和双筒两种。结构式井架又有折叠式和伸缩式两种。目前修井机大多数 用伸缩的筒式或结构式井架。修井机井架的二层台和抽油杆悬挂架一般采用折 叠式结构，当井架起立时自动打开，当井架放下时自动折叠收拢。 2 2.2 修井机总体方案对比分析和设计 2.2.1 修井机传动方案及典型结构 就修井机的传动方案来说，它和钻机有许多相似之处，也有绞车传动系统， 转盘传动系统以及泵传动系统。轿车和转盘的档数一般在 36 或无极变速。但 修井机的传动方案，具有以下特点： 引起升载荷较一般钻机小，又装在车上，要求设备特紧凑，多采用齿轮传 动箱的单轴绞车。修井

21、机一般不共用汽车变速箱低速个挡，而只用其直接档， 即第五档。因汽车变速箱的四、五档设计寿命长，而一、二档设计寿命短。而 且修井机变速箱的档数分配也和汽车不同，前者可按起升时间最少的原则来安 排各档。 （1） 绞车横放在车上，一般车辆发动机为纵向布置，因此装有功率选择 齿轮箱，方向轴和脚轴传动锥齿轮箱。绞车都是双滚筒的，钻修两用修井机的 捞沙滚筒可以拆卸。 （2） 轻型修井机（例如井架最大载荷为 30 吨的）一般不带泥浆泵; 中型， 重型修井机有时从主机引出轴头，用万向轴带泵，转盘为万向轴传动或液压传 动。 （3） 采用液压传动的修井机，除了液压驱动绞车外，多用液压立井架， 时用液压大钳，液压猫

22、头，液压转盘或动力水龙头。 修井机的传动系统按其结构主要有三种：机械传动、液压传动、机械液 力传动和液压传动。 1) 机械传动 3 图 2-1 xj-350 修井机机传动方案（楷体 5 号） 机械传动分齿轮变速机构和链条变速机构。机械传动机构简单，传动效率 高，但传动系统无柔性环节，噪音，振动和冲击都比较大。动力机和传动系统 和工作机构容易过载而损害和失效。不能根据修井工况和负载变化自动变速。 功率利用较低，操作控制也不方便。 机械传动修井机结构比较简单，国产的有 xj430，sxj50 及 xjj50 型 修井机等，其传动方案如图 21 所示。 2) 液力机械传动 液力机械传动，在传动系统中

23、采用了艾利逊传动箱，这种传动箱，档数 多，重量轻，可无级调速，操作非常方便，能使用于各种工况，它既有涡轮变 矩器的柔性又有机械传动的高效率。不仅充分利用了柴油机的功率，而且诶可 远距离的操控，自动化程度高，随负载变化自动变档或闭锁。 目前国内外自走式修井机大多采用液力机械传动方案。它包括柴油机， 艾利逊传动箱，角传动箱，万向轴和链条等。 所示为 lto350 型自行式修井机传动方案图。该机是优美国库柏公司生 产的。它公称钩载为 46 吨，用 13mm 的油管的修井机深度达 3600mm。井架高 29m。lto350 型自行式修井机的全部设备及型两节伸缩式井架都装在四轴专 用底盘上的轮胎来行驶。

24、 4 所示，一台 234kw 的 gmc8v-71v 型高速柴油机经 clbt750 型艾利逊传 动装置、分动箱、分两路输出动力：修井作业时，动力经万向轴、角传动箱、 链传动驱动捞沙滚筒，还经链传动、角传动箱、万向轴、链传动箱、万向轴、 驱动转盘、修井机行驶时，动力经分动箱、万向轴、驱动转盘的前桥和后桥。 图 22 新型修井机结构示意图 lto350 型自行式修井机的底盘轴距大，车架刚性好，保证运输时良好的 稳定性和通过性。采用宽大的带越野花纹的轮胎，而且离地距离大，提高了越 野性能。采用艾利逊传动装置，结构紧凑，重量轻，能在低档，启动和切换工 况时工作，发挥液力传动的优点，而在高档工况时变矩

25、器自行闭锁，成为纯机 械传动。提高传动效率。采用多片抹摩擦离合器换挡和双信号系统输出轴 转速和柴油机油门的液压控制，能实现自动换挡和在给定闭锁传动比下闭锁变 矩器，操作方便。阿里逊传动装置的采用使 lto350 型自行式既能满足修井机 作业的要求，又能满足汽车行驶的需要。 5 图 2-3 lto-350 型自走式修井机传动方案 lto350 型自行式修井机的绞车采用传统的双滚筒结构。绞车除机械刹车 外，还装有一套喷水冷却装置和双转子水刹车，后者当起空吊卡时用离合器迅 速分开。绞车用密闭的链条传动，机油润滑，以改善其工作条件。井架用矩形 钢管焊成，它的起落和上井架的升降、锁定都用油缸进行，工作平

26、稳可靠，操 作方便。天车轮的排列可减少钢绳的打滑现象，增加了游车河大钩起落的平稳 性。采用气液联合控制系统，控制方便。根据用户需要，该型修井机还可以配 备液压猫头，卸扣油缸，动力大钳，动力卡瓦和动力短节等。 3) 液压传动 液压传动和液压元件实现动力传递，易于实现工作组的分组驱动，可无级 调速，操作方便，自动化程度高，但传动效率低于液力机械传动。 为我国上海第一石油机械厂生产的 sxj50 型车装液压式修井机的传动图。 sxj50 型车装液压式修井机的公称钩载为 50 吨，最大钩载为 70 吨，适用于井 深 4000m 用 63mm 油管进行试油工作和井深 3000m 用 73mm 钻柱进行整

27、套油 井大修工作。它主要分为主机车和钻台两部分。主机车为车装式，装在 sh361 改造交通牌载重汽车上，钻台为快装式，这样便于移用、装卸以及高 27.3m 的 井架对惊恐工作。 6 图 2-4 sxj50 型修井机传动方案 角传动方案； 载重汽车发动机为上海柴油机厂生产的 6135q-2 型柴油机，水冷，功率 162kw（当转速 2200时）动力经分动箱、带传动，驱动一台主泵 zb740/minr 型轴向柱塞泵（当柴油机转速为 2200时，分配给主泵的输入功率为/minr 32kw） 。另外利用皮带传动驱动一台补油泵（cb-b125 型齿轮泵）和冷却液压 油用风扇。 sxj50 型车装液压式修

28、井机的整个液压系统有两个液压回路组成： 主油路：由 zb740 型轴向柱塞泵到 zm740 轴向柱塞马达，采用闭式回路， 恒功率控制，液压油由风扇冷却。油路的最大工作压力为 25mpa，最大排量为 600./minl 副油路：由 zb40 型轴向柱塞泵到 zm40 型轴向柱塞马达，采用闭式回路， 油路最大工作压力为 25mpa，最大排量为 80。/minl 在主油路中，有两台 zm70 型轴向柱塞马达，一台通过两档快速变速箱驱 动绞车，一台直接驱动转盘。由于在修井、试油作业中，绞车和转盘不同时工 作，因此绞车分别进行井架升降、二层台起放作业完成后，绞车和装盘才能正 常工作。 在副油路中，有两台

29、 zm40 型轴向柱塞马达，一台驱动猫头滚筒箱，另一 台驱动油管钳。猫头滚筒箱完成起升上节井架、上卸 73钻杆和钻台、井 7 口工具等第三项作业。猫头滚筒箱和油管钳的工作相互连锁，即两者中有一个 能工作。当进行井架起放作业时，猫头滚筒箱、油管钳和绞车、转盘正常工作 时，井架起放作业也不能进行。 sxj50 型车装液压时修井机还具有下面的结构特点： (1)绞车主滚筒由两个采用双刹车带，绞车鼓可以拆卸换，刹把上装有助加 力气刚收阀，操作方便可靠。 (2)井架具有两个安装二层台的位置，可排放油管和钻杆，改善了拉松油管 和钻杆的劳东条件。 (3)带泵箱、绞车两档变速箱采用油摩擦离合器，在轻负载下能进行

30、换挡， 动作快，工作可靠。 (4)设备控制系统为气控制和电液控制，并在电路上联锁，集中操作、可靠 和省力。 矿场实验和实际使用证实，国产 sxj50 型车装液压式修井机在工作性能、 运移性和拆装方便性等方面比其它类型修井机都具有一定的优。 3 点 2.2.2传动方案设计和选择 由上述修井机传动方案对比分析，液压机械传动较理想，选用阿里逊传 动装置。阿里逊传动装置既能适应修井机的工艺特点，又能满足车辆行驶的要 求。实际上，修井机作业时工作在何时变化，因车辆行驶时矿区的路面条件不 同也差异很大。为了提高生产效率，广泛采用阿里逊传动装置，如美国库柏公 司生产的 lto 系列修井机，斯古塔波勃罗胡托儿

31、公司生产的系列修井机 等全面采用 clbt 型阿里逊传动箱，其中有 clbt750、clbt5000 等系列。 阿里逊传动装置由液力变矩器（代号 c） 、闭锁离合器（代号 l） 、液力制 动器（代号 b） 、行星变速箱（代号 t）即控制、润滑和冷却系统组成。传动大 功率的 dp 系列为行星双流传的。在表示液力传动类型的代号后面，第一数字 为传动系列，第二数字为传动容量，第三位数字为基本档数，第四位数字为设 计变型。 传动方案为：柴油机阿里逊传动箱分动箱角传动箱链传动滚筒 传动。 8 2.3工作原理 发动机输出的动力同过液力变矩器传递到变速箱。变速箱有 2 个输出状态 （1）通过后传动轴传递到后

32、驱动桥，使该机后桥驱动行驶 （2）通过中传动轴到分动箱。分动箱又两个输出状态：通过前传动轴 传递到前驱动桥，使该机前驱动行驶；通过绞车减速器传递给绞车，绞车带 动游车大钩上下运动，从而实现修井作业及钻井作业。 9 第 3 章 设计计算 3.1修井机绞车基本参数 3.1.1 原始数据 (1)适应井深:31.3m (2)额定载荷：600kn (3)最大载荷：900kn (4)大钩最大起升速度：0.81；/m s (5)发动机额定功率（2100）：269/minr (6)井架高度：61 (7)游动系统有效剩数 3.1.2 其他数据 表 3-1 发动机和机械传动效率（楷体 5 号） 发动机或传动副名称

33、效率 柴油机（非增压增压） 0.80.85 气动离合器 0.85 万向轴 0.99 传动箱行星齿轮效率 0.98 联轴器 0.99 角传动箱轴承效率 0.98 链传动 0.98 滚筒轴部件 0.97 滚筒缠绳、滑轮绕绳 0.98 轴承 0.99 游动系统效率 0.91 10 (1) 修井机技术参数 快绳最大拉力：171.6kn 钢丝绳直径：26mm 游动系统：、5 4 绞车档数：5 正档，1 倒档 绞车输入功率：296kn 开槽滚筒尺寸： 滚筒最大转速： 最低起升速度： 发动机功率：296kw 发动机转速：2100 /minr 3.2修井机绞车结构概述 根据适用于 xj350 修井机为单轴绞车

34、。这种方案简单，功率小，重量轻。 修井机绞车的结构主要包括以下几部分： （1）主要部件 （2）轴系部分 （3）刹车部分 该修井机才用德国梅赛德斯 om4031 柴油机作为动力。xj350 型修井 机底盘轴距大，车架刚性好，移动时有较好的稳定性和通用性。柴油机械装在 车台上，大大降低了驾驶室的高度，便于放置和维修。采用 clbt750db 型艾 利逊传动箱，结构紧凑，能在低档，启动和换挡工况时工作，发挥了液力传动 的优点。在中、高档时液力闭锁，如同一个联轴器，成为纯机械传动，提高了 传动效率。采用水循环系统，可以提高刹车轮毂的使用寿命和刹车能力。绞车 采用了密封的链传动，机油润滑，改善了工作条件

35、。井架采用两节伸缩式，起 升采用了液压缸起升方式。采用气液联合控制系统，控制方便，另外，该修井 机还配有钻台、转盘、水龙头和动力短节等。 该修井机具有高运移性，安装方 便，技术装备比较先进和工作可靠的优。 3 点 clbt750 型阿里逊传动箱采用三自由度换联式行星变速箱，由五个正档 1 各倒档。共 6 各操作纵件、传动比 i 和相邻公比见表 4 3.2 11 表 3-2 clbt 型传动装置性能参数 传动 比 i 型 号 输入转速 /minr 输 入 最 大 功 率 kw 输入 最大 扭矩 nm 变矩器 12345 c l b t 7 5 0 2500/minr2941530 tc430 t

36、c450 tc459 tc470 tc490 tc495 5.1833.1902.0671.400 4. 4 7 5 3.2.1 主要部件 其中在主要机械部件中以下几个部分：滚筒体 轮毂 轴承座及刹车盘等 （1）滚筒体：绞车滚筒是绞车的主要部件之一。它主要由滚筒、滚筒轴 、轴承等组成。其中滚筒体和滚筒轴是绞车最重要的部件。其载荷是具有一定 特殊性。滚筒体可以看成一个铸钢或焊接板的厚壁筒，滚筒直径荷滚筒长度是 绞车的主要几何参数，他们基本上决定了轿车的尺寸和缠身容量。滚筒体选择 材料为铸钢，加工工艺为仅采用焊接滚筒体，壁厚依强度计算而定。 （2）轮毂：主要作用是支撑滚筒体，他的选材与滚筒体相同为

37、铸钢，其 外径等于滚筒体内径，加工工艺为铸造。 12 （3）轴承座：用于支撑轴承和轴及其上部件等。选材 ht200 的铸件。 （4）刹车盘架：用于支撑、固定刹车钳。选材为 46 刚。 3.2.2 轴系部件 主要包括滚筒轴、轴承、离合器、冷却系统等。 （1）滚筒轴：滚筒轴在工作中受到扭矩压力引起的剪切力和弯矩引起是 我正压力作用。滚筒轴每提升一次钻机的钻柱就受到一次扭矩，起升时，扭矩 逐渐减小呈阶梯下降，剪压力为不稳定的脉动循环，由于它受到的载荷冲击较 大，故设计为实心轴，选 35crm。它与滚筒体通过键联接来传动。 （2）轴承：支撑用轴承，本次设计中选用调心球面滚子轴承，此轴承具 有自动调心功

38、能，具有较大径向承载能力。其余为深沟球轴承。 （3）离合器：用于换挡、刹车等。选用通风行径向离合器。该型离合器 隔热和通风散热性好，摘挂迅速平稳，具有更高的使用寿命。 3.2.3 刹车部件 刹车机构是绞车的操作控制核心和最重要的安全设备。绞车刹车采用液压 盘式刹车。液压盘式刹车主要包括刹车盘、刹车钳机油缸。传动架其杠杆作用， 将液压活塞产生的理传递给刹车副，使刹车片与轮毂之间产生摩擦力用来刹住 载荷。在刹车过程中当液压油进入油缸后，通过活塞拉伸弹簧使活塞杆伸出推 杆。刹瓦压紧在刹车盘上。利用刹瓦和刹车盘间的摩擦力产生的转的扭矩，制 动滚筒。卸压时，弹簧使活塞收回，离开刹车盘，制动力消失，滚筒可

39、以自由 滚动，紧急制动钳油缸回油后，两端弹簧在活塞中收回，杠杆带动刹车瓦离开 刹车盘。刹车呈松弛状况，滚筒可以自由驱动。 3.3 绞车主要零件部件设计选择 3.3.1 绞车的功能和原理 1) 绞车的功能： 在石油钻井过程中，绞车的主要功能表现在： 13 （1） 将钻井工具下入几百米至几千米，甚至超过几千米的井底。 （2） 将钻井工具从几百米至几千米，甚至几万米提起来。 （3） 在钻井中，要悬吊部分钻具重量，以控制压在钻头上的压力。 （4） 钻井中，如出现井下事故，需在井下筒内下入或起出处理井下故障 的各种井下工具。 （5） 在钻机安装、拆卸时，需将井架整体起立或放下。 （6） 在固井作业中，需

40、要向井内下入套管等。 2) 绞车的工作原理 动力机将自身的能量以转速的形式传递给绞车变速系统，变速系统根据钻 机所要执行的动作将速度调整到合适的数值范围传递给绞车运动转换系统即滚 筒，滚筒再通过钢丝绳带动天车、游车、大构等游吊系统，最终将完成大钩上 移或下行的垂直运动，达到下放或起出钻具等目的。再这一运动转换过程当中， 入遇到紧急情况需要停车或需要绞车承受部分钻具载荷。改善井下钻头钻压， 则需通过刹车控制系统来实现。 3.4 绞车设计计算 3.4.1 快生运动分析 如图： 图 3-2 绞车滑轮系数 14 设 v 为大钩速度，v0为钢丝绳速度，为天车滑轮速度，z 为有效绳数。 v d轮为滑轮直径

41、。则钢丝绳速度由快绳侧至死绳依次为： v0=v1=6v= zv (3-1) (3-2) 23 4vvv v4= v5 = 2v (3-3) v6=vz= v7 (3-4) 天车滑轮的切向速度 v和转速 n 依次为： ， (3-5) 1 6vv 1 60 6v n d 轮 ， (3-6) 2 4vv 2 60 4v n d 轮 ， (3- 3 2vv 3 60 2v n d 轮 7) ， (3-8) 4 0v 4 0n 结论：通过上述分析可见，在起钻过程中快绳一侧的滑轮转速比死绳衣侧 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， 以使轴承的寿命均衡。在设计轴承选型计算时

42、，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，即一段一段向滚筒方向补充新绳。 3.4.2 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q游游 q游 游 15 统的起重质量和效率，p、为快绳和死绳的拉力，.为游绳的拉力。 p 12 pp、 z p （1） 大钩静止时，各绳拉力相等。即： .= 12 pp z p (3-9) q p z 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

43、绳拉力发生变化；即： 12 . z pppp 设为一个绳轮的效率，则： (3-10) 12 2 . z z ppp p 因为 12 . z qppp 游 故 (3-11) 23 (.) z qp 游 所以 (3-12) (1) 1 z qp 游 由于 q p z 游 游 所以起升时的游动系统效率为： (3-13) z 游 （1-） 1- 可见游动系统的效率主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。 (2) 下钻时的情况与上升时刚好相反。即： 121 . zz ppppp = 12 . z qppp 游2 111 (.)

44、z p 16 因为 (1) 1 z q p z 游 游 所以下钻时游动系统的效率为： (3-14) (1) 1 z z 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，这时快绳拉 力 p 时绞车的参数。时选择和核算钢丝绳的主要依。 2 据 3.4.3 钢丝绳的选 3 取 因为大钩起升时快绳拉力为： (3-15) q p z 游 游 由石油钻采机械概论表 5-1 中查得0.874 游 由原始数据知最大载荷为 900kn 取=900 q游kn 所以： (3-16) max 900 171.6 6 0.874 pkn 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

45、的情况下，钢丝绳的安全系数为了避免钢丝绳直径太大使滚筒直径和滑3n 轮直径变大，钢丝绳直径不能太大。因而，在次处取 n=4 所以 (3-17) max p nn p 断 为钢丝绳的断裂载荷p 断 所以 p 断max pn 其中 ； max 171.6pkn 4n 17 由于 b pf 断 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0.95 0.98 f 为钢丝绳面积总和（不包括绳芯） ， 2 m 为钢丝绳的抗拉伸强度， b a p 由(3-17)可得; (3-18) b p f 断 3 2 6 171.6 10 16.06 0.95 450 10 fcm 所以 22.6 f dmm

46、 依据机械设计手册选取钢丝绳直径为 26mm. 3.4.4 滚筒设计 1) 滚筒直径和滚筒长度 t l 这时绞车的主要参数，它决定了绞车的外轮廊尺寸大小，由于滚筒的 缠绳层数有限，所以这两个参数也决定了滚筒的缠绳容量。滚筒直径主要根d筒 据钢绳的结构和直径来确定。 (3-19)(17 23), ts dd mm 式中钢绳直径；mm s d 所以442 598 t dmm 18 取500 t dmm 在起下钻作业过程中，滚筒上的钢绳周期性地缠绕和放出，滚筒实际工作 直径是变化的。在计算中，通常才用滚筒平均工作直径进行计算。根据 滚 p d 筒缠绳的特点，当第一层为左旋缠绕时，第二层必为右旋缠绕，

47、钢绳在拉力作 用下，约有圈落入前一层钢绳形成的绳槽中，则，还有圈必 3 4 0.866 s hd 14 须由一个绳槽跳向另一相邻的绳槽中，这段钢绳直径重叠起来，有。近 s hd 似地取每一整圈钢绳在滚筒半径上增量的平均值： s hd 31 0.86610.9 44 滚筒各层缠绳直径的变化为： 第一层缠绳直径 10s ddd 第二层缠绳直径 20 2 ss dddd 第三层缠绳直径 30 4 ss dddd . 第 e 层缠绳直径 0 2(1) ess ddded 滚筒长度： (3-20)(1.9 2.2), tt ld mm 所以(1045 1210) t lmm 取1100 t lmm 过长

48、会使快绳进天轮的倾角变大，对排绳不利。另外也可以能使滚筒轴 t l 的弯矩加大，因而需下式进行核算。 - (3-21)2 t lhtg 19 式中 h滚筒轴至天车轴之间的高度，mm 快绳的倾角，一般去 00 11151 30 当滚筒轴转速 0 100115 min r n时， 当滚筒转速 0 1001 30 min r n时， 根据原始数据要求，大钩起升转速为0.8 1 min m 所以滚筒轴转速为 (3-22)60 t v n d 求得 (3-23) max 1000 60 38.2 min 500 r n 把数据代入(3-22)得 ，满足要求。 22 30 10001.51572 tt l

49、htgtgl 所以1100 t lmm 2) 刹车毂直径d毂 刹车毂直径的大小说明了绞车的高度和表明乐绞车机构的刹车能力的d毂 大小。 (1.8 2.3), t dd mm 毂 所以 990 1265dmm 毂 取。1126dmm 毂 3) 每层缠绳圈数 滚筒缠绳容量 m 表示滚筒可缠绕规定直径钢绳的长度。它可由立根行程 确定。 20 对有槽滚筒 (3-24) 00 () s mlzdd n 式中 钢丝绳直径，mm s d 立根平均长度取 =18mm，ll 游动系统有效绳数，z 滚筒体直径，mm 0 d 开槽滚筒第一层在起下钻石没有放出的缠绳圈数，=1015，所以 0 n 0 n 取 10，

50、0 n 把数据带入公式(3-24)得 18 6(0.380.022) 10120.62m m 取 121 (3) 缠绳层数 e 注意到缠绳容量也可以表示为 (3-25)md ne 平 对于开槽滚筒： (3-26) 00 2 0 () 0 s s ss dd nzl dd nn ee dd 式中 系数取 0.9 把数据代入公式(3-26)解得 e=2.7 取 e=3 (4) 滚筒缠绳平均直径d平 21 根据上述： (3-27) 0 (1)1 s dded 平 式中 滚筒体直径 mm 0 d 钢丝绳直径 mm s d 系数取 0.9 缠绳层数e 平均缠绳直径 mmd平 把数据代入公式得 mm500

51、(3 1) 0.9 1 2650072.8572.8d 平 (5) 滚筒最大缠绳直径 maxe d (3-28) max0 2(1) ess ddded 把数据代入公式 max 0.50.0262 (3 1) 0.9 0.026 e d =0.6196m (6) 快绳的最大拉力 0 p (3-29) max 0 1.05 y q p z 式中 大钩最大载荷 max q 游动系统起升效率，根据石油钻采设备修井机游动系统起升效 y 率取 0.913 代入公式(3-30) 22 0 1.05 900 171.6 6 0.913 pkn (7) 求扭矩与弯矩 由材料力学知识得起升时最大载荷出现在当钢丝

52、绳在滚筒中间是时弯矩最 大。扭矩不随钢丝绳的位置变化而变化。所以： (3-30) 0 2 d w p l m (3-31) 0 2 w p d t 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 w mnm 滚筒体在快绳拉力作用下的最大拉力tnm 滚筒体轮毂两端的最大距离 m d l 快绳最大拉力 n 0 p 把数据代入公式中(3-30)得 33 171.6 101.14297.81 10mnm 把数据代入公式(3-31)得 33 171.6 100.6196253.16 10t (8) 滚筒体壁厚 滚筒体因受到较大的扭矩和弯矩，用高强度材料，先用实验法假定一个 值，验证其安全系数

53、是否合理。选用材料为 zg310570，其=310mpa,通 s 过实验来验证其安全系数是否合理，假定=40mm 两端轮辐的加强作用，钢丝 绳对滚筒体产生的最大弯矩压在滚筒体长度的中部，由壁厚圆筒均匀分布外压 力作用状态下的应力分布分析。可知，最大应力出现在滚筒体表面，其径向应 力和周向应力分别为： 23 径向应力为： (3-32) 0 0 r p pa sd 周向应为： (3-33) 2222 000 01 2222 000 () () ll ll ddddp pa ddddsd 弯矩引起的滚筒体轴向最大应力为： (3-34) 0 43 0 16 (1) wd z ml p wd 扭矩引起的

54、滚筒体最大剪应力为： (3-35) 0 44 0 16 (1) e r p d pt jd 式中 ：缠绳压力引起的径向应力，； r 3 n m 缠绳压力引起的周向应力，； 3 n m 弯矩引起的轴向应力，； r 3 n m 扭矩引起的剪应力，； r 3 n m 滚筒内径，m； l d 滚筒体截面惯性矩，； p j 4 m w滚筒体抗弯截面模量，； 3 m ； 0 l d d 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一下 方程求出： 24 (3-36) 32 123 0 nnn iii 其中 (3-37) 1 2 2 3 () rs rzzrr zrr i i i 解方程(3

55、-36)，求出三个主应力分别为、和。 1 2 3 根据第四强度理论： (3-38) 222 122331 1 ()()() 2 iv 滚筒体的强度条件为： (3-39) s s iv n 式中 ：滚筒体材料的屈服点极限应力， s 2 n m 安全系数，一般 s n s n1.5 由式(3-39)得安全系数为。1.22 s iv n 按最大钩载计算快绳拉力，n1 就满足要求。所以符合安全要求，假设成 立；即，取壁厚=40mm。 3.4.5 滚筒轴结构设计 按扭转强度条件粗略故最小轴径 由滚筒体快绳和传动链条传递来的载荷是经常变化的，并常有振动 和冲击性。材料多选用中碳调制刚如：40crni、40

56、cr，我国广泛采用 36crmo、38simnmo 等。故试选材料 25 38simnmo。试样经过调质后要求其机械强度：， 2 80 100 b kg mm ，hb=220280. 2 60 80 s kg mm 2 1 30 50kg mm 本次设计的滚筒轴除了要专递扭矩外，还要承受一定的弯矩。粗 略估轴径时用降低许用扭转切应力的办法来给与考虑。周向的扭转强度条件为： (3-40) tt t t w 式中： 扭转切应力，npa; t t周所受的扭矩，；nm 轴的抗弯矩截面系数，； t w 3 m 许用扭转切力，mpa； t 对于圆轴： (3-41) 3 16 t d w 式中：d轴的直径

57、由前面计算的结果知： 滚筒所承受的最大拉应力 =171.6kn 0 p 滚筒缠绳后最大直径为 =0.6196m； max d 故轴所承受的扭矩 3 max 0 171.6 100.6196253.16 2 d tpkn 由式(3-40)及式(3-41)得轴的直径 (3-42)3 16 t t d 代入数据得 26 3 3 6 16 53.16 10 120 3.14 10 dmm 拟定轴上零件的装配方案 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 及轴定的一般实际原则。确定轴的具体结构尺寸，具体设计过程如下： 轴的最小轴径显然是安装离合器的，为了使选的离合器的孔径与轴的直

58、径 相配合，取离合器处的直径为 124mm，由于该段轴除了要安装离合器外还要装 一段套筒来定为其右端的轴承。因此该出的轴长度为 212mm。 在离合器右端处的轴上需要安装一个深沟球轴承和两个调心滚子轴承。由 于该段轴左端的离合器不需要轴肩来定位，考虑到轴承的内径为 5 的整数倍， 故该段轴的直径为 135mm,其长度考虑到两种轴承的宽度分别为 78mm 和 64mm，中间安装定位滚筒和轴承端盖等。取此处轴长度为 322mm。 左端支架右端的轴需以轴肩来定位支架处的轴承，故取该处的轴径为 140mm，该处仅需要留有一定的距离来满足伸出来的冷却水管即可。取此处长 度为 128mm。其右端轴仅需留有

59、一定为轴肩即可满足要求。取该段轴肩直径为 148mm，长度为 20mm|。滚筒轮毂处的轴径为 144mm 长度为 168mm。滚筒部 分轴长为 930 直径为 140mm，右端支架处为起与左端支架的平衡取值一样，由 于此处要有冷却水路，考虑到刚度问题，此处轴径取 135mm 长度 372mm。 轴上的零件的周详定位离合器、支架、轮毂与键。 通过以上分析，即可得出轴的大体结构图如 图 3-3 滚筒轴结构示意图 分析轴上的载荷 首先根据轴的结构图，做出州的设计简图确定轴的支点位置，根据计算 27 做出轴的弯矩图。 图 3-4 轴受水平面受力分析 图 3-5 轴受垂直面受力分析图 水平分量和垂直分量

60、分别为和，则。 r p n p 2 2 nr ppp 所示，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，为了得轴的危险截面，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 分析两支架处轴承的受力。 链轮分度圆直径=0.776m。 r d 设链轮处轴收到的拉力为则 r f (3-42) 2 r r t f d 其中 t= (3-43) 0max 2 p d t滚筒体所受载荷最大时轴所受到扭矩； 28 滚筒体所受的最大载荷； 0 p 链轮分度圆直径； r d 滚筒缠绳后的最大直径； max d