毕业设计（伦文）-ZP175石油转盘设计

ZP175石油转盘设计系（部）专业学号学生姓名指导教师提交日期PAGE\*ROMANIII摘要本课题为ZP175未来发展需要设计，零件结构是否满足要求，锥齿轮是否合格，轴的强度是否需要加强。根据地质的特色特别是海上作业，决定重新研制ZP175，底座其实还有稳定作用。由于是高强度作业所需功率较大首先要求轴的强度必须合格，对于锥齿轮也是要求接触强度和弯曲强度也必须满足要求，对于稳定的传动比并无严格要求。下一步我们要严格选用转盘的各个部件，包裹螺栓，轴承，对于轴承我们不但要求限制功率而且需要要求速度，还有寿命。我们用了很多方法以接近现实的情况，我们采用CAD绘图，用各个软件去模拟。本次设计的主要内容：加工工艺技术指标；零部件的选定；轴承，轴，齿轮的强度计算；底座的选定；转盘总体结构设计和转盘总装图绘制；主要零部件设计和绘制；设计说明书撰写。关键字：石油转盘，轴承，锥齿轮，强度校核。

ZP175typeturntabledesignAbstractThistopicforthefuturedevelopmentoftheZP175needstodesign,partsstructureistomeettherequirements,bevelgearisqualified,thestrengthoftheshaftneedtobestrengthened.Accordingtothegeologicalcharacteristics,especiallyoffshoreoperations,decidedtoredevelopmentofZP175,thebasehasastabilizingeffect.Becauseofthehighstrengthworkrequiredlargepowerfirstrequiresthestrengthoftheshaftmustbequalified,forbevelgeariscontactstrengthandbendingstrengthmustalsomeettherequirements,forthestabilityofthetransmissionratioshowednostrictrequirements.Thenextstepweneedtostrictlyselectthevariouspartsoftheturntable,thepackagebolts,bearings,wenotonlyrequiretolimitthepowerofthebearingandtheneedforspeed,asthereislife.Weusealotofmethodstoclosetotherealityofthesituation,weuseCADdrawing,withthevarioussoftwaretosimulate.Themaincontentofthisdesign:indexofprocessingtechnology;componentsselected,bearings,shafts,gearstrengthcalculation;baseselected;turntabledesignandtheoverallstructureoftheturntableassemblydiagramdrawing;mainpartsofthedesignanddrawing;designspecificationwriting.Keywords：Oilturntable,bearing,bevelgear,strengthcheck.

目录TOC\o摘要 ⅠAbstract Ⅱ目录 Ⅲ1绪论 11.1中国石油转盘的发展和现状 Arabic11.2石油转盘的分类 11.2.1转盘独立电驱动 11.2.2液压转盘 11.3石油转盘的发展趋势 21.4本课题的主要内容和设计意义 22ZP175转盘的主要构成 32.1ZP175石油转盘的由哪些基本软件构成 32.2转盘尺寸和精度 32.3转盘方案的确定 43转盘的结构形式 53.1转盘类型 53.2转盘的电动机选定 63.3转盘的工作方式 73.4转盘方案的总体设计 84转盘工艺与设计计算 104.1其传动简图和受力分析 104.2轴承寿命计算 144.3键的强度校核 154.4转台与大齿圈的配合 165ZP175转盘锥齿轮副的计算与分析 195.1对小锥齿轮的计算 205.2对大锥齿轮的计算 255.3大锥齿轮的齿根弯曲应力的常规计算 296ZP175转盘输入轴的计算与分析 296.1输入轴的整体受力分析 296.2输入轴的强度计算 307结论 34致谢 35参考文献 36PAGE\*Arabic341绪论1.1中国的石油转盘发展和现状、近十年来,我国石油转盘技术得到最为快速的发展,制造能力得到极大提高。我国转盘制造厂制造的各种转盘已基本满足我国石油勘探开发工作自身的需要，已成为全球最大转盘制造国。随着各油田深层油气井勘探开发及参与国际竞争力度的逐年加大,对深井钻机的需求更加迫切,为提高转盘的综合利用率,适应激烈的市场发展,配备高性能的深井转盘势在必行。随着南海，东海大量石油资源的出现，对于海上石油钻井平台需求越来越迫切，特别是石油转盘的强度和功率，海上钻井平台相对于陆地更加具有挑战性，但相对于中国现状的石油转盘远不能满足未来发展要求，我们必须立足于现在石油转盘现状和我国所处制造业优势地位，积极引进国外高尖端技术，改造我们石油转盘现状以适应未来发展要求。1.2石油转盘的分类1.2.1转盘独立电驱动石油转盘，在石油开发领域越来越重要，其传动方式也是科研界的研究对象，在这个问题上，究竟哪种电机比较适合，研究者们从开始就提出各种各样的问题，并且各有各的道理和理由，只从电力出现以来几乎各种机械都与电有关，石油机械虽然笨重，体积较大，其也离不开电机的带动，因为其他动力很难满足石油机械的需要，电机独立驱动有很多好处，例如其便于调速，且噪声较小，市场决定哪种比较有优势，特别是交流变频电动机，这种电机在石油机械方面的运用更加受欢迎，,转盘前安装尺寸的调整，比较适合钻井平台的作业，而且这类转盘的实用方法较为方便且价格低廉。其不足之出就在于其需要相对比较功率大的电机，以满足工作需要，和作业时的安全系数，转盘独立电驱动相对于其它传动方式，其已经标准化，不需要单独生产，这就减少采购成本，对于现在石油转盘的动力且有足够的能力,其缺点也是很明显，容易产生电火花，这在石油作业中是非常危险的，还有现在电网几乎全是变频式的，这就使机器采购成本增加，而且直流电和交流电在以往看来变频式的电机被应用更广泛1.2.2液压转盘比较来看机械驱动的转盘的传动方式中、零件相对比较多、机器相对比较笨重，虽然操作简单但工作形式较为复杂。液压转盘的速度的调节由周转形式的齿轮进行调节，用于连结液压式的马达用于驱动转盘系统、用于散热，补冲机油，起到在过载时保护闭式回路、控制系统、制动系统来组成优良的液压系统被良好的运用。液压式转盘在温度过高时它不仅可以避免了以前的液压转盘的油路系统过热。和液压元件寿命低的毛病，结构特点车装钻机和修井机的转盘驱动包括发机、绞车、转盘传动箱、传动、爬坡链条盒等。液压转盘是指转盘采用液压传动的方式来驱动更加适应车装钻机和修井机的台面布置。这种转盘尤其适用于水井钻、浅井钻机、液压钻机。转盘与液压马达的连接如图为液压系统的原理图。液压转盘的液压系统为闭式液压系统系统油泵的进油管与液压马达直接相连形成一个闭合的循环。为了补充液压系统的损失要求有较高的过滤精度因而应用受到一定的限制。但液压系统的油箱体积很小同时油泵能直接控制液流方向并允许能量反馈控制阀块、伺服油缸组成一个整体结非常方便地实现转盘从小到大不同的正反转转速。液压转盘

的闭式液压系统由主液压回路、冷却、过滤和补油回路、控制回路、制动回路组成。并在主回路上设置双向过滤器液路中大于200目的杂质被挡住—205转盘—连接法兰。1.3石油转盘的发展趋势钻盘是石油钻井用的成套重型机械设备，是油田上各种机械设备中最大、最重并具有不可或缺重大作用的装备。可以毫不夸张地说，钻盘是油气田的设备之王。随着石油工业的发展，钻机也在不断发展，钻井能力越来越强，功率越来越大，传动越来越先进，机械化、自动化程度越来越高。近些年以来，石油转盘的创新越来越引人瞩目，机械性能，安全性能，整体结构连贯性能整体改善，而且关于这方面的理论越来越完善。转盘经过多年的发展和研发，变频式的电机转盘得到越来越多人的认可。交流变频理论的越来越完善，人们在运用当中越来越喜爱，其优越的性能得到越来越多人的认可，必将成为无论是陆地还是海洋会的到广泛的用途。地球的地貌千差万别，不同的地形和地理状况需要我们去研究不同的机型，世界各国也争先研制一些先进的机型已提高自己市场竞争力，和在钻机方面的主导权等国先后开发可各种类型的石油钻机。老盘工业强国仍然占据着主要的比重，所以我们要想超越其他国家，让我国转盘业也占一份重要的地位，实际上就是在技术研发方面进行大量的研究，以超越其他国家，而且石油技术领域在国际间扮演重要的较色，特别是现在南海领域，我国想要真正的管制就让其商业化。这些年来我国的石油转盘研究方面取得重大进展，我们要良好的利用前人的研究成果，让他们发挥作用，让我国的与石油转盘相配套的领域，特别是交流变频电机领域长足发展，创造更多的经济效益。1.4本课题的主要内容和设计意义主要内容：本课题为ZP175未来发展需要设计，零件结构是否满足要求，锥齿轮是否合格，轴的强度是否需要加强。根据地质的特色特别是海上作业，决定重新研制ZP175，底座其实还有稳定作用。由于是高强度作业所需功率较大首先要求轴的强度必须合格，对于锥齿轮也是要求接触强度和弯曲强度也必须满足要求，对于稳定的传动比并无严格要求。下一步我们要严格选用转盘的各个部件，包裹螺栓，轴承，对于轴承我们不但要求限制功率而且需要要求速度，还有寿命。我们用了很多方法以接近现实的情况，我们采用CAD绘图，用各个软件去模拟。本次设计的主要内容：加工工艺技术指标；零部件的选定；轴承，轴，齿轮的强度计算；底座的选定；转盘总体结构设计和转盘总装图绘制；主要零部件设计和绘制。设计意义：通过此次转盘设计的实践，把自己大学四年所学的专业知识很好的整合在一起，综合运用所学过的理论、知识和技能设计出一个有价值的产品。培养自己分析和解决转盘设计的一般性问题的能力，拓宽了自己的知识面；使自己树立了正确的设计思想，设计构思，掌握了转盘设计的一般程序和方法；提升我在查找技术资料、国家标准手册、运算、数据处理和编写文件等方面的能力，这对即将迈入社会的我是一次不错的锻炼。ZP175转盘的主要构成2.1ZP175石油转盘的由哪些基本软件构成转盘主要由底座,转台,主辅轴承,大齿圈,输入轴总成锁紧装置(2)，方瓦(7)，补心,上盖,等零部件组成。底座是转盘的壳体，采用焊接结构，由铸钢件和板材焊接而成。其主要是作为主辅轴承及输入轴总成的支撑，同时，也是润滑锥齿轮和轴承的油池。底座可承受最大静载荷。转台是一旋转件，大齿圈紧套于转台上，转台装在主﹑辅轴承的上下圈内，并通过主轴承支撑在底座上。在转台的上部有方座孔，方瓦安装在方座孔内。通过四方将扭矩传递给方瓦和补心，从而带动钻杆柱旋转。转台上部加工有迷宫槽，装配后与底座的迷宫槽组成两道密封迷宫，防止泥浆进入油池和池内油溅出。转台下部装有下座圈(15)与下密封座(19)组成密封迷宫，迷宫与挡环防止泥浆从下部进入油池。主辅轴承均采用推力向心球轴承,旋转时，主轴承主要承受方钻杆下滑造成的轴向力和锥齿轮副啮合所产生的径向分力，起下钻时，承受最大静荷载。辅助轴承用来扶正转台，并承受锥齿轮副啮合所产生的轴向分力，防止转台上跳。垫片可用来调整轴承的轴向间隙。输入轴总成由小锥齿轮,轴，轴承套,轴承,,轴承盖等零部件组成.小锥齿轮装于轴的一端，轴通过一个单列向心短圆柱滚子轴承和一个双列向心球面滚子轴承支撑在轴承套内。轴承套的一端装有轴承盖，轴承盖上装有弹簧密封圈,当输入轴总成装入底座时其内腔与底座内腔共同组成一密封空腔。一对锥齿轮的啮合间隙是由主轴承下面的垫片和在轴承套与法兰端面上的垫片来调整的。在转盘的底座上装有锁紧装置，若使转台在顺时针(逆时针)方向制动时，用操纵杆将左掣子(右掣子)送入转台均布的槽内，转台顺(逆)时针方向不能转动。转台与方瓦，方瓦与补心均使用制动块和销子锁紧。方瓦是由两半部分组成，从转台中取出方瓦是用两个方瓦提环。转盘尺寸和精度转盘是石油钻机和修井机的重要配套部件，其主要用途为：在钻井和修井过程中，转动井中钻具,提供扭矩和转速。定向钻井时用于调整和控制下井钻头的方位。ZP175转盘具有承载能力强、传递扭矩大，运转平稳、润滑良好、锁紧可靠,重量轻，便于安装维修等特点.1.2技术参数型ZP175转盘通孔直径952.5mm(37最大的静负荷5750kN，石油转盘转台的在工作时的最大扭矩32562N.m在工作时的最高转速310r/min锥齿轮传动比3.46，转盘中心到输入链轮第一排齿(内侧)中心之距离1353mm(53外形尺寸(长宽高)2468mm，1810mm，728mm重量7870kg，转盘的结构特点，转盘的减速用于一对锥齿轮得以实现，转台可以有一定范围的转速和输出的扭矩范围，转盘主要由、底座、上盖，转台的装置、主补心装置、输入轴，锁紧装置、锥齿轮副等零部件组成。因为我们需要传动平稳，重合度大，传动平稳，承载能力相对比较高，大小锥齿轮均由高合金钢经热处理制造而成，锥齿轮副的啮合间隙可由主轴承下部的垫片13和输入轴总成中轴承套法兰端垫片6来调整。转台装置是转盘用以输出转速和扭矩的旋转件，其主要由大锥齿圈，转台，主轴承，下座圈等零件组成，转台通孔直径符合APISpec7K的规定，转台与大齿圈通过过映配合来安装，角接触轴承用于做主轴承，做成一体式，因为轴向力过大采用推力球轴承，这样就可以在作业时承受比较大的工作强度和负荷，更加可以承担由于在钻探时所产生的冲击载荷，这样其结构相对简单，下座圈可以与转台让螺钉进行连接，这样用来承受主轴承的载荷通过其下座圈的，轴承轴向的间距通过垫片来调整，,转台装置安放在底座内，而且定位螺栓可以使座圈与底座相连，座圈为主轴承的。功率的输入主要是通过输入轴来输入，电机的功率有损耗，其形状为圆形，其各个部件相对比较复杂，包裹轴，轴承，还有大小齿轮，轴承座。输入轴的位置和安装，其有轴承和链轮固定，用于配合电机和锥齿轮，输入轴安装在底座内，采用闭式安装这也是其优点之一，其个位置尺寸，和键的各部分宽度和长度尺寸均符合ZP175号轴头的规定。底座焊接而成的四房的空心体，可以用于容纳更多的部件，这如同一个大容器把各个零件安放在其内，这样转盘的强度和刚度将满足，而且其惯性更加大。而且轴承的润滑，和齿轮的润滑都在其内部。底座内有两个制动装置分别安放在其两边，这样在作业和钻探时无论是正反的扭矩都可以快速的进行处理。其主要是由特殊的钢材焊接而成。其内还有主补心，其结构比较特殊，作用也很特殊，其内孔装入ZP175号补心装置，这样其可以在比较特殊的环境下进行作业，主补心装置和转台、ZP175号补心装置由于其连接这钻头我们必须有制动装置，这会在图上表现出来、轴承可以采用甩油润滑；其他各个部件例如制动装置其离合采用脂润滑。一般转台和转盘之间会有齿轮和轴承因此其密封比较特殊，输入轴之间由于会随着转台和轴进行运动，其密封有特殊要求，我们必须运用蛇形密封，其余装置的密封无特殊要求，我们可以采用比较简单的密封。转盘方案的确定转盘结构的主要区别不同主要表现在转盘轴承布置方案上。转盘轴承布置方案可分为两大类：主、辅轴承同在大齿轮下方和主辅轴承都在大齿轮的两侧2.综上所述：主、辅轴承分置在大齿轮两侧，主轴承在下，辅轴承在上这种转盘主轴承易偏磨；转台－迷宫盘做成两体，污水、泥浆易漏入油池。现代钻井转盘结构上应选取主、辅轴承同在大齿轮一侧；?水平轴总成的结构方案水平轴两轴承采用不同型式，可从轴一端装配，及直接制1）水平轴上用同样一付调心轴承，分别从水平轴两端装配，这种结构不便于更动转台的方案。换靠近小齿轮处的轴承油封；2）水平轴上两轴承采用不同型式或不同尺寸，且都由轴的一端进行装配。?转盘制动装置1）水平轴上装棘轮，采用这种方案时，对锥齿轮有损害；2）用销子或棘爪直接去制动转台，制动时齿轮副不参加传力四、转盘的特性参数1.转盘有几个比较严格的参数，我们必须严格的要求去做，例如其通孔，就是严格要求的，第一次开始作业时的钻头，其直径应该比其大9毫米；2.还有其作业时由于功率和安全系数的要求其最大可以承受的扭矩和载荷，转盘的强度必须满足其要求；其主轴承将承受最大的功率和载荷，我们的选取要针对此来选取轴承；3.其最大的扭矩就是在速度比较低时其扭矩，因为其功率一定速度越低，其扭矩越大，我们根据此来计算其功率和设计其传动部分的零件；由于转速过高也会产生影响，转速过高会造成其极不稳定在作业时；5.另外其中心距也有严格的要求，必须良好的设计。主、辅的轴承的安装和排放也有严格的规定，这些我们会在图上表示出来，原则上应该承受最大载荷的轴承在上方：这种转盘主轴承易偏磨；转台－迷宫盘做成两体，污水、泥浆易漏入油池。主、辅轴承分置在大齿轮两侧，主轴承在下，辅轴承在上：这种转盘主轴承易偏磨；转台－迷宫盘做成两体，污水、泥浆易漏入油池。水平轴上装棘轮，采用这种方案时，对锥齿轮有损害；转台迷宫圈大锥齿轮转台制制动动块销方补心大方瓦迷宫圈负荷轴承小锥齿轮制动棘轮双列调心轴承制动螺栓下迷宫盘上迷宫盘止动盘调节锁紧螺母辅助轴承快速轴水平轴上用同样一付调心轴承，分别从水平轴两端装配，这种结构不便于更换靠近小齿轮处的轴承油封；转台迷宫圈大锥齿轮转台制制动动块销方补心大方瓦迷宫圈负荷轴承小锥齿轮制动棘轮双列调心轴承制动螺栓下迷宫盘上迷宫盘止动盘调节锁紧螺母辅助轴承快速轴水平轴上两轴承采用不同型式或不同尺寸，且都由轴的一端进行装配。用销子或棘爪直接去制动转台，制动时齿轮副不参加传力工作时，其功率主要由电机通过链轮带动输入轴输入，经管其不可以保证瞬时传动比，但可以保证其平准传动比，然后转台由输入轴上的齿轮带动，借助转台通孔中的方补心和小方瓦带动方钻杆、钻杆柱和钻头转动；同时，小方瓦允许方钻杆轴向自由滑动，实现钻杆柱的边旋转边送进；起下钻或下套管时，钻杆柱或套管柱可用卡瓦或吊卡座落在转台上。转台迷宫圈大锥齿转轮台制制动动块销方补心大方瓦负迷荷宫轴圈承小锥齿轮制动棘轮双列调心轴承下迷宫盘上迷宫盘制动螺栓止动盘调节锁紧螺母辅助轴承快速轴主、辅轴承：主轴承为向心止推球轴承，起承载和承转作用。静止时，承受最重套管柱重量；旋转工作时，承受主要由方钻杆下滑造成的轴向载荷及锥齿轮传动所形成的径向载荷。主轴承、锥齿轮共用一个油池，飞溅润滑。辅助轴承也是向心止推球轴承，起径向扶正和轴向防跳作用。转盘的结构形式3.1转盘类型转盘分类石油转盘：用来钻油、气井的一整套钻井设备。转盘随着某种钻井方法、钻井工艺的出现而产生，又随着钻井技术的不断发展而发生相应的变化。1.按钻井深度：浅井转盘、中深井转盘、深井转盘、超深井转盘2.主传动副类型：胶带并车传动（皮带钻机）、链条并车传动（链条钻机）、锥齿轮－万向轴并车传动（齿轮钻机）?皮带并车传动的钻机，指的是采用三角胶带作为钻机的主传动副，用皮带将多台动力机组并车，去统一驱动各工作机组及辅助设备，并用皮带传动泵。?链条并车传动的钻机：采用链条作为主传动副；2～4台柴油机－变矩器（或偶合器）驱动机组，用多排小节距套筒滚子链条并车，统一驱动各工作机，一般仍用皮带传动泵?ZJ45是国产第一台链条钻机：1）柴油机－液力变矩器柔性驱动；2）采用高强度高精度套筒滚子链并车传动。锥齿轮－万向轴并车传动的钻机：采用万向轴、齿轮作为主传动副，柴油机－变矩器驱动，每台驱动机组带一个螺旋锥齿轮箱组成一个联动机组，采用大功率万向轴并车传动，并用万向轴传动泵。3.驱动设备类型：机械驱动钻机（MD）、电驱动钻机（ED）?机械驱动钻机，指的是以柴油机为动力，通过液力变矩器、链条、齿轮、三角胶带等不同组合的传动形式所驱动的钻机。?依所采用的主传动副类型，机械驱动钻机可分为：万向轴－锥齿轮并车传动钻机（齿轮钻机）、三角胶带并车传动的钻机（胶带钻机）、链条并车传动的钻机（链条钻机）。电驱动钻机：DZ-200钻机特点：?柴油机－直流发电机－直流电动机驱动；?柴油机－发电机－泵，构成特殊的机泵组；直流发电机两端出轴头，柴油机带动发电机，又带动泵，钻井泵是电驱动；?三分组独立驱动：绞车、

转盘、泵分别独立驱动。4.使用地区和用途：陆地常规钻机、海洋钻机、特种钻机等?常规钻机：陆用转盘钻机，是钻井设备的基本形式（通常所说的钻机类型）；?海洋钻井设备：由陆用钻井设备和造船技术相结合而产生；?特种钻机：为适应各种地理环境和地质条件，加快钻井速度、降低钻井成本、提高钻井经济效益而研制，如沙漠转盘、丛式井转盘、斜井转盘、直升飞机吊运的转盘等。3.2转盘的电动机选定石油电机主要分为交流电机，和直流电机，其各有优势，下面我们先对比一下两种电机，再选取。1直流电机驱动直流电驱动具有工作稳定等工作特性，且转速可以根据不同情况需要进行无级变速，对钻井平台比较好，且利于操作，而且调节范围比较广，使转盘减少对电机功率的依赖且工作稳定无噪声。再一个就是启动与制动，这对于转盘寿命特别重要，假如启动阶段不够平稳，就容易造成的转速的瞬速提高，造成转盘的破坏甚至是钻井平台的破坏，造成财产的损失。直流电动机可以实现频繁的正反转，减少工作程序，调节与使用都比较方便。因为直流电动机很容易实现正反转的原因所以转盘可以不设反转的档位，简化了转盘结构。其操作方便很容易找到工人，且操作时间较短，具有特别不错处理事故的能力。还有适合各种钻探条件，特别是常规机械无法驱动和交流变频驱动无法工作条件下,在快速下钻领域和深井领域以及条件比较恶劣的环境情况下，特别是在下钻时可以利用自己重力下钻，利于保证绞车系统，及转盘功能，节约劳动工时，减少突发事故。操作安全系数极高，而且便于操作比较适合深井快速作业。转速可以无极调速，满足特殊速度要求，可以满足不同场合作业需要，经管转盘一般只有两个到四个档数，但是因为直流电动机采取的是无极调节，转盘的调速范围比较广，则其工作范围也相对比较广，一般可以适应各种地表地层不同钻头以及深度要求的规格。还可以满足精确定位的需要,还可以满足在作业时精确的安全需要，可以知道井下精确发生了什么情况，便于瞬速处理突发的事故。但是直流电动机也有致命的缺陷，就是在于容易产生火花，易于形成重大的安全事故，这是我们不想看到的，特别是在某些产热比较多的部位，例如电刷部位，由于电刷摩擦比较剧烈，所以易于产生火花，且是不可避免，需要高度重视，且妥善处理，处理不当，必造成重大责任安全事故。尤其是特殊高强度的作业油井，例如高压气井，存在这类安全导火线，对于直流电动机的选择是致命的，但我们不能否认其其他的优点。2.石油转盘交流电动机的选择交流电动机是现存最普遍的一种传动方式，它相对于其它传动方式具有更加优良的性能，是现存最佳的动力供应方式，其传动由于交频的控制，可以精确控制速度成比例的关系，可以采用变频的方式，进行的平滑的调节转速的关系。电动机转速与电源频率的关系n=60f/p(1-s)式中n为转速，f为频率，p为电动机定子绕组极对数，s为电动机转差率。从上式可以看出其转速频率，各个单位之间的关系，由于其是正比关系，所以可以进行无极调节进行调速。其还具有很多特殊性能，例如其可以超载，而且可以恒扭矩调节，以不变得的功率调节，可以进行的调节使用范围相对宽广，交频电动机在速度为零时仍可以全扭矩进行运转3.3转盘的工作方式石油钻机转盘的具体的工作特点。1.2转盘设备的工作特点转盘为钻探石油开发领域的重要部件，主要是通过转盘的一对锥齿轮将电机的轴向运动转换为垂直运动。用PLC控制操作板，用于控制电机转速从而控制转盘的转速进行作业，转盘的扭矩同样可以受到控制，运用电机控制转盘等部件的参数，使转盘的负载和扭矩控制在一定范围之内。我们很清楚运用转盘主要是其可以使钻头旋转，钻头可以通过钻杆得到扭矩，通过钻洞地表实现钻探作业用于钻探石油。有时不一样的情况时常出现，良好的控制很重要，我们可以用PLC控制面板使电机停止，由于转盘制动需要很大的扭矩所以我们长长用气刹，再通过人工手动释放反扭矩来实现过扭矩保护。转盘的内部结构1.2.1转盘的电气传动控制系统钻机采用先进的交流变频全数字控制技术。钻机采用CAT3512BDITA/SR41750kVA柴油发电机组作为主动力，发出的600V60Hz交流电经变频装置（VFD）和直流装置(SCR)分别驱动绞车、转盘和泥浆泵电动机。交流变频驱动系统采用西门子全数字电压型矢量交流变频装置，将交流电变换成频率可调的交流电，实现对钻机绞车，转盘及自动送钻交流变频电机的速度、扭矩控制。交流变频调速装置“一对一”方式驱动交流变频电机。变频驱动系统具有输入电压失压、过流过载、短路等保护，故障报警指示等功能。使变频驱动系统安全，可靠。转盘采用独立驱动方式，由一台800kW的交流变频电动机驱动。转盘控制系统采用西门子6SE71系列全数字交流变频调速装置(690V、1000KW)一对一驱动交流电动机，实现转盘的无级调速。整个传动系统主要由转盘变频器、转盘主电机、风机、润滑泵等装置组成。转盘变频系统具有以下功能：电气连锁装置上电后，司钻从触摸屏启动转盘变频器。启动信PROFIBUS网络从司钻台传至PLC，经过程序互锁控制出转盘电机风机、润滑电机运行以及加热器停止的信号至装置，此时如果转盘变频器正常即接受PLC指令开始运行。当转盘变频器停止后，通过程序控制经PROFIBUS发出转盘电机风机与润滑电机停止的信号至装置。速度及正/反转控制转盘电机控制系统可以通过司钻房内右手箱上的手轮手动给定输入速度并由一个三位自锁开关给定方向信号至PLC。通过PLC将该信号转化成装置控制信号并传递给转盘变频器，变频器再输出相应频率的电流控制电机，进而实现绞车的无级变速和正反转。同时变频装置可以提供转盘电机的实时电流、力矩、正/反转状态、转速等参数，实现了监控钻井过程中的转盘电流、力矩、转速等参数的功能。保护功能控制系统根据转盘工作状态利用能耗制动并结合对转盘惯刹的逻辑控制实现防倒转保护功能。转盘风机风压保护通过风压检测信号PLC会了解到转盘电机风机的实际运行情况。如果转盘电机运行中风机发生故障，通过PROFIBUS网络，PLC传送信号至司钻台HMI转盘变频系统的柜体布置转盘变频系统由开关柜，整流柜和逆变柜组成，柜体标号为PRT，其柜体具体摆放位置见房体布置。1.3钻机转盘的硬件电路刚才介绍了石油钻机转盘的交流变频传动系统。在钻井过程中转盘有一下作用，输出功率也就是转矩，驱动钻头以及设备旋转，在下钻以及提起套管时起到支撑和提起悬挂的作用，由于钻头及石油转盘其他设备大部分比较笨重，则石油转盘在其中起了很重要的作用，在起钻，和套管时还需要把石油转盘的螺母拧开，采取倒扣的方式，以便于把套管提出来，在打捞作业时也一样，转动上柱使端丝松动，然后采取倒扣方式，使端口拧紧钻柱，或者使公锥在落井的钻具的石油井中造扣来进行打捞，还有就是在上端承受上部钻柱的扭矩。下面简单介绍一下其各个部件是如何单独工作以及协同工作的。水平轴因为水平轴顶端安装有其配的转台大锥齿轮和其相互啮合的小锥齿轮末端安装着输入的链轮有的是连接的法兰。轴的固定是一对双列的滚子轴承与套筒一起固定在箱体上。套筒的功能是让水平轴零件可以安装时可以整体进行安装和定位。由于水平轴的下面有壳体，可以进行储油，则其可以使轴承得到润滑。转台由于转台装有大锥齿轮，则其就像是一个很大的短宽的空心立轴，借助主辅轴承的坐固定在壳体上，而且转台的中心空隙比较大。这是为了在探测石油和钻探石油以通过最大的钻头，通孔内也有其他小型设备以确保作业安全高效的进行安装有方补心和小方瓦，方补心的固定是通过销体固定在转台上。由于轴承需要密封且是严格的密封所以这里我们采用油宫密封。也防止含有杂质甚至是钻探出来的流入油槽内，大小锥齿轮的转速比大小为3:2左右，也就是其传动比3:2左右，由于其为了增大其重合度，这里易采用斜锥齿轮，和螺旋锥齿轮。主动和辅助轴承先介绍一下它的作用，其主要作用是支撑，将滑动变为转动减少摩擦，来支撑钻柱还有套管柱的重量。钻井时承受钻杆柱下压过程中所造成的重力，以及锥齿轮在传动时所造成的径向载荷。主轴承需要承受过大的载荷采用向心轴承，或推力圆锥滚子轴承应采用飞溅或者滴油润滑。转盘的主轴承大部分采用向心推力球轴承，它主要是为了承受由于轴向的载荷和调节转台，由于重力或者轴的不均匀造成的重心移位，进行调心。承受锥齿轮在啮合时其啮合力的水平分力以及钻杆在横向摆动时的振动力，还有在作业下套管时极有可能套管的全部重量都有主轴承来承受，这是其承受的最大载荷,在正常作业时其载荷主要来至于由于钻杆上下作业时所产生的载荷，还有卡瓦和钻台作业所产生的载荷，假如采用滚子的放卡瓦，造成的载荷将减少1／3；还有其主要作用还承受转台的自身的重量，以及锥齿轮啮合所造成的垂直分力，因为这两个力的方向相反，所以大小可以进行相互抵消。而辅助轴承的主要作用，其是为了承受作业时方钻杆向上时所造成的载荷，以及所产生的轴向摩擦力。而且具有防止跳动的作用，因为垂直分力大于重力时，转台就有可能向上进行跳动。则辅助轴承必须是选择向心推力轴承，用来以配合承受主要载荷的主轴承用来扶正转台。来引导方杆的垂直上下运动，但是主辅轴承由于摩擦造成的主要损伤，当损伤比较严重时，就会产生较为明显的间隙。这样必须用调整垫片进行调节才可以使转盘正常工作。（4）壳体，壳体与其他构件不同，其是比较复杂的铸钢件，在其内部有两个储油池，外形则便于安装，它的固定是固定在钻台底座上。电机输入的功率，通过转盘位于输入轴上的法兰，然后通过大小的锥齿轮的转动，传递到转台，再从安装于转台上的方补心，钻杆和钻头由方瓦带着转动，来实现钻杆的上下运动。上下钻和下套管时，钻杆柱还有套管其固定在转台上。最新钻机的工作方式大致相同只是在装配方面有所差异。3.4转盘方案的总体设计现在转盘的方案的差异性主要是因为主辅轴承的安装方案不同所造成的，还有就是输入轴也就是安装有大锥齿轮的轴的结构和转台的锁紧方向不一样所造成的。在当代转盘的结构形式主要有三种。这是第一种装配方案，而且这是现在生产所采用最多的一种方案，这种设计方案无论是主轴承，还有防跳轴承都布置在大的圆锥齿轮的下方，主轴承会离大圆锥齿轮较近，而防跳轴承则离大圆锥齿轮比较远，这样的布置更加利于调心，即使轴承的磨损，也不会影响到转盘的稳定性，转台也不会造成倾斜，还有就是转台体以及转台迷宫圈会成为一个整体，钻井时原油也不会流入油槽。这样就会使转盘稳定的作业。经过长期作业，各种转盘的实践比较，这种方案较为可靠，但是其调整由于磨损造成轴承存在间隙需要调整时及其不方便，甚至时螺旋的脱落，或者是生锈，在重新安装时比较困难。由于上述方案的缺点所以就不是特别完美，我们需要解决一上困难，就需要研究第二套方案，甚至是第三套，但他们都不能完美的解决现实所需要的问题，我们只是给出以下方案，在不同情况由于环境不同，来采用不同方案。这是第二种方案为了便于防跳轴承的拆装，则需要把转台和轴承密封迷宫设计成两体，其配合较为可靠，然而因为钻杆对于转台和轴承密封用迷宫的冲击会使转台和迷宫的配合遭到破坏，使得钻井产生的泥浆水有可能进入油槽内，则使其内部构件被腐蚀，尤其是轴承，造成轴承磨损，各种杂质使轴承加速破坏。而且防跳轴承离大锥齿轮比较近，则使齿轮的啮合稳定性受到破坏。则这个方案较为不好，不宜采用。由这个方案看可知这个结构较为复杂则其制造相对比较困难，由图可知其将其传动方式，特别是减速器这块其将原来相对较大的锥齿轮传动改为比较小的传动，另外又加了一对圆柱齿轮，变成一个二级传动，它的传动间距和空间比较大，但是这种设计整体相对比较简单，而且减少了圆锥齿轮的结构尺寸，相应的转台也会减少。而且主轴承和辅助轴承的装配比较合理，基本不会让泥浆液流入油槽，还有解决了转台磨损造成的偏斜。整个转盘的结构相对变小，节约制造材料。但是其也有很多缺点，其传动较为复杂，其将原来的一级传动转变为二级传动，传动比虽然增加但是传递效率减少，小齿轮体积太小则其容易受力磨损和折断。多了一根轴，则容易下降，使锥齿轮和圆柱齿轮配合时造成间隙，而且转台上的丝扣容易滑落脱口。大油槽密封容易产生变形而漏油。转盘工艺与设计计算4.1其传动简图和受力分析轴上的力的计算与检验2.轴承反力的设计计算根据图形尺寸和简单受力计算4.2轴承寿命计算由于我们的轴承我们并无法保证其刚度和强度都满足要求我们必须经过严格的验算承，经过计算分析合格才可以选用，分析如下。1用于水平轴选用的分析最大动载荷分析:计算其实际情况载荷分析：实用年限:L=91666小时2、另外一种轴承的验算在作业时承受的最大载荷:C=93100kg=931000N在情况系数情况下的载荷穿过圆心的载荷轴向负荷当量动负荷4.3键的强度校核键的材料我们宣威45，这样我们得出1作业时的扭矩在速度为零时在两边受力情况下的强度分析:在扭剪情况下的分析:2、对钻杆的扭转情况下的分析:4.4转台与大齿圈的配合1、受压情况下的校核用于对钻杆的分析，扭转情况下的分析Ms=56700N}m(Ms=567000kg}cm)校核传递Ms=56700N}m，贴近面两边的所需要的压力L一一配合长度L=7.5cmd一一配合公称直径d=126cmf-一一摩擦系数取f--0.14最小计算过盈:ddl一一包容件的内孔直径d1-101.6cm;d2一一包容件外径da-153.6cm;最小配合过盈:被包容件的外表面和包容件的内表面不平度平均高度验算配合零件强度:最大计算过盈求最大计算过盈时的压力强度大齿圈的强度(包容件)因此作业时不会受破坏2.用不同的方法装配将会造成不一样的结果下面是考虑温度情况下的装配t4.5底座受力情况下的分析1、底座有严格的规定，其材料一般是铸件，制造用材为RG270-500，因此其所有力分析应小于270Mpa，2、大部分载荷被底座承受特别是轴向，可知座圈将受径向载荷为6350KN的力，。因此其在作业时有时将承受6350KN的力，其部分受力为为267MPa。这是因为其受力不均匀而造成的或者是形状突变造成的，而在其他部位受力不一定特别大，我们将取一个较为合理的值，例如取平准，我们可以选取分析较为可靠的系数为:n=as/129=2.09>1.67计算结果满足国标要求。ZP175转盘锥齿轮副的计算分析转盘的传动十分重要，将电机的功率转换为输入轴的功率主要靠链轮，但其传动的转向主要靠锥齿轮。转盘的运作有时并不平稳，速度有可能高有可能低，我们必须考虑各种情况，对锥齿轮的分析尤为复杂，但我们必须谨慎对待，因为其是传动的核心部分，而且其配合是否好，也会影响作业时的情况，作业时的安全性能与锥齿轮的传动情况密切相关。其不同的齿轮，或者是齿轮所用材料不一样，也会对齿轮产生不同的影响，或者是其受力方式，重合度不一样，我们必须们也是我们作为一个研究者应该做的就是，严振对待每个细节，来减少突发情况的发生，齿轮不同的受力方式，传动方式的不同，造成的受力具体的变化我们不可能严格的算出来，但是我们可以进行模拟，设定系数去尽可能的去靠近真实的情况，这样就可以尽可能的较小的减少事故的发生，下面对大小锥齿轮进行分析。5.1对小锥齿轮进行计算由于重合度的要求我们必须将其设为斜齿轮，但其受力将产生变化，其受力大小在齿轮齿不同方位也是不一样的，我们可以尽可能的减少不走，这样我们就可以根据实际需要较少计算一些力，我们可以假设径向力通过圆心，,我们也将建立垂直坐标系进行分析，这样我们就可以更加简便合理的利用强度理论。圆周方向受力力的方向:圆周力在被动轮上其受力方向与其旋转的方位不同，在主动轮上与其运动的走向不一样，径向力的的指向都各自指向自己的圆心，轴向的受力都各自背离自己的小端。下面是他们之间的关系:2、校核其不同应力是否满足我们下面进行校核其表面接触应力和弯曲应力，较为复杂实际情况下的受力校核其载荷受力C1)ZP175转盘的最大扭矩为37500N2，其最大的旋转速度300r/min，大小齿轮的传动比为3.62(2)小锥齿轮圆周力:小齿轮转矩为:齿宽中点分度圆直径综上可以求得小锥齿轮在工况下所受到的圆周力为58579.9No3)轴向力:径向力:(5)端面重合度:由此求得齿轮端面的重合度为1.1590在齿轮中单齿啮合的最高点到达齿轮分度圆的圆心距离为269mm(6)在小锥齿轮与大锥齿轮单齿接触的最高点处形成的啮合线，给定一组均匀分布的载荷，使之同时固定在小锥齿轮体的内表面上，位移约束设定为零，由此小锥齿轮的载荷分布如图:5.2大锥齿轮的计算1、计算负荷能力按接触疲劳和弯曲疲劳(26000小时寿命)计算许用马力按接触疲劳:抗弯曲疲劳接触和弯曲应力系数:接触和弯曲转速系数:啮合系数:齿距系数重叠比系数:齿倾角系数强度系数:转数齿数按接触疲劳抗弯曲疲劳实际所需马力实际寿命2、锥齿轮副几何尺寸计算(1)轴角(2)法向齿廓角(3)齿顶高系数(4)顶隙系数(5)齿圈中点倾斜角(6)小齿轮齿数(7)大齿轮齿数(8)传动比(9)端面模数(10)齿高变位系数(11>切向变位系数(12)齿顶高(13)工作齿高(14)齿全高(15)齿根高(16)分度圆直径(17)分度圆锥角(18)外锥距(19)顶圆直径(20)齿根角(22)根锥角(23)分度圆锥顶到齿轮外顶点的距离(23)分度圆弧齿厚5.3大锥齿轮齿根弯曲应力常规计算大锥齿圈相关技术参数如表5.6所示。表5.6大锥齿圈相关技术参数通常常规计算方法，代入表5-6相关计算参数到式(5-6)中，得出大齿轮齿根弯曲应力=125.08MPa。ZP175转盘水平轴的受力分析与校核石油转盘在不同地质情况下作业时其受力情况也不同因此我们必须去校核不同的受力对水平轴造成的影响而且，大轴就是承装大小齿轮及主要部件的轴，严格的计算和分析很重要。大小齿轮的影响，轴承的影响以及转台和链轮，可以说其分析尤为复杂。而且我们需要借助计算机，以及话比例图进行分析，这样算出的结果更加精确，画出扭矩合成图。6.1水平轴的全体的计算与校核我们选取电机功率720Kw传递效率为0.92，万向联轴器传递的效率为0.95，减速箱齿轮比为25:45，电机额定转速为1180rpm根据扭转强度公式可知，转盘输入轴的轴径为:式中，C:计算常数P:轴传递的功率N:轴的转速根据上式可得:P=720x0.94x0.97=656.Skw，n=1180x25/45=655.56rpm，材料取3SC,}I}1o，根据机械舞设计手册查得:C选取为145.9。因此，输入轴可选取的最小直径为d=145.9，根据机械设计手册查得d可取整数为150mm。转盘输入轴传递的扭矩为根据输入轴的功率和转速，计算可求得T=9563693.64N.mm6.2输入轴的强度计算1、水平轴受力分析音日面I:水平弯矩:垂直弯矩合成弯矩:己知:d=150mm;Z=33lcm3安全系数剖面Ⅱ:安全系数:许用安全系数【S]=1.5～1.82、压配合校核用5'‘对焊钻杆(壁厚9.2mm);扭转屈服强度M;=56700N.m校核所需的压力强度:L一一配合长度L=13.6cm,d一一配合公称直径d=15cm.f一一摩擦系数.f=o.14最小计算过盈:E一一包容件与被包容件的弹性模数d一一包容件的内孔直径d=15cmd2一包容件外径d2-40.05cm最小配合过盈:Rz1,Rz2一一被包容件外表面和包容件内表面不平度平均高度分别为10微米，6.3微米。最大过盈为245微米:最大计算过盈计算最大过盈时的压力强度:验算配合件的强度:小伞齿轮:轴：用温差法装配时，当环境温度为20℃，零件加热温度为&。一一取直径为150mm,2级精度第二种动配合的最小间隙为0.OO15cm。ɑ一一零件线胀系数我们计算过程比较清楚，而且经过验算和比对以上结果比较正确这个章节我们主要针对的是水平轴运用了常规方法进行分析我们计算还算合理经管现在石油转盘市场日新月以，可以看出ZP175基本上还是可以满足我们的需要，而且其布局还算合理。结论经过这几个章节的设计与计算，我们对比了以前和现在，中国和外国，以及实际的需求，而且查阅资料，我们也对比正在实用的ZP175转盘，我们基本了解了其工作方式和装配布局。我们根据实物对转盘进行设计与分析以及实际装配的情况，利用画图原件和计算机模拟情况，严格按照要求作图，基本与实际的作业情况相差无几，我们以课本卫格局查阅大量资料，严格按照要求去校核分析，的出较为合理的结果，基本掌握ZO175转盘的基本参数，经过验算与分析我们可以知道其基本能够满足8000米的钻探作业要求，这样其市场需求量还十分巨大，但是我们也确实该研发新一代转盘，因为不久的将来其就会被淘汰。1、通过对转盘ZP175的设计与分析我们的出了一下的情况和理论。:基本全部分析了ZP175转盘的各种结构，也得出了相应的结论，其结构方式传动的方式我们也都基本掌握，图纸分析电脑分析。我严格的按实际的作业需要进行分析和比较发现了很多问题，也解决了很多问题，也学到了很多东西，基本上ZP175形式的转盘还是比较简单廉价但是其确实已经基本宣告告别，其传动方式传动比还较为合理，经管其研发已经很多年，但是相信其主要参数经过改造，结构重新布局会仍然可以继续使用。我们比较分析进行牛具体的绘制与校核，我们基本可以的出大小骓驰轮的传动比和其不一样的地方，其啮合方式，其传功方式在转盘上是其他齿轮家族无法进行替代的。在对小锥齿轮的计算中，可知在齿轮重合度最小时，在其啮合最高点位于其啮合的下部。我们经过传统的受力分析，得出了其较为和里的安全范围内的职位263.78MPa.显然其可靠性能较高，这是我们必须做的。而且我们计算也得出了其变形情况，得出骑在弯曲受力啮合的情况下的变形为0.137mm，由此我们可以基本认为由于其轴向受力的坐用，造成的因其受力而产生的变形很小基本上可以忽略。同样的情况发生在大齿轮上。因为里的作用是相互的其大小锥齿轮几乎没什么区别，但是还是有不一样的情况在轴向力的方向大齿轮显然收的载荷更加强度大，但是打骓驰轮的因轴向力产生的变形相对较小，这是因为如下几个原因那就是大锥齿轮由于材料不一样强度和刚度不一样特别是其变形系数为一0.39，而且其齿数相对比较多，循环次数较少，最终导致大锥齿轮的齿根弯曲应力偏小。最终得出结论，虽然现行ZP175还可以满足多向的钻进需要，但是科技发展十分迅速，我必须在这一领域加强我们多项技术的突破，这样我们在未来面对挑战时才可以去应对世界的各种挑战，着眼于未来，留给我们的时间已经不多，我们必须加大这方面课题的研究，提高工作效率，增大产能，减少安全事故。致谢非常感谢两位老师的