第三章起升系统工作原理课件

1、第三章 起 升 系 统 工 作 原 理 第一节 起下钻操作和游动系统的工作 一、起下钻操作和时间 二、游动系统的钢丝绳与滑轮的运动分析1.绳速u如图3-l所示，钢丝绳速度由快绳侧至死绳侧依次为) 13(02460654321VVVVVVVVVZVVVVZ567u从各绳速度可以看出，快绳侧钢丝绳的速度比死绳侧快数倍，快绳侧钢丝绳由于弯曲次数死绳侧多出数倍，前边的钢丝绳会提前疲劳破坏。所以现场要倒换使用钢丝绳，即：钢丝绳使用一定时间后，要从死绳端储绳卷筒中放出新绳，从滚筒上斩掉一段钢丝绳重新固定缠好。2.轮速天车轮 天车滑轮的切向速度和转速依次为游车轮 如图3-l所示，游车滑轮的切向速度和转速依次

2、为）（轮轮轮230, 0260,2460,460,44353232111 nVDVnVVVDVnVVVDZVnZVVV）（轮轮轮2360,2360,34560,56776655 DVnVVVVDVnVVVVDVnVVVVu由上述分析可见，在起下钻过程中，快绳端滑轮的转速比死绳端滑轮的转速高得多。因此在选择天车和游车滑轮的轴承时应以快绳端滑轮的转速为依据。同时，为了使各滑轮寿命均衡，在检修时应注意倒换滑轮的位置。 三、游动系统钢丝绳拉力和效率u如图3-l所示，设Q游、游为起升时游动系统的起重量和效率，Q游、游为下钻时游动系统的起重量和效率，P、P为快绳和死绳拉力， P1、P2、PZ为游绳的拉力。

3、1.大钩静止悬重时 此时各游绳拉力相等，即 P=P1=P2=PZ）（游33ZQP2.大钩起升时 由于滑轮轴承的摩擦阻力和钢绳弯曲阻力的影响，将使各绳拉力发生变化。此时各游绳拉力不等，即 PP1P2PZ-1PZu设单个滑轮的效率为，则有ZZPPPP221u因为 Q游=P1+P2+PZu所以 Q游=P（+2+Z）u因此1)1 (ZPQ游u又因为游游ZQP u所以起升时的游动系统效率为)43()1 ()1ZZ（游3.下钻时 情况与起升时相反 PP1P2PZ-1P死。）（游游6321Z 四、游动系统选择原则1.起重能力：钢丝绳尺寸和强度一定时，Z越大，起重能力越强。2.起下钻速度：当滚筒转速一定时，Z

4、越少，大钩速度越快。3.起升效率： Z越少，游动系统效率越高。4.重量指标： Z越少，游动系统重量越轻，结构越简单，但P快越大，绞车重量、结构越大。第二节 起升系统运动学和动力学u分析研究起升系统运动学和动力学的目的在于认清起升过程中，由于速度的变化而引起的载荷变化的规律，判明最大载荷，以作为使用设计的依据，核算摩擦离合器的能量守衡和摩擦功。一、起升系统u包括动力、传动部分，以绞车滚筒离合器为界分为主动和从动两部分（如下图）u主动部分：动力机离合器主动件，1u从动部分：离合器从动件钻柱，2二、起升过程1.准备：u空载启动柴油机让其低速转动；u依次挂合并车、总离合器，使全部主动件转动。2.挂合滚

5、筒离合器，启动从动部分。（到离合器完全挂合）3.加速柴油机，使滚筒达到某一工作档稳定转速。4.匀速起升，接近一个立根行程。5.摘开滚筒离合器，刹车。 三、起升速度图和扭矩图u图3-3给出了根据实测的起升速度和载荷示波图和经过整型后的滚筒轴扭矩和角速度示意图。u从图中可以看出：u挂合滚筒离合器时，主动部分（1）被拖慢；u最大钩载（扭矩Mmax）产生在柴油机加速时；u有变矩器时，启动快，且滚筒轴扭矩Mmax也较大。u起升时滚筒轴角速度变化三个阶段：启动加速段OABC、匀速起升段CD和减速刹车段DE。1.启动加速段u柴油机直接驱动的滚筒轴的扭矩图和速度图的启动加速段简化成图3-8所示的曲线。静止段0

6、A （t0=13秒） u由于主动部分以角速度1旋转，而从动部分仍处于静止状态，因此在0A段离合器与摩擦轮处于全打滑状态。最大打滑速度滑max=1-2=1。启动段AB （t1=13秒）uMfM静，2逐渐增大，1被拖慢，滑=1-2，系统处于半打滑状态。同步加速段BCuB点（同步点）： 1=2 ， 滑=1-2=0uBC段，主、从动部分同步加速到某档转速C。u在K点滚筒轴上产生最大惯性力矩M惯，滚筒轴出现最大扭矩 Mmax=M静+M惯u讨论：讨论：启动过程，必然有打滑，打滑是固有的，不可消除。启动过程，必然有打滑，打滑是固有的，不可消除。OABCOABC全加速段所用时间长短，取决于：全加速段所用时间长

7、短，取决于：档速档速C C；动力机转速动力机转速1 1（1 1小易挂合）；小易挂合）；驱动特性（柔驱动特性（柔特性，易挂合，特性，易挂合，t t小；硬特性，不易挂合，小；硬特性，不易挂合，t t大）大）被被加速、减速的转动惯量加速、减速的转动惯量J J1 1、J J2 2大小。大小。 Mf f的变化取决于离合器特性系数的变化取决于离合器特性系数k k1 1= =M极极/t/t极极=tg=tg，如如图图3-73-7所示。若所示。若M极极Mmaxmax，挂合快，时间短，冲击，挂合快，时间短，冲击大，动载大。因此大，动载大。因此M极极要适中。要适中。 Mmaxmax是选择离合器和核算滚筒轴强度的依据

8、。是选择离合器和核算滚筒轴强度的依据。起升系统起升系统动力机扭矩：动力机扭矩： M发起发起= =M静静+ +M惯惯1 1+ +M惯惯2 2 = =KMM静静 （3-153-15）2.2.匀速段匀速段CD CD u当主动部分与从动部分同步加速到当主动部分与从动部分同步加速到C C点后，点后，2 2= =C C=C(=C(常数常数) )，从动部分，从动部分Mf- -M2 2 =0=0，则，则Mf= =M2 2。3.3.减速段减速段DE DE u当钻柱提升至接近一个立根高度，摘开离合器当钻柱提升至接近一个立根高度，摘开离合器A A，刹死钻柱。刹死钻柱。第三节 起升时间 与功率利用率一、绞车各档起重量

9、Qi和各档自起立根数Siu钻机起升系统在一定的起升速度下，起升载荷受钻机起升系统在一定的起升速度下，起升载荷受绞车功率的限制。设钻机以第绞车功率的限制。设钻机以第i档起升时，起升速档起升时，起升速度为度为Vi，则可以起升的最大载荷为：，则可以起升的最大载荷为：)273(kN，绞游绞绞iiiVNVNQu由图由图3-113-11可知可知 Qi= =Yiq杆杆l+ +G0 0 (3-28) (3-28)u第第i档可起升的立根数档可起升的立根数Yi为为 )293(0lqGlVqNYii杆杆绞游绞u各档自起立根数各档自起立根数Si为为 )303(1111iiiiiiVVlVqNYYS杆绞游绞 二、机动起

10、升时间 (一一) )机动起升时间与速度系数机动起升时间与速度系数u机动起升时间是指用绞车卷扬起升钻柱所用的时间。机动起升时间是指用绞车卷扬起升钻柱所用的时间。u用第用第i i档起升速度档起升速度V Vi i起升一个立根所用的机动起升时起升一个立根所用的机动起升时间可表示为：间可表示为：平起iVltu由于在起升一个立根的过程中，起升速度是由加速段、由于在起升一个立根的过程中，起升速度是由加速段、平稳起升段和减速段组成，在实际起升时，一般只知平稳起升段和减速段组成，在实际起升时，一般只知道平稳起升速度道平稳起升速度V Vi i，引入速度系数引入速度系数=V Vi i/ /V Vi i平平，则，则

11、)323( iVlt起u可根据图可根据图3-123-12用面积等效的方法求出。用面积等效的方法求出。)333(2132131tttttu一般计算时可取一般计算时可取=1.2=1.2。( (二二) )柴油机直接驱动的钻机一柴油机直接驱动的钻机一次起钻总机动时间次起钻总机动时间u用第用第i i档起升档起升S Si i个立根的机动个立根的机动起升时间为：起升时间为： iiiVlSt起u若钻机一共有若钻机一共有k k个起升档，个起升档，k k档一次起钻总的起升档一次起钻总的起升机动时间为：机动时间为：)343(12211kiiikkVSlVSVSVSlt起ut起起由由图图3-133-13(a)(a)中

12、阴影面积表示。中阴影面积表示。( (三三) )柴油机液力变矩驱动或电驱动钻机的总机动起升柴油机液力变矩驱动或电驱动钻机的总机动起升时间时间u由图由图3-13(b)3-13(b)可知，可知，t起起由恒功率起升时间由恒功率起升时间t起起1 1和恒速和恒速起升时间起升时间t起起2 2组成组成)353()(1121211kkkkVSSSSVVlt起 三、起升功率利用率 u起升功率利用率是指在钻机大钩处实际使用的功起升功率利用率是指在钻机大钩处实际使用的功率与可以发出的功率率与可以发出的功率( (装机功率装机功率) )的比值。表明起的比值。表明起升系统所配备的功率发挥的能力。升系统所配备的功率发挥的能力

13、。u设设N N钩钩为大钩可以发出的功率为大钩可以发出的功率( (装机功率装机功率) )，即，即图图3-3-1414中中Q Q1 1至至Q Q4 4双曲线下的面积；双曲线下的面积；N N钩钩为大钩实际起升为大钩实际起升功率，即图功率，即图3-143-14中中Q Q1 1至至Q Q4 4折线下的面积；则大钩起折线下的面积；则大钩起升功率利用率定义为：升功率利用率定义为：钩钩NNu起升功率利用率也可以用功率利用率为起升功率利用率也可以用功率利用率为100%100%时，时，起升钻柱所用的最少时间起升钻柱所用的最少时间t起起minmin与总机动起升时间与总机动起升时间t起起的比值计算的比值计算）（起起4

14、03minTTu起升功率利用率起升功率利用率是大钩提升速度与载荷不适应而是大钩提升速度与载荷不适应而发生的功率利用不充分的情况。它是平均功率与全发生的功率利用不充分的情况。它是平均功率与全功率的比值，也是有级变速作的功与无级变速作的功率的比值，也是有级变速作的功与无级变速作的功的比值，还是无级变速作的提升时间与有级变速功的比值，还是无级变速作的提升时间与有级变速作的提升时间的比值。作的提升时间的比值。u从从(3-40)(3-40)式可见，起升功率利用率式可见，起升功率利用率越高越高t起起越小。越小。提高提高的目的就是加速起钻的目的就是加速起钻。u由图由图3-143-14可知，起升档数可知，起升

15、档数K K越多，越多，越高。起升档越高。起升档数数K K与与max的关系为的关系为)423(1maxKKu起升档数起升档数K K越多，越多，max越高。但越高。但K K88时，时，max的增的增长越来越不显著。因此，钻机起升档数都不超过长越来越不显著。因此，钻机起升档数都不超过8 8档。档。 四、发动机起升功率利用率 u大钩起升功率利用率没有考虑起升时发动机装机大钩起升功率利用率没有考虑起升时发动机装机功率没有充分利用的部分，也未包括从发动机将功率没有充分利用的部分，也未包括从发动机将动力传递到绞车过程中功率损失的部分，要考虑动力传递到绞车过程中功率损失的部分，要考虑起升时功率利用的情况，应采

16、用发动机起升功率起升时功率利用的情况，应采用发动机起升功率利用率利用率。 ）（发钩433NKu通过以上讨论可以得出以下结论：通过以上讨论可以得出以下结论：1)1)机动起升时间机动起升时间T起起与大钩起升功率利用率与大钩起升功率利用率成反比，成反比， 越大，越大，T起起越小，钻机起升性能越好。越小，钻机起升性能越好。2)恒功率起升时大钩起升功率利用率恒功率起升时大钩起升功率利用率最高，要提高最高，要提高，应合理设计起升档数和各档起升速度，尽可能，应合理设计起升档数和各档起升速度，尽可能接近恒功率起升。接近恒功率起升。3)3)要提高发动机起升功率利用率，除提高大钩起升功要提高发动机起升功率利用率，

17、除提高大钩起升功率利用率率利用率外，应设计传动路线，提高钻机的传动外，应设计传动路线，提高钻机的传动效率。效率。4)4)驱动设备的特性为软特性者，驱动设备的特性为软特性者，值较高；值较高；5)5)司钻在操作时及时换档可以提高司钻在操作时及时换档可以提高值。值。第四节 钻井曲线和起升速度 一、钻井曲线u钻井曲线是起钻次数与立根之间的关系曲线。钻井曲线是起钻次数与立根之间的关系曲线。u从钻井曲线可以了解各次起钻井深和钻头在各段从钻井曲线可以了解各次起钻井深和钻头在各段井深的进尺数，以及各种深度岩石的可钻性，计井深的进尺数，以及各种深度岩石的可钻性，计算一口井中各档起钻立根总数、一口井机动起升算一口

18、井中各档起钻立根总数、一口井机动起升时间时间T起起、起升载荷和循环数的变化关系；对于柴、起升载荷和循环数的变化关系；对于柴油机直接驱动的钻机还可用来合理分配档速。油机直接驱动的钻机还可用来合理分配档速。u理论钻井曲线是根据实理论钻井曲线是根据实际钻井统计资料拟合而际钻井统计资料拟合而来的（如图来的（如图3-163-16）。拟）。拟合曲线可合曲线可用方程用方程x=AyB表示。表示。u不同油区具有不同的系不同油区具有不同的系数数A与与B，选用的曲线拟，选用的曲线拟合方法合方法不同也可得到不不同也可得到不同的同的A与与B值。值。 二、起升速度的合理分配u对于柴油机直接驱动的钻机，由于对于柴油机直接驱

19、动的钻机，由于V1 1、Vk、K为原为原始条件，始条件，合理分配各中间档速的目的是使机动起合理分配各中间档速的目的是使机动起升时间最少升时间最少。u若一次从最大井深起钻，若一次从最大井深起钻，各档速分配原则是：除各档速分配原则是：除最高档外，按各档自起立根数最高档外，按各档自起立根数Si相等的原则分配档相等的原则分配档速，这样机动起升时间最省，速度分配最为合理速，这样机动起升时间最省，速度分配最为合理。各档速可按下式计算：各档速可按下式计算：)473() 1()() 1)(1 (1VKaiKKaVi第五节 下钻运动学与动力学u下钻操作的特点是：下钻操作的特点是：起钻过程中处于被动方面的钻柱载荷

20、，转化为主起钻过程中处于被动方面的钻柱载荷，转化为主动的方面。动的方面。钻柱下放释放出的能量由刹车机构吸收、消耗。钻柱下放释放出的能量由刹车机构吸收、消耗。u研究下钻过程的运动学和动力学的目的是：研究下钻过程的运动学和动力学的目的是：确定最大制动载荷；确定最大制动载荷； 了解辅助刹车匀速下钻的原理。了解辅助刹车匀速下钻的原理。 一、下钻运动学和动力学u下钻操作系统如图下钻操作系统如图3-173-17所示。所示。下钻速度图、制动力矩图如下钻速度图、制动力矩图如图图3-183-18所示。所示。u下钻操作可分为加速段、匀下钻操作可分为加速段、匀速段、减速段三个阶段。速段、减速段三个阶段。1.1.加速

21、段（时间加速段（时间t t1 1）u此阶段分为松带加速段此阶段分为松带加速段ABAB和和轻刹加速段轻刹加速段BCBC。2.2.匀速段（时间匀速段（时间t t2 2）uM制制= =M静静，M惯惯=0=0。由于浮力的影响，由于浮力的影响，CDCD稍倾斜。稍倾斜。3.3.减速段（时间减速段（时间t t3 3）uM制制增加到增加到Mmaxmax，=0=0。u最大制动力矩最大制动力矩Mmaxmax发生在刹住钻柱的发生在刹住钻柱的一刹那。一刹那。u讨论：最大制动力矩最大制动力矩Mmaxmax发生在刹住钻柱的一刹那发生在刹住钻柱的一刹那(E(E点点) )。 Mmaxmax= =M静静+ +M惯惯uMmaxm

22、ax大小取决于大小取决于Q Q、V V下下、t t3 3；核算刹车机构、滚筒强度以核算刹车机构、滚筒强度以Mmaxmax为依据；为依据；操作时，提前减速，平稳刹车，减小动载。操作时，提前减速，平稳刹车，减小动载。 二、最大制动力F制制maxmax1.1.最大制动力矩最大制动力矩Mmaxmax Mmaxmax= =M静静+ +M惯惯=M静静2.2.最大制动力最大制动力F制制maxmax25 . 25 . 15 . 13 . 1设计时急刹车平稳刹车动载系数）（绞游游绞游游绞快静48327 . 022222ZDQZDQDPM）（鼓制静4932maxmaxDFMM)503(7 . 022max绞游鼓游绞游鼓游制ZDDQZDDQFuF制制maxmax是计算刹车机构载荷和刹把力的依据。是计算刹车机构载荷和刹把力的依据。 三、用水刹车辅助下钻的原理1.1.水刹车的制动特性水刹车的制动特性 M制制=1 1n2 2D5 5 N制制=2 2n3 3D5 5u式中式中 D5 5= =D5 5外外- -D5 5内内 u分析分析：影响水刹车制动力矩的因素：影响水刹车制动力矩的因素：尺寸大