米钻井绞车传动系统结构设计方案文献

1、个人资料整理 仅限学习使用个人资料整理 仅限学习使用摘要绞车是整个钻机的核心部件，是钻机三大工作机之一，直接决定着钻 机钻进能力。钻机绞车具有起下钻具、下套管、控制钻压、送进钻具、处 理卡钻事故、整体起放井架等功能。针对机械传动绞车体积大、质量重、 结构复杂等缺点，很难较好地满足新型钻井工艺的要求，本文对 JC40DB 绞车传动系统进行了设计，克服了传统机械驱动绞车的不足本文首先对绞车做整体结构设计，设计工程中充分考虑钻井工艺对绞 车的总体要求，满足 API相应规范和行业标准要求。在确定 JC40DB绞车 传动系统方案和参数的基础上，对 JC40DB绞车传动系统的结构进行设 计，并在Solid

2、works中对其进行三维建模；然后，采用材料力学方法对 绞车进行强度分析，保证满足强度安全需要。关键词：绞车传动；参数和结构设计；强度校核Abstracts shortcomings of bigIn drilling three working machine, winch is the core component of the drilling rig,and directly determines the capacity of which drilling rig. It has the functions of dismounting drill tools , running c

3、asings, controlling drilling pressure, handling jamming accident, as well as raising/lowering mast and substructure. For traditional mechanical drive winch volume, quality heavy and complex structure, it is difficult to better meet the equirements of new drilling technologies. JC40DB winch transmiss

4、ion system is designed in this paper. It overcomes shortcomings of mechanical drive winch.In this paper, it has been first done that to design the overall structure of the drawworks, in which the general requirements is fully considered asked for drilling engineering process to the drawworks, the de

5、sign principles is put forward to meet industry standards correspond to norms and the corresponding API. On the basis of determining the JC40DB drawwork transmission system scheme and parameters, the structure of JC40DB winch transmission system is designed, and its three-dimensional modeling is est

6、ablished in Solidworks.Then, the mechanical method is used for strength analysis of the drawworks to ensure the strength to meet security need sKeywords:winch transmission system the design of parameters and structural; strength checking .目录个人资料整理 仅限学习使用个人资料整理 仅限学习使用_八资料整理仅限堂丑位川_八资料整理仅限堂丑位川_1绪论绞车概述绞

7、车的作用及要求：绞车是钻机中主要工作机之一，是起升系统的主要设备，它的主要任 务是：提供几种不同的起升速度和起重量，满足在起下作业中起下钻具和下套管；在钻井过程中，悬挂钻具，送进钻柱、钻头，控制钻压；借助猫头机构，紧卸钻具及起吊重物；充当转盘的变速机构或中间传动机构；当采用整体起升式井架钻机时，用来起放井架；利用捞沙滚筒，进行提取岩心、试油工作；7)帮助安装钻台设备，完成其他辅助工作。根据上述工况对绞车提出了以下要求 可：1)绞车要有足够大的功率，在最低速转速下钢丝纯能产生足够大的 拉力，以保证游动系统能起升最重的钻具载荷；有一定的解卡能力，并能 完成具有最大载荷的下套管作业；短时最大载荷作用

8、下要有足够的强度、 刚度；在绞车使用期限内，滚筒、滚筒轴、轴承及传动件要有足够的寿 命。2)绞车要有足够的尺寸和容纯量，并应保证纯纯状态良好，以延长 钢丝纯寿命；绞车要适应起下钻重量的变化，有足够的起升档数或能无级 调速，用以提高功率的利用率，节省起升时间。3）绞车要有灵活而可靠的刹车机构及强有力的辅助刹车，能准确地 调节钻压，均匀地送进钻具。4）绞车应具有刚劲的支架和底座。中型绞车整体运输，其重量应在 10t以内，重型和超重型绞车要使拆散运输的单元在 15t以内。传动部 分要有严密的防护罩，并应润滑充分；在结构安排上应保证易损件拆修简 便。5）绞车的控制手柄、杀时巴、指重表等相对集中于司钻控

9、制台，以便 于操作。1.1.2绞车结构组成及工作原理：s.结构组成1）驱动系统：当前，驱动钻井绞车的主要动力有柴油机和电动机两 大类型，柴油机驱动包括柴油机直接驱动和柴油机加液力传动两种；电动 机驱动包括DC DC驱动、AC交流驱动、AC SCR- DC驱动和ACVFD AC驱动四种形式国。2）传动系统：引入并分配动力和传递运动，一般由 25根绞车 轴、轴承、链轮、齿轮、链条等组成。对于内变速绞车除了传动轴及滚筒 轴、猫头轴外，还包括链条、齿轮、轴系零件及转盘中间传动轴等。3）控制系统：包括牙嵌、齿式、气动离合器，司钻控制台，控制阀 等，一般都属于钻机控制系统的组成部分。4）润滑系统：包括黄油

10、润滑、滴油润滑和密封传动的飞溅或强制润 滑。5）制动系统：包括刹把、刹车带、主刹车、辅助刹车及气控刹车等 装置。在石油钻井绞车上，一般需要两套刹车系统，一套主要用于实施火整理仅限至aM整理仅限至aM持定位和紧急制动，既称主刹车；另一套主要用来完成钻具下放等，称为 辅助刹车。习.工作原理绞车的动力机将自身的能量以转速的形式传递给绞车的变速系统，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 的滚筒，滚筒再通过钢缆带动火车、游车、大钩等 游吊系统。最终完成 大钩上移或下行的垂直运动，达到下放或起开钻具等目地。在这一运动转 换过程当中，如遇到紧急情况需要停车或需要绞车承受部分钻

11、具载荷，改 善井下钻头钻压，则需要通过刹车控制系统来实现。1动力机2变速箱3运动转换机构4刹车等控制系统5钢丝绳6 大车7 游车8 一大钩_八资料整理仅限堂丑位川_八资料整理仅限堂丑位川_绞车研究现状及发展趋势国内绞车研究现状绞车是整个钻机的核心部件，是钻机三大工作机之一，直接决定着钻 机钻进能力。随着世界经济的迅猛发展，石油的消耗量也在大幅度的增 长。我国从改革开放以来，国家的工业化不断提高，能耗企业也相对增 多，对能源的开发和利用日益紧迫，预计 2020年中国的石油消费量可能 要达到4亿吨以上，其中需要进口的石油有 2亿吨以上。我国在石油开 采行业起步较晚，技术并不先进，采油效率还很低 日

12、。随着石油勘探开发工作的发展，钻井难度不断增加且日益复杂，一些 新型钻井工艺的不断涌现，特别是一些特殊工艺井，例如：大位移水平 井、定向井、开窗侧钻井等，对石油钻机及绞车的技术性能要求越来越 高。在我国使用的陆地钻机中，国产钻机占约 80%的市场份额，而交流变 频、液压等先进的钻机有90%以上为国外引进的，主要有以下几个原因：一是国内生产制造钻机的能力有限，如兰石厂和宝石厂这两大国内钻 机研制生产的龙头企业，每年生产制造钻机的能力不到一百台田；二是由于国内钻机电驱动起步较晚，其品种少，数量有限，产品性能 上还存在一定的差距，国产SCR电动钻机仍处在世界水平的第三代产品上 习 ?三是在交流变频电

13、驱动钻机的研究上，我国还刚刚起步，国产电动钻 机仍没有摆脱傻大笨粗的不良局面。我国大部分石油钻机用的绞车还是以机械传动及多轴结构式为主，单 轴绞车和采用性能先进可靠的交流变频型式的绞车比较少；采用液压技术 驱动的钻机和绞车的研究工作还是十分薄弱。与国外先进的绞车相比较， 我国的绞车生产制造技术落后，尤其是液压传动和电传动绞车的控制系统多采用国外进口技术日。绞车发展趋势纵观钻机的发展历史，钻机经历了一个由简单到复杂、由自动化水平 低到自动化水平高的的发展变化过程。钻井绞车作为石油钻机的重要部 件，钻井绞车的发展过程也同样如此。随着电子技术、液压技术等新技术 的日新月异，石油钻井绞车将会朝着以下几

14、个方面发展日：1）进一步向大功率交流变频电驱动方向发展；2）进一步向自动化、智能化方向发展；3）向一机多能、通用化、高适应性方向发展；4）向分体式、单轴式方向发展；5）向系列化、标准化、模块化方向发展。本课题研究的主要内容本文在学习和研究国内外钻井绞车典型结构的基础上，设计了 JC40DB绞车传动系统的结构，并对其进行材料力学研究，归纳如下：.通过对绞车的功能原理及绞车设计的原则了解，确定了 JC40D族 车传动系统的主要组成形式及最佳传动方案；.参照SY/T5532 2002石 油钻井用绞车，借鉴国内外先进绞车参数，确定了 JC40DB绞车传动系 统的基本参数；.根据绞车的使用环境及钻井工艺

15、的需要，完成绞车传动系统结构 设计，并分别对绞车传动系统的输入轴总成、中间轴总成及滚筒轴总成进 行设计；.应用三维建模软件Solidworks建立绞车传动系统主要零件体的三 维模型，并应用材料力学方法，对绞车的输入轴、中间轴、滚筒轴进行材上人资I!整理仅限曼亚I川上人资I!整理仅限曼亚I川上人资ii整理仅限曼亚I川料强度分析，保证满足强度安全需要2绞车传动系统结构设计动力驱动方式的选择绞车的设计主要取决于所配套钻机的类型，以及用户的使用习惯。目 前常用的驱动形式有机械驱动钻机、机电混合驱动钻机、直流电驱动钻机 和交流变频电驱动钻机。鉴于交流变频电驱动的发展前景，本次设计的4000M钻机绞车选用

16、的动力驱动方式为交流变频电驱动AC-VFD-AC 。由资料回知，绞车的额定输入功率为735kW整理仅限军工使川绞车三维模型图3传动系统参数计算绞车基本参数根据资料可，绞车功率为山时，对应的钻机配套参数如下表表3.1绞车基本参数钻机级别40/2250名义钻井深度2250绞二车的额定功率（kW 735(1000Hp游动系统纯数；钻井纯数/最多纯数810钻井钢丝绳直径（mm 32绞车滚筒参数设计滚筒结构大体由滚筒壳、滚筒轴、辐板、轮毂、轴承座等部件组成， 由于滚筒尺寸在很大程度上决定了绞车的尺寸，因此，希望滚筒尺寸越小 越好；但是滚筒直径过小，会使缠绕在滚筒上的钢丝绳的应力增大，缠绕 的层数增多也会

17、增加滚筒的应力；滚筒长度过小，钢丝绳的缠绕层数必然 也会增加，从而增加钢丝纯磨损；长度过大不仅会增大绞车的尺寸，而且 当钢丝绳缠至两端时，由于钢丝绳过于偏离滚筒的轴向中心线，易使钢丝 纯缠乱，所以设计滚筒尺寸时，必须考虑这些相互制约的因素。滚筒的设计原则：根据资料回知：回.纯绳层数一般不超过5层；园.井架顶部中心至滚筒中心与滚筒边延夹角日 。参数的设计：根据资料3推荐的方法，进行下列参数的计算：1）滚筒直径：滚筒的直径回和滚筒的长度L是绞车的主要几何参数，它基本上 决定了绞车的外廓尺寸大小，同时由于滚筒的纯绳层数有限制，所以这两 个参数也决定了滚筒的纯绳容量。_八资料整理仅限堂丑位川_八资料整

18、理仅限堂丑位川_上人资ii整理仅限曼亚I川滚筒的直径w主要根据钢丝绳的结构和直径大小来决定:式中：目为钢丝绳直径，其值为32 mm,总的原则是在不使钢丝绳过于弯曲的前提下，应将W设计的偏小些，这对于减轻绞车重量，减小绞车起动动载都有好处，根据需要和上式 计算，得：2)滚筒长度L:图3.1滚筒示意图目.从上图可知：滚筒长度：-11式 3.1 )式中：二J ,回-标准立柱长度，;日一快绳的倾斜角，小于 国；2J .根据经验公式：凶,式3.2)故取 c.校验设计合理性：将 LJ 带入式每层排纯数目的计算3 式 3.3)式中：可为滚筒上钢丝绳被压扁时直径的增量，取 日；得：取 4)滚筒上的容纯量力的计

19、算它可由缠在滚筒上的钢缆是否完成了百个立根行程二的关系来确设滚筒从第二层开始纯纯，则：.一三三一I式 3.4)式中：过为有效绳数,目；m为一个立根行程，；臼为每层排数,取为38计算得且为目5)滚筒平均工作直径I滚筒缠绳直径依次变化如下：滚筒原始直径设为四，则：第一层纯绳直径：第二层纯绳直径：第三层筑绳直径：第图层缠绳直径：H钻井工作时，下完一根立柱，游车在最下位置，此时，滚筒上还应该 保留一层钢丝纯，以便排纯，所以真正参与工作的钢丝纯为第二层到第 层。故：滚筒的平均工作直径：I式 3.5)6)滚筒缠绳层数可：当回为未知数的时候，可通过以下式子算出：_式 3.6)即：式中：w为钢丝绳在滚筒半径上

20、的增量系数，取 0.9目为滚筒原始直径，为 T ;巴为滚筒平均工作直径，见5)通过计算得：取回为4层上人资ii整理仅限曼亚I川上人资ii整理仅限曼亚I川上人资I!整理仅限曼亚I川将山带入5),得:7)滚筒轮毂直径 I这一几何参数说明了绞车的高度，D毂对绞车滚筒的起动动载影响比较 大，所以一般应选偏小的数值，根据经验，取回为 g3.2.3滚筒设计图图3.2滚筒设计图3.3快绳拉力计算1)最大钻柱重量快绳拉力：x 式3.7)式中：回为最大钻柱重量，目为整个钻杆柱的单位长度重量为S为最大钻井深度日I 0为游动系动重量，取山；回为钻井绳数8;0为游动系率，取0.85 ;计算得：2）最大钩载快绳拉力I

21、x | 式 3.8）式中：W为最大钩载，止办；0为最大游系重量，取 上；回为最多纯数为10;计算得：3.4各级传动比计算大钩提升速度的计算1）大钩的起升速度直接影响着起下钻的机动时间，尤其是最低起钻 工作速度回，它又决定着其它各档速度。为了减少机动的起升时间，新上人资ii整理仅限曼亚I川整理仅限至aM_八资料整理仅限堂丑位川_型钻机加大了绞车的功率，使 团由原来的提高至 L=J ,这样机动起升时间可降低回，可初选2最高起升速度日 不能选得过高，它受到立根长度、快绳速度和操作安全的限制，一般按下述经验公式选定 日：叵式3.9)式中：3为立根长度；臼为有效纯数；m为系数，在起下钻操作机械化水平高的

22、条件下选用4。初选I滚筒转速的计算按照滚筒转速 S与大钩速度回之间的关系，有：目式 3.10)即： I取大钩最大运动速度为：，正常工作时最低速度日。则有：滚筒解卡时最高转速：一I ,取；滚筒正常工作时最低转速：I ，取日 。传动比与转速绞车最低转速在恒扭矩区一;绞车正常工作和解卡转速范围在恒功率区 可0由此可得电转机与滚筒转速对应关系： TOC o 1-5 h z 滚筒正常钻井最低速度,对应电机恒功率最低转速_ ;滚筒解空吊卡最高转速 ,对应电机恒功率区最高转速I -。变速箱总传动比可暂定为：低速档：:高速档：X I各级传动比表3.2 绞车各级传动比级别工程低速级低速档中间级高速档中间级高速级

23、传动比L=J1山山齿数0SE04传动轴的设计计算滚筒快绳受到的载荷是波动变化的，并伴有振动载荷和冲击载荷，根 据绞车传动路线可知，当绞车处于最低档时受力最大，即为绞车工作的最 恶劣的工况，所以就选择此工况来设计绞车的主要部件。设计轴的主要步骤是：材料选择及热处理方法、载荷计算、轴的结构 设计等。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 承的类型和尺寸等。轴的材料多选用中碳钢40CrNi、40Cr等，我国则广泛采用 40CrMo 38SiMnM野，在此输入轴的材料我们选用山，抗拉强度极限： I ,屈服强度极限:输入轴总成的设计输入轴基本参数输入轴上的转速:输入功率:输入转矩:初步

24、确定轴的最小直径根据机械设计百里的内容，我们按扭转强度条件初步估算最小轴 径，轴的扭转强度条件为：式 4.1 )式中：E 扭转切应力，单位为 皿。回一轴所受扭矩，单位为三I ;M -轴的抗扭截面系数，单位为 国；国一轴的转速，单位为日；回一轴传递功率，单位为 囱；日计算截面处轴的直径，单位 国；凶一许用扭转切应力，单位为国由上式可得轴的直径： 式 4.2)根据上式初步做算输入轴的最小直径：I X】取轴的最小直径为输入轴装配方案_死人整理仅限军工使川.此人资料整理仅限军工使川根据轴向定位的要求确定输入轴的各段直径和长度根据资料可回，设计输入轴结构如下：为了满足轴承内径标准，取最小直径为 140

25、mm,轴承选用双列调心滚子轴承，型号为 23028G外彳全为210 mm厚度 为 53 mm取安装链轮处 2-3轴段，d = 160 mm , l = 114 mm ,链轮与左端轴承用套筒定位，右端靠轴肩定位；(3)轴段 4-5 : d = 150 mm ,l = 331 mm ,安装两个链轮，中间靠套筒定位，其周向定位采用键连接； 轴段5-6 : d = 140 mm ,l = 879 mm ,安装有轴承、链轮和气胎离合器，其中链轮和气胎离合器焊接为一体，不需要键 连接，气胎离合器外壳焊接在轴上；轴承左端靠轴肩定位，右端为 套筒定位，整个轴承靠支撑板承受载荷；4.2中间传动轴总成的设计传动轴

26、基本参数 TOC o 1-5 h z 传动轴上的转速：|传动功率：I传动转矩：|初步确定轴的最小直径由式4.2）得：LJ计算得：I取轴的最小直径为I 。传动轴轴装配方案根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度根据资料可回，设计输入轴结构如下：(1)为了满足轴承内径标准，取最小直径为 180 mm,轴承选用双列调心滚子轴承，型号为 23036c ,外径280 mm,厚度为 74 mm 轴段1-2: d = 180 mm , l = 510 mm , 安装有轴 承、链轮和气胎离合器，其中链轮和气胎离合器焊接为一体，不需 要键连接，气胎离合器外壳焊接在轴上；轴承左端靠套筒定位，右 端为轴肩定位，整个

27、轴承靠支撑板承受载荷；轴段 3-4 : d = 190 mm ,l = 522 mm ,不装配零部件；轴段 4-5 : d = 180 mm ,l = 696 mm ,安装两个链轮，其中小链轮与轴为一体不需要特殊定位；大链轮靠套筒定位, 其周向定位采用键连接；.此人资料整理仅限军工使川上人资ii整理仅限曼亚I川4.3滚筒轴总成的设计滚筒轴基本参数 TOC o 1-5 h z 滚筒轴上的转速：滚筒轴上功率：I滚筒轴上转矩：|初步确定轴的最小直径由式4.2）得：计算得：I取轴的最小直径为滚筒轴装配方案4.3.4根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度50*1根据资料可回，设计输入轴结构如下：为了满

28、足轴承内径标准，取最小直径为 240 mm,轴承选用双列调心滚子轴承，型号为 23048G外彳全为360 mm厚度 为 92 mm 轴段1-2: d = 240 mm , l = 200 mm , 安装有轴 承，轴承右端靠套筒定位，整个轴承靠外壳承受载荷；轴段 3-4 ,轴段 5-6 : d = 260 mm ,l = 320 mm , 安装滚筒，滚筒与滚筒轴采用键连接 4由段3-4)和过盈配合 轴段5- 6);滚筒左端为轴肩定位，右端为套筒定位；轴段 4-5 : d = 255 mm ,l = 760 mm , 无装配零件，为了使套筒端面可靠地压紧滚筒端面，此轴段应略短于轮毂的长 度；轴段6

29、-7 : d = 240 mm ,l = 614 mm ,安装有链轮和轴承，链轮为套筒轴向定位，键连接周向定位；轴承左端为套筒定 位，右端为轴承端盖定位。.此人资料整理仅限军工使川_八资料整理仅限曼丑位川5.1.1滚筒链条力5绞车中间传动轴强度校核5.1轴的受力分析14301)链条力与水平面的夹角由几何关系得：得：所以，链条力与水平面的夹角2)链条力大小由3.3快绳拉力的计算结果可知，最大快绳拉力为,近似认为快绳拉力与滚筒圆相切，则根据扭矩平衡原理，得：式 5.1)得： TOC o 1-5 h z 由机械设计手册，查得：石油钻机载荷系数有效圆周力 I式5.2)水平分力：I垂直分力：15.1.2

30、输入轴链条力由于轴承不能提供扭矩平衡，所以中间轴的扭矩是由链轮回和链轮凶来平衡，得：式 5.3)链轮0的周向有效圆周力为:_八资料整理仅限堂丑位川_y11=290.9o.此人资料整理仅限军工使川水平分力：5.1垂直分力：.3总受力图根据理论力学 可平衡原理，得:即:式 5.4)式 5.5)根据需要选取垂直向上为正方向，水平向右 0方向）为正方向并计算得:5.2危险截面的确定运用日画图功能制作中间轴弯矩图和扭矩图，确定传动轴的危险 截面，并进行强度校核。竖直方向1)程序：x=0:0.1:1257y1=290.9。y2=y1-525.1 。y3=y2-147.6。y=y1.*(x+y2.*(x=6

31、23&x+y3.*(x=1030&xsubplot(211plot(x,y,b- 。xlabel( 距 A 点距离 /mm。ylabel(剪力/kN。grid onsubplot(212x=0:10:1257。y1=y11*x。y22=y11-525.1 。y2=y22*(x-623+623*y11 。y33=y22-147.6。y3=y33*(x-1030+623*y11+(1030-623*y22y=y1.*(x+y2.*(x=623&x+y3.*(x=1030&x 。plot(x,y,b* 。xlabel( 距 A 点距离 /mm。ylabel( 弯矩图/kN - mm、grid ong

32、text(最大弯矩。2)运行结果：0041-40Q0200400600 BOO 100012H1400距A点,距离fmm,u o o 20Ms20040060080010001200距A,点距离隔mx105.51,5 Lo. EE会电明紫w1400即：最大竖直弯矩为,位于距离轴承A 623 mm处。上人资ii整理仅限学小叫上人资ii整理仅限学小叫匕立4整理仅限空生位用5.2.2水平方向1)程序：x=0:0,1:1257y1=33.4oy2=y1-123.1 。y3=y2+158.8。y=y1 .*(x+y2.*(x=623&x+y3.*(x=1030&xsubplot(211plot(x,y,

33、b- oxlabelf 距 A 点距离 /mmoylabelf 剪力/kN。grid onsubplot(212x=0:10:1257 oy 11 =33.4 oy1=y11*x oy22=y11-123.1 。y2=y22*(x-623+623*y11。y33=y22+158.8。y3=y33*(x-1030+623*y11 +(1030-623*y22y=y1.*(x+y2.*(x=623&x+y3.*(x=1030&x。plot(x,y,b* oxlabelf 距 A 点距离 /mmoylabelf 弯矩图/kN mm、grid ongtext(最大弯矩 ox,ymax=ginput(1

34、 。disp(xx ymax2)运算结果10050002004C0600820100012001400距息点距离加m比1-1006UD HULI 1000 12LMJ 140U距息息距鸟加m大弯把即：最大水平弯矩为,位于距离轴承A 624 mm处5.2.3弯矩与扭转的叠加且.合成弯矩1）程序x=0:10:1257。上人资料整理仅限曼习使川_2)运行结果上人资料整理仅限曼习使川_+623*y11 。y33=y22+158.8。y3=y33*(x-1030+623*y11 +(1030-623*y22yp=y1.*(x+y2.*(x=623&x+y3.*(x=1030&x。y11 =290.9 oy1=y11*x oy22=y11-525.1 。y2=y22*(x-623+623*y11。y33=y22-147.6。y3=y33*(x-1030+623*y11 +(1030-623*y22yz=y1.*(