第五章钻机的驱动及传动系统(第一讲)

第五章

钻机的驱动与传动系统天津石油职业技术学院徐建功2013年7月学习目标1.理解工作机组对驱动与传动系统的要求2.了解典型驱动方案3.掌握驱动设备的特性指标

4.掌握钻机驱动与传动类型5.掌握柴油机的特性6.掌握PZl90系列柴油机型号编制的含义7.掌握电驱动钻机的类型重点：驱动设备的特性指标难点：柴油机的特性5.1概述

钻机的动力与传动系统关系到钻机的总体布置和主要性能。

驱动设备：也称为动力机组，由它为工作机提供所需要的动力和运动。

传动系统：将动力机与各工作机联系起来，传递动力和运动并分配给各工作机。

机械系统的动力装置(驱动装置或原动机)是机械系统的重要组成部分。它是执行系统的动力来源，它的性能的优劣直接决定着机械系统的工作性能和构造特征。因此，合理选择机械系统的动力装置的型式，是机械设计中考虑的重要问题之一。

根据动力装置与执行机构之间的联系，分为直接驱动和间接驱动两类。

直接驱动是把原动机的运动和动力直接或通过传动装置传递给执行系统，这是机械系统中一般采用的方式。

间接驱动是在原动机与执行机构之间，先将原动机输出的机械能转换为其它能量，例如电能或液能，然后再将这种能量转换为机械能直接或通过传动装置传递给执行机构。如柴油机－液力驱动钻机，电驱动钻机都是间接驱动的实例。根据能量转换方式，分电力驱动，内燃机驱动，复合驱动等。

为了简化钻机传动系统，改善钻机的驱动性能，钻机也采取复合驱动的型式，如内燃机电力驱动的电驱动钻机，内燃机液力驱动的链条钻机等。5.1.1工作机组对驱动与传动系统的要求

1.绞车

1）绞车功率利用情况分析

钻井绞车的工作特点是载荷大，而且载荷变化也大。

图5-1所示，是大钩提升载荷Qh与提升速度V的关系曲线。

若大钩提升速度V随大钩提升载荷Qh，而相应地按QhV＝C的规律变化，即按图5-1中的等功率曲线1变化，这是最理想的情况，动力机提供的起升功率利用最充分。绞车载荷随起钻过程中立根数目的逐渐减少而呈阶梯状连续下降，若提升速度V也能随立根数的每一次减少而增加，即按曲线2工作时，绞车功率利用也很充分。但在机械变速为有限档的条件下，只有在动力驱动装置能自动变速时才能实现。曲线3是柴油机直接驱动，机械传动分级变速时的起升曲线，功率利用不充分，阴影三角面积是未被利用的功率。

图5-1大钩提升载荷与提升速度的关系曲线

1—理想功率曲线(等功率曲线)2—速度无限档功率曲线3—速度有限档功率曲线2）绞车对动力机组的要求

（1）能无级变速，以充分利用功率；

（2）速度调节范围，R＝Vmax/Vmin=5～10；

（3）具有短时过载能力，以适应启动动载、振动冲击及克服轻度卡钻的需要；

（4）启动性能好，有灵敏可靠的控制与离合装置。

2.转盘

在钻进过程中，随着井深及岩层的变化，需要及时改变钻压及转速。

转盘要求动力系统的力矩及转速调节范围R=5～10。

在处理事故时，要求能细微调节转速，又能倒转。当钻具遇卡时，为了防止扭断钻杆，需要设置限制力矩装置，当达到限定力矩值时能自动停止旋转。3.钻井泵

钻井泵一般利用变换缸套的办法来调节排量。但在更换缸套之前，亦利用减速来调节排量，以便使功率利用比较充分。

为此要求动力传动系统具有一定的调速范围，R=1.3～1.5即可满足要求。

钻井泵一般为无载启动，启动不频繁，对启动转矩、超载能力的要求低于绞车，但为了克服钻井过程中可能出现的蹩泵，要求动力传动系统具有短时过载能力。5.1.2典型驱动方案

钻机的驱动方案可分为：单独驱动、统一驱动、分组驱动。

1.单独驱动方案

转盘、绞车、钻井泵三大工作机组，各由不同的动力机实行一对一或二对一的驱动。

单独驱动的优点是：传动系统简单，传动效率高，安装方便，总体布置灵活性大。

其缺点是：装机功率利用率低，动力机组间动力不能互济。

电驱动钻机大都采用单独驱动方案。

单独驱动各工作机与柴油机进行一对一驱动的方法叫单独驱动；电动钻机常用单独驱动方案。2.统一驱动方案

转盘、绞车、钻井泵三大工作机组，由2～4台动力机并车统一驱动。

统一驱动的优点是：装机功率利用率高，整个动力机组可以同时进行工作，安全可靠性强，动力可以互济。

其缺点是：传动系统复杂，传动效率低，工作机组间相互干扰大，安装找正困难。

柴油机直接驱动和柴油机加变矩器驱动广泛采用统一驱动方案。

统一驱动各工作机由多台动力机并车驱动的方法叫统一驱动；机械传动钻机常用统一驱动方案。3.分组驱动方案

典型的分组驱动是：将三台工作机分成两组，绞车和转盘两个工作机由同一动力机组驱动，钻井泵由另一动力机组驱动。

这种分组驱动方案称为二分组驱动。

分组驱动的特点是：既有单独驱动的传动简单、安装方便的优点，也有统一驱动的装机功率利用率高的优点。分组驱动转盘和绞车分为一组由同一柴油机组并车驱动，泵由另一柴油机组单独驱动的方法叫分组驱动；电动钻机常用分组驱动◆钻机的传动装置

由动力机到工作机的传动系统，有的很简单，比如单独驱动；有的则相当复杂，比如统一驱动的钻机。如图5-2所示，统一驱动的传动系统要将数台动力机的动力合并，并分配给各工作机，同时为满足绞车和转盘对动力的要求，要解决变速变矩及反转等问题。

为此，钻机的传动系统具有各种不同的并车、减速、变速、倒车机构，而形成了多种传动方案。多台动力机的并车传动是钻机传动的一个特点。一般地，采用链条并车传动的称为链条钻机，采用皮带并车传动的称为皮带钻机，而电驱动钻机，则是将两台电动机装在同一输入轴的左右两端实现并车。

图5-2统一驱动钻机1.链并车

尽管统一驱动的柴油机台数只有2～4台，当采用有确定传动比的链条并车装置时，由于不可能把所有柴油机调成同一转速，为了均衡各柴油机的负载，必须在柴油机输出轴上联接一台液力变矩器。

统一驱动的深井钻机以三台柴油机并车较为典型，如国产ZJ45钻机，罗马尼亚的F320-3DH型钻机等。它们都是三台柴油机经过三台变矩器，使其输出转速从柴油机的1100～1200r／min降至750～850r／min，以保证并车链条线速度低于16～20m／s，(链条传动的最高线速度限制)。因为并车链条线速度仍然较高，故必须采用小节距多排链条传动。链并车与皮带并车相比，由于链传动在密封箱中采用油泵强制润滑，寿命较皮带长；在现场检修拆换链条比拆换皮带方便；链传动效率较皮带传动为高。

中深井钻机配两台柴油机，并车链传动比较简单。

而超深井钻机如ZJ60L配四台柴油机，并车传动链装置比较复杂，安装工作量大。2.皮带并车

柴油机直接驱动的钻机采用皮带并车是我国钻机的一大特色。主要是因为皮带传动结实简单，允许一定的传动打滑和具有超载时自动打滑的特性，起到了安全保护作用，所以一直为我国油田工人所接受。缺点是：采用常规V型皮带大功率传动时根数较多，结构不紧凑，寿命不长。

由于柴油机输出速度过高，而需要在并车前增加减速箱(如图5-3所示)，以满足皮带传动线速度不宜过高的要求。

采用新型窄V型联组胶带(如图5-4所示)并车，由于强度高，比普通V带传递功率提高30～40％，带轮尺寸减小25～35％，且传动效率提高。所以可取消并车前的减速器，使皮带钻机结构更为紧凑。图5-3皮带并车前的减速箱图5-4新型窄V型连组胶带3.电动机并车

电驱动钻机主要采取单独驱动，但一台电动机的功率往往不能满足绞车或钻井泵的功率需要，故电驱动钻机大都采取由二台电动机并车驱动绞车和钻井泵。

如图5-5所示，并车方式是在绞车输入轴两端各联接一台电动机，或是两台电动机各采用一副链条分别从钻井泵或绞车的输入轴两端同时输入动力。由此可见电动机并车十分简单。图5-5绞车输入轴两端各联接一台电动机5.1.3驱动设备的特性指标

各类动力机有一些共同的技术经济指标，可借以评价它们的动力性和经济性。（5-1）e通常所说的柔特性，是指K值大的同时R值亦大。即随外载变化时动力机自动增矩减速或减矩增速的范围宽。

而硬特性则是K值大而R却小，即外载变化很大时，动力机速度变化很小。

现代钻机用动力机的适应性系数K和调速范围R的参考数据见表5-1。（5-2）3.燃料(能源)的经济性

指的是提供同样功率时所消耗的燃料(能源)费用。对柴油机、燃汽轮机以耗油率来表征；

电动机则以耗电量，功率因素来表示。（5-3）

5.使用经济性

除已特加指明的燃料经济性之外，使用经济性还包括：对工作地区的适应性；启动性能；控制操作的灵敏程度：工作的可靠性；安全性；持久性及维护保养的难易性能等。5.1.4钻机驱动与传动类型

按照钻机采用的动力设备不同可分为：机械驱动、电驱动和复合驱动三大类。

1.机械驱动

机械驱动—以柴油机为动力机，统一驱动转盘、绞车、钻井泵三大工作机组。

按驱动机组驱动特性不同，机械驱动可分为两种形式：柴油机驱动机械传动、柴油机—液力驱动机械传动。

（1）柴油机驱动机械传动：

以2～4台柴油机为动力，经V带或齿轮、链条及万向轴等机械传动元件的多种组合，实现并车、减速增矩、换向倒车，以驱动绞车、转盘和钻井泵。这种传动为硬特性传动，工作机能获得的速档及调速范围很有限。（2）柴油机—液力驱动机械传动：

以2～4台柴油机为动力，柴油机首先与液力变矩器组合，组成为柴油机—液力驱动机组，再经机械传动元件进行多种形式的组合，实现并车、减速增矩、换向倒车，以驱动绞车、转盘和钻井泵。由于液力变矩器可以变速、变矩，故这种传动为柔性传动。

2.电驱动

电驱动—以直流或交流电动机为动力机，单独驱动转盘、绞车、钻井泵三大工作机组。

电驱动常用的形式有两种：可控硅直流电驱动(AC-SCR-DC)和交流变频电驱动(AC-VFD-AC)。（1）可控硅直流电驱动(AC-SCR-DC)：

采用可控硅整流器（简称SCR），将发出的交流电变换为可控的直流电，控制直流电动机，驱动绞车、转盘及钻井泵等。

（2）交流变频电驱动(AC-VFD-AC)：

采用变频器（简称VFD），将交流发电机发出的交流电变换为可大范围调整频率的交流电，控制交流变频电动机，驱动绞车、转盘及钻井泵等。

3.复合驱动

复合驱动是根据三大工作机组的工作特点和性能要求，灵活选用相适应的动力驱动方式，从而以最经济的动力配置，获得最佳的工作性能。

复合驱动的形式主要有两种：机电复合驱动和交直流电复合驱动。（1）机电复合驱动(主要包括两种形式)：

①柴油机加偶合器驱动钻井泵和绞车，同时带动一台交流发电机发出交流电，再经变频器控制交流变频电动机驱动转盘。

②柴油机驱动交流发电机发出交流电，通过变频器控制交流变频电动机驱动绞车和转盘；钻井泵独立采用机械驱动。

（2）交直流电复合驱动：

采用柴油机驱动交流发电机，发出的交流电分为两路：一路通过变频器，控制交流变频电动机驱动绞车和转盘；另一路通过可控硅整流器，将交流电变换为可直流电，控制直流电动机驱动钻井泵。

柴油机驱动—机械传动钻机

(1)(柴油机直接驱动)

，是指以柴油机为动力，通过胶带实现并车，将各柴油机动力集中起来，然后经齿轮、链条、万向轴、胶带等机械元件的多种形式的组合，实现减速增矩、换向、倒车，从而带动绞车、转盘和钻井泵。驱动特性就是柴油机本身的特性，工作机只能实现有级调速。

(2)柴油机+液力装置驱动

柴油机输出轴直接连液力变矩器(或偶合器)，经链条并车，将各柴油机动力集中起来，然后再经链条、齿轮、万向轴、胶带等机械传动元件的多种形式的组合，实现减速、换向、倒车，从而带动绞车、转盘和钻井泵。驱动特性是柴油机—液力变矩器联合输出特性，能自动变速变矩，属柔性驱动。

根据主传动副的类型可分为：齿轮钻机、V带钻机和链条钻机。

我国石油矿场在用钻机的大多数，皆为柴油机直接驱动的钻机。其特点是采用柴油机统一驱动，V带并车传动的机械传动钻机，在现场上通称为皮带钻机。

5.2柴油机驱动—机械传动5.2.1柴油机的类型与特性

1.柴油机驱动特点

（1）不受地区限制，具有自持能力。无论寒带、热带、高原、山地、平原、沙漠、沼泽、海洋，自带燃料都可工作，这对勘探和开发新油田是非常重要的；

（2）不同级别钻机，可用增加相同机组数目的办法以增加总装机功率，即所谓“积木式”，可减少柴油机品种，有利于使用和维修；

（3）柴油机工作较稳定，可平稳调节，能防止工作机过载，避免出设备事故。柴油机装有全制式调速器，油门手柄处于不同位置时，即可得到不同的稳定工作转速。当外载突然增大而超过Mmax时，柴油机便越过外特性上稳定工作点而灭火，可避免各机械设备因过载而损坏；（4）结构紧凑，体积小，重量轻，便于移运，适合于野外流动作业；

（5）传动效率较柴油机-液力变矩器驱动高。

（6）作为钻机动力机，其不足之处是：适应性系数小(1.05～1.15)；转速调节范围窄(1.3～1.8)；过载能力有限；与电驱动相比，驱动传动效率低；燃料成本高；噪音大，影响工人健康；维护使用费用较电动机驱动高；绞车起升功率利用率低等。

2.柴油机的特性

柴油机的特性，就是柴油机本身的特性，包括负荷特性、外特性和调速特性。

（1）外特性

在保持供油量不变的情况下，柴油机的性能参数随转速变化的关系，叫做柴油机的速度特性。油泵齿条固定于供油量最大位置时的速度特性，称为全负荷速度特性，亦称外特性。

所谓动力机的外特性，指的是输出力矩M随输出转速而变化的规律性，即：M=f(n)。

常用曲线表示，称为动力机的外特性曲线。

外特性曲线是正确选择及合理使用发动机的基础，因为它指明了最大功率Nmax，最大力矩Mmax，及最大功率时力矩Me，最小耗油量gmin及相应的经济转速，可确定适应系数K及合理的工作转速范围。42研究问题：发动机（柴油机）驱动特点？驱动特性？动力的特性指标？图5-6Z12N190B型柴油机外特性如图5-6所示，为Z12V190B型柴油机外特性曲线。由图可以看出功率Ne、力矩Me和燃油消耗率ge等性能参数随转速变化的规律。

外特性曲线是正确选择及合理使用发动机的基础，因为它指明了最大功率Nmax，最大力矩Mmax，及最大功率时力矩Me，最小耗油量gmin及相应的经济转速，可确定适应系数K及合理的工作转速范围。

(2)负荷特性

保持柴油机转速不变时，其性能参数随负荷变化的规律叫做负荷特性

依据负荷特性，可确定柴油机在额定转速之下工作时的经济负荷，即耗油率最小时的功率范围。由坐标原点引射线与ge曲线相切，切点的对应之功率是最经济的功率，因为该点Ne/ge值最大。

如图5-7所示，是Z12V190B柴油机的负荷特性曲线。图5-7Z12N190B型柴油机负荷特性(3)调速特性

柴油机使用过程中，当负荷变化时，为了能够自动地调节供油装置，以使柴油机在一定转速下运转而装有调速器装置。油门手柄固定，油泵油齿条由调速器自动控制时，Me，Ne与转速n的关系称为调速特性。

装有全制式调速器的柴油机，负荷可以在很大范围内变化，而转速变化范围应维持在很小范围内(<10％)。

在选择匹配和操作使用柴油机时，都应让它在调速线上工作。若外载超过Me点，发动机将在超负荷工况下运行，动力性和经济性指标都会变坏，这是应避免的。

如图5-8所示，为12V150柴油机的调速特性曲线。

图5-812V150柴油机的调速特性

钻井泵和转盘都是长期运转，持续工况，应将柴油机转速放在偏低位置，使其在不超过其最大功率75％的工况下运转。

对于绞车起升作业，负载时间不长，转速应偏高一些，但其功率不宜超过其最大功率的80％。

例如美国D-399柴油机推荐用于驱动泵及转盘时开1200r／min，而驱动绞车时开1300r／min。(4)通用特性右图是Z12V190B柴油机的通用特性曲线，最内层的等油耗率曲线表明发动机最经济的工作范围。3.国产190系列柴油机

国产钻机主要采用济南柴油机厂生产的Z190系列柴油机，该类机型已有近万台服务于石油钻探市场。

PZl90系列柴油机型号编制的含义如下：

型号示例：PZl2V190BD表示配套机、增压、12缸、V型排列、缸径190、改造顺序号B、电驱动钻机用、标定转速为1500r／min、标定12小时功率。G12V190ZLD的含义

G：发电机用柴油机代号；12：缸数；V：气缸60°V型排列；190：mm缸径；ZL：涡轮增压；D：D次改型柴油机。

钻机用柴油机由下列机构和系统组成：柴油机机体、曲柄连杆机构、配气机构及进、排气系统、燃料供给与调节系统、润滑系统、冷却系统、增压装置、安全保护装置、启动系统。

柴油机的工作原理

柴油机是将柴油燃烧产生的热能转换成机械能的机器。其工作原理是：利用柴油在气缸内燃烧产生的热能推动活塞运动，活塞通过连杆带动曲轴运转，输出动力，将热能转变为机械能。

随着石油钻探技术和装备的更新，以及我国的油气开发趋势，对钻机动力提出了以下要求：

（1）适应沙漠纵深地区风沙大、日温差大以及自动化程度高、无人值守的要求；

（2）适应高原、高寒地区空气稀薄、超低温的环境；

（3）深井钻探，要求柴油机单台功率大、载荷变化频繁，在部分载荷下经济性好；

（4）每台钻机配备柴油机台数少，移运方便；

（5）能远距离控制，可靠性高，故障率低。

为适应上述要求，190系列柴油机在近十年来性能和可靠性都有较大的提高。例如主导产品Z12V190B改型为G12V190ZL，于1999年研制成功。该型柴油机在性能指标、可靠性、自动监控、解决“三漏”和外观质量等方面都有显著提高。新世纪以来，济柴公司又研制A12V190Z型柴油机。这种产品具有功率大、性能高、使用可靠、操作方便等特点，可满足320-7000m机械及电动钻机的需求。5.2.2V带钻机

采用V带作为钻机主传动副，采用V带将多台柴油机并车，统一驱动各工作机组及辅助设备，且用V带传动驱动钻井泵。

V带并车具有传动柔和、并车容易、制造简单、维护保养方便的优点。大庆130钻机和ZJ32J钻机在70年代中期由江汉石油管理局钻采设备研究所设计，兰州石油化工机械厂制造的大庆130型钻机成为我国油田相当长时期钻深1900～3200m井的主力设备。这是在原苏制5Д型钻机和我国仿制的ZJl30型钻机基础上改进成为三台柴油机驱动的皮带钻机。

5.2.3齿轮钻机

采用齿轮作为钻机主传动副，配合万向轴驱动绞车和转盘，或采用圆锥齿轮—万向轴并车驱动绞车、转盘和钻井泵。

特点：齿轮传动允许的线速度高，体积小、结构紧凑；万向轴结构简单、紧凑、维护保养方便、互换性好。不适宜于大功率钻机，一般中深井不采用齿轮作主传动副。5.2.4链条钻机

采用链条作为钻机主传动副，2～4台柴油机加变矩器组成驱动机组，用多排小节距套筒滚子链条并车，统一驱动各工作机的机械钻机，在石油现场统称为链条钻机，这类钻机一般仍用V带传动驱动钻井泵。

美国的机械钻机一直是链条钻机。自60年代开始，苏联、罗马尼亚也大力发展链条钻机。

我国各油田使用的链条钻机大多是从罗马尼亚进口的，有2DH-75、3DH-200A、4DH-315、4LD-150D及F-200、F-320等，其中F系列钻机F-200、F-320等目前仍在使用。

我国从70年代中期开始，重视了研制石油钻机用套筒滚子链条，发展链条钻机。1985年，我国制造的第一台链条钻机ZJ45钻机通过鉴定。90年代初，ZJ60L型钻机亦成批生产，成为陆上超深井的主力设备。柴油机液力驱动的钻机即链条钻机，为机械驱动钻机，具有价格便宜、维修维护方便等优势，因而在钻深4000米内的油井仍然以机械钻机为主。即使在石油工业发达的美国，链条钻机的使用也占有相当大的份额。我国现有ZJ40L、ZJ50L和ZJ70L等链条钻机。套筒滚子链条钻机传动系统的功能

机械驱动钻机的传动方案依据钻机的用途、钻井深度、所采用的驱动类型及主传动元件的不同而异。但是，任何一种钻机其传动系统的基本组成和所承担的任务却具有共性，都主要是由并车、倒车、减速增矩、变速变矩及转换方向等几部分所构成，将一台或几台驱动机组的动力及运动单独地或统一地传递给各工作机，以满足钻井工作的需要。

1．并车

作用：将多台动力机的动力集中起来，以便统一分配。

现代机械驱动钻机都采用两台以上驱动机组，因此存在并车问题。广泛采用的并车方式是：

（1）柴油机直接驱动，胶带并车传动，如ZJ45J、ZJ32J—2；

（2）柴油机—液力驱动，链条并车传动，如F—320、ZJ45、ZJ601。并车链传动副与皮带并车相比，由于链传动在密封箱中采用油泵强制润滑，寿命较皮带长；

在现场检修拆换链条比拆换皮带方便；链传动效率较皮带传动为高。

中深井钻机配两台柴油机，并车链传动比较简单。

而超深井钻机如ZJ60L配四台柴油机，并车传动链装置比较复杂，安装工作量大。

2．倒车

转盘需要倒车，绞车一般不需要倒车。倒车方案，花样繁多，但究其实质，不外以下几种：

(1)齿正车、链倒车(齿轮传动正车、链传动倒车)大庆130钻机就是齿正车、链倒车，但1号机组本身不能倒车。有的钻机，齿正车传动副和链倒车传动副安置在同一传动箱的两根平行轴上。

(2)链正车、齿