第七章升降机

第七章

升降机11-升降机；

2-钢丝绳；3-天车；

4-游动滑车；5-指重表；

6-钻杆；

7-回钻器。§7-1钻机的升降系统升降系统有机械式和液压式两种，机械式用升降机升降，机械传动式岩芯钻机均采用升降机，动力头式钻机也有少数采用升降机；全液压钻机基本上采用液压升降。机械式升降系统的组成本章主要讨论机械式升降系统,升降系统由升降机、钢丝绳、天车、游动滑车、提引钩或U型环、提引器组成。孔较深时，多数滑车系统有死绳端，死绳上可安装指重表，供主动钻杆减压钻进，指示钻具重量与平衡孔底压力。23§7-2升降系统的作用及钻进工艺对升降系统的要求（一）升降系统在钻进过程中的作用

（1）升降钻具与套管；

（2）利用升降系统悬挂钻具；（3）进行强力起拔，处理孔内事故或完成其他辅助特种工作。（二）钻进工艺对升降系统的要求在钻孔过程中，升降系统的主要作用是升降钻具，升降工序时间占整个钻孔工作时间的比值，随孔增加。一般占整个钻孔工作时间的1/3-1/2。因此升降系统的完善程度，直接影响钻探效率与质量。所以，升降系统应满足以下基本要求:

（1）提升速度大小、级数、调速范围与起重量的确定，应最大限度的降低升降工序的机动时间和尽可能的提高功率利用率；（2）起下钻时，由于操作或孔内情况的变化，使升降系统承受较大的动载荷；孔内卡钻时须进行强力起拔。因此要求升降系统的结构与强度应能适应这种负荷特性；（3）升降钻具时，微动升降动作频繁，这种动作能否准确完成，直接影响钻进效率和处理孔内事故的速度和效果因此要求升降机起放灵敏，平稳可靠。（4）升降机的操纵位置应便于操作者观察孔口；（5）升降机的布局应有利于排绕钢丝绳。4§7-3机械式升降系统特性参数的选择缩短起下钻时间的途径之一，是完善升降机的技术性能。表明升降系统性能的主要参数是升降机的最大起重量和提升速度。

（一）升降机的最大起重量钻机技术性能参数中标注的最大起重量，指的是单绳起重量。浅孔和次深孔钻机，一般都不用游动滑车，其最大起重量应不小于额定孔深的大钩载荷。中深和深孔钻机，其升降机最大起重量常比额定孔深的大钩载荷小若干倍，所以钻进一定深度后，就采用游动滑车组。最大起重量取决于大钩载荷和滑车系统结构；而大钩载荷决定于孔深。

1．大钩载荷式中

——每米钻杆质量产生的重力，；

——钻杆柱长度，；

——卡塞系数，浅孔取2，深孔取1.5，石油钻取1.25。；52．升降机的最大起重量式中：——有效钢绳数；

——滑车系统效率。

值由滑车系统结构类型决定。

滑车系统结构钻探常用的两种滑车系统结构——卡塞系数，浅孔取2，深孔取1.5，石油钻取1.25。

6有死绳滑车系统

无死绳滑车系统

为游动滑车组的动滑车数。两类滑车系统的比较：（1）当一定时，无死绳的提升载荷较大，运动速度较低，有死绳的恰好相反；（2）有死绳的滑车结构，可使钻塔载荷对称分布；（3）有死绳结构，在死绳端可装指重表；深孔钻机均采用有死绳滑车系统。J（b）J7运动时，动滑车系统的效率与值的关系见下表：也可用下列公式计算值：式中——每个滑轮运动阻力系数，取1.02~1.04。1234560.97-0.960.95-0.930.92-0.900.90-0.880.87-0.850.85-0.828（二）升降机提升速度升降机提升速度指的是卷筒缠绕钢丝绳的速度。1.卷筒最高缠绳速度取决于提引器的最高上升速度，两者的关系为：受安全规程限制，提引器最高安全上升速度由立根长度（或钻钻塔高度）确定。见下表：立根长度，

69-1215提引器最高上升速度，11.52提引器最高上升速度表9影响的因素是:(1)动力机额定功率；(2)提升额定孔深的大钩载荷；

(3)滑车系统结构。式中——动力机至卷筒的总传动效率。一般取0.8-0.852.卷筒最低缠绳速度与上述三者的关系式为:及10孔深，100-150300600-8001000-12002000动滑轮数x定滑轮数

1X22X33X4高速，~1.5~2.02.5~3.23.2~4.54.5~7.5低速，0.30.5

0.511.0~1.3

3.调速范围升降机的调速范围一般取3-6。岩心钻机升降机和回转器多共用一个传动链，因此要与回转器的调速范围结合考虑。例如XY-4型钻机，升降机的调速范围为3.78.

考虑到滑车系统结构，安全规程以及国内外岩心钻机的实际情况，推荐卷筒最高缠绳速度和最低缠绳速度于下表:0X1~~~11表A4．升降机提升速度档数和合理的中间速度为了缩短提升机动时间和提高功率利用率，增加速度档数是有利的；但是档数过多，会使钻机结构复杂。

1至5档变速的升降机不同速比时的提升机动时间与功率利用率列入以下表A、表B；表A是速比为2时的1至3档变速的升降机的与。是在完全利用功率的条件下，根据与关系计算的；12表B是国内外典型钻机3至5档变速的升降机的提升速度数据，并根据它们的数据计算出

和的值表B13式中——第速；

——第1速；

——速度序号；

——提升速度档数。

分析表A、B可以看出：（1）提升速度从1档增到3档，缩短提升机动时间，提高功率利用率的作用是明显的，这说明一般岩芯钻机起码应该具有三个速度,如若继续增加档数，尽管可以继续降低值和提高值；但是随着档数增加，降低值和提高值的效果俞来俞小。因此，采用机械变速箱，升降机档数，取3~6档已足够了。浅孔钻机，为简化结构，取3档；深孔钻机，档数可多些。（2）选择合理的邻速比对提高功率利用率和降低提升时间十分重要。这是因为：速比合理，即便档数相同，也可提高和缩短值，总的看来，等比级数排列的中间速度，效果并不理想。

从提高和缩短值出发，建议用下列公式确定中间速度，即:14

由于岩芯钻机升降机常与回转器共用一个传动链，因此在确定升降机速度排列时还应考虑回转器转速排列要求，而且通常以满足回转器转速排列为主，兼顾升降机转速排列要求。同时还要照顾变速箱的确定原则。15行星式升降机行星式升降机

升降机根据传动方式不同,分为液压传动式和机械传动式两大类。液压传动式升降机虽然具有结构简单，无级调速等许多优点，但需要较高的油压，多用于全液压式钻机。机械传动式升降机按照结构型式分为锥摩擦传动式、片式摩擦离合器式、行星轮系式等多种类型。

由于行星式升降机具有传动平稳、传动效率高、传动功率大、操作方便、结构紧凑、工作安全可靠等优点，是应用最广泛的一种升降机。§7-4升降机的类型锥摩擦式升降机16行星式升降机锥摩擦传动式升降机17行星式升降机18

§7-5行星式升降机的组成、类型与工作原理

一行星式升降机的组成及类型

行星式升降机主要有升降机轴、卷筒、下降抱闸、行星轮系、提升抱闸等组成。图示升降机的卷筒用轴承支撑在升降机轴的中部,其右端固定有内齿圈。行星轮系为2K-H型。提升制圈用轴承装在升降机轴上。三个行星轮的轮轴一端支撑在提升制圈上。两抱闸为双制块式，分别套装在下降制圈和提升制圈的外圆上。

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行星式升降机根据内齿圈和行星轮轴的安装位置不同分为第一类和第二类。第一类行星式升降机的内齿圈与卷筒固定,行星轮轴一端支撑在提升制圈上。第二类的内齿圈固定在提升制圈上,而行星轮轴的一端支撑在卷筒上,因此造成两类行星式升降机性能上的下列差别:1.第一类行星式升降机的传动比小于第二类行星式升降机;2.第一类行星式升降机卷筒的转向与中心轮的转向相反,而第二类的卷筒转向与中心轮相同;3.第二类升降机的受力条件比第一类升降机好。20行星式升降机结构示意图升降机轴分动箱传动齿轮中心齿轮行星齿轮轴架行星轮卷筒制动抱闸内齿圈提升抱闸21二第一类行星式升降机的工作原理提升钻具

提升钻具时，将下降手把上抬,下降抱闸放松卷筒;而提升手把下压，抱闸制动提升制圈。由于提升制圈被制动，行星轮不能自转，轮系变成定轴轮系。中心轮的顺时针转动带动行星轮逆时针自转。行星轮的转动驱动内齿圈和卷筒逆时针转动，缠绕钢丝绳，提升钻具。22ωH＝0ωbωgωa提升钻具

抱闸9刹住提升制圈，同时抱闸7松开，行星轮5及其轴4不能绕升降机轴1公转，即行星轮公转角速度ωH=0。在角速度为ωa的中心轮带动下，行星轮可绕其轴以ωg自转，并带动内齿圈8以ωb的角速度转动，缠绕钢绳，提升钻具232.制动钻具

制动钻具时,将提升手把上抬,提升抱闸松开提升制圈;而将下降手把向下搬,下降抱闸制动卷筒。卷筒停止转动。钻具被停留在孔内某一位置。此时由于内齿圈不能转动,行星轮除了在中心轮的驱动下逆时针自转外,还以顺时针方向绕中心轮公转。24制动钻具

抱闸7刹住下降制圈，同时抱闸9松开，卷筒与内齿圈被闸住不转ωb＝0,钻具停止升降。此时，行星轮自转又公转，并带动行星架一起公转。ωb＝0ωgωaωH25

下降钻具时，提升手把上抬，放松提升制圈；下降手把处于控制状态,在钻具重力的作用下，卷筒顺时针转动而放绳，钻具下落。此时由于内齿圈及中心轮都为顺时针转动，故行星轮也顺时针公转。行星轮的自转可能有三种情况，即顺时针转动、没有自转、逆时针转动。行星轮的自转状态不仅与中心齿轮和内齿圈的转速有关，同时与各齿轮的齿数有关。根据相对运动的原理,推导出三种自转状态的条件为：

时,行星轮没有自转;当

当

当

时,行星轮与中心轮转向相同;时,行星轮与中心轮转向相反。3.下降钻具26下降钻具ωbωgωaωH

两抱闸均松开，钻具在自重作用下下降，并通过钢绳使卷筒旋转方向与提升时相反。行星轮自转又公转，自转方向及速度取决于齿圈、中心齿轮的转速。27微动控制

微动控制升降，是指微提轻钻具，微放重钻具，处理事故时微控钻具的升降等操纵状况。微动控制要借助于两个抱闸的配合来实现。ωbωgωaωH28第一类行星式升降机在三种工况下轮系的运转状态提制下画动29§7-6行星式升降机的结构形式分析一行星轮轴的支撑方式

简支式及悬臂式二动力的输入方式

靠近孔口式及远离孔口式XY-4型钻机升降机XY-5型钻机升降机30三卷筒的驱动方式

内齿圈驱动及行星轮轴驱动四卷筒的结构

焊接式及铸造式五升降机的轴端结构

安装锚头轮、手摇提升装置、水冷装置、水刹车、加压器及其他传动装置。31XY-4型钻机升降机升降机冷装置的工作原理32升降机水刹车的结构与工作原理XY-5钻机水刹车转子33液体在水刹车转子与定子水室内的运动及环流力矩的形成液体的牵连运动与惯性液流液体的相对运动与环流液体的绝对运动与环流力矩34水刹车的工作特性100%50%30%Mzdn1n2n30—转矩系数，主要与水刹车的结构有关;35水刹车工作时，滑动齿轮与升降机左端的内齿圈相结合，转子在水室内相对于定子和液体做回转运动，产生由环流力矩和摩擦力矩组成的回转阻力矩。当水刹车的回转阻力矩与下降钻具的重力作用于卷筒上的转动力矩相平衡时，钻具以匀速或接近匀速下降。水刹车的工作示意图36XY-5钻机37XU-1000水刹车38七抱闸（制动器）的结构抱闸的结构形式半带式、带式、双闸瓦式39XY-4型钻机抱闸的结构

该抱闸属闸瓦式抱闸，由手柄l,凸轮2、连杆11,闸瓦座7、刹车带13、支架14等构成。40XY-5型钻机抱闸的结构412.抱闸的安装位置一侧置及两侧置423.抱闸的制动方式手动式和液压制动式434.抱闸支点的位置ab抱闸支点与钢绳拉力在升降机轴同侧抱闸支点与钢绳拉力在升降机轴两侧44§7-7升降机的设计计算一抱闸制动力的计算

1.下降钻具时,下降抱闸所需的制动力矩

制动正在下了落过程中的钻具,卷筒除承受钻具重力产生的静力矩外,同时受有钻具下落的惯性力产生的附加动力矩。因此,下降抱闸所需产生的制动力矩应为:

在实际计算中,多