钻机驱动设备与传动系统

关于钻机驱动设备与传动系统第六章钻机驱动设备与传动系统驱动类型，典型驱动方案；工作机对驱动特性要求；柴油机驱动特性，柴油-液力驱动特性；电驱动特性：直流电动机机械特性，交流电动机机械特性；传动系统的变速设计。教学内容和课程基本要求第2页,共71页，2024年2月25日，星期天第六章钻机驱动设备与传动系统6.1石油机械常用动力装置6.2石油钻机液力传动装置6.3柴油机驱动钻机工作特性6.4电驱动钻机工作特性6.5传动系统及其部件设计6.6传动系统的变速设计第3页,共71页，2024年2月25日，星期天6.1石油机械常用动力装置(1)驱动设备的特性指标①

适应性系数KsMmax——动力机稳定工作状态时的最大扭矩；Me——动力机额定（标定）功率时的扭矩。Ks值大小表明动力机适应外载变化的能力。值大，表明动力机过载能力大。第4页,共71页，2024年2月25日，星期天②速度范围Rnmax——动力机最高稳定工作转速；nmin——动力机最低稳定工作转速。同一根轴上第5页,共71页，2024年2月25日，星期天

③动力机比质量定义：每单位功率（kW）的质量，用KG表示：

(kg／kW)G——动力机（包括必备的附件）的质量，kg；Ne——额定功率，kW。第6页,共71页，2024年2月25日，星期天④燃料（能源）的经济性指提供同样功率时所消耗的燃料费用。柴油机、燃气轮机，以耗油率来表征；电动机则以耗电量、功率因数来表征。⑤使用经济性

除已特别指明的燃料经济性之外，使用经济性尚应包括：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、持久性及维护保养难易性等。第7页,共71页，2024年2月25日，星期天

表6-1石油机械常用驱动设备的适应性系数和调速范围的参考数值类型柴油机（中、高速）1.05～1.151.3～1.8柴油机-变矩器1.5～3.51.5～2.5直流电动机1.6～4.01.5～2.5交流电动机1.5～2.2（短期）1.5第8页,共71页，2024年2月25日，星期天（2）柴油机驱动的特点

柴油机是石油机械使用最广泛的动力机械，主要是因为它具有以下的特点：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

产品系列化后，不同级别钻机，可采用所谓“积木式”，即增加相同类型机组数目，以增加总装机功率，从而减少柴油机品种。第9页,共71页，2024年2月25日，星期天③在性能上，转速可平稳调节，能防止工作机过载，避免出设备事故。装上全制式调速器，油门手柄处于不同位置时，即可得到不同的稳定工作转速。当外载增加超过时，柴油机便超过外特性；④作为钻机动力机，它也有不足之处，如：扭矩曲线较平坦，适应性系数小（），过载能力有限；转速调节范围窄（）；噪音大，影响工人健康；与电驱动比较，驱动传动效率低，燃料成本高等。第10页,共71页，2024年2月25日，星期天(3)柴油机驱动特性

柴油机驱动特性就是柴油机自身的特性，包括外特性、负荷特性、调速特性和通用特性。①

外特性油泵齿条固定于供油量最大位置时外特性是正确选择及合理使用发动机的基础Z12V190B型柴油机外特性曲线

第11页,共71页，2024年2月25日，星期天②负荷特性定转速下，ge,GT,tr,pk随功率Ne而变化的规律，称负荷特性，其中GT为每小时油耗。依据负荷特性，可确定动力机在定转速下工作时的经济负荷，即耗油率最小的功率范围。由坐标原点引射线与ge曲线相切，切点所对应之功率即最经济的功率，因为该点Ne与ge比值最大。

Z12V190B型柴油机负荷特性曲线。

第12页,共71页，2024年2月25日，星期天③调速特性

在调速器起作用时，保持调速手柄位置一定，柴油机性能指标随转速或负荷变化的关系。由调速特性知，装有全制式调速器的柴油机，负荷可以在很大范围内变化，而转速则可维持＜5％的变化。调节油门手柄位置，可得到一系列形状类似的调速线。

在选择匹配和操作使用柴油机肘，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，这是不利的。第13页,共71页，2024年2月25日，星期天④通用特性最内层的等油耗率曲线表明发动机最经济的工作范围。Z12V190B柴油机的通用特性曲线第14页,共71页，2024年2月25日，星期天(4)石油机械常用柴油机①

Z190系列钻机柴油机济南柴油机厂研制生产的Z190系列柴油机包括有Z8V190，Z8V190-1，Z8V190-2和Z812V190B，Z12V190B-1，Z12V190B-2等基本机型及相应的配套机座（即带有风扇、水箱和底架的动力机组，如PZ12V190B）。此外，还发展有能适应不同环境、满足不同性能要求的专用机型。

Z190系列柴油机是国产钻机用动力机，也可用于固定发电、船舶、内燃机车及其他工程机械。

第15页,共71页，2024年2月25日，星期天Z190系列柴油机基木型号与规格、主要技术参数

第16页,共71页，2024年2月25日，星期天②电驱动用柴油机

为满足电动机对动力—柴油机发电机组的需要，济南柴油机厂研制了一种新型1000kW的柴油机A12V190ZL。并以该机为原动机，开发了柴油发电机组。我国除卡特3500系列柴油机外，还大量使用底特律（DDC）公司的4000系列柴油机。第17页,共71页，2024年2月25日，星期天6.2石油钻机液力传动装置石油钻机传动装置有机械式的也有其他形式的，机械式如螺旋、齿轮、皮带、链条、万向轴等。石油机械功率大，工况特殊，有些制定了专用标准，如套筒滚子链，石油钻机用万向联轴器等。但这些传动装置与一般机械相同。除此外，石油机械还常用液力传动装置如液力变矩器，液力偶合器等，本节主要介绍这些传动装置。第18页,共71页，2024年2月25日，星期天(1)液力偶合器液力偶合器的主动轴经离心泵将能量传给工作液，工作液又经涡轮将能量传给从动轴，即：第19页,共71页，2024年2月25日，星期天因此，液体通过它在离心泵和涡轮机中的循环流动，实现运动的连续传递和能量的连续转换。液力偶合器主要由泵轮，涡轮、外壳和输入输出轴组成。第20页,共71页，2024年2月25日，星期天

柴油机－偶合器驱动主要优点是：传动柔性，可吸收震动与冲击；涡轮轴可随外载变化而自动变速，可防止工作机过载，即使外载增加导致涡轮制动，动力机（主动轴）仍可以某一转速工作而不熄火。扭矩的计算式为：

——泵轮扭矩系数，一般由试验求得；

——偶合器中传能工作介质密度；D——偶合器循环圆直径；g——重力加速度；nB——泵轮转速。第21页,共71页，2024年2月25日，星期天偶合器涡轮转速与泵轮转速的比值以表示，称转速比，即：偶合器输出功率与输入功率之比值，称作偶合器效率，即偶合器只能在高转速比（即）工况下工作，否则效率过低，功率损失大。液力偶合器只能传递扭矩，不能变矩，因此又称液力联轴器。第22页,共71页，2024年2月25日，星期天(2)液力变矩器（涡轮变矩器）

变矩器结构如图所示。导轮与外壳相连，是不转动的，叶片大都为空间扭曲形状。与偶合器相比，多了一个固定不动的导轮，性能便大不相同。当泵轮扭矩MB一定时，导轮可改变涡轮输出扭矩MT，使得MT可以小于、等于或大于MB

。第23页,共71页，2024年2月25日，星期天

变矩器泵轮扭矩公式与偶合器相同，为：变矩器涡轮扭矩公式为：λT——涡轮扭矩系数；变矩器输出扭矩与输入扭矩的比值称变矩系数：变矩器输出功率与输入功率的比值为变矩器的效率：第24页,共71页，2024年2月25日，星期天

液力变矩器依结构特点可分为：a、按涡轮级数分：单级，如国产WB型；多级，如罗马尼亚CHC型（3级）。b、按涡轮内液流流向分：离心式、向心式、轴流式。液力变矩器类型图（a）离心式（b）向心式（c）轴流式第25页,共71页，2024年2月25日，星期天YB900液力变矩器

YB900变矩器是北京石油勘探开发研究院机械所、大连内燃机车研究所和四川石油管理局共同研制的单级充油调节离心液力变矩器，与PZ12V190B-1柴油机匹配，用以取代CHC750变矩器、MB820Bb柴油机，作为F320钻机动力机组及国产深井、超深井机械驱动钻机如ZJ32J-5和ZJ60L的动力机组。第26页,共71页，2024年2月25日，星期天YB900变矩器技术特性

输入功率/kW（马力）610（830）补偿压力/MPa0.13～0.25输入转速/（r/min）1200冷却系统最大散热量/（kCal/h）170000最高效率/%88～90输出制动扭矩/Nm26000启动变矩系数/K6.4工作油温/℃70～100℃循环圈有效直径/mm900外型尺寸/mm-第27页,共71页，2024年2月25日，星期天6.3柴油机驱动钻机工作特性（1）绞车、转盘、钻井泵负载特点及对驱动特性的要求①绞车按绞车工作特点，对动力机组的要求是：a、能无级变速，以充分利用功率，速度调节范围5～10。b、具有短期过载能力，以克服启动动载、振动冲击和轻度卡钻。c、绞车工作时起停交替，要求动力传动系统有良好的启动性能和灵敏可靠的控制离合装置。综上，绞车驱动需要的是具有恒功率调节、能无级变速并具有良好启动性能的柔性驱动。第28页,共71页，2024年2月25日，星期天②转盘钻井工艺对转盘的工作有以下要求：a、转速调节范围R＝5～10。b、能倒转、能微调转速以处理事故。c、有限制扭矩装置，防止过载扭断钻杆。

转盘配备的功率是一定的，具有恒功率调节、能无级变速的柔性驱动、能充分利用功率，但钻井工艺有时要求恒转矩调节。第29页,共71页，2024年2月25日，星期天③钻井泵钻井泵一般都在额定冲次附近工作，负载的波动幅度也不大，因此对驱动系统的要求比绞车、转盘都简单。主要要求是：速度调节范围R=1.3～1.5，以充分利用功率；允许短期过载，以克服可能出现的蹩泵。第30页,共71页，2024年2月25日，星期天（2）柴油机-机械传动钻机工作特性①机械传动方案统一驱动、分组驱动和单独驱动a、单独驱动方案转盘、绞车、钻井泵三个工作机组，各由不同的动力机一对一或二对一地进行驱动，电驱动钻机大都采用单独驱动方案。

单独驱动，传动系统简单、效率高；工作机间无机械形式的联系，便于钻机在井场进行平面布置。但装机功率利用率低，动力机不能互济。第31页,共71页，2024年2月25日，星期天b、统一驱动方案这种方案是转盘、绞车、钻井泵三工作机由2～4台动力机并车统一驱动。

统一驱动装机功率利用率高，可并车调剂各工作机不同的功率需要，动力机有故障时动力可互济。但驱动系统复杂，传动效率低，安装找正困难。第32页,共71页，2024年2月25日，星期天c、分组驱动方案典型的分组驱动，将三个工作机分成两组，绞车、转盘为一组，钻井泵为另一组，由动力机（柴油机或电动机）分别驱动，也称为二分组驱动。

分组驱动的目的主要是：

i、兼有统一驱动利用率高和单独驱动传动简单、安装方便的优点；

ii、现代深井、超深井钻机采用7～9m高钻台，分组驱动可实现转盘、辅助绞车（猫头轴）在高钻台上，而主绞车不上高钻台的方案；第33页,共71页，2024年2月25日，星期天iii、满足丛式井钻机对工作机平面布置的要求：转盘、绞车在钻台上并可随钻台一起作纵横方向的移动，而钻井泵组不必移动。因此转盘、绞车同钻井泵组不能有任何机械传动方面的联系，必须进行两分组驱动。第34页,共71页，2024年2月25日，星期天②机械传动钻机的特点

钻机机械驱动方案一般采用统一驱动或分组驱动。这需要将几台柴油机的动力合在一起，这就是并车，机械驱动的钻机采用皮带并车，早期使用E型三角胶带，现在广泛使用的是窄V三角胶带。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。第35页,共71页，2024年2月25日，星期天a、并车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：柴油机直接驱动，胶带并车传动，如ZJ32J-2，ZJ45J；柴油机一液力驱动，链条并车传动，如F-320，ZJ45，ZJ60L。第36页,共71页，2024年2月25日，星期天b、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：

i、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。

ii、双锥齿轮正倒车这种方案适用于转盘单独倒车，需一个单独的正倒车箱，齿轮钻机常采用该方案。如ZJ130-3钻机。第37页,共71页，2024年2月25日，星期天iii、锥齿轮倒车，短万向轴水平传动转盘，可使钻台面宽敞；缺点是增加了一付角传动。

iiii、链正车、齿倒车链条钻机必须采用齿传动倒车，如ZJ45钻机等，倒车齿轮副即置于链条变速箱中，可不必另设倒车箱。第38页,共71页，2024年2月25日，星期天c、减速与变速钻机动力机转速高，而工作机转速低，从动力机到工作机一般要经过3～5次减速。另外，绞车和转盘要求调速范围为5～10。为充分利用功率，一般应设4～6个机械挡，柴油机一变矩器驱动时，也应设3～4个机械挡。动力机至钻井泵无需变速，除泵本身已有一次减速外，在传动系统中再设1～2次减速即可。第39页,共71页，2024年2月25日，星期天③机械驱动钻机的起升特性对于机械驱动的钻机，不能无级调速，只能由机械档变换速度，考虑到传动的复杂程度和操作要求，起升绞车一般设6个档，前两个档用于处理事故，后4个档用于正常钻井。

第40页,共71页，2024年2月25日，星期天（3）柴油机—液力驱动钻机工作特性①柴油机和变矩器的联合工作特性第41页,共71页，2024年2月25日，星期天②柴油机—液力驱动钻机的工作特点柴油机-变矩器驱动具有的下述优越性：

a、随外载变化能自动无级地变速变矩，驱动绞车时，可明显提高钻机起升工效。

b、使柴油机始终维持在经济合理的工况运行，即使外载增大，导致涡轮轴处于制动状态时，柴油机也不会被蹩灭火。

c、K值大，使机组适应外载变化能力大大增强，例如在高效区范围内K>2，（柴油机本身K<1.5）；在重载时，K值可高达3.5～4.0，解除事故、负载启动能力强，操作平稳。

第42页,共71页，2024年2月25日，星期天d、调速范围展宽，在高效工作区内，在重载、轻载都可以工作，只不过效率较低些。为了提高效率，设3～4个机械变速挡即可，这就简化了传动，又方便了操作，档间还是无级调速，可充分利用设备功率。e、传动平稳柔和，吸收冲击振动，延长机械设备寿命。f、减少并车损失，柴油机-变矩器并车比柴油机用胶带直接并车要减少功率损失约3％，这是很可观的。液力变矩器主要不足之处是效率偏低，最高效率一般为85％～90％，且效率随涡轮轴转速在很大范围内变化；纯钻进驱动泵时工效明显低于机械传动。此外，结构比较复杂，还需要一套补偿和散热冷却系统。第43页,共71页，2024年2月25日，星期天③柴油机一变矩器驱动钻机的提升曲线根据柴油机-变矩器联合工作的外特性及钻机所配备的机械变速挡数，便可绘出钻机提升载荷与提升速度之间的关系曲线，称提升特性曲线或钻机牵引特性曲线。一般钻机说明书第44页,共71页，2024年2月25日，星期天6.4电驱动钻机工作特性（1）电驱动设备的一般工作原理电驱动设备有直流电动机和交流电动机两大类，其控制方式也有很大的差别。直流电动机有着很好的速度控制特性，在石油机械领域中有着广泛的应用，一般采用SCR控制。交流电动机则因为不易调速，其应用受到一定的限制，如今交流变频技术的出现，使交流电动机得到了快速的发展。

第45页,共71页，2024年2月25日，星期天①直流电动机a、直流电动机的固有工作特性由电工学知，直流电机的转速与电机扭矩的表达示为：式中：U为电源电压，Re为电枢电阻，φ为电机磁通，Ce、CM为常数。第46页,共71页，2024年2月25日，星期天并激串激复激第47页,共71页，2024年2月25日，星期天b、直流电动机的调速特性i、电枢串电阻调速在电枢电路中串入电阻ii、降压调速iii、弱磁调速实际上，常用综合的方法，在低速段4，采用降压调速，为恒扭矩调速，在高速段5，采用弱磁调速，为恒功率调速。

第48页,共71页，2024年2月25日，星期天②交流电动机a、交流电动机固有机械特性同步电动机具有特硬特性，异步电动机也具有硬特性。第49页,共71页，2024年2月25日，星期天b、交流电动机变频调速的机械特性应用AC变频技术，通过变频器向交流电动机提供频率可调的交流电源，改变电源频率，可得到人为特性-变频调速机械特性，精确控制调节交流电动机的转速，满足钻井装备工作机对调速性能的要求。第50页,共71页，2024年2月25日，星期天（2）直流电驱动钻机采用直流发电机-电动机组或可控硅整流电源供电的直流电动机可联合应用降压法与弱磁法，以扩大调速范围。调节发电机励磁可降低电动机电枢供电电压，使转速自额定转速往下降；减弱电动机励磁，可使转速自额定转速往上升。第51页,共71页，2024年2月25日，星期天全波可控硅整流电源向电枢绕组供电，可实现降压调速。不可控硅整流电源向励磁绕组供电，可实现弱磁调速。

第52页,共71页，2024年2月25日，星期天

与机械驱动（MD）相比较，可控硅整流驱动（SCR）具有如下优越性：

i、直流电动机具有人为软特性。调速范围宽，R一般为2.5～5。超载能力强，超载系数K一般为1.6～2.5。因具有无级调速的钻井特性，可提高钻井效率。

ii、极大地简化了机械传动系统，提高了传动效率，如从动力机轴到绞车输入轴的传动效率可达86％，比MD驱动约高11％。

iiii、柴油机交流发电机组中的柴油机始终处于最佳运转工况（额定转速、载荷自动均衡分配），比MD可节省燃料18％～20％；大修周期延长80％，柴油机使用寿命延长。

v、并联驱动，动力可互济，动力分配更灵活合理。

vi、SCR驱动便于钻机的平面和立体布置，且维护费用仅为MD驱动的30％；自动化程度较高，使用更安全可靠。第53页,共71页，2024年2月25日，星期天（3）交流变频钻机

AC-AC是钻机最早采用的驱动方式。由于交流电动机具有硬特性，不能满足钻机工作机对调速的要求，随着DC-DC和SCR驱动型式的发展，使AC-AC驱动型式失去了竞争力。随着电力电子技术的发展，交流变频调速已发展成为一门成熟的交流变频技术，已使交流电动机的调速控制性能达到了直流电动机调速控制性能的水平。此外，和直流电动机相比，交流电动机没有整流子、碳刷等活动部件，防爆要求低，无须维护，安全可靠；单机容量大，体积小、质量轻，价格便宜等明显优点。因此，随着交流变频调速技术的发展，先进、成熟的交流变频器系列产品的问世和应用，使AC变频驱动钻机和顶驱钻井系统，比SCR直流电驱动型式具有明显优势，必将成为电驱动钻机的发展方向。第54页,共71页，2024年2月25日，星期天

①交流变频电驱动基本工作原理

交流电动机转速关系式为，改变p、s或f都可以改变转速，但最好调速方法是改变输入的电源频率f。为此，需要一个输出频率及电压均可调，并具有良好控制性能的变频电源。交流变频电驱动系统由交流电源、交流变频器和交流电动机组成。对于石油钻机，交流电源主要是柴油机交流发电机发出的交流电（380V～600V）。第55页,共71页，2024年2月25日，星期天②交流变频电驱动的特点a、能精确控制电动机转速和转矩，使钻机的绞车、转盘实现无级变速；可实现恒功率调速，调速范围宽，大大简化了机械变速机构。低速性能好，能以极低速度恒扭矩输出，对处理钻井事故、侧钻修井、小泥浆流量作业及优选参数钻井极为有利。当电动机转速为零、处于制动状态时，可保持最大扭矩、静悬钩载。

b、具有转矩转速限定功能，可防止扭断钻杆柱、损坏传动机件。变频器对电动机有过载、过热、过电流保护性能。

c、电动机短时超载能力强（1.5～2倍），可带载平稳启动。下钻时可实现对电网能量反馈，减少制动装置的能量损耗，节约能源。

d、交流电动机效率高达96％（直流电动机为91％），没有碳刷换向器，不须制成防爆型，不须管道强制冷却，维护费用低，易于操作管理，可靠性高，安全性好。

e、容易实现自动化控制，提高钻井自动化水平。第56页,共71页，2024年2月25日，星期天③交流变频驱动绞车的特性JC30DB型交流变频电驱动绞车起升特性曲线在频率0～21Hz范围内，绞车是恒转矩输出，起升大钩速度在0～0.3