第三章 钻机的动力与传动3.1概述 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。1 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变成为机械设计中的重要问题之一。2 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，这是机器一般采用的方式。3 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。4 根据能量的转换方式，分电力驱动,内燃机驱动，复合驱动等。由于钻机在野外工作，因内燃机的机械特性不能适应钻机工作，使柴油机直接驱动的钻机传动系统相当繁杂。5 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，如内燃电力驱动的电驱动钻机，内燃液力驱动的链条钻机等。63.1.1 驱动设备特性指标和外特性 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。7 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。8 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，燃气轮机以耗油率来表征；电动机则以耗电量，功率因素来表示。910 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。11 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。12 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9-1。13 9.1.2 三大工作机负载特点及对驱动特性的要求 1.绞车 若大钩提升速度 V随大钩载荷Q的变化而相应地按QVC的规律即如图9-1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。14 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，则是绞车功率利用最充分的情况。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。15 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。16根据绞车的工作特点，其对动力驱动与传动系统的要求为：(1)能无级变速，以充分利用功率；(2)速度调节范围，R510；(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。172.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是510。在处理事故时，要求能细微调转速，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，达到限定力矩值时能自动停止旋转。18 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，R1.31.5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。193.1.3 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。20 后者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。21 所以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，而电驱动钻机则将两台电动机装在同一输入轴的左右两端实现并车。22 1.链并车 尽管统一驱动的柴油机台数只有24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。23 统一驱动的深井钻机以三台柴油机并车为典型，如国产ZJ45钻机(图9-7)，罗马尼亚的F320-3DH型钻机等。24 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 1200rmin降至750850rmin，以保证并车链条线速度低于1620ms，(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。25 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。262.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。27 大庆130钻机和ZJ45J型钻机采用E型V带并车.28 由于柴油机输出速度过高，而需要在并车前增加减速箱以满足皮带传动线速度不合过高的要求。29 后来的ZJ32J-2型钻机采用了新型窄V型联组胶带并车。3031 由于强度高，比普通V带传递功率提高3040，带轮尺寸减小2535，且传动效率提高。这样取消并车前的减速器使皮带钻机结构更为紧凑。323.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泵的功率需要，故电驱动钻机大都采取由二台电机并车驱动绞车和钻井泵。33 并车方式或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。34如ZJ60D钻机35如ZJ45D型钻机363.2柴油机直接驱动 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，皮带并车传动的机械钻机，其在现场上通称为皮带钻机。373.2.1驱动特性 柴油机直接驱动特性就是柴油机本身的特性，即负荷特性、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。38 图为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。39 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。40 (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。图9-3是Z12V190B的负荷特性曲线。41 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。42(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。43图为12V150的调速特性曲线。44 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(22ms)，使胶带工作条件恶化，实际寿命为50006000小时(设计寿命10000小时)。66 (2)每台柴油机在1000rmin下持续功率只有520kw，总功率为1560KW(1890马力)，只够单泵和转盘打井，如带双泵则每台泵仅得700马力，约为泵额定功率55，这样开双泵时泵压太低，不能用于喷射钻井。此外，柴油机长期在1000rmin下运行其耗油率增大。67 (2)每台柴油机在1000rmin下持续功率只有520kw，总功率为1560KW(1890马力)，只够单泵和转盘打井，如带双泵则每台泵仅得700马力，约为泵额定功率55，这样开双泵时泵压太低，不能用于喷射钻井。此外，柴油机长期在1000rmin下运行其耗油率增大。68 2.ZJ45J型钻机 （新标准为ZJ503150J)该型钻机用于钻30004500m深的油气井。它由兰石油化工机械厂于1982年底通过鉴定后投入成批生产的皮带钻机(至1988年共生产140台)，其基本参数符合GBl806-79的规定。69ZJ45J钻机传动方案如图所示。70 该钻机有如下特点：，(1)由三台PZl2V190B-1柴油机驱动，装机功率3700kw(12小时功率)，标定转速1200rmin，用来带双泵及转盘，功率基本能满足需要。71 (2采用净空43m的JJ30043型A型井架，可地面组装，整体起升；采用4.5m高钻台，便于安装井口防喷装置。72 (3)游动系统配备最大绳系67，配备TC350型天车，YC350型游车，DG350型大钩及SL450型水龙头，最大承载能力大于钻机最大钩载，保证安全。73 (4)采用密封式JC45绞车，爬坡链，传转盘链均为闭式强制润滑。开槽滚筒排绳整齐，过卷阀控制防碰天车结构反应灵敏可靠。(5)配备1300水刹车，带自动调节水位的水箱。74 (6)配备两台3NB-1300钻井泵，可满足强力喷射钻井需要。(7)钻机的传动机构较复杂，柴油机出门后被减速，并车后还需正车箱。钻井泵反转运行也是不足之处。753.3 柴油机液力变矩器驱动3.3.1概述 以24台柴油机变矩器为动力机组，用多排小节距套筒滚子链并车，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，这类钻机一般仍用皮带传动泵。76 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。我国各油田采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及目前仍在使用的F系列钻机F-200、F-320等。77 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，决定发展链条钻机。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。783.3.2 柴油机变矩器驱动特点 通过对变矩器的结构、特性及柴油机-变矩器联合工作的分析，不难理解柴油机变矩器驱动所具有的下述优越性。79(1)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。(2)使柴油机始终维持在经济合理的工况下运行，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。80 (3)K值大，使机组适应外载变化的能力大大增强，例如，在高效区范围内K2（柴油机本身K：1.01.15)；在重载时可高达3.54，使钻机解除事故，负载启动能力强，操作平稳。81 (4)调速范围R增大，在高效工作区内，RnT2/nT12.0，在重载，轻载区仍可以工作，只是效率较低。为了提高效率，一般只需4个机械挡，这既简化了传动，又方便了操作。82 (5)传动平稳柔和，吸收冲击振动，延长了机械设备寿命。(6)链条并车较皮带并车传动效率提高3，减少了并车损失。83 柴油机变矩器驱动主要不足之处是效率偏低，变矩器最高效率一般为8590，且随涡轮轴转速变化其效率还要降低。纯钻进驱动泵时工效明显低于机械传动。此外变矩器结构比较复杂，还需要一套补偿和散热冷却系统。843.3.3柴油机