钻机驱动设备与传动系统PPT课件.ppt

1第六章第六章 钻钻机机驱动设备驱动设备与与传动传动系系统统l驱动类驱动类型，典型型，典型驱动驱动方案；方案；l工作机工作机对驱动对驱动特性要求；特性要求；l柴油机柴油机驱动驱动特性，柴油特性，柴油-液力液力驱动驱动特性；特性；l电驱动电驱动特性：直流特性：直流电动电动机机械特性，交流机机械特性，交流电动电动机机械特性；机机械特性；l传动传动系系统统的的变变速速设计设计。教学内容和教学内容和课课程基本要求程基本要求 2第六章第六章 钻钻机机驱动设备驱动设备与与传动传动系系统统l6.1 石油机械常用石油机械常用动动力装置力装置l6.2 石油石油钻钻机液力机液力传动传动装置装置l6.3 柴油机柴油机驱动钻驱动钻机工作特性机工作特性l6.4 电驱动钻电驱动钻机工作特性机工作特性l6.5 传动传动系系统统及其部件及其部件设计设计l6.6 传动传动系系统统的的变变速速设计设计36.1 石油机械常用石油机械常用动动力装置力装置l(1)驱动设备驱动设备的特性指的特性指标标l 适适应应性系数性系数KslMmax动动力机力机稳稳定工作状定工作状态时态时的最大扭矩；的最大扭矩；lMe 动动力机力机额额定（定（标标定）功率定）功率时时的扭矩。的扭矩。lKs值值大小表明大小表明动动力机适力机适应应外外载变载变化的能力。化的能力。值值大，表大，表明明动动力机力机过载过载能力大。能力大。4l 速度范速度范围围Rlnmax动动力机最高力机最高稳稳定工作定工作转转速；速；lnmin 动动力机最低力机最低稳稳定工作定工作转转速。速。l 同一根同一根轴轴上上5l 动动力机比力机比质质量量l定定义义：每：每单单位功率（位功率（kW）的）的质质量，用量，用KG表示：表示：l (kgkW)lG 动动力机（包括必力机（包括必备备的附件）的的附件）的质质量，量，kg；lNe额额定功率，定功率，kW。6l 燃料（能源）的燃料（能源）的经济经济性性l 指提供同指提供同样样功率功率时时所消耗的燃料所消耗的燃料费费用。柴油用。柴油机、燃气机、燃气轮轮机，以耗油率来表征；机，以耗油率来表征；电动电动机机则则以以耗耗电电量、功率因数来表征。量、功率因数来表征。l 使用使用经济经济性性l 除已特除已特别别指明的燃料指明的燃料经济经济性之外，使用性之外，使用经济经济性尚性尚应应包括：包括：对对工作地区的适工作地区的适应应性、启性、启动动性能、性能、控制操作的灵敏程度、工作的可靠性、安全性、控制操作的灵敏程度、工作的可靠性、安全性、持久性及持久性及维护维护保养保养难难易性等。易性等。7l 表表6-1 石油机械常用石油机械常用驱动设备驱动设备的适的适应应性系数和性系数和调调速速范范围围的参考数的参考数值值 类类型型柴油机（中、高速）柴油机（中、高速）1.051.051.151.151.31.31.81.8柴油机柴油机-变变矩器矩器1.51.53.53.51.51.52.52.5直流直流电动电动机机1.61.64.04.01.51.52.52.5交流交流电动电动机机1.51.52.22.2（短期）（短期）1.51.58（2）柴油机）柴油机驱动驱动的特点的特点l 柴油机是石油机械使用最广泛的柴油机是石油机械使用最广泛的动动力机械，主力机械，主要是因要是因为为它具有以下的特点它具有以下的特点：l 不受地区限制，不受地区限制，具有自持能力具有自持能力。无。无论论寒寒带带、热带热带、高原、山地、平原、沙漠、沼、高原、山地、平原、沙漠、沼泽泽、海洋，自、海洋，自带带燃料都可工作，燃料都可工作，这对这对勘探和开勘探和开发发新油田是非常重新油田是非常重要的。要的。l 产产品系列化后，不同品系列化后，不同级别钻级别钻机，可采用所机，可采用所谓谓“积积木式木式”，即增加相同，即增加相同类类型机型机组组数目，以增加数目，以增加总总装机功率，从而减少柴油机品种。装机功率，从而减少柴油机品种。9l 在性能上，在性能上，转转速可平速可平稳调节稳调节，能防止工作机，能防止工作机过载过载，避免出避免出设备设备事故事故。装上全制式。装上全制式调调速器，油速器，油门门手柄手柄处处于不同位置于不同位置时时，即可得到不同的，即可得到不同的稳稳定工作定工作转转速。当速。当外外载载增加超增加超过时过时，柴油机便超，柴油机便超过过外特性；外特性；l 作作为钻为钻机机动动力机，它也有不足之力机，它也有不足之处处，如：扭矩曲，如：扭矩曲线较线较平坦，适平坦，适应应性系数小（性系数小（），），过载过载能能力有限；力有限；转转速速调节调节范范围围窄（窄（）；噪音大，）；噪音大，影响工人健康；与影响工人健康；与电驱动电驱动比比较较，驱动传动驱动传动效率低，效率低，燃料成本高等。燃料成本高等。10(3)(3)柴油机柴油机驱动驱动特性特性 l柴油机柴油机驱动驱动特性就是柴油机特性就是柴油机自身的特性，包括外特性、自身的特性，包括外特性、负负荷特性、荷特性、调调速特性和通用速特性和通用特性特性。l 外特性外特性l油油泵齿泵齿条固定于供油量最大条固定于供油量最大位置位置时时l 外特性是正确外特性是正确选择选择及合理及合理使用使用发动发动机的基机的基础础 lZ12V190B型柴油机外特性型柴油机外特性曲曲线线 11 负负荷特性荷特性l定定转转速下，速下，ge,GT,tr,pk随功率随功率Ne而而变变化的化的规规律，称律，称负负荷特性，其荷特性，其中中GT为为每小每小时时油耗。油耗。l依据依据负负荷特性，可确定荷特性，可确定动动力机在力机在定定转转速下工作速下工作时时的的经济负经济负荷，即荷，即耗油率最小的功率范耗油率最小的功率范围围。由坐。由坐标标原点引射原点引射线线与与ge曲曲线线相切，切点相切，切点所所对应对应之功率即最之功率即最经济经济的功率，的功率，因因为该为该点点Ne与与ge比比值值最大。最大。Z12V190B型柴油机型柴油机负负荷特荷特性曲性曲线线。12 调调速特性速特性 l 在在调调速器起作用速器起作用时时，保持，保持调调速手柄位置一定，柴油机性能指速手柄位置一定，柴油机性能指标标随随转转速或速或负负荷荷变变化的关系。化的关系。l 由由调调速特性知，装有全制式速特性知，装有全制式调调速器的柴油机，速器的柴油机，负负荷可以在很荷可以在很大范大范围围内内变变化，而化，而转转速速则则可可维维持持5的的变变化。化。调节调节油油门门手柄位置，手柄位置，可得到一系列形状可得到一系列形状类类似的似的调调速速线线。l 在在选择选择匹配和操作使用柴油匹配和操作使用柴油机肘，都机肘，都应让应让它在它在调调速速线线上工作。上工作。若外若外载载超超过过Me点，点，发动发动机将在超机将在超负负荷工况下运行，荷工况下运行，动动力性和力性和经济经济性指性指标标都会都会变变坏，坏，这这是不利的。是不利的。13 通用特性通用特性l最内最内层层的等油耗率曲的等油耗率曲线线表明表明发动发动机最机最经济经济的工的工作范作范围围。lZ12V190B柴油机的通柴油机的通用特性曲用特性曲线线14(4)石油机械常用柴油机石油机械常用柴油机l Z190系列系列钻钻机柴油机机柴油机l 济济南柴油机厂研制生南柴油机厂研制生产产的的Z190系列柴油机包括系列柴油机包括有有 Z8V190，Z8V190-1，Z8V190-2和和Z812V190B，Z12V190B-1，Z12V190B-2等基本机型及相等基本机型及相应应的的配套机座（即配套机座（即带带有有风风扇、水箱和底架的扇、水箱和底架的动动力机力机组组，如如PZ12V190B）。此外，）。此外，还发还发展有能适展有能适应应不同不同环环境、境、满满足不同性能要求的足不同性能要求的专专用机型。用机型。l Z190系列柴油机是国系列柴油机是国产钻产钻机用机用动动力机，也可用力机，也可用于固定于固定发电发电、船舶、内燃机、船舶、内燃机车车及其他工程机械。及其他工程机械。15Z190系列柴油机基木型号与系列柴油机基木型号与规规格、主要技格、主要技术术参数参数 16 电驱动电驱动用柴油机用柴油机l 为满为满足足电动电动机机对动对动力力柴油机柴油机发电发电机机组组的需的需要，要，济济南柴油机厂研制了一种新型南柴油机厂研制了一种新型1000kW的柴的柴油机油机A12V190ZL。并以。并以该该机机为为原原动动机，开机，开发发了了柴油柴油发电发电机机组组。l 我国除卡特我国除卡特3500系列柴油机外，系列柴油机外，还还大量使大量使用底特律（用底特律（DDC）公司的）公司的4000系列柴油机。系列柴油机。176.2 石油石油钻钻机液力机液力传动传动装置装置l石油石油钻机机传动装置有机械式的也有其他形式装置有机械式的也有其他形式的，机械式如螺旋、的，机械式如螺旋、齿轮、皮、皮带、链条、万条、万向向轴等。石油机械功率大，工况特殊，有些等。石油机械功率大，工况特殊，有些制定了制定了专用用标准，如套筒准，如套筒滚子子链，石油，石油钻机机用万向用万向联轴器等。但器等。但这些些传动装置与一般机装置与一般机械相同。械相同。l除此外，石油机械除此外，石油机械还常用液力常用液力传动装置如液装置如液力力变矩器，液力偶合器等，本矩器，液力偶合器等，本节主要介主要介绍这些些传动装置。装置。18(1)液力偶合器液力偶合器l液力偶合器的主液力偶合器的主动轴经动轴经离心离心泵泵将能量将能量传给传给工作工作液，工作液又液，工作液又经涡轮经涡轮将将能量能量传给传给从从动轴动轴，即：，即：19l因此，液体通因此，液体通过过它在离心它在离心泵泵和和涡轮涡轮机中的循机中的循环环流流动动，实现实现运运动动的的连续传递连续传递和能量的和能量的连续转换连续转换。l液力偶合器主要由液力偶合器主要由泵轮泵轮，涡轮涡轮、外壳和、外壳和输输入入输输出出轴组轴组成。成。20l 柴油机偶合器柴油机偶合器驱动驱动主要主要优优点是：点是：传动传动柔性，可吸柔性，可吸收震收震动动与冲与冲击击；涡轮轴涡轮轴可随外可随外载变载变化而自化而自动变动变速，速，可防止工作机可防止工作机过载过载，即使外，即使外载载增加增加导导致致涡轮涡轮制制动动，动动力机（主力机（主动轴动轴）仍可以某一）仍可以某一转转速工作而不熄火。速工作而不熄火。l扭矩的扭矩的计计算式算式为为：l 泵轮泵轮扭矩系数，一般由扭矩系数，一般由试验试验求得；求得；l 偶合器中偶合器中传传能工作介能工作介质质密度；密度；lD 偶合器循偶合器循环圆环圆直径；直径；lg 重力加速度；重力加速度；lnB 泵轮转泵轮转速。速。21l偶合器偶合器涡轮转涡轮转速与速与泵轮转泵轮转速的比速的比值值以表示，称以表示，称转转速比，即：速比，即：l偶合器偶合器输输出功率与出功率与输输入功率之比入功率之比值值，称作偶合器，称作偶合器效率，即效率，即l偶合器只能在高偶合器只能在高转转速比（即速比（即 ）工况）工况下工作，否下工作，否则则效率效率过过低，功率低，功率损损失大。液力偶合失大。液力偶合器只能器只能传递传递扭矩，不能扭矩，不能变变矩，因此又称液力矩，因此又称液力联轴联轴器。器。22(2)液力液力变变矩器（矩器（涡轮变涡轮变矩器）矩器）l 变变矩器矩器结结构如构如图图所示。所示。导轮导轮与外壳相与外壳相连连，是不，是不转转动动的，叶片大都的，叶片大都为为空空间间扭曲形状。与偶合器相比，多扭曲形状。与偶合器相比，多了一个固定不了一个固定不动动的的导轮导轮，性能便大不相同。当，性能便大不相同。当泵轮泵轮扭扭矩矩MB一定一定时时，导轮导轮可改可改变涡轮输变涡轮输出扭矩出扭矩MT，使得，使得MT可可以小于、等于或大于以小于、等于或大于MB。23l 变变矩器矩器泵轮泵轮扭矩公式与偶合器相同，扭矩公式与偶合器相同，为为：l 变变矩器矩器涡轮涡轮扭矩公式扭矩公式为为：lT涡轮涡轮扭矩系数；扭矩系数；l变变矩器矩器输输出扭矩与出扭矩与输输入扭矩的比入扭矩的比值值称称变变矩系数：矩系数：l变变矩器矩器输输出功率与出功率与输输入功率的比入功率的比值为变值为变矩器的效率：矩器的效率：24l 液力液力变变矩器依矩器依结结构特点可分构特点可分为为：la、按、按涡轮级涡轮级数分：数分：单级单级，如国，如国产产WB型；多型；多级级，如如罗马罗马尼尼亚亚CHC型（型（3级级）。）。lb、按、按涡轮涡轮内液流流向分：离心式、向心式、内液流流向分：离心式、向心式、轴轴流流式。式。液力液力变变矩器矩器类类型型图图（a）离心式（）离心式（b）向心式（）向心式（c）轴轴流式流式25YB900液力液力变变矩器矩器 l YB900变变矩器是北京石油矩器是北京石油勘探开勘探开发发研究院机械所、研究院机械所、大大连连内燃机内燃机车车研究所和四研究所和四川石油管理局共同研制的川石油管理局共同研制的单级单级充油充油调节调节离心液力离心液力变变矩器，与矩器，与PZ12V190B-1柴柴油机匹配，用以取代油机匹配，用以取代CHC750变变矩器、矩器、MB820Bb柴油机，作柴油机，作为为F320钻钻机机动动力机力机组组及国及国产产深井、超深井机械深井、超深井机械驱动钻驱动钻机如机如 ZJ32J-5和和 ZJ60L的的动动力机力机组组。26l YB900变变矩器技矩器技术术特性特性 输输入功率入功率/kW/kW（马马力）力）610610（830830）补偿压补偿压力力/MPa/MPa0.130.130.250.25输输入入转转速速/（r/minr/min）12001200冷却系冷却系统统最大散最大散热热量量/（kCal/hkCal/h）170000170000最高效率最高效率/%/%88889090输输出制出制动动扭矩扭矩/Nm/Nm2600026000启启动变动变矩系数矩系数/K/K6.46.4工作油温工作油温/7070100100循循环环圈有效直径圈有效直径/mm/mm900900外型尺寸外型尺寸/mm/mm-276.3 柴油机柴油机驱动钻驱动钻机工作特性机工作特性l（1）绞车绞车、转盘转盘、钻钻井井泵负载泵负载特点及特点及对驱动对驱动特性的要求特性的要求l 绞车绞车l按按绞车绞车工作特点，工作特点，对动对动力机力机组组的要求是：的要求是：la、能无、能无级变级变速，以充分利用功率，速度速，以充分利用功率，速度调节调节范范围围510。lb、具有短期、具有短期过载过载能力，以克服启能力，以克服启动动载动动载、振、振动动冲冲击击和和轻轻度卡度卡钻钻。lc、绞车绞车工作工作时时起停交替，要求起停交替，要求动动力力传动传动系系统统有良好的启有良好的启动动性能和灵敏可靠的控制离合装置。性能和灵敏可靠的控制离合装置。l 综综上，上，绞车驱动绞车驱动需要的是具有恒功率需要的是具有恒功率调节调节、能无、能无级变级变速并具有良好启速并具有良好启动动性能的柔性性能的柔性驱动驱动。28l 转盘转盘l钻钻井工井工艺对转盘艺对转盘的工作有以下要求：的工作有以下要求：la、转转速速调节调节范范围围R510。lb、能倒、能倒转转、能微、能微调转调转速以速以处处理事故。理事故。lc、有限制扭矩装置，防止、有限制扭矩装置，防止过载过载扭断扭断钻钻杆。杆。l 转盘转盘配配备备的功率是一定的，具有恒功率的功率是一定的，具有恒功率调节调节、能无能无级变级变速的柔性速的柔性驱动驱动、能充分利用功率，但、能充分利用功率，但钻钻井井工工艺艺有有时时要求恒要求恒转转矩矩调节调节。29l 钻钻井井泵泵l 钻钻井井泵泵一般都在一般都在额额定冲次附近工作，定冲次附近工作，负载负载的的波波动动幅度也不大，因此幅度也不大，因此对驱动对驱动系系统统的要求比的要求比绞绞车车、转盘转盘都都简单简单。主要要求是：速度。主要要求是：速度调节调节范范围围R=1.31.5，以充分利用功率；允，以充分利用功率；允许许短期短期过载过载，以克服可能出以克服可能出现现的蹩的蹩泵泵。30（2）柴油机）柴油机-机械机械传动钻传动钻机工作特性机工作特性l 机械机械传动传动方案方案l统统一一驱动驱动、分、分组驱动组驱动和和单单独独驱动驱动la、单单独独驱动驱动方案方案l 转盘转盘、绞车绞车、钻钻井井泵泵三个工作机三个工作机组组，各由不同的，各由不同的动动力机一力机一对对一或二一或二对对一地一地进进行行驱动驱动，电驱动钻电驱动钻机大都采用机大都采用单单独独驱动驱动方案。方案。l 单单独独驱动驱动，传动传动系系统简单统简单、效率、效率高；工作机高；工作机间间无机械形式的无机械形式的联联系，便系，便于于钻钻机在井机在井场进场进行平面布置。但装机行平面布置。但装机功率利用率低，功率利用率低，动动力机不能互力机不能互济济。31lb、统统一一驱动驱动方案方案l 这这种方案是种方案是转盘转盘、绞车绞车、钻钻井井泵泵三工作机三工作机由由24台台动动力机并力机并车车统统一一驱动驱动。l 统统一一驱动驱动装机功率装机功率利用率高，可并利用率高，可并车调剂车调剂各工作机不同的功率需各工作机不同的功率需要，要，动动力机有故障力机有故障时动时动力可互力可互济济。但。但驱动驱动系系统统复复杂杂，传动传动效率低，安效率低，安装找正困装找正困难难。32l c、分、分组驱动组驱动方案方案l 典型的分典型的分组驱动组驱动，将三个工作机分成两，将三个工作机分成两组组，绞绞车车、转盘为转盘为一一组组，钻钻井井泵为泵为另一另一组组，由，由动动力机（柴力机（柴油机或油机或电动电动机）分机）分别驱动别驱动，也称，也称为为二分二分组驱动组驱动。l 分分组驱动组驱动的目的主要是：的目的主要是：l i、兼有、兼有统统一一驱动驱动利用率高和利用率高和单单独独驱动传动简单驱动传动简单、安装方便的安装方便的优优点；点；l ii、现现代深井、超深井代深井、超深井钻钻机采用机采用79m高高钻钻台，台，分分组驱动组驱动可可实现转盘实现转盘、辅辅助助绞车绞车（猫（猫头轴头轴）在高）在高钻钻台上，而主台上，而主绞车绞车不上高不上高钻钻台的方案；台的方案；33l iii、满满足足丛丛式井式井钻钻机机对对工作机平面布置的要求：工作机平面布置的要求：转盘转盘、绞车绞车在在钻钻台上并台上并可随可随钻钻台一起作台一起作纵纵横方横方向的移向的移动动，而，而钻钻井井泵组泵组不必移不必移动动。因此。因此转盘转盘、绞车绞车同同钻钻井井泵组泵组不能有不能有任何机械任何机械传动传动方面的方面的联联系，必系，必须进须进行两分行两分组驱组驱动动。34 机械机械传动钻传动钻机的特点机的特点l 钻钻机机械机机械驱动驱动方案一般采用方案一般采用统统一一驱动驱动或分或分组驱组驱动动。这这需要将几台柴油机的需要将几台柴油机的动动力合在一起，力合在一起，这这就是并就是并车车，机械，机械驱动驱动的的钻钻机采用皮机采用皮带带并并车车，早期使用，早期使用E型三型三角胶角胶带带，现现在广泛使用的是窄在广泛使用的是窄V三角胶三角胶带带。l 机械机械驱动钻驱动钻机的机的传动传动方案依据方案依据钻钻机的用途、机的用途、钻钻井井深度、所采用的深度、所采用的驱动类驱动类型及主型及主传动传动元件的不同而异。元件的不同而异。但是，任何一种但是，任何一种钻钻机其机其传动传动系系统统的基本的基本组组成和所承担成和所承担的任的任务务却具有共性，都主要是由并却具有共性，都主要是由并车车、倒、倒车车、减速增、减速增矩、矩、变变速速变变矩及矩及转换转换方向等几部分所构成，将一台或方向等几部分所构成，将一台或几台几台驱动驱动机机组组的的动动力及运力及运动单动单独地或独地或统统一地一地传递给传递给各各工作机，以工作机，以满满足足钻钻井工作的需要。井工作的需要。35l a、并、并车车l 现现代机械代机械驱动钻驱动钻机都采用两台以上机都采用两台以上驱动驱动机机组组，因此存在并，因此存在并车问题车问题。广泛采。广泛采用的并用的并车车方式是：柴油机直接方式是：柴油机直接驱动驱动，胶，胶带带并并车传动车传动，如，如ZJ32J-2，ZJ45J；柴；柴油机一液力油机一液力驱动驱动，链链条并条并车传动车传动，如，如 F-320，ZJ45，ZJ60L。36lb、倒、倒车车l 转盘转盘需要倒需要倒车车，绞车绞车一般不需要倒一般不需要倒车车。倒。倒车车方案，方案，花花样样繁多，但究其繁多，但究其实质实质，不外以下几种：，不外以下几种：l i、齿齿正正车车、链链倒倒车车（齿轮传动齿轮传动正正车车、链传动链传动倒倒车车）大大庆庆130钻钻机就是机就是齿齿正正车车、链链倒倒车车，但，但1号机号机组组本身不能倒本身不能倒车车。有的。有的钻钻机，机，齿齿正正车传动车传动副和副和链链倒倒车车传动传动副安置在同一副安置在同一传动传动箱的两根平行箱的两根平行轴轴上。上。l ii、双双锥齿轮锥齿轮正倒正倒车车 这这种方案适用于种方案适用于转盘单转盘单独独倒倒车车，需一个，需一个单单独的正倒独的正倒车车箱，箱，齿轮钻齿轮钻机常采用机常采用该该方案。如方案。如ZJ130-3钻钻机。机。37l iii、锥齿轮锥齿轮倒倒车车，短，短万向万向轴轴水平水平传动转盘传动转盘，可使可使钻钻台面台面宽宽敞；缺点敞；缺点是增加了一付角是增加了一付角传动传动。l iiii、链链正正车车、齿齿倒倒车链车链条条钻钻机必机必须须采用采用齿齿传动传动倒倒车车，如，如ZJ45钻钻机机等，倒等，倒车齿轮车齿轮副即置于副即置于链链条条变变速箱中，可不必速箱中，可不必另另设设倒倒车车箱。箱。38l c、减速与、减速与变变速速l 钻钻机机动动力机力机转转速高，而工作机速高，而工作机转转速低，从速低，从动动力机到工作机一般要力机到工作机一般要经过经过35次减速。另外，次减速。另外，绞车绞车和和转盘转盘要求要求调调速范速范围为围为510。为为充分利充分利用功率，一般用功率，一般应设应设46个机械个机械挡挡，柴油机一，柴油机一变变矩器矩器驱动时驱动时，也，也应设应设34个机械个机械挡挡。l 动动力机至力机至钻钻井井泵泵无需无需变变速，除速，除泵泵本身已有本身已有一次减速外，在一次减速外，在传动传动系系统统中再中再设设12次减速即次减速即可。可。39 机械机械驱动钻驱动钻机的起升特性机的起升特性l对对于机械于机械驱动驱动的的钻钻机，机，不能无不能无级调级调速，只能速，只能由机械档由机械档变换变换速度，速度，考考虑虑到到传动传动的复的复杂杂程程度和操作要求，起升度和操作要求，起升绞车绞车一般一般设设6个档，个档，前两个档用于前两个档用于处处理事理事故，后故，后4个档用于正个档用于正常常钻钻井。井。40（3）柴油机）柴油机液力液力驱动钻驱动钻机工作特性机工作特性l 柴油机和柴油机和变变矩器的矩器的联联合工作特性合工作特性41l 柴油机柴油机液力液力驱动钻驱动钻机的工作特点机的工作特点l柴油机柴油机-变变矩器矩器驱动驱动具有的下述具有的下述优优越性：越性：l a、随外、随外载变载变化能自化能自动动无无级级地地变变速速变变矩，矩，驱驱动绞车时动绞车时，可明，可明显显提高提高钻钻机起升工效。机起升工效。l b、使柴油机始、使柴油机始终维终维持在持在经济经济合理的工况运合理的工况运行，即使外行，即使外载载增大，增大，导导致致涡轮轴处涡轮轴处于制于制动动状状态时态时，柴油机也不会被蹩柴油机也不会被蹩灭灭火。火。l c、K值值大，使机大，使机组组适适应应外外载变载变化能力大大化能力大大增增强强，例如在高效区范，例如在高效区范围围内内K2，（柴油机本身，（柴油机本身K1.5）；在重）；在重载时载时，K值值可高达可高达3.54.0，解，解除事故、除事故、负载负载启启动动能力能力强强，操作平，操作平稳稳。42ld、调调速范速范围围展展宽宽，在高效工作区内，在重，在高效工作区内，在重载载、轻载轻载都可以工作，只不都可以工作，只不过过效率效率较较低些。低些。为为了提高效率，了提高效率，设设34个机械个机械变变速速挡挡即可，即可，这这就就简简化了化了传动传动，又方，又方便了操作，档便了操作，档间还间还是无是无级调级调速，可充分利用速，可充分利用设备设备功功率。率。le、传动传动平平稳稳柔和，吸收冲柔和，吸收冲击击振振动动，延，延长长机械机械设备设备寿寿命。命。lf、减少并、减少并车损车损失，柴油机失，柴油机-变变矩器并矩器并车车比柴油机用比柴油机用胶胶带带直接并直接并车车要减少功率要减少功率损损失失约约3，这这是很可是很可观观的。的。l 液力液力变变矩器主要不足之矩器主要不足之处处是效率偏低，最高效是效率偏低，最高效率一般率一般为为8590，且效率随，且效率随涡轮轴转涡轮轴转速在很大速在很大范范围围内内变变化；化；纯钻进驱动泵时纯钻进驱动泵时工效明工效明显显低于机械低于机械传传动动。此外，。此外，结结构比构比较较复复杂杂，还还需要一套需要一套补偿补偿和散和散热热冷却系冷却系统统。43l 柴油机一柴油机一变变矩器矩器驱动钻驱动钻机的提升曲机的提升曲线线l 根据柴油机根据柴油机-变变矩器矩器联联合工作的外特性及合工作的外特性及钻钻机所配机所配备备的机械的机械变变速速挡挡数，便可数，便可绘绘出出钻钻机提升机提升载载荷与提升速度之荷与提升速度之间间的的关系曲关系曲线线，称提升特性，称提升特性曲曲线线或或钻钻机机牵牵引特性曲引特性曲线线。一般。一般钻钻机机说说明明书书 446.4 电驱动钻电驱动钻机工作特性机工作特性l（1）电驱动设备电驱动设备的一般工作原理的一般工作原理l 电驱动设备电驱动设备有直流有直流电动电动机和交流机和交流电动电动机两大机两大类类，其控制方式也有很大的差其控制方式也有很大的差别别。直流直流电动电动机有着很好机有着很好的速度控制特性，在石油机械的速度控制特性，在石油机械领领域中有着广泛的域中有着广泛的应应用，一般采用用，一般采用SCR控制。交流控制。交流电动电动机机则则因因为为不易不易调调速，其速，其应应用受到一定的限制，用受到一定的限制，如今交流如今交流变频变频技技术术的的出出现现，使交流，使交流电动电动机得到了快速的机得到了快速的发发展。展。45 直流直流电动电动机机la、直流、直流电动电动机的固有工作特性机的固有工作特性l 由由电电工学知，直流工学知，直流电电机的机的转转速与速与电电机扭机扭矩的表达示矩的表达示为为：l式中：式中：U为电为电源源电压电压，Re为电为电枢枢电电阻，阻，为电为电机磁通，机磁通，Ce、CM为为常数。常数。46l并激并激l串激串激l复激复激47b、直流、直流电动电动机的机的调调速特性速特性li、电电枢串枢串电电阻阻调调速速 在在电电枢枢电电路中串入路中串入电电阻阻 lii、降降压调压调速速 liii、弱磁、弱磁调调速速 l实际实际上，常用上，常用综综合的方法，在低速段合的方法，在低速段4，采用降，采用降压调压调速，速，为为恒扭矩恒扭矩调调速，在高速段速，在高速段5，采用弱磁，采用弱磁调调速，速，为为恒功率恒功率调调速。速。48 交流交流电动电动机机la、交流、交流电动电动机固有机固有机械特性机械特性l同步同步电动电动机具有特机具有特硬特性，异步硬特性，异步电动电动机也具有硬特性。机也具有硬特性。49b、交流、交流电动电动机机变频调变频调速的机械特性速的机械特性l应应用用AC变频变频技技术术，通，通过过变频变频器向交流器向交流电动电动机提机提供供频频率可率可调调的交流的交流电电源，源，改改变电变电源源频频率，可得到率，可得到人人为为特性特性-变频调变频调速机械速机械特性，精确控制特性，精确控制调节调节交交流流电动电动机的机的转转速，速，满满足足钻钻井装井装备备工作机工作机对调对调速速性能的要求。性能的要求。50（2）直流）直流电驱动钻电驱动钻机机l采用直流采用直流发电发电机机-电动电动机机组组或可控硅整流或可控硅整流电电源供源供电电的直流的直流电动电动机可机可联联合合应应用用降降压压法与弱磁法，以法与弱磁法，以扩扩大大调调速范速范围围。l调节发电调节发电机励磁可降低机励磁可降低电动电动机机电电枢供枢供电电压电电压，使，使转转速自速自额额定定转转速往下降；减弱速往下降；减弱电动电动机励磁，可使机励磁，可使转转速自速自额额定定转转速往速往上升。上升。51l全波可控硅整流全波可控硅整流电电源向源向电电枢枢绕组绕组供供电电，可，可实实现现降降压调压调速。不可控硅整流速。不可控硅整流电电源向励磁源向励磁绕组绕组供供电电，可，可实现实现弱磁弱磁调调速。速。52l 与机械与机械驱动驱动（MD）相比）相比较较，可控硅整流，可控硅整流驱动驱动（SCR）具有如下）具有如下优优越性：越性：l i、直流、直流电动电动机具有人机具有人为软为软特性。特性。调调速范速范围宽围宽，R一般一般为为2.55。超。超载载能力能力强强，超，超载载系数系数K一般一般为为1.62.5。因具有无。因具有无级调级调速的速的钻钻井特性，可提高井特性，可提高钻钻井效率。井效率。l ii、极大地、极大地简简化了机械化了机械传动传动系系统统，提高了，提高了传动传动效率，如从效率，如从动动力机力机轴轴到到绞车输绞车输入入轴轴的的传动传动效率可达效率可达86，比，比MD驱动约驱动约高高11。l iiii、柴油机交流、柴油机交流发电发电机机组组中的柴油机始中的柴油机始终处终处于最佳运于最佳运转转工况工况（额额定定转转速、速、载载荷自荷自动动均衡分配），比均衡分配），比MD可可节节省燃料省燃料1820；大修周期延；大修周期延长长80，柴油机使用寿命延，柴油机使用寿命延长长。l v、并、并联驱动联驱动，动动力可互力可互济济，动动力分配更灵活合理。力分配更灵活合理。l vi、SCR驱动驱动便于便于钻钻机的平面和立体布置，且机的平面和立体布置，且维护费维护费用用仅为仅为MD驱动驱动的的30；自；自动动化程度化程度较较高，使用更安全可靠。高，使用更安全可靠。53（3）交流）交流变频钻变频钻机机l AC-AC是是钻钻机最早采用的机最早采用的驱动驱动方式。由于交流方式。由于交流电动电动机具有机具有硬特性，不能硬特性，不能满满足足钻钻机工作机机工作机对调对调速的要求，随着速的要求，随着DC-DC和和SCR驱动驱动型式的型式的发发展，使展，使AC-AC驱动驱动型式失去了型式失去了竞竞争力。争力。l 随着随着电电力力电电子技子技术术的的发发展，交流展，交流变频调变频调速已速已发发展成展成为为一一门门成成熟的交流熟的交流变频变频技技术术，已使交流，已使交流电动电动机的机的调调速控制性能达到了直速控制性能达到了直流流电动电动机机调调速控制性能的水平。速控制性能的水平。此外，和直流此外，和直流电动电动机相比，交机相比，交流流电动电动机没有整流子、碳刷等活机没有整流子、碳刷等活动动部件，防爆要求低，无部件，防爆要求低，无须维须维护护，安全可靠；，安全可靠；单单机容量大，体机容量大，体积积小、小、质质量量轻轻，价格便宜等明，价格便宜等明显优显优点。点。因此，随着交流因此，随着交流变频调变频调速技速技术术的的发发展，先展，先进进、成熟的、成熟的交流交流变频变频器系列器系列产产品的品的问问世和世和应应用，使用，使AC变频驱动钻变频驱动钻机和机和顶驱顶驱钻钻井系井系统统，比，比SCR直流直流电驱动电驱动型式具有明型式具有明显优势显优势，必将成，必将成为电为电驱动钻驱动钻机的机的发发展方向。展方向。54 交流交流变频电驱动变频电驱动基本工作原理基本工作原理l 交流交流电动电动机机转转速关系式速关系式为为 ，改，改变变p、s或或f都可以改都可以改变转变转速，但最好速，但最好调调速方法是改速方法是改变变输输入的入的电电源源频频率率f。为为此，此，需要一个需要一个输输出出频频率及率及电压电压均可均可调调，并具有良好控制性能的，并具有良好控制性能的变频电变频电源。源。l 交流交流变频电驱动变频电驱动系系统统由交流由交流电电源、交流源、交流变频变频器和器和交流交流电动电动机机组组成。成。l 对对于石油于石油钻钻机，交流机，交流电电源主要是柴油机交流源主要是柴油机交流发发电电机机发发出的交流出的交流电电（380V600V）。）。55 交流交流变频电驱动变频电驱动的特点的特点l a、能精确控制、能精确控制电动电动机机转转速和速和转转矩，使矩，使钻钻机的机的绞车绞车、转盘实转盘实现现无无级变级变速；可速；可实现实现恒功率恒功率调调速，速，调调速范速范围宽围宽，大大，大大简简化了机化了机械械变变速机构。低速性能好，能以极低速度恒扭矩速机构。低速性能好，能以极低速度恒扭矩输输出，出，对处对处理理钻钻井事故、井事故、侧钻侧钻修井、小泥修井、小泥浆浆流量作流量作业业及及优选优选参数参数钻钻井极井极为为有有利。当利。当电动电动机机转转速速为为零、零、处处于制于制动动状状态时态时，可保持最大扭矩、，可保持最大扭矩、静静悬钩载悬钩载。l b、具有、具有转转矩矩转转速限定功能，可防止扭断速限定功能，可防止扭断钻钻杆柱、杆柱、损损坏坏传动传动机件。机件。变频变频器器对电动对电动机有机有过载过载、过热过热、过电过电流保流保护护性能。性能。l c、电动电动机短机短时时超超载载能力能力强强（1.52倍），可倍），可带载带载平平稳稳启启动动。下下钻时钻时可可实现对电实现对电网能量反网能量反馈馈，减少制，减少制动动装置的能量装置的能量损损耗，耗，节节约约能源。能源。l d、交流、交流电动电动机效率高达机效率高达96（直流（直流电动电动机机为为91），没有），没有碳刷碳刷换换向器，不向器，不须须制成防爆型，不制成防爆型，不须须管道管道强强制冷却，制冷却，维护费维护费用用低，易于操作管理，可靠性高，安全性好。低，易于操作管理，可靠性高，安全性好。l e、容易、容易实现实现自自动动化控制，提高化控制，提高钻钻井自井自动动化水平。化水平。56 交流交流变频驱动绞车变频驱动绞车的特性的特性lJC30DB型交流型交流变频电驱变频电驱动绞车动绞车起升特性曲起升特性曲线线l在在频频率率021Hz范范围围内，内，绞车绞车是恒是恒转转矩矩输输出，起升出，起升大大钩钩速度在速度在00.319m/s范范围围，起升大，起升大钩载钩载荷基本荷基本为为恒定恒定值值，最大，最大钩载为钩载为1934kN，绞车绞车可以利用可以利用这这段特性起升最大段特性起升最大载载荷；在荷；在频频率率2145Hz范范围围内，内，绞绞车车是恒功率是恒功率输输出。出。576.5 传动传动系系统统及其部件及其部件设计设计l原原则则：l最大限度地最大限度地满满足足钻钻井工井工艺艺要求要求l满满足工作机足工作机组组所要求的所要求的转转矩和矩和转转速范速范围围l尽可能充分利用功率，提高生尽可能充分利用功率，提高生产产率率l结结构构简单简单可靠可靠l整套整套设备设备安装拆卸及移运方便安装拆卸及移运方便l总传动总传动效率尽可能高效率尽可能高l能保能保证证操作与生操作与生产产的安全。的安全。58（1）发动发动机的并机的并车车l 链链并并车车l液力液力传动传动变变矩器，偶合器矩器，偶合器59l 胶胶带带并并车车l大大庆庆-130 E-14lZJ45J E-16lZJ32J-2 4*4ZV25JGB-T 13575.2-1992 带传动带传动窄窄V带传动带传动60l 齿轮齿轮万向万向轴轴并并车车l液力液力传动传动l小型小型钻钻机机61l 电动电动机的并机的并车车62（2）中）中间传动间传动与与变变速速l 绞车绞车的的传动传动与与绞车转盘变绞车转盘变速速6364 转盘转盘的的传动传动和和单单独独变变速速l转盘传动转盘传动l转盘变转盘变速速l电电机机单单独独驱动驱动65 钻钻井井泵泵的的传动传动与与变变速速l钻钻井井泵泵的的传动传动l链链、带带、万向、万向轴轴l钻钻井井泵泵的的变变速速l一般不一般不变变速速l更更换换缸套改缸套改变变流量流量666.6 传动传动系系统统的的变变速速设计设计l（1）设计设计参数参数l绞车绞车l4-6档档lVmin=0.4-0.5m/slVmax=1.5-2m/sl转盘转盘l3-6档档lnmin=20-30r/minlnmax=300r/min