第三章 起升系统工作原理

2)恒功率起升时大钩起升功率利用率φ最高，要提高 φ，应合理设计起升档数和各档起升速度，尽可能 接近恒功率起升。 3)要提高发动机起升功率利用率，除提高大钩起升功 率利用率φ外，应设计传动路线，提高钻机的传动 效率。 4)驱动设备的特性为软特性者，ψ值较高； 5)司钻在操作时及时换档可以提高ψ值。
⑴静止段0A （t0=1~3秒）

⑵启动段AB （t1=1~3秒）

⑶同步加速段BC B点（同步点）： ω1=ω2 ， ω滑=ω1-ω2=0 BC段，主、从动部分 同步加速到某档转速 ωC。 在K点滚筒轴上产生最 大惯性力矩M惯，滚筒 轴出现最大扭矩 Mmax=M静+M惯

讨论：
⑴启动过程，必然有打滑，打滑是固有的，不可消除。 ⑵OABC全加速段所用时间长短，取决于：①档速ωC； ②动力机转速ω1（ω1小易挂合）；③驱动特性（柔 特性，易挂合，t小；硬特性，不易挂合，t大）④被 加速、减速的转动惯量J1、J2大小。 ⑶ Mf的变化取决于离合器特性系数k1=M极/t极=tgα， 如图3-7所示。若M极>>Mmax，挂合快，时间短，冲击 大，动载大。因此M极要适中。 ⑷ Mmax是选择离合器和核算滚筒轴强度的依据。
第三章 起 升 系 统 工 作 原 理
第一节 起下钻操作和游动 系统的工作
一、起下钻操作和时间 二、游动系统的钢丝绳与滑轮的运动分析
1.绳速 如图3-l所示，钢丝绳速度由快绳侧至死绳侧依次为
V V 1 6V ZV V 2 V 3 4V V 4 V 5 2V V 6 V Z V 0 0
⑸起升系统动力机扭矩：
M发起=M静+M惯1+M惯2 =KMM静
2.匀速段CD

（3-15）
当主动部分与从动部分同步加速到C点后，
ω2=ωC=C(常数)，从动部分Mf-M2 =0，则Mf=M2。
3.减速段DE

当钻柱提升至接近一个立根高度，摘开离合器A， 刹死钻柱。
第三节 起升时间 与功率利用率
( 3 1)
5
6
7

从各绳速度可以看出，快绳侧钢丝绳的速度比死 绳侧快数倍，快绳侧钢丝绳由于弯曲次数死绳侧 多出数倍，前边的钢丝绳会提前疲劳破坏。所以 现场要倒换使用钢丝绳，即：钢丝绳使用一定时 间后，要从死绳端储绳卷筒中放出新绳，从滚筒 上斩掉一段钢丝绳重新固定缠好。
2.轮速
①天车轮
天车滑轮的切向速度和转速依次为

若一次从最大井深起钻，各档速分配原则是：除最 高档外，按各档自起立根数Si相等的原则分配档速， 这样机动起升时间最省，速度分配最为合理。各档 速可按下式计算：
t起
1 l 2
1 S 1 ( S 1 S 2 S k ) k V Vk Vk 1
( 3 35 )
三、起升功率利用率

起升功率利用率是指在钻机大钩处实际使用的功率 与可以发出的功率(装机功率)的比值。表明起升系 统所配备的功率发挥的能力。 设N 钩 为大钩可以发出的功率(装机功率)，即图314中Q1至Q4双曲线下的面积；N钩′为大钩实际起升 功率，即图3-14中Q1至Q4折线下的面积；则大钩起 升功率利用率定义为：
第四节 钻井曲线和起升速度
一、钻井曲线

钻井曲线是起钻次数与立根之间的关系曲线。
从钻井曲线可以了解各次起钻井深和钻头在各段 井深的进尺数，以及各种深度岩石的可钻性，计 算一口井中各档起钻立根总数、一口井机动起升 时间T起、起升载荷和循环数的变化关系；对于柴 油机直接驱动的钻机还可用来合理分配档速。
一、绞车各档起重量Qi和各档自起立根数Si

钻机起升系统在一定的起升速度下，起升载荷受绞 车功率的限制。设钻机以第i档起升时，起升速度 为Vi，则可以起升的最大载荷为：
Qi N 绞 Vi N 绞 游 绞 Vi ， kN ( 3 27 )

由图3-11可知 Qi=Yiq杆l+G0 (3-28) 第i档可起升的立根数Yi为

λ可根据图3-12用面积等效的方法求出。
1
t1 t 3 t1 2 t 2 t 3 ( 3 33 )

一般计算时可取λ=1.2。
(二)柴油机直接驱动的钻机一 次起钻总机动时间

用第i档起升Si个立根的机动 起升时间为：
t起i lS Vi
i

若钻机一共有k个起升档，k档一次起钻总的起升 机动时间为：
情况与起升时相反
P<P1<P2……<PZ-1<PZ
Q 游 P1 P2 PZ P (
Q游 P 1
Z Z
1


1

2

1

Z
)
(1 )

因为
P
Q游 Z
游
所以下钻时的游动系统效率为
游 Z （1 )
Z
1

从(3-40)式可见，起升功率利用率φ越高t起越小。 提高φ的目的就是加速起钻。 由图3-14可知，起升档数K越多，φ越高。起升档 数K与φmax的关系为
max
K K 1 ( 3 42 )


起升档数K越多，φmax越高。但K>8时，φmax的增 长越来越不显著。因此，钻机起升档数都不超过8 档。

三、起升速度图和扭矩图

图3-3给出了根据实测的起升速度和载荷示波图和 经过整型后的滚筒轴扭矩和角速度示意图。
从图中可以看出： 挂合滚筒离合器时，主动部分（ω1）被拖慢； 最大钩载（扭矩Mmax）产生在柴油机加速时；

有变矩器时，启动快，且滚筒轴扭矩Mmax也较大。
起升时滚筒轴角速度变化三个阶段：启动加速段 OABC、匀速起升段CD和减速刹车段DE。
N 绞 游 绞 q 杆 lV i G0 q杆 l ( 3 29 )

Yi

各档自起立根数Si为
N 绞 游 绞 1 1 q 杆 lV i V i V i 1
S i Y i Y i 1 ( 3 30 )
二、机动起升时间
(一)机动起升时间与速度系数
四、发动机起升功率利用率

大钩起升功率利用率没有考虑起升时发动机装机功 率没有充分利用的部分，也未包括从发动机将动力 传递到绞车过程中功率损失的部分，要考虑起升时 功率利用的情况，应采用发动机起升功率利用率ψ。

K
发钩 N
（ 3 43 ）

通过以上讨论可以得出以下结论：
1)机动起升时间T 起 与大钩起升功率利用率φ成反比， φ越大，T起越小，钻机起升性能越好。
t起 S1 Sk Si S2 k l l V i 1 V2 Vk Vi 1 ( 3 34 )
t起由图3-13(a)中阴影面积表示。
(三)柴油机液力变矩驱动或电驱动钻机的总机动起升 时间

由图3-13(b)可知，t起由恒功率起升时间t起1和恒速 起升时间t起2组成

N钩 N钩


起升功率利用率也可以用功率利用率为100%时，起 升钻柱所用的最少时间t起min与总机动起升时间t起 的比值计算

T 起 min T起 （ 3 40 ）

起升功率利用率φ是大钩提升速度与载荷不适应而 发生的功率利用不充分的情况。它是平均功率与全 功率的比值，也是有级变速作的功与无级变速作的 功的比值，还是无级变速作的提升时间与有级变速 作的提升时间的比值。
P P1


P2

2

PZ

Z

因为 所以 因此
Q游=P1+P2+……+PZ Q游=P（η+η2+……+ηZ）
Q游 P
(1 )
Z
1

又因为
P
Q游 Z 游

所以起升时的游动系统效率为
游 （1 )
Z
Z (1 )
(3 4 )
3.下钻时
Z
(3 5 )
4.结论 ①游动系统的效率主要取决于游动系统的有效绳数Z， Z越多则效率越低。 ②游动系统的效率与单轮效率η有关，η降低，则 η游降低，而η的大小则取决于滑轮轴承类型和 钢丝绳特性。 ③起升时，P快最大。
④下钻时， P死最大。
⑤起下钻过程中，P快>P死。 ⑥
Z 1
游 游

理论钻井曲线是根据实 际钻井统计资料拟合而 来的（如图3-16）。拟 合曲线可用方程x=AyB 表示。 不同油区具有不同的系 数A与B，选用的曲线拟 合方法不同也可得到不 同的A与B值。

二、起升速度的合理分配

对于柴油机直接驱动的钻机，由于V1、Vk、K为原 始条件，合理分配各中间档速的目的是使机动起升 时间最少。
（ 3 2）
百度文库
②游车轮 如图3-l所示，游车滑轮的切向速度和转 速依次为
V 5 6V V 5V , n 5 V 6 4V V 3V , n 6 V 7 2V V V , n 7 60 5V D 轮 60 3V D 轮 60 V D 轮

分析研究起升系统运动学和动力学的目的在于认清 起升过程中，由于速度的变化而引起的载荷变化的 规律，判明最大载荷，以作为使用设计的依据，核 算摩擦离合器的能量守衡和摩擦功。 包括动力、传动部分，以绞车滚筒离合器为界分为 主动和从动两部分（如下图）
一、起升系统

主动部分：动力机→离合器主动件，ω1 从动部分：离合器从动件→钻柱，ω2 二、起升过程 1.准备： 空载启动柴油机让其低速转动； 依次挂合并车、总离合器，使全部主动件转动。 2.挂合滚筒离合器，启动从动部分。（到离合器完 全挂合） 3.加速柴油机，使滚筒达到某一工作档稳定转速。 4.匀速起升，接近一个立根行程。 5.摘开滚筒离合器，刹车。
1.启动加速段

柴油机直接驱动的滚筒轴的扭矩图和速度图的启 动加速段简化成图3-8所示的曲线。 由于主动部分以角速度ω1旋转，而从动部分仍处 于静止状态，因此在0A段离合器与摩擦轮处于全 打滑状态。最大打滑速度ω滑max=ω1-ω2=ω1。 Mf>M静，ω2逐渐增大，ω1被拖慢，ω滑=ω1-ω2， 系统处于半打滑状态。
2
（ 3 6）
四、游动系统选择原则
1.起重能力：钢丝绳尺寸和强度一定时，Z越大， 起重能力越强。
2.起下钻速度：当滚筒转速一定时，Z越少，大钩 速度越快。 3.起升效率： Z越少，游动系统效率越高。 4.重量指标： Z越少，游动系统重量越轻，结构 越简单，但P快越大，绞车重量、结构越大。
第二节 起升系统运动学 和动力学
（ 3 2 ）

由上述分析可见，在起下钻过程中，快绳端滑轮 的转速比死绳端滑轮的转速高得多。因此在选择 天车和游车滑轮的轴承时应以快绳端滑轮的转速 为依据。同时，为了使各滑轮寿命均衡，在检修 时应注意倒换滑轮的位置。 如图3-l所示，设Q游、η游为起升时游动系统的起 重量和效率，Q游′、η游′为下钻时游动系统的 起重量和效率，P、P′为快绳和死绳拉力， P1、 P2、……PZ为游绳的拉力。

机动起升时间是指用绞车卷扬起升钻柱所用的时间。 用第i档起升速度 Vi 起升一个立根所用的机动起升时 间可表示为： l
t起 V i平

由于在起升一个立根的过程中，起升速度是由加速段、 平稳起升段和减速段组成，在实际起升时，一般只知 道平稳起升速度Vi，引入速度系数λ =Vi/Vi平，则
t起 l Vi ( 3 32 )
60 ZV D 轮 60 4 V V 2 V 3 4V , n 2 D 轮 60 2 V V 5 2V , n 3 V3 D 轮 V 4 0 , n4 0 V 1 V 1 ZV , n 1
三、游动系统钢丝绳拉力和效率

1.大钩静止悬重时
此时各游绳拉力相等，即
Q游 Z
P=P1=P2……=PZ
P （ 3 3）
2.大钩起升时 由于滑轮轴承的摩擦阻力和钢绳弯曲 阻力的影响，将使各绳拉力发生变化。此时各游绳 拉力不等，即 P>P1>P2……>PZ-1>PZ

设单个滑轮的效率为η，则有