第五章 钻机绞车(20090920)

石 油 钻 采 机 械 主讲：马卫国
第四章：石油钻机绞车——功能与基本结构构成
基本结构构成： 1、滚筒、滚筒轴总成； 2、制动机构：主刹车和辅助刹车； 3、猫头和猫头轴总成； 3、传动系统：传递动力、内变速（多挡位）； 4、控制系统：离合器、摘挂挡、司钻控制台； 5、其它：润滑系统、壳体支撑系统。
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第四章：石油钻机绞车——绞车传动与变速设计
2、输入动力的速度特性 绞车输入动力的速度特性取决于钻
机的动力传动，不同的动力传动有不同 的调速特性。如下表
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第四章：石油钻机绞车——绞车传动与变速设计
传动类型
柴油机 柴油机－变矩器 SCR直流电机 VFB交流变频电机
影响绞车传动的主要因素： 1、大钩的提升速度特性； 2、输入动力的速度特性； 3、传动件的允许特性； 4、绞车结构的复杂性。
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第四章：石油钻机绞车——绞车传动与变速设计
1、大钩的提升速度特性 大钩的载荷变化范围大
Qds ≥ 10 Qk
理论上：当绞车为无级变速时，起升功
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第四章：石油钻机绞车——总体结构形式与分析
5、转盘独立驱动钻机。绞车不输出动力以驱 动转盘。 6、车载或拖挂钻机，绞车经液力变速箱（阿 里森变速箱）传动驱动滚筒轴。
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第四章：石油钻机绞车——总体结构形式与分析
绞车功能与绞车结构型式 1、带捞砂滚筒和不带捞砂滚筒，即通常说 的单滚筒绞车和双滚筒绞车。 2、无猫头轴绞车。钻机钻台上单独配置液 压猫头（新型钻机）。
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第四章：石油钻机绞车——总体结构形式与分析
绞车传动与绞车结构型式： 这是绞车设计中变化最多的结构 1、单轴绞车。绞车只有滚筒轴，结构简单。 典型实例：车装钻机绞车外变速（阿里森变速 箱）；交流变频传动调速电机驱动绞车。
2、绞车功率（绞车输入功率）
N 绞＝ηQ绞1ηV游1
KW
V1 — 大钩最低起钻速度 , m / s；
Q1 — 最低起钻速度时游动系 统起重量， KN；
η绞 — 绞车输入轴至滚筒快绳 的传动效率；
η游 — 游动系统效率；
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第四章：石油钻机绞车——绞车参数设计
对于η游 API标准有推荐： 当游车绳系 6 8 10 12 游车效率η游 0.876 0.841 0.810 0.770
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第四章：石油钻机绞车——总体结构形式与分析
4、多轴绞车：将四轴以上的绞车都称之为多轴 绞车。即动力输入轴、中间轴（多根）、猫头轴、 滚筒轴。 5、独立猫头轴－多轴绞车：绞车主体（输入轴、 中间轴、滚筒轴等）低位安装，位于后台底座， 小功率的猫头轴高位安装，位于钻台上（F320)。
缠绳总层数（e）取决于提升立根的总长 度和有效绳数Z的多少。
Zl = πDmn(e −1)
Dm = D0 + (eϕ +1)d
e2
+
D0
+ (1−ϕ)d
e−
D0
+d
Zl
πn
=
0
ϕd
ϕd
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l − 立根长度； n − 每层排数，n = L筒 ;
d +δ δ − 排绳间隙，取为1−1.5mm
各层平均直径：
滚筒原始直径： D。
第一层缠绳直径： D1＝D0＋d
第二层缠绳直径： D2＝D0＋d＋2ϕd
第i层缠绳直径：D3＝D0＋d＋2(i −1)ϕd
第末层缠绳直径： De＝D0＋d＋2(e −1)ϕd
平均缠绳直径： Dm
D2＋De 2
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第四章：石油钻机绞车——绞车参数设计
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第四章：石油钻机绞车——总体结构形式与分析
4、液压盘式刹车制动绞车。 5、水刹车辅助刹车绞车。 6、电磁涡流刹车辅助刹车制动绞车。 7、水冷气动盘式刹车辅助刹车制动绞车。 8、能耗制动无辅助刹车绞车（交流变频驱动）。
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第四章：石油钻机绞车 第三节：绞车传动与变速设计
滚筒缠绳直径： 1）无开槽滚筒： 为利于排绳，最底 层钢丝绳一般不用。 如图所示， h=0.866d
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第四章：石油钻机绞车——绞车参数设计
ϕ ——排绳系数
ϕ = 3 × 0.866 + 1 ×1 = 0.9
4
4
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第四章：石油钻机绞车——绞车参数设计
档数设计： 一般设计方案时，希 望用最少的轴数，最 少的传动付数，最少 的离合器来实现。如 下图。
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第四章：石油钻机绞车——绞车传动与变速设计
六速绞车传动 的两种方案。 显然图（a） 优于图（b) 图（a）为乘 法方案
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第四章：石油钻机绞车——绞车传动与变速设计
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第四章：石油钻机绞车——总体结构形式与分析
2、双轴绞车：类似于单轴绞车，绞车内无 变速功能，只是比单轴绞车多了猫头轴。 3、三轴绞车：绞车中增加了一根动力输入 的传动轴，绞车内变速。其结构较单、双轴 复杂。我国早期的绞车都是这种形式。
四速方案， 为加法方案。
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第四章：石油钻机绞车 第四节：绞车参数设计
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第四章：石油钻机绞车——绞车参数设计
1、快绳拉力
起钻时： 下钻时：
Pf
= Qt Z
1
ηt
Pf
=
Qt Z
ηt
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第四章：石油钻机绞车——绞车参数设计
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第四章：石油钻机绞车——绞车参数设计
3、滚筒直径D筒与滚筒长度L筒 滚筒直径和长度决定了滚筒的大小或者说 决定了绞车的大小，但是其尺寸主要取决 于钢丝绳的尺寸和强度。
根据经验：
D筒＝（17－30）D绳 对于大型钻机，高强度钢丝绳，一般取大 值，小型钻机，取小值。
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交流变频电驱动钻机绞车（钩速范围0～1.26m/s）
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第四章：石油钻机绞车——总体结构形式与分析
绞车制动形式与绞车结构型式 1、近距离刹车制动绞车。 2、远距离带刹车制动绞车。 3、气动无刹把带刹车制动绞车
第四章：石油钻机绞车——功能与基本结构构成
其它功能： 根据绞车结构形式不同附带的功能也不同。 1、带猫头结构：上卸钻具丝扣、起吊其它 重物等（大型钻机取消了猫头）； 2、整体起放井架和底座； 3、双滚筒绞车：钢丝捞砂作业、提取岩心。
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第四章：石油钻机绞车——功能与基本结构构成
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控制台 离合器 主刹车 滚筒
底座和壳体 猫头
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带式刹车
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盘式刹车
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第四章 石油钻机绞车
第二节 总体结构形式与分析
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第四章：石油钻机绞车——绞车传动与变速设计
绞车传动：将输入绞车的动力传递至滚 筒轴，这里所说的绞车传动特指绞车的 挡数、挡速、轴数、各轴的速度，以及 传动形式。 通常传动形式有链条传动和齿轮传动。
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第四章：石油钻机绞车——绞车传动与变速设计
第四章：石油钻机绞车——总体结构形式与分析
总体结构形式取决于以下因素： 1、匹配于钻机类型； 2、绞车功能； 3、传动形式； 4、制动形式。
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第四章：石油钻机绞车——总体结构形式与分析
钻机总体方案与绞车结构型式 1、低位安装绞车：绞车位于钻机后台之上， 刹把和司钻控制台位于钻台上，动力经爬坡 传动上钻台驱动转盘。 2、绞车位于钻台之上，动力爬坡上钻台驱动 绞车，电驱动绞车。
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第四章 石油钻机绞车
第一节 功能与基本结构组成
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第四章：石油钻机绞车——功能与基本结构构成
钻井绞车是钻机起升系统设备之一，是钻 机的核心部件。
主要功能： 1、起下钻具和下套管； 2、控制钻压和送进钻具；
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第四章：石油钻机绞车——绞车传动与变速设计
绞车传动系统变速设计
大钩速度：
0.2~2.0m/s
绞车档数：
1~8
变速设计原则：
只供绞车传动，最充分利用功率；
只供转盘传动，按几何级数分布；
同时供绞车和转盘，相邻速比不一定相等。
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第四章：石油钻机绞车——绞车传动与变速设计
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第四章：石油钻机绞车——绞车参数设计
2）带槽(lebus)滚筒的缠绳
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适应性系数 K=Mmax/Me 1.05~1.33
1.5~3.5
1.6~4.0
-
调速范围 R动＝nmax/nmin
1.3~1.8
1.5~2.5
1.5~2.5
1.5~2.8
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第四章：石油钻机绞车——绞车传动与变速设计
所以：R绞＝R/R动
柴油机直接驱动： 柴油机＋变矩器： SCR直流电机驱动： VFB变频电机驱动：
绞车档数 6－8； 4－6； 2－4； 1－2。
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第四章：石油钻机绞车——绞车传动与变速设计
3、传动件的允许特性
主要考虑链条或齿轮的传动能力和极限速度。
4、绞车结构的复杂性
档数越多功率利用率越高，但是绞车结构越 复杂。
φmax
=
e
e ，e +1
−
档数
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第四章：石油钻机绞车——总体结构形式与分析
3、分体绞车结构，即绞车传动部分置于钻机 后台，低位安装；猫头轴置于钻台，高位安 装（大型机械传动钻机）。
4、电驱动钻机，无后台机械传动机构，电动 机与绞车一体化直接驱动绞车，绞车置于钻 台上，绞车低位安装高位工作。
要求： 1、绞车要有足够大的功率。满足最大拉力、 最高转速、足够的寿命； 2、绞车滚筒要有足够的尺寸和缠绳容量； 3、绞车要适应宽范围的载荷变化，较宽的 调速范围，达到最高的功率利用率；
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第四章：石油钻机绞车——功能与基本结构构成
4、绞车要有灵敏、可靠的刹车机构和足够能力 的辅助刹车，能够准确地调节钻压，均匀送进钻 具，控制钻具下放速度，刹车机构要耐热、耐磨； 5、绞车要有刚劲的支架和底座；密闭润滑； 6、司钻操作要省力、方便。
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第四章：石油钻机绞车——绞车参数设计
L筒＝（1.2－1.6）D筒 mm L筒设计过大有两个缺点，一是快绳进 天车轮的倾角过大，排绳不利；二是 滚筒轴弯矩加大。 同时，如果L筒过小排绳层数过多，对 钢丝绳不利。
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第四章：石油钻机绞车——绞车参数设计
率利用率为100％，即QV＝C。
大钩的调速范围
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R = Vk ≥ 10 V1
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第四章：石油钻机绞车——绞车传动与变速设计
一般设计大钩速度范围： V=0.2~2.0 m/s 或 0.5~2.0m/s 低速主要用于最大钩载是下套管或处理
井下事故；高速主要用于快速安全提升空吊 卡，受限于安全（防碰天车）
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第四章：石油钻机绞车——总体结构形式与分析
6、齿轮传动单轴绞车： （1）现在电驱动钻机中普遍实用的结构， 直流或交流变频调速电动机直接驱动减速或 变速齿轮箱，以驱动滚筒轴。 （2）绞车无内变速。车载钻机、小钻机。