[工学]第三章 钻机的动力与传动

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3.2.2 190系列柴油机 国产钻机主要采用济南柴油机厂生产的Z190系 列柴油机，该类机型已有九千多台服务于石油钻探 市场。
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PZl90系列柴油机型号编制的含义如下： 型号示例：PZl2V190BD表示配套机、增压、12 缸、V型排列、缸径190、改造顺序号B、电驱 动钻机用、标定转速为1500r／min、标定12小 时功率。
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3.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。
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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。
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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。
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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。
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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QV＝C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。
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如ZJ60D钻机
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如ZJ45D型钻机
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3.2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。
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3.2.1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。
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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。
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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。
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3.2.4 皮带钻机 1.大庆130钻机和ZJ32J钻机 (新标准为ZJ40／2250J) 我国从1951年开始引进苏联 5Д型钻机，1958年兰州石油 机械厂建厂开始生产仿苏ZJ-
130型皮带钻机。
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在70年代中期由江汉石油管理局钻采设备研究 所设计，兰州石油化工机械厂制造的大庆130型钻 机成为我国油田相当长时期钻深1900～3200m井的 主力设备。这是在原苏制5Д型钻机和我国仿制的 ZJl30型钻机基础上改进成为三台柴油机驱动的皮
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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～ 1200r／min降至750～850r／ min ，以保证并车链条线速度低于16～20m／s， (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。
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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。
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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。
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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。
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(3)柴油机工作较稳定，可平稳调节，能防 止工作机过载，避免出设备事故。 柴油机装有全制式调速器，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 外载突然中大而超过Mmax时，柴油机便越过外特 性上稳定工作点而灭火，可避免各机械设备因 过载而损坏。
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(4)结构紧凑，体积小，重量轻，便于移运， 适于野外流动作业。 (5)传动效率较柴油机-液力变矩器驱动高。 不足之处在于柴油机适应系数小，过载能力 有限；转速调节范围窄；噪音大，影响工人健 康；与电驱动相比，驱动传动效率低，维护使 用费用较电动机驱动高；绞车起升功率利用率 低等。
带钻机
。
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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，R＝1.3～1.5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。
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(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。
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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。
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随着石油钻探技术和装备的更新，以及我国的 油气开发趋势，对钻机动力提出了以下要求： (1)适应沙漠纵深地区风沙大、日温差大以及 自动化程度高、无人值守的要求； (2)适应高原、高寒地区空气稀薄、超低温的 环境； (3)深井钻探，要求柴油机单台功率大、载荷 变化频繁，在部分载荷下经济性好； (4)每台钻机配备柴油机台数少，移运方便； (5)能远距离控制，可靠性高，故障率低。
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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，R＝5～10； (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。
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2.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5～10。 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。
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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。
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3.1.1 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。
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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
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(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。
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图为12V150的调速特性曲线。
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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(<10％)。 在选择匹配和操作使用柴油机时，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，这是应避免的。
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1.链并车 尽管统一驱动的柴油机台数只有2～4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。
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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。
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。
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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。
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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。
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钻井泵和转盘都是长期运转，持续工况， 应将柴油机转速放在偏低位置，使其在不超过 其最大功率75％的工况下运转。 对于绞车起升作业，负载时间不长，转速 应偏高一些，但其功率不宜超过其最大功率的 80％。 例如美国D-399柴油机推荐用于驱动泵及转 盘时开1200r／min，而驱动绞车时开1300r／ min。
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3.2.3柴油机直接驱动的钻机的主要优缺点 柴油机直接驱动钻机的主要优缺点如下： (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。
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(2)不同级别钻机，可用增加相同机组数目的 办法以增加总装机功率，即所谓“积木式”， 可减少柴油机品种，有利于使用和维修。
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为适应上述要求，190系列柴油机在近十年来 性能和可靠性都有较大的提高。例如主导产品 Z12V190B改型为G12V190ZL，于1999年研制成功。 该型柴油机在性能指标、可靠性、自动监控、解决 “三漏”和外观质量等方面都有显著提高。
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新世纪以来，济柴公司又研制A12V190Z型 柴油机。这种产品具有功率大、性能高、使 用可靠、操作方便等特点，可满足320-7000m 机械及电动钻机的需求。