第五章钻机的驱动与传动系统(第一讲)

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链并车与皮带并车相比，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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5.1.2 典型驱动方案
钻机的驱动方案可分为：单独驱动、统一驱动、分组驱动。 1.单独驱动方案 转盘、绞车、钻井泵三大工作机组，各由不同的动力机实行一 对一或二对一的驱动。 单独驱动的优点是：传动系统简单，传动效率高，安装方便， 总体布置灵活性大。 其缺点是：装机功率利用率低，动力机组间动力不能互济。 电驱动钻机大都采用单独驱动方案。
重点：驱动设备的特性指标 难点：柴油机的特性
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5.1 概述
钻机的动力与传动系统关系到钻机的总体布置和主要性能。 驱动设备：也称为动力机组，由它为工作机提供所需要的动力和 运动。 传动系统：将动力机与各工作机联系起来，传递动力和运动并分 配给各工作机。 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。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，是机械设计中考虑的重要问题之一。
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5.1.4 钻机驱动与传动类型 按照钻机采用的动力设备不同可分为：机械驱动、电驱动和复 合驱动三大类。 1.机械驱动 机械驱动— 以柴油机为动力机，统一驱动转盘、绞车、钻井泵 三大工作机组。 按驱动机组驱动特性不同，机械驱动可分为两种形式：柴油机 驱动机械传动、柴油机—液力驱动机械传动。 （1）柴油机驱动机械传动： 以2～4台柴油机为动力，经V带或齿轮、链条及万向轴等机械传 动元件的多种组合，实现并车、减速增矩、换向倒车，以驱动绞 车、转盘和钻井泵。这种传动为硬特性传动，工作机能获得的速 档及调速范围很有限。
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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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（1）可控硅直流电驱动(AC-SCR-DC)： 采用可控硅整流器（简称SCR），将发出的交流电变换为可控 的直流电，控制直流电动机，驱动绞车、转盘及钻井泵等。 （2）交流变频电驱动(AC-VFD-AC) ： 采用变频器（简称VFD），将交流发电机发出的交流电变换为 可大范围调整频率的交流电，控制交流变频电动机，驱动绞车、 转盘及钻井泵等。 3.复合驱动 复合驱动是根据三大工作机组的工作特点和性能要求，灵活选 用相适应的动力驱动方式，从而以最经济的动力配置，获得最佳 的工作性能。 复合驱动的形式主要有两种：机电复合驱动和交直流电复合驱 动。
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（2）柴油机—液力驱动机械传动： 以2～4台柴油机为动力，柴油机首先与液力变矩器组 合，组成为柴油机—液力驱动机组，再经机械传动元件 进行多种形式的组合，实现并车、减速增矩、换向倒车， 以驱动绞车、转盘和钻井泵。由于液力变矩器可以变速、 变矩，故这种传动为柔性传动。 2.电驱动 电驱动—以直流或交流电动机为动力机，单独驱动转 盘、绞车、钻井泵三大工作机组。 电驱动常用的形式有两种：可控硅直流电驱动(ACSCR-DC)和交流变频电驱动(AC-VFD-AC)。
2.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：采用 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。 由于柴油机输出速度过高，而需要在并车前增加减速 箱(如图5-3所示)，以满足皮带传动线速度不宜过高的要 求。 采用新型窄V型联组胶带(如图5-4所示)并车，由于强 度高，比普通V带传递功率提高30～40％，带轮尺寸减小 25～35％，且传动效率提高。所以可取消并车前的减速 器，使皮带钻机结构更为紧凑。
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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、 燃汽轮机以耗油率来表征； 电动机则以耗电量，功率因素来表示。
（5-3）
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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。
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（1）机电复合驱动(主要包括两种形式)： ①柴油机加偶合器驱动钻井泵和绞车，同时带动一台 交流发电机发出交流电，再经变频器控制交流变频电动 机驱动转盘。 ②柴油机驱动交流发电机发出交流电，通过变频器控 制交流变频电动机驱动绞车和转盘；钻井泵独立采用机 械驱动。 （2）交直流电复合驱动： 采用柴油机驱动交流发电机，发出的交流电分为两路： 一路通过变频器，控制交流变频电动机驱动绞车和转盘； 另一路通过可控硅整流器，将交流电变换为可直流电， 控制直流电动机驱动钻井泵。
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1—理想功率曲线(等功率曲线) 2—速度无限档功率曲线 3—速度有限档功率曲线
图5-1 大钩提升载荷与提升速度的关系曲线
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2）绞车对动力机组的要求 （1）能无级变速，以充分利用功率； （2）速度调节范围，R＝Vmax/Vmin=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。 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R=5～10。 在处理事故时，要求能细微调节转速，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，当达到限定力 矩值时能自动停止旋转。
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分组驱动 转盘和绞车分为 一组由同一柴油 机组并车驱动， 泵由另一柴油机 组单独驱动的方 法叫分组驱动； 电动钻机常用
分组驱动
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◆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。如图 5-2所示，统一驱动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。 为此，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，则是将两台电动机装在同一输 入轴的左右两端实现并车。
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钻井机Hale Waihona Puke Baidu电子教案
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，这是机械系统中一般采用的方式。 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。根据能量转换方式， 分电力驱动，内燃机驱动，复合驱动等。 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，如内燃机电力驱动的电驱动钻机，内燃机液力驱 动的链条钻机等。
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第五章 钻机的驱动与传动系统
天津石油职业技术学院
徐建功 2013年7月
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学 习 目 标
1. 理解工作机组对驱动与传动系统的要求 2. 了解典型驱动方案 3. 掌握驱动设备的特性指标 4.掌握钻机驱动与传动类型 5.掌握柴油机的特性 6.掌握PZl90系列柴油机型号编制的含义 7.掌握电驱动钻机的类型
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柴油机驱动—机械传动钻机 (1)(柴油机直接驱动) ，是指以柴油机为动力，通过胶带实现并车，
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单独驱动 各工作机与柴 油机进行一对 一驱动的方法 叫单独驱动； 电动钻机常用 单独驱动方案。
钻井机械电子教案 2.统一驱动方案
转盘、绞车、钻井泵三大工作机组，由2～4台动力机并 车统一驱动。 统一驱动的优点是：装机功率利用率高，整个动力机组 可以同时进行工作，安全可靠性强，动力可以互济。 其缺点是：传动系统复杂，传动效率低，工作机组间 相互干扰大，安装找正困难 。 柴油机直接驱动和柴油机加变矩器驱动广泛采用统一 驱动方案。
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图5-5 绞车输入轴两端各联接一台电动机
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5.1.3 驱动设备的特性指标
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。
（5-1）
e
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（5-2）
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。 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5-1。
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图5-3 皮带并车前的减速箱
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图5-4 新型窄V型连组胶带
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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钻井泵的功率需要，故电驱动钻机 大都采取由二台电动机并车驱动绞车和钻井泵。 如图5-5所示，并车方式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钻井 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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5.1.1 工作机组对驱动与传动系统的要求
1.绞车 1）绞车功率利用情况分析 钻井绞车的工作特点是载荷大，而且载荷变化也大。 图5-1所示，是大钩提升载荷Qh与提升速度V的关系曲线。 若大钩提升速度V随大钩提升载荷Qh，而相应地按QhV＝C的规律 变化，即按图5-1中的等功率曲线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。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工作时，绞车功率利用也很充分。 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。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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图5-2 统一驱动钻机
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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。 统一驱动的深井钻机以三台柴油机并车较为典型，如 国产ZJ45钻机，罗马尼亚的F320-3DH型钻机等。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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统一驱动 各工作机由 多台动力机 并车驱动的 方法叫统一 驱动； 机械传动钻 机常用统一 驱动方案。
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3.分组驱动方案 典型的分组驱动是：将三台工作机分成两组，绞车和转 盘两个工作机由同一动力机组驱动，钻井泵由另一动力机 组驱动。 这种分组驱动方案称为二分组驱动。 分组驱动的特点是：既有单独驱动的传动简单、安装方 便的优点，也有统一驱动的装机功率利用率高的优点。