第六章钻机驱动设备与传动系统

① 外特性 油泵齿条固定于供油量最大
位置时 (Ne , M e , ge , tr , pk , pT ) (n) 外特性是正确选择及合理 使用发动机的基础 Z12V190B型柴油机外特性 曲线
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② 负荷特性
定转速下，ge,GT,tr,pk随功率Ne 而变化的规律，称负荷特性，其 中GT为每小时油耗。
⑤ 使用经济性
除已特别指明的燃料经济性之外，使用经
济性尚应包括：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、持久性及维护保养难易性等。
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表6-1 石油机械常用驱动设备的适应性系数和调 速范围的参考数值
类型
Ks
M max Me
柴油机（中、高速）
1.05～1.15
柴油机-变矩器
担的任务却具有共性，都主要是由并车、倒车、减
速增矩、变速变矩及转换方向等几部分所构成，将
一台或几台驱动机组的动力及运动单独地或统一地
传递给各工作机，以满足钻井工作的需要。
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a、并车
现代机械驱动钻机都采用两台以上 驱动机组，因此存在并车问题。广泛采 用的并车方式是：柴油机直接驱动，胶 带并车传动，如ZJ32J-2，ZJ45J；柴 油机一液力驱动，链条并车传动，如 F320，ZJ45，ZJ60L。
Z190系列柴油机是国产钻机用动力机，也可用
于固定发电、船舶、内燃机车及其他工程机械。
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Z190系列柴油机基木型号与规格、主要技术参数
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② 电驱动用柴油机
为满足电动机对动力—柴油机发电机组的
需要，济南柴油机厂研制了一种新型1000kW的
柴油机A12V190ZL。并以该机为原动机，开发
了柴油发电机组。
最内层的等油耗率曲线 表明发动机最经济的工 作范围。
Z12V190B柴油机的通 用特性曲线
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(4) 石油机械常用柴油机
① Z190系列钻机柴油机
济南柴油机厂研制生产的Z190系列柴油机包括 有 Z8V190，Z8V190-1，Z8V190-2和Z812V190B， Z12V190B-1，Z12V190B-2等基本机型及相应的 配套机座（即带有风扇、水箱和底架的动力机组， 如PZ12V190B）。此外，还发展有能适应不同环 境、满足不同性能要求的专用机型。
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② 机械传动钻机的特点
钻机机械驱动方案一般采用统一驱动或分组驱
动。这需要将几台柴油机的动力合在一起，这就是
并车，机械驱动的钻机采用皮带并车，早期使用E型 三角胶带，现在广泛使用的是窄V三角胶带。
机械驱动钻机的传动方案依据钻机的用途、钻井 深度、所采用的驱动类型及主传动元件的不同而异。
但是，任何一种钻机其传动系统的基本组成和所承
石油钻机设计
机电工程学院 机电工程系 许志倩
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第六章 钻机驱动设备与传动系统
教学内容和课程基本要求
驱动类型，典型驱动方案； 工作机对驱动特性要求； 柴油机驱动特性，柴油-液力驱动特性； 电驱动特性：直流电动机机械特性，交流
电动机机械特性； 传动系统的变速设计。
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液力变矩器依结构特点可分为： a、按涡轮级数分：单级，如国产WB型；多级，
如罗马尼亚CHC型（3级）。 b、按涡轮内液流流向分：离心式、向心式、轴流
式。
液力变矩器类型图 （a）离心式（b）向心式（c）轴流式
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YB900液力变矩器
YB900变矩器是北京石油 勘探开发研究院机械所、 大连内燃机车研究所和四 川石油管理局共同研制的 单级充油调节离心液力变 矩器，与PZ12V190B-1柴 油机匹配，用以取代 CHC750变矩器、 MB820Bb柴油机，作为 F320钻机动力机组及国产 深井、超深井机械驱动钻 机如 ZJ32J-5和 ZJ60L的 动力机组。
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③ 动力机比质量 定义：每单位功率（kW）的质量，用KG
表示：
K G G / N e (kg／kW)
G ——动力机（包括必备的附件）的质量， kg；
Ne——额定功率，kW。
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④ 燃料（能源）的经济性
指提供同样功率时所消耗的燃料费用。柴
油机、燃气轮机，以耗油率来表征；电动机则
以耗电量、功率因数来表征。
Ks M max / M e
Mmax——动力机稳定工作状态时的最大扭矩； Me ——动力机额定（标定）功率时的扭矩。 Ks值大小表明动力机适应外载变化的能力。值大，表
明动力机过载能力大。
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② 速度范围R
R nmax / nmin
nmax——动力机最高稳定工作转速； nmin ——动力机最低稳定工作转速。 同一根轴上
——偶合器中传能工作介质密度；
D ——偶合器循环圆直径； g ——重力加速度； nB ——泵轮转速。
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偶合器涡轮转速与泵轮转速的比值以表示，称转
速比，即：
i nT nB
偶合器输出功率与输入功率之比值，称作偶合器
效率，即
M T nT i
M BnB
偶合器只能在高转速比（即i nT nB 0.96 ）工况
由调速特性知，装有全制式
调速器的柴油机，负荷可以在很
大范围内变化，而转速则可维持
＜5％的变化。调节油门手柄位
置，可得到一系列形状类似的调
速线。
在选择匹配和操作使用柴油
机肘，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，这是不利的。
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④ 通用特性
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YB900变矩器技术特性
输入功率/kW（马力） 610（830） 补偿压力/MPa
输入转速/（r/min）
1200
冷却系统最大散 热量/（kCal/h）
0.13～0.25 170000
最高效率/% 启动变矩系数/K 循环圈有效直径/mm
88～90 6.4 900
输出制动扭矩 /Nm
工作油温/℃
下工作，否则效率过低，功率损失大。液力偶合
器只能传递扭矩，不能变矩，因此又称液力联轴
器。
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(2) 液力变矩器（涡轮变矩器）
变矩器结构如图所示。导轮与外壳相连，是不转
动的，叶片大都为空间扭曲形状。与偶合器相比，多
了一个固定不动的导轮，性能便大不相同。当泵轮扭
矩MB一定时，导轮可改变涡轮输出扭矩MT，使得MT 可以小于、等于或大于MB 。
1.5～3.5
直流电动机
1.6～4.0
交流电动机
1.5～2.2（短期）
R nmax nmin
1.3～1.8 1.5～2. 5 1. 5～2.5
1.5
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（2）柴油机驱动的特点
柴油机是石油机械使用最广泛的动力机械，主
要是因为它具有以下的特点：
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
液力偶合器主要由泵轮，涡轮、外壳和输入输 出轴组成。
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柴油机－偶合器驱动主要优点是：传动柔性，可吸 收震动与冲击；涡轮轴可随外载变化而自动变速， 可防止工作机过载，即使外载增加导致涡轮制动， 动力机（主动轴）仍可以某一转速工作而不熄火。
扭矩的计算式为：
M B B gnB2 D5
B——泵轮扭矩系数，一般由试验求得；
工艺有时要求恒转矩调节。
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③ 钻井泵
钻井泵一般都在额定冲次附近工作，负载
的波动幅度也不大，因此对驱动系统的要求比
绞车、转盘都简单。主要要求是：速度调节范
围R=1.3～1.5，以充分利用功率；允许短期过
载，以克服可能出现的蹩泵。
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（2）柴油机-机械传动钻机工作特性
① 机械传动方案
统一驱动、分组驱动和单独驱动
统一驱动装机功率
利用率高，可并车调剂
各工作机不同的功率需
要，动力机有故障时动
力可互济。但驱动系统
复杂，传动效率低，安
装找正困难。
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c、分组驱动方案
典型的分组驱动，将三个工作机分成两组，绞 车、转盘为一组，钻井泵为另一组，由动力机（柴 油机或电动机）分别驱动，也称为二分组驱动。
分组驱动的目的主要是： i 、兼有统一驱动利用率高和单独驱动传动简单、
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第六章 钻机驱动设备与传动系统
6.1 石油机械常用动力装置 6.2 石油钻机液力传动装置 6.3 柴油机驱动钻机工作特性 6.4 电驱动钻机工作特性 6.5 传动系统及其部件设计 6.6 传动系统的变速设计
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6.1 石油机械常用动力装置
(1) 驱动设备的特性指标
① 适应性系数Ks
除此外，石油机械还常用液力传动装置如液 力变矩器，液力偶合器等，本节主要介绍这 些传动装置。
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(1) 液力偶合器
液力偶合器的主动轴经 离心泵将能量传给工作 液，工作液又经涡轮将 能量传给从动轴，即：
(机主械动能轴) 离工心作泵液 液能 工涡作轮液(从机动械轴能)
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因此，液体通过它在离心泵和涡轮机中的循环 流动，实现运动的连续传递和能量的连续转换。
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 产品系列化后，不同级别钻机，可采用所谓 “积木式”，即增加相同类型机组数目，以增加总 装机功率，从而减少柴油机品种。
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③ 在性能上，转速可平稳调节，能防止工作机过载， 避免出设备事故。装上全制式调速器，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 外载增加超过时，柴油机便超过外特性；
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变矩器泵轮扭矩公式与偶合器相同，为：
M B B gnB2 D5 变矩器涡轮扭矩公式为：M T T gnB2 D5
λT——涡轮扭矩系数； 变矩器输出扭矩与输入扭矩的比值称变矩系数：
K M T T M B B
变矩器输出功率与输入功率的比值为变矩器的效率：
M T nT Ki
M BnB
我国除卡特3500系列柴油机外，还大量使
用底特律（DDC）公司的4000系列柴油机。
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6.2 石油钻机液力传动装置
石油钻机传动装置有机械式的也有其他形式 的，机械式如螺旋、齿轮、皮带、链条、万 向轴等。石油机械功率大，工况特殊，有些 制定了专用标准，如套筒滚子链，石油钻机 用万向联轴器等。但这些传动装置与一般机 械相同。
a、单独驱动方案
转盘、绞车、钻井泵三个工作机
组，各由不同的动力机一对一或二对
一地进行驱动，电驱动钻机大都采用
单独驱动方案。
单独驱动，传动系统简单、效率
高；工作机间无机械形式的联系，便
于钻机在井场进行平面布置。但装机
功率利用率低，动力机不能互济。
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b、统一驱动方案
这种方案是转盘、 绞车、钻井泵三工作机 由2～4台动力机并车 统一驱动。
安装方便的优点； ii 、现代深井、超深井钻机采用7～9m高钻台，
分组驱动可实现转盘、辅助绞车（猫头轴）在高钻 台上，而主绞车不上高钻台的方案；
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iii、 满足丛式井钻机对 工作机平面布置的要求： 转盘、绞车在钻台上并 可随钻台一起作纵横方 向的移动，而钻井泵组 不必移动。因此转盘、 绞车同钻井泵组不能有 任何机械传动方面的联 系，必须进行两分组驱 动。
综上，绞车驱动需要的是具有恒功率调节、能无级
变速并具有良好启动性能的柔性驱动。
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② 转盘
钻井工艺对转盘的工作有以下要求：
a、转速调节范围R＝5～10。
b、能倒转、能微调转速以处理事故。
c、有限制扭矩装置，防止过载扭断钻杆。
转盘配备的功率是一定的，具有恒功率调节、
能无级变速的柔性驱动、能充分利用功率，但钻井
依据负荷特性，可确定动力机在 定转速下工作时的经济负荷，即 耗油率最小的功率范围。由坐标 原点引射线与ge曲线相切，切点 所对应之功率即最经济的功率， 因为该点Ne与ge比值最大。 Z12V190B型柴油机负荷特 性曲线。
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③ 调速特性
在调速器起作用时，保持调
速手柄位置一定，柴油机性能指
标随转速或负荷变化的关系。
外型尺寸/mm
26000 70～100℃
-
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6.3 柴油机驱动钻机工作特性
（1）绞车、转盘、钻井泵负载特点及对驱动特性的要求
① 绞车
按绞车工作特点，对动力机组的要求是：
a、能无级变速，以充分利用功率，速度调节范围5～10。
b、具有短期过载能力，以克服启动动载、振动冲击和轻 度卡钻。
c、绞车工作时起停交替，要求动力传动系统有良好的启 动性能和灵敏可靠的控制离合装置。
④ 作为钻机动力机，它也有不足之处，如：扭矩曲 线较平坦，适应性系数小（ Ks 1.05 ~ 1.15 ），过载 能力有限；转速调节范围窄（R 1.3 ~ 1.8 ）；噪音 大，影响工人健康；与电驱动比较，驱动传动效率 低，燃料成本高等。
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(3) 柴油机驱动特性
柴油机驱动特性就是柴油机 自身的特性，包括外特性、 负荷特性、调速特性和通用 特性 。