zj70鉆機絞車畢業(yè)設計

1、<p>　　《石油設備與工具方案設計課程設計》</p><p>　　題目名稱： JC70D2鉆井絞車 </p><p>　　學生姓名： </p><p>　　學生學號 </p&

2、gt;<p>　　專業(yè)年級：機械工程及自動化2009（礦機）</p><p>　　指導教師： </p><p>　　評閱教師： </p><p>　　完成日期： 2013.1.11 </p><p><b&

3、gt;　　1選題目的和意義</b></p><p>　　從國內(nèi)外石油鉆井的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢和研究方向來看，為了適應淺海、海灘、沙漠和丘陵等不同地帶油氣藏的勘探和開發(fā)，美國、德國、法國、意大利、加拿大、墨西哥和羅馬尼亞等國先后開發(fā)了各種類型的石油鉆機。其中美國的鉆機技術和銷售業(yè)績在世界上穩(wěn)居首位，所以與國際技術接軌，實際上是與以美國為代表的鉆機技術及API規(guī)范接軌。就我國目前普遍使用的機械驅(qū)動鉆機而言，美

4、國在20世紀60年代已經(jīng)成熟，到70年代得到迅速發(fā)展。近年來，國外鉆機在傳動方式和結構形式方面的改進發(fā)展很快，交流變頻電驅(qū)動已經(jīng)廣泛使用，以及絞車無級調(diào)速和新型的剎車系統(tǒng)的設計和改進有著突飛猛進的發(fā)展。我國目前的深井是塔里木塔河油田的塔深（井深8408米2006年）其被譽為亞洲第一深井，而美國早在1974年在世界上最深的地質(zhì)井深12226米。這些驚人的數(shù)字都是離不開鉆機絞車這一重要設備的。石油鉆機在規(guī)模上有兩極發(fā)展的趨勢，即深井鉆機大型

5、化和輕便鉆機小型化。</p><p>　　2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析</p><p>　　國內(nèi)外鉆機絞車在傳動方式和結構形式方面的改進發(fā)展很快，交流變頻電驅(qū)動、步進電機已經(jīng)廣泛使用，以及絞車無級調(diào)速和新型的剎車系統(tǒng)的設計和改進有著突飛猛進的發(fā)展。深井鉆機趨向大型化，鉆深能力已達15000m，最大鉤載達12500 kN。為了提高起升工作效率，絞車功率趨向于提高。一般大型絞車由4臺大扭矩的直流電動機

6、驅(qū)動，采用強制水冷盤式剎車，起升鋼絲繩直徑50mm。鉆井泵單臺最大功率1618 kW，最高壓力52.7 MPa。原蘇聯(lián)、羅馬尼亞的鉆機系列中，絞車輸人功率最大1838 kW。通過對絞車的轉動原理、電機的選擇、主滾筒的力性能核算、剎車系統(tǒng)的改進使得ZJ70鉆機絞車整體得到了良好的改進與優(yōu)化</p><p><b>　　3總體設計方案</b></p><p>　　3.1.

7、 JC70D2絞車概述</p><p>　　JC-70D2絞車傳動是ZJ70D系列鉆機的傳動系統(tǒng)之一，它不但擔負鉆機起下鉆具和下套管及上卸扣, 還擔負著鉆頭鉆進過程中控制鉆壓、處理事故，以及提取巖芯筒，試油等作業(yè)。同時還擔負著井架及鉆機前后臺起升和降落任務。它主要有二大組成部分,動力裝置(包括輸入軸在內(nèi))和絞車主體，絞車傳動動力機組。</p><p>　　JC-70D2絞車具有如下特點：&

8、lt;/p><p>　　1) 絞車功率大絞車由兩臺YZ08(國產(chǎn))電機作為動力，經(jīng)動力裝置輸入軸并車，額定輸入功率可達1470kW。 </p><p>　　2) 調(diào)速性能好、功率利用高為適應起重量變化，節(jié)省起升時間，JC70D2絞車通過輸入軸和傳動軸之間的兩檔鏈條形成兩個檔位，而傳動軸與滾筒軸之間通過高、低速離合器又形成兩個檔位，絞車總檔數(shù)可達4正4倒，由于采用直流電機驅(qū)動，絞車可實現(xiàn)無級調(diào)速

9、，大大提高了功率利用率，節(jié)省了起升作業(yè)時間，提高了工作效率。</p><p>　　3) 采用液壓盤式剎車，剎車力矩大，安全可靠，能準確地調(diào)節(jié)和控制鉆壓，達到均勻送鉆，在下鉆過程中能控制下放速度。同時配備有風冷式電磁渦流剎車作為輔助剎車，使絞車工作的可靠性進一步提高。 </p><p>　　4) 絞車具有操作省力，控制先進的特點該絞車采用機電液的控制系統(tǒng)，控制簡單可靠，控制手柄、剎車、鉆井參

10、數(shù)儀表等均集中在司鉆控制房內(nèi)，便于操作。該絞車具有傳動簡單，結構緊湊，調(diào)速范圍大，效率高,壽命長，工作安全可靠，外形美觀等特點。 </p><p><b>　　3.2盤剎絞車</b></p><p>　　結構組成MCC系統(tǒng)：600V/400V(3相) 230（單相）50HZ。數(shù)量：1臺 、型號:JC70D2。</p><p>　　特征：由

11、SCR控制交流電機提供動力，配絞車插件，安裝在重型拖撬裝置上（帶輔助設備），適用于在使用4-1/2”鉆桿條件下7000米油氣井的鉆探。撈砂滾筒、中間軸、輸入軸、潤滑系統(tǒng)等。滾筒本體開槽，以使大繩有序排列：帶有過卷防碰保護裝置，司鉆操控臺安裝在司鉆控制房內(nèi)以操控絞車、方鉆桿旋轉器、主剎車、液壓貓頭、天車防碰裝置。司鉆控制臺同樣配置空氣報警器及氣壓表、潤滑、和液壓等顯示儀表，鉆井儀表操控臺也集成在司鉆控制房內(nèi)。</p><

12、;p><b>　　規(guī)格：</b></p><p><b>　　3.3直流電機</b></p><p>　　本鉆機配備9套YZ08/YZ08A 直流電動機： </p><p>　　1) 電機制造符合IEEE 標準。適應環(huán)境條件：溫度：-40℃-55℃ 濕度：+20℃時相對濕度≤90% 沙漠、風沙等惡劣工況。</p

13、><p><b>　　2) 技術參數(shù)：</b></p><p>　　電機(定/轉)H/H 通風方式為強迫通風，電機正轉方向為順時針(從傳動端視)：。</p><p>　　3) 各部溫升限值、電機部件、電樞繞組、主極繞組、附極繞組、換向器軸承測量方法電阻法、電阻法、電阻法、溫度計法、允許溫升(K)160、180、1205。</p>&l

14、t;p>　　4) 電刷：尺寸：19.1×57.2×70(mm)電刷磨耗到限長度:39.5(mm)牌號：GE-T900 電刷壓力：40±4N 。</p><p>　　5) 結構參數(shù)：換向器片數(shù)184片換向器外徑Φ422mm換向器長185mm電樞鐵心槽數(shù)46槽電樞繞組形式單迭繞組58。</p><p><b>　　伺服電機控制簡圖</b>

15、;</p><p>　　滾筒軸由兩臺YZ08 電機經(jīng)動力裝置輸入軸并車，功率合流后通過輸入軸與傳動軸之間的兩掛鏈條形成兩個檔位，傳動軸與滾筒軸之間的兩掛鏈條又形成兩個檔位，絞車總共產(chǎn)生2×2 檔，此外，傳動軸經(jīng)與撈砂滾筒軸的一掛鏈條,使撈砂滾筒軸形成兩檔。動力輸入軸與傳動軸之間的換檔采用機械換檔，傳動軸與滾筒之間的換檔采用氣胎離合器換檔。</p><p>　　3.4液壓盤剎車特征

16、：</p><p>　　包括6個工作卡鉗和2個應急卡鉗，工作卡鉗在通常情況下是常開的，用于控制剎車扭距和調(diào)節(jié)送速度、鉆壓等，備用卡鉗在通常情況下應是閉合的用于緊急剎車。</p><p><b>　　3.5 主滾筒總成</b></p><p>　　JZ702型絞車的主滾筒總成主要由滾筒軸、滾筒體、剎車轂、連接盤、軸向推盤離合器、輸入輸出鏈輪等組成

17、。滾筒軸采用優(yōu)質(zhì)合金鋼整體鍛造而成，兩邊由調(diào)心軸承支撐，剎車轂為合金鋼整體鑄壓而成。剎車轂的冷卻采用循環(huán)水冷卻方式，其剎車轂上帶有水套和水循環(huán)管線，通過滾筒軸兩端的導水龍頭實現(xiàn)冷卻水的循環(huán)，防止剎車轂溫度過高產(chǎn)生轂外表面龜裂或與剎車帶產(chǎn)生膠合。其循環(huán)水與輔助剎車循環(huán)水共用一個水箱，但水道不同。</p><p><b>　?。?）剎車系統(tǒng)</b></p><p>　　剎

18、車系統(tǒng)是用來制動滾筒的。它主要由鋼帶、剎車塊、平衡梁、曲柄軸、限位全、調(diào)節(jié)絲杠、拉把和剎把等組成。</p><p><b>　?。?）輔助剎車</b></p><p>　　WCB324輔助剎車直接安裝在絞車軸上，是一種通過壓縮空氣和復位彈簧的作用來驅(qū)動摩擦片與淬銅合金板的離合，從而改變制動能力的裝置。其剎車時產(chǎn)生的熱量可通過留過合金板內(nèi)水道尋壞水迅速帶走。</p

19、><p>　　它的特點主要表現(xiàn)在：</p><p>　?、?由于剎車能力只與氣囊內(nèi)地壓縮空氣的壓力成正比，而與鉤載的大小無關；</p><p>　　② 既能做為輔助剎車，又可用做完全剎車；</p><p>　?、?循環(huán)水冷卻剎車盤，減少廢液的排放；</p><p>　?。?）水循環(huán)冷卻系統(tǒng)</p><p

20、>　　絞車的水循環(huán)冷卻系統(tǒng)是由兩套獨立的水循環(huán)裝置組成，共用一個大水箱，它分別由電機、水泵、管線及水罐組成。水源采用水罐和鉆井偏房水罐中的水。一路為滾筒剎車裝置散熱，一路為輔助剎車散熱。</p><p>　　3.6 天車防碰與緊急剎車裝置</p><p>　　天車防碰裝置主要由防碰肘閥、繼氣器、梭閥、防碰控制閥組成。當游車大鉤上升到一定高度時，繩筒上快繩排繩到位，防碰肘閥閥桿被碰斜

21、，使該常閉閥打開，主氣通過防碰肘閥進入常閉繼氣器，是氣包內(nèi)主氣分別進入氣動輔助活塞缸及剎車氣缸，氣動輔助活塞缸及剎車氣缸同時起作用，進剎死滾筒。同時另一路控制常開繼氣器，切斷進入司鉆閥的進氣，從而使?jié)L筒的離合器放氣，絞車停止轉動，達到天車放碰的目的。緊急剎車裝置是利用氣動輔助剎車的制動機構及主剎車氣缸同時作用，由司鉆認為控制絞車剎車。司鉆臺上有緊急剎車控制閥，無論何時，只要司鉆認為有必要緊急制動，只要按下此閥，主滾筒便可在最短時間內(nèi)停止

22、轉動，從而達到緊急剎車的目的。</p><p>　　另外，在主滾筒導氣龍頭一端安裝高度指示儀的傳感器，當游車大鉤超過設定高度，則自動報警。</p><p><b>　　3.7 絞車結構</b></p><p>　　JC-70D2絞車為內(nèi)變速，墻板式，全密閉四軸絞車，其中內(nèi)變速可以使絞車獲得四個檔，轉盤二個檔，換檔有機械換檔和氣ZJ70/4500

23、D 鉆機。</p><p>　　1）圖 2-2 絞車傳動流程圖該絞車為四軸式絞車結構，即由輸入軸，傳動軸，撈砂滾筒軸，滾筒軸胎離合器換檔兩種方式，機械換 檔需停車換檔。絞車的傳動鏈條采用強制潤滑，設有剎車盤循環(huán)水冷卻及風冷式電磁渦流剎車。從功能看，JC-70D2絞車傳動主要由以下幾個部分組成： 傳動部分：引入并分配和傳遞動力。主要包括輸入軸，傳動軸，撈砂滾筒軸，滾筒軸等總成及傳動鏈條等組成。</p>

24、<p>　?。▓D2-2） 1—撈砂滾筒總成： 2—傳動軸總成：3—換擋機構：4—絞車架: </p><p>　　5—SDF70電磁渦流剎車盤式剎車：7—滾筒軸總成：8撈砂滾筒剎車</p><p>　　2） 提升部分：擔負著起放井架、鉆臺，起下鉆具，下套管子及起吊重物，上卸扣等，主要包括滾筒軸總成，撈砂滾筒軸總成，絞車主要是通過動力的傳動來完成游動系統(tǒng)的起升作業(yè)和撈砂滾筒的輔助作

25、業(yè)。動力機組輸出的功率經(jīng)過并車箱和角傳動箱，到達鏈條傳到撈砂滾筒軸，再通過鏈條將功率傳遞給主滾筒。同時，在主滾筒的另一側，直接安裝WCB324輔助剎車，這樣就實現(xiàn)了功率的逐步傳遞。整個絞車系統(tǒng)設置有多種安全保護及輔助操作裝置，保證了作業(yè)的安全可靠。 </p><p>　　4 絞車機組主要部件的計算和分析</p><p>　　4.1 主滾筒

26、參數(shù)確定</p><p>　　起升滾筒是絞車中最重的部件，在起升系統(tǒng)中，滾筒的起升慣性矩占全部慣性矩的50%～60%。所以，滾筒設計計算的任務是：選擇滾筒的結構形式、核算滾筒的強度。在此基礎上盡量減輕滾筒的重量，以節(jié)約材料，便于運輸。同時使絞車起動動載小，加速操作和延長離合器壽命。</p><p><b>　　外滾筒剖面圖</b></p><p&g

27、t;　　4.1.1滾筒的結構類型選擇</p><p>　　典型的滾筒結構包括滾筒體、兩套輪轂和剎車鼓，輪轂外側有鋼絲繩固定裝置，并在其對側有靜平衡補償塊。剎車鼓是易損件，用螺釘聯(lián)結在輪轂上，可迅速更換。輪轂與滾筒軸的的聯(lián)結采用鍵裝靜配合，滾筒體和輪轂的材料為35號鋼或5號鋼板，而剎車鼓則采用特種耐熱鋼鑄成。</p><p>　　滾筒的結構類型主要有兩種：</p><p&

28、gt;<b>　　1）鑄造組裝滾筒</b></p><p>　　由于滾筒整體鑄造時結構形狀復雜，易出廢品。所以分開3件鑄造，加工好后在組裝在一起。顯然，由于制造工藝的限制，各處斷面只能鑄得相當厚，既加大了重量又費加工量，所以不如焊接滾筒輕。</p><p><b>　　2） 焊接滾筒</b></p><p>　　滾筒的滾筒

29、體和輪輻用鋼板焊成一體，殺車鼓可局部采用鑄或鍛件，筒的內(nèi)部了加焊加強筋環(huán)。這樣滾筒既輕，又不容易出廢品，而且在近代焊接工藝的條件下，焊接較厚的鋼板已經(jīng)完全可以保證質(zhì)量。這種滾筒以前只在單件的中型鉆機的滾筒生產(chǎn)上采用，現(xiàn)在也推廣到了重型鉆機上。</p><p>　　所以，本次設計滾筒結構類型選用焊接滾筒。</p><p>　　4.1.2  滾筒直徑D1與滾筒長度L的計算</p

30、><p>　　D1主要是根據(jù)鋼絲繩的結構和直徑的大小來決定，總的原則是在不使鋼絲繩過分彎曲的前提下，將D1設計的偏小一點。這對減輕絞車的重量，減小絞車的啟動載荷都有好處。最于輕型、中型鉆機，當鋼絲繩的安全系數(shù)較大時，允許選用D1=（17～ 23）d ,其中d為鉆井鋼絲繩的直徑，d=32 mm。</p><p>　　所以：D1=（17～23）d</p><p>　　= 5

31、44～736 （mm）</p><p>　　按照上述原則，取 D1= 580 mm對于絞車長度的設計，一般滿足API 要求纏繩不超過4層的前提下，越小越好。</p><p>　　根據(jù)美國絞車設計經(jīng)驗 ：</p><p>　　L =（1.26 ～2.57 ）D1</p><p>　　= 730～ 1490 （mm）</p>

32、<p>　　通過對比分析， L 取 1080 mm 。確定L后，再計算快繩的傾斜角，驗算L設計的合理性。L =2Ｈtgλ其中：</p><p>　?。权D―滾筒到天車間的距離。</p><p>　　λ――快繩的傾斜角，1.15 ～1.30，通過計算，快繩的傾斜角小于1.15。</p><p>　　所以，滾筒長度符合設計要求：剎車鼓直徑D2：根據(jù)使用經(jīng)驗　

33、D2 =（1.8～2.3）D1 ＝1044～1344 （mm），通過綜合分析：D2 可取1170 mm 。</p><p>　　4.1.3 滾筒上的容繩量 M</p><p>　　游動系統(tǒng)為5×6 ，最大繩數(shù)為10繩，其完成立根行程為 L=28m，滾筒上留有纏繩10圈。</p><p>　　則：M= 28 m×10+ π（D1 + d）

34、5;10</p><p><b>　　= 300 m</b></p><p>　　纏繩層數(shù)e 的計算，由于 M =πD3 *n *e ，而D3 = D0 +（eψ-ψ+1）d </p><p>　　D3--滾筒平均工作直徑，D0-–滾筒工作直徑，580mm 。</p><p>　　d-- 鋼絲繩直徑 32mm ，ψ--取

35、 0.9</p><p>　　n-- 每層排數(shù)，根據(jù)滾筒的設計長度和繩槽的要求，n取35 。</p><p>　　所以有：M =πD3*n*e = 300：</p><p>　　則3.14×[0.58 +（e*0.9 - 0.9+1）×0.029]×35 * e =300。</p><p>　　e = 4（e取整

36、數(shù)，化整時<0.2舍去，>0.2則進位）。</p><p>　　4.2  滾筒體的強度核算</p><p>　　4.2.1  最大應力</p><p>　　滾筒體是一個鑄鋼的或板焊的厚壁筒。在起下鉆的過程中，由快繩拉力P對滾筒壁造成的載荷有彎矩M彎 、扭矩M扭以及纏緊的鋼絲繩對筒壁的外力p1。而實際證明，由于前兩種載荷所引起

37、的應力都較第三個要小得多，所以在計算時可以忽略不計。而外壓力p1在筒壁中產(chǎn)生的壓縮應力卻很大，成為強度校核的側重點。由于輪輻兩邊加強的作用，所以壓縮應力最大點發(fā)展在滾筒長度中段。而此應力又以內(nèi)壁表面的切向應力max為最大。</p><p>　　根據(jù)材料力學厚壁筒的一般公式，當只有外壓力pL時， D筒，D內(nèi)分別為滾筒體的外徑和內(nèi)徑。設筒體壁厚為，以 D內(nèi)=D筒-2 代入上式，然后忽略4 小值不計，則可得近

38、似值。則對于次此設計中的絞車滾筒體而言，其材料用35號鑄鋼，其壁厚為52.5mm：</p><p>　　所以有纏繩螺距S = 32 + 2=34 mm</p><p>　　= 2×2352 Kg/cm</p><p>　　而35號鑄鋼的 為28000Kg/ cm，n = 1雖然此時的n不是絕對可靠的安全系數(shù)，但是在滾筒體內(nèi)設有加強筋環(huán)，能夠起很大

39、的提高強度的作用，故這里可以認為滾筒體是安全的。這樣一來，對于一定結構尺寸的滾筒，其最大壓應力取決于滾筒的外壓力pL。</p><p>　　4.2.2  鋼絲繩纏繞的滾筒的強度核算</p><p>　?。?） 當滾筒上只有一層鋼絲繩纏繞時，在滾筒體上分離出一條寬為S毫米的半圓環(huán)，S=D繩+2，在這個分離半圓環(huán)上的力相互平衡。兩端鋼繩拉力與環(huán)對鋼繩的反力pL的垂直分力相平衡。2P

40、= 2 D繩 + 2，這一公式對于剎帶、單向離合器均適用。</p><p>　?。?） 實際的滾筒上鋼繩作多層纏繞時，max不是按比例增加的（由應力實際測定證明）。</p><p>　　首先，滾筒和鋼絲繩兩者都是彈性體，當纏完第一層鋼絲繩時滾筒體向內(nèi)收縮，暫時穩(wěn)定為一定的彈性狀態(tài)，再纏繞第二層時，在新增加的外壓力p1的作用下滾筒體進一步進行收縮，這就使本已經(jīng)纏好的第一層鋼絲繩的拉力松弛下來

41、，而小于原來的壓力P，減小的程度與滾筒的彈性和鋼繩的相對剛度有關，可按以下經(jīng)驗公式計算：多層纏繞時的最大應力 max=AKg/cm 。</p><p>　　式中為多層纏繞經(jīng)驗系數(shù)，可參考下列數(shù)據(jù)：</p><p>　　滾筒體壁強度條件，其安全系數(shù)n = 1.5，式中為滾筒體材料的屈服極限，Kg/cm2考慮到滾筒內(nèi)即使產(chǎn)生局部塑性變形時，滾筒的正常工作仍不受影響，從盡量減輕滾筒重量方面著眼，

42、特殊情況下n = 1。</p><p>　　4.3  剎車機構的分析及計算</p><p>　　剎車機構的任務是剎慢或剎住被下鉆載荷所帶動的滾筒，達到調(diào)節(jié)鉆壓、送進鉆具、控制下鉆速度以及剎住懸持鉆具的目的。因此要求剎車機構靈活、可靠。剎車機構是絞車上最重要的部件，但同時也是最薄弱的部件。</p><p>　　4.3.1  剎車機構的組成和作用&l

43、t;/p><p>　　DSF風冷型電磁渦流剎車主體外形及安裝圖</p><p>　　剎車機構的組成和作用如下：剎把可以轉動杠桿，通過曲拐拉拽剎帶的活動端，使之圍抱剎車鼓。剎車帶用鉚釘鉚在鋼帶上，塊間有間隙。兩條剎帶的固定端用行程限制螺桿連接在平衡梁上，平衡梁的作用是補償和調(diào)整兩副剎車帶的作用不均性。由于剎車帶的可能不等長，剎帶與剎車間的距離不一樣，以及杠桿受力變形后的扭轉變形等原因，以至兩副剎

44、車帶的拉力不一樣。如果將剎帶緊端栓在平衡梁上，則通過平衡梁將兩帶的作用調(diào)均勻，使它們基本一樣。另外，當剎車鼓與剎車塊之間的空隙磨大了，剎把的最后剎住角度越來越小，不便于操作時，則將螺桿上的螺母調(diào)緊，使空隙變小。</p><p>　　在杠桿的尾端裝有氣剎車，通過剎把收兵的扭轉來調(diào)節(jié)司鉆閥來以調(diào)定汽缸中的氣壓，既調(diào)節(jié)氣剎車的力的大小。手剎車起主要作用，氣剎車是為了省力。輔助剎車是為了減輕手動剎車的負擔。當氣剎車和輔助

45、剎車完全發(fā)生鼓掌時，應保證只用帶剎車仍能堅持下鉆和正常鉆進剎帶由50號彈簧鋼板制成，用彈簧螺釘掛在絞車外殼上。剎帶上鉚有剎車塊，它由耐熱、耐磨、具有較大的摩擦系數(shù)的石棉塑膠或石棉繩編織品壓制而成。</p><p><b>　　帶式剎車的優(yōu)點有：</b></p><p>　?。?） 包角a可達到270度甚至330度，其制動力矩可隨包角的增大而加大，以適應重型轎

46、車的需要。</p><p>　　（2） 采用雙杠剎車機構既省力又安全。</p><p>　?。?） 結構簡單緊湊，便于維修。</p><p>　　但由于剎帶的作用，也使之存在一些缺點：</p><p>　?。?） 剎車時滾筒軸受一彎曲力，其值為T、t的向量和。</p><p>　　（2）&

47、#160;只能用于單向制動，因其反向制動力矩要小的多，所以在鉆機方案設計的時候，要注意滾筒的旋轉方向。</p><p>　?。?） 活動端和固定端的剎車塊磨損不一致。</p><p>　　4.3.2 剎車塊與摩擦材料</p><p>　　在鉆機絞車上為了獲得較大的制動力矩，并具有較小的剎車尺寸，采用了特制的剎車塊，它是由石棉纖維，混合塑膠粉和填料在溫度18

48、0度左右，壓力250下壓制成瓦塊形。塑膠粉主要成分是樹脂，丁苯膠和少量橡膠粉。填料的主要成分是長石粉，硫酸鋇，還原鐵粉，銅絲和少量石墨片等，加入金屬絲的目的是為了提高剎車塊的傳散熱性能。</p><p>　　下鉆制動操作對剎車塊的要求：</p><p>　?。?） 摩擦系數(shù)要高。</p><p>　?。?） 耐熱性要好，在高溫下能保持其性能。&l

49、t;/p><p>　　（3） 在允許的比壓，溫度，速度范圍內(nèi)耐磨性要好。</p><p>　?。?） 容易加工，制造成本低。</p><p>　　現(xiàn)有石棉塑膠壓制剎車塊的重度為2，硬度為 HB 28-33，硬度越硬越耐磨，但同時剎車鼓的磨損也將增大。在比壓P=50～60公斤/厘米和線速度50～60米/秒的條件下剎車塊的允許溫度T允：表皮T允

50、≤1000度,材料體內(nèi)部T允≤400～600度,允許溫度就是這樣一個臨界溫度超過他剎車塊的摩擦系數(shù)顯著下降，磨損率急劇增加。國產(chǎn)剎車塊的的摩擦系數(shù)μ=0.45～0.5。從大量的剎車塊實驗資料來分析，可以認為，只要是剎車塊在允許的溫度范圍下使用，其米擦系數(shù)變化不大，可以近似的認識是一個常數(shù)。</p><p>　　4.3.3 剎車摩擦副的發(fā)熱、磨損計算</p><p>　　下鉆過程中。載荷和起

51、升系統(tǒng)的的運動自量的動能在剎車時，通過摩擦轉變?yōu)闊崮?，使摩擦副發(fā)熱，降低其摩擦系數(shù)，加速其磨損甚至使剎車鼓變形龜裂。剎車機構設計計算任務之一就是要計算摩擦副的熱負荷，一避免可能發(fā)生的制動力矩不足或溜鉆事故，摩擦副的發(fā)熱計算。</p><p>　　（1） 由于鋼制的剎車鼓是良導體，石棉制的剎車塊是絕熱導體，所以摩擦發(fā)生的大部分熱量主要由剎車鼓吸收和傳導，并主要是有剎車鼓的側面和背面向外發(fā)散。為了加強散熱效

52、果，鼓的背面應該還有散熱片或強制冷卻水套。</p><p>　?。?） 在高溫滑行（v=30米/秒）的摩擦副表面溫度最高，剎車鼓表面可高過900度，在夜間可以看見表面燒紅和不斷迸出火花。在剎車塊表面溫度可高過1200度。但塊和鼓的高溫都只限于很淺的表層（大概3-4毫米），并且在不剎車時，在3-5秒內(nèi)立即冷卻到200-300度，為此重復不已，鼓與塊都發(fā)生熱疲勞裂紋。</p><p>

53、;　?。?） 在下鉆550米以后開始掛水剎車，由于散熱充分，剎車鼓的外表面溫度可穩(wěn)定在150-200之間，短暫的剎住過程是摩擦副表面溫度控制在350以內(nèi)，這就減輕了帶剎車的熱負荷，延長了摩擦副的壽命。</p><p>　　對于普通的剎車鼓，當平均制動功率為N時的最大穩(wěn)定溫度大于摩擦副的允許溫度時是不允許的，必須降低穩(wěn)定溫度，如設計大尺寸剎車，采用人工冷卻等，否則要被迫降低平均制動功率（如減少剎車頻率），

54、這是最不合理的。此外摩擦材料不同對穩(wěn)定溫度也有一定影響，如含有金屬網(wǎng)的剎車塊比沒有的穩(wěn)定溫度要低5-10度，陶瓷剎車塊要比石棉剎車塊低20-30度。</p><p>　　目前還沒有開展鉆井剎車副發(fā)熱的實驗研究，所以還缺乏充分的資料，這是要進一步的研究任務。</p><p>　　4.4 主滾筒軸設計計算</p><p>　　根據(jù)實際經(jīng)驗，鉆機滾筒軸長度一般在

55、3m左右，直徑一般在200 mm ，而ZJ30/1700型鉆機為中深鉆機，因此粗略估計其軸直徑為200 mm，長度為3 m ，材料選用 40CrNi 。</p><p><b>　　滾筒軸圖</b></p><p>　　4.4.1  滾筒軸強度校核</p><p><b>　　（一）靜強度校核</b></p

56、><p>　　（1）快繩拉力和和滾筒扭矩：Qmax = 1700 KN (最大鉤載)，游動系統(tǒng)</p><p>　　η游 = 0.81 （API推薦）。</p><p>　　所以：P= Qmax / Z *η游） = 1700×1.04 /0.81 × 10 ≈218 KN</p><p>　　P--快繩最大拉力，作

57、用在滾筒的右端，D3 = D0 +（eψ- ψ+1）d</p><p>　　D3--滾筒平均工作直徑860mm，D0--滾筒直徑580mm，d-- 鋼絲繩直徑32mm e--纏繩層數(shù) 4層。ψ--取 0.9, D3 =687.3mm =0.687 m,所以快繩拉力產(chǎn)生的扭矩 Mp：</p><p>　　Mp = P * D3/ 2 =2100×6873/2 =72.17

58、KNm，此扭矩由二輪轂平均傳遞，所以右端Ⅰ-Ⅱ段為全部傳遞Mp=72.17KNm ，而Ⅱ-Ⅲ段只傳遞一半扭矩，為36.10KNm。</p><p>　?。?） 鏈條拉力T，鋼絲繩在右端時，軸受力的情況最惡劣，故按此狀況進行計算，近似把鋼絲繩看成垂直的。</p><p>　　T = P * D3/（D2*η筒 ）</p><p>　　=21000×687.3

59、3/（594.8 × 0.97）</p><p>　　=25000 kgf</p><p>　　D3 =687.3 mm，η筒 =0.97，D2 = 594.8，鏈條緊邊與水平夾角α= 29.296</p><p>　　Ty = T×sinα= 12235 kgf</p><p>　　Tx = T×sinα= 2

60、1800 kgf</p><p>　?。?）固定重量：滾筒重 2620kgf ，平均加在二輪轂中心處，另外還有鏈輪等重180kgf 。 </p><p>　?。?）計算彎矩 Mw</p><p>　　①  在垂直面內(nèi) ∑MB = 0</p><p>　　Ay = 28100 kgf</p><p><b

61、>　　∑Py = 0</b></p><p>　　By = 420 kgf</p><p>　?、?#160; 在水平面內(nèi) ∑MB = 0</p><p>　　Ax = 23800 kgf</p><p><b>　　∑ Px = 0</b></p><p>　　Bx = 200

62、0 kgf</p><p>　?、?#160; 軸在Ⅰ，A，Ⅱ，Ⅲ各截面處的彎矩 Mw</p><p><b>　　在垂直面內(nèi)：</b></p><p>　　Ⅰ截面： MⅠy = -0.525 kgf cm</p><p>　　A 截面： May = 0.99 kgf cm</p>

63、;<p>　　Ⅱ截面： MⅡy = -3.00 kgf cm</p><p>　?、蠼孛妫?MⅢy =-0.503 kgf cm</p><p>　　在水平面內(nèi)：A截面：MAx =3.05 kgfcm:Ⅱ截面：MⅡx = 2.59 kgfcm</p><p><b>　　（二）靜強度計算</b&g

64、t;</p><p>　　Ⅱ截面的彎矩和彎扭聯(lián)合作用最大，所以首選Ⅱ截面進行強度校核，Ⅰ處截面最小，因此承受扭矩最大，A處受力最大扭矩和彎矩聯(lián)合作用，因此也要校核。 </p><p>　?。?）截面Ⅱ處，軸徑d= 18.5 cm，鍵槽寬 b= 4.5 cm，深 t=1.5 cm</p><p>　　抗彎截面模量：Z=0.569,抗扭截面模量：Zp

65、 = 1.19,</p><p>　　合成彎矩：MⅡ=3.96 kgf m。</p><p>　　材料： 40 CrNi δS=58kgf/mm ，安全系數(shù)[Ss]取1.7 ～2.0 ，Ss = 4.59 > [Ss],故截面II處安全。</p><p><b>　?。?）截面A處：</b><

66、/p><p><b>　　D = 16 cm</b></p><p>　　Z = 401.92</p><p>　　Zp = 803.84</p><p>　　Ss = 3.2 kgf m</p><p>　　Ss = 3.3>[Ss]</p><p>

67、;<b>　　故A截面處安全。</b></p><p>　?。?） I 截面處：此截面只受扭矩，M扭=7.21kgf cm，軸徑d=15.5cm  ，b=4cm ，t = 1.1cm 。</p><p>　　Zp = 701.38</p><p>　　Ss = 3.26 >[Ss]</p><p><

68、;b>　　故I截面安全。</b></p><p>　　4.4.2  疲勞強度核算</p><p>　　由于滾筒、鏈輪、離合器作用點有的和P以及Ty在同一點上，抵消后可得：P=13569 kgf ，Ty=8546 kgf。</p><p><b>　　計算彎矩：</b></p><p>　?。?

69、） 垂直平面內(nèi)Ay=22554 kgf、By=-3574 kgf</p><p>　?。?） 水平面內(nèi)：Ax = 16965 kgf 、Bx = 16965-15551 = 1414 kgf</p><p><b>　　（3）計算彎矩</b></p><p>　　垂直平面內(nèi)：I截面 ：MⅠy = -0.525、II

70、截面：MⅡy = 0.52</p><p>　　A截面內(nèi)：May = -2.9、水平面內(nèi)：A截面：Max=2.17</p><p>　　II截面：MⅡx=1.85</p><p>　　（4）疲勞強度核算，由[S]= 1.5</p><p>　　S  ：只考慮彎矩作用的安全系數(shù)。</p><p>　　---對稱

71、循環(huán)應力下的材料彎曲疲勞極限，S =380Mpa</p><p>　　---對稱循環(huán)應力下的材料扭轉疲勞極限，S =215Mpa</p><p>　　K---彎曲和扭轉時的有效應力集中系數(shù)：K =3.2 ，K =2.32</p><p>　　---表面質(zhì)量系數(shù)，K =1.5</p><p>　　---彎曲和扭轉時的尺寸影響系數(shù),K&

72、#160;= 0.54 ,K = 0.6</p><p>　　---材料拉伸和扭轉的平均應力計算系數(shù),K =0.43,K =0.29</p><p>　　---彎曲應力的應力幅和平均應力幅。</p><p>　　Z---為抗彎截面模量：II 截面：ZⅡ =569，A截面：ZA= 402，</p><p>　　---轉應力的

73、應力幅和平均應力幅（MPa），</p><p>　　II截面Z =1137 ，A截面 ：Z =804</p><p>　　Z = 30.2Mpa，II = 22.6 MPa</p><p>　　所以截面II：S > [S] ，故II截面安全。</p><p>　　A截面：S = 27.8 MPa</p>

74、<p>　　S = 32 MPa</p><p>　　S = 32 MPa</p><p>　　S >[S]，故A截面也安全。</p><p>　　4.4.3 主滾筒剎車力校核計算</p><p>　　設剎帶兩端的總拉力（兩帶上的拉力之和）為t，固定端總拉力T ，剎帶包角a = 340 ，則有下列關系 ：T=e,設下鉆到最大

75、井深時的最大制動力矩M,式中為下放時游動系統(tǒng)載荷，約為起升時的70%。</p><p>　　則：M = 1700×0.7 = 1190 KN。 </p><p>　　---動載系數(shù)，取1.5～2 ，取2。</p><p>　　---滾筒第一層纏繩直徑，D = D+d =0.58+0.032=0.612 m,游動系統(tǒng)效率，取0.81,絞車滾筒效率，取0.9

76、7,Z—有效繩數(shù)，Z= 10代入以上各值：M = 57221 Nm,在整個剎帶的弧長上，剎帶拉力由T遞減為t ，其差值為制動力F，F(xiàn) =2 M /D。</p><p>　　D---剎車轂直徑為1.17m,F = 2 M /D = 2×57221/1.17 = 97814 N。</p><p>　　U---剎車帶與剎車轂間的摩擦系數(shù)，u取0.45，剎車包角a = 340

77、時，e =14.73t，F(xiàn)=97814/13.73=7124 N。</p><p>　　所以，有M=260 Nm。</p><p>　　即剎車搖柄所需要的扭矩為260Nm，此由絞車氣控系統(tǒng)提供，而氣控系統(tǒng)所提供的最大輸出扭矩為1200 Nm，能滿足剎車力的需要。</p><p><b>　　5 參考文獻</b></p><

78、p>　　【1】張永益,滕振超,劉洋; 石油鉆機的可靠度與維修規(guī)則 [J];大慶石油學院學報;2003年01期</p><p>　　【2】 賈燕,黃志強,李琴,劉德明,李國忠,任杰,張弭,相臻; 氣動剎車橡膠活塞膜ANSYS分析及設計 [J];石油機械;2003年09期</p><p>　　【3】溫澤民,張家元,王吉峰,馬仁君; 用“技術新度K_j”評價石油鉆機 [J];石油機械;20