zj70鉆機(jī)絞車畢業(yè)設(shè)計

1、<p>　　《石油設(shè)備與工具方案設(shè)計課程設(shè)計》</p><p>　　題目名稱： JC70D2鉆井絞車 </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　學(xué)生學(xué)號 </p&

2、gt;<p>　　專業(yè)年級：機(jī)械工程及自動化2009（礦機(jī)）</p><p>　　指導(dǎo)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(yīng)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(jī)。其中美國的鉆機(jī)技術(shù)和銷售業(yè)績在世界上穩(wěn)居首位，所以與國際技術(shù)接軌，實際上是與以美國為代表的鉆機(jī)技術(shù)及API規(guī)范接軌。就我國目前普遍使用的機(jī)械驅(qū)動鉆機(jī)而言，美

4、國在20世紀(jì)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(jī)在傳動方式和結(jié)構(gòu)形式方面的改進(jìn)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(shè)計和改進(jìn)有著突飛猛進(jìn)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(yù)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(jī)絞車這一重要設(shè)備的。石油鉆機(jī)在規(guī)模上有兩極發(fā)展的趨勢，即深井鉆機(jī)大型

5、化和輕便鉆機(jī)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(jī)絞車在傳動方式和結(jié)構(gòu)形式方面的改進(jìn)發(fā)展很快，交流變頻電驅(qū)動、步進(jìn)電機(jī)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(shè)計和改進(jìn)有著突飛猛進(jìn)的發(fā)展。深井鉆機(jī)趨向大型化，鉆深能力已達(dá)15000m，最大鉤載達(dá)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(jī)

6、驅(qū)動，采用強(qiáng)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(jī)系列中，絞車輸人功率最大1838 kW。通過對絞車的轉(zhuǎn)動原理、電機(jī)的選擇、主滾筒的力性能核算、剎車系統(tǒng)的改進(jìn)使得ZJ70鉆機(jī)絞車整體得到了良好的改進(jìn)與優(yōu)化</p><p><b>　　3總體設(shè)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(jī)的傳動系統(tǒng)之一，它不但擔(dān)負(fù)鉆機(jī)起下鉆具和下套管及上卸扣, 還擔(dān)負(fù)著鉆頭鉆進(jìn)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(dān)負(fù)著井架及鉆機(jī)前后臺起升和降落任務(wù)。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(jī)組。</p><p>　　JC-70D2絞車具有如下特點(diǎn)：&

8、lt;/p><p>　　1) 絞車功率大絞車由兩臺YZ08(國產(chǎn))電機(jī)作為動力，經(jīng)動力裝置輸入軸并車，額定輸入功率可達(dá)1470kW。 </p><p>　　2) 調(diào)速性能好、功率利用高為適應(yīng)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(dá)4正4倒，由于采用直流電機(jī)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(zhǔn)確地調(diào)節(jié)和控制鉆壓，達(dá)到均勻送鉆，在下鉆過程中能控制下放速度。同時配備有風(fēng)冷式電磁渦流剎車作為輔助剎車，使絞車工作的可靠性進(jìn)一步提高。 </p><p>　　4) 絞車具有操作省力，控制先進(jìn)的特點(diǎn)該絞車采用機(jī)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(jié)構(gòu)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(diǎn)。 </p><p><b>　　3.2盤剎絞車</b></p><p>　　結(jié)構(gòu)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(jī)提供動力，配絞車插件，安裝在重型拖撬裝置上（帶輔助設(shè)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(hù)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(zhuǎn)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(jī)</b></p><p>　　本鉆機(jī)配備9套YZ08/YZ08A 直流電動機(jī)： </p><p>　　1) 電機(jī)制造符合IEEE 標(biāo)準(zhǔn)。適應(yīng)環(huán)境條件：溫度：-40℃-55℃ 濕度：+20℃時相對濕度≤90% 沙漠、風(fēng)沙等惡劣工況。</p

13、><p><b>　　2) 技術(shù)參數(shù)：</b></p><p>　　電機(jī)(定/轉(zhuǎn))H/H 通風(fēng)方式為強(qiáng)迫通風(fēng)，電機(jī)正轉(zhuǎn)方向為順時針(從傳動端視)：。</p><p>　　3) 各部溫升限值、電機(jī)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(jié)構(gòu)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(jī)控制簡圖</b>

15、;</p><p>　　滾筒軸由兩臺YZ08 電機(jī)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(jī)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)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>　　（2）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(fù)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(diǎn)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(guān)；</p><p>　?、?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(dú)立的水循環(huán)裝置組成，共用一個大水箱，它分別由電機(jī)、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(dāng)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(jìn)入常閉繼氣器，是氣包內(nèi)主氣分別進(jìn)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(jìn)剎死滾筒。同時另一路控制常開繼氣器，切斷進(jìn)入司鉆閥的進(jìn)氣，從而使?jié)L筒的離合器放氣，絞車停止轉(zhuǎn)動，達(dá)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(jī)構(gòu)及主剎車氣缸同時作用，由司鉆認(rèn)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(rèn)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(zhuǎn)動，從而達(dá)到緊急剎車的目的。</p><p>　　另外，在主滾筒導(dǎo)氣龍頭一端安裝高度指示儀的傳感器，當(dāng)游車大鉤超過設(shè)定高度，則自動報警。</p><p><b>　　3.7 絞車結(jié)構(gòu)</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(zhuǎn)盤二個檔，換檔有機(jī)械換檔和氣ZJ70/4500

23、D 鉆機(jī)。</p><p>　　1）圖 2-2 絞車傳動流程圖該絞車為四軸式絞車結(jié)構(gòu)，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(jī)械換 檔需停車換檔。絞車的傳動鏈條采用強(qiáng)制潤滑，設(shè)有剎車盤循環(huán)水冷卻及風(fēng)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(jī)構(gòu)：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(dān)負(fù)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(jī)組輸出的功率經(jīng)過并車箱和角傳動箱，到達(dá)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(cè)，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(shè)置有多種安全保護(hù)及輔助操作裝置，保證了作業(yè)的安全可靠。 </p><p>　　4 絞車機(jī)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(shè)計計算的任務(wù)是：選擇滾筒的結(jié)構(gòu)形式、核算滾筒的強(qiáng)度。在此基礎(chǔ)上盡量減輕滾筒的重量，以節(jié)約材料，便于運(yùn)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(jié)構(gòu)類型選擇</p><p>　　典型的滾筒結(jié)構(gòu)包括滾筒體、兩套輪轂和剎車鼓，輪轂外側(cè)有鋼絲繩固定裝置，并在其對側(cè)有靜平衡補(bǔ)償塊。剎車鼓是易損件，用螺釘聯(lián)結(jié)在輪轂上，可迅速更換。輪轂與滾筒軸的的聯(lián)結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形狀復(fù)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(dāng)厚，既加大了重量又費(fèi)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(qiáng)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(jī)的滾筒生產(chǎn)上采用，現(xiàn)在也推廣到了重型鉆機(jī)上。</p><p>　　所以，本次設(shè)計滾筒結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)計的偏小一點(diǎn)。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(jī)，當(dāng)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(shè)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(shè)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(shè)計的合理性。L =2Ｈtgλ其中：</p><p>　　Ｈ――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(shè)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(shè)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(jìn)位）。</p><p>　　4.2  滾筒體的強(qiáng)度核算</p><p>　　4.2.1  最大應(yīng)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(yīng)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(yīng)力卻很大，成為強(qiáng)度校核的側(cè)重點(diǎn)。由于輪輻兩邊加強(qiáng)的作用，所以壓縮應(yīng)力最大點(diǎn)發(fā)展在滾筒長度中段。而此應(yīng)力又以內(nèi)壁表面的切向應(yīng)力max為最大。</p><p>　　根據(jù)材料力學(xué)厚壁筒的一般公式，當(dāng)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(shè)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(shè)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(shè)有加強(qiáng)筋環(huán)，能夠起很大

39、的提高強(qiáng)度的作用，故這里可以認(rèn)為滾筒體是安全的。這樣一來，對于一定結(jié)構(gòu)尺寸的滾筒，其最大壓應(yīng)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(qiáng)度核算</p><p>　?。?） 當(dāng)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(yīng)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(dāng)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(jìn)一步進(jìn)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(guān)，可按以下經(jīng)驗公式計算：多層纏繞時的最大應(yīng)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(qiáng)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(jī)構(gòu)的分析及計算</p><p>　　剎車機(jī)構(gòu)的任務(wù)是剎慢或剎住被下鉆載荷所帶動的滾筒，達(dá)到調(diào)節(jié)鉆壓、送進(jìn)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(jī)構(gòu)靈活、可靠。剎車機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的組成和作用&l

43、t;/p><p>　　DSF風(fēng)冷型電磁渦流剎車主體外形及安裝圖</p><p>　　剎車機(jī)構(gòu)的組成和作用如下：剎把可以轉(zhuǎn)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(bǔ)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(zhuǎn)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(dāng)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(zhuǎn)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(fù)擔(dān)。當(dāng)氣剎車和輔助

45、剎車完全發(fā)生鼓掌時，應(yīng)保證只用帶剎車仍能堅持下鉆和正常鉆進(jìn)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(diǎn)有：</b></p><p>　　（1） 包角a可達(dá)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(yīng)重型轎

46、車的需要。</p><p>　　（2） 采用雙杠剎車機(jī)構(gòu)既省力又安全。</p><p>　　（3） 結(jié)構(gòu)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(diǎn)：</p><p>　?。?） 剎車時滾筒軸受一彎曲力，其值為T、t的向量和。</p><p>　?。?）&

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(jī)方案設(shè)計的時候，要注意滾筒的旋轉(zhuǎn)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(jī)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>　　（1） 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>　?。?） 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(rèn)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(rèn)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(yùn)動自量的動能在剎車時，通過摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽鼓Σ粮卑l(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(jī)構(gòu)設(shè)計計算任務(wù)之一就是要計算摩擦副的熱負(fù)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>　?。?） 由于鋼制的剎車鼓是良導(dǎo)體，石棉制的剎車塊是絕熱導(dǎo)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(dǎo)，并主要是有剎車鼓的側(cè)面和背面向外發(fā)散。為了加強(qiáng)散熱效

52、果，鼓的背面應(yīng)該還有散熱片或強(qiáng)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(fù)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(fù)荷，延長了摩擦副的壽命。</p><p>　　對于普通的剎車鼓，當(dāng)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(shè)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(jìn)一步的研究任務(wù)。</p><p>　　4.4 主滾筒軸設(shè)計計算</p><p>　　根據(jù)實際經(jīng)驗，鉆機(jī)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(jī)為中深鉆機(jī)，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(qiáng)度校核</p><p><b>　?。ㄒ唬╈o強(qiáng)度校核</b></p

56、><p>　?。?）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(jìn)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>　　（4）計算彎矩 Mw</p><p>　?、?#160; 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>　　②  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>　?、窠孛妫?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>　?。ǘ╈o強(qiáng)度計算</b&g

64、t;</p><p>　?、蚪孛娴膹澗睾蛷澟ぢ?lián)合作用最大，所以首選Ⅱ截面進(jìn)行強(qiáng)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>　　（2）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>　　（3） 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(qiáng)度核算</p><p>　　由于滾筒、鏈輪、離合器作用點(diǎn)有的和P以及Ty在同一點(diǎn)上，抵消后可得：P=13569 kgf ，Ty=8546 kgf。</p><p><b>　　計算彎矩：</b></p><p>　　（1

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>　?。?）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(qiáng)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(yīng)力下的材料彎曲疲勞極限，S =380Mpa</p><p>　　---對稱循環(huán)應(yīng)力下的材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限，S =215Mpa</p><p>　　K---彎曲和扭轉(zhuǎn)時的有效應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)的平均應(yīng)力計算系數(shù),K =0.43,K =0.29</p><p>　　---彎曲應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)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(zhuǎn)應(yīng)力的

73、應(yīng)力幅和平均應(yīng)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(shè)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(guān)系 ：T=e,設(shè)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(xiàn)</b></p><

78、p>　　【1】張永益,滕振超,劉洋; 石油鉆機(jī)的可靠度與維修規(guī)則 [J];大慶石油學(xué)院學(xué)報;2003年01期</p><p>　　【2】 賈燕,黃志強(qiáng),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(shè)計 [J];石油機(jī)械;2003年09期</p><p>　　【3】溫澤民,張家元,王吉峰,馬仁君; 用“技術(shù)新度K_j”評價石油鉆機(jī) [J];石油機(jī)械;20