第二章__鉆機(jī)的起升系統(tǒng)課件

1、第二章 鉆機(jī)起升系統(tǒng)1石油機(jī)械設(shè)備概述 鉆機(jī)的起升系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一臺重型起重機(jī)，它是鉆機(jī)的核心。它主要由井架鉆井架、天車、游車、大鉤、游動系統(tǒng)鋼繩、絞車和輔助剎車等設(shè)備組成。起升系統(tǒng)的作用主要是起下鉆具、下套管、控制鉆頭送進(jìn)等。2石油機(jī)械設(shè)備2.1 井 架3石油機(jī)械設(shè)備 井架是一種具有一定高度和空間的金屬桁架結(jié)構(gòu)。 井架是鉆采機(jī)械的重要組成部分。它在鉆井或修井過程中，用于安放天車，懸掛游車、大鉤、吊環(huán)、吊卡等機(jī)具，以及起下、存放鉆桿、油管及抽油桿，并需承受井中鉆柱重量。 因此，對井架的要求如下：4石油機(jī)械設(shè)備 1)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和整體穩(wěn)定性。以保證起下一定深度的鉆桿柱、套管或油管柱。 5

2、石油機(jī)械設(shè)備 2)有足夠的工作高度和空間，足夠的鉆臺面積。工作高度大，起下立根長度長，速度快，可節(jié)省時間。井架上下底應(yīng)有必要的尺寸，以安裝天車，并保證起下操作時游動系統(tǒng)設(shè)備暢行無阻；便于在鉆臺上布置設(shè)備，安放工具，方便工人操作，使司鉆有良好的視野。6石油機(jī)械設(shè)備 3)應(yīng)保證拆裝方便，安全，移動迅速。為此，結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單、輕便，并盡可能采用分段或整體運(yùn)輸，水平安裝及整體起放的安裝移運(yùn)方法。7石油機(jī)械設(shè)備2.1.1概述1.井架的基本組成 主要包括：井架主體，天車臺，二層臺，立管平臺，工作梯。2.井架的基本參數(shù) 井架的基本參數(shù)是反映井架特征和性能的技術(shù)指標(biāo)，亦是設(shè)計(jì)、選擇和使用井架的依據(jù)。 基本參數(shù)主要

3、包括：井架高度、最大鉤載、二層臺立根容量、抗風(fēng)能力等。8石油機(jī)械設(shè)備3.井架型號 井架型號的組成：JJ(表示井架)、最大鉤載/井架高度-井架型式、改進(jìn)序號2.1.2井架結(jié)構(gòu)類型 井架按其主體結(jié)構(gòu)形式可分為四種基本類型： 塔形井架； A形井架； 桅形井架； 前開口井架。9石油機(jī)械設(shè)備1塔形井架 塔形井架是一種橫截面為正方形或矩形的四棱截錐體空間桁架如圖所示。10石油機(jī)械設(shè)備 井架主體由四扇平面梯形桁架組成,每扇又分為若干桁格，同一高度的四面桁格在空間構(gòu)成井架的一層，故整個井架也可視為由多層空間桁架組成。11石油機(jī)械設(shè)備塔形井架的主要特點(diǎn)： (1)井架主體部分為封閉結(jié)構(gòu)，整體穩(wěn)定性好，承載能力大。

4、 (2)整個井架由許多單一構(gòu)件用螺栓聯(lián)接而成，制造簡單，運(yùn)輸方便。 (3)井架內(nèi)部空間大，起下操作方便，安全。 (4)拆裝工作量大，高空作業(yè)不安全，搬遷不方便。12石油機(jī)械設(shè)備 塔形井架適用于較少搬遷而要求承載能力大，穩(wěn)定性好的鉆機(jī)，如海洋鉆機(jī)、超深井鉆機(jī)。13石油機(jī)械設(shè)備2. 前開口井架 前開口井架亦稱為形井架，如圖所示。 其主要結(jié)構(gòu)特征是： 1)整個井架主體是35段焊接結(jié)構(gòu)組成。段間采用錐銷定位和螺栓聯(lián)接。14石油機(jī)械設(shè)備15石油機(jī)械設(shè)備 2)通常采取水平拆裝，整體起落和分段運(yùn)輸?shù)霓k法搬遷井架。搬遷方便、安全、迅速。16石油機(jī)械設(shè)備17石油機(jī)械設(shè)備 3)因受運(yùn)輸尺寸限制，井架主體截面尺寸較

5、小，使井架內(nèi)部空間比較狹窄。 為了方便游系設(shè)備上下運(yùn)行和立根排放，井架主體作成前扇敞開，橫截面為開口矩形(即形)的不封閉空間結(jié)構(gòu)，其整體穩(wěn)定性較塔形井架差而較A形井架優(yōu)。 有的前開口井架最上段作成四邊封閉結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)其穩(wěn)定性。18石油機(jī)械設(shè)備 4)井架各段兩側(cè)桁架結(jié)構(gòu)形式相同，背扇則采用特殊腹桿布置形式，如菱形，以保證司鉆視野良好。 由于前開口井架具有結(jié)構(gòu)簡單，移運(yùn)、搬遷方便、良好的承載能力和整體穩(wěn)定性，而成為應(yīng)用最廣泛的陸地鉆機(jī)井架。 如美國陸地鉆機(jī)幾乎全部采用前開口井架。 我國制造的各種鉆機(jī)(從1560)都可以配置此類井架。19石油機(jī)械設(shè)備3. A形井架 它是由兩個等截面的空間桿件結(jié)構(gòu)或管柱

6、式結(jié)構(gòu)的大腿靠天車臺和二層臺及附加桿件連接而成的“A”字形空間結(jié)構(gòu)。20石油機(jī)械設(shè)備 大腿的前方或后方有撐桿支承，或在后方用人字架支承。整個井架仍和前開口井架一樣，采取地面水平組裝，整體起放，分段運(yùn)輸。 兩個大腿都是由35段封閉的焊接結(jié)構(gòu)用螺栓聯(lián)結(jié)的整體結(jié)構(gòu)。大腿斷面依所選型材不同，而采取不同的截面形狀，一般為矩形或三角形。撐桿有桿系柱結(jié)構(gòu)，矩形斷面或管柱結(jié)構(gòu)。21石油機(jī)械設(shè)備 A形井架的每根大腿都是封閉的整體結(jié)構(gòu)，承載能力強(qiáng)和穩(wěn)定性好。井架內(nèi)部空間大，鉆臺寬敞，司鉆視野開闊。 由于兩腿間聯(lián)系較弱，致使井架整體穩(wěn)定性較差。22石油機(jī)械設(shè)備23石油機(jī)械設(shè)備 下圖是A形井架利用本身的撐桿來起放井架

7、，安裝方便，起放平穩(wěn)。但撐桿在起放時要在大腿上滑動，且撐桿受力復(fù)雜，故井架大腿和撐桿結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。24石油機(jī)械設(shè)備4桅形井架 桅形井架是一節(jié)或幾節(jié)桿件結(jié)構(gòu)或管柱結(jié)構(gòu)組成的單柱式井架，有整體式和伸縮式兩種。這種井架一般利用液壓缸或絞車整體起放，分段或整體運(yùn)輸，拆裝移運(yùn)很方便。25石油機(jī)械設(shè)備26石油機(jī)械設(shè)備27石油機(jī)械設(shè)備 由于井架橫截面尺寸小，為了避免游系設(shè)備上下運(yùn)行不便，并適應(yīng)井架伸縮或折疊的需要，井架前扇一般做成部分或全部敞開的形截面結(jié)構(gòu)。同時井架工作時也向井口方向前傾(傾角一般在7以內(nèi))。因此，繃?yán)K成了井架不可缺少的基本支承之一，是桅形井架整體結(jié)構(gòu)的主要特征。 桅形井架結(jié)構(gòu)簡單，輕便，但承

8、載能力小，只用于車裝輕便鉆機(jī)和修井機(jī)。28石油機(jī)械設(shè)備2.1.3典型自升式井架簡介 JJ450/45-K4、JJ300/43-A和JJ225/43-KC1三種井架的結(jié)構(gòu)特征、現(xiàn)場安裝拆卸和起升方法及規(guī)程。2.1.4井架的維護(hù)和保養(yǎng) 井架的潤滑、維護(hù)保養(yǎng)的要點(diǎn)和規(guī)程，以及注意事項(xiàng)。29石油機(jī)械設(shè)備2.2 鉆機(jī)的游動系統(tǒng)30石油機(jī)械設(shè)備2.2.1概述 鉆機(jī)的游動系統(tǒng)由天車、游車、鋼絲繩和大鉤組成。它實(shí)質(zhì)上是用鋼絲繩把天車和游動滑車聯(lián)系起來組成的動滑輪系統(tǒng)。它可以大大降低快繩拉力，從而大為減小鉆井絞車上的載荷。 通常所說的游動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，指的是游車輪數(shù)天車輪數(shù)。 如“游動系統(tǒng)56”，即表示游車輪數(shù)為5

9、，天車輪數(shù)為6。31石油機(jī)械設(shè)備2.2.2游動系統(tǒng)鋼絲繩與滑輪力學(xué)分析1.運(yùn)動分析 起下鉆的目的是為了更換新鉆頭，繼續(xù)鉆進(jìn)。 為了提高鉆井效率，要充分利用絞車功率，以縮短起下鉆時間。為此，首先要了解起下鉆過程的運(yùn)動規(guī)律和大鉤載荷變化規(guī)律。 如圖2-1所示，設(shè)V為大鉤速度，V1V6 為各段鋼繩速度， Vf和Vd 為快繩和死繩速度，Z為有效繩數(shù)，D為滑輪直徑, V和n為天車滑輪旋轉(zhuǎn)的線速度和轉(zhuǎn)速。32石油機(jī)械設(shè)備圖2-1 游動系統(tǒng)運(yùn)動和鋼絲繩拉力分析圖aF1F2F3F4F5F64FfVf0FdVdbcV1V2V3V4V5V633石油機(jī)械設(shè)備則鋼繩速度依次為： Vf=V1=6V=ZV; V2=V3=

10、4V; V5=V4=2V; V6=Vd=0 （2-1）天車滑輪速度依次為： V1=ZV，n1=60ZV/(D); V2=4V，n2=604V/(D); V3=2V，n3=602V/(D); V4=0， n4=0; （2-2）34石油機(jī)械設(shè)備由上述分析及(2-1)和(2-2)式可見： 其一，在起下鉆過程中，快繩側(cè)的鋼絲繩運(yùn)動速度明顯高于死繩側(cè)，其彎曲次數(shù)比死繩側(cè)要多出數(shù)倍，快繩側(cè)鋼絲繩會疲勞斷絲或斷芯。當(dāng)鋼絲繩一個螺距上斷絲數(shù)達(dá)到繩中全部鋼絲數(shù)10%，或者鋼繩斷芯致使鋼繩直徑小于原始直徑的75%時，應(yīng)將此段鋼繩報廢，即將報廢段鋼絲繩斬?cái)?，由死繩端儲繩卷筒中放出新繩，重新固定在滾筒上。35石油機(jī)械

11、設(shè)備 其二，在起下鉆過程中，快繩一側(cè)的滑輪轉(zhuǎn)速要比死繩一側(cè)高數(shù)倍，所以愈靠近快繩處的滑輪輪槽及滑輪軸承磨損愈嚴(yán)重。因此當(dāng)對天車、游車進(jìn)行檢修時應(yīng)將其滑輪及軸承進(jìn)行倒換，即把靠近死繩側(cè)的滑輪及軸承與靠近快繩側(cè)的滑輪及軸承對換，以均衡它們的壽命。 當(dāng)輪槽磨損嚴(yán)重或已經(jīng)出現(xiàn)波紋狀溝痕時，應(yīng)更換滑輪，以延長鋼繩的壽命。36石油機(jī)械設(shè)備2.動力分析 三種工況：大鉤懸重靜止、大鉤起升、大鉤下放。 如圖2-1所示，設(shè)： Qs，s為起升時游動系統(tǒng)起重量和效率；Qh為鉤載；Gs為游動部件常量； Ff，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)z，F(xiàn)d為快繩、各游繩和死繩的拉力； Qs，s為下鉆時游動系統(tǒng)起重量和效率； Ff，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)

12、z，F(xiàn)d為下鉆時快繩、各游繩和死繩的拉力。1）當(dāng)大鉤懸重靜止時，各段游繩拉力相等，即： Ff=F1=F2=Fz=Fd ； Qs=Qh+Gs=F1+F2+Fz=ZFf； Ff=Qs/Z （2-3）37石油機(jī)械設(shè)備 在大鉤起升和下放時，鋼繩處于運(yùn)動狀態(tài)，由于鋼繩與滑輪輪槽間和滑輪軸承的摩擦阻力和鋼繩內(nèi)部的摩擦阻力(彎曲阻力和由于彎直變化而產(chǎn)生的僵性阻力)，使各繩拉力發(fā)生了變化。2）當(dāng)大鉤起升時，有： FfF1F2FzFd 設(shè)為一個繩輪的效率，則快繩拉力為 Ff=Qs(1-)/(1-z) （2-4） 游動系統(tǒng)效率為： s=(1-z)/Z(1-) （2-5） 可見，有效繩數(shù)越多，游動系統(tǒng)效率越低。38

13、石油機(jī)械設(shè)備3）當(dāng)下鉆時，有： FfF1F2FzFd 則快繩拉力為 Ff=Qsz(1-)/(1-z) （2-6） 游動系統(tǒng)效率為： s=Zz(1-)/(1-z) （2-7） 由上述分析可見，在起鉆和下鉆時各游繩拉力是不同的，其中起鉆時快繩拉力為最大。 當(dāng)Z相同時可取s s，即： s=s= （z+1）/2 （2-8）39石油機(jī)械設(shè)備表2-1給出了鉆機(jī)游動系統(tǒng)的效率值，可直接選取。 表2-1 游動系統(tǒng)效率40石油機(jī)械設(shè)備2.2.3天車 天車是安裝在井架頂部的定滑輪組(見圖2-2)。41石油機(jī)械設(shè)備 天車主要由天車架、滑輪、軸承、軸承座和輔助滑輪等零部件組成。 42石油機(jī)械設(shè)備 天車架是由鋼粱焊接的

14、矩形框架，用以安裝天車滑輪軸并與井架頂部相連接（如下圖所示）。43石油機(jī)械設(shè)備1.天車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 三種基本結(jié)構(gòu)形式： 滑輪軸共軸線，并且各滑輪相互平行； 滑輪軸線平行，快繩滑輪在另一根軸上； 滑輪軸不共軸線，并且快繩滑輪相偏斜。2.天車的技術(shù)規(guī)范 技術(shù)規(guī)范中所列參數(shù)包含：最大鉤載、滑輪數(shù)、滑輪尺寸、重量、安裝尺寸。44石油機(jī)械設(shè)備 TC-350天車六個滑輪分為兩組，中間由一個軸套隔開?？炖K滑輪安裝在兩組天車滑輪之間的前上方，便于快繩直接從井架外側(cè)引向滾筒?；嗇S承為雙列園錐滾子軸承，用鋰基黃油潤滑，每個軸承都單獨(dú)有一個鉆在滑輪軸上的潤滑油通道。圖2-2 TC-350天車45石油機(jī)械設(shè)備2.2.

15、4游車 游車是靠鋼繩懸在井架內(nèi)部作上下往復(fù)運(yùn)動的動滑輪組。(見圖23)46石油機(jī)械設(shè)備圖2-3YC-350游車47石油機(jī)械設(shè)備 圖2-2，2-3所示的TC-350天車和YC-350游車都配用于國產(chǎn)45級別鉆機(jī)上，它們可配用具有不同規(guī)格的輪槽形狀的滑輪，便于分別用11/4in，138in或32.5mm，33.5mm，34.5mm的鋼絲繩，以適應(yīng)我國油田目前所用鋼絲繩規(guī)格較多的狀況。48石油機(jī)械設(shè)備2.2.5大鉤 大鉤懸掛在游車下面。49石油機(jī)械設(shè)備 鉆機(jī)大鉤一般皆為三鉤，主鉤懸掛水龍頭，副鉤懸掛吊環(huán)。 大鉤主要由鉤身、鉤桿、鉤座、提環(huán)、止推軸承和彈簧組成。50石油機(jī)械設(shè)備1.鉆井工作對大鉤的要求

16、： 1)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和工作可靠性； 2)鉤身能靈活轉(zhuǎn)動，以便上、卸扣； 3)大鉤彈簧行程應(yīng)足夠補(bǔ)償上、卸扣時鉆桿在垂直方向上的位移； 4)鉤口和側(cè)鉤的閉鎖裝置應(yīng)絕對可靠，啟閉方便； 5)具有緩沖減振功能，能減小拆卸立根時的沖擊。51石油機(jī)械設(shè)備2.大鉤結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 鉆井大鉤有兩大類：一類是獨(dú)立大鉤，可與游車分開拆裝；一類是游車大鉤，游車和大鉤為整體結(jié)構(gòu)，二者不能分開。 DG-350大鉤如圖2-4所示，主要配備于 ZJ45級鉆機(jī)。 圖2-4 DG-350大鉤52石油機(jī)械設(shè)備 DG-350大鉤的吊環(huán)1與吊環(huán)座3由銷軸2連接，吊環(huán)座3與大鉤中心處的鉤桿13焊接在一起，筒體7和鉤身8用左旋螺紋連接，

17、并用止動塊防止螺紋松動。鉤身和筒體可沿鉤桿上下運(yùn)動，筒體內(nèi)裝有5、6兩個壓縮彈簧。53石油機(jī)械設(shè)備 在工作時，大鉤下的鉆柱載荷通過鉤身作用在筒體上，使彈簧5、6壓縮，通過筒體的臺階端面作用于固定在鉤桿上的止推軸承16的座圈15上，從而使大鉤載荷通過提環(huán)作用于游車上。壓縮彈簧在起鉆時能使立根松扣后向上彈起。54石油機(jī)械設(shè)備 DG-350大鉤筒體內(nèi)裝有機(jī)油。止推軸承上座圈將油腔分為兩部分，座圈上開有油孔使兩部分油腔相通。由于油流通過孔道的阻尼作用，吸收了起下作業(yè)時鉤身的沖擊振動，可防止鉆桿接頭螺紋損壞。55石油機(jī)械設(shè)備 筒體上端有一個由六個小彈簧和定位盤4組成的定位裝置， 它的作用是借助定位盤與吊

18、環(huán)座環(huán)形接觸面間的摩擦力，防止提升空吊卡時鉤身相對提環(huán)轉(zhuǎn)動，以便于二層臺井架工操作。56石油機(jī)械設(shè)備 DG-350大鉤的轉(zhuǎn)動鎖緊裝置17可以在圓周任一位置將鉤身鎖住。當(dāng)把“止”端手把向下拉時，鎖緊裝置中的制動輪嵌入大鉤鎖環(huán)的凹槽內(nèi)，使鉤身不能相對提環(huán)轉(zhuǎn)動。當(dāng)將“開”端的手把向下拉時，制動輪脫出大鉤鎖環(huán)凹槽并被卡住，鉤身即可轉(zhuǎn)動。57石油機(jī)械設(shè)備2.3 鉆井絞車58石油機(jī)械設(shè)備59石油機(jī)械設(shè)備60石油機(jī)械設(shè)備61石油機(jī)械設(shè)備 鉆井絞車不僅是起升系統(tǒng)的執(zhí)行部件，而且也是整個鉆機(jī)的核心設(shè)備，是鉆機(jī)三大工作機(jī)之一。62石油機(jī)械設(shè)備2.3.1概述1.鉆井絞車的功用 (1)用以起下鉆具，下套管； (2)鉆

19、進(jìn)過程中控制鉆壓，送進(jìn)鉆具； (3)借助貓頭進(jìn)行上、卸鉆具絲扣，起吊重物及進(jìn)行其它輔助工作； (4)作為轉(zhuǎn)盤的變速機(jī)構(gòu)或中間傳動機(jī)構(gòu)； (5)整體起放井架。63石油機(jī)械設(shè)備2.鉆井絞車的組成 根據(jù)上述功用，盡管各型絞車結(jié)構(gòu)上各式各樣，但究其實(shí)質(zhì)一般都由以下幾部分組成：64石油機(jī)械設(shè)備(1)滾筒、滾筒軸總成，這是絞車的核心工作部件。滾筒應(yīng)有足夠的容繩量，保證纏繩狀態(tài)良好以延長鋼繩壽命；65石油機(jī)械設(shè)備 (2)絞車具有靈敏可靠的主剎車機(jī)構(gòu)及性能良好的輔助剎車，使其能準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)鉆壓，均勻送進(jìn)鉆具，在下鉆過程中隨意控制下鉆速度和省力地將最重鉆柱載荷剎??； 下圖為剎車機(jī)構(gòu)示意圖。66石油機(jī)械設(shè)備 (3)

20、貓頭和貓頭軸總成，用以滿足用大鉗上、卸扣和其它輔助起重的需要。有的貓頭軸上還裝有撈砂滾筒，用以提取巖心筒；67石油機(jī)械設(shè)備 (4)傳動變速系統(tǒng)，引入并分配動力和傳遞運(yùn)動，提供足夠的檔速； (5)控制系統(tǒng)，包括牙嵌、齒式、氣動離合器。它們一般都屬于鉆機(jī)控制系統(tǒng)的組成部分； (6)潤滑系統(tǒng)，包括黃油潤滑、滴油潤滑和密封、飛濺或強(qiáng)制潤滑； (7)支撐系統(tǒng)，有焊接的框架式支架或密閉箱殼式座架。中型絞車整體運(yùn)輸，其重量約在10噸以內(nèi);重型和超重型絞車要拆散成單元運(yùn)輸，運(yùn)輸?shù)膯卧獞?yīng)在15噸以內(nèi)，以便移運(yùn)。 68石油機(jī)械設(shè)備2.3.2鉆井絞車的技術(shù)特性參數(shù) 鉆井絞車的特性參數(shù)有絞車功率，快繩拉力，鋼絲繩直徑

21、，檔數(shù)，各檔轉(zhuǎn)速，滾筒的直徑和長度，剎車轂直徑等。 2.3.3現(xiàn)代絞車的結(jié)構(gòu)方案 絞車的傳動方案決定了它的結(jié)構(gòu)類型，按絞車軸數(shù)大致可歸納為： 單軸、雙軸絞車（一般需配變速箱）； 三軸和多軸絞車； 獨(dú)立貓頭絞車； 電驅(qū)動絞車。69石油機(jī)械設(shè)備 1.單軸絞車和雙軸絞車：這類絞車的特點(diǎn)是貓頭直接裝在滾筒軸兩端，滾筒活裝在滾筒軸上。為了提供不同的起升速度，在絞車外面設(shè)置變速箱分別傳動絞車和轉(zhuǎn)盤。下圖為C-1500型鉆機(jī)絞車示意圖。70石油機(jī)械設(shè)備 單軸絞車結(jié)構(gòu)簡單，功率小，重量輕，移運(yùn)方便，如C-1500型鉆機(jī)絞車(下圖)就是這種類型。其缺點(diǎn)是貓頭轉(zhuǎn)速偏高，位置過低，操作不便，且滾筒檔速不能獨(dú)立安排，

22、影響起下鉆速度。71石油機(jī)械設(shè)備雙軸絞車(如左圖） 雙軸絞車由貓頭軸和滾筒軸組成，由于貓頭和滾筒分軸，使貓頭的速度和位置都得到改善，解決了貓頭的操作不便問題。其仍然采取外變速方案。如ZJl5D和ZJ20-2型鉆機(jī)采用此方案以使絞車結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，便于移運(yùn)。72石油機(jī)械設(shè)備2三軸絞車 這類絞車的特點(diǎn)是在雙軸絞車的基礎(chǔ)上增加了引入動力的傳動軸，且貓頭軸亦參加變速傳動。大慶130鉆機(jī)和ZJl30-1采用的JCl14.5絞車即屬此類(下圖)。73石油機(jī)械設(shè)備 它能實(shí)現(xiàn)相互獨(dú)立的三個低速檔和一個高速檔。由于三軸之間空間較大，不能設(shè)置倒檔，該型鉆機(jī)在機(jī)房設(shè)置有倒檔齒輪箱。由于變速機(jī)構(gòu)也兼顧轉(zhuǎn)盤，取消了外

23、變速箱，但絞車本身卻復(fù)雜了，重達(dá)20噸，移運(yùn)時折成三軸一架四個單元運(yùn)輸，移運(yùn)和安裝都不方便。74石油機(jī)械設(shè)備3.多軸絞車 左圖所示為JC-45絞車。75石油機(jī)械設(shè)備 將四軸以上的絞車稱為多軸絞車，其特點(diǎn)是貓頭軸不參加變速傳動，貓頭中間空出來的位置可加裝輔助撈砂滾筒，而另設(shè)中間軸解決變速和傳動的要求。一般可實(shí)現(xiàn)6正2倒的滾筒速度，ZJ32J、ZJ45、ZJ45J、ZJ60D等國產(chǎn)鉆機(jī)都采用這一方案。76石油機(jī)械設(shè)備 2.4 絞車的剎車機(jī)構(gòu)77石油機(jī)械設(shè)備 鉆井絞車的剎車包括主剎車和輔助剎車。主剎車用于各種剎車制動，輔助剎車僅用于下鉆時將鉆柱下放速度剎慢。 主剎車是機(jī)械式的，主要采用帶剎車，即通常

24、所說的剎車機(jī)構(gòu)。 盤式剎車以良好的性能正逐漸為鉆井絞車所接受。由于帶式剎車結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，因而今后相當(dāng)長的時間內(nèi)完全有可能是帶剎車和盤式剎車并存。 圖2-5所示為PS系列盤式剎車。78石油機(jī)械設(shè)備圖2-5 PS系列盤式剎車79石油機(jī)械設(shè)備 機(jī)械剎車的功用是剎慢或剎住被鉆柱載荷所帶動的滾筒，達(dá)到控制滾筒轉(zhuǎn)動，以調(diào)節(jié)鉆壓，送進(jìn)鉆具，控制下鉆速度或達(dá)到懸持鉆具的目的。 鉆井過程中司鉆總是手不離剎把，如果剎車機(jī)構(gòu)不夠靈活省力，將加重司鉆的體力勞動強(qiáng)度，帶來操作不便。同時剎車不可靠容易引發(fā)重大溜鉆事故，造成設(shè)備損失，井下事故，甚至危及人身安全。所以機(jī)械剎車是絞車上最重要的部件，因此要求它靈活省力，安

25、全可靠，壽命長。80石油機(jī)械設(shè)備2.4.1帶剎車的結(jié)構(gòu)原理1.帶剎車的結(jié)構(gòu)組成 主要由控制部分、傳動部分、制動部分平衡梁和氣剎車等組成。圖2-6所示為單杠桿剎車機(jī)構(gòu)。圖2-6 單杠桿 剎車機(jī)構(gòu)81石油機(jī)械設(shè)備82石油機(jī)械設(shè)備2.剎把調(diào)節(jié)與剎帶、剎車塊的調(diào)整 隨著剎車塊磨損量的增加，剎把終剎位置逐漸降低，影響操作時就需調(diào)節(jié)剎帶使剎把終剎位置恢復(fù)至合適高度。當(dāng)磨損到一定程度后，剎車帶需進(jìn)行整圓或更換新帶。剎車塊磨損量達(dá)到一定厚度時就要更換。3.剎車機(jī)構(gòu)的潤滑 要按規(guī)定對各部件注入潤滑脂或潤滑油，保持機(jī)構(gòu)潤滑狀況良好。83石油機(jī)械設(shè)備2.4.2帶剎車機(jī)構(gòu)的基本計(jì)算1.絞車的工作計(jì)算 1）滾筒的纏繩直

26、徑 滾筒任意一層纏繩直徑可表示為： De=D0+d+2(e-1)d （2-9） 式中 D0為滾筒直徑；e為纏繩層數(shù)；De為任意一層(或最外層)纏繩直徑；為修正系數(shù)；d為鋼繩直徑。 2）滾筒的平均工作直徑為： Da=(D2+De)/2 （2-10）式中 D2為第二層纏繩直徑；De為最外層纏繩直徑。84石油機(jī)械設(shè)備 3）滾筒纏繩總長為： L=D1n+Zl （2-11） 式中 D1為第一層纏繩直徑；n為層纏繩圈數(shù)；Z為有效繩數(shù)；l為立根長度。 4）快繩速度為： Vfmin=D2n/60 （2-12） Vfmax=Den/60 （2-13） Vfa=Dan/60 （2-14） 5）大鉤速度為： Vfm

27、in=Vfmin/=D2n/60Z （2-15） Vfmax=Vfmax/Den/60Z （2-16） Vfa=Vfa/Dan/60Z （2-17） 85石油機(jī)械設(shè)備2.絞車的制動計(jì)算 下鉆操作的特點(diǎn)是在起鉆過程中作為系統(tǒng)負(fù)載的鉆柱載荷成為下鉆過程中系統(tǒng)的動力，帶動整個系統(tǒng)運(yùn)動，而絞車上必須裝置包括機(jī)械剎車和輔助剎車的制動裝置來吸收鉆柱下放時釋放的能量。圖2-6 下鉆操作示意圖86石油機(jī)械設(shè)備 制動裝置把吸收的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芤萆⒌嚼鋮s水或空氣中。87石油機(jī)械設(shè)備 開始下鉆前要稍提鉆柱，撒掉吊卡(或卡瓦)，摘開離合器，剎住鉆柱。下鉆開始時，司鉆將剎把抬起，完全松開剎帶，整個系統(tǒng)在鉆柱作用下以接近

28、自由落體加速度加速。到此時開始剎車，由于制動裝置即滾筒吸收了能量，隨著制動力矩的增大，下落加速度逐漸減小。圖2-7 下鉆示意圖88石油機(jī)械設(shè)備 當(dāng)鉆柱下放至接近立根行程終點(diǎn)時，司鉆壓住剎把減速下放，此時制動裝置制動力矩大于鉆柱靜力矩，加速度為負(fù)值（慣性力為正，向下）。直至到達(dá)終點(diǎn)，完全剎住鉆柱。 MM靜M動89石油機(jī)械設(shè)備 一般安全操作時下鉆速度應(yīng)控制在22.5米秒以內(nèi)。在不具備安全可靠，靈活的剎車裝置的情況下，下鉆速度過大，容易發(fā)生溜鉆砸轉(zhuǎn)盤事故，損壞設(shè)備。 顯然，如果鉆柱下放速度較大，且在下放終點(diǎn)前急剎車，就會產(chǎn)生很大的沖擊載荷。因此，司鉆在下鉆行程結(jié)束前45米就開始剎車減速，降低鉆柱的下

29、放速度，然后剎住鉆柱，這樣就可以把沖擊載荷減小到最低限度。90石油機(jī)械設(shè)備1）制動力的確定91石油機(jī)械設(shè)備（1）最大制動力矩 由于減速下放所產(chǎn)生的慣性力矩，當(dāng)下鉆終了剎住鉆柱時刻的制動力矩達(dá)到最大。 最大制動力矩為： Mmax=M靜=(QsD2)/(2Z)sd (2-18)（2）最大制動力 Mmax=FbmaxDd/2，即 Fbmax=Fb=(QsD2)/(ZDd)sd (2-19)92石油機(jī)械設(shè)備 式（2-18）和（2-19）中的為動載系數(shù)，其值取決于下鉆操作。這是因?yàn)樽畲笾苿恿禺a(chǎn)生于鉆柱剎止時，此時作用在快繩上的載荷為鉆柱的靜載荷、慣性載荷、振動載荷及沖擊載荷。其中上述前三種載荷與操作無

30、關(guān)，而剎止時的沖擊載荷則完全取決于下鉆操作，當(dāng)下鉆速度低(如以1 ms速度下放)，行程結(jié)束前提前45米就開始減速平穩(wěn)剎住鉆柱，沖擊載荷很小，1.5；如以高速(2ms)下放，并在終點(diǎn)急剎車，沖擊載荷較大，2.5。93石油機(jī)械設(shè)備2）剎帶兩端的拉力 剎帶兩段端拉力的關(guān)系：T=teua 制動力與兩端拉力的關(guān)系：T=t+Fb 所以得：tmax=Fbmax/(eua-1) Tmax=Fbmaxeua/(eua-1) 3）剎車杠桿傳動比剎車杠桿指剎把、曲拐軸、曲拐連桿等構(gòu)件，其作用是將剎把上的操作力放大若干倍以滿足剎止鉆柱時活端總拉力t的需要。 （1）單杠桿剎車機(jī)構(gòu)為： i=t/F=(l/r)cos/si

31、n(+) (2-20)（2）雙杠桿剎車機(jī)構(gòu)為： i=t/F=(l/r)b(cos)/asin(+) (2-21)94石油機(jī)械設(shè)備下圖為單剎車機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。95石油機(jī)械設(shè)備圖2-8 單杠桿帶剎車機(jī)構(gòu)示意圖96石油機(jī)械設(shè)備圖2-9 雙杠桿帶剎車機(jī)構(gòu)示意圖97石油機(jī)械設(shè)備 剎車機(jī)構(gòu)主要由制動部分(剎帶1，剎車鼓2)、控制部分(剎把4)、傳動部分(傳動杠桿或稱剎車曲軸3)、輔助部分(平衡梁6和調(diào)整螺釘7)、氣剎車等組成。98石油機(jī)械設(shè)備 剎車時，操作剎把4轉(zhuǎn)動傳動杠桿3通過曲拐拉曳剎帶1活端使之抱緊剎車毅。剎把4同時轉(zhuǎn)動司鉆閥5以啟動、調(diào)節(jié)氣剎車8的氣缸壓力。氣剎車對傳動杠桿的作用與剎把相同，故起省

32、力作用。99石油機(jī)械設(shè)備平衡梁是用來均衡左右兩剎帶的松緊程度，以保證它們受力均勻。當(dāng)剎車塊磨損使剎帶與剎車鼓之間的初始間隙增大，導(dǎo)致剎把剎止角過低時，可通過調(diào)整螺釘調(diào)整到合適的初始間隙。100石油機(jī)械設(shè)備 剎帶由彈簧鋼板制成，用帶彈簧的螺釘掛在絞車外殼上，松開剎車時，彈簧使剎帶均勻脫離剎車鼓; 剎車塊鉚接在剎帶上，它由耐熱、耐磨，具有較大摩擦系數(shù)的石棉塑膠或石棉編制品壓制而成。101石油機(jī)械設(shè)備通過上述分析，可以得出以下結(jié)論: 1)帶剎車的制動力矩與剎帶和剎車鼓之間的圍抱角和摩擦系數(shù)有關(guān)。對于采用單杠桿機(jī)構(gòu)的帶剎車，常采用較大的圍抱角(如 11/6)。即使如此，在剎住最大鉆柱時，也需很大的剎把

33、力。 2)采用雙杠桿機(jī)構(gòu)既省力，又安全。 3)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，便于維修。 4)只能用于單向制動。 5)活動端和固定端剎車塊磨損不一致。102石油機(jī)械設(shè)備2.4.3液壓盤式剎車的結(jié)構(gòu)組成與工作原理 目前國內(nèi)外在用的石油鉆機(jī)絞車上，廣泛應(yīng)用著帶剎車系統(tǒng)。但由于帶剎車系統(tǒng)的固有工作特性的限制，已不能充分滿足深井和超深井作業(yè)和緊急狀態(tài)下剎車的需要，例如:剎車力矩不足，性能不穩(wěn)定，操作費(fèi)力，剎車不靈敏，耐熱衰減性能差等，致使在鉆井作業(yè)或緊急狀態(tài)剎車時時有溜鉆和頓鉆事故發(fā)生。 所以，安全、方便、靈敏的新型盤式剎車應(yīng)運(yùn)而生。103石油機(jī)械設(shè)備 盤式剎車為盤鉗式液壓剎車，數(shù)十年前即已在機(jī)車，汽車，飛機(jī)及礦山提升

34、機(jī)等獲得了成功運(yùn)用。它已被成功地引入到了鉆井絞車。 現(xiàn)國外的盤式剎車絞車已完成系列化推廣運(yùn)用工作。 國內(nèi)從90年代開始研制盤式剎車，先在修井機(jī)絞車上使用，后來開始引入鉆井絞車，現(xiàn)國內(nèi)新生產(chǎn)的40級別(包括ZJ40/2250)以下的鉆機(jī)絞車主要配用盤式剎車，同類級別在用鉆機(jī)絞車剎車也開始進(jìn)行改裝，超重型鉆機(jī)盤式剎車絞車已研制成功。 圖2-10所示，為SY-PS盤式剎車。104石油機(jī)械設(shè)備圖2-10 SY-PS盤式剎車105石油機(jī)械設(shè)備106石油機(jī)械設(shè)備 根據(jù)技術(shù)發(fā)展預(yù)測，隨著石油鉆機(jī)絞車盤式剎車的技術(shù)發(fā)展，在新設(shè)計(jì)的絞車中會主要采用盤式剎車，而在用絞車亦將逐步改造成盤式剎車，盤式剎車取代剎車的進(jìn)

35、程將逐步加快。107石油機(jī)械設(shè)備1.液壓盤式剎車的結(jié)構(gòu)組成 液壓盤式剎車由剎車盤、開式剎車鉗（安全鉗）、閉式剎車鉗（工作鉗）、鉗架、液壓動力源、控制系統(tǒng)等組成。 其中液壓系統(tǒng)提供制動能量，剎車鉗作為執(zhí)行元件，剎車盤與剎車鉗上的剎車塊組成制動偶件。 如圖2-11所示，為鉆井絞車用盤式剎車的典型結(jié)構(gòu)。108石油機(jī)械設(shè)備圖2-11 鉆井絞車用盤式剎車的典型結(jié)構(gòu)109石油機(jī)械設(shè)備110石油機(jī)械設(shè)備111石油機(jī)械設(shè)備下圖是盤式剎車的剎車盤112石油機(jī)械設(shè)備圖2-12 50鉆機(jī)上的剎車鉗及鉗架113石油機(jī)械設(shè)備114石油機(jī)械設(shè)備115石油機(jī)械設(shè)備2.剎車系統(tǒng)工作原理 按照剎車鉗缸零油壓時的制動狀態(tài)可分為常

36、開式鉗和常閉式鉗。它們典型的制動工作原理如圖2-13所示。116石油機(jī)械設(shè)備圖2-13 盤式剎車鉗工作原理 對于常閉鉗制動方案(圖2-13a)，由于碟簧作用力可使剎車塊壓向剎車盤，因此增大進(jìn)入鉗缸的油壓將抵消一部分碟簧作用力，使制動力下降。反之，降低油壓，則可增加制動力。117石油機(jī)械設(shè)備 對于常開鉗制動方案(圖2-13b)，由于油壓作用力可使剎車塊壓向剎車盤，因此，增大進(jìn)入鉗缸的油壓將使制動力增大，而降低油壓則將使制動力下降。 這樣，操作司鉆手柄，使進(jìn)入鉗缸的油壓連續(xù)變化，可實(shí)現(xiàn)對剎車制動力的連續(xù)調(diào)節(jié)。圖2-13 盤式剎車鉗工作原理118石油機(jī)械設(shè)備 鉆機(jī)盤式剎車全套工作鉗由工作鉗和應(yīng)急鉗組

37、成。前者用于正常鉆進(jìn)操作(起下鉆，鉆進(jìn))過程；后者作為安全保險用，亦稱安全剎車鉗。 剎車鉗的結(jié)構(gòu)方案可分為杠桿式和固定鉗兩種，如圖2-14所示。 杠桿鉗由一中心液缸推動雙活塞反向動作，通過杠桿機(jī)構(gòu)對剎車塊加壓(圖2-14a，b)。 固定鉗由兩個對置液缸分居剎車盤兩側(cè)，分別通過活塞直接對剎車塊加壓(圖2-14c，d)。 上述的每一種又可分為常開式和常閉式兩類，如圖2-15所示。119石油機(jī)械設(shè)備圖2-15 剎車鉗的結(jié)構(gòu)方案120石油機(jī)械設(shè)備圖2-15 剎車鉗的結(jié)構(gòu)方案121石油機(jī)械設(shè)備圖2-15 剎車鉗的結(jié)構(gòu)方案122石油機(jī)械設(shè)備 一般來說，絞車剎車工作鉗采用常開式的液壓加壓，而應(yīng)急鉗采用常閉式

38、的彈簧加壓。 盤式剎車采用杠桿鉗以便利用杠桿增力倍數(shù)不致使液壓系統(tǒng)工作壓力過高，而采用固定鉗則可以使結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性亦較高。 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要保證在緊急情況下安全鉗回油，工作鉗進(jìn)油而使它們同時剎止剎車盤(雙剎保險)，在油泵斷電時能利用儲能器臨時工作。123石油機(jī)械設(shè)備3.液壓盤式剎車的特點(diǎn) 與帶剎車相比，盤式剎車具有以下優(yōu)點(diǎn): 1)剎車平穩(wěn)、性能穩(wěn)定、熱衰退性較小。 2)整體剎車盤，內(nèi)部有水冷內(nèi)腔，可把連續(xù)剎車產(chǎn)生的熱量很快帶到剎車盤外面，不使剎車盤過熱，具有較好的剎車性能、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、使用壽命較長。 3)采用高合金鋼制造剎車盤，剎車盤表面具有較高的硬度，耐磨性能好，使用壽命長，更換易損件次

39、數(shù)較少。124石油機(jī)械設(shè)備 4)鉆井實(shí)踐表明:盤式剎車具有充足的儲備剎車力矩，特別是在水剎車或電磁渦流剎車出現(xiàn)故障時，也能剎住最大載荷。 司鉆的控制力小，具有靈敏的操作手感。125石油機(jī)械設(shè)備 5)液壓系統(tǒng)工作壓力為6.85MPa，最大壓力為13.7Mpa，實(shí)際使用只需要四分之一的設(shè)計(jì)壓力就可以剎住最大鉆柱載荷，使用安全可靠。126石油機(jī)械設(shè)備 6)盤式剎車容易控制和掌握，剎車時沒有噪音，對環(huán)境污染較少，工人勞動條件改善。127石油機(jī)械設(shè)備 7)更換剎車鉗最多不超過15分鐘，此外，由于剎車塊壽命長，更換次數(shù)也大大減少。 8)盤式剎車與自動送鉆裝置相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的自動送鉆功能。這種一體化技術(shù)

40、，具有優(yōu)良的鉆井性能和鉆井質(zhì)量，還具有較好的各種技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。128石油機(jī)械設(shè)備 9)液壓控制系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)遙控盤式剎車，這一優(yōu)點(diǎn)對于井口存在著危險的井進(jìn)行鉆井是非常重要的，可以確保操作人員的安全。 10)采用微機(jī)監(jiān)控盤式剎車，如果鉆機(jī)提升系統(tǒng)出現(xiàn)超速、超載荷或超位以及鉆機(jī)功率不足時，盤式剎車可以自動剎車，確保安全作業(yè)。129石油機(jī)械設(shè)備4. 盤式剎車的發(fā)展 盤式剎車經(jīng)過十多年的實(shí)踐，基本結(jié)構(gòu)沒有大的變化，其中發(fā)展主要體現(xiàn)于以下方面: 1)剎車盤的結(jié)構(gòu)改進(jìn)：除有風(fēng)冷和水冷結(jié)構(gòu)之外，由于剎車力矩儲備較大，在中小型石油鉆機(jī)中，有可能減少為一個剎車盤。只用一個剎車盤，簡化剎車結(jié)構(gòu)、降低成本、提高指標(biāo)。 2)剎車鉗的結(jié)構(gòu)改進(jìn)：取消雙活塞液缸和杠桿增力機(jī)構(gòu)，改為兩個液缸直接控制剎車塊。 將工作剎車鉗由常開式改為常閉式結(jié)構(gòu)，用工作剎車鉗代替緊急剎車鉗。在每個剎車盤上只用一種常閉式工作剎車鉗。減少品種、通用性和互換性好，易損件儲備品種也大大地減少。 130石油機(jī)械設(shè)備 3)自動送鉆與盤式剎車一體化技術(shù)：這種一體化技術(shù)是繼盤式剎車問世以來，又派生出來的一種新技術(shù)，它具有送鉆更均勻、鉆井質(zhì)量高、取芯率高、井眼軌跡偏移小、經(jīng)濟(jì)效益好、事故少等優(yōu)點(diǎn)，具有更高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 美國GH-Bear自動送鉆裝置與GHTTE型盤式剎車一體化技術(shù)就是其中一例。 此外，盤式剎車對于科學(xué)鉆井、自動化鉆井、最優(yōu)化鉆井、