第三章起升系統(tǒng)工作原理

第三章起升系統(tǒng)工作原理

鉆井機械第一節(jié)起下鉆操作和游動系統(tǒng)的工作一、起下鉆操作和時間二、游動系統(tǒng)的鋼絲繩與滑輪的運動分析1.繩速如圖3-l所示，鋼絲繩速度由快繩側至死繩側依次為567從各繩速度可以看出，快繩側鋼絲繩的速度比死繩側快數(shù)倍，快繩側鋼絲繩由于彎曲次數(shù)死繩側多出數(shù)倍，前邊的鋼絲繩會提前疲勞破壞。所以現(xiàn)場要倒換使用鋼絲繩，即：鋼絲繩使用一定時間后，要從死繩端儲繩卷筒中放出新繩，從滾筒上斬掉一段鋼絲繩重新固定纏好。2.輪速①天車輪天車滑輪的切向速度和轉速依次為②游車輪如圖3-l所示，游車滑輪的切向速度和轉速依次為由上述分析可見，在起下鉆過程中，快繩端滑輪的轉速比死繩端滑輪的轉速高得多。因此在選擇天車和游車滑輪的軸承時應以快繩端滑輪的轉速為依據(jù)。同時，為了使各滑輪壽命均衡，在檢修時應注意倒換滑輪的位置。三、游動系統(tǒng)鋼絲繩拉力和效率如圖3-l所示，設Q游、η游為起升時游動系統(tǒng)的起重量和效率，Q游′、η游′為下鉆時游動系統(tǒng)的起重量和效率，P、P′為快繩和死繩拉力，P1、P2、……PZ為游繩的拉力。1.大鉤靜止懸重時此時各游繩拉力相等，即P=P1=P2……=PZ2.大鉤起升時由于滑輪軸承的摩擦阻力和鋼繩彎曲阻力的影響，將使各繩拉力發(fā)生變化。此時各游繩拉力不等，即P>P1>P2……>PZ-1>PZ設單個滑輪的效率為η，則有因為Q游=P1+P2+……+PZ所以Q游=P（η+η2+……+ηZ）因此又因為所以起升時的游動系統(tǒng)效率為3.下鉆時情況與起升時相反P<P1<P2……<PZ-1<PZ

因為所以下鉆時的游動系統(tǒng)效率為4.結論①游動系統(tǒng)的效率主要取決于游動系統(tǒng)的有效繩數(shù)Z，Z越多則效率越低。②游動系統(tǒng)的效率與單輪效率η有關，η降低，則η游降低，而η的大小則取決于滑輪軸承類型和鋼絲繩特性。③起升時，P快最大。④下鉆時，P死最大。⑤起下鉆過程中，P快>P死。⑥四、游動系統(tǒng)選擇原則1.起重能力：鋼絲繩尺寸和強度一定時，Z越大，起重能力越強。2.起下鉆速度：當滾筒轉速一定時，Z越少，大鉤速度越快。3.起升效率：Z越少，游動系統(tǒng)效率越高。4.重量指標：Z越少，游動系統(tǒng)重量越輕，結構越簡單，但P快越大，絞車重量、結構越大。第二節(jié)起升系統(tǒng)運動學和動力學分析研究起升系統(tǒng)運動學和動力學的目的在于認清起升過程中，由于速度的變化而引起的載荷變化的規(guī)律，判明最大載荷，以作為使用設計的依據(jù)，核算摩擦離合器的能量守衡和摩擦功。一、起升系統(tǒng)包括動力、傳動部分，以絞車滾筒離合器為界分為主動和從動兩部分（如下圖）主動部分：動力機→離合器主動件，ω1從動部分：離合器從動件→鉆柱，ω2二、起升過程1.準備：空載啟動柴油機讓其低速轉動；依次掛合并車、總離合器，使全部主動件轉動。2.掛合滾筒離合器，啟動從動部分。（到離合器完全掛合）3.加速柴油機，使?jié)L筒達到某一工作檔穩(wěn)定轉速。4.勻速起升，接近一個立根行程。5.摘開滾筒離合器，剎車。三、起升速度圖和扭矩圖圖3-3給出了根據(jù)實測的起升速度和載荷示波圖和經(jīng)過整型后的滾筒軸扭矩和角速度示意圖。從圖中可以看出：掛合滾筒離合器時，主動部分（ω1）被拖慢；最大鉤載（扭矩Mmax）產生在柴油機加速時；有變矩器時，啟動快，且滾筒軸扭矩Mmax也較大。起升時滾筒軸角速度變化三個階段：啟動加速段OABC、勻速起升段CD和減速剎車段DE。1.啟動加速段柴油機直接驅動的滾筒軸的扭矩圖和速度圖的啟動加速段簡化成圖3-8所示的曲線。⑴靜止段0A（t0=1~3秒）由于主動部分以角速度ω1旋轉，而從動部分仍處于靜止狀態(tài)，因此在0A段離合器與摩擦輪處于全打滑狀態(tài)。最大打滑速度ω滑max=ω1-ω2=ω1。⑵啟動段AB（t1=1~3秒）Mf>M靜，ω2逐漸增大，ω1被拖慢，ω滑=ω1-ω2，系統(tǒng)處于半打滑狀態(tài)。⑶同步加速段BCB點（同步點）：ω1=ω2，ω滑=ω1-ω2=0BC段，主、從動部分同步加速到某檔轉速ωC。在K點滾筒軸上產生最大慣性力矩M慣，滾筒軸出現(xiàn)最大扭矩Mmax=M靜+M慣討論：⑴啟動過程，必然有打滑，打滑是固有的，不可消除。⑵OABC全加速段所用時間長短，取決于：①檔速ωC；②動力機轉速ω1（ω1小易掛合）；③驅動特性（柔特性，易掛合，t小；硬特性，不易掛合，t大）④被加速、減速的轉動慣量J1、J2大小。⑶Mf的變化取決于離合器特性系數(shù)k1=M極/t極=tgα，如圖3-7所示。若M極>>Mmax，掛合快，時間短，沖擊大，動載大。因此M極要適中。⑷Mmax是選擇離合器和核算滾筒軸強度的依據(jù)。⑸起升系統(tǒng)動力機扭矩：M發(fā)起=M靜+M慣1+M慣2=KMM靜（3-15）2.勻速段CD當主動部分與從動部分同步加速到C點后，ω2=ωC=C(常數(shù))，從動部分Mf-M2=0，則Mf=M2。3.減速段DE當鉆柱提升至接近一個立根高度，摘開離合器A，剎死鉆柱。第三節(jié)起升時間

與功率利用率一、絞車各檔起重量Qi和各檔自起立根數(shù)Si鉆機起升系統(tǒng)在一定的起升速度下，起升載荷受絞車功率的限制。設鉆機以第i檔起升時，起升速度為Vi，則可以起升的最大載荷為：由圖3-11可知Qi=Yiq桿l+G0(3-28)第i檔可起升的立根數(shù)Yi為

各檔自起立根數(shù)Si為

二、機動起升時間(一)機動起升時間與速度系數(shù)機動起升時間是指用絞車卷揚起升鉆柱所用的時間。用第i檔起升速度Vi起升一個立根所用的機動起升時間可表示為：由于在起升一個立根的過程中，起升速度是由加速段、平穩(wěn)起升段和減速段組成，在實際起升時，一般只知道平穩(wěn)起升速度Vi，引入速度系數(shù)λ=Vi/Vi平，則

λ可根據(jù)圖3-12用面積等效的方法求出。一般計算時可取λ=1.2。(二)柴油機直接驅動的鉆機一次起鉆總機動時間用第i檔起升Si個立根的機動起升時間為：

若鉆機一共有k個起升檔，k檔一次起鉆總的起升機動時間為：t起由圖3-13(a)中陰影面積表示。(三)柴油機液力變矩驅動或電驅動鉆機的總機動起升時間由圖3-13(b)可知，t起由恒功率起升時間t起1和恒速起升時間t起2組成三、起升功率利用率起升功率利用率是指在鉆機大鉤處實際使用的功率與可以發(fā)出的功率(裝機功率)的比值。表明起升系統(tǒng)所配備的功率發(fā)揮的能力。設N鉤為大鉤可以發(fā)出的功率(裝機功率)，即圖3-14中Q1至Q4雙曲線下的面積；N鉤′為大鉤實際起升功率，即圖3-14中Q1至Q4折線下的面積；則大鉤起升功率利用率定義為：起升功率利用率也可以用功率利用率為100%時，起升鉆柱所用的最少時間t起min與總機動起升時間t起的比值計算起升功率利用率φ是大鉤提升速度與載荷不適應而發(fā)生的功率利用不充分的情況。它是平均功率與全功率的比值，也是有級變速作的功與無級變速作的功的比值，還是無級變速作的提升時間與有級變速作的提升時間的比值。從(3-40)式可見，起升功率利用率φ越高t起越小。提高φ的目的就是加速起鉆。由圖3-14可知，起升檔數(shù)K越多，φ越高。起升檔數(shù)K與φmax的關系為起升檔數(shù)K越多，φmax越高。但K>8時，φmax的增長越來越不顯著。因此，鉆機起升檔數(shù)都不超過8檔。四、發(fā)動機起升功率利用率大鉤起升功率利用率沒有考慮起升時發(fā)動機裝機功率沒有充分利用的部分，也未包括從發(fā)動機將動力傳遞到絞車過程中功率損失的部分，要考慮起升時功率利用的情況，應采用發(fā)動機起升功率利用率ψ。通過以上討論可以得出以下結論：1)機動起升時間T起與大鉤起升功率利用率φ成反比，φ越大，T起越小，鉆機起升性能越好。2)恒功率起升時大鉤起升功率利用率φ最高，要提高φ，應合理設計起升檔數(shù)和各檔起升速度，盡可能接近恒功率起升。3)要提高發(fā)動機起升功率利用率，除提高大鉤起升功率利用率φ外，應設計傳動路線，提高鉆機的傳動效率。4)驅動設備的特性為軟特性者，ψ值較高；5)司鉆在操作時及時換檔可以提高ψ值。第四節(jié)鉆井曲線和起升速度一、鉆井曲線鉆井曲線是起鉆次數(shù)與立根之間的關系曲線。從鉆井曲線可以了解各次起鉆井深和鉆頭在各段井深的進尺數(shù)，以及各種深度巖石的可鉆性，計算一口井中各檔起鉆立根總數(shù)、一口井機動起升時間T起、起升載荷和循環(huán)數(shù)的變化關系；對于柴油機直接驅動的鉆機還可用來合理分配檔速。理論鉆井曲線是根據(jù)實際鉆井統(tǒng)計資料擬合而來的（如圖3-16）。擬合曲線可用方程x=AyB表示。不同油區(qū)具有不同的系數(shù)A與B，選用的曲線擬合方法不同也可得到不同的A與B值。二、起升速度的合理分配對于柴油機直接驅動的鉆機，由于V1、Vk、K為原始條件，合理分配各中間檔速的目的是使機動起升時間最少。若一次從最大井深起鉆，各檔速分配原則是：除最高檔外，按各檔自起立根數(shù)Si相等的原則分配檔速，這樣機動起升時間最省，速度分配最為合理。各檔速可按下式計算：第五節(jié)下鉆運動學與動力學下鉆操作的特點是：①起鉆過程中處于被動方面的鉆柱載荷，轉化為主動的方面。②鉆柱下放釋放出的能量由剎車機構吸收、消耗。研究下鉆過程的運動學和動力學的目的是：①確定最大制動載荷；②了解輔助剎車勻速下鉆的原理。

一、下鉆運動學和動力學下鉆操作系統(tǒng)如圖3-17所示。下鉆速度圖、制動力矩圖如圖3-18所示。下鉆操作可分為加速段、勻速段、減速段三個階段。1.加速段（時間t1）此階段分為松帶加速段AB和輕剎加速段BC。2.勻速段（時間t2）M制=M靜，M慣=0。由于浮力的影響，CD稍傾斜。3.減速段（時間t3）M制增加到Mmax，ω=0。最大制動力矩Mmax發(fā)生在剎住鉆柱的一剎那。討論：⑴最大制動力矩Mmax發(fā)生在剎住鉆柱的一剎那(E點)。Mmax=M靜+M慣Mmax大小取決于Q、V下、t3；⑵核算剎車機構、滾筒強度以Mmax為依據(jù)；⑶操作時，提前減速，平穩(wěn)剎車，減小動載。

二、最大制動力F制max1.最大制動力矩MmaxMmax=M靜+M慣=βM靜2.最大制動力F制maxF制max是計算剎車機構載荷和剎把力的依據(jù)。三、用水剎車輔助下鉆的原理1.水剎車的制動特性M制=α1n2D5N制=α2n3D5式中D5=D5外-D5內

分析：⑴影響水剎車制動力矩的因素：①尺寸大，M制大；②葉片多，M制大；③液面高，M制大；④轉速高，M制大；⑵轉速增加的足夠大時，M制、N制與下鉆的M下、N下平衡，實現(xiàn)勻速下鉆；⑶n=0時，M制=0、N制=0，無制動能力。因此，只用水剎車不能剎死鉆柱。

2.水剎車勻速下鉆原理如圖3-19所示，下鉆時，完全松開帶剎車，載荷Q游′自由下落使水剎車轉子軸加速。水剎車的制