石油鉆采設備第二章鉆機的驅(qū)動與傳動

1、1研究問題：研究問題： 驅(qū)動設備和傳動系統(tǒng)如何連接？各自有什么特性？什么驅(qū)動設備和傳動系統(tǒng)如何連接？各自有什么特性？什么特性對于鉆井更有利？特性對于鉆井更有利？第四章第四章 鉆機的驅(qū)動與傳動鉆機的驅(qū)動與傳動2問題一：絞車，轉(zhuǎn)盤，鉆井泵自身特點？問題一：絞車，轉(zhuǎn)盤，鉆井泵自身特點？問題二：對驅(qū)動特性可能會有何要求？問題二：對驅(qū)動特性可能會有何要求？絞車：絞車：立根數(shù)目立根數(shù)目決定載荷決定載荷載荷確定載荷確定大鉤速度大鉤速度結(jié)論：結(jié)論：希望大鉤速度與大鉤載荷乘積為恒定值希望大鉤速度與大鉤載荷乘積為恒定值。這樣可以充分利用動力機組的功率。避免功率這樣可以充分利用動力機組的功率。避免功率的浪費，的浪費

2、，第一節(jié)第一節(jié) 概述概述3大鉤提升載荷與速度的關系大鉤提升載荷與速度的關系1曲線是理想曲線；曲線是理想曲線；2曲線是每換一立根對應曲線；曲線是每換一立根對應曲線；3絞車實際檔位曲線；絞車實際檔位曲線；4由此推理由此推理絞車對動力機組要求絞車對動力機組要求：1、無級變速，、無級變速，調(diào)速范圍調(diào)速范圍R=最大速度最大速度/最小速度最小速度=510；2、有短期過載能力、有短期過載能力3、好的啟動性能，可靠控制離合裝置、好的啟動性能，可靠控制離合裝置總結(jié)：絞車需要這樣的驅(qū)動：可恒功率調(diào)節(jié)；能無極變速；總結(jié)：絞車需要這樣的驅(qū)動：可恒功率調(diào)節(jié)；能無極變速； 驅(qū)動性能良好驅(qū)動性能良好依據(jù)同樣的分析方式可以判

3、斷依據(jù)同樣的分析方式可以判斷轉(zhuǎn)盤和鉆井泵轉(zhuǎn)盤和鉆井泵的基本情況的基本情況5二、典型驅(qū)動方案二、典型驅(qū)動方案方案方案1、單獨驅(qū)動、單獨驅(qū)動優(yōu)勢：優(yōu)勢：傳動系統(tǒng)單；傳動系統(tǒng)單； 效率高；效率高； 便于井場布置；便于井場布置；劣勢：劣勢：裝機功率利用率裝機功率利用率 低；動力部不能低；動力部不能 互濟互濟6二、典型驅(qū)動方案二、典型驅(qū)動方案方案方案2、統(tǒng)一驅(qū)動、統(tǒng)一驅(qū)動優(yōu)勢：優(yōu)勢：裝機功率利用率高；裝機功率利用率高； 可調(diào)劑各工作機不同可調(diào)劑各工作機不同的功率需求；的功率需求； 動力機可互濟；動力機可互濟；劣勢：劣勢：傳動復雜；傳動復雜； 效率低；效率低； 安裝困難安裝困難 柴油機驅(qū)動柴油機驅(qū)動膠帶并

4、車膠帶并車7二、典型驅(qū)動方案二、典型驅(qū)動方案方案方案2、統(tǒng)一驅(qū)動、統(tǒng)一驅(qū)動優(yōu)勢：優(yōu)勢：裝機功率利用率高；裝機功率利用率高； 可調(diào)劑各工作機不同可調(diào)劑各工作機不同的功率需求；的功率需求； 動力機可互濟；動力機可互濟；劣勢：劣勢：傳動復雜；傳動復雜； 效率低；效率低； 安裝困難安裝困難 柴油機柴油機-變矩器驅(qū)動變矩器驅(qū)動鏈條并車鏈條并車8二、典型驅(qū)動方案二、典型驅(qū)動方案方案方案3、分組驅(qū)動、分組驅(qū)動優(yōu)勢：優(yōu)勢：驅(qū)動簡單；驅(qū)動簡單； 利用率高；利用率高； 安裝方便；安裝方便； 主絞車可不主絞車可不 裝在搞鉆臺裝在搞鉆臺 可滿足工作可滿足工作 機布置要求機布置要求交流電動機交流電動機直流電動機直流電動

5、機9三、三、驅(qū)動設備驅(qū)動設備的特性指標的特性指標1 1、適應系數(shù)：、適應系數(shù)：K=K=最大穩(wěn)定扭矩最大穩(wěn)定扭矩/ /額定扭矩額定扭矩2 2、速度范圍：、速度范圍：R=R=最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速/ /最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速3 3、燃料的經(jīng)濟性：同樣功率下消耗燃料費用、燃料的經(jīng)濟性：同樣功率下消耗燃料費用4 4、發(fā)動機比質(zhì)量：、發(fā)動機比質(zhì)量：K=K=發(fā)動機質(zhì)量發(fā)動機質(zhì)量/ /額定功率額定功率5 5、使用經(jīng)濟性：燃料經(jīng)濟性；工作地區(qū)適應性；啟、使用經(jīng)濟性：燃料經(jīng)濟性；工作地區(qū)適應性；啟 動性；靈活性；可靠性；安全性；動性；靈活性；可靠性；安全性； 維護保養(yǎng)難易維護保養(yǎng)難易10四、四、典型設備的典

6、型設備的外特性外特性驅(qū)動機外特性：驅(qū)動機外特性：扭矩扭矩M M隨轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速n n的變化規(guī)律的變化規(guī)律11四、四、典型設備的外特性典型設備的外特性驅(qū)動機外特性：驅(qū)動機外特性：扭矩扭矩M M隨轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速n n的變化規(guī)律的變化規(guī)律幾種動力機幾種動力機適應性系數(shù)適應性系數(shù)K K與速度范圍與速度范圍12第二節(jié)第二節(jié) 柴油機驅(qū)動柴油機驅(qū)動-機械傳動機械傳動研究問題：研究問題：柴油機驅(qū)動特點？驅(qū)動特性？柴油機驅(qū)動特點？驅(qū)動特性？探討并探討并 車、倒車變速等問題車、倒車變速等問題1314發(fā)動機原理發(fā)動機原理15發(fā)動機組裝發(fā)動機組裝16一、柴油機驅(qū)動特點：一、柴油機驅(qū)動特點：1、不受地區(qū)限制，有自持力、不受地區(qū)

7、限制，有自持力2、采用、采用“積木式積木式”增加機組的辦法，較少柴油機品種增加機組的辦法，較少柴油機品種3、轉(zhuǎn)速可平穩(wěn)調(diào)節(jié)，、轉(zhuǎn)速可平穩(wěn)調(diào)節(jié)，4、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、便于移運、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、便于移運5、不足：扭矩曲線平坦，適應性系數(shù)小，過載能力有、不足：扭矩曲線平坦，適應性系數(shù)小，過載能力有 限，噪音大限，噪音大17二、柴油機驅(qū)動特性：二、柴油機驅(qū)動特性：柴油機驅(qū)動特性：包括柴油機驅(qū)動特性：包括外特性；復合特性；外特性；復合特性； 調(diào)速特性調(diào)速特性18二、柴油機驅(qū)動特性：二、柴油機驅(qū)動特性：Z12V190B型柴油機型柴油機外特性外特性g ge e- -油耗；油耗； M Me e- -扭矩；扭

8、矩； N Ne e- -功率功率19二、柴油機驅(qū)動特性：二、柴油機驅(qū)動特性：Z12V190B型柴油機型柴油機負荷特性負荷特性負荷特性：負荷特性：給定轉(zhuǎn)速下，給定轉(zhuǎn)速下，油耗與功率的變化規(guī)律油耗與功率的變化規(guī)律依據(jù)此特性可以確定，依據(jù)此特性可以確定，給定轉(zhuǎn)速下，油耗最小的功率范圍給定轉(zhuǎn)速下，油耗最小的功率范圍20二、柴油機驅(qū)動特性：二、柴油機驅(qū)動特性：Z12V190B型柴油機型柴油機調(diào)速特性調(diào)速特性調(diào)速特性：調(diào)速特性：功率，扭矩與功率，扭矩與轉(zhuǎn)速的關系。轉(zhuǎn)速的關系。當外載超過當外載超過Me時，超負荷，動力性和經(jīng)濟性變壞時，超負荷，動力性和經(jīng)濟性變壞21三、鉆機柴油機的典型工況和功率標定三、鉆機柴

9、油機的典型工況和功率標定典型工況典型工況1 1：起升作業(yè)時驅(qū)動絞車起升作業(yè)時驅(qū)動絞車1、典型工況、典型工況典型工況典型工況2 2：鉆進時驅(qū)動鉆機泵，或同時驅(qū)動泵與轉(zhuǎn)盤鉆進時驅(qū)動鉆機泵，或同時驅(qū)動泵與轉(zhuǎn)盤 接近或達到滿功率運行。接近或達到滿功率運行。22三、鉆機柴油機的典型工況和功率標定三、鉆機柴油機的典型工況和功率標定2、功率標定、功率標定根據(jù)其鉆井過程中的工況特點來標定其功率及其相應轉(zhuǎn)速根據(jù)其鉆井過程中的工況特點來標定其功率及其相應轉(zhuǎn)速起升功率起升功率N Nd d與轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速n nd d：鉆井功率鉆井功率N Ndrdr與轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速n ndrdr23 國產(chǎn)鉆機主要采用國產(chǎn)鉆機主要采用濟南柴油機

10、廠濟南柴油機廠生產(chǎn)的生產(chǎn)的Z190Z190系列柴系列柴油機，該類機型已有油機，該類機型已有九千多臺九千多臺服務于石油鉆探市場。服務于石油鉆探市場。四、國產(chǎn)四、國產(chǎn)190柴油機介紹柴油機介紹24 PZl90 PZl90系列柴油機型號編制的含義如下：系列柴油機型號編制的含義如下：型號示例：型號示例：PZl2V190BDPZl2V190BD四、國產(chǎn)四、國產(chǎn)190柴油機介紹柴油機介紹25 隨著鉆探技術(shù)和裝備的更新，對隨著鉆探技術(shù)和裝備的更新，對鉆機動力鉆機動力提出了提出了以下要求：以下要求： (1)(1)適應沙漠縱深地區(qū)風沙大、日溫差大以及自動適應沙漠縱深地區(qū)風沙大、日溫差大以及自動化程度高、無人值守

11、的要求；化程度高、無人值守的要求； (2)(2)適應高原、高寒地區(qū)空氣稀薄、超低溫的環(huán)境；適應高原、高寒地區(qū)空氣稀薄、超低溫的環(huán)境； (3)(3)深井鉆探，要求柴油機單臺功率大、載荷深井鉆探，要求柴油機單臺功率大、載荷 變化頻繁，在部分載荷下經(jīng)濟性好；變化頻繁，在部分載荷下經(jīng)濟性好； (4)(4)每臺鉆機配備柴油機臺數(shù)少，移運方便；每臺鉆機配備柴油機臺數(shù)少，移運方便； (5)(5)能遠距離控制，可靠性高，故障率能遠距離控制，可靠性高，故障率低。低。 26 為適應上述要求，為適應上述要求，190190系列柴油機在近十年來性能系列柴油機在近十年來性能和可靠性都有較大的提高。例如主導產(chǎn)品和可靠性都有

12、較大的提高。例如主導產(chǎn)品Z12V190BZ12V190B改改型為型為G12V190ZLG12V190ZL，于，于19991999年研制成功。年研制成功。該型柴油機在性該型柴油機在性能指標、可靠性、自動監(jiān)控、解決能指標、可靠性、自動監(jiān)控、解決“三漏三漏”和外觀質(zhì)和外觀質(zhì)量等方面都有顯著提高。量等方面都有顯著提高。27六、機械傳動系統(tǒng)六、機械傳動系統(tǒng)1、并車：、并車：柴油機直接驅(qū)動；柴油機直接驅(qū)動；膠帶（皮帶）并車；膠帶（皮帶）并車； 柴油機液力驅(qū)動；柴油機液力驅(qū)動；鏈條并車鏈條并車2、倒車：、倒車：齒正車，鏈倒車；雙錐齒輪正倒車；齒正車，鏈倒車；雙錐齒輪正倒車； 鏈正車，齒倒車鏈正車，齒倒車雙錐

13、齒輪正倒車雙錐齒輪正倒車28鏈正車，齒倒車鏈正車，齒倒車29六、機械傳動系統(tǒng)六、機械傳動系統(tǒng)1、并車：柴油機直接驅(qū)動；膠帶（皮帶）并車；、并車：柴油機直接驅(qū)動；膠帶（皮帶）并車； 柴油機液力驅(qū)動；鏈條并車柴油機液力驅(qū)動；鏈條并車2、倒車：齒正車，鏈倒車；雙錐齒輪正倒車；、倒車：齒正車，鏈倒車；雙錐齒輪正倒車； 鏈正車，齒倒車鏈正車，齒倒車3、減速與變速：、減速與變速：35此減速；轉(zhuǎn)盤調(diào)速范圍此減速；轉(zhuǎn)盤調(diào)速范圍510，一般，一般 設置設置4-6個機械檔位個機械檔位4、轉(zhuǎn)換方向、轉(zhuǎn)換方向5、帶輔助調(diào)速的傳動方案、帶輔助調(diào)速的傳動方案30帶輔助調(diào)速的傳動方案帶輔助調(diào)速的傳動方案31主要討論：主要討

14、論： 液力傳動原理；為什么變矩器可以實現(xiàn)液力傳動原理；為什么變矩器可以實現(xiàn)優(yōu)越的驅(qū)動特性？優(yōu)越的驅(qū)動特性？第三節(jié)第三節(jié) 柴油機液力變矩器驅(qū)柴油機液力變矩器驅(qū)動動32一、液力傳動原理一、液力傳動原理33二、柴油機二、柴油機-耦合器驅(qū)動耦合器驅(qū)動液力液力耦合器耦合器34三、柴油機三、柴油機-變矩器驅(qū)動變矩器驅(qū)動液力液力變矩器變矩器-原理原理35三、柴油機三、柴油機-變矩器驅(qū)動變矩器驅(qū)動液力液力變矩器變矩器-渦流與環(huán)流渦流與環(huán)流361-1-泵輪泵輪2-2-渦輪渦輪3-3-導輪導輪4-4-工作輪工作輪內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán)5-5-渦輪槽渦輪槽37液力變矩器外特性曲線液力變矩器外特性曲線變矩系數(shù)變矩系數(shù)效率效率38特

15、性指標：特性指標：39 (1) (1)、隨外載變化能、隨外載變化能自動無級地變速變矩自動無級地變速變矩。驅(qū)動。驅(qū)動絞車時，可明顯絞車時，可明顯提高鉆機起升工效提高鉆機起升工效。 (2)(2)、使柴油機始終、使柴油機始終維持在經(jīng)濟合理的工況維持在經(jīng)濟合理的工況下運下運行，即使外載增大導致渦輪軸處于制動狀態(tài)時，柴行，即使外載增大導致渦輪軸處于制動狀態(tài)時，柴油機也不會被蹩滅。油機也不會被蹩滅。柴油機變矩器驅(qū)動柴油機變矩器驅(qū)動優(yōu)勢優(yōu)勢： (3) (3)K K值大，使機組適應外載變化的能力大大增強值大，使機組適應外載變化的能力大大增強，例如，在高效區(qū)范圍內(nèi)例如，在高效區(qū)范圍內(nèi)K2K2（柴油機本身（柴油機

16、本身K K：1.01.01.15)1.15)；在重載時可高達；在重載時可高達3.53.54 4，使鉆機解除事故，使鉆機解除事故，負載啟動能力強，操作平穩(wěn)負載啟動能力強，操作平穩(wěn)。40 (4) (4)調(diào)速范圍調(diào)速范圍R R增大增大，在高效工作區(qū)內(nèi)，在高效工作區(qū)內(nèi)，R Rn nT2T2/n/nT1T12.02.0，在重載，輕載區(qū)仍可以工作在重載，輕載區(qū)仍可以工作，只是，只是效率較低。為了提高效率，一般只需效率較低。為了提高效率，一般只需4 4個機械擋，個機械擋，這既簡化了傳動，又方便了操作。這既簡化了傳動，又方便了操作。 (5) (5)傳動平穩(wěn)柔和傳動平穩(wěn)柔和，吸收沖擊振動，延長了機械，吸收沖擊振

17、動，延長了機械設備壽命。設備壽命。 (6)(6)柴油機液力變矩器并車柴油機液力變矩器并車較皮帶并車傳動效率較皮帶并車傳動效率提高提高3 3，減少了并車損失。，減少了并車損失。柴油機變矩器驅(qū)動柴油機變矩器驅(qū)動優(yōu)勢優(yōu)勢：41 柴油機變矩器驅(qū)動主要不足之處是柴油機變矩器驅(qū)動主要不足之處是效率偏低，效率偏低，變矩器最高效率一般為變矩器最高效率一般為85859090，且隨渦輪軸轉(zhuǎn)且隨渦輪軸轉(zhuǎn)速變化其效率還要降低。純鉆進驅(qū)動泵時工效明速變化其效率還要降低。純鉆進驅(qū)動泵時工效明顯低于機械傳動。此外變矩器顯低于機械傳動。此外變矩器結(jié)構(gòu)比較復雜結(jié)構(gòu)比較復雜，還，還需要一套需要一套補償和散熱冷卻系統(tǒng)補償和散熱冷卻

18、系統(tǒng)。柴油機變矩器驅(qū)動柴油機變矩器驅(qū)動弊端弊端：42柴油機變矩器柴油機變矩器聯(lián)合工作特性曲線聯(lián)合工作特性曲線如圖所示，如圖所示，43柴油機變矩器柴油機變矩器聯(lián)合工作特性曲線聯(lián)合工作特性曲線如圖所示，如圖所示，44 實測表明，每起一立根可比實測表明，每起一立根可比ZJ45JZJ45J鉆機平均縮短鉆機平均縮短7.57.59.59.5秒，約縮短原時間的秒，約縮短原時間的14141515。與。與ZJ45JZJ45J鉆機相比，實現(xiàn)了泵的正轉(zhuǎn)運行。鉆機相比，實現(xiàn)了泵的正轉(zhuǎn)運行。45第四節(jié)第四節(jié) 電驅(qū)動原理及設備電驅(qū)動原理及設備一、電動機的一、電動機的機械特性機械特性電機轉(zhuǎn)速電機轉(zhuǎn)速n n與轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩M M

19、之之間的間的關系關系，稱，稱電動機的特性電動機的特性電動機的轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩電動機的轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩變化的變化的程度程度稱為稱為機械特性機械特性46二、直流電動機二、直流電動機機械特性機械特性與與人為特性人為特性并勵、它勵電動機具有并勵、它勵電動機具有硬特性硬特性47二、直流電動機二、直流電動機機械特性機械特性與與人為特性人為特性串勵電動機具有串勵電動機具有軟特性軟特性48二、直流電動機二、直流電動機機械特性機械特性與與人為特性人為特性2 2、直流電機、直流電機人為特性（調(diào)速方法）人為特性（調(diào)速方法）電驅(qū)串電阻調(diào)速法電驅(qū)串電阻調(diào)速法降低電驅(qū)電壓調(diào)速法降低電驅(qū)電壓調(diào)速法減弱磁通調(diào)速法減弱磁通調(diào)速法它勵電機電

20、驅(qū)串電阻調(diào)速它勵電機電驅(qū)串電阻調(diào)速- -人為特性人為特性49二、直流電動機二、直流電動機機械特性機械特性與與人為特性人為特性2 2、直流電機、直流電機人為特性（調(diào)速方法）人為特性（調(diào)速方法）電驅(qū)串電阻調(diào)速法電驅(qū)串電阻調(diào)速法降低電驅(qū)電壓調(diào)速法降低電驅(qū)電壓調(diào)速法減弱磁通調(diào)速法減弱磁通調(diào)速法50三、交流電動機三、交流電動機機械特性機械特性與與人為特性人為特性1 1、交流電機、交流電機機械特性機械特性交流電動機交流電動機機械特性是機械特性是硬特性硬特性，不能滿足鉆機，不能滿足鉆機工作機對調(diào)速的要求。工作機對調(diào)速的要求。51三、交流電動機三、交流電動機機械特性機械特性與與人為特性人為特性2 2、交流電機變頻調(diào)速、交流電機變頻調(diào)速機械特性機械特性通過人為變頻調(diào)速的通過人為變頻調(diào)速的機機械特性械特性，能夠滿足鉆機能夠滿足鉆機工作機對調(diào)速的要求。工作機對調(diào)速的要求。52四、四、AC-SCR-DC可控硅直流電機可控硅直流電機1 1、SCRSCR電驅(qū)動電驅(qū)動53四、四、AC-SCR-DC可控硅直流電機可控硅直流電機2 2、SCRSCR電驅(qū)動優(yōu)勢電驅(qū)動優(yōu)勢（1 1）、有人為軟