第五章 轉(zhuǎn)盤及水龍頭的設(shè)計(jì)計(jì)算

1、1機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程系機(jī)電工程系許志倩許志倩2第五章第五章 轉(zhuǎn)盤與水龍頭的設(shè)計(jì)計(jì)算轉(zhuǎn)盤與水龍頭的設(shè)計(jì)計(jì)算l轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：軸承布置方案，轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：軸承布置方案，水平軸總成結(jié)構(gòu)型式；水平軸總成結(jié)構(gòu)型式；l水龍頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：軸承布置方案、水龍頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：軸承布置方案、結(jié)構(gòu)型式選擇，沖管密封型式選擇；結(jié)構(gòu)型式選擇，沖管密封型式選擇；l轉(zhuǎn)盤、水龍頭主軸承壽命核算。轉(zhuǎn)盤、水龍頭主軸承壽命核算。3第五章第五章 轉(zhuǎn)盤與水龍頭的設(shè)計(jì)計(jì)算轉(zhuǎn)盤與水龍頭的設(shè)計(jì)計(jì)算l5.1 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)盤l5.2 水龍頭水龍頭4l轉(zhuǎn)盤與水龍頭同屬于轉(zhuǎn)盤與水龍頭同屬于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。l轉(zhuǎn)盤是旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作機(jī)，

2、是鉆機(jī)的關(guān)鍵部轉(zhuǎn)盤是旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作機(jī)，是鉆機(jī)的關(guān)鍵部件。件。l水龍頭在鉆井過(guò)程中懸持并允許鉆桿柱旋水龍頭在鉆井過(guò)程中懸持并允許鉆桿柱旋轉(zhuǎn)，讓鉆井液進(jìn)入鉆桿柱內(nèi)腔完成循環(huán)洗轉(zhuǎn)，讓鉆井液進(jìn)入鉆桿柱內(nèi)腔完成循環(huán)洗井作業(yè)，是井作業(yè)，是起升、循環(huán)與旋轉(zhuǎn)三個(gè)系統(tǒng)交起升、循環(huán)與旋轉(zhuǎn)三個(gè)系統(tǒng)交匯的匯的“關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)”部件部件。55.1 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)盤 5.1.1 轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)特點(diǎn)l轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)組成：轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)組成：l水平軸水平軸l轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái)l軸承軸承l(wèi)錐齒輪錐齒輪l制動(dòng)機(jī)構(gòu)制動(dòng)機(jī)構(gòu) l殼體殼體6水平軸總成水平軸總成l輸入軸l整體裝卸l機(jī)油飛濺潤(rùn)滑7轉(zhuǎn)臺(tái)總成轉(zhuǎn)臺(tái)總成l主軸承主軸承l(wèi)輔助軸承（防跳軸承）輔助軸承（防跳軸承）l錐齒輪錐齒輪

3、l密封裝置密封裝置l制動(dòng)裝置制動(dòng)裝置l方補(bǔ)心等方補(bǔ)心等l軸承間隙調(diào)整軸承間隙調(diào)整8軸承軸承l(wèi)作用：軸向定位，徑向扶正作用：軸向定位，徑向扶正l水平軸：雙列向心球面滾子水平軸：雙列向心球面滾子+圓柱圓柱l轉(zhuǎn)臺(tái)：主軸承，輔助軸承（防跳軸承），推力向心轉(zhuǎn)臺(tái)：主軸承，輔助軸承（防跳軸承），推力向心球軸承球軸承9軸承布置方案軸承布置方案l主軸承在下、輔軸承在上主軸承在下、輔軸承在上l扶正距離效果好，上軸承潤(rùn)滑困難扶正距離效果好，上軸承潤(rùn)滑困難l早期采用過(guò)的方案早期采用過(guò)的方案10軸承布置方案軸承布置方案l主、輔軸承同在驅(qū)動(dòng)齒輪下方主、輔軸承同在驅(qū)動(dòng)齒輪下方裝配方便，扶裝配方便，扶正距離短，下軸承易磨損，

4、軸向間隙調(diào)整困難正距離短，下軸承易磨損，軸向間隙調(diào)整困難目前普遍采用的方案目前普遍采用的方案11密封裝置密封裝置l轉(zhuǎn)臺(tái)密封轉(zhuǎn)臺(tái)密封 迷宮密封迷宮密封l水平軸密封水平軸密封 填料密封填料密封12制動(dòng)裝置制動(dòng)裝置l方案：方案：l水平軸制動(dòng)水平軸制動(dòng)l轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)135.1.2 轉(zhuǎn)盤參數(shù)轉(zhuǎn)盤參數(shù) l（1）轉(zhuǎn)盤開(kāi)口直徑）轉(zhuǎn)盤開(kāi)口直徑D盤盤： D盤盤=D頭頭+1/2”l（2）最大靜載荷）最大靜載荷 與鉆機(jī)的與鉆機(jī)的Qmax一致一致 l（3）最大工作扭矩：）最大工作扭矩： 受鉆桿強(qiáng)度的影響受鉆桿強(qiáng)度的影響l（4）最高轉(zhuǎn)速：）最高轉(zhuǎn)速： 一般一般n=300r/min。14轉(zhuǎn)盤型號(hào)轉(zhuǎn)盤型號(hào)lZP-520

5、轉(zhuǎn)盤開(kāi)口直徑520mm；lZP275 轉(zhuǎn)盤開(kāi)口直徑698mm（27-1/2”）155.1.3 轉(zhuǎn)盤載荷分析轉(zhuǎn)盤載荷分析l（1）轉(zhuǎn)速）轉(zhuǎn)速l統(tǒng)計(jì)公式：統(tǒng)計(jì)公式： l轉(zhuǎn)速井深系數(shù)，轉(zhuǎn)速井深系數(shù)，=Li/L；lkn比例系數(shù)比例系數(shù))100200(nkn16（2）扭矩）扭矩l轉(zhuǎn)盤工作扭矩轉(zhuǎn)盤工作扭矩lM1破巖扭矩。破巖扭矩。l一般變化不大，經(jīng)驗(yàn)公式：一般變化不大，經(jīng)驗(yàn)公式：l單位（直徑）鉆壓，單位（直徑）鉆壓，kN/mm，一般為，一般為0.61kN/mm（1.52.5tf/in）；）；lDb鉆頭直徑，鉆頭直徑，mm；lK鉆頭破巖摩阻系數(shù)。鉆頭破巖摩阻系數(shù)。21MMMr213bDKM17lM2摩擦扭矩摩

6、擦扭矩l經(jīng)統(tǒng)計(jì)：經(jīng)統(tǒng)計(jì)：l泥漿漿比重泥漿漿比重 l經(jīng)整理簡(jiǎn)化：經(jīng)整理簡(jiǎn)化： )1 (75. 2)5 . 05 . 0(5 . 5LLMr6 . 02110nLMi18（3）軸承受力）軸承受力l鉆柱對(duì)補(bǔ)心的摩擦力鉆柱對(duì)補(bǔ)心的摩擦力lb方鉆桿直徑。方鉆桿直徑。rrrrMKbMP2195.1.4 主軸承壽命核算主軸承壽命核算l（1）軸承的額定動(dòng)載荷）軸承的額定動(dòng)載荷l 或或lm=3載荷指數(shù)（球軸承）；載荷指數(shù)（球軸承）；lC軸承的額定動(dòng)載荷；軸承的額定動(dòng)載荷；lN0=106循環(huán)基數(shù)；循環(huán)基數(shù)；lN實(shí)際循環(huán)次數(shù)，實(shí)際循環(huán)次數(shù)， ；lP軸承的實(shí)際載荷，軸承的實(shí)際載荷， 。constNPm0NCNPmmm

7、axPkP當(dāng)nTN6020（2）軸承的實(shí)際載荷）軸承的實(shí)際載荷l在任意井深：在任意井深：mNmdNPPNk0max)(1當(dāng))2(2)100200(60603222NniKALknTNmNNmrmNmdKLKNdNPPNk020max)34()1 (75. 21)(1當(dāng)dKdNN)34(2nTNN60maxPkP當(dāng)222ALtT21Pmax計(jì)算計(jì)算 l當(dāng)=1時(shí))1 (75. 2)5 . 05 . 0(5 . 5LLMrbLbMPrr/ )1 (5 . 52bLP11max22軸承核算軸承核算 l 軸承壽命軸承壽命TlT3000小時(shí)小時(shí)l 強(qiáng)度核算強(qiáng)度核算l實(shí)際載荷（相當(dāng)載荷）實(shí)際載荷（相當(dāng)載荷）

8、l等效載荷等效載荷l軸承核算軸承核算0NCNPmmnTN60nNPCTm60)(0maxPkP當(dāng)maxPkkPkCNN當(dāng)CC235.2 水龍頭水龍頭l正常鉆進(jìn)時(shí)正常鉆進(jìn)時(shí)l 水龍頭位于大鉤下方水龍頭位于大鉤下方l作用：旋轉(zhuǎn)密封作用：旋轉(zhuǎn)密封l 承載承載l 高壓高壓245.2.1 水龍頭結(jié)構(gòu)組成水龍頭結(jié)構(gòu)組成l中心管總成中心管總成l殼體殼體l提環(huán)提環(huán)l沖管總成沖管總成l潤(rùn)滑與密封潤(rùn)滑與密封25中心管總成：中心管總成：l軸承布置方案l主軸承l(wèi)防跳軸承l(wèi)扶正軸承26浮動(dòng)式?jīng)_管總成浮動(dòng)式?jīng)_管總成l沖管總成是水龍頭中最關(guān)鍵的組沖管總成是水龍頭中最關(guān)鍵的組件，其工作條件十分惡劣。因?yàn)榧?，其工作條件十分惡劣

9、。因?yàn)殂@井液壓力高，磨礪性強(qiáng)，稍有鉆井液壓力高，磨礪性強(qiáng)，稍有泄漏即會(huì)加速密封和沖管的磨損；泄漏即會(huì)加速密封和沖管的磨損；沖管與中心管之間是轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)的沖管與中心管之間是轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)的動(dòng)密封。要求對(duì)通過(guò)高壓、磨礪動(dòng)密封。要求對(duì)通過(guò)高壓、磨礪性強(qiáng)的鉆井液進(jìn)行動(dòng)密封，又要性強(qiáng)的鉆井液進(jìn)行動(dòng)密封，又要求壽命長(zhǎng)，極不容易?，F(xiàn)代鉆井求壽命長(zhǎng)，極不容易。現(xiàn)代鉆井水龍頭采用浮動(dòng)式快卸沖管，較水龍頭采用浮動(dòng)式快卸沖管，較好地解決了水龍頭中高壓鉆井液好地解決了水龍頭中高壓鉆井液的密封問(wèn)題。的密封問(wèn)題。27 l浮動(dòng)式快卸沖管的結(jié)構(gòu)28l浮動(dòng)式快卸沖管的特點(diǎn)是：浮動(dòng)式快卸沖管的特點(diǎn)是： 沖管浮立在鵝頸管過(guò)渡接頭和中心管沖

10、管浮立在鵝頸管過(guò)渡接頭和中心管之間，工作時(shí)不轉(zhuǎn)動(dòng)，但允許略有軸向竄動(dòng)，之間，工作時(shí)不轉(zhuǎn)動(dòng)，但允許略有軸向竄動(dòng)，沖管磨損均勻。沖管磨損均勻。 Y形密封圈與鋼制隔環(huán)交迭布置。形密封圈與鋼制隔環(huán)交迭布置。 密封圈數(shù)目少，僅有密封圈數(shù)目少，僅有34個(gè)?？赏ㄟ^(guò)個(gè)。可通過(guò)密封盒上黃油嘴注入黃油，潤(rùn)滑條件好，減密封盒上黃油嘴注入黃油，潤(rùn)滑條件好，減少了摩擦能量損失和磨損。少了摩擦能量損失和磨損。29 沖管和中心管同心性好。密封盒有定位沖管和中心管同心性好。密封盒有定位止口，圓柱配合面定心，可提高加工及止口，圓柱配合面定心，可提高加工及配合精度，保證沖管和中心管有很好的配合精度，保證沖管和中心管有很好的同心性

11、，不易發(fā)生偏磨，延長(zhǎng)了沖管和同心性，不易發(fā)生偏磨，延長(zhǎng)了沖管和密封圈的壽命。密封圈的壽命。 能快速拆裝，更換方便。只需將上、能快速拆裝，更換方便。只需將上、下密封盒壓帽旋出，就可取出沖管總成，下密封盒壓帽旋出，就可取出沖管總成，快速更換密封圈或沖管，這對(duì)安全、快快速更換密封圈或沖管，這對(duì)安全、快速打井有非常重要的意義。速打井有非常重要的意義。305.2.2 水龍頭基本參數(shù)水龍頭基本參數(shù)l(1)最大靜載荷最大靜載荷 水龍頭的主要受力件是主軸承、水龍頭的主要受力件是主軸承、提環(huán)等，所能承受的最大載荷應(yīng)等于或大于鉆機(jī)提環(huán)等，所能承受的最大載荷應(yīng)等于或大于鉆機(jī)的最大鉤載。的最大鉤載。l(2)中心管通孔

12、直徑中心管通孔直徑 目前國(guó)產(chǎn)水龍頭中心管、沖目前國(guó)產(chǎn)水龍頭中心管、沖管通孔直徑均為管通孔直徑均為75mm。l(3)最高轉(zhuǎn)速最高轉(zhuǎn)速 水龍頭許用最高轉(zhuǎn)速（水龍頭許用最高轉(zhuǎn)速（r/min），應(yīng)），應(yīng)與轉(zhuǎn)盤的最高轉(zhuǎn)速相一致，一般為與轉(zhuǎn)盤的最高轉(zhuǎn)速相一致，一般為300r/min。l(4)最大工作壓力最大工作壓力 水龍頭最大工作壓力應(yīng)與鉆井水龍頭最大工作壓力應(yīng)與鉆井泵、高壓管匯、水龍帶相匹配，一般為泵、高壓管匯、水龍帶相匹配，一般為35MPa。315.2.3 水龍頭載荷分析水龍頭載荷分析l（1）轉(zhuǎn)速（同轉(zhuǎn)盤）轉(zhuǎn)速（同轉(zhuǎn)盤）l（2）垂直載荷）垂直載荷)100200(nkniiqLQP鉤qLqLQQPPii/max柱鉤325.2.4 水龍頭主軸承壽命核算水龍頭主軸承壽命核算l（1）軸承的額定動(dòng)載荷計(jì)算）軸承的額定動(dòng)載荷計(jì)算l 或或lm=3/10載荷指數(shù)（滾子軸承）；載荷指數(shù)（滾子軸承）；lC軸承的額定動(dòng)載荷；軸承的額定動(dòng)載荷；lN0=106循環(huán)基數(shù)；循環(huán)基數(shù)；lN實(shí)際循環(huán)次數(shù)，實(shí)際循環(huán)次數(shù)， ；lP軸承的實(shí)際載荷，軸承的實(shí)際載荷， 。constNPm0NCNPmmnTN60maxPkP當(dāng)。33（2）軸承的實(shí)際載荷）軸承的實(shí)際載荷l在任意井深：mNmdNPPNk0max)