2023年全國碩士研究生考試考研英語一試題真題(含答案詳解+作文范文)_第1頁
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文檔簡介

1、<p>  《石油設(shè)備與工具方案設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》</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(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jì)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(dòng)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(dòng)、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(jì)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(tái)大扭矩的直流電動(dòng)機(jī)

6、驅(qū)動(dòng),采用強(qiáng)制水冷盤式剎車,起升鋼絲繩直徑50mm。鉆井泵單臺(tái)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(dòng)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(jì)方案</b></p><p>  3.1.

7、 JC70D2絞車概述</p><p>  JC-70D2絞車傳動(dòng)是ZJ70D系列鉆機(jī)的傳動(dòng)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(shí)還擔(dān)負(fù)著井架及鉆機(jī)前后臺(tái)起升和降落任務(wù)。它主要有二大組成部分,動(dòng)力裝置(包括輸入軸在內(nèi))和絞車主體,絞車傳動(dòng)動(dòng)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(tái)YZ08(國產(chǎn))電機(jī)作為動(dòng)力,經(jīng)動(dòng)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(shí)間,JC70D2絞車通過輸入軸和傳動(dòng)軸之間的兩檔鏈條形成兩個(gè)檔位,而傳動(dòng)軸與滾筒軸之間通過高、低速離合器又形成兩個(gè)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(dòng),絞車可實(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)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(tái) 、型號:JC70D2。</p><p>  特征:由

11、SCR控制交流電機(jī)提供動(dòng)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(tái)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(tái)同樣配置空氣報(bào)警器及氣壓表、潤滑、和液壓等顯示儀表,鉆井儀表操控臺(tái)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(dòng)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(shí)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?yàn)轫槙r(shí)針(從傳動(dòng)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(jì)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(tái)YZ08 電機(jī)經(jīng)動(dòng)力裝置輸入軸并車,功率合流后通過輸入軸與傳動(dòng)軸之間的兩掛鏈條形成兩個(gè)檔位,傳動(dòng)軸與滾筒軸之間的兩掛鏈條又形成兩個(gè)檔位,絞車總共產(chǎn)生2×2 檔,此外,傳動(dòng)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(dòng)力輸入軸與傳動(dòng)軸之間的換檔采用機(jī)械換檔,傳動(dòng)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(gè)工作卡鉗和2個(gè)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(shí)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(gè)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(dòng)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> ?。?)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(dòng)摩擦片與淬銅合金板的離合,從而改變制動(dòng)能力的裝置。其剎車時(shí)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>  ① 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(gè)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(shí),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(dòng)輔助活塞缸及剎車氣缸,氣動(dòng)輔助活塞缸及剎車氣缸同時(shí)起作用,進(jìn)剎死滾筒。同時(shí)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(dòng),達(dá)到天車放碰的目的。緊急剎車裝置是利用氣動(dòng)輔助剎車的制動(dòng)機(jī)構(gòu)及主剎車氣缸同時(shí)作用,由司鉆認(rèn)為控制絞車剎車。司鉆臺(tái)上有緊急剎車控制閥,無論何時(shí),只要司鉆認(rèn)為有必要緊急制動(dòng),只要按下此閥,主滾筒便可在最短時(shí)間內(nèi)停止

22、轉(zhuǎn)動(dòng),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(dòng)報(bào)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(gè)檔,轉(zhuǎn)盤二個(gè)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(dòng)流程圖該絞車為四軸式絞車結(jié)構(gòu),即由輸入軸,傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)主要由以下幾個(gè)部分組成: 傳動(dòng)部分:引入并分配和傳遞動(dòng)力。主要包括輸入軸,傳動(dòng)軸,撈砂滾筒軸,滾筒軸等總成及傳動(dòng)鏈條等組成。</p>

24、<p> ?。▓D2-2) 1—撈砂滾筒總成: 2—傳動(dòng)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(tái),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(dòng)力的傳動(dòng)來完成游動(dòng)系統(tǒng)的起升作業(yè)和撈砂滾筒的輔助作

25、業(yè)。動(dòng)力機(jī)組輸出的功率經(jīng)過并車箱和角傳動(dòng)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(shí),在主滾筒的另一側(cè),直接安裝WCB324輔助剎車,這樣就實(shí)現(xiàn)了功率的逐步傳遞。整個(gè)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(jì)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(jì)計(jì)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(shí)使絞車起動(dòng)動(dòng)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(shí)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(jì)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(jì)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(jì)的偏小一點(diǎn)。這對減輕絞車的重量,減小絞車的啟動(dòng)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(shí),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(jì),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(jì)經(jīng)驗(yàn) :</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(jì)算快繩的傾斜角,驗(yàn)算L設(shè)計(jì)的合理性。L =2Htgλ其中:</p><p> ?。权D―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(jì)算,快繩的傾斜角小于1.15。</p><p>  所以,滾筒長度符合設(shè)計(jì)要求:剎車鼓直徑D2:根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn) 

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(dòng)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(jì)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(jì)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(shí)<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(gè)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(shí)際證明,由于前兩種載荷所引起

37、的應(yīng)力都較第三個(gè)要小得多,所以在計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)。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(shí), 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(jì),則可得近

38、似值。則對于次此設(shè)計(jì)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(shí)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>  (1) 當(dāng)滾筒上只有一層鋼絲繩纏繞時(shí),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(gè)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(shí)際的滾筒上鋼繩作多層纏繞時(shí),max不是按比例增加的(由應(yīng)力實(shí)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(shí)滾筒體向內(nèi)收縮,暫時(shí)穩(wěn)定為一定的彈性狀態(tài),再纏繞第二層時(shí),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(yàn)公式計(jì)算:多層纏繞時(shí)的最大應(yīng)力 max=AKg/cm 。</p><p>  式中為多層纏繞經(jīng)驗(yàn)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(shí),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(jì)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(dòng)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(shí)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(dòng)杠桿,通過曲拐拉拽剎帶的活動(dòng)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(shí),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(dòng)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(shí),應(yīng)保證只用帶剎車仍能堅(jiān)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(dòng)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> ?。?) 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(shí)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(dòng),因其反向制動(dòng)力矩要小的多,所以在鉆機(jī)方案設(shè)計(jì)的時(shí)候,要注意滾筒的旋轉(zhuǎn)方向。</p><p>  (3) 活動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)是一個(gè)常數(shù)。</p><p>  4.3.3 剎車摩擦副的發(fā)熱、磨損計(jì)算</p><p>  下鉆過程中。載荷和起

51、升系統(tǒng)的的運(yùn)動(dòng)自量的動(dòng)能在剎車時(shí),通過摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?,使摩擦副發(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(jì)計(jì)算任務(wù)之一就是要計(jì)算摩擦副的熱負(fù)荷,一避免可能發(fā)生的制動(dòng)力矩不足或溜鉆事故,摩擦副的發(fā)熱計(jì)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(shí),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(dòng)功率為N時(shí)的最大穩(wěn)定溫度大于摩擦副的允許溫度時(shí)是不允許的,必須降低穩(wěn)定溫度,如設(shè)計(jì)大尺寸剎車,采用人工冷卻等,否則要被迫降低平均制動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(jì)計(jì)算</p><p>  根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),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(jì)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>  (一)靜強(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(dòng)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(shí),軸受力的情況最惡劣,故按此狀況進(jìn)行計(jì)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> ?。?)計(jì)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> ?、?#160; 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>  Ⅰ截面: MⅠy = -0.525 kgf cm</p><p>  A 截面: May = 0.99 kgf cm</p>

63、;<p> ?、蚪孛妫?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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)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(shí)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(jì)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(jì)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(shí)的最大制動(dòng)力矩M,式中為下放時(shí)游動(dòng)系統(tǒng)載荷,約為起升時(shí)的70%。</p><p>  則:M = 1700×0.7 = 1190 KN。 </p><p>  ---動(dòng)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(dòng)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(gè)剎帶的弧長上,剎帶拉力由T遞減為t ,其差值為制動(dòng)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(shí),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(bào);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(dòng)剎車橡膠活塞膜ANSYS分析及設(shè)計(jì) [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(jià)石油鉆機(jī) [J];石油機(jī)械;20

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