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1、5.2 柴油机驱动机械传动,内容回顾,柴油机驱动-机械传动,一、柴油机的类型与特性,二、V带钻机,三、齿轮钻机,四、链条钻机,一、柴油机的类型与特性(重点),1.柴油机驱动特点,2.柴油机的特性,3.国产Z190系列柴油机,4.电驱钻机用柴油机,柴油机广泛用作钻井设备动力。其主要特点是：(1)不受地区限制，具有自持能力。无论寒带、热带、高原、山地、平原、沙漠、沼泽、海洋，自带燃料都可工作，这对勘探和开发新油田是非常重要的。(2)产品系列化后，不同级别钻机，可采用所谓“积木式”，即增加相同类型机组数目的办法，以增加总装机功率，从而减少柴油机品种。,一、柴油机的类型与特性,1.柴油机驱动特点,(3
2、)在性能上，转速可平稳调节，能防止工作机过载，避免出设备事故。装上全制式调速器，油门手柄处于不同位置时，即可得到不同的稳定工作转速。当外载增加超过max时，柴油机便越过外特性上稳定工作点而灭火，不致造成传动机构或工作机因过载而损坏。(4)结构紧凑，体积小，重量轻，便于搬迁移运，适于野外流动作业。(5)扭矩曲线较平坦，适应性系数小(1.051.15)，过载能力有限；转速调节范围窄(1.31.8)；噪音大，影响工人健康；与电驱动比较，驱动传动效率低，燃料成本高等。,1.柴油机驱动特点,一、柴油机的类型与特性,返回,一、柴油机的类型与特性,2、柴油机的特性,（1）外特性,（2）负荷特性,（3）调速特
3、性,（4）通用特性,一、柴油机的类型与特性,（1）外特性,当喷油量为最大时，性能参数Ne、Me、ge、Ge随n变化的规律性，即外特性。外特性是正确选择及合理使用发动机的基础。（参考Z12V190B柴油机外特性）(1)曲线定量地指明了不同转速下的Ne、Me和ge的值。(2)曲线指明了最大功率Nmax、最大扭矩Mmax、最大功率时扭矩Me、最小耗油量gemin及相应的经济转速，可确定适应性系数和合理的工作转速范围。,最大功率Nmax,最大扭矩Mmax,Me,返回,一、柴油机的类型与特性,（2）负荷特性,定转速下油耗ge随功率Ne而变化的规律，称负荷特性。（参见Z12V190B型柴油机负荷特性曲线）
4、依据负荷特性，可确定动力机在定转速下工作时的经济负荷，即耗油率最小时柴油机的功率范围。方法：由坐标原点引射线与ge曲线相切，切点所对应之功率即最经济的功率，因为该点Ne与ge比值最大。,返回,一、柴油机的类型与特性,（3）调速特性,油门手柄固定，油泵齿条由调速器自动控制时，Ne、Me与转速n的关系，称调速特性，如图所示。由调速特性知，装有全制式调速器的柴油机，负荷可以在很大范围内变化，而转速则可维持5的变化。调节油门手柄位置，可得到一系列形状类似的调速线。在选择匹配和操作使用柴油机时，联合 工作点都应在调速线上。若外载超过e点，发动机将在超负荷工况下运行，动力性和经济性指标都会变坏，这是不利的
5、。,返回,一、柴油机的类型与特性,右图是Z12V190B柴油机的通用特性曲线，最内层的等油耗率曲线表明发动机最经济的工作范围。,（4）通用特性,返回,3.国产Z190系列柴油机,国产钻机主要采用济南柴油机厂生产的Z190系列柴油机，该类机型已有近万台服务于石油钻探市场。,PZl90系列柴油机型号编制的含义如下：型号示例：PZl2V190BD表示配套机、增压、12缸、V型排列、缸径190、改造顺序号B、电驱动钻机用、标定转速为1500rmin、标定12小时功率。,随着石油钻探技术和装备的更新，以及我国的油气开发趋势，对钻机动力提出了以下要求：（1）适应沙漠纵深地区风沙大、日温差大以及自动化程度高
6、、无人值守的要求；（2）适应高原、高寒地区空气稀薄、超低温的环境；（3）深井钻探，要求柴油机单台功率大、载荷变化频繁，在部分载荷下经济性好；（4）每台钻机配备柴油机台数少，移运方便；（5）能远距离控制，可靠性高，故障率低。为适应上述要求，190系列柴油机在近十年来性能和可靠性都有较大的提高。例如主导产品Z12V190B改型为G12V190ZL，于1999年研制成功。该型柴油机在性能指标、可靠性、自动监控、解决“三漏”和外观质量等方面都有显著提高。,3.国产Z190系列柴油机,新世纪以来，济柴公司又研制A12V190Z型柴油机。这种产品具有功率大、性能高、使用可靠、操作方便等特点，可满足320-
7、7000m机械及电动钻机的需求。,3.国产Z190系列柴油机,3.国产Z190系列柴油机,一、柴油机的类型与特性,4.电驱钻机用柴油机,了解内容,柴油机驱动-机械传动,一、柴油机的类型与特性,二、V带钻机,三、齿轮钻机,四、链条钻机,二、V带钻机,采用V带作为钻机主传动副，采用V带将多台柴油机并车，统一驱动各工作机组及辅助设备，且用V带传动驱动钻井泵。V带并车具有传动柔和、并车容易、制造简单、维护保养方便的优点。,二、V带钻机,带传动的类型1.按传动原理分（1）摩擦带传动 靠传动带与带轮间的摩擦力实现传动，如V带传动、平带传动等；（2）啮合带传动 靠带内侧凸齿与带轮外缘上的齿槽相啮合实现传动，
8、如同步带传动。2.按用途分（1）传动带 传递动力用（2）输送带 输送物品用。3.按传动带的截面形状分（1）平带 平带的截面形状为矩形，内表面为工作面。（2）V带：截面形状为梯形，两侧面为工作表面。（3）多楔带：它是在平带基体上由多根V带组成的传动带。可传递很大的功率。（4）圆形带：横截面为圆形。只用于小功率传动。（5）齿形带（同步带）：,1.大庆130钻机和ZJ32J钻机(新标准为ZJ402250J)我国从1951年开始引进苏联5型钻机，1958年兰州石油机械厂建厂开始生产仿苏ZJ-130型皮带钻机。,二、V带钻机,在70年代中期由江汉石油管理局钻采设备研究所设计，兰州石油化工机械厂制造的大庆
9、130型钻机成为我国油田相当长时期钻深19003200m井的主力设备。这是在原苏制5型钻机和我国仿制的ZJl30型钻机基础上改进成为三台柴油机驱动的皮带钻机。,二、V带钻机,大庆130型钻机,大庆130钻机是我国70年代以来的老产品，主要存在的问题有：(1)柴油机一出门就被一级减速箱换向，造成钻井泵反转运行，使钻井泵工作条件恶化，致使其可靠性降低。(2)钩载储备系数偏小，其Qmax160吨，而Q柱130吨。可靠性和机动性差。(3)绞车功率小，开式润滑效果差，寿命短，刚性差，起升速度低。(4)并车联动机组薄弱，常发生断轴事故，气胎离合器寿命短。(5)塔形井架装拆费时，高空作业不安全。(6)钻台底
10、座高度小，不够安装必要的井控设备。,二、V带钻机,大庆130型钻机,自1982年开始，兰州石油化工机械厂、宝鸡石油机械厂与各油田结合先后进行了十多种大庆130型钻机改造试验。现已成批生产的ZJ32J-2型钻机，作为大庆130钻机的替代机型，对各部件都进行了彻底更新，其性能参数全面符合GBl806-86的要求。,ZJ32I-2型钻机,ZJ32J-2钻机传动方案如图所示。,三台PZl2V190B-1柴油机经万向轴、气离合器、窄型联组扩带并车传动，统一驱动绞车、转盘和两台3NB-1300C钻井泵。由于该机取消了旧有的减速箱，正车箱和倒车箱，使钻机后台简单紧凑，布局合理，提高了传动效率。,采用了密封式
11、JC32型1000马力强制润滑绞车，开槽滚筒，过卷阀控制的防碰天车装置、DS32电磁涡流刹车，提高了起升机组可靠性，安全性和工作效能；同时采用整体自升式前开口井架，便于安装，移运；采用4.5m高钻台，便于安装井控设备。,ZJ32J-2型钻机在运行中也暴露了以下弱点：(1)由于取消了皮带并车前的减速装置，使联组窄V带，离合器，轴承和爬坡链条四大传动件直接在高速下运转，振动和噪音都非常强烈，同时柴油机被迫调节在10001050rmin下运行。即使如此，胶带的线速度达27.5ms(22ms)，使胶带工作条件恶化，实际寿命为50006000小时(设计寿命10000小时)。(2)每台柴油机在1000rm
12、in下持续功率只有520kw，总功率为1560KW(1890马力)，只够单泵和转盘打井，如带双泵则每台泵仅得700马力，约为泵额定功率55，这样开双泵时泵压太低，不能用于喷射钻井。此外，柴油机长期在1000rmin下运行其耗油率增大。,ZJ32I-2型钻机,（新标准为ZJ503150J)该型钻机用于钻30004500m深的油气井。它由兰石油化工机械厂于1982年底通过鉴定后投入成批生产的皮带钻机(至1988年共生产140台)，其基本参数符合GBl806-79的规定。,2.ZJ50型钻机,ZJ45J钻机传动方案如图所示。,2.ZJ50型钻机,该钻机有如下特点：(1)由三台PZl2V190B-1柴
13、油机驱动，装机功率3700kw(12小时功率)，标定转速1200rmin，用来带双泵及转盘，功率基本能满足需要。(2采用净空43m的JJ30043型A型井架，可地面组装，整体起升；采用4.5m高钻台，便于安装井口防喷装置。(3)游动系统配备最大绳系67，配备TC350型天车，YC350型游车，DG350型大钩及SL450型水龙头，最大承载能力大于钻机最大钩载，保证安全。(4)采用密封式JC45绞车，爬坡链，传转盘链均为闭式强制润滑。开槽滚筒排绳整齐，过卷阀控制防碰天车结构反应灵敏可靠。(5)配备1300水刹车，带自动调节水位的水箱。(6)配备两台3NB-1300钻井泵，可满足强力喷射钻井需要。
14、(7)钻机的传动机构较复杂，柴油机出门后被减速，并车后还需正车箱。钻井泵反转运行也是不足之处。,三、齿轮钻机,采用齿轮作为钻机主传动副，配合万向轴驱动绞车和转盘，或采用圆锥齿轮万向轴并车驱动绞车、转盘和钻井泵。特点：齿轮传动允许的线速度高，体积小、结构紧凑；万向轴结构简单、紧凑、维护保养方便、互换性好。不适宜于大功率钻机，一般中深井不采用齿轮作主传动副。,三、齿轮钻机,插直齿轮,滚直齿轮,三、齿轮钻机,万向轴,采用链条作为钻机主传动副，24台柴油机加变矩器组成驱动机组，用多排小节距套筒滚子链条并车，统一驱动各工作机的机械钻机，在石油现场统称为链条钻机，这类钻机一般仍用V带传动驱动钻井泵。美国的
15、机械钻机一直是链条钻机。自60年代开始，苏联、罗马尼亚也大力发展链条钻机。我国各油田使用的链条钻机大多是从罗马尼亚进口的，有2DH-75、3DH-200A、4DH-315、4LD-150D及F-200、F-320等，其中F系列钻机F-200、F-320等目前仍在使用。我国从70年代中期开始，重视了研制石油钻机用套筒滚子链条，发展链条钻机。1985年，我国制造的第一台链条钻机ZJ45钻机通过鉴定。90年代初，ZJ60L型钻机亦成批生产，成为陆上超深井的主力设备。,四、链条钻机,柴油机液力驱动的钻机即链条钻机，为机械驱动钻机，具有价格便宜、维修维护方便等优势，因而在钻深4000米内的油井仍然以机械
16、钻机为主。即使在石油工业发达的美国，链条钻机的使用也占有相当大的份额。我国现有ZJ40L、ZJ50L和ZJ70L等链条钻机。,套筒滚子链条,四、链条钻机,柴油机变矩器驱动特点：（1）随外载变化能自动无级地变速变矩。驱动绞车时，可明显提高钻机起升工效。（2）使柴油机始终维持在经济合理的工况下运行，即使外载增大导致涡轮轴处于制动状态时，柴油机也不会被蹩灭。（3）K值大，使机组适应外载变化的能力大大增强，例如，在高效区范围内K2(柴油机本身K：1.01.15)；在重载时可高达3.54，使钻机解除事故，负载启动能力强，操作平稳。（4）调速范围R增大，在高效工作区内，RnT2/nT12.0，在重载，轻载
17、区仍可以工作，只是效率较低。为了提高效率，一般只需4个机械挡，这既简化了传动，又方便了操作。,四、链条钻机,（5）传动平稳柔和，吸收冲击振动，延长了机械设备寿命。（6）链条并车较皮带并车传动效率提高3，减少了并车损失。柴油机变矩器驱动主要不足之处是效率偏低，变矩器最高效率一般为8590，且随涡轮轴转速变化其效率还要降低。纯钻进驱动泵时工效明显低于机械传动。此外变矩器结构比较复杂，还需要一套补偿和散热冷却系统。,四、链条钻机,尽管统一驱动的柴油机台数只有24台，当采用有确定传动比的链条并车装置时，由于不可能把所有柴油机调成同一转速，为了均衡各柴油机的负载，必须在柴油机输出轴上联接一台液力变矩器。
18、并车链传动副与皮带并车相比，由于链传动在密封箱中采用油泵强制润滑，寿命较皮带长；在现场检修拆换链条比拆换皮带方便；链传动效率较皮带传动为高。中深井钻机配两台柴油机，并车链传动比较简单。而超深井钻机如ZJ60L配四台柴油机，并车传动链装置比较复杂，安装工作量大。,四、链条钻机,钻机传动系统的功能（附加）机械驱动钻机的传动方案依据钻机的用途、钻井深度、所采用的驱动类型及主传动元件的不同而异。但是，任何一种钻机其传动系统的基本组成和所承担的任务却具有共性，都主要是由并车、倒车、减速增矩、变速变矩及转换方向等几部分所构成，将一台或几台驱动机组的动力及运动单独地或统一地传递给各工作机，以满足钻井工作的需
19、要。1并车 作用：将多台动力机的动力集中起来，以便统一分配。现代机械驱动钻机都采用两台以上驱动机组，因此存在并车问题。广泛采用的并车方式是：（1）柴油机直接驱动，胶带并车传动，如ZJ45J、ZJ32J2；（2）柴油机液力驱动，链条并车传动，如F320、ZJ45、ZJ601。,2倒车 转盘需要倒车，绞车一般不需要倒车。倒车方案，花样繁多，但究其实质，不外以下几种：(1)齿正车、链倒车(齿轮传动正车、链传动倒车)大庆130钻机就是齿正车、链倒车，但1号机组本身不能倒车。有的钻机，齿正车传动副和链倒车传动副安置在同一传动箱的两根平行轴上。(2)链正车、齿倒车 链条钻机必须采用齿传动倒车，如F320-
20、3DH钻机等，倒车齿轮副即置于链条变速箱中，可不必另设倒车箱。(3)双锥齿轮正倒车 这种方案适用于转盘单独倒车，需一个单独的正倒车箱，齿轮钻机常采用该方案。如图所示的ZJl303钻机。锥齿轮倒车，短万向轴水平传转盘，可使钻台面宽敞；缺点是增加了一付角传动。,3减速与变速 钻机动力机转速高，而工作机转速低，从动力机到工作机一般要经过35次减速。另外，绞车和转盘要求调速范围为510。为充分利用功率，一般应设46个机械挡，柴油机变矩器驱动时，也应设34个机械挡。动力机至钻井泵无需变速，除泵本身已有一次减速外，在传动系统中再设12次减速即可。4转换方向 链条钻机，发动机与绞车滚筒轴及泵轴采用轴线平行布
21、置方案无转向问题；而至转盘则有两种情况：转盘水平轴平行发动机轴线者，链条传转盘，无转向问题。转盘水平轴垂直发动机轴线者，短万向轴传动转盘，用角传动转向。5带辅助调速的传动方案 如图所示，在传动系统中增加了一个辅助调速的偶合器。通过调节其充液量可以微调转盘转速而不必单独降低柴油机转速，以保证3台动力机组的正常并车，充分发挥它们的功率，为泵提供动力。当绞车需要较大功率时，仍可接通总离合器直接驱动。,F3203DH钻机传动图,钻机的传动装置（附加内容）由动力机到工作机的传动系统，有的很简单，比如单独驱动；有的则相当复杂，比如统一驱动的钻机。,后者的传动系统要将数台动力机的动力合并，并分配给各工作机，
22、同时为满足绞车和转盘对动力的要求，要解决变速变矩及反转等问题。,所以钻机的传动系统具有各种不同的并车、减速、变速、倒车机构，而形成了多种传动方案。多台动力机的并车传动是钻机传动的一个特点。一般地，采用链条并车传动的称为链条钻机，采用皮带并车传动的称为皮带钻机，而电驱动钻机则将两台电动机装在同一输入轴的左右两端实现并车。,1.链并车 尽管统一驱动的柴油机台数只有24台，当采用有确定传动比的链条并车装置时，由于不可能把所有柴油机调成同一转速，为了均衡各柴油机的负载，必须在柴油机输出轴上联接一台液力变矩器。,统一驱动的深井钻机以三台柴油机并车为典型，如国产ZJ45钻机(图9-7)，罗马尼亚的F320
23、-3DH型钻机等。,它们都是三台柴油机经过三台变矩器使其输出转速从柴油机的1100 1200rmin降至750850rmin，以保证并车链条线速度低于1620ms，(链条传动的最高线速度限制)。因为并车链条线速度仍然较高，故必须采用小节距多排链条传动。,并车链传动副与皮带并车相比，由于链传动在密封箱中采用油泵强制润滑，寿命较皮带长；在现场检修拆换链条比拆换皮带方便；链传动效率较皮带传动为高。中深井钻机配两台柴油机，并车链传动比较简单。而超深井钻机如ZJ60L配四台柴油机，并车传动链装置比较复杂，安装工作量大。,2.皮带并车 柴油机直接驱动的钻机采用皮带并车是我国钻机的一大特色。主要是因为皮带传
24、动结实简单，允许一定的传动打滑和具有超载时自动打滑的特性，起到了安全保护作用，所以一直为我国油田工人所接受。缺点是常规V型皮带大功率传动时根数较多，结构不紧凑，寿命不长。,大庆130钻机和ZJ45J型钻机采用E型V带并车.,由于柴油机输出速度过高，而需要在并车前增加减速箱以满足皮带传动线速度不合过高的要求。,由于强度高，比普通V带传递功率提高3040，带轮尺寸减小2535，且传动效率提高。这样取消并车前的减速器使皮带钻机结构更为紧凑。,3.电动机并车 电驱动钻机主要采取单独驱动，但一台电动机的功率往往不能满足绞车或泵的功率需要，故电驱动钻机大都采取由二台电机并车驱动绞车和钻井泵。,并车方式或是
25、在绞车输入轴两端各联接一台电动机，或是两台电动机各采用一副链条分别从泵或绞车的输入轴两端同时输入动力。由此可见电动机并车十分简单。,如ZJ60D钻机,如ZJ45D型钻机,柴油机直接驱动 我国石油矿场在用钻机的大多数皆为柴油机直接驱动的钻机，其特点是采用柴油机统一驱动，皮带并车传动的机械钻机，其在现场上通称为皮带钻机。,柴油机液力驱动的钻机 柴油机液力驱动的钻机即链条钻机为机械驱动钻机，具有价格便宜、维修维护方便等优势，因而在钻深4000米内的油井仍然以机械钻机为主。即使在石油工业发达的美国，链条钻机的使用也占有相当大的份额。我国现有ZJ40L、ZJ50L和ZJ70L等链条钻机。,l.ZJ40L
26、钻机 ZJ40L钻机(老标准为ZJ32L)为4000m型钻机的基本型，它是在吸收F-250罗马尼亚钻机和美国National-Oilwell等钻机技术的基础上研制而成的符合我国国性的4000m钻机。,(1)钻机总体布置合理。钻台面高6m，绞车底面高1.4m，动力机组底座高1.4m。钻台面布置转盘、转盘驱动箱、猫头绞车等较轻设备，最大重量不超过12t，吊装安全方便。(2)动力机组、并车箱、绞车、转盘驱动箱、猫头绞车、转盘等模块间均采用万向轴联接，拆装方便，快捷。,(3)采用整体式并车箱，链条安装精度高，轴端密封性能好。并车箱位于钻台面以下，钻台面开阔平整。(4)采用机械密封，减少了更换易损件的不便。,
