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1、石油钻井机械 第3章 我国常用钻机 第1节 机械驱动钻机 机械驱动钻机是指以柴油机为动力，驱动工作机。一、大庆I，II-130 钻机（ZJ32）我国早期主力钻机。江汉(石油机械研究)所研制，兰石厂生产。70年代开始生产,70年代末改造一次,大庆II-130,全国共560台左右，现在停止生产，由ZJ32代替。,大庆130钻机塔型井架H架=41m,基本参数 L=3200m；Qds=1300kN；Qmax=1600kN；,2.动力配三台PZ12V190B型柴油机，统一驱动。,符号意义：P配套（带风扇、水箱、底座）；Z增压（吸气口加增压泵）；12缸；V缸V形布置；缸径190mm；B改进型号。12小时功
2、率:882kW（1200马力）；转速1500r/min。持续功率：750kW（1020马力）；转速1350r/min。,转向符号：无符号-左转 R-右转 转速符号 无符号-1500r/min 1-1200 r/min 2-1000 r/min 3-1300 r/min 4-900 r/min 燃料符号:无符号-柴油机 T-天然气机；S-双燃料机 Z-沼气机 用途符号：无符号-机械驱动钻机、通用 D-电驱动钻机、发电 C-船用右机（CZ-船用左机）J-机车；G-其他工程机械 地区符号:无符号-般地区 M-沙漠地区；Y-高原地区 结构特征符号:无符号-非增压 Z-增压；ZL-增压、中冷 种类代号：
3、无符号-单机；P-配套 气缸直径（190mm）气缸布置形式符号:V-V形布置；L-直列(省略)气缸数：用数字表示 换代或改进符号(由制造厂给定):H-换代高增压；G-改进中增压；A、B-改进符号；L-长冲程,内燃机产品型号编制新规则,3.配备绞车 JC14.5，三轴开式润滑绞车 快绳拉力145kN(14.5tf)，旧标准。新标准：用“JC45”45-名义井深 额定功率：500kW（680马力）,滚筒轴,传动（猫头）,输入,4.钻井泵原配：NB8-600，2台双缸双作用泵。泥浆 泵 600马力 8设计序号现配：3NB-1000 三泥泵三缸单作用泥浆泵，1000马力。（胜利油田配：SL3NB-10
4、00，胜利三缸泥浆泵。）标准：NB前为缸数，无为双缸，NB下标为设计序号，后为功率。,5.配备转盘 ZP520 转盘 通径6.传动特点三台柴油机统一驱动，由联动机组完成。见传动系统图“分析”，图1-15。（1）并车皮带(并车)钻机，用E670016(E型三角胶带)。周长 16根V型皮带，E型传递功率最大。(根据单根传递功率不同分为：Y，Z，A，B，C，D，E等级。),（2）传动路线 1号柴油机驱动绞车路线1号车万向节减速箱1号车离合器（双500125）正车箱爬坡链条输入轴变速链（，）猫头轴低速链（Z=36：72）低速离合器（1070200）滚筒轴。,1号车,2号车,3号车,绞车,大庆-130钻
5、机传动系统,1号泵,2号泵,转盘,爬坡链,正车箱,倒车箱,2号车驱动转盘倒转 1号车不能倒车。2号车(柴油机)万向轴齿轮减速箱2号车离合器2,3并车皮带轮轴(630)2号并车离合器2,1并车皮带轮轴倒车箱（链轮Z=17：41）倒车离合器爬坡链条猫头轴转盘离合器过桥链轮（Z=29,40,21）转盘水平轴。,大庆-130钻机传动系统,1号车,2号车,3号车,绞车,1号泵,2号泵,转盘,正车箱,倒车箱,爬坡链,2,3号车驱动1号泵2号车万向轴齿轮减速箱2号车离合器并车皮带3号车万向轴齿轮减速箱3号车离合器并车皮带1号泵离合器1号泵轴。,1号泵,大庆-130钻机传动系统,3号车,2号车,1号车,绞车,
6、2号泵,转盘,倒车箱,正车箱,爬坡链,（3）传动副型号意义气胎离合器普通型：双500125,双胎，摩擦轮外经500mm,宽度125mm。主动轮圈上装有气胎和摩擦片，充气后膨胀，使摩擦片抱紧被动轮摩擦鼓，实现离合。特点：动力挂合，传动柔和，过载保护，操作方便，省力，远控。新标准前加LT。通风型气胎离合器：LT1070/125T 离 胎式 通风,主动,从动,摩擦鼓,气胎,摩擦片,普通型气胎离合器,气管线,链条 2”2160 节距 排数 链节数（4）特征 皮带并车，后台链轮倒车。齿轮传动:两轴相反；链条、皮带传动(一般)两轴同向。7.大庆130钻机总特点：打3200m井;塔架；统一驱动；皮带并车；三
7、轴开式绞车，链轮后台倒车。,大庆-130 钻机传动系统,1号车,2号车,3号车,1号泵,2号泵,绞车,水刹车,压风机,转盘,A型井架钻机,1.基本参数 L=4500m；Qds=1600kN；Qmax=3000kN；Ndr=1100kN；H架=43m（A架）。,二、ZJ45J钻机胶带(并车)钻机,82年通过鉴定。,2.动力 三台PZ12V190B-1 柴油机，统一驱动。装机功率（12小时）3700kW，较大庆130钻机小（3882kW），ZJ45J功率配备合理。,ZJ45J钻机传动方案,1号泵,2号泵,2号车,1号车,3号车,绞车,转盘,水刹车,爬坡链,3.配备绞车JC45，四轴密封式绞车，链条
8、强制润滑。绞车内齿轮传动倒车，后台无倒车装置。,ZJ45J钻机传动方案,1号车,2号车,3号车,1号泵,2号泵,绞车,转盘,水刹车,爬坡链,4.钻井泵3NB-1000（原用）；3NB1300（现用），满足喷射钻井要求。5.传动特点皮带并车 E670016（2,3），E670014（1,2），绞车内倒车。,ZJ45J钻机传动方案,2号车,3号车,1号车,1号泵,2号泵,绞车,转盘,传动路线，1,2柴油机带绞车：1号柴油机万向轴减速箱1号车离合器（LT600125）2号车2号车离合器2号并车离合器 1,2并车正车箱（36：62）绞车。,ZJ45J钻机传动方案,2号车,3号车,1号车,2号泵,1号泵
9、,绞车,6.ZJ45J钻机总特点：打4500m井;A架；统一驱动；皮带并车；四轴闭式绞车，绞车内齿轮倒车。,ZJ45J钻机传动方案,2号车,3号车,1号车,1号泵,2号泵,绞车,转盘,1.基本参数（与ZJ45J相同）L=4500m；Qds=1600kN；Qmax=3000kN；Ndr=1100kN；H架=43m（A架）。,三、ZJ45钻机链条(并车)钻机,85年通过鉴定。,2.传动特点我国第一种链条并车钻机配备了液力变矩器:YB7002（序号）液力 变矩 循环圆直径,ZJ45钻机传动方案,液力变矩器,2号车,3号车,1号车,1号泵,2号泵,绞车,转盘,从液力偶合器谈起：输入轴装泵轮，输出轴装涡
10、轮，均由若干叶片组成。动力机组带动泵轮旋转，液体在离心力下，甩向外缘（出口），涡轮外缘为入口，液体流动冲击涡轮叶片转动而传递动力。（MB=-MT）,ZJ45钻机配液力变矩器，使传动柔和，保护柴油机。（机械传动为硬联接）教学录相从20：30开始,液力变矩器：在偶合器的基础上，加了固定不动的导轮。不仅实现了液力传动，而且“变矩”。有MBMD=-MT（负号表示反扭矩）。泵轮与导轮扭矩之和等于涡轮扭矩，使输出扭矩变大“变矩器”。,传动路线：2号柴油机万向节液力变矩器并车链轮（2个）带泵离合器 2号泵。,ZJ45钻机传动方案,2号泵,1号泵,2号车,3号车,1号车,绞车,转盘,液力变矩器,第3章 我国常
11、用钻机第2节 电驱动钻机 海洋钻机全为电驱钻机；陆用深井钻机，电驱日益增多。电驱钻机工作机用电动机带动。一、分类 1.交流电驱钻机：即交流发电机（或工业电网）交流电动机驱动（ACAC）；（Alternate Current）“陆地钻机，已不采用”2.直流电驱钻机：即直流发电机直流电动机驱动（DCDC）；(Direct Current)“海洋、陆地深井”,3.可控硅整流直流电驱钻机：即交流发电机可控硅整流直流电动机驱动（ACSCRDC）；(Alternate CurrentSilicon(硅)Controlled Rectifier（整流器）)逐渐由SCR 代替DCDC。【用直流电机调速好】4.
12、正在发展交流变频调速驱动钻机，即交流发电机变频调速器交流电机驱动。五年前，海、陆几乎全用ACSCRDC电驱钻机。有了大功率交流变频调速器，交流电驱钻机会增多。,二、优点 1.传动效率高，较机传高16%；2.无级变速（在某机械档下，无级变速）；3.简化传动、控制，易装调整，自动保护。【我国研制电驱动钻机始于70年代，DZ-200，DCDC驱动，钻深5000米（宝鸡厂，1971）；海洋5000米钻机，DCDC驱动(兰石厂，1975)。80年代以来电驱钻机有：ZJ15D(ACAC驱动，吉林重机厂)，以及兰石厂成产的ZJ45D（丛）、ZJ60D、ZJ60DS(ACSCRDC)。90年代末，研制了ZJ5
13、0D(ACSCRDC驱动，宝鸡厂，1999)，正在研制3000米以下的交流变频电驱钻机。】,三、ZJ60D钻机ZJ60D国产钻机,是第一台6000m级SCR电驱钻机，兰石厂制造，1987年3月通过鉴定，传动系统如图3-7。,1.动力四台PZ12V190B柴油机交流发电机；（在1500r/min时，动力4700kW）通过SCR(AC SCRDC)变换；驱动7台GE752R（736kW）直流电机；单独驱动各工作机组。2配套设备SL-450（450tf）水龙头；ZP375转盘，（开口直径37.5”，952.5mm）；两台3NB-1300或3NB-1600钻井泵；闭式绞车，功率1470kW(2000马
14、力)，带槽滚筒，强制水冷；通风型胎式低速离合器；,配DS-60（电刹6000m）电磁涡流辅助刹车；（电刹：有左、右定子通直流电产生固定磁场，转子在磁场中产生涡流，两磁场作用产生制动力矩）钻头自动送进装置。7.5m高钻台（有效高度5.6m），可容纳全套防喷器。可低位安装55t重绞车。塔架，高度44.8m，（也可配前开口井架）。集中控制、保护系统。如司钻可操作绞车、转盘、钻井泵、涡流刹车、自动送钻等，控制集中在司钻台上。司钻可选合适的钻井参数、最佳运转工况。,3.传动方案绞车用两台电机；每台泵用两台电机；转盘用一台电机。共7台直流电机。绞车：四轴输入、变速、猫头（有捞砂筒）、滚筒轴。捞砂筒：井中积
15、砂，下筒捞砂。过桥轴：动力传给转盘，转盘自配电机。四个机械档：输入轴两链轮，传动轴分两路去主滚筒轴。i=11.7，7.2，4.75，2.93 n=94，153，231，375 n电1100r/min注：链轮，27T，T-齿（Tooth）2”P，P节距（Pitch）。,4.ZJ60D钻机总特点6000m;ACSCRDC 7台电机分别驱动；塔架或前开口井架；四轴闭式绞车，带槽滚筒，有捞砂筒；电磁涡流刹车。,四、ZJ45D丛式井钻机ZJ45D国产钻机，是第一台成套电驱动丛式井钻机。1.采用AC-SCR-DC电驱动，动力机与工作机只需电缆连接。2.三台柴油机PZ12V190B驱动交流发电机;3.六台可
16、控硅整流柜；4.六台直流电机：绞车用2台；两台钻井泵各用两台。5.配钻机移动系统（丛式井）。,第3节 电机驱动特性,一、电动机机械性能 1.机械特性 电机转速n与电磁转矩M之间变化关系。2.特性硬度 电机转速随转矩改变的变化程度。转速n不随转矩M变，为特硬特性；n随M增加而下降较小，为硬特性；n随M增加而加速下降，为软特性。,3.固有机械特性电机的电压、频率（交流）、励磁电流为额定值，无附加电阻，具有的特性。4.人为特性人为调节电压、频率、电流所得到的特性，称人为特性（无级变速由此而来）。,二、交流电机特性（固有）1.同步电动机（1）定义转子转速（n）与（定子）旋转磁场转速（n0）相同（通交流
17、电），故称同步电机。特硬特性：n不随M（扭矩）而变。,（n0）只与电流频率f、磁极对数p有关。,磁场转速,（2）工作原理：定子绕组通交流电产生旋转磁场，转子绕组通直流电形成直流励磁磁场，两磁场相互作用，使转子被旋转磁场拖（吸）着以同步旋转，即 n=n0。同步电机启动性能差（用于不常启动、不变速场合）用于钻井泵。同步电机有恒定转速特性。（f，P一定，n0定值。）,（3）同步电机：异步启动同步启动 转子、定子同时通电，由于转子磁极固定，定子为旋转磁场，产生忽吸、忽排使平均转矩为零，不能启动。异步启动 定子通电形成旋转磁场，使转子线圈产生感应电流，使转子转起来，转子再通直流电，实现异步启动，同步工作
18、。,2.异步电动机（1）定义转子转速小于磁场旋转速度，称异步电机。（2）工作原理定子通交流电形成旋转磁场，转子产生感应电流，转子电流同旋转磁场作用产生磁力矩。（通电导体在磁场中可以运动）。,定子旋转磁场转速：定子电流频率；磁极对数。,旋转磁场转速与转子转速之差：,转子感应电流频率为（与转差有关）,与转差率 有关，（感应电流）、。,转子转速：,n0,转矩：,式中，定子相电压；转子相电阻；与结构、电源频率有关常数；时转子每相感抗。,与 关系：与 有关，与 也有关。通过 把 与 建立了关系。,（3）特性,属于硬特性：（在额定内），随 增加下降较小；大于，下降快些；停。,异步电机常用于驱动绞车和转盘。
19、,特硬特性,硬特性,三、直流电机特性1.直流电机的基本原理定子（通直流）形成固定磁极，转子电枢通电，磁力作用使转子转动。【左手定则：掌心对N,四指电流，母指力】,直流电机的基本原理,电枢,.定子磁场,保证：N极下的边电流总是一个方向，S极上的边电流为一个方向，两边受磁力方向形成力偶电枢才转动。【由换向器使电流方向改变。】,1-主磁极2-电枢线圈3、4-换向器、电刷,直流电机的基本原理,并励,复励串励+并励,串励,他励,2.直流电机的结构与励磁方式,直流电机按定子绕组与电枢绕组（转子）联接方式分：,直流电机类型及等效电路,（1）他励直流电机定子绕组与电枢绕组分别接到电源上。U电源电压E电枢感应电
20、势与外加电流或电压方向总是相反。,他励,并励,串励,复励,（2）并励直流电机 定子绕组与电枢绕组并联。（3）串励直流电机 定子绕组与电枢绕组串联。（4）复励直流电机【定子两套励磁绕组。】一套与电枢并联，一套与电枢串联。,转速（通过公式了解特性）由，而来（电工学中），,电枢电压；磁通；电枢电阻；电枢电流；与结构参数有关常数。,电机转速与电枢电流的关系,3.直流电机固有特性（1）他或并励 二者性能相近（不考虑电源线路电阻）。具有硬特性，n随M增大变化较小。,电磁转矩M N.m C结构常数特性（与 关系）空载转速（M=0）；载荷转速（）,与 呈线性关系，曲线稍向下斜，硬特性。,【他、并励磁通基本不变
21、，磁通由定子线圈产生，与（定子电流）有关，不变。】,（2）串励属软特性，n随M增加而加速下降。,（定子）电阻。由于磁通 是变化的，与 呈非线性关系，属软特性。【他、并励中，（转子电流）变不影响（定子电流），是变的。】（串励中 本应 与 有关，随 变）每极磁通是电枢电流的函数，C常数。,（3）复励介于并、串联之间，属软特性。（4）适用场合串励电机：适驱动绞车，载荷增大，转速自动下降，实现恒功率调节。并、他励电机：适驱动钻井泵，实现定速恒转矩调节。,钻机用他励直流电机驱动绞车、转盘（需要人工调节转速）。他励电机调速方式：（1）电枢串阻在电枢中串入可调电阻，保证电源电压U和励磁电流不变。,【他励电机
22、固有特性转速与转矩关系为:】,他励,4.直流电机人为特性,(2006.11.11),由使（载荷转速）变大，特性变软，满足n随M增大而下降要求。,（n 只能在额定转速以下）,串阻,串阻特性,（2）降低电枢电电压U使空载速度下降，不变，（他励中降压,磁通不变，额定，M不变）使固有特性nM曲线下移。,（，不变，才不变；减小，M也小）,降压,降压特性,（3）减弱磁通调速改变（定子磁通），使、都变，而改变特性。,弱磁实现：保证电枢电压恒定，在定子电路中串入可调电阻，使励磁电流 减小（），则磁通减弱。,弱磁,弱磁特性,四、可控硅直流驱动ACSCRDC由柴油机AC发电机交流电整流DC电机。1.整流元件可控硅
23、（SCR）。（1）二极管（电子、晶体，由一对PN结构成）整流利用单向导电特性整流。输入交流电压一定时，输出直流电压是一个定值，不能任意调节。,（2）可控硅整流 是一种大功率半导体。使输出直流电压可调。可控硅：半导体材料为硅。其结构两对PN结，从中间P层引出控制极G（金硼钯片），调节输出电压。2.可控硅驱动特点 直接由SCR调节电压、控制弱磁而调速。,可控硅整流元件,3.为何用ACSCRDC【为何不用DC发电机】可控硅多一个控制极。（1）AC发电机易与柴油机匹配；（2）不需另设AC发电机组（其它设备用AC）；（3）动力匹配灵活,SCR有分配、分别控制功能；（4）SCR对功率、调速范围宽，易与工作组匹配；（5）使用经济性好：柴油机在额定转速运转，耗燃少；柴油机寿命长（延长大修期80%）；维修费低（30%）。,4.用DC电机（不用AC电机）原因（1）直流电机：调速宽；能频繁启动；载荷变化范围宽；启动制动平稳。（2）交流电机：硬特性，转速几乎不随载荷而变化【只能由调频f改变转速】。5.现在有了交流变频技术，用AC变频器AC。,
