机械毕业设计325ZJ50型石油钻机用动力绞车传动系统设计说明书.docx

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机械毕业设计325ZJ50型石油钻机用动力绞车传动系统设计说明书

ZJ50型石油钻机用动力绞车

传动系统设计

专业：

机械设计制造及其自动化

学生：

指导教师：

完成日期：

2014.05.20

摘要

石油钻机是油田油气勘探开发极其重要的工具。

石油钻机一般由旋转设备、循环系统设备、起升系统设备、动力驱动设备、传动系统设备、控制系统设备、钻机底座和辅助设备组成。

绞车是石油钻机速度变化及维持外头恒定钻压的重要机构，是钻机的核心部件，直接决定着钻机钻进能力。

传统机械传动绞车体积大、质量重、结构复杂，很难较好地满足新型钻井工艺的要求。

ZJ50绞车传动简单，结构紧凑，功率大且利用率高，调速性能好，安全可靠。

本文在对ZJ50型绞车的整体结构及工作原理认真研究的基础上，运用Pro/E对ZJ50绞车传动系统的所有组成元件进行三维建模；并对滚筒、滚筒轴等重要部件进行安全校核；最后运用ANSYS对滚筒、滚筒轴和滚筒轴装配体进行有限元分析，根据分析结果判断ZJ50型绞车设计是否合理，能否满足正常工作要求。

ZJ50型绞车传动系统的设计优化为绞车发展提供理论参考，具有一定的工程应用价值。

关键词：

绞车传动系统，Pro/E，滚筒和滚筒轴，ANSYS，静态和模态分析

Abstract

Oildrillingrigisaveryimportanttoolinexplorationanddevelopmentofoilandgas.OildrillingriggenerallyconsistsofRotatingequipment,recyclingequipment,liftingequipment,powerequipment,transmissionequipment,controlsystemsandequipment,drillingrigsubstructureandauxiliaryequipment.Thewinchisanimportantmechanismofdrillspeedchangesinoilandmaintainsconstantdrillingpressureandisalsoacorecomponentofadrillingrig,directlydeterminingthedrillingability.Traditionalmechanicaldrawworksbulky,heavy,complicatedconstruction,soitisdifficulttosatisfytherequirementofnewdrillingtechnology.ZJ50winchissimple,compactstructure,largepowerandhighutilizationrate,goodspeedperformance,safeandreliable.

BaseonthestudyoftheoverallstructureandworkingprincipleofZJ50winch,wemakethree-dimensionalmodelingofcomponentsoftransmissionsystembyPro/E.Andthencheckthesafetyofdrum,drumshaftandotherimportantcomponents.Last,finiteelementanalysisonthedrum,drumshaftanddrumshaftassemblybyANSYS.Fromtheresultsoftheverification，weknowthatthedesignofZJ50winchisreasonable,anditcanmeetthenormalrequirements.TheoptimizationofZJ50transmissionsystemprovidesatheoreticalreferenceforthewinchdevelopment,andhascertainengineeringapplicationvalue.

KeyWords:

Winchtransmissionsystem,Pro/E,Rollerandrollershaft,ANSYS,Thestaticandmodalanalysis

摘要

Abstract

总结与展望

致谢

参考文献

第一章绪论

1.1石油钻机结构简介

在石油钻井中，带动钻具破碎岩石，向地下钻进，钻出规定深度的井眼，供采油机或采气机获取石油或天然气。

一部常用石油钻机主要由动力机、传动机、工作机及辅助设备组成。

一般有八大系统（起升系统、旋转系统、钻井液循环系统、传动系统、控制系统和监测显示仪表、动力驱动系统、钻机底座、钻机辅助设备系统），要具备起下钻能力、旋转钻进能力、循环洗井能力。

其主要设备有：

井架、天车、绞车、游动滑车、大钩、转盘、水龙头（动力水龙头）及钻井泵（现场习惯上叫钻机八大件）、动力机（柴油机、电动机、燃气轮机）、联动机、固控设备、井控设备等。

1.2绞车的结构简介

钻井绞车是钻机起升系统设备之一，是钻机的核心部件。

基本结构构成：

1、滚筒、滚筒轴总成；2、制动机构：

主刹车和辅助刹车；3、猫头和猫头轴总成；3、传动系统：

传递动力、内变速（多挡位）；4、控制系统：

离合器、摘挂挡、司钻控制台；5、其它：

润滑系统、壳体支撑系统。

图一

图二

1.3绞车的功能及分类

（1）主要功能：

1、起下钻具和下套管；2、控制钻压和送进钻具；

（2）其它功能：

根据绞车结构形式不同附带的功能也不同。

1、带猫头结构：

上卸钻具丝扣、起吊其它重物等；2、整体起放井架和底座；3、双滚筒绞车：

钢丝捞砂作业、提取岩心。

（3）要求：

1、绞车要有足够大的功率。

满足最大拉力、最高转速、足够的寿命；2、绞车滚筒要有足够的尺寸和缠绳容量；3、绞车要适应宽范围的载荷变化，要有最高的功率利用率；4、绞车要有灵敏、可靠的刹车机构和足够能力的辅助刹车，能够准确地调节钻压，均匀送进钻具，控制钻具下放速度，刹车机构要耐热、耐磨；5、绞车要具有刚劲的支架和底座；密闭润滑；6、司钻操作要省力、方便。

（4）根据绞车功能不同有不同的绞车结构：

1、带捞砂滚筒和不带捞砂滚筒，即通常说的单滚筒绞车和双滚筒绞车；2、无猫头轴绞车。

钻机钻台上单独配置液压猫头。

（5）根据绞车传动形式不同有不同的绞车结构，这是绞车设计中变化最多的结构。

1、单轴绞车。

绞车只有滚筒轴，结构非常简单。

典型实例：

车装钻机绞车外变速（阿里森变速箱）；交流变频传动调速电机驱动绞车；2、双轴绞车：

类似于单轴绞车，绞车内无变速功能，只是比单轴绞车多了猫头轴；3、三轴绞车：

绞车中增加了一根动力输入的传动轴，绞车内变速。

其结构较单、双轴复杂。

我国早期和传动的绞车都是这种形式；4、多轴绞车：

将四轴以上的绞车都称之为多轴绞车。

即动力输入轴、中间轴（多根）、猫头轴、滚筒轴；5、独立猫头轴－多轴绞车：

绞车主体（输入轴、中间轴、滚筒轴等）低位安装，位于后台底座，小功率的猫头轴高位安装，位于钻台上；6、齿轮传动单轴绞车：

现在电驱动钻机中普遍实用的结构，直流或交流变频调速电动机直接驱动减速或变速齿轮箱，以驱动滚筒轴。

（6）根据绞车制动形式不同有不同的绞车结构：

1、近距离刹车制动绞车；2、远距离带刹车制动绞车；3、气动无刹把带刹车制动绞车；4、液压盘式刹车制动绞车；5、水刹车辅助刹车绞车；6、电磁涡流刹车辅助刹车制动绞车；7、水冷气动盘式刹车辅助刹车制动绞车。

8、能耗制动无辅助刹车绞车。

1.4本次毕业设计的研究背景与意义

据我国海洋石油2015年远景规划，我国将有30多个油田待开发，需建造70多座平台，新建和改造10多艘FPSO，其中中海油需建造55座海洋平台，6艘FPSO，4个陆地终端、铺设海底管线1000多公里，投资总量每年将以百亿元以上递增。

在此背景下，作为海洋工程装备必不可缺少的海洋钻机必定有大量的市场需求。

另外目前我国在用钻井设备大多属于较落后的机械钻机，由于机械钻机存在工作效率低、劳动强度大、安全性差等缺点，因此急需进行更新，从而将产生大量更新需求。

ZJ50型绞车传动是钻机的传动系统之一，它不但担负钻机起下钻具和下管套及上卸扣，还担负着钻头钻进过程中控制钻压、处理事故，以及提取岩芯筒、试油等作业。

同时还担负着井架及钻机前后台起升和降落任务。

传统机械传动绞车体积大、质量重、结构复杂等缺点，很难较好地满足新型钻井工艺的要求，ZJ50型绞车传动系统克服传统机械驱动绞车的不足，具有钻井性能好、启动平稳、绞车功率大、调速性能好、功率利用率高、安全可靠、绞车操作省力，控制先进，传动简单，结构紧凑，调速范围大，效率高,寿命长，工作安全可靠等特点。

较好的简化了绞车结构。

并具有适应性强、经济性好、结构新颖的特点。

1.5石油钻机国内外的发展状况

1.5.1石油钻机国内的发展状况

纵观我国石油钻机的历史，其发展主要由4个因素所决定：

一是钻机的有效使用年限，它决定其更新或改造周期。

二是钻探深度（地质构造），它决定钻机的市场方向是浅井、中深井还是深井。

三是从钻机的效率和效益出发，决定钻机的驱动形式是机械驱动或是电驱动，结构型式是橇装还是车装。

目前国内陆地石油钻井业中，浅井钻机、中深井和深井钻机兼而有之，以中深井较多；在驱动型式上以机械驱动为主；在结构方式上以橇装为主。

四是市场的有效需求，它决定钻机的发展规模。

自2o世纪9o年代以来，由于钻机制造技术、部件质量和研发能力的提高，研发速度加快，研制成功6oL型、—6oD型和—60DS型机械驱动钻机和电驱动钻机，并朝系列化、标准化、多样化方向发展，钻机的性能指标已达到GB1806--86的规定。

国产钻机已形成系列，钻深有1500、2000、3200、4500和6000m；驱动方式除常规的柴油机-胶带驱动和柴油机-液力变矩器驱动外，还有AC-SCR-DC驱动。

尤其是4500m以浅钻机在提高移运性上成绩斐然，橇装钻机模块化程度大大提高，其中3000m以浅钻机采用自走式运载车、伸缩式井架，大大降低了移运成本，且均拥有自主知识产权。

目前，我国石油钻机的品种和质量基本满足了国内不同地区、不同井深的需要。

已有一批国产石油钻机在国外承担钻井作业服务，有一些在国内区块承担反承包钻井，并受到好评。

从国内钻机生产能力上看，宝鸡石油机械厂、兰州石油化工机器总厂、四川宏华公司等主要生产中深井钻机；江汉四机厂主要生产、3000m以浅车装浅井钻机；南阳石油机械厂主要生产车装和橇装模块式中浅井钻机，生产的替代大庆130型的模块化钻机，已经过多井次的工业化试验。

该厂3000m车装钻机已生产3O多台，目前有20余台车装及橇装钻机在国外服务，其中由长城钻井公司牵头组织、南阳石油机械厂生产的l20K钻机自1997年就开始在加拿大进行钻井作业，使用情况良好。

此外，北京石油机械研究所与大港新世纪机械制造有限公司共同完成了D（}_一30Y顶驱工业性试验，北石所研制的为ZJTOD配套的顶驱已在克拉玛依和塔里木完成2口井的工业试验。

南阳石油机械厂引进意大利轻便顶驱技术与3000m车装钻机配套后到印尼服务，与石油大学（北京）合作的盘式刹车技术已应用于3O00m钻机，并