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毕业设计论文

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毕业设计题目：

ZJ50型石油钻机用动力绞车传动系统设计

教学班:

学生姓名：

学号：

指导教师：

完成日期：

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

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。

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，并投放到胜利油田及墨西哥市场。

1.5.2石油钻机国外的发展状况

为了适应浅海、海滩、沙漠和丘陵等不同地带油气藏的勘探和开发，美国、

德国、法国、意大利、加拿大、墨西哥和罗马尼亚等国先后开发了各种类型的石

油钻机。

其中美国的钻机技术和销售业绩在世界上稳居首位，所以与国际技术接

轨，实际上是与以美国为代表的钻机技术及API规范接轨。

就我国目前普遍使用

的机械驱动钻机而言，美国在20世纪60年代已经成熟，到70年代得到迅速发展。

近年来，国外钻机在传动方式和结构形式方面发展很快，交流变频电驱动已经广泛使用，顶驱发展也十分迅速。

今后石油钻机的发展趋势是多样化、两极化、自动化和人性化。

1．类型趋于多样化

近几年来，根据井位环境差异和钻井工艺需要，开发出不同类型的石油钻机，

如适应各种环境的沙漠钻机、海洋钻机、浅海或海滩钻机、极地钻机、城市钻机、

地震区钻机、全地彩钻机、直升机吊运钻机和陆地钻机等⋯；适应各种钻井工艺的丛式井钻机、斜井钻机、小井眼右机、特深井钻机、自走式钻机、自动化钻

机、柔杆钻机、模块化钻机等引。

尽管钻机的类型多种多样，但新型钻机的发

展有一个共性，即在重视钻机作业性能的基础上，逐步重视钻机的移运性能。

这

是因为对钻井承包商而言，其钻井成本主要包括两方面：

一是直接钻井成本，二

是辅助钻井成本，包括运载成本和停工成本，而运载成本和停工成本均与钻机本

身有直接关系。

2．规模趋于两极化

石油钻机在规模上有两极发展的趋势，即深井钻机大型化和轻便钻机小型

化。

（1）深井钻机趋向大型化

钻深能力已达l5000m，最大钩载达12500kN。

为了提高起升工作效率，绞车功率趋向于提高。

美国Emseo公司研制的号称世界上第一台输人功率为3676kW的绞车已问世，该绞车由4台大扭矩的直流电动机驱动，采用强制水冷盘式刹车，起升钢丝绳直径5Omln。

钻井泵单台最大功率l618kW，最高压力52．7MPa。

原苏联、罗马尼亚的钻机系列中，绞车输人功率最大l838kW。

特深井钻进都采用4个单根组成的立柱，故井架高度超过50m。

德国KTB超深井使用的u．IB—lGH3OOOEG钻机，井架最高为63m。

考虑安装防喷装置的需要，井架底座最高达l2．12m。

一般在深井中都用339．725mill×70MPa的防喷器组。

随着钻大井眼的需要，大尺寸高压防喷器也有新的发展，德国KTB超深井中已使用476．25mln×70MPa防喷器组。

目前美国可提供476．25mill×105MPa防喷器。

为了把环形防喷器工作压力从35MPa提高到70MPa，美国Shatter公司推出了两个串联胶心的环形防喷器。

另外，还推出快拆法兰结构防喷器，拆换胶心方便，省去现场装卸螺栓的繁重劳动。

（2）轻便石油钻机趋向小型化

为了适应浅海、海滩、沙漠、丘陵地带油气藏的勘探，国外公司在20世纪6o年代开始研制模块式钻机。

美国在1973年设计了TBA1000型系列钻机，经济钻深为l800-6000m，结构紧凑、质量轻，模块化设计，每个模块质量不超过18t，既可用直升机运输，也可用雪橇、履带车、船舶等运输。

轻型钻机主要以车装钻机为主，美国是世界上生产车装钻机较多的国家，使用也很广泛，3500m以浅的井几乎都使用车装钻机。

其传动特点是设备布置成组集中，动力机组、传动装置、绞车和井架等均在同一自走车上，机泵组安装在可整拖的大底座上，采用液压机构起放井架。

最小的微型钻机采用小井眼钻井技术，钻深可达l500m，体积小，质量轻，最轻的只有14t，节省钻井费用30％一4o％，减少拆装时间6ook一70ok，节约钻井液88ok，减少井场面积70ok，是经济效益最好的一种石油钻机。

3．控制趋于自动化

顶驱、盘式刹车技术的逐步成熟，以及电动控制技术、液压驱动技术和可靠

性的逐步提高，为实现钻机控制的自动化提供了可能，再加上海洋及深井等复杂

工况下，钻井工艺及成本对钻井装备的要求使得钻机控制自动化成为钻机发展的

一个重要趋势。

顶部驱动装置克服了转盘钻井方式的缺陷，给钻井作业带来了诸

多好处，既可满足复杂作业工况需求，提高作业效率，又使作业更安全。

盘式刹

车替代原带式刹车，作为20世纪8O年代后期发展起来的一项新技术，以其制动力矩容量大、稳定、安全、可靠等特点，可实现遥控操作，易实现自动送钻，易维护，长寿命，易系列化设计和专业化生产。

电驱动用于钻机最早开始于20世纪5O年代中期，随后逐步完善、成熟。

与机械驱动相比，电驱动具有操作安全、维修保养方便、易于实现自动控制等特点，特别是全数字系统的出现，使得电驱动系统控制性能更完善，可靠性更高，调整及更改功能更便捷，故障诊断及维修更方便。

电驱动可以通过编程控制器获得很多机械驱动所无法实现的功能，如顺序操作和联锁功能等。

液压驱动具有转换容易、体积小、质量轻等特点。

全液压驱动的绞车、转盘和钻井泵由挪威MH公司于2o世纪90年代推出，与此之前推出的全液压顶驱、管排放系统、液压机械手及天车型液压升沉补偿器，构成了海洋钻机机械化、智能化操作系统。

4．设计趋于人性化

新型钻机充分体现以人为本的思想，最大限度满足HSE要求：

护栏、梯子要

满足安全规定。

上下井架有助（阻）力器，二层台有逃生器，钻台有逃生滑道。

钻

机设有天车防碰和紧急刹车装置，避免游车大钩碰撞天车，并能在任何情况下迅

速制动大钩和绞车。

选用无公害的摩擦盘（片）、刹车块、油漆，保证员工健康。

刹车毂、辅助刹车的冷却水循环使用，柴油机排放满足环保要求。

1.6本次毕业设计目的

绞车是钻机的核心部件，是钻机起升系统的主要设备，它在钻井工作中起着

极其重要的作用。

ZJ50型绞车具有钻井性能好、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。

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型绞车系统的

所有组成元件进行三维建模；并对滚筒、滚筒轴、中间轴、输入轴等重要部件进行安全校核；最后运用ANSYS对中间轴装配体进行有限元分析。

1.7本次毕业设计的任务及要求

1．通过对ZJ50型绞车的工作原理、结构组成和传动系统的研究，阐述ZJ50

型绞车具有传动简单，功率大且利用率高，调速性能好，安全可靠等优点。

2．运用三维造型软件Pro/E完成ZJ50型绞车的传动系统的三维建模。

3．对ZJ50型绞车传统系统中的传动轴、滚筒、主刹车带进行安全校核，根

据校核结果判断各部件是否能满足正常工作要求。

4．运用有限元分析ANSYS软件对ZJ50型绞车传动系统的滚筒轴、滚筒、输

入轴、中间轴等主要部件进行有限元的静力学分析和模态分析，根据分析结果判

断传统系统中各主要部件是否满足绞车的正常工作要求。

第二章ZJ50型绞车传动系统介绍

2.1ZJ50型绞车的主要技术标准及设计原则

2.1.1绞车的使用工况及要求

绞车是钻机起升系统的主要设备，也是钻机的核心部件，它的主要任务是：

用来起、下钻具；悬持静止的钻具；在钻进过程中控制钻压、送进钻具；利用猫

头机构上、卸钻具丝扣；起吊重物及进行井场的其它辅助工作；另外有的绞车往

往还充当转盘的中间变速传动机构。

根据上述工况对绞车提出了以下要求：

（1）绞车要有足够大的功率，在最低速转速下钢丝绳能产生足够大的拉力，以

保证游动系统能起升最重的钻具载荷；有一定的解卡能力，并能完成具有最大载

荷的下套管作业；短时最大载荷作用下要有足够的强度、刚度；在绞车使用期限

内，滚筒、滚筒轴、轴承及传动件要有足够的寿命。

（2）绞车要有足够的尺寸和容绳量，并应保证缠绳状态良好，以延长钢丝绳寿

命；绞车要适应起下钻重量的变化，有足够的起升档数或能无级调速，用以提高

功率的利用率，节省起升时间。

（3）绞车要能适应起重量的变化，有足够的提升档数，最好能无极调速，以便

提高功率利用率，节省起下钻时间。

（4）绞车要有灵活而可靠的刹车机构及强有力的辅助刹车，能准确地调节钻压，

均匀地送进钻具。

（5）绞车应配备猫头机构，以供紧、卸钻具丝扣和向钻台起吊重物。

（6）绞车应具有刚劲的支架和底座。

中型绞车整体运输，其重量应在10t以内，

重型和超重型绞车要使拆散运输的单元在15t以内。

传动部分要有严密的防护

罩，并应润滑充分；在结构安排上应保证易损件拆修简便。

（7）绞车的控制手柄、刹把、指重表等相对集中于司钻控制台，以便于操作。

2.1.2主要技术标准及设计原则

2.1.2.1ZJ50型钻机设计制造原则

（1）钻机绞车设计制造原则依据“先进、可靠、安全、方便、经济”的原则；

（2）绞车采用模块化设计，将驱动与绞车连成整体，增强了钻机的移运性，减

少安装工程量；

（3）绞车配套件：

轴承选用中国制造的西北轴承厂优质轴承，推盘离合器选用

中美合资SJS厂家产品，辅助刹车采用伊顿刹车。

滚筒主刹车采用带刹，滚筒采

用整体开槽滚筒，所有运动部件采用强制润滑；

（4）驱动部位不可以带泥浆泵；

（5）设计时，主要关键件（如链轮、轴）等均采用优质合金钢，并且通过热处

理获得优良性能；

（6）底座设计能适应UNIT公司的装运方式。

2.1.2.2设计执行的主要技术标准

APISpec7旋转钻井设备规范

APISpec7F油田用链条和链轮规范

APISpec7K旋转钻柱部件规范

APISpec8A钻井和采油提升设备规范

APISpec9A钢丝绳规范

APIRP500石油设备电气装置安装场所分类

2.2ZJ50型绞车结构及工作原理

2.2.1绞车结构组成

ZJ50型动力绞车采用模块化设计，将两台500H.P.动力机底撬与绞车底撬合

成整体，并合理地将机、电、气、液有机的结合在一起，控制绞车的各个动作，

使绞车结构更紧凑，操作更方便、安全，增强了钻机的移运性，减少了设备安装

的工作量。

ZJ50型动力绞车的结构主要由绞车架、链条箱、滚筒轴、输入轴、

中间轴、猫头轴、输出轴、伊顿刹车、渐开线花键换挡机构、防碰天车装置、润

滑系统、气控系统等几大部分组成。

绞车为密封墙板式五轴绞车。

绞车内部采用

气路控制PO型推盘离合器和气胎离合器，离合方便可靠，在滚筒轴分别获得八

个正档和两个倒档时的操作控制过程中，动力机无须停车。

绞车主刹车采用带式

刹车机构（双杠杆），辅助刹车为236WCB2伊顿刹车。

滚筒轴上的高低速离合

器及输出轴上的惯刹离合器均采用PO型推盘离合器。

绞车传动链条均采用强制

密封润滑。

各个护罩均为刚性结构焊接件。

整个绞车安装在一个用金属材料焊接

而成的绞车底撬上，输入轴、中间轴、滚筒轴和猫头轴通过轴承座固定在绞车墙

板孔内，滚筒轴一侧装有伊顿辅助刹车，滚筒轴另一侧装有气控箱及带刹的刹把，

便于集中操作，滚筒轴滚筒的下面，绞车底撬上装有刹车机构，通过刹带与滚筒

刹车鼓组成刹车的主制动系统。

在绞车外部装有刚性结构焊接件的各个护罩，以

保证操作安全，防止传动机构受外界环境的影响，并避免润滑油外溅。

2.2.2绞车工作原理

动力绞车的动力由两台500H.P.动力机提供，动力经液力变矩器减速增矩，再

通过双LT600/125离合器传到链条箱。

在链条箱中两台动力机的动力可通过链轮（Z=32）并车，并由链轮（Z=31）将动力传到输入轴上。

通过操作控制三套换档机构，输入轴上的三只链轮（Z=28、Z=33、Z=28）和一只齿轮（Z=80），与中间轴上的三只链轮（Z=33、Z=28、Z=46）和一只齿轮（Z=96）实现组合，使中间轴可