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
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