第三章起升系統(tǒng)工作原理課件

1、第三章 起 升 系 統(tǒng) 工 作 原 理 第一節(jié) 起下鉆操作和游動系統(tǒng)的工作 一、起下鉆操作和時間 二、游動系統(tǒng)的鋼絲繩與滑輪的運動分析1.繩速u如圖3-l所示，鋼絲繩速度由快繩側(cè)至死繩側(cè)依次為) 13(02460654321VVVVVVVVVZVVVVZ567u從各繩速度可以看出，快繩側(cè)鋼絲繩的速度比死繩側(cè)快數(shù)倍，快繩側(cè)鋼絲繩由于彎曲次數(shù)死繩側(cè)多出數(shù)倍，前邊的鋼絲繩會提前疲勞破壞。所以現(xiàn)場要倒換使用鋼絲繩，即：鋼絲繩使用一定時間后，要從死繩端儲繩卷筒中放出新繩，從滾筒上斬掉一段鋼絲繩重新固定纏好。2.輪速天車輪 天車滑輪的切向速度和轉(zhuǎn)速依次為游車輪 如圖3-l所示，游車滑輪的切向速度和轉(zhuǎn)速依次

2、為）（輪輪輪230, 0260,2460,460,44353232111 nVDVnVVVDVnVVVDZVnZVVV）（輪輪輪2360,2360,34560,56776655 DVnVVVVDVnVVVVDVnVVVVu由上述分析可見，在起下鉆過程中，快繩端滑輪的轉(zhuǎn)速比死繩端滑輪的轉(zhuǎn)速高得多。因此在選擇天車和游車滑輪的軸承時應(yīng)以快繩端滑輪的轉(zhuǎn)速為依據(jù)。同時，為了使各滑輪壽命均衡，在檢修時應(yīng)注意倒換滑輪的位置。 三、游動系統(tǒng)鋼絲繩拉力和效率u如圖3-l所示，設(shè)Q游、游為起升時游動系統(tǒng)的起重量和效率，Q游、游為下鉆時游動系統(tǒng)的起重量和效率，P、P為快繩和死繩拉力， P1、P2、PZ為游繩的拉力。

3、1.大鉤靜止懸重時 此時各游繩拉力相等，即 P=P1=P2=PZ）（游33ZQP2.大鉤起升時 由于滑輪軸承的摩擦阻力和鋼繩彎曲阻力的影響，將使各繩拉力發(fā)生變化。此時各游繩拉力不等，即 PP1P2PZ-1PZu設(shè)單個滑輪的效率為，則有ZZPPPP221u因為 Q游=P1+P2+PZu所以 Q游=P（+2+Z）u因此1)1 (ZPQ游u又因為游游ZQP u所以起升時的游動系統(tǒng)效率為)43()1 ()1ZZ（游3.下鉆時 情況與起升時相反 PP1P2PZ-1P死。）（游游6321Z 四、游動系統(tǒng)選擇原則1.起重能力：鋼絲繩尺寸和強度一定時，Z越大，起重能力越強。2.起下鉆速度：當滾筒轉(zhuǎn)速一定時，Z

4、越少，大鉤速度越快。3.起升效率： Z越少，游動系統(tǒng)效率越高。4.重量指標： Z越少，游動系統(tǒng)重量越輕，結(jié)構(gòu)越簡單，但P快越大，絞車重量、結(jié)構(gòu)越大。第二節(jié) 起升系統(tǒng)運動學(xué)和動力學(xué)u分析研究起升系統(tǒng)運動學(xué)和動力學(xué)的目的在于認清起升過程中，由于速度的變化而引起的載荷變化的規(guī)律，判明最大載荷，以作為使用設(shè)計的依據(jù)，核算摩擦離合器的能量守衡和摩擦功。一、起升系統(tǒng)u包括動力、傳動部分，以絞車滾筒離合器為界分為主動和從動兩部分（如下圖）u主動部分：動力機離合器主動件，1u從動部分：離合器從動件鉆柱，2二、起升過程1.準備：u空載啟動柴油機讓其低速轉(zhuǎn)動；u依次掛合并車、總離合器，使全部主動件轉(zhuǎn)動。2.掛合滾

5、筒離合器，啟動從動部分。（到離合器完全掛合）3.加速柴油機，使?jié)L筒達到某一工作檔穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。4.勻速起升，接近一個立根行程。5.摘開滾筒離合器，剎車。 三、起升速度圖和扭矩圖u圖3-3給出了根據(jù)實測的起升速度和載荷示波圖和經(jīng)過整型后的滾筒軸扭矩和角速度示意圖。u從圖中可以看出：u掛合滾筒離合器時，主動部分（1）被拖慢；u最大鉤載（扭矩Mmax）產(chǎn)生在柴油機加速時；u有變矩器時，啟動快，且滾筒軸扭矩Mmax也較大。u起升時滾筒軸角速度變化三個階段：啟動加速段OABC、勻速起升段CD和減速剎車段DE。1.啟動加速段u柴油機直接驅(qū)動的滾筒軸的扭矩圖和速度圖的啟動加速段簡化成圖3-8所示的曲線。靜止段0

6、A （t0=13秒） u由于主動部分以角速度1旋轉(zhuǎn)，而從動部分仍處于靜止狀態(tài)，因此在0A段離合器與摩擦輪處于全打滑狀態(tài)。最大打滑速度滑max=1-2=1。啟動段AB （t1=13秒）uMfM靜，2逐漸增大，1被拖慢，滑=1-2，系統(tǒng)處于半打滑狀態(tài)。同步加速段BCuB點（同步點）： 1=2 ， 滑=1-2=0uBC段，主、從動部分同步加速到某檔轉(zhuǎn)速C。u在K點滾筒軸上產(chǎn)生最大慣性力矩M慣，滾筒軸出現(xiàn)最大扭矩 Mmax=M靜+M慣u討論：討論：啟動過程，必然有打滑，打滑是固有的，不可消除。啟動過程，必然有打滑，打滑是固有的，不可消除。OABCOABC全加速段所用時間長短，取決于：全加速段所用時間長

7、短，取決于：檔速檔速C C；動力機轉(zhuǎn)速動力機轉(zhuǎn)速1 1（1 1小易掛合）；小易掛合）；驅(qū)動特性（柔驅(qū)動特性（柔特性，易掛合，特性，易掛合，t t??；硬特性，不易掛合，小；硬特性，不易掛合，t t大）大）被被加速、減速的轉(zhuǎn)動慣量加速、減速的轉(zhuǎn)動慣量J J1 1、J J2 2大小。大小。 Mf f的變化取決于離合器特性系數(shù)的變化取決于離合器特性系數(shù)k k1 1= =M極極/t/t極極=tg=tg，如如圖圖3-73-7所示。若所示。若M極極Mmaxmax，掛合快，時間短，沖擊，掛合快，時間短，沖擊大，動載大。因此大，動載大。因此M極極要適中。要適中。 Mmaxmax是選擇離合器和核算滾筒軸強度的依據(jù)

8、。是選擇離合器和核算滾筒軸強度的依據(jù)。起升系統(tǒng)起升系統(tǒng)動力機扭矩：動力機扭矩： M發(fā)起發(fā)起= =M靜靜+ +M慣慣1 1+ +M慣慣2 2 = =KMM靜靜 （3-153-15）2.2.勻速段勻速段CD CD u當主動部分與從動部分同步加速到當主動部分與從動部分同步加速到C C點后，點后，2 2= =C C=C(=C(常數(shù)常數(shù)) )，從動部分，從動部分Mf- -M2 2 =0=0，則，則Mf= =M2 2。3.3.減速段減速段DE DE u當鉆柱提升至接近一個立根高度，摘開離合器當鉆柱提升至接近一個立根高度，摘開離合器A A，剎死鉆柱。剎死鉆柱。第三節(jié) 起升時間 與功率利用率一、絞車各檔起重量

9、Qi和各檔自起立根數(shù)Siu鉆機起升系統(tǒng)在一定的起升速度下，起升載荷受鉆機起升系統(tǒng)在一定的起升速度下，起升載荷受絞車功率的限制。設(shè)鉆機以第絞車功率的限制。設(shè)鉆機以第i檔起升時，起升速檔起升時，起升速度為度為Vi，則可以起升的最大載荷為：，則可以起升的最大載荷為：)273(kN，絞游絞絞iiiVNVNQu由圖由圖3-113-11可知可知 Qi= =Yiq桿桿l+ +G0 0 (3-28) (3-28)u第第i檔可起升的立根數(shù)檔可起升的立根數(shù)Yi為為 )293(0lqGlVqNYii桿桿絞游絞u各檔自起立根數(shù)各檔自起立根數(shù)Si為為 )303(1111iiiiiiVVlVqNYYS桿絞游絞 二、機動起

10、升時間 (一一) )機動起升時間與速度系數(shù)機動起升時間與速度系數(shù)u機動起升時間是指用絞車卷揚起升鉆柱所用的時間。機動起升時間是指用絞車卷揚起升鉆柱所用的時間。u用第用第i i檔起升速度檔起升速度V Vi i起升一個立根所用的機動起升時起升一個立根所用的機動起升時間可表示為：間可表示為：平起iVltu由于在起升一個立根的過程中，起升速度是由加速段、由于在起升一個立根的過程中，起升速度是由加速段、平穩(wěn)起升段和減速段組成，在實際起升時，一般只知平穩(wěn)起升段和減速段組成，在實際起升時，一般只知道平穩(wěn)起升速度道平穩(wěn)起升速度V Vi i，引入速度系數(shù)引入速度系數(shù)=V Vi i/ /V Vi i平平，則，則

11、)323( iVlt起u可根據(jù)圖可根據(jù)圖3-123-12用面積等效的方法求出。用面積等效的方法求出。)333(2132131tttttu一般計算時可取一般計算時可取=1.2=1.2。( (二二) )柴油機直接驅(qū)動的鉆機一柴油機直接驅(qū)動的鉆機一次起鉆總機動時間次起鉆總機動時間u用第用第i i檔起升檔起升S Si i個立根的機動個立根的機動起升時間為：起升時間為： iiiVlSt起u若鉆機一共有若鉆機一共有k k個起升檔，個起升檔，k k檔一次起鉆總的起升檔一次起鉆總的起升機動時間為：機動時間為：)343(12211kiiikkVSlVSVSVSlt起ut起起由由圖圖3-133-13(a)(a)中

12、陰影面積表示。中陰影面積表示。( (三三) )柴油機液力變矩驅(qū)動或電驅(qū)動鉆機的總機動起升柴油機液力變矩驅(qū)動或電驅(qū)動鉆機的總機動起升時間時間u由圖由圖3-13(b)3-13(b)可知，可知，t起起由恒功率起升時間由恒功率起升時間t起起1 1和恒速和恒速起升時間起升時間t起起2 2組成組成)353()(1121211kkkkVSSSSVVlt起 三、起升功率利用率 u起升功率利用率是指在鉆機大鉤處實際使用的功起升功率利用率是指在鉆機大鉤處實際使用的功率與可以發(fā)出的功率率與可以發(fā)出的功率( (裝機功率裝機功率) )的比值。表明起的比值。表明起升系統(tǒng)所配備的功率發(fā)揮的能力。升系統(tǒng)所配備的功率發(fā)揮的能力

13、。u設(shè)設(shè)N N鉤鉤為大鉤可以發(fā)出的功率為大鉤可以發(fā)出的功率( (裝機功率裝機功率) )，即，即圖圖3-3-1414中中Q Q1 1至至Q Q4 4雙曲線下的面積；雙曲線下的面積；N N鉤鉤為大鉤實際起升為大鉤實際起升功率，即圖功率，即圖3-143-14中中Q Q1 1至至Q Q4 4折線下的面積；則大鉤起折線下的面積；則大鉤起升功率利用率定義為：升功率利用率定義為：鉤鉤NNu起升功率利用率也可以用功率利用率為起升功率利用率也可以用功率利用率為100%100%時，時，起升鉆柱所用的最少時間起升鉆柱所用的最少時間t起起minmin與總機動起升時間與總機動起升時間t起起的比值計算的比值計算）（起起4

14、03minTTu起升功率利用率起升功率利用率是大鉤提升速度與載荷不適應(yīng)而是大鉤提升速度與載荷不適應(yīng)而發(fā)生的功率利用不充分的情況。它是平均功率與全發(fā)生的功率利用不充分的情況。它是平均功率與全功率的比值，也是有級變速作的功與無級變速作的功率的比值，也是有級變速作的功與無級變速作的功的比值，還是無級變速作的提升時間與有級變速功的比值，還是無級變速作的提升時間與有級變速作的提升時間的比值。作的提升時間的比值。u從從(3-40)(3-40)式可見，起升功率利用率式可見，起升功率利用率越高越高t起起越小。越小。提高提高的目的就是加速起鉆的目的就是加速起鉆。u由圖由圖3-143-14可知，起升檔數(shù)可知，起升

15、檔數(shù)K K越多，越多，越高。起升檔越高。起升檔數(shù)數(shù)K K與與max的關(guān)系為的關(guān)系為)423(1maxKKu起升檔數(shù)起升檔數(shù)K K越多，越多，max越高。但越高。但K K88時，時，max的增的增長越來越不顯著。因此，鉆機起升檔數(shù)都不超過長越來越不顯著。因此，鉆機起升檔數(shù)都不超過8 8檔。檔。 四、發(fā)動機起升功率利用率 u大鉤起升功率利用率沒有考慮起升時發(fā)動機裝機大鉤起升功率利用率沒有考慮起升時發(fā)動機裝機功率沒有充分利用的部分，也未包括從發(fā)動機將功率沒有充分利用的部分，也未包括從發(fā)動機將動力傳遞到絞車過程中功率損失的部分，要考慮動力傳遞到絞車過程中功率損失的部分，要考慮起升時功率利用的情況，應(yīng)采

16、用發(fā)動機起升功率起升時功率利用的情況，應(yīng)采用發(fā)動機起升功率利用率利用率。 ）（發(fā)鉤433NKu通過以上討論可以得出以下結(jié)論：通過以上討論可以得出以下結(jié)論：1)1)機動起升時間機動起升時間T起起與大鉤起升功率利用率與大鉤起升功率利用率成反比，成反比， 越大，越大，T起起越小，鉆機起升性能越好。越小，鉆機起升性能越好。2)恒功率起升時大鉤起升功率利用率恒功率起升時大鉤起升功率利用率最高，要提高最高，要提高，應(yīng)合理設(shè)計起升檔數(shù)和各檔起升速度，盡可能，應(yīng)合理設(shè)計起升檔數(shù)和各檔起升速度，盡可能接近恒功率起升。接近恒功率起升。3)3)要提高發(fā)動機起升功率利用率，除提高大鉤起升功要提高發(fā)動機起升功率利用率，

17、除提高大鉤起升功率利用率率利用率外，應(yīng)設(shè)計傳動路線，提高鉆機的傳動外，應(yīng)設(shè)計傳動路線，提高鉆機的傳動效率。效率。4)4)驅(qū)動設(shè)備的特性為軟特性者，驅(qū)動設(shè)備的特性為軟特性者，值較高；值較高；5)5)司鉆在操作時及時換檔可以提高司鉆在操作時及時換檔可以提高值。值。第四節(jié) 鉆井曲線和起升速度 一、鉆井曲線u鉆井曲線是起鉆次數(shù)與立根之間的關(guān)系曲線。鉆井曲線是起鉆次數(shù)與立根之間的關(guān)系曲線。u從鉆井曲線可以了解各次起鉆井深和鉆頭在各段從鉆井曲線可以了解各次起鉆井深和鉆頭在各段井深的進尺數(shù)，以及各種深度巖石的可鉆性，計井深的進尺數(shù)，以及各種深度巖石的可鉆性，計算一口井中各檔起鉆立根總數(shù)、一口井機動起升算一口

18、井中各檔起鉆立根總數(shù)、一口井機動起升時間時間T起起、起升載荷和循環(huán)數(shù)的變化關(guān)系；對于柴、起升載荷和循環(huán)數(shù)的變化關(guān)系；對于柴油機直接驅(qū)動的鉆機還可用來合理分配檔速。油機直接驅(qū)動的鉆機還可用來合理分配檔速。u理論鉆井曲線是根據(jù)實理論鉆井曲線是根據(jù)實際鉆井統(tǒng)計資料擬合而際鉆井統(tǒng)計資料擬合而來的（如圖來的（如圖3-163-16）。擬）。擬合曲線可合曲線可用方程用方程x=AyB表示。表示。u不同油區(qū)具有不同的系不同油區(qū)具有不同的系數(shù)數(shù)A與與B，選用的曲線擬，選用的曲線擬合方法合方法不同也可得到不不同也可得到不同的同的A與與B值。值。 二、起升速度的合理分配u對于柴油機直接驅(qū)動的鉆機，由于對于柴油機直接驅(qū)

19、動的鉆機，由于V1 1、Vk、K為原為原始條件，始條件，合理分配各中間檔速的目的是使機動起合理分配各中間檔速的目的是使機動起升時間最少升時間最少。u若一次從最大井深起鉆，若一次從最大井深起鉆，各檔速分配原則是：除各檔速分配原則是：除最高檔外，按各檔自起立根數(shù)最高檔外，按各檔自起立根數(shù)Si相等的原則分配檔相等的原則分配檔速，這樣機動起升時間最省，速度分配最為合理速，這樣機動起升時間最省，速度分配最為合理。各檔速可按下式計算：各檔速可按下式計算：)473() 1()() 1)(1 (1VKaiKKaVi第五節(jié) 下鉆運動學(xué)與動力學(xué)u下鉆操作的特點是：下鉆操作的特點是：起鉆過程中處于被動方面的鉆柱載荷

20、，轉(zhuǎn)化為主起鉆過程中處于被動方面的鉆柱載荷，轉(zhuǎn)化為主動的方面。動的方面。鉆柱下放釋放出的能量由剎車機構(gòu)吸收、消耗。鉆柱下放釋放出的能量由剎車機構(gòu)吸收、消耗。u研究下鉆過程的運動學(xué)和動力學(xué)的目的是：研究下鉆過程的運動學(xué)和動力學(xué)的目的是：確定最大制動載荷；確定最大制動載荷； 了解輔助剎車勻速下鉆的原理。了解輔助剎車勻速下鉆的原理。 一、下鉆運動學(xué)和動力學(xué)u下鉆操作系統(tǒng)如圖下鉆操作系統(tǒng)如圖3-173-17所示。所示。下鉆速度圖、制動力矩圖如下鉆速度圖、制動力矩圖如圖圖3-183-18所示。所示。u下鉆操作可分為加速段、勻下鉆操作可分為加速段、勻速段、減速段三個階段。速段、減速段三個階段。1.1.加速

21、段（時間加速段（時間t t1 1）u此階段分為松帶加速段此階段分為松帶加速段ABAB和和輕剎加速段輕剎加速段BCBC。2.2.勻速段（時間勻速段（時間t t2 2）uM制制= =M靜靜，M慣慣=0=0。由于浮力的影響，由于浮力的影響，CDCD稍傾斜。稍傾斜。3.3.減速段（時間減速段（時間t t3 3）uM制制增加到增加到Mmaxmax，=0=0。u最大制動力矩最大制動力矩Mmaxmax發(fā)生在剎住鉆柱的發(fā)生在剎住鉆柱的一剎那。一剎那。u討論：最大制動力矩最大制動力矩Mmaxmax發(fā)生在剎住鉆柱的一剎那發(fā)生在剎住鉆柱的一剎那(E(E點點) )。 Mmaxmax= =M靜靜+ +M慣慣uMmaxm

22、ax大小取決于大小取決于Q Q、V V下下、t t3 3；核算剎車機構(gòu)、滾筒強度以核算剎車機構(gòu)、滾筒強度以Mmaxmax為依據(jù)；為依據(jù)；操作時，提前減速，平穩(wěn)剎車，減小動載。操作時，提前減速，平穩(wěn)剎車，減小動載。 二、最大制動力F制制maxmax1.1.最大制動力矩最大制動力矩Mmaxmax Mmaxmax= =M靜靜+ +M慣慣=M靜靜2.2.最大制動力最大制動力F制制maxmax25 . 25 . 15 . 13 . 1設(shè)計時急剎車平穩(wěn)剎車動載系數(shù)）（絞游游絞游游絞快靜48327 . 022222ZDQZDQDPM）（鼓制靜4932maxmaxDFMM)503(7 . 022max絞游鼓游絞游鼓游制ZDDQZDDQFuF制制maxmax是計算剎車機構(gòu)載荷和剎把力的依據(jù)。是計算剎車機構(gòu)載荷和剎把力的依據(jù)。 三、用水剎車輔助下鉆的原理1.1.水剎車的制動特性水剎車的制動特性 M制制=1 1n2 2D5 5 N制制=2 2n3 3D5 5u式中式中 D5 5= =D5 5外外- -D5 5內(nèi)內(nèi) u分析分析：影響水剎車制動力矩的因素：影響水剎車制動力矩的因素：尺寸大