第三章鉆機的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)(第一講)

第三章鉆機的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)天津石油職業(yè)技術學院徐建功2013年7月學習目標1.理解旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的作用2.了解轉(zhuǎn)盤型號含義3.掌握水龍頭的組成

4.掌握轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)5.掌握頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成6.了解國產(chǎn)頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)的發(fā)展重點：轉(zhuǎn)盤、水龍頭的結(jié)構(gòu)組成難點：頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成3.1轉(zhuǎn)盤ZP-700轉(zhuǎn)盤外形圖片

轉(zhuǎn)盤是鉆機的三大工作機之一，其主要功用如下：(1)將發(fā)動機的動力傳遞給井下鉆具，驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)，鉆出井眼。(2)下套管或起下鉆時，承托井中全部套管柱或鉆桿柱重量。(3)完成卸鉆頭、卸扣，處理事故時倒扣、造扣等輔助工作；渦輪鉆井時，轉(zhuǎn)盤制動上部鉆桿柱，以承受反扭矩。此外，轉(zhuǎn)盤的工作條件是十分惡劣的。在各工作機中，它的工作環(huán)境最不清潔，泥漿吸濺，油水污蝕；井中鉆桿柱的振跳首先直接傳到轉(zhuǎn)盤上，沖擊扳動相當嚴重。3.1.1概述1.鉆井工藝對轉(zhuǎn)盤的要求

(1)能提供足夠大的扭矩和一定的轉(zhuǎn)速。帶動鉆頭破碎巖石，并能滿足其它特殊作業(yè)的要求。(2)轉(zhuǎn)盤的主軸承有足夠的強度和壽命。其承載能力不小于最大鉤載，其壽命不低于3000小時。(3)能進行正反轉(zhuǎn)，并能可靠地制動。(4)密封、潤滑性能好。防止外界的泥漿、油水污液滲入轉(zhuǎn)盤內(nèi)部，否則將加速齒輪和軸承的磨損，造成轉(zhuǎn)盤破壞而不能正常工作。2.轉(zhuǎn)盤代號

轉(zhuǎn)盤代號的標示方法如下圖所示。示列：ZP175表示通孔直徑為17.5英寸的轉(zhuǎn)盤，型號為ZP175。ZP更新設計標號：用阿拉伯數(shù)字表示驅(qū)動形式：Y-液壓，D-電，機械省略型號級別：轉(zhuǎn)盤通孔直徑(in×10)轉(zhuǎn)盤代號3.轉(zhuǎn)盤的技術參數(shù)

石油鉆機常用的轉(zhuǎn)盤有ZP175、ZP205、ZP275、ZP375、ZP495等五種標準規(guī)格，技術參數(shù)見表3-1。但一些非標準型號轉(zhuǎn)盤目前仍在部分油田使用。（1）通孔直徑：轉(zhuǎn)盤通孔直徑是轉(zhuǎn)盤主要幾何參數(shù)，它應比第一次開鉆時所用最大號鉆頭的直徑至少大l0mm。（2）最大靜載荷：轉(zhuǎn)盤上能承受的最大重量，應與鉆機的最大鉤載相匹配。該載荷經(jīng)轉(zhuǎn)臺作用到主軸承上，因此決定著主軸承的規(guī)格。（3）最大工作扭矩：轉(zhuǎn)盤在最低工作轉(zhuǎn)速時應達到的最大工作扭矩，它決定著轉(zhuǎn)盤的輸入功率及傳動零件的尺寸。JB4304—86規(guī)定，以150r／min在最大扭矩下運轉(zhuǎn)2小時，齒輪齒頂不得有損傷現(xiàn)象。（4）最高轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)盤在輕載荷下允許的最高轉(zhuǎn)速，一般規(guī)定為300r／min。（5）中心距：轉(zhuǎn)臺中心至水平軸鏈輪第一排輪齒中心的距離。表3-1標準轉(zhuǎn)盤的主要技術參數(shù)轉(zhuǎn)盤代號ZP175ZP205ZP275ZP375ZP495通孔直徑mm（in）444.5(17.5)520.7(20.5)698.5(27.5)952.5(37.5)1257.3(49.5)中心距mm11181353135313531651最大靜負荷KN13503150450058507250最大工作扭矩Nm1372922555274593236236285最高轉(zhuǎn)速r/min300350250300300

齒輪傳動比3.583.223.673.563.93外形尺寸長×寬×高mm1395×1280×5852292×1475×6682392×1670×6852468×1810×7182940×2184×813質(zhì)量Kg388861826163802611626表3-1標準轉(zhuǎn)盤的主要技術參數(shù)3.1.2轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)盤實質(zhì)上是一個大功率的圓錐齒輪減速器。轉(zhuǎn)盤是通過一對錐齒輪副實現(xiàn)減速和改變力的傳動方向,使轉(zhuǎn)臺獲得一定范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速和扭矩輸出,驅(qū)動鉆具進行鉆井作業(yè)的設備。轉(zhuǎn)盤一般由底座、轉(zhuǎn)臺總成、主輔軸承(負荷軸承及防跳軸承)、錐齒輪副、水平軸（輸入）總成、鎖緊裝置、上蓋和方瓦等部件組成。下面以ZP7—520轉(zhuǎn)盤（與ZJl30-3和大慶I-130鉆機配套）為例，剖析鉆井轉(zhuǎn)盤的一般結(jié)構(gòu)組成、工作原理及主要零部件的作用。

轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)圖水平軸鎖銷大傘齒輪小傘齒輪大方瓦方補心主軸承防跳軸承

轉(zhuǎn)盤是用來承托管柱重量，提供扭矩和轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)盤實質(zhì)上相當于一個特殊結(jié)構(gòu)的角傳動減速器，主要由箱體、轉(zhuǎn)臺、主軸承、副軸承、齒圈、輸入軸總成、鎖緊裝置、方瓦、箱蓋等部分組成。第二章鉆機主要設備的使用轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)圖1-箱體2-上蓋3-齒圈4-組合軸承5-內(nèi)襯6-方補心7-轉(zhuǎn)臺8-輸入軸9-法蘭10-密封11-軸承12-軸承盒13-軸承14-傘齒輪15-壓緊圈16-鎖緊裝置17-油標18-螺栓19、20-O型密封圈轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)1．水平軸總成

水平軸頭部裝有小錐齒輪，尾部裝聯(lián)接法蘭(萬向軸傳動時)或鏈輪(鏈傳動時)。軸通過一付雙列調(diào)心軸承和套筒座在殼體中，套筒的作用是使水平軸能進行整體式裝配。軸中部有制動棘輪，通過殼體上的棘爪可實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的制動。水平軸下方殼體構(gòu)成一獨立油池，使水平軸軸承得到良好的潤滑。輸入軸1－連接法蘭2－軸3－軸承4－鏈輪5－連接法蘭6－磨擦盤7－離合器8－支架鏈條驅(qū)動1－ZP375轉(zhuǎn)盤2－擋油盤3－鏈輪4－壓板2．轉(zhuǎn)臺總成轉(zhuǎn)臺體如同一根又短又粗的空心立軸，借助主軸承坐在殼體上。下部輔助軸承防止轉(zhuǎn)臺傾斜和向上振跳。轉(zhuǎn)臺中心通孔都比較大，以便通過鉆井中開井所用的最大號鉆頭。通孔內(nèi)裝著方補心和小方瓦(小方瓦正好跟方鉆扦相配合)，兩者通過鎖銷鎖在轉(zhuǎn)臺體上。轉(zhuǎn)臺上部靜配合裝著一個迷宮盤，構(gòu)成一整體結(jié)構(gòu)，防止泥漿污水漏入轉(zhuǎn)盤油池內(nèi)。方補心滾子方補心有四方驅(qū)動和四銷驅(qū)動兩種型式；適用于ZP175-ZP375轉(zhuǎn)盤，用于31/2"-6"等不同規(guī)格的四方和六方鉆桿。

性能特點：

1、執(zhí)行SY/T5080-2004、符合APISpec.7K等相關技術標準。

2、主要受力件選用優(yōu)質(zhì)合金鋼制造。

3、特殊結(jié)構(gòu)設計保證滾輪更換調(diào)整快捷。

轉(zhuǎn)盤主補心轉(zhuǎn)盤主補心及內(nèi)襯適用于ZP175-ZP375轉(zhuǎn)盤，材料為優(yōu)質(zhì)合金鋼鑄件,尺寸符合SY/T5080-2004《石油鉆機和修井機用轉(zhuǎn)盤》及APISpec.7K標準要求。主補心分為四銷驅(qū)動和四方驅(qū)動兩種型式，有整體式和分體式兩種結(jié)構(gòu)，可以放入內(nèi)襯、卡瓦、滾子方補心等。

3．主、輔軸承

主軸承起承載和承轉(zhuǎn)作用。靜止時，承受最重套管柱重量；旋轉(zhuǎn)工作時，承受主要有方鉆桿下滑造成的軸向載荷及錐齒輪傳動形成的徑向載荷。主軸承、錐齒輪共用一個油池，飛濺潤滑。4．殼體

殼體是結(jié)構(gòu)比較復雜而緊固的鑄鋼件，內(nèi)腔形成兩個油池；外形上便于安裝固定和運輸，便于工人進行井口操作。圖3-1所示，為ZP375轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)圖。轉(zhuǎn)臺(6)是轉(zhuǎn)盤用以輸出轉(zhuǎn)速和扭矩的旋轉(zhuǎn)體，大錐齒圈（4）與轉(zhuǎn)臺緊配合裝在一起。負荷軸承（5）和防跳軸承（11）均采用角接觸推力球軸承，既可承受最大鉆柱和套管柱負荷，也可承受鉆進和起下鉆時來自井下向上的沖擊負荷，下座圈（30）與轉(zhuǎn)臺用螺栓(28)連接，起到支承防跳軸承的作用，墊片（29）可調(diào)整防跳軸承的軸向間隙，轉(zhuǎn)臺由負荷軸承支承在底座內(nèi)。1底座2擋板3上蓋4大齒圈5負荷軸承6轉(zhuǎn)臺7制動塊8制動銷9方補芯10方瓦11防跳軸承12.29調(diào)整墊片13齒輪14.17軸承15輸入軸16軸承套18.21.28.31螺栓19彈性密封圈20.25軸承壓板22鏈輪(連接部件)23排油口24.27.33“O”型密封圈26迷宮密封環(huán)30下坐圈32擋污盤

圖3-1ZP375轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置流程圖

四、轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置的維護保養(yǎng)為使設備能夠持續(xù)的正常工作，使各零部件具有盡可能長的壽命，除了按規(guī)程進行正確的操作使用外，還必須進行正確的維護保養(yǎng)。在設備的使用過程中，應進行周期性的維護保養(yǎng)。周期性維護分為：班維護、周維護、月維護、半年及一年維護。1）日常檢查及維護保養(yǎng)在檢查中如發(fā)現(xiàn)有異常情況,應及時處理,不允許設備帶病運行。2）定期檢查當轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置運行一段時間后，運動部件會產(chǎn)生磨損，連接部分會產(chǎn)生松動，管路會不暢，密封件會老化等，若不及時檢修對設備的使用會產(chǎn)生不良影響,以致于帶來嚴重的后果。3）檢修與調(diào)整轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置在運行過程中或在進行拆裝檢修時，需對鏈條/鏈輪、慣剎等及時進行調(diào)整。本節(jié)將給出各部分的調(diào)整要求及許用磨損量。①轉(zhuǎn)盤的檢修和調(diào)整主要是檢修和調(diào)整轉(zhuǎn)盤的軸承和轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)性以及潤滑系統(tǒng)的可靠性②轉(zhuǎn)盤慣剎的檢修和調(diào)整正常工作期間，摩擦片與摩擦轂之間的間隙不需要調(diào)整（設備出廠時已調(diào)整好）。需注意的是，當摩擦片如果磨損到鉚釘頭將要露出時，須更換摩擦片。③鏈傳動的維護和調(diào)整如果其磨損伸長量超過3%或規(guī)定的極限，則更換整根鏈條。不要將一段新鏈條與一段已磨損的鏈條連在一起使用。因為這樣可能使鏈條傳動不平穩(wěn)而損壞傳動裝置。不可調(diào)節(jié)的傳動機構(gòu)中，許用磨損伸長量大約被限制為鏈條節(jié)距的一半。④鏈條松緊度的檢查將一個鏈輪軸剎住，用人工盤動另一個鏈輪軸使鏈條張緊，鏈條中點的位移如下圖所示。然后測量鏈條垂度，與標準比較。⑤鏈輪磨損的檢查目測傳動件的貼合情況及鏈輪齒部的表面粗糙度，檢查齒厚是否減薄(最大減薄量為5%)及輪齒嚙合部分是否有凹陷，如果不用樣板就能明顯看出鏈齒的磨損，就應予以更換。嚴禁將新鏈條用在已磨損的鏈輪上，因為這樣將導致鏈條迅速磨損。新鏈條的節(jié)距比已磨損的鏈輪的有效節(jié)距短得多，所以在鏈條與鏈輪輪齒脫開之前，鏈條上的全部載荷都集中在最后一個輪齒上。那么，當鏈條與鏈輪脫離嚙合時，滾子從輪齒上的凹陷處猛地跳出，當載荷從一個輪齒傳遞到下一個輪齒時，就在鏈條上引起一個沖擊載荷。⑥鏈輪共面度和平行度的檢查在維修過程中，只要有一個鏈傳動軸經(jīng)過拆卸(更換此軸中任一零件)重新安裝后必須進行找正，檢查鏈輪的共面度和平行度。檢查方法如下，見下圖：用一個長的平尺(或拉緊細鋼絲)靠在鏈輪側(cè)面，可測出平行度和共面度，其允許誤差應小于1mm(0.04in)。若超差則必須進行校正改善，在軸的適當環(huán)節(jié)加減墊片(或改變隔套尺寸)將軸沿橫向作位移改善共面度。鏈傳動的找正

3.2水龍頭3.2.1概述

鉆井水龍頭是鉆機中非常具有專業(yè)特點的設備。水龍頭通過提環(huán)掛在大鉤上，隨大鉤運行而上提下放。下部接方鉆桿，連接井中鉆具；上部通過鵝頸管與長長的水龍帶相連，通過它們向鉆具中心導入鉆井液。水龍頭是起升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)、循環(huán)三大工作機組相交匯的關節(jié)部件，在鉆機組成中處于重要的地位。水龍頭的主要功用：

（1）懸持旋轉(zhuǎn)著的鉆柱，承受大部以至全部鉆柱重量，并為旋轉(zhuǎn)鉆柱提供上部軸承支承。

（2）向旋轉(zhuǎn)著的鉆柱導入高壓鉆井液。1.鉆井工藝對水龍頭的要求(1)各承載零件，如提環(huán)、殼體、中心管等和主軸承必須具有足夠的強度、剛度及壽命。(2)高壓鉆井液密封系統(tǒng)必須工作可靠，壽命長，更換快速、方便。(3)機油密封良好，能自動補償工作過程中密封元件的磨損。2.水龍頭的結(jié)構(gòu)組成根據(jù)水龍頭在鉆井工作中的功用，水龍頭一般由以下三部分組成。（1）承載系統(tǒng)

包括：中心管及其接頭、殼體、耳軸、提環(huán)和主軸承等。

鉆柱重量通過方鉆桿、中心管、主軸承、殼體、耳軸、提環(huán)將載荷傳遞給大鉤。（2）鉆井液系統(tǒng)

包括：鵝頸管、鉆井液沖管總成。

高壓鉆井液經(jīng)鵝頸管、沖管流進旋轉(zhuǎn)著的中心管到達鉆柱內(nèi)。沖管上部和下部都設置鉆井液密封裝置，以防高壓鉆井液泄漏。（3）輔助系統(tǒng)

包括：扶正軸承、防跳軸承及機油密封裝置。

殼體內(nèi)腔構(gòu)成油池，以潤滑主軸承、扶正軸承及防跳軸承。

上、下機油密封盒主要是防止鉆井液及油水漏入油池和機油泄漏，以保證各軸承正常工作。上、下扶正軸承對中心管徑向定位，保證其工作穩(wěn)定：擺動小，以改善鉆井液和機油密封的工作條件，延長其壽命。

防跳軸承用以承受鉆井過程中由鉆柱傳來的沖擊和振動，防止中心管的軸向竄動。

3.水龍頭的結(jié)構(gòu)特點各種鉆井水龍頭，一般由上述三部分組成，其軸承布置方案和沖管總成的結(jié)構(gòu)形式不同形成了多種水龍頭具體結(jié)構(gòu)。經(jīng)長期鉆井實踐，現(xiàn)代鉆機大多采用如圖6－5所示的軸承布置方案和圖6－6所示的沖管總成結(jié)構(gòu)，下面具體分析。水龍頭結(jié)構(gòu)圖

<1>.軸承布置方案

◆扶正軸承：兩扶正軸承分置于主軸承兩邊(圖6-5)，最大限度地擴大了扶正軸承間距A，扶效果好。中心管工作穩(wěn)定、擺動小，非常有利于鉆井液密封和機油密封?！舴捞S承：防跳軸承布置在上扶正軸承下方或上扶正軸承用錐形滾子軸承起扶正和防跳作用。即在結(jié)構(gòu)緊湊的原則下盡量增大扶正間距。<2>.浮動沖管、Y形液壓自封式密封、快卸結(jié)構(gòu)(如圖6-6)

沖管盤根裝置結(jié)構(gòu)圖

這種結(jié)構(gòu)形式的特點是：

①浮動沖管。沖管浮動于鵝頸管過渡接頭和中心管之間，工作時不轉(zhuǎn)動，但允許略有軸向竄動，使其磨損均勻。

②Y形密封圈與鋼制隔環(huán)交迭布置。

這種Y形密封圈可借助鉆井液壓力自行封緊。它的唇部在鉆井液壓力作用下始終貼住沖管外壁，工作過程中，即使在密封圈不斷磨損情況下，仍能靠液壓漲開唇部而形成密封。

③密封圈數(shù)目少(3－4)?？赏ㄟ^密封盒進行黃油潤滑，減小了摩擦和磨損。

④沖管的徑向定位由密封盒保證。密封盒與中心管用定位止口，圓柱面配合定位這樣可提高加工及配合精度，保證沖管與中心管有很好的同心性，不易產(chǎn)生離，延長了沖管與密封圈的壽命。

⑤快速拆裝，更換方便。只需將上、下密封盒壓帽旋出，就可取出沖管總成，更換密封圈或