第三章 钻机绞车的设计计算.ppt

石油钻机设计 机电工程学院 机电工程系 许志倩xuzhiqian1013@163.com 第三章 钻机绞车的设计计算 绞车功用与使用要求，设计基本参数； 滚筒轴设计计算：受力分析，应力循环分析，不稳定交变应力作用下疲劳强度计算理论基础，滚筒轴静强度与疲劳强度核算方法； 滚筒设计计算：滚筒受力分析，滚筒力学模型，强度计算； 机械刹车设计计算：刹车工作原理，刹车基本计算； 第三章 钻机绞车的设计计算 3.1 绞车的使用要求与结构 3.2 绞车的基本参数 3.3 绞车滚筒轴的设计计算 3.4 绞车滚筒的设计计算 3.5 机械刹车设计计算 3.6 辅助刹车 3.1 绞车的使用要求与结构 钻井绞车不仅是起升系统设备，而且也是整个钻机的核心部件，是钻机三大工作机之一。 3.1.1 绞车功用 (1) 用以起下钻具、下套管； (2) 钻进过程中控制钻压，送进钻具； (3) 起吊重物及进行其它辅助工作（借助猫头上、卸钻具丝扣）； (4) 充当转盘的变速机构或中间传动机构； (5) 整体起放井架。 3.1.2 结构组成 结构类型： 单轴绞车 双轴绞车 多轴绞车 电驱动单轴绞车 典型绞车结构（JC45）组成 结构组成 (1)滚筒、滚筒轴总成； (2)制动机构，包括机械刹车和辅助刹车； (3)猫头和猫头轴总成； (4)传动系统； (5)控制系统； (6)润滑系统； (7)支撑系统； (8)捞砂滚筒。 3.2 绞车的基本参数 （1）绞车功率 输入功率 （2）刹车尺寸 带刹轮毂尺寸 圆整 （3）快绳拉力 正常工况（起升） 事故工况 （4）滚筒尺寸 圆整 圆整 但：对于带槽滚筒，L筒不能圆整 绳在滚筒上每缠一圈与下层绳交叉两次 光滚筒——早期的滚筒一般为光滚筒 光滚筒第一层不工作，充当绳槽 带槽滚筒（Lebus绳槽）-双螺旋-平行绳槽 滚筒缠绳直径 光滚筒s=2 带槽滚筒s=1 （6）缠绳容量 每层缠绳容量 n——每层圈数， Δ’=1～2mm 扣除不工作的第一层（光滚筒），或7～10圈（带槽滚筒）。 （8）滚筒转速 绞车档数 机械驱动 6档 直流电驱动 4档 交流变频驱动 2～3档 3.3 绞车滚筒轴的设计计算 机械失效的基本概念：机械零件或结构件的形状尺寸或材料性能发生改变而不能完满执行语气任务和功能时就称为机械失效。 失效抗力指标： 金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力叫强度。 金属抵抗弹性变形的能力叫刚度K。 硬度是抗磨损腐蚀、抗塑性变形的重要性能。 韧性指材料吸收大量冲击能量而不脆断的能力。 钻井机械零件在规定使用期内所承受工作载荷的能力称为它的强度。强度是零件采用特定材料、经过一定的冷、热加工形成特定形状和尺寸所固有的特性。 钻机零部件的可靠性受到强度（应力过大、分静、动应力和交变应力等）、刚度（位移和变形过大）、稳定（整体或局部失稳）以及振动（运行不平稳、共振、微动磨损）等方面的控制。 3.3.1 滚筒轴受力分析 3.3.2 强度与刚度核算 (1)静强度核算：依据Pmax 目的：保证不产生塑性变形 机械设计要求，[ns]=2（σs/σb=0.8～0.85）； API要求：[ns]=2.25～3（Qmax=4500～1350kN） (2) 疲劳强度核算：依据P 目的：保证不发生疲劳断裂 应力分析 循环持久限（材料） r=-1，对称循环应力 r=0， 脉动应力 弯曲应力（轴转） r=-1，对称循环应力 应力幅： 平均应力： ——构件的循环持久限。 扭转应力（离合器挂合） r=0，脉动应力 综合安全系数 [n]=1.2～1.5（精确核算～粗略核算） 取 [n]=1.3 (3)刚度核算：依据 Pmax 目的：保证轴及轴上的零部件能正常工作 （轴、轴承、齿轮、链轮等） 3.3.3 不稳定交变应力作用下疲劳强度计算理论基础 (1) Miner定理 Palmgren-miner疲劳损伤积累定理：在疲劳试验中，试样在给定的应力水平反复作用下，损伤可以认为与应力循环次数成线性积累关系，当损伤积累到某一程度时就发生破坏（1945） 。 miner定理：①损伤率 ；