转盘驱动装置（共4篇）
转盘驱动装置 篇1
南阳二机石油装备 (集团) 有限公司为ZJ40CZ (B) 型车装钻机新研制的转盘驱动装置在按实验规程进行试车时, 当设备运行了大约12min时突然发出了刺耳的噪声, 设备运转速度也随之下降, 紧急停车后对整个设备进行了故障排查, 最后发现该装置的一个轴承损坏 (见图1序5) , 卸下该轴承仔细观察后发现轴承的保持架有四分之一段断裂为两段, 没断裂的保持架上有一条约3mm的裂纹和许多微小的裂纹, 内圈约有八分之一的滚道出现疲劳剥落现象, 手能感到微微的毛刺, 部分轴承滚子出现不同程度的磨损痕迹。
一、失效原因分析
1. 设计方面。
通过观察改进之前的转盘驱动装置 (图1) 可以发现, 离合器在下链条盒的外侧, 离合器自身重量给轴承一个往右的轴向力;当离合器挂合后, 在离合器的重量导致该轴倾斜的情况下, 链条通过链轮传递给轴承一个往右的轴向力, 两个轴向力叠加后形成一个顺时针的偏扭力, 在转速增大的情况下, 轴承迅速失效, 这是造成轴承失效的主要因素。
2. 轴承方面。
国家轴承质量监督检验中心对失效轴承进行失效分析, 其中滚子非金属夹杂物 (硅酸盐夹杂) 超标和碳化物液析超标, 当非金属夹杂分布于滚子表面层下时, 易诱发内应力, 造成应力集中, 形成疲劳源, 将对轴承的使用寿命产生影响;进行淬回火组织检验时发现, 轴承外滚道表层混合型珠光体组织, 滚子表层组织呈粗针状马氏体, 粗针状马氏体不仅能使材料的脆性增大也会使材料冲击韧性、疲劳极限显著下降, 且是诱发裂纹的策源地, 当轴承受到冲击载荷作用时, 易产生微裂纹, 导致轴承产生疲劳剥落或断裂, 综合分析认为, 轴承原材料质量和热处理质量 (淬回火组织) 不合格是造成该轴承早期疲劳剥落的内在因素。
3. 装配方面。
在对失效轴承进行外观检验时, 发现轴承滚道的磨损和疲劳剥落存在偏磨现象, 并且两轴的连接棒也有偏磨现象, 说明两轴的同轴度不佳, 且高速运转过程中, 由于链条的跳动, 轴承受到周期性或是不均匀性偏扭力, 轴承受到较大的载荷作用, 因此轴承安装使用不当是造成该轴承产生失效的外在因素。
二、优化改进
1. 传动路线。
优化传动路线 (见图2) , 将离合器 (图2中序2) 由下链条盒外侧移至分动箱之后转盘传动箱 (图2序3) 之前, 这样深沟球轴承 (图1中序5) 便不会受到因离合器自身重量产生的轴向力, 当链条跳动时两轴承承受相同的径向应力, 链条跳动只产生径向力, 不再产生轴向力, 从主观上消除了轴承失效的隐患。
2. 轴承选用。
由于影响轴承使用寿命的因素很多, 从轴承的选型、结构、制造工艺、材料、安装、润滑及使用条件等多方面考虑, 失效轴承选用的是GCr15轴承钢, 根据该产品结构分析, 该材料对其淬透性有一定的影响, 一是不易淬透, 二是易产生较大内应力和组织差异。综合分析深沟球轴承所工作的环境后, 轴承的材料选用GCr15Si Mn钢。
3. 装配工艺。
在装配过程中, 转盘传动装置是在工装的作用下安装定位的, 焊接固定前, 检查两轴的同轴度发现, 两轴的同轴度偏差在公差范围内, 但是焊接完成后再检查, 却发现两轴的同轴度出现了大的偏差, 可以判定是焊接时焊缝收缩引起的, 在更改了焊接工艺并加大了连接板的厚度后, 重新焊接后, 测量两轴的同轴度在公差范围内, 合格。
4. 密封材料的改进。
轴承油封处温度高是由两方面的原因, 一是油封处轴的粗糙度太大, 二是油封的质量和材料不达标;在提高了轴的加工等级后, 将选用的油封材料由合成橡胶改为聚四氟乙烯, 聚四氟乙烯常用于磨损严重的场合, 寿命约为合成橡胶的10倍。
三、结束语
实验表明, 改进后的转盘驱动装置以1000rpm的速度运行30min后, 运动部位温度为71℃<80℃, 油封处温度为78.3℃<80℃的要求, 该驱动装置运行过程中, 没有不均匀性和冲击性响声, 且噪声始终没有超过85db, 达到了设计要求。这种装置被应用在ZJ40CZ (B) 型车装钻机上, 现在山东、冀东等地区的油田作业, 没有发生不良事故, 用户反映良好。
转盘驱动装置 篇2
转盘驱动装置是钻机中实现动力传动及分配、改变动力传动方向的重要部件。转盘驱动装置安装在钻机的前台底座上, 用来驱动转盘, 使转盘获得一定范围内的转速和转矩输入, 完成旋转钻井、处理井下事故等作业。
在现代钻井工程中, 由于顶部驱动钻井装置的广泛使用, 转盘更多用来处理井下事故, 比如钻具在井内工作时, 常因井壁掉块, 坍塌或黏吸等原因使钻具活动不自由, 由此可能会造成钻具不能上提、下放或转动的现象, 而顶驱由于结构限制, 转矩较小, 无法处理此类事故, 此时就需要使用大转矩转盘来进行活动钻具、倒扣、进扣及反转矩释放等作业, 而常规4000 m钻机电驱动转盘驱动装置最大只能保证转盘输出27.5 k N·m的转矩, 并且现有电驱动转盘驱动装置的转盘倒转速度调节范围为4~8 r/min, 并不能满足卸钻头、卸扣及处理时倒扣、进扣等工作需要, 同时在转盘反转矩释放时, 转盘惯刹气胎离合器挂合过程中存在一个间隙闭合过程和一个打滑过程, 司钻难以掌握不同井深的挂合时机, 从而导致惯性刹车不及时酿成重大事故。为此有必要开发一种撬装大转矩倒扣转盘驱动装置来满足现场作业需要, 同时与油田现有钻机的转盘驱动装置保持通用性, 方便更换使用。
目前国内还没有关于撬装大转矩倒扣装盘驱动装置的研究, 同时国外也没有相关资料供查询, 在深入调研现场需要, 宝鸡石油机械有限责任公司成功研发了一种4000 m钻机撬装大转矩倒扣转盘驱动装置, 并通过了中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆钻井公司的油田工业性试验, 能够解决现有转盘驱动装置的存在的问题。
1 大转矩倒扣转盘驱动装置方案设计
1.1 主要技术参数
根据对油田现场作业需求的调研, 确定4000 m大转矩倒扣转盘驱动装置需满足转盘输出的主要技术参数如下:1) 转盘输出额定转矩T转r=42 000 N·m;2) 转盘输出最大转矩T转max=50 000 N·m (20s) ;3) 转盘输出转速n转1≥10r/min@50 000 N·m;4) 转盘最高转速n转max≥20 r/min@20 000N·m;5) 转盘减速比为3.67。
1.2 方案设计
根据对油田现场作业需求的调研, 现有转盘驱动装置存在的主要问题是最大转矩偏小, 倒转速度调节范围小, 一般为4~8 r/min, 作业效率低, 反转矩释放时司钻操作风险较大等。
转盘驱动装置常用的是电动机驱动模式, 要实现转盘输出转矩的增大 (相对于原输出转矩增大约1.5倍以上) , 势必要增大电动机驱动功率, 带来的直接效果为:电动机体积的增大导致转盘驱动装置无法安装在现有钻机上, 同时对应井电系统 (动力电功率、电缆) 均需发生较大变化;针对反转矩释放问题, 采用电动机驱动转盘驱动装置, 如果采用气胎式惯性刹车系统, 由于气胎离合器的挂合特性, 司钻难以掌握不同井深的挂合时间, 如果配备独立电驱动转盘手动反转矩释放系统, 则需要配备转盘变频器、能耗制动系统的四象限变频器和PLC控制模块, 改造成本巨大, 造成整个转盘驱动装置没有通用型, 无法实现与现有钻机的无缝替换, 改造成本高, 故直接考虑放弃电动机驱动模式的转盘驱动装置方案。
液压传动技术由于具有更高的功率重量比、无级调速、控制方便、传动平稳等特点, 采用液压马达驱动转盘驱动装置后, 转盘驱动装置体积更小, 安装上可以完全匹配现有钻机, 同时通过对液压马达控制可以轻松实现转盘的可靠驻刹、平稳制动及反转矩释放功能。
故大转矩倒扣转盘驱动装置采用液压驱动模式:液压马达直驱减速箱来驱动转盘的工作, 减速箱与马达及转盘的接口与油田现用的转盘驱动装置保持一致, 整个转盘驱动装置采用撬装结构, 可直接替换油田现有转盘驱动装置。其整体方案如图1。
2 大转矩倒扣转盘驱动装置技术设计
2.1 撬装大转矩倒扣转盘驱动装置的液压系统设计
考虑与现有钻机液压系统的通用性, 初步确定液压系统额定工作压力为16 MPa, 最大工作压力为19 MPa (可调) , 液压系统按开式回路设计;为最大限度减小液压设备的总功率配备, 考虑采用恒功率变量柱塞泵, 实现最大负载时大转矩低转速, (倒扣为瞬时工况, 一旦扣松动, 须迅速增加转速提高作业速度) , 正常工况低转矩高转速的工况;由于钻机可能连续长时间工作, 液压系统“罢工“可能导致正在进行的钻井作业出现重大事故———筒坍塌甚至报废, 故液压站电动机和泵设置为用一备一;同时为保证发生紧急情况时转盘可以实现可靠的驻刹和平稳制动, 对液压马达设置双向平衡阀, 为了防止出现转矩过大拧断钻杆, 设置压力限制阀对最大转矩进行限制, 压力限制阀布置于液压控制台, 方便操作;为适应短时间最大转矩, 采用短时高压过载, 在液压控制台上设置1个双压力控制阀组, 压力切换采用机械定位的手动换向阀控制。液压系统的控制方式采用手动控制减少了现有钻机控制的改造, 避免电液控制带来的电气防爆性和钻机电气改造的工序, 考虑反转矩释放时操作的方便性和安全性, 设置1个自复位的手动换向阀控制, 同时为了减少作为钻井工况使用时长时间操作的难题, 在液压系统中增加1个机械定位的手动换向阀并行控制。液压系统原理图如图2。
1.撬装底座2.液压马达3.联轴器4.减速箱总成5.万向轴6.转盘总成
1) 液压系统的技术参数如下:额定压力Pr=16 MPa;最大压力Pmax=19 MPa;额定流量Qr=330L/min@16MPa;流量Qmax=280L/min@19MPa;
2) 液压马达技术参数:型号为RM3150X;转矩T0=504N·m/MPa;排量q0=3167 m L/r;机械效率ηm=96%;容积效率ηv=95%;马达额定转速n马达r=Qr×ηv/q0=98 r/min;最大转矩时转速n马达max=Qmax×ηv/q0=84 r/min。
2.2 撬装大转矩倒扣转盘驱动装置的主要部件设计
2.2.1 联轴器
联轴器主要考虑满足负载和寿命要求, 采用鼓齿型联轴器, 型号为JGL056012, 其主要参数如下:1) 公称转矩T联=56000 N·m;2) 最大转矩为84 000 N·m (90s) ;3) 许用极限转速n联=2800 r/min。
所以联轴器满足要求。
2.2.2 减速箱总成
减速箱设计要满足大转矩倒扣的要求, 同时要满足正常钻井工况时较高速度要求, 故考虑采用一级两挡减速箱设计, 低速挡用于大转矩倒扣, 反转矩释放等工况, 高速挡用于钻井等工况, 由于倒扣工况只有初始转矩非常大, 一旦松动, 转矩将迅速下降, 故考虑对瞬时大转矩工况采用减速箱短时过载模式实现, 减速箱选择JX12/400-400-80/90Z型, 其主要技术参数如下:1) 最大输入转速为660 r/min;2) 额定输入转矩T减r=8000 N·m;3) 最大输入转矩T减max=9500 N·m (60s) ;3) 减速箱速比i1=1.0201, i2=1.8214;4) 减速箱传动效率≥0.95,
所以减速箱满足要求。
2.2.3 万向轴
万向轴主要考虑与油田现有设备接口保持一致, 选用十字轴式万向联轴器, 型号为JSL315-980, 其主要参数如下:1) 公称转矩为160 k N·m;2) 疲劳转矩为80 k N·m;3) 轴承寿命系数为7.44×102。万向轴的公称转矩远大于设计需求转矩, 故满足要求。
2.2.4 转盘输出计算
1) 高速挡。转盘额定输出转矩T高r=T1r×i1×η减×η万×i转×η转=7584.2×1.0201×0.95×0.97×3.67×0.94=24594.7 N·m。转盘额定输出转速n高r=n马达r (/i2×i转) =98 (/1.0201×3.67) =26.2 r/min。
2) 低速挡。转盘额定输出转矩T低r=T1r×i2×η减×η万×i转×η转=7584.2×1.8214×0.95×0.97×3.67×0.94=43914N·m。
转盘额定输出转速n低r=n马达r (/i2×i转) =98 (/1.8214×3.67) =14.6 r/min。
转盘最大输出转矩T低max=T1max×i2×η减×η万×i转×η转=9006.2×1.8214×0.95×0.97×3.67×0.94=52147.8 N·m。
转盘最大转矩时的输出转速n低max=n马达r (/i2×i转) =84/ (1.8214×3.67) =12.5 r/min。
综上可知, 转盘驱动装置设计满足参数要求。
3 大转矩倒扣转盘驱动装置试验过程
大转矩倒扣转盘驱动装置厂内试验采用了电磁涡流刹车模拟加载, 通过转矩转速传感器读取数据方式试验, 最高压力持续试验时间30s, 试验结果如下:高速挡转盘额定转速为25.4 r/min·16 MPa;高速挡转盘额定转矩为25109 N·m@16 MPa;低速挡转盘额定转速为15 r/min@16MPa;低速挡转盘额定转矩为440 00N·m@16 MPa;底速档转盘最大转矩为52525N·m@19.1 MPa (60 s) ;高速挡转盘最大扭矩为29973 N·m@19.1 MPa (60 s) 。
试验结束, 对减速箱、转盘的拆解检测显示, 各个零部件无任何细微裂纹及损坏现象, 试验结果基本符合设计要求。
油田工业性试验顺利通过川庆钻探工程有限公司科技处与长庆钻井总公司的验收, 满足4000 m钻机大转矩倒扣、进扣及反转矩释放等作业的要求, 给予了较好评价。
4 结语
4000 m钻机大转矩倒扣转盘驱动装置顺利通过厂内试验和油田的工业性试验, 实现了大转矩、较高速度的倒扣功能, 提高了反转矩释放时操作的安全性, 与油田现有转盘驱动装置具有互换性, 达到了预期设计目的, 取得了较好经济效益, 并填补了国内在液压驱动转盘驱动装置和大转矩倒扣转盘驱动装置研制方面的空白。
摘要：现有4000 m钻机的驱动转盘驱动装置转矩小, 转盘倒转速度调节范围小, 不能满足钻井现场倒扣、进扣等作业需求。结合国内油田的需要, 通过对相关技术的研究, 提出了新的液压驱动大扭转倒扣转盘驱动装置, 介绍了该装置的研制和试验情况。厂内试验和现场应用证明了该装置能够解决油田大转矩倒扣难题, 且与油田现有转盘驱动装置保持通用性。
关键词：大转矩,倒扣转盘,转盘驱动装置,液压马达驱动
参考文献
[1]王黎清, 王豫.转盘独立电驱动系统反转矩释放技术研究[J].电气传动自动化, 2009, 31 (4) :31-35.
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卷筒驱动型剪式升降转盘 篇3
升降转盘由转盘、剪式机构、滑轮组和电动葫芦四部分组成。电动葫芦采用了双卷筒的结构 (如图3) , 也就是钢丝绳的两端分别缠绕在两个同轴的卷筒上, 缠绕方向相同, 这样可以保证剪式升降机的两侧受力均匀, 采用这种结构, 需要有一个起均衡作用的定滑轮。图2为滑轮组的原理图, 卷筒 (电动葫芦) 和定滑轮固定在地面上, 动滑轮安装在剪式支架的滑动支脚上。
省力滑伦组的运动特点是:增大了输出力, 同时降低了升降的速度, 而这个特点正是我们所需要的。电动葫芦的拉动速度较快, 一般情况下, 它的低速档也要在8m/min左右, 而通过电气降速往往会造成能量损失。而且电气降速的结果只是单纯降速, 并不能增大输出力。按照图2所示的滑轮组工作形式, 动滑轮被固定在一个水平轨道上, 只能做左右方向的运动, 剪式机构给它了一个水平向左的力, 使钢丝绳始终保持张紧状态。在卷筒的作用下, 动滑轮可以左右移动, 动滑轮轴受力大小为电动卷筒输出力的3倍, 同时它的移动速度降为卷筒输出速度的三分之一。如果图3看上去有些陌生, 那么将它逆时针旋转90°, 就会发现原来它是我们用在起重行业的滑轮组。
转盘位于剪式支架的上端, 在它的中心处, 由调心轴承限制转盘的水平位置, 转盘的竖直方向是由刚性滚轮支撑的 (如图1) 。滚轮呈辐射状分布在转盘的同心圆的圆周上, 滚轮的轴线指向转盘中心。我们此前考虑到由于转盘在加工方面不易保证平面度, 为了使所有滚轮都能接触到转盘平面, 采用了橡胶材料的弹性轮。经过试验发现, 当载荷很小的时候, 滚轮转动灵活, 阻力很小。在施加1吨以上的压力时, 由于橡胶受压变形率很大, 转动阻力几乎接近于滑动摩擦。转盘的转动可以由减速电机来实现, 将轴装式减速电机与转盘轴相连, 电机装上制动器, 就可以方便地控制转盘了。但需要注意的是, 转盘上往往堆放着整垛的物品, 重量一般都在一吨以上, 具有很大的惯性。最好为电机配上变频
器, 设置上起动加速和停止减速。这样, 转动起来就万无一失了。当然, 在一些自动化程度要求不高的场合, 可以人工推动转盘, 但这时最好给它加上一个简易的制动装置, 使人站在转盘上不至于滑倒。在码垛的时候, 托盘放在转盘上, 转盘升至人不需要弯腰的舒适高度, 工人将箱子或袋子码在托盘上, 每码一定高度就使转盘降低一些, 使码垛的工作面高度保持基本恒定, 从而降低了工人的劳动强度, 提高了工作效率。拆垛的过程正好相反, 先将转盘降至低处, 每拆一层就升高一些, 直到将所有物品移走。然后撤掉托盘, 降低转盘, 由叉车将新的一垛物品放在转盘上。
剪式机构的力学分析很简单, 但是在计算电动葫芦功率的时候, 容易出现的错误就是在计算中忽略了剪叉的层数。在做受力分析的时
候, 我们计算的只是单层剪叉的受力状况, 每增加一层, 向上运动的速度都会增加一些, 而向上的推力也会等比例减少。实际上, 这一点乍一看上去好像不太容易理解, 而用能量守恒定律分析就非常简单。既然能量的总量不会改变, 也就是力和位移的乘积不变, 层数的增加代表着移动距离的增加, 势必导致输出力相应倍数的减少。
转盘驱动装置 篇4
1 主要故障、产生原因及解决方法[1,2]
1.1 运转中有刺耳的撕裂声或尖叫声
F320钻机是早期从罗马尼亚进口的6000 m钻机,已经超期服役。随着我国石油机械制造业的蓬勃兴起,F320钻机已经大部分被淘汰或改制,原机型在各油田服役的已经相当少了,并且已经过多次维修。
运转中有刺耳的撕裂声或尖叫声,此声音多数出现在猫头传动轴中,产生于轴承3526与轴承3003722之间的轴套。由于设备经过多次维修,轴与轴套的配合特性,轴、轴套、轴承之间的位置关系均因零件的修配质量及装配质量问题而难以达到理想的效果,从而提前导致故障的发生。运转一段时间后轴套松动,使轴套与轴以及轴承端面之间产生相对运动互相摩擦,以至发出异常声音。
解决方法一般是更换轴套。虽然此零件很简单,但更换相当困难。需将猫头传动轴部件整体拆下,将轴套一端的零件拆下后才能装上。
1.2 驱动链条断裂
由前述可知,此型钻机已经使用了相当长的时间,转盘传动箱在长期使用及多次修理过程中,箱体可能发生较明显的变形。箱体变形后两链轮轴会产生平行度误差,再有两链轮在重新装配时也会产生相对位置误差,使两链轮同位置的轮齿不在同一条直线上,从而更加剧了链轮付中两链轮端面的平面度误差,使得轮齿与链条侧板之间产生严重摩擦甚至铣削,由于两链轮的相对位置误差还会导致链条的侧向弯曲力,使链条的工作状况更加恶化。严重时,链条会在较短的时间内快速失效而断裂。
解决这个问题除最终更换链条外,还应从根本入手,校正箱体、调整两链轮轴的平行度、最终应使链轮付两链轮的对应轮齿端面在同一平面内,不得超出允许误差范围。
1.3 其他故障
还有一些是正常使用中阶段性所必然要发生的故障,如挂档困难:主要原因是1、2档链轮牙嵌与内齿套齿面或端面在长期挂合过程中碰毛或撞堆,导致外齿难以插入到内齿圈中;转盘、猫头带不上负荷:主要原因是气胎离合器摩擦片、摩擦鼓严重磨损,间隙过大,摩擦力不够产生打滑;当然也可能是气囊漏气或气压低所至。此类问题属于正常工作中的损耗问题,一般情况下进行更换或修复。
2 建议
1)本设备是转盘传动装置,钻井作业中由于地质情况千变万化,载荷极不均匀,这种力通过转盘直接作用在本设备上,使其经常承受很大的冲击载荷。轴上的零部件在冲击载荷的作用下很容易产生松动。建议本设备中轴系零部件的配合应偏重于较紧的公差组合。
2)设备维修时应特别注意,尽量不要使传动箱的箱体有过大的变形,因箱体的矫正是相当困难的。大修时轴系零部件的修复与装配应绝对保证质量,以延长设备的使用周期。
3) 设备的操作及搬运应严格按照操作规程进行。应避免由于操作不当而导致的机器损伤或变形,降低维修成本,减少维修时间,提高工作效率。
3 结语
本文根据塔里木钻修经验及设备出现的各种故障,将转盘传动装置常见故障归纳、分类,并进行诊断与分析,以助于在转盘传动装置大中修及井队现场维修过程中,正确判断和处理各种故障,提高设备修理质量,减少停钻时间和各种故障的发生。
参考文献
[1]张新华,刘永勤,谢天梅.钻机整体链条并车的设计[J].石油矿场机械,2006,35(5):78-79.