钻机结构（精选9篇）
钻机结构 篇1
旋挖钻机作为一种建筑基础工程中成孔作业的大型施工机械，广泛应用于高层建筑、城市交通建设、铁路公路桥梁等桩基础工程的施工[1]。桅杆是旋挖钻机的重要支撑和受力部件，它的强度和刚度直接影响钻机的稳定性和可靠性。文献[2,3,4]研究了旋挖钻机在各种工况下桅杆的强度和刚度，得出了桅杆的应力集中区和危险部位。本文以旋挖钻机桅杆为研究对象，分析在提钻工况下，背轮架结构尺寸和安装位置对桅杆强度和刚度的影响，确定背轮架水平和竖直偏移量的最优解，实现桅杆结构的优化设计。
1 旋挖钻机桅杆结构及工作原理
以山推机械全液压旋挖钻机桅杆为研究对象，其结构属于三段式折叠桅杆，采用大圆角箱形截面，内部设置加强筋，它主要由鹅头(又称吊锚)、桅杆、背轮组成，旋挖钻机结构如图1所示。旋挖钻机基本工作原理为：钻进时动力头和加压油缸分别提供扭矩和加压力实现钻斗的钻进，渣土进入钻斗内，主卷扬提供卷扬力提升钻杆，钻斗离开孔口，钻机回转一定的角度打开钻斗底门倒渣，然后闭合钻斗门回转对中孔位再次钻进，如此反复循环，实现成孔作业。
1-钻斗, 2-动力头;3-钻杆;4-鹅头;5-上桅杆;6-中桅杆;7-背轮;8-下桅杆;9-钢丝绳;10-变幅机构;11-主卷扬
2 提钻工况桅杆力学分析
钻机提钻工况下，动力头一般不回转，旋挖钻机使用钢丝绳一端缠绕在主卷扬卷筒上，通过桅杆背轮及鹅头滑轮作用在钻杆上，桅杆主要受钢丝绳作用在滑轮上的拉力，如图2所示。
为了分析背轮对桅杆变形量的影响，对极限提钻工况受力分析，卷扬力通过三个滑轮作用在桅杆上，桅杆滑轮受力分别为T1和T2、T3和T4、T5和T6，且T=T1=T2=T3=T4=T5=T6=300kN, 假设桅杆看做刚性整体，桅杆受力T2、T3、T4、T5为内力，所以桅杆所受外力为T1和T6。桅杆以点A为支点，外力T1和T6对支点A的弯矩分别为M1和M2，桅杆所受外力弯矩M为
设背轮水平偏移量EA=x，竖直偏移量HF=y，已知最大卷扬力T=300kN, HC=3 732mm, EA=7 255mm，由式(1)得
由MATLAB仿真分析可得背轮偏移量x、y与桅杆弯矩M的关系如图3所示。
由图3可知，随着背轮水平、竖直偏移量的增大，桅杆弯矩先减小，然后又逐渐增大，当桅杆弯矩值为0时，背轮水平偏移量范围为[680mm, 720mm]，竖直偏移量范围为[2 000mm, 8 000mm]，为了进一步优化桅杆结构，下面通过有限元分析确定背轮的位置。
3 钻机桅杆结构有限元优化分析
3.1 桅杆有限元模型及边界条件
为了便于钻机桅杆的分析计算，在保证力学效果同实际相符的情况下简化模型，桅杆形状与实际结构保持相似，对于研究的关键部分无较大影响部位简化;与桅杆相连的变幅机构、钻机底盘和回转平台视为刚性静止体;桅杆的载荷和支撑符合力学平衡条件;除重力外，其他载荷均转化为集中载荷。同时在建立桅杆有限元模型时进行了一些基本假设：桅杆结构材料为均质材料，各处焊合质量合格，对于三段桅杆的螺栓连接处，因其对桅杆整体受力影响不大，做一体化处理。计算中桅杆材料参数如下：材料密度=7 850kg/m3，弹性模量E=2.06GPa，泊松比=0.3。桅杆有限元模型为：桅杆各个部件之间建立合理的接触，分配桅杆各部件网格密度，关键部分采用正六面体网格且网格密度较密，对于形状突变实施网格控制尺寸控制。
根据桅杆形状尺寸及提钻受力情况，计算得出桅杆所受载荷值，钻机提钻工况桅杆的边界条件有： (1) 约束条件为桅杆大圆盘和桅杆油缸座施加圆柱约束，限制径向和轴向的自由度; (2) 载荷条件为桅杆重力及钢丝绳对鹅头滑轮及背轮的压力。
由于结构和受力的对称性，滑轮受力分析简化为平面问题处理，鹅头滑轮与背滑轮受力如图4所示。
滑轮受力采用力平行四边形法则，首先确定各个滑轮所受钢丝绳的拉力大小和方向，施加到滑轮上，然后通过作图法计算出各滑轮轴所受的合力，则得到鹅头前后换轮和背滑轮销轴压力分别为521 990N、302 820N和100 900N。
3.2 桅杆有限元分析结果
背轮的位置直接影响桅杆的强度和刚度，为了确定桅杆背轮的最优位置，通过调整背轮的水平、竖直偏移量来实现桅杆结构优化，根据以上桅杆力学分析得出背轮偏移量x和y的取值范围，x表示背轮水平偏移值，y表示背轮竖直偏移值。通过多次对x, y取值进行有限元计算，x和y取值对应桅杆变形及mise应力值如表1所示，桅杆背轮水平和竖直偏移量最优解为x=690mm, y=5 300mm。
通过以上对桅杆的有限元分析，背轮的位置分布对桅杆的强度和刚度影响很大，由表1可知，随着背轮水平和竖直偏移量的增加，桅杆强度和变形量都出现先减小再增大;当背轮偏移量x=690mm, y=5 300mm时，钻机桅杆变形量最小，最大变形量约为7.12mm，最大应力值为214.47MPa，桅杆最大应力值小于桅杆材料Q390C的许用应力值，满足强度要求，且桅杆变形量最小，不仅提高钻机成孔质量，而且避免了钻杆与动力头之间的卡钻现象，因此背轮偏移量x=690mm, y=5 300mm是最优解。
4 结论
根据钻机桅杆结构特点及提钻受力情况，理论计算了背轮位置对桅杆弯矩的关系，确定了背轮水平、竖直偏移量范围，通过对桅杆有限元分析，进一步确定了桅杆背轮的最佳位置，实现了桅杆的结构优化，即桅杆满足强度的条件下，变形量最小，从而对旋挖钻机桅杆的结构改进提供了理论依据。O
摘要：主要针对钻机在提钻工况下, 研究背滑轮结构尺寸及安装位置对桅杆强度、刚度的影响。首先建立了桅杆力学模型, 理论计算得出了背滑轮水平和竖直偏移量的范围, 然后有限元分析确定了背滑轮最优的位置, 即满足桅杆的强度和桅杆的变形量最小, 为桅杆的进一步优化设计提供了理论依据。
关键词：旋挖钻机,桅杆,有限元分析,优化设计
参考文献
[1]陈建忠.旋挖钻机结构分析及发展[J].交通科技与经济, 2008, (3) :77-78.
[2]秦四成, 姚宗敏.NR22型旋挖钻机桅杆的有限元分析[J].工程机械, 2007, 12 (38) :11-15.
[3]赵伟民, 严慎波, 胡长胜, 等.旋挖钻机钻桅有限元分析[J].建筑机械, 2002, (4) :51-55.
[4]龚进, 吴永红, 康辉梅, 等.基于SolidWork和ANSYS的旋挖钻机钻桅结构强度分析[J].现代制造工程, 2010, (8) :136-140.
[5]蔡旭晖, 刘卫国, 蔡立燕.MATLAB基础与应用教程[M].北京:人民教育出版社, 2009.
钻机结构 篇2
钻机租赁合同范文1
甲方：__________________公司
乙方：__________________
根据甲乙双方友好协商，签订本合同，共同遵守。
一、租机范围及内容
甲方租用乙方钻机两台，用于_________，乙方根据甲方要求及施工设计图纸进行施工，保证质量、包安全按期完成甲方分配的成孔任务。
二、甲方责任
1.乙方进场前，做好场地的三通一平;
2.派____为驻工地代表，负责现场签证，并协调解决施工中遇到的问题，协调与业主、总包、设计及监理的关系;
3.协助解决工人住宿。
三、乙方责任
1.根据施工要求，保证质量、包安全，按甲方要求的工期完成钻孔;
2.做好施工原始记录;
3.按照甲方的进度计划施工，服从甲方驻工地代表的管理;
4.严格把好质量关，如因乙方施工原因造成工程质量不合格，乙方必须返工，费用自理;
5.严格按照操作规程进行作业，确保施工安全，如发生安全事故，乙方负责解决，费用由乙方承担。
四、质量标准
按照现行有关规范要求及施工设计图施工。
五、付款及结算方式
1.成孔按元/米计价，按实际完成工作量结算。该单价不含税，乙方只向甲方开具收据。成孔用的泥粉及套管由乙方负责承担费用。钻孔穿导墙和旧桩基础时，给予补偿，补偿原则为：甲方与业主协商后，其补偿金额的全部支付给乙方。
2.乙方全部钻机进场开钻后，甲方按每台钻机________元支付预付款。
3.锚杆施工进度达到50%时，甲方再按乙方已经完成工作量的________% 支付进度款。
4.工程完工后，甲方支付乙方完成工作量的________%，但此时应扣除已经支付的款项。尾款在________个月内结清。
5.乙方不负责施工用的水、电费用，但水、电表由乙方提供并按甲方的要求安装。
本合同自签订之日起生效，至工程结清款项之日失效。
本合同一式四份，甲乙双方各执二份。
甲方：乙方：日期：
钻机租赁合同范文2
承 租 方：(以下简称甲方)出 租 方：________ ___(以下简称乙方)
第一条 依据《中华人民共和国合同法》和集团公司相关规定，遵循平等、自愿、互利的原则，合同双方就大扭矩履带式全液压钻机租赁事项协商一致，签订本合同，共同遵守。
第二条 租赁期限
1.大扭矩履带式全液压钻机租赁试用期为2个月。实际租赁期限为 个月，即自 年 月 日至 年 月 日。
乙方因需要延长租期，应在合同期满前 15 日内重新签订合同。
第三条 租金及支付 1.租金及计算
租金 =(年折旧额×使用系数+管理费)×(1+税率)=(8520_/10×1.3+8520_×2.5%)×(1+5.65%)=139521元/年设备价值：8520_元;使用年限：20_年;使用系数：1.3;税率：暂按5.65%
2.设备运输费：租赁和退租的运输费用全部由甲方承担(包括装卸车费用)。
3.租金支付：大扭矩履带式全液压钻机租赁费用按月计算。首次甲方支付12个月租赁费用，乙方向甲方开具结算单。
4.租赁计费起止时间
大扭矩履带式全液压钻机经甲乙双方验收后，装车起运为大扭矩履带式全液压钻机租赁开始时间，试用期2个月，计费时间为装车起运日期向后推延2个月开始。停用退租甲方将设备运返至乙方指定地点，完成交接验收，出具验收报告，停止收取租金。第四条 设备租赁实施细则
1.租赁设备验收
由甲乙双方有关技术人员共同对大扭矩履带式全液压钻机进行验收确认完好后，甲方负责装车运输，乙方给予协助配合。
2.使用规定
大扭矩履带式全液压钻机退租时，必须是能运转的完好设备，否则维修费用由甲方承担，如发现设备有缺件和损坏的一律按原值赔偿。
甲方应加强对租赁设备的管理与维护，保证设备完好运行，做好租赁设备在正常使用过程中的日常维护，发生的维修费用一律由甲方负责。
甲方不得随意改变租赁设备的结构，如需改变的，必须经乙方同意。甲方应妥善保存钻机，每次使用完毕及时维护保养，保证随时能够投入使用，并且不得将钻机外借。第五条 双方义务和责任
(一)甲方责任与义务
1.负责配备大扭矩履带式全液压钻机操作、维护人员，负责设备的操作，日常维护保养和故障的处理，确保设备技术状态完好。
2.与乙方共同输设备的租赁费签认工作。
3.负责租赁费的及时支付。
4.大扭矩履带式全液压钻机在运输、安装、保管、使用等过程中发生的一切费用、税款，均由甲方承担。
5.乙方按照上级要求和抢险救援的需要，要求甲方交还设备时，甲方必须及时交还乙方使用。
(二)乙方的责任与义务
1.提供完好的大扭矩履带式全液压钻机，根据甲方要求，提供钻机说明书，合格证书资料;
2.乙方应协助甲方完成运输装车等工作;
3.乙方应协助甲方联系生产厂家，进行技术服务;4.乙方每年应不低于两次实地查看钻机的使用和保存情况;5.根据上级要求和抢险救援的需要等情况，有权要求甲方将钻机交还乙方使用。
第六条 违约责任
甲乙双方应按相关约定履行义务，若出现违约事件，向对方支会违约金，每次额度 5000 元。
第七条 保证金
经甲、乙双方协商，乙方收取甲方保证金20_0元，作为履行本合同的保证。租赁期间不得以保证金抵作租金。租赁期满，扣除应会租赁大扭矩履带式全液压钻机的缺损赔偿金后，保证金余额退还给甲方。
第八条 其他
1.本合同一式肆份，双方各持贰份。经双方签字和盖章后发生法律效力。2.合同经双方签字生效，双方必须严格遵守。任何一方需要合同内容，应经协商一致后，重新签订补充协议。
甲方名称(签章)：_________ 乙方名称(签章)：__ ______
甲方代表(签字)： 乙方代表(签字)：
_______年____月____日
钻机租赁合同范文3
承租方：(以下简称乙方)____福建省九龙建设集团有限公司___
出租方：(以下简称甲方)朱宝____
根据《合同法》的有关规定，按照平等互利的原则, 为明确甲、乙双方的权利义务，经双方协商一致，特签订本合同。
第一条：租赁机械的名称： __农用车_ 型号：_ 1000型___ 数量：__按工程需要_ 使用地点：_蚌埠市淮上区淮上大道(蚌宿路-马园路)_
第二条：甲方为租赁机械配备操作手(确保项目部能随时使用农用运输车)，其人工工资由甲方(出租方)支付。
第三条：租赁期限及租金
1、自_20__年9月_3日至路面浇筑完毕，如需继续租用，应在本合同期满前五日内，重新签订合同，实际租期根据现场确定。
2、租金按照每车 14元支付(其中包括：操作人员工资、设备保养费等费用)。
3、付款方式：二灰、水稳在混凝土浇筑十天后付清(8月30日前的运输票)。混凝土运输费在混凝土浇筑完后20天付清。
第四条：租赁机械的所有权
1、在租赁期间，合同附件所列租赁机械的所有权属于甲方。乙方对租赁机械只有使用权，没有所有权。在没有得到乙方的允许下，不得私自将设备运离施工现场。
2、、在租赁期间，乙方如将租赁机械转租给第三人，必须征得甲方书面同意。
第五条：租赁设备的管理
1、租赁期间甲方操作人员必须根据乙方施工人员的上下班时间表执行，无条件服从乙方现场管理人员的指挥，完成指定的工作任务。不得以任何理由拖延。如甲方设备由于操作人员素质、设备问题无法完成乙方的施工任务，乙方有权随时增加施工机械并终止本合同。
第六条： 租赁机械的使用、维修、保养和费用
1、租赁机械在租赁期内由甲方安排司机操作使用并负责日常维修、保养，使设备保持良好状态，并承担由此产生的全部费用。
2、在工作过程中甲方若不能对设备故障进行排除，应及时通知乙方现场管理人员。并及时更换机械设备，确保乙方正常施工。造成的误工费用有甲方承担。
第七条：租赁机械运费的承担
租赁机械的进退场的费用、运费由甲方各承担。
第八条：租赁机械的毁损和灭失
1、在租赁期间，甲方负责租赁设备的维修、保养、保护工作，对于设备在工作中的损坏乙方不承担任何责任。
第九条：违约责任
1、乙方延迟支付租金时，甲方将在当日停机，如付款后继续租(使)用，造成的损失均由乙方负责。
2、甲方如因机械设备老化、操作人员素质等原因无法确保乙方正常施工，应及时更换机械，对乙方造成的损失按实际发生给予赔偿。
第十条：争议的解决
凡因履行本合同所发生的或与本合同有关的一切争议，甲、乙双方应通过友好协商解决;如果协商不能解决，应提交_蚌埠市_仲裁委员会，根据仲裁的有关程序进行仲裁裁决。仲裁费用和胜诉方的律师费用应由败诉方承担。
第十一条：未尽事宜，双方另行协商解决，本协议壹式贰份，甲乙双方各执壹份，双方签字盖章后生效。
承租方(乙方)： 出租方(甲方)：
委托代理人： 委托代理人：
地 址： 地 址：
电 话： 电 话：
长螺旋钻机螺旋钻具的结构改进 篇3
1.存在问题
为了保证长螺旋钻机在施工过程中的作业效率,通常要根据施工特点选择钻具:一是根据土质的硬度选择锥形螺旋钻头或齿形钻头;二是根据土质的输送性能选择长螺旋或短螺旋钻杆,三是根据钻孔深度选用相应长度的钻杆。
上述钻具的钻头形式、钻杆结构、钻杆长度一经制造后就无法变更。当地层结构和钻孔深度发生变化时,只有针对新的地质条件和钻孔深度,另行购买与之相匹配的螺旋钻头和钻杆。如此增大了钻具资金投入和库存量,影响使用单位经济效益。
2.改进方法
为解决螺旋钻具存在的上述问题,我们在长螺旋钻机钻杆开发过程中,设计出1种新型可调节钻具。该螺旋钻具主要由基础螺旋钻杆1、中间螺旋钻杆2、涨销3、螺栓4、防松垫圈5、引导钻头6、压板7等零部件组成,如图1a所示。
(1)组合钻杆
基础螺旋钻杆1、中间螺旋钻杆2构成组合钻杆。基础螺旋钻杆1和中间螺旋钻杆2的中心管均采用无缝钢管制成。基础螺旋钻杆1与钻机的动力头连接,由动力头输出动力驱动基础螺旋钻杆1旋转。
基础螺旋钻杆1下端为内六方孔,中间螺旋钻杆2上端为六棱柱,基础螺旋钻杆1内六方孔平面和中间螺旋钻杆六棱柱平面上各设有半圆形凹槽,将中间螺旋钻杆六棱柱插入基础螺旋钻杆1内六方孔中,两个凹槽相对后形成圆孔。将涨销3插入圆孔中,再将螺栓4垫上防松垫圈5,并将螺栓4拧入涨销3并拧紧,即可实现基础螺旋钻杆1与中间螺旋钻杆2的锁紧,如图1b所示。
钻孔作业时,不仅可根据土质的可输送性能选择长螺旋或短螺旋钻杆,还可根据实际钻孔深度,选用不同长度的中间螺旋钻杆。或增、减钻杆的根数,以适应钻孔深度的需求。
(2)引导钻头
引导钻头分为斗齿钻头和截齿(矿用硬质合金组合刀具)钻头2种,安装斗齿的钻头结构如图2所示。斗齿5对称焊接在支撑叶片4下端面上,导渣叶片2为1片,较支撑叶片薄。这种结构的优点有2点:一是便于与中间螺旋钻杆的螺旋叶片衔接;二是可将钻出的土壤疏导至中间螺旋钻杆的螺旋叶片上。为了确保在安装引导钻头时导渣叶片与中间螺旋钻杆叶片准确衔接,在引导钻头上端部设计有定位销。
引导钻头6和中间螺旋钻杆2的连接结构,与基础螺旋钻杆1和中间螺旋钻杆2的连接结构相同。
(3)钻孔直径调整装置
将螺旋钻具总成组装完成后安装到钻机上,即可进行钻孔作业。钻孔之前,可通过引导钻头上的截齿和钻杆外侧的2片压板来调整钻孔直径。
在引导钻头的支撑叶片侧面焊接相应长度的截齿,需要钻较大的直径孔时,焊接长的截齿;需要钻直径较小的孔时,焊接短的截齿。
在基础螺旋钻杆外侧设置2片压板,2个压板对称布置,在钻杆轴线上相差半个螺旋截距。压板一侧固定有转轴4,转轴4上、下端设有凸缘,凸缘分别穿入螺旋叶片外侧轴套3的圆孔中,压板可绕轴套3摆动,并通过螺栓2固定,如图3所示。
钻较大直径孔时,压板向外张开并用螺栓固定;钻较小直径孔时,压板向内收拢并用螺栓固定。此外,该压板还可起到清理钻孔上口侧壁作用,能使孔壁表面光滑。
3.改进效果
可调节组合钻具具有以下优点:一是结构简单、易于更换。二是通过增减中间螺旋钻杆的数量,可适应不同的钻孔深度。三是改变压板的摆动角度,更换引导钻头边部截齿长度,可适应不同钻孔直径的需要。四是能保证施工孔壁的圆滑整洁,避免塌孔。五是通过更换不同结构的引导钻头,能最大限度满足不同地质条件需求,可节省施工成本,提高施工效率。
水井钻机说明书 篇4
一、钻机的适用范围及特点
水井钻机是一种轻型、高效、多功能胶轮式全液压钻机，具有结构先进、使用方便、辅助时间短等特点，广泛适用于钻凿水井、监测井及其他探孔工程，尤其适用于城市建筑中地源热泵空调孔的钻凿。该钻机采用压缩空气潜孔钻进，在普氏硬度f=6-20范围的岩石中钻孔有很高的钻进速度。
二、主要技术规格及结构原理
2.1 主机技术规格主机规格
适应岩种 f=6-20
钻孔直径Φ127～Φ500mm 最大钻孔深度大于150m 工作气压 1.05～2.46MPa 耗气量 16～40m3/min 钻杆长度 1500mm
钻杆直径Φ108mm/Φ89mm 轴压力 4.t 提升力 10t
慢升速度 4.9m/min
慢进速度 0.5～7.9m/min 快升速度 26m/min 快进速度 45m/min
回转扭矩 5000～8000N.m
回转转速 0～70r/min 进尺效率 10～25m/h 行走速度 2.5Km/h 爬坡能力 21 钻机重量 3.5t
外形尺寸 4700*2200*2500mm
适应条件松散层及基岩钻进方式潜孔冲击器钻进配冲击器中、高风压系列DHD345，DHD355，DHD360，DHD380
2.2 主机结构及工作原理
1.底盘胶轮式底盘。拖动实现行走。
2.车架焊接结构的车架，焊接在底盘上，滑架竖起时可用螺栓与车架连接为一体，提高滑架刚性。
3.滑架焊接结构的滑架，采用热轧碳素槽钢和方钢管作为回转头的导轨，通过单向节流阀控制油缸平稳升降。操纵台上的水平仪及角度仪控制其垂直度。
4.回转机构由液压马达，回转减速箱组成。两个高性能低速大扭矩液压马达驱动回转减速箱，可获得不同的扭矩和转速。
5.推进部分推进部分由推进油缸、钢丝绳、滑板等组成。推进油缸活塞杆伸出及缩回时，带动滑轮组，通过钢丝绳使滑板在滑架上前后滑动，从而完成钻具的前进和后退。滑板上采用镶块结构，有效减少滑道的磨损。在深孔钻进中可调节轴压。
6.旋开式定心器旋开式定心器可分为两半，外侧的一半采用铰接，可用手旋开。可在孔口上方提供广阔的工作空间，防尘罩使工作环境干净、清洁。
7.调平用千斤顶有四个液压油缸组成，可快速调平钻机，液压锁可防止千斤顶蠕动。
8.副卷扬液压马达驱动的卷扬机，能灵活地吊起0.8吨以内的钻具或辅具。9.操纵台操纵台由操纵台架、手动换向阀、减压阀、调速阀、油压表、各种管路、发动机仪表、油门拉线、熄火拉线、风门控制等组成。所有控制功能均集中在操纵台上，便于操作，省时、省力。操作者可站在有足够面积的脚踏板上操作。
10.液压系统液压系统由液压油箱、液压油泵（双联泵）、液压马达、液压阀、硬管、胶管、滤油器及压力表等液压元件组成。此系统结构简单、功能可靠、使用方便。通过油泵将液压油压缩，用溢流阀调定系统压力，换向阀控制油缸的运行方向或液压马达的转向来完成钻机要求的各种动作，通过双泵合流完成钻具的快进、快退、回转。调节调速阀，确定回转速度，保证钻孔时的钻具回转速度；调节推进溢流阀，确定推进压力，调节反轴压溢流阀，确定推进时的反轴压力；推进压力和反轴压力配合使用，开始钻孔时，反轴压调到最小，推进轴压稍大；随着钻孔深度越深，钻杆数量的增加，推进力在逐渐加大，此时需调大反轴压力，同时减小推进压力，来保证钻孔时冲击器所受轴压为最佳值，以保证合理的钻孔效率。安全阀调定压力高于系统压力值。
11.动力系统由发动机、联轴器、油泵联接盘、空气滤清器组成。空气滤清器由空气预滤器、空气精滤器三级滤清器组成。可有效的保护发动机在恶劣工况下正常使用。
12.油雾器油雾器是为气动装置中的气动元件提供润滑之用，它是以气体为动力，将涔涔油喷成雾状后供给需要润滑的冲击器，冲击器所需的雾化油对其所需润滑的零件润滑。油雾器加油时必须先停气，所加油必须清洁，不准带有任何杂质。
13.液压扳手由液压油缸驱动的扳手，可快速拆卸各种接头。14.提引器可简单、快速的接卸钻杆。
三、使用说明
3.1 作业前一般检查
1.检查所有胶管（包括液压接头）的渗漏情况，如有必要，拧紧接头或更换。2.检查所有油杯是否加注钙基润滑脂。
3.柴油机检查。（参考柴油机使用维护手册）4.柴油机空气滤清器的检查。
5.液压油箱的油位、液压油滤清器的阻塞指示器。6.回转箱的油位。
7.检查油雾器内是否注满机油。
8.检查各部分的螺钉、螺帽、接头处是否已拧紧，定位是否牢固可靠。
3.2 调平钻机 1.将钻机放到合适位置。
2.操作三个千斤顶换向阀手柄，使千斤顶下降，直到其顶住地面。3.继续用千斤顶顶起钻机，同时通过水平仪调平钻机。
3.3 竖起钻架
1.用起落油缸慢慢竖起钻架，直到其顶住定位块。2.用螺钉将钻架固定。
3.4 接钻杆
1.当回转头下降到最低点时，提升回转头，使钻杆上的扳子口处在能插入叉形扳子的位置，停止回转和进给，关闭压气。
2.将叉形扳子插入钻杆的扳子口处，下降回转头，以便使叉形扳子的定位面置于定心器钻杆的衬套上。
3.用挡销挡住叉扳子，反向回转，松开接头。
4.让回转头边回转，边慢速提升，直到接杆与钻杆完全松开，这时钻杆由叉形扳子悬挂在定心器上。
5.给钻杆螺纹涂抹润滑脂后，用螺纹保护帽盖上。6.给下一根钻杆螺纹涂抹润滑脂。7.用提引器套住钻杆的公接头端。
8.将带钻杆的提引器，挂到接杆的耳轴上。9.提起回转头，直到钻杆悬挂起来。
10.断续打开压气开关，用风将钻杆内壁吹干净。
11.取下螺纹保护帽，缓慢下降回转头，同时慢速正转，并使母接头端对准上一根钻杆的公接头端，直到上下接头拧紧。12.轻轻提起回转头，将叉形扳子取下。13.至此，接杆完毕。
3.5 卸钻杆
1.提升回转头，直到第一根钻杆的扳子口在合适的位置，插入叉形扳子。2.下降回转头，以便使叉形扳子的定位面置于定心器钻杆的衬套上。3.反向回转，使挡销挡住叉形扳子，松开接头。4.提升回转头，取下叉形扳子。
5.继续提升回转头，直到第二根钻杆的扳子口在合适的位置，插入叉形扳子。6.下降回转头，以便使叉形扳子的定位面置于定心器钻杆的衬套上。7.将液压扳手插入第一根钻杆母接头的扳子口上。8.操纵液压扳手，直到松开底部接头。
9.液压扳手不动，使回转头反向回转并缓慢提升，使接杆与上一根钻杆松开。10.取下液压扳手，缓慢提升回转头，用手松开底部接头。11.此时钻杆悬挂在提引器上，下降回转头，向外拉出钻杆。12.将钻杆与提引器从接杆上取下。13.至此，卸杆完毕。
3.6 放平钻杆
1.钻孔完毕后，松开钻架固定螺钉。
2.将钻架慢慢放平，直到落到支撑架上。注意：确保钻杆或冲击器不在定心器中！3.7 潜孔锤钻进
1.保持钻杆螺纹干净，并用推荐的润滑脂润滑。2.润滑脂要干净，没有其他杂质。
3.连接冲击器之前，要清洁钻杆螺纹。4.注意：千万不要将杂质带入冲击器中。
5.更换钎头时，所换钎头直径不大于被换钎头直径以防卡钻。
6.钎头每次修磨时，要检查钎头柄部磨损及花键处的润滑情况，检查冲击器活塞冲击面的磨损情况。
7.扩孔时要注意，防止破坏合金柱。8.要防止破碎的螺纹落入冲击器中。
9.要保持孔内没有断裂的合金颗粒。（用磁铁检查）
10.要保持冲击器所需的工作压力，因为较低的风压使钻孔效率降低，从而降低钎头寿命。
11.对每一根钻杆要记录开始段、中间段、最后段的钻孔速度，如发现速度及岩屑有变化，提起冲击器，检查钎头的磨损情况。
12.必要的话，用冲击器的强吹特性，使孔内无岩屑。13.不要使用钝钎头，下列几种情况反映钎头已钝： a)钻孔速度下降 b)岩屑量减少 c)钻孔阻力增大 d)钻杆抖动
14.如孔内塌方，要特别小心，因为岩石可卡钻。当预感到孔内塌方时，保持回转并立即上下提拉回转头。必要时增加转速，直到冲击器活动自由，孔内没有岩屑。
15.决不能将冲击器静放在泥孔中。
16.每次提钻时，都要将钎头提离孔底，并将冲击器吹干净。17.冲击器不用时，拧上螺纹保护帽。18.搬运钎头要小心，防止合金柱的损坏。钎头损坏一般由下列原因引起： a)不合理的搬运方法。b)不合理的钻孔工艺。1）钎头太钝 2）钻速太快 3）不正当的修磨
19.当必须停钻接卸钻杆或完成其他工作时，关闭压气阀，以防止孔内液体进入冲击器。
3.8 清孔方法
1.关闭主风阀，并将冲击器提离孔底150mm，这时，钎头和活塞滑到最底面。2.打开主风阀，使压气直接吹入孔底。3.继续钻进时，将冲击器慢慢放入孔底。
3.9 注意事项
1.随时注意检查油路，气路各部分螺钉、螺帽、接头的连接牢固状况。2.钻孔时严禁反转，以免钻杆脱落。
3.机器在短时间内停止工作时，要给予少量压气，避免泥沙侵入冲击器内部，若在较长时间内停止工作时，需将冲击器提到距孔底1-2米处固定。4.工作中应注意充好机器的声音和机器运转情况是否正常，发现不正常情况立即停机检查。
5.接新钻杆时，注意杆内清洁，以免砂土进入冲击器损坏机件。6.在液压油加入油箱时，一定要保证油及油箱的清洁和干净。
四、维护和保养
4.1 润滑
1）4.2节列出个润滑点的润滑周期。2）4.3节列出个润滑点的所用的油品。3）冲击器的维护
a)冲击器的维护与检查后接头的连接螺纹在发货时用保护帽盖上，当冲击器不用时，同样用保护帽上后接头上的连接螺纹。这不仅可保护螺纹，同时也防止杂质落入冲击器。
b)冲击器检修冲击器检修周期取决于使用类型。在正常钻进条件下，每200小时检修一次。在有泥浆的湿孔中，每工作10小时清洗、检修一次。在非常硬的岩层中，每工作100小时检修一次。
c)耗油量冲击器用1立方米/分钟的压气，工作1小时耗油量0.125升。该值随环境温度的变化而增减，但它可作为油雾器加油时参考。
d)冲击器螺纹的润滑冲击器所有螺纹必须很好保护，正确的润滑和保护将延长零件寿命，并且也使安装、拆卸容易。对冲击器和钻杆螺纹的保护和润滑要符合规定。
4.2 润滑周期
润滑周期表
序号 项目内容 间隔时间 液压油渗漏●每天每周三个月一年环视检查机油油位●
各润滑注油点●滑道●主卷钢丝绳●副卷扬钢丝绳●
液压系统 液压油油位●更换回油滤芯
●
清洗空滤器
●更换液压油
● 钻杆 润滑其螺纹接卸每根时
4.3 推荐油品油品一览表
序号润滑点 油品 油品规格 名称 数量（升）1 液压油箱 液压油 46号 液压油 240 2 回转头齿轮箱 齿轮油 20号 齿轮油 5.5 3 油雾器 机械油 20号 机械油 10 4 胶轮轴承 润滑脂 钙基润滑脂若干 5 所有油杯 润滑脂 钙基润滑脂若干 6 滑道 润滑脂 钙基润滑脂若干
主卷钢丝绳 润滑脂 钙基润滑脂若干 8 副卷扬钢丝绳 润滑脂 钙基润滑脂若干 9发动机曲轴箱*** 柴机油 柴机油 5 10各API螺纹 润滑脂 丝扣润滑脂若干
***4.4 发动机空气滤清器维护
钻机工作环境比较恶劣，因此发动机的空气滤清器的维护很重要。1）每天检查一次空气预滤器排尘槽口，以防堵塞。2）每周保养空气精滤器主滤芯，以防堵塞。3）每月更换空气精滤器主滤芯。
4）每三个月更换空气精滤器安全滤芯。
五、常见故障处理
5.1 冲击器不响
常见的有四种原因：（1）阀片打碎；（2）钎头尾部打坏，碎碴进入缸体卡住锤体；（3）排气孔被岩粉堵住；（4）向下凿岩时孔内积水多，排气阻力大冲击器不易起动。
处理方法：发现冲击器不响时，先将冲击器提升一段减少排气阻力，将水吹出一部分，再慢慢推向孔底，若此法不灵时，则将冲击器提出孔外卸下清洗或更换零件。
5.2 卡钻
除遇有复杂地层能使机器在正常钻进中卡钻外，尚有如下原因：（1）钎头断翼；（2）新更换钎头较原来直径大；（3）凿岩时机器发生位移致使钻具在孔中偏斜；（4）凿岩时孔壁或孔口掉落石块或遇到大裂隙或溶洞；（5）遇有黄泥夹碎石的破碎带，岩粉排不出来；（6）操作上失误，长时间停钻时，没有吹净岩粉，也没有提起钻具使冲击器被岩粉埋没。
处理方法：就目前钎头的强度，断翼已基本杜绝，一旦遇有特殊情况，可用一段直径与孔径差不多的无缝钢管，里面装满黄油或沥青，与钻杆连接送入孔底，将孔底的断翼沾出来，打捞前先将孔底的岩粉吹净。遇到后五种卡钻情况时，比较严重的是钻具提升不起，放不下去，回转机不转，冲击器不响，此时只有借助外加扭矩或用辅助工具帮助提升，使钻杆回转，然后要边给气边提升钻具，直至故障解除为止，重新凿岩时，先稍给压力，再逐渐增加到正常的工作压力。
5.3 断钻杆
石油钻机井架结构可靠性分析 篇5
井架是石油钻机的重要组成部分,其结构杆件多、受力复杂,且使用工况恶劣。随着复杂地质条件油气田的进一步开发、以及钻井深度的不断增加,国内外石油工业界对石油钻机镜架结构的可靠性要求越来越高。可靠性是石油钻机井架的一个十分重要的设计指标。井架的安全性评定单纯用安全系数来作保证是不够的,还应从井架的可靠性方面对井架进行评估分析,才能保证井架安全可靠使用[1]。
井架结构可靠性分析,是以安全可靠性指标和失效概率为目标,评定所设计井架的安全性、可靠性。结构的设计原则是抗力R不小于荷载效应S。实际上由于抗力、荷载效应及计算模式总是存在着不定性,它们都是随机变量,因此要绝对保证R总是大于S是不可能的。在一般情况下,抗力R还是有可能小于荷载效应S,这种可能性的大小用概率来表示就是失效概率。
2 井架结构可靠性指标
根据结构可靠性的定义,设Xi(i=1,2,…,n)为n个相互独立的影响井架结构可靠度的随机变量,则井架结构的功能函数定义为:
当用结构抗力R和荷载效应S来表示其结构功能函数时,则式(1)可表示为:
其中,当Z>0时井架处于可靠状态;当Z<0时井架处于失效状态;当Z=0时井架处于极限状态。井架结处于失效状态的概率成为井架结构的失效概率,设R及S的概率分布密度函数分别为fR(R)及fS(s),而R和S的联合分布密度函数是f(R,S),由于R和S相对独立,则井架结构的失效概率为:
引入井架的可靠性指标β,设井架抗力R及荷载效应S为两个正态随机变量,则Z也服从正态分布,令
式中:mR、mS为抗力R的均值与标准差;σR、σS为荷载效应S的均值与标准差。
令t=(Z-mZ)/σZ,则t服从标准正态分布,可得井架的失效概率为:
β的物理意义为从mZ到原点(即失效状态mZ=0)的以标准差σZ为测量单位的距离(标准差的倍数,即βσZ)。显然,β与Pf具有数值上一一对应关系,β值越大,Pf就越小,结构越安全,因此β和Pf一样,可以作为度量结构可靠性的一个指标,称为结构的可靠指标。
依据《建筑结构设计统一标准》的规定,井架的目标可靠性指标取β≥3.7。
3 井架结构抗力分析
井架结构抗力的随机性是由材料机械性能、几何尺寸的变异及结构设计计算模式的不定性等引起的[2,3,4]。井架结构构件抗力R表达式为:
式中,RK为井架构件抗力的标准值;M为材料强度与刚度的变异;F为截面几何特性的变异;P为计算模式的不定性。
研究表明,RK、M、F、P为非相关的随机变量,则抗力均值mR和变异系数VR分别为
式中,KM、VM为材料强度的均值系数和变异系数;KF、VF为截面几何特性的均值系数和变异系数;KP、VP为计算模式的均值系数和变异系数。
3.1 材料性能的不定性
随机变量M可表示为:
式中,KO为规范规定的反映构件与试样材料性能差别系数;fj、fs为实际构件与试样材料性能值;fk为规范规定的试件材料性能标准值;KS为反映构件材料性能与试件材料性能差别的随机变量;Kf为反映试件材料性能不定性的随机变量。
则可得M的均值KM变异系数VM别为:
式中,mks、Vks为Ks的平均值和变异系数;mkf、Vkf为Kf的平均值和变异系数。
根据建筑结构统一标准编委会材料组提供的数据,16M n钢的KM、VM取值分别为1.08、0.084,A 3钢的KM、VM取值分别为1.09、0.068。16M n和A 3钢都是井架构件的常用材料。
3.2 构件几何参数的不定性
随机变量F可表示为:
式中A、Ak分别为构件几何参数实际值与标准值。
则可得F的平均值KF和变异系数VF为:
式中,mA、VA分别为构件几何参数实际值得平均值和变异系数。对于国产型钢构件KF=1.00、VF=0.05。
3.3 计算模式的不定性
随机变量P可表示为:
式中,R为构件的实际抗力值;Rj为按规范公式计算的构件抗力值。
大量实验及统计分析表明,16M n和A 3钢的抗力系数KR、VR分别为:
3.4 构件抗力的概率分布
大量的统计实验结过表明,钢材屈服强度、弹性模量、截面尺寸、杆件初曲失度及残余应力等与抗力有关因素的不定性均服从正态分布。因此,构成抗力的各随机变量均服从正态分布,由概率论的中心极限定理可以推出抗力近似服从对数正态分布[5]。
4 井架荷载效应分析
井架静力荷载主要包括三种:恒定荷载、工作荷载、自然荷载[6]。井架承受的恒载,包括井架构件本身的重量以及安放在井架上面的各种设备和工具的重量。井架的工作荷载是指井架在工作过程中产生的荷载,包括大钩静荷载、附加作业及处理事故钩载、工作绳作用力、立根荷载等。不考虑地震和温度的影响,井架所受的自然荷载主要有风载。
风载是一种随机荷载,不但随时间变化、而且随空间位置变化。其计算公式如下:
式中,Kz为高度变化系数;k为结构体型系数;F为结构垂直风向的投影面积;W为计算风压。
5 井架结构可靠性计算
井架结构可靠性问题都可以归结为式(3)的积分求解。在一阶二次矩法中,概率密度本身被简化,每个随机变量都只用它的最初的二次矩(均值和方差来表示)。
由式(2)可得,井架的极限状态方程为:
式中,抗力R服从对数正态分布;工作荷载效应S1服从正态分布;风荷载效应S2服从极值I型分布[7]。
由研究知,R服从对数正态分布,其分布密度函数和分布函数分别为:
S1服从正态分布,其分布密度函数和分布函数分别为:
S2服从对数极值I型分布,其分布密度函数和分布函数分别为:
由于各参数服从于不同的概率分布,不能得到可靠性指标的的显示表达式,采用一次二阶矩理论中的验算点法迭代求解。其算法为图1所示。
6 钻机可靠性案例分析
选择胜利油田某钻机厂7000m钻井进行可靠性计算。井架弦杆、腹杆的材料为16M n,其抗力均值mR=345M pa,变异系数VR=0.123(VR=σR/MR)。井架的工作载荷效应均值ms和风载荷效应均值mL由有限元程序计算得到。变异系数应由当地实际统计得到,在无有当地统计数据的情况下,取已有的资料。本文取VS=0.059,VL=0.173。
将有关数据代入可靠性计算程序,可分别得井架在不同的工况下各构件的可靠指标和失效概率。由于钻机工作工况较多,表1为该钻井额定工况下可靠性指标值最低的10个杆件。
根据钻机井架额定荷载工况的工作构件可靠性结果可知,在该工况下,井架构件可靠性指标符合要求,最低值为β=6.68219,其可靠性指标都符合相关规范要求的β≥3.7。
7 结论
(1)建立钻机井架可靠性分析的极限状态方程,分析了井架结构抗力及荷载效应随机变量的分布类型及统计参数,提出了井架可靠性指标的计算方程,为石油钻机井架可靠性分析提供里理论模型。
(2)基于抗力R、工作荷载S1、风荷载S2的各自分布类型,采用一次二阶矩的验算点法迭代求解,得到了石油钻机井架可靠性算法的计算流程。该流程易于编程实现,解决了含有多个非正态分布的随机变量的结构状态方程求解可靠性指标问题。
(3)对算例的70井架结构进行了额定荷载作用下的结构可靠性分析,由于井架分析工况较多,其他工况亦可采用同样的方法求解。根据该种工况的分析结果表明,该井架结构在额定荷载工况可靠性指标值β≥6.68219,符合相关规范的要求。
参考文献
[1]赖永星,王义翠,张艳艳,苗同臣.石油井架结构可靠性分析与蒙特卡罗实现[J].新疆石油天然气,2008,4(3):98～101
[2]赵国藩,曹居易,张宽权.工程结构可靠度[M].北京:水利电力出版社,1984
[3]张爱林,王玲.修井机井架结构可靠性研究[M].北京:人民交通出版社,1989
[4]裴峻峰,陈荣振,张博文等.井架可靠性设计中抗力的确定[J].石油机械,1995,23(12):4～7
[5]李继华.可靠性数学[M].北京:中国建筑工业出版社,1988:45～57
[6]裴峻峰,陈荣振,齐明侠等.石油井架可靠性设计中的荷载与荷载效应[J].石油大学学报(自然科学版),1997,21(4):37～39
旋挖钻机动力头密封结构改进 篇6
关键词：动力头,渗漏油,旋转密封,静密封,模态仿真
目前旋挖钻机动力头普遍有渗漏油现象发生。动力头作为旋挖钻机的动力驱动装置,其密封漏油问题严重影响了施工环境及施工成本,严重时还导致停工更换密封,给用户造成很大的经济损失。针对旋挖钻机动力头渗油现象也采取过一些措施,例如提高装配件的加工精度,严格控制装配质量等,但是这些措施并未从根本上解决渗漏油的问题,而且还增加了加工成本和装配成本。本文针对动力箱渗漏油问题提出一种新的密封方式,能够彻底解决目前旋挖钻机动力头普遍存在的渗漏油问题。
1 动力头原有结构及密封方式
1.1 动力头主要结构
目前旋挖钻机动力头普遍采用的结构如图1所示。旋挖钻机动力头作为旋挖钻机关键部件,主要由动力驱动机构、动力传动机构及钻具驱动装置等组成,并安装有具备减震和承撞功能的部件。动力驱动机构由液压马达和减速机组成;动力传动机构能实现钻机增扭和减速作用,同时传动箱体具备润滑、密封功能;钻具驱动装置通过驱动套及加压油缸的配合可实现钻具的扭转和加压,带动钻杆、钻头实现在各种地质条件下的旋挖成孔作业。
1.2 旋转密封及其原理
旋挖钻机动力头动力箱内齿轮传动、轴承等关键件通过箱体内齿轮油进行润滑,而齿轮油的密封是依靠旋转密封与旋转轴之间箱体内油膜实现的。由密封唇口控制的液体动压膜,在液体表面张力的作用下,油膜的刚度恰好使油膜与空气接触端形成弯月面,从而产生流向介质侧的液体传送效应,防止工作介质的泄露,实现旋转密封的动态密封效果。
1.3 存在的问题
在实际的施工过程中,动力头传动箱经常处于恶劣的工况下,对旋转密封唇口及传动齿轮影响较大;随着该部件作业时间的累加,旋转轴与旋转密封唇口配合处往往会被磨出一道沟槽,旋转轴表面镀层出现磨损的同时增大了旋转轴与旋转密封之间的间隙,从而彻底破坏了密封的必要条件。
由于零件制造、加工、装配和环境等多种因素的影响,动力箱内一定会残存着一些小铁屑等杂物,随着机器工作时间的延长,这些杂物势必会越来越多,它们会随着箱体内的油液沉积到动力箱下端的旋转密封处划伤密封圈,从而影响旋转密封的密封效果。
影响动力头渗漏油的原因很多,由于多方面的因素,目前大部分厂家采取的措施是严格控制每一个质量控制点,减少此问题的发生,但并没有得到彻底地解决。本文提出了一种动力箱新的密封方式,彻底解决动力头渗漏油问题,并能降低制造成本。
2 动力箱密封结构改进
鉴于旋挖钻机恶劣的工况条件以及旋转密封的使用条件,把原来动力箱下端的旋转密封换成静密封。动力箱下端的密封圈处在附属结构的保护之下,密封效果显著提高,有效解决了原来动力箱下端旋转密封被铁屑损伤而影响密封效果的问题。
2.1 动力头模型建立
改进后的旋挖钻机动力头结构传动方式并没有改变。利用Pro/E软件建立旋挖钻机动力头新结构的模型并进行了初步的参数选择和调整。在建模的过程中,还充分考虑了改进零件加工的难易程度和装配过程中可能遇到的一系列问题。例如回转支承的装配选择下座式安装,原来比较容易出现问题的动力箱下端旋转密封变成了现在的对动力箱上封板的静密封问题。采用回转支承下座式安装的同时,在动力箱上端增装一个大轴承来保证动力箱传动的有效性、可靠性。改进以后的旋挖钻机动力头结构剖面如图2所示。
2.2 动力头结构优化
图2中所示的动力头改进结构会受到钻杆振动引起的动态载荷,从而影响到整个动力箱的密封质量。由于篇幅所限,本文暂不介绍动力箱其它改进结构的分析设计。本文借助ANSYS软件对图2中的新增结构件进行设计计算从而确定出能够保证动力箱密封质量的结构。新增结构件为一圆环,总体高度为415mm,内径为510mm,壁厚为20mm,下端用32颗M16的螺栓固定于动力箱下封板,新增结构件下端和下封板之间利用静密封圈密封,上端和过渡接盘之间利用旋转密封圈密封。如果工作过程中,载荷的变化频率在共振频率附近,必然会引起动力头改进结构的共振,这很显然对动力箱的密封质量是不利的,并且有可能导致结构件产生过早的疲劳损坏,从而造成更加恶劣的影响。应该尽可能使谐振频率与工作频率之间的间距拉大,防止共振的发生。
在解决更为复杂的动态问题之前,通常首先做的是模态分析。本文对此新增结构件做模态分析,以此来设计合理的结构,能够有效避开共振点,从而保证动力箱的密封质量。旋挖钻机处于非工作状态时,此新增结构件受到一定静态载荷的作用,使得新增结构件的应力状态有所改变,可能影响到它的固有频率。这一点是非常重要的,尤其是对于那些在某一个或两个尺度上很薄的结构,当轴向载荷增加的时候,横向频率也随之相应的增加,会造成应力硬化。本文通过施加载荷的方式,来更加接近的模拟动力头新增结构件在实际工况中所受到的载荷,对旋挖钻机动力头新增结构件作预应力模态分析。在ANSYS软件中,将新增结构件的下端固定,在上端垂直施加等效载荷400N,然后对其做一阶、二阶、三阶、四阶预应力模态分析。
通过Pro/E的建模和ANSYS的仿真设计最终确定出了满足设计要求的结构,并提取前四阶模态分析结果如表1所示。
3 结论
本文利用Pro/E软件建立旋挖钻机动力头模型,并通过ANSYS软件根据实际工况对动力头新增结构件进行预应力模态分析,在此基础上得到动力头新增结构件的最优设计参数,缩短了产品研发周期,保证动力头密封结构改进设计的整体可靠性,有效解决旋挖钻机动力头普遍存在的渗漏油问题。
参考文献
[1]黎中银,焦生杰,吴方晓.旋挖钻机与施工技术[M].北京:人民交通出版社,2010.
[2]陈塑寰,聂毓琴,孟广伟.材料力学[M].北京:吉林科学技术出版社,2000.
[3]闻邦椿.机械设计手册(第5版)[M].北京:机械工业出版社,2010.
钻机钢结构焊接变形的控制及矫正 篇7
关键词：钻机,焊接型钢,焊接工艺,火焰矫正
目前, 钢结构已在钻机制造中得到了广泛的应用, 而钻机井架、底座的主要构件是焊接型钢, 包括柱、梁、撑, 焊接是一种不均匀的加热和冷却的工艺过程, 此过程造成金属内部不均匀的膨胀和收缩, 结果在焊件中产生了焊接应力和变形, 这些构件在制作过程中都存在焊接变形问题, 变形主要有: (1) 由于角焊缝纵向收缩引起的挠曲变形; (2) 由于不适当的焊接顺序和方向引起的扭曲变形; (3) 由于角焊缝横向收缩引起的翼板角变形。如果焊接变形不予以控制, 不仅会影响部件制造精度, 还会降低钻机部件的安全可靠性, 因此, 采取合理焊接工艺和焊后变形矫正成为焊接型钢制造中的关键问题。
1 焊接工艺及工装制定
焊接过程中如果焊接顺序不当, 焊条焊丝的选用不当, 操作方法不当, 焊接电流的选用不合理, 都会使工件产生较大的内应力, 焊缝及焊缝热影响区存在裂纹、夹渣、气孔, 从而产生构件变形, 焊接质量难以保证。同时, 钢结构组对工装的水平度、平面度、关键尺寸的精度、定位块的位置选择等都是影响工件质量的重要因素。如果工装水平度、平面度误差较大, 工装的精度不够, 必然会造成工件的各个关键尺寸不准确;如果定位块的位置选择不合理, 就会使工件不能正确定位, 造成焊接过程中受热不均, 在冷却过程中产生较大的内应力, 工装不能起到应有的固定校正作用, 就会导致焊接的严重变形。针对以上问题, 我们在焊接时采取了以下一系列工艺措施:
1.1 焊接设备及方法
选用线能量较低的CO2半自动焊, 可以有效地防止焊接变形[1]。焊机型号为ZP7-500, 焊丝型号为YJ501-1, 其是药芯焊丝, 在焊接时对焊缝起到药剂和CO2气体双重保护的效果。
1.2 采用刚性固定和好的制造工装
利用刚性固定法防止钢结构的角变形, 还是比较好的。针对焊接变形, 对其产生的主要原因进行分析。
钢结构主要构成如图1所示, 在角焊缝的完成过程中, 由于焊接产生的内应力导致钢结构的变形。在加热的过程中, 焊缝和焊缝附近的金属的温度很高, 其余的大部分的金属不受热, 受热金属膨胀, 周围的金属由于不能受热而形成一种刚性固定, 于是, 受热金属的膨胀受到抑制, 产生压缩塑性变形, 而焊缝完全冷却后, 焊缝和附近的金属因收缩而变短, 却受到周围未受热金属的限制, 使得焊件产生内应力, 导致变形, 主要是产生一些角变形, 如图2所示。
由于焊接产生变形, 将降低装配质量, 使结构件内部产生附加应力, 影响了结构件的强度, 上下翼板的变形也影响到产品的外观质量。为防止翼板角变形, 焊接前在型钢两翼板之间点固上与腹板等高的工艺衬棒。衬棒截面积为30 mm×50 mm, 棒距600～650 mm。焊后将工艺衬棒打掉, 采用工艺衬棒不但可以减小翼板角变形, 而且由于其增加了H型钢的刚性, 同时减小了焊接H型钢的扭曲变形。
1.3 选择合理的焊接次序和方法
焊接H型钢的四条角焊缝, 分别采用两层两道焊。第一层焊缝是装配时的预焊, 为了保证焊缝成型美观, 第二层焊缝在船形位置进行焊接。焊接时, 由2名焊工从焊件的中间位置起焊并对称地向外进行分段跳焊, 分段焊缝长度为500～600 mm, 采用分段跳焊法有利于减少焊接变形。为防止由于焊接腹板两侧角焊缝时产生的不均匀的角变形所引起的腹板侧斜, 要对称施焊, 使后焊的焊缝引起的角变形抵消先焊的焊缝所引起的角变形。
1.4 严格控制焊接参数
焊接第一层焊缝时结构未成整体, 刚性小, 焊接变形量大。在保证焊缝不产生裂纹及未焊透的前提下, 尽量选用小线能量进行焊接。焊丝直径1.2 mm, 焊接电流150～225 A, 电弧电压22～27 V。焊接第二层焊缝时, 考虑到焊缝成型美观, 提高生产效率等因素, 采用了较大线能量, 焊接电流280～320 A, 电弧电压27～31 V。
2 焊后变形矫正
焊接钢结构产生的变形如果超过设计允许的变形范围, 必须进行矫正才能使用。火焰矫正是利用火焰局部加热时产生压缩塑性变形, 使较长的金属在冷却后收缩, 以达到矫正变形的目的。决定火焰矫正的效果主要有3个因素:加热位置、加热温度和加热区的形状, 如果方法选择不当会造成构件新的更大变形。因此, 不同的变形应采用不同的加热方法。
2.1 翼板的角变形
矫正型钢柱、梁、撑角变形。在翼缘板上面 (对准焊缝外) 纵向线状加热 (加热温度控制在650℃以下) , 注意加热范围不超过两焊脚所控制的范围, 不用水冷却。线状加热时要注意: (1) 不应在同一位置反复加热; (2) 加热过程中不要进行浇水。
2.2 柱、梁、撑的上拱与下挠及弯曲
(1) 在翼板上, 对着纵长焊缝, 由中间向两端作线状加热, 即可矫正弯曲变形, 为避免产生弯曲和扭曲变形, 两条加热带要同步进行。
(2) 翼板上作线状加热, 在腹板上作三角形加热。如图3、图4所示。
加热区呈三角形, 可以获得三角形底边横向收缩大于顶端横向收缩的效果, 用这种方法矫正柱、梁、撑的弯曲变形, 效果比较好, 横向矩形加热宽度一般取20～80 mm, 板厚小时, 加热宽度要窄一些, 加热过程应由宽度中间向两边扩展, 矩形加热最好由2人同时操作进行, 再分别加热三角形, 三角形的宽度不应过宽, 三角形的底与对应的翼板上矩形状加热宽度相等。加热三角形从顶部开始, 然后从中心向两侧扩展, 一层层加热直到三角形的底为止。加热腹板时温度不能太高, 否则引起钢材组织变化, 影响钢梁的机械性能。
2.3 柱、梁、撑的腹板的波浪变形
矫正波浪变形首先要找出凸起的波峰, 用圆点加热法配合手锤矫正。加热圆点的直径一般不小于15 mm, 当钢板厚度或波浪形面积较大时直径也应放大, 点间距一般在50～100 mm之间[2]。将手锤放在加热区边缘处, 再用大锤击手锤, 使加热区金属受挤压, 冷却收缩后被拉平, 矫正时应避免产生过大的收缩应力, 矫完一个圆点后再加热第二个波峰点, 方法同上。为加快冷却速度, 可对低碳钢进行加水冷却, 这种矫正方法属于点状加热法, 加热点的分布可呈梅花形或链式密点形, 注意温度不要超过650℃。
3 结语
在焊接型钢制造生产中, 通过采用以上的焊接工艺和焊后变形矫正方法, 焊接型钢焊后的挠曲变形、扭曲变形、翼板角变形均达到了设计所要求的标准, 在钻机井架、底座制造中, 全部技术指标均达到了制造钻机的技术要求。
参考文献
[1]田锡堂.焊接结构.北京:机械工业出版社, 1992.40～44
钻机结构 篇8
1 模块钻机结构建造项目工况条件的概况
东海模块钻机结构项目的主体结构以D36、E36等低合金高强度钢为主,COSL东海模块钻机项目施工场地位于江苏省如皋市如皋港,且结构施工是在冬季进行,气温较低(最低温度-8℃),雨量充沛,空气湿度大(长期处于67%左右),有风天气多,加之D36钢焊接时对环境的要求较高,给焊接作业带来了极大的困难。
2 焊接质量控制
2.1 焊接方法的优化
埋弧焊(SAW)、焊条电弧焊(SMAW)、CO2气体保护焊是工程中常用的焊接方法,各有不同的特点[1,2,3],各种方法的比较见表1。
COSL东海模块钻机项目结构陆地建造工期紧、任务重、工作复杂。面对压力,该项目组仔细研究以往项目建造工艺、多方咨询业内专家,在进行了深入分析、反复论证的基础上,确定项目主体结构中的典型焊接形式、重要焊接形式,如:主体结构板拼组合梁、钻井设备模块吊点、滑道梁、箱型梁及吊机将军柱等焊接。各结构关键部位焊接方法如表2所示。在综合考虑工期、焊缝设计要求和焊缝质量前提下,放弃了以往模块钻机项目结构建造以二氧化碳气体保护焊和手工电弧焊为主的焊接作业方式,优选板拼梁预制以埋弧自动焊为主、现场制作以药芯二氧化碳气体保护焊为主,以手工电弧焊为辅的焊接作业方式。采用埋弧自动焊可焊接中厚板结构的长焊缝,与传统的手工电弧焊比较可以大大提高生产效率。但是在整个项目中埋弧自动焊不能满足所有的焊接要求,如在仰焊和全焊位置及薄板焊接就不能采用埋弧自动焊,而CO2气体保护焊适合这样的焊接条件,因此本项目就采用埋弧自动焊和CO2气体保护焊两者结合的焊接方法来完成该项目,这样不仅提高了工作效率,还能保证工程质量。
2.2 焊接材料的选择
焊接材料是保证焊接接头质量与性能的关键[4,5]。通过对模块钻机工作环境和工作状态的综合分析,COSL东海模块钻机项目主体结构选择以D36、E36等低合金高强钢为主。在C、Mn强化的基础上进行微合金化,降低对韧性和焊接性能影响最大的碳含量,且在较低的碳含量情况下仍具有较高的强度,以及优良的综合性能。
通过对母材性能、使用条件、焊接形式以及工作环境的综合分析,优选了焊接材料。采用LB-52U封底焊条进行手工电弧焊打底,能够完全满足焊缝的性能要求,且具有单面焊背面成型好、操作灵活等优点。因此,建造采用其进行封底焊接。TWE-711Ni为490MPa级高强度钢用气体保护药芯焊丝,除力学性能等满足要求外,在焊接时采用直流反接,还具有穿透深、全位置焊接作业性佳、烟尘量少、弧光柔和稳定、焊渣薄而易除、X光检测性能优良、可用于要求冲击性较好结构全位置焊接及立角焊的焊接等优点,因此采用TWE-711Ni作为吊点焊道盖面填充材料完全能够满足吊点所需拉伸应力和剪切应力等使用要求。JW-1焊丝配合烧结铝钛型焊剂F4A2(SJ101)进行埋弧焊接作业和使用CHE58-1进行手工焊接作业的方式已经在很多工程中进行了成功应用,二者的匹配关系可以满足本项目的要求。
2.3 工艺措施
为了保证焊缝质量,尽可能减少焊接缺陷,本项目在焊接施工过程中主要采取了如下的措施:
(1)焊前预热、焊后缓冷。D36、E36钢均属于低合金高强度钢,低温焊接脆裂倾向大。在项目建造的低温环境下,按照焊接工艺规程要求焊前对焊接区域缓慢、均匀预热,并采用测温枪、测温笔等工具控制预热温度,大大降低焊后冷却速度,减少淬硬组织,减小焊接应力,有效地降低了焊接裂纹产生概率。焊后采用保温、缓冷措施,有效减少了扩散氢的产生,降低了冷裂倾向。
(2)连续焊接作业。对于滑道梁、吊点等重要结构的长焊道,尽量保证焊接作业连续性,这样既降低了因焊接作业间歇造成的不均匀加热和冷却而产生的内应力,又减少了因断续焊接焊后骤冷而产生的焊接缺陷,还减少了反复预热造成的工时浪费。
(3)熔池的保护。现场焊接作业中尽量采用平焊、立焊位置,避免横焊和仰脸位置焊接,为焊缝的成型提供了有力的保障。采用药芯CO2焊接,在施焊过程中,除药芯焊丝燃烧时产生的大量气体和熔渣进行自保护外,同时还采用了CO2作为保护气体进行保护,有效降低了焊缝的氧化程度,大大提高了焊缝机械性能和成型质量,并降低了氢致裂纹出现的概率。
(4)焊接作业区域防护。焊接作业时,采取挡风板、遮雨蓬等防风、防雨措施,对焊接区域进行重点保护。
焊后无损检测结果证明吊点焊接接头没有产生诸如层状撕裂、冷裂纹、密集气孔等焊接缺陷,以上工艺措施可以满足工程需要。
3 生产过程管理
面对严峻的施工条件和工期要求,COSL东海模块钻机项目组在生产组织管理方面进行了一些调整,采用了一些新的管理措施,包括合理整合资源、人员优化集成、优选施工工艺、采取反造正和、厂房内施工等,做到中间产品成品化,人员两班倒施工,充分利用了船厂吊车的吊装翻身能力,另外对设备、材料采办和建造计划的实施都设专人跟踪。
通过以上管理措施实现了43天完成首个模块—RLQ模块封顶;71天完成全部模块封顶,102天完成各模块结构整体交验,历时111天完成了陆地施工的奇迹。
4 结论
COSL东海模块钻机项目采用以埋弧自动焊、药芯二氧化碳气体保护焊为主,以手工电弧焊为辅的焊接作业方式,取得了良好的收效,焊接接头均完好无缺陷,生产过程的调整和管理措施保证了工程的顺利进行和按期完成。
摘要：COSL东海模块钻机结构建造项目工期只有正常周期的40%,在严峻的时间条件、自然条件中保证工程质量是一个不容忽视的问题。通过对主要现场焊接施工工艺的研究,确定了优化的焊接工艺,为按期完成任务提供了技术保证。
关键词：钻机结构建造,焊接工艺,项目管理
参考文献
[1]钱在中.焊接技术手册[M].太原:山西科学技术出版社,1999.
[2]周玉生.电弧焊[M].北京:机械工业出版社,1994.
[3]雷世明.焊接方法与设备[M].北京:机械工业出版社,1999.
[4]邹增大.焊接材料、工艺及设备[M].北京:化学工业出版社,2001.
钻机结构 篇9
2008年2月24日,我国自行研发的首台7000m环轨移动模块钻机,在南堡油田顺利开钻。这标志着油田大规模、高效开发正式拉开帷幕。
南堡油田呈现“两大、两高、三好”的特点,即储量规模大、油层厚度大,单井产量高、储量丰度高,油层物性好、油品质量好、试采效果好。所有这些特点,为“建设人工岛、实施海油陆采”的先进技术提供了历史机遇。
电传动系统是一套钻机的“大脑”,其可靠性和先进性直接关系到整套钻机的整体性能,因此设计既可靠又先进的电传动系统就显得尤为重要。
本文介绍了我国首台7000 m环轨移动模块钻机电传动系统的特点,包括单线图、变频器的DRIVE-CLiQ拓扑结构、远程监控、自动送钻和一体化钻井仪表等。
2 电传动系统的单线图
系统组成如图1所示,4台CAT3512B柴油发电机组提供600V 50Hz电源,4台1500kW电源模块整流输出的直流电组成810V公共直流母线,6台1200kW电机模块接在公共直流母线上,分别驱动3台1200kW泥浆泵电机、2台800kW绞车电机和1台800kW转盘电机。还有一台400V 45kW变频器驱动自动送钻电机。
由于钻机用典型的绞车变频电机(基速:740rpm,最高转速:2300rpm)比直流电机(额定转速:970rpm)调速范围宽,此前生产的变频钻机大都为一档绞车。这样设计虽然机械结构简单,但受到变频电机最高转速的限制,绞车在轻载工况下的起升和下放速度依然比直流钻机要慢,直接影响了钻井效率。
为了弥补这个不足,模块钻机把绞车设计成了两档,一档为低速挡,最大钩载450Ton时,钩速可达0.3m/s;另一档为高速挡,最大钩速1.4m/s时,钩载可达52Ton。
3 变频器及其DRIVE-CLiQ拓扑结构
系统采用了先进的SINAMICS S120系列变频器,其主要由以下几部分组成。
控制模块(CU320):整个驱动系统的控制部分;
电源模块(直流母线电压不可控的SLM):将交流转变成直流;
电机模块(也称功率模块):作为电机的供电电源;
传感器模块:将编码器信号转换成DRIVE-CLiQ可识别的信号;
各驱动组件之间是通过高速通讯接口DRIVE-CLiQ来连接,因此控制模块CU320能自动识别各组件,能够实现组件间的快速数据交换,任一组件都可以很方便获取其它组件的数据,即:一台驱动器能够获取另一台驱动器的数据(如:速度的实际值等)。
系统使用了3台控制模块CU320,DRIVE-CLiQ拓扑结构如图2所示。4台电源模块由3台CU320分别控制,3台泥浆泵电机模块由3台CU320分别控制,2台绞车电机模块也由2台CU320分别控制,即:第1台CU320控制2台电源模块和2台电机模块(1号泵和绞车A),第2台CU320控制1台电源模块和2台电机模块(2号泵和绞车B),第3台CU320控制1台电源模块和2台电机模块(3号泵和转盘)。这样设计,任一台控制模块CU320出故障,不会造成整台钻机停机,大大提高了系统的可靠性、减小了停机率。
4 通讯网络和远程监控
PLC采用了S7-300系列。
通过现场总线PROIFIBUS-DP把PLC与现场设备(如发电、驱动、司钻操作等)连接起来。现场总线PROIFIBUS-DP组成的现场级工业网络,不仅简化了操作回路,而且进一步提高了系统的可靠性和智能监控范围。
通过Industrial Ethernet(工业以太网),把PLC与上位计算机连接起来。由于工业以太网的全开放特点,实现了工业控制网络和数据信息网络的完美无缝结合。上位计算机实时监控各个系统的运行状态并提供系统故障时的诊断报文,还显示和记录钻井参数。
通过Internet把上位计算机与互联网连接起来。SERVER作为服务器发布的钻井参数网页,通过Internet在全球任何地方的客户机CLIENTS都可以浏览钻井实时数据。
系统通讯网络如图3所示。
系统采用了电传动系统与钻井仪表系统集成的一体化方案,不仅去掉了许多重复的传感器(电传动系统和钻井仪表都需要的传感器只需保留一路)和多余的传感器(泵冲、转盘转速和扭矩电传动系统可计算得来,不需要传感器)、节约了成本,还使系统得以简化,提高了可靠性。
钻井仪表系统不仅可以自动判断钻井工况,还可实时采集诸如悬重、钻压、井深、井底上空、钻头位置、钻进速度、整米钻时、转盘转速、转盘扭矩、泵冲和累计泵冲、泵压、泥浆液位、泥浆总体积、泥浆体积变化、泥浆注入流量、泥浆返出流量、吊钳扭矩、吨·公里、大钩位置等其它衍生钻井参数,并利用计算机系统进行实时屏幕显示、曲线记录、打印等。如发现以上参数有异常变化则及时判断,分析原因,提供工程事故预报,以便钻井队超前及时采取相应措施,减少井下事故的发生,达到节约成本、提高钻井效益的目的。
5 自动送钻
南堡油田一号人工岛长704 m、宽416 m、高8.2 m,而设计的采油井控半径为4 km,控制的海底采油面积为64 km2。整个一号人工岛要钻井400多口。在人工岛上,为了尽可能控制大的海底采油面积,采用了丛式钻井技术,打定向斜井,并大量使用了螺杆钻具。
螺杆钻具是一种以钻井液为动力,把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具。马达的理论输出扭矩和马达的压降成正比,输出转速与输入泥浆流量成正比,随着负荷的增加钻具转速降低。所以只要控制地面上泵的压力和流量,就能控制井下钻具的扭矩和转速。
钻具悬空时,排量不变,则通过钻具的泥浆压力降也不变,随着钻头接触井底钻压增加时,泥浆循环压力增加,泵压也增加。有以下公式:打钻泵压=循环泵压+钻具负荷压降。
国内生产的自动送钻装置大多只有两种送钻模式,即恒钻压(WOB)模式和恒钻速(ROP)模式。当使用螺杆钻具时,送钻的依据既不是钻压也不是钻速,而是钻具负荷压降。此时无法使用自动送钻,司钻只能采取手动送钻。根据这种情况,模块钻机电传动系统在送钻模式中增加了恒钻具负荷压降(DifP)模式,即通过控制下放钻具的快慢保持钻具负荷压降(“打钻泵压”与“循环泵压”的差)为恒定值。用这种模式送钻,在减轻司钻劳动强度的同时,也大大提高了使用螺杆钻具时的钻井质量和速度。
6 结论
通过以上分析和现场使用情况表明,南堡油田模块钻机电传动系统的设计以可靠性为基础,采用了先进的SINAMICS S120驱动技术,应用了工业以太网、现场总线、DRIVE-CLiQ和Internet等现代通讯技术,使用了恒钻具负荷压降(DifP)送钻模式等钻井技术,在电传动系统中揉合了录井技术,从而提高了我国石油装备制造的技术水平。
摘要：从电动钻机的单线图入手,介绍了我国首台7000m人工岛环轨移动模块钻机电传动系统的特点,重点阐述了变频器的DRIVE-CLiQ拓扑结构、远程监控和自动送钻等。