RU2287479C1

RU2287479C1 - Drawworks

Info

Publication number: RU2287479C1
Application number: RU2005111820/11A
Authority: RU
Inventors: Виктор Иванович Пындак (RU); Виктор Иванович Пындак; Андрей Васильевич Попов (RU); Андрей Васильевич Попов; Геннадий Алексеевич Благов (RU); Геннадий Алексеевич Благов
Original assignee: Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2006-11-20

Abstract

FIELD: oil producing industry.

SUBSTANCE: invention relates to drilling of deep oil and gas wells and it can be used in lifting complexes and drawworks of electrified drilling rings. Proposed drawworks contains drum, gearbox, belt and auxiliary brakes, main and emergency drives. Gearbox is made in form of variable-speed drive with spherical converting mechanism with rocking holder. Holder trunnions are furnished with overrunning clutches and bevel gears. Said bevel gears are in meshing with bevel wheel. Extension of said wheel is driven shaft of variable-speed drive. Inner ring of converting mechanism is hinge-connected by guide with bushing installed for movement on drive shaft. Radial-thrust bearing is fitted on bushing. Bearing has additional outer bushing with brought out lever. Driven shaft of variable=speed drive and shaft of drum are arranged in parallel relative to each other and are mechanically intercoupled by chain drive. Driven shaft is connected additionally with emergency drive by pneumatic clutch.

EFFECT: simplified design, provision of stepless control of drum speed, dispensing with complex, bulky expensive and insufficiently reliable electric drive with thyristor controls.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится преимущественно к технике бурения глубоких - разведочных и эксплуатационных - нефтегазовых скважин и может быть использована в подъемных комплексах и лебедках электрифицированных буровых установок.The invention relates primarily to the technique of drilling deep - exploratory and production - oil and gas wells and can be used in lifting complexes and winches of electrified drilling rigs.

Известна буровая лебедка подъемного комплекса буровой установки, содержащая расположенные на одной раме барабан, четырехскоростную цепную коробку передач, куда входят быстроходная и тихоходная передачи и подъемный вал, ленточный тормоз, электромагнитный тормоз, работающий совместно с регулятором подачи долота, и другие устройства (см. книгу: Протасов В.Н. и др. Эксплуатация оборудования для бурения скважин и нефтегазодобычи. - М.: Недра, 2004, с.481-483, рис.14.1 и 14.2). На рис.14.1 показана собственно лебедка - без основного и аварийного приводов, которые размещены на отдельной раме.A well-known drilling winch of a rig complex of a drilling rig containing a drum located on one frame, a four-speed chain gearbox, which includes high-speed and low-speed gears and a lifting shaft, a belt brake, an electromagnetic brake working in conjunction with a bit feed regulator, and other devices (see the book : Protasov V.N. et al. Operation of equipment for drilling wells and oil and gas production. - M.: Nedra, 2004, p. 481-483, fig. 14.1 and 14.2). Fig. 14.1 shows the actual winch - without the main and emergency drives, which are placed on a separate frame.

Технический недостаток подобных буровых лебедок с указанными приводами: сложность конструкции и эксплуатации, повышенные габариты и масса, усложненная монтаже- и ремонтопригодность и, как следствие, недостаточная надежность.The technical disadvantage of such drilling winches with these drives: the complexity of the design and operation, increased dimensions and weight, complicated installation and maintainability, and, as a consequence, insufficient reliability.

Известна также лебедка буровой установки, содержащая барабан, коробку передач, ленточный и вспомогательный тормозы, основной и аварийный приводы (SU 1458549 А1, МПК⁴ Е 21 В 15/00, 1989). В этой лебедке цепная коробка передач - двухскоростная, лебедка и приводы скомпонованы на одной раме, но, как отмечается в абзаце 4 описания, "Лебедка предназначается для работы в сочетании с регулируемым приводом..."Also known is a winch of a drilling rig containing a drum, gearbox, belt and auxiliary brakes, main and emergency drives (SU 1458549 A1, IPC ⁴ E 21 V 15/00, 1989). In this winch, the chain gearbox is two-speed, the winch and the drives are mounted on the same frame, but, as noted in paragraph 4 of the description, "The winch is designed to work in combination with an adjustable drive ..."

Технический недостаток данной лебедки: повышенная сложность (с учетом наличия исключительно сложного и громоздкого регулируемого электропривода с тиристорными регуляторами управления - расположены в отдельном утепленном и обогреваемом "домике"). Несмотря на это лебедка имеет относительно сложную цепную коробку передач с двумя пневматическими муфтами и не обеспечивает бесступенчатое регулирование частоты вращения барабана во всем диапазоне передаточных отношений, следствием чего является коробка передач.Technical drawback of this winch: increased complexity (taking into account the presence of an extremely complex and bulky adjustable electric drive with thyristor control regulators - located in a separate insulated and heated "house"). Despite this, the winch has a relatively complex chain gearbox with two pneumatic clutches and does not provide stepless control of the drum speed over the entire range of gear ratios, resulting in a gearbox.

Техническая задача: упрощение конструкции и обеспечение бесступенчатого регулирования частоты вращения барабана путем замены двухскоростной цепной коробки передач специальным малогабаритным механическим вариатором.Technical task: simplifying the design and providing stepless regulation of the drum speed by replacing the two-speed chain gearbox with a special small-sized mechanical variator.

Технический результат: исключение сложного, громоздкого, дорогостоящего и недостаточно надежного регулируемого электропривода с тиристорными регуляторами управления, который, к тому же, не обеспечивает бесступенчатое регулирование во всем диапазоне.EFFECT: exclusion of a complex, bulky, expensive and insufficiently reliable adjustable electric drive with thyristor control regulators, which, moreover, does not provide stepless regulation in the entire range.

Согласно изобретению в лебедке буровой установки, содержащей барабан, коробку передач, ленточный и вспомогательный тормозы, основной и аварийный приводы, коробка передач выполнена в виде вариатора, включающего сферический преобразующий механизм с качающейся обоймой, цапфы которой имеют муфты свободного хода и зубчатые конические шестерни, находящиеся в зацеплении с зубчатым коническим колесом, продолжением которого является ведомый вал вариатора, внутреннее кольцо преобразующего механизма посредством поводка шарнирно соединено с подвижно установленной на ведущем валу втулкой, на которой посажен радиально-упорный подшипник с дополнительной наружной втулкой, снабженной выведенным наружу рычагом, при этом ведомый вал вариатора и вал барабана расположены параллельно и кинематически связаны между собой цепной передачей, ведомый вал посредством пневматической муфты дополнительно соединен с аварийным приводом; цепная передача выполнена понижающей.According to the invention, in a winch of a drilling rig containing a drum, gearbox, belt and auxiliary brakes, main and emergency drives, the gearbox is made in the form of a variator including a spherical transforming mechanism with a swinging clip, the pins of which have freewheels and gear bevel gears located in engagement with the bevel gear, the extension of which is the driven shaft of the variator, the inner ring of the transforming mechanism by means of a leash is pivotally connected to a sleeve movably mounted on the drive shaft, on which an angular contact bearing is fitted with an additional outer sleeve, equipped with an outward-mounted lever, while the drive shaft of the variator and the drum shaft are parallel and kinematically connected by a chain gear, the driven shaft is additionally connected to the pneumatic clutch with emergency drive; chain transmission is made down.

На чертежах на фиг.1 изображена лебедка буровой установки в виде конструктивно-кинематической схемы; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 (по сферическому преобразующему механизму).In the drawings, Fig. 1 shows a winch of a drilling rig in the form of a structural-kinematic diagram; figure 2 is a section aa in figure 1 (by a spherical transforming mechanism).

Лебедка буровой установки содержит барабан 1, коробку передач 2, ленточный 3 и вспомогательный 4 тормозы, основной 5 и аварийный 6 приводы. Коробка передач 2 выполнена в виде вариатора, включающего сферический преобразующий механизм 7 с качающейся обоймой 8, цапфы 9 которой имеют муфты свободного хода 10. Последние встроены в зубчатые конические шестерни 11, находящиеся в зацеплении с зубчатым коническим колесом 12. Продолжением этого колеса является ведомый вал 13 вариатора.The winch of the drilling rig contains a drum 1, a gearbox 2, a belt 3 and an auxiliary 4 brakes, the main 5 and emergency 6 drives. The gearbox 2 is made in the form of a variator, including a spherical transforming mechanism 7 with a swinging sleeve 8, the pin 9 of which have freewheels 10. The latter are integrated into the bevel gears 11, which are meshed with the bevel gear 12. The drive shaft is a continuation of this 13 CVT.

Коробка передач - вариатор 2 содержит также ведущий вал 14, соединенный посредством муфты 15 с основным приводом 5 - это электродвигатель преимущественно переменного тока напряжением 6000...10000 вольт, мощностью 300...350 кВт. Для регулирования частоты вращения двигателя в прототипе применяется упомянутый громоздкий электропривод с тиристорными регуляторами управления, который, кроме всего прочего, преобразует указанное напряжение переменного тока в постоянное напряжение 440 вольт. В предлагаемой лебедке электропривод и преобразование напряжения не требуются; эти функции берет на себя компактный вариатор 2, который, к тому же, обеспечивает бесступенчатое регулирование в требуемом диапазоне.The gearbox - variator 2 also contains a drive shaft 14 connected by means of a clutch 15 to the main drive 5 - this is an electric motor mainly of alternating current voltage of 6000 ... 10000 volts, power 300 ... 350 kW. To regulate the engine speed, the prototype uses the cumbersome electric drive with thyristor control regulators, which, among other things, converts the specified AC voltage to a constant voltage of 440 volts. In the proposed winch, an electric drive and voltage conversion are not required; compact CVT 2 assumes these functions, which, in addition, provides stepless regulation in the required range.

Сферический преобразующий механизм 7 имеет в своем составе внутреннее кольцо 16, соединенное с ведущим валом 14 осями 17. На этом кольце посажен подшипник качения 18, на котором, в свою очередь, посажено наружное кольцо 19. Последнее осями 20 соединено с упоминавшейся наружной качающейся обоймой 8. Ведомый вал 13 вариатора 2 и вал 21 барабана 1 расположены параллельно и посредством понижающей цепной передачи 22 кинематически связаны между собой. Ведомый вал 13 посредством пневматической муфты 23 (периодического действия) дополнительно соединен с аварийным приводом 6. Последний включает электродвигатель 24 (мощностью 40...45 кВт и напряжением 380 вольт переменного тока), свою соединительную муфту 25 и зубчатый редуктор 26.The spherical conversion mechanism 7 incorporates an inner ring 16 connected to the drive shaft 14 by axles 17. A rolling bearing 18 is mounted on this ring, on which, in turn, the outer ring 19 is mounted. The latter is connected by axles 20 to the said outer rolling cage 8 The driven shaft 13 of the variator 2 and the shaft 21 of the drum 1 are parallel and are kinematically connected to each other by means of a reduction chain transmission 22. The driven shaft 13 by means of a pneumatic clutch 23 (periodic action) is additionally connected to the emergency drive 6. The latter includes an electric motor 24 (40 ... 45 kW and a voltage of 380 volts AC), its coupling 25 and the gear reducer 26.

Внутреннее кольцо 16 преобразующего механизма 7 посредством поводка 27 шарнирно соединено с подвижной установленной (на шлицах) на ведущем валу 14 втулкой 28. На ней посажен радиально-упорный подшипник 29 с дополнительной наружной втулкой 30, снабженной выведенным наружу рычагом 31. С его помощью производится воздействие на преобразующий механизм, для чего предусмотрена тяга 32 для ручного или автоматического управления.The inner ring 16 of the transforming mechanism 7 is pivotally connected to the movable sleeve (mounted on the splines) on the drive shaft 14 by a sleeve 28. An angular contact bearing 29 with an additional external sleeve 30 equipped with an outwardly mounted lever 31 is mounted on it. on the conversion mechanism, for which a traction 32 is provided for manual or automatic control.

Лебедка буровой установки работает следующим образом.Winch rig works as follows.

При включении привода - электродвигателя 5 приводится во вращение ведущий вал 14 коробки передач - вариатора 2. Если сферический преобразующий механизм 7 расположен перпендикулярно ведущему валу 14 (угол наклона механизма θ=0), то механизм не совершает качательного движения (кольцо 16 вращается за одно целое с валом 14) и не передает крутящий момент на ведомый вал 13, т.е. механизм 7 несет функции муфты включения и в данном случае находится в нейтральном положении. Воздействием на рычаг 31 (посредством тяги 32) перемещается втулка 30, а вместе с ней подшипник 29 и втулка 28, посаженная на шлицах ведущего вала 14. Это воздействует на поводок 27 и приводит к отклонению на определенный угол внутреннее кольцо 16 и весь сферический преобразующий механизм 7.When the drive - electric motor 5 is turned on, the drive shaft 14 of the gearbox - variator 2 is rotated. If the spherical conversion mechanism 7 is located perpendicular to the drive shaft 14 (the angle of inclination of the mechanism θ = 0), the mechanism does not oscillate (ring 16 rotates in one piece with shaft 14) and does not transmit torque to the driven shaft 13, i.e. mechanism 7 carries the function of a clutch and in this case is in a neutral position. The impact on the lever 31 (through the rod 32) moves the sleeve 30, and with it the bearing 29 and the sleeve 28, mounted on the splines of the drive shaft 14. This acts on the leash 27 and leads to a deflection of the inner ring 16 and the entire spherical conversion mechanism 7.

Вне зависимости от величины угла отклонения θ механизма в нем происходят сложные движения: внутреннее кольцо 16 совершает вращательное и качательное движения; подшипник 18, покачиваясь, совершает и свою основную функцию; наружное кольцо 19 совершает сложное движение, а обойма 8 совершает только качательное движение на цапфах 9. Чем меньше выставленный угол θ отклонения механизма 7, тем больше передаточное отношение вариатора 2 и тем меньше амплитуда колебаний механизма 7. Это соответствует включению вариатора - коробки передач 2. По мере увеличения угла θ амплитуда колебаний возрастает, а передаточное отношение уменьшается - происходит плавный разгон и выход на рабочий режим всей системы. Максимальное значение угла θ отклонения механизма 7 составляет ±30° (суммарно 60°).Regardless of the magnitude of the deflection angle θ of the mechanism, complex movements occur in it: the inner ring 16 rotates and oscillates; the bearing 18, swaying, performs its main function; the outer ring 19 makes a complex movement, and the cage 8 makes only a swinging movement on the trunnions 9. The smaller the set angle θ of the deviation of the mechanism 7, the greater the gear ratio of the variator 2 and the smaller the amplitude of the vibrations of the mechanism 7. This corresponds to the inclusion of the variator - gearbox 2. As the angle θ increases, the amplitude of the oscillations increases, and the gear ratio decreases - there is a smooth acceleration and exit to the operating mode of the entire system. The maximum value of the angle θ of the deviation of the mechanism 7 is ± 30 ° (total 60 °).

Разгон системы происходит за счет перемещения втулки 28 по шлицам ведущего вала 14. Поскольку на втулке посажен радиально-упорный подшипник 29, а наружная втулка 30 за счет рычага 31 удерживается от проворота, то изменение угла θ и, следовательно, амплитуды качания механизма и обоймы 8 может производиться как при неподвижном ведущем вале 14, так и в процессе его вращения. Благодаря этому изменение передаточного отношения вариатора 2 и частота вращения барабана 1 может осуществляться как в статике, так и в динамике. Вследствие этого имеется возможность варьирования частотой вращения барабана 1 без остановки и электродвигателя 5, и коробки передач - вариатора 2.The acceleration of the system occurs due to the movement of the sleeve 28 along the splines of the drive shaft 14. Since the angular contact bearing 29 is mounted on the sleeve and the outer sleeve 30 is prevented from turning by the lever 31, the angle θ and, consequently, the swing amplitude of the mechanism and cage 8 can be produced both when the drive shaft 14 is stationary, and during its rotation. Due to this, the change in the gear ratio of the variator 2 and the rotational speed of the drum 1 can be carried out both in statics and in dynamics. As a result of this, it is possible to vary the rotational speed of the drum 1 without stopping both the electric motor 5 and the gearbox - the variator 2.

При качательном движении наружной обоймы 8 на цапфах 9 одна из муфт свободного хода 10 передает вращение на "свою" зубчатую коническую шестерню 11, в это время другая муфта свободного хода не передает крутящий момент на "свою" шестерню (муфты направлены в противоположные стороны). От одной из шестерен 11 момент передается на зубчатое коническое колесо 12 и жестко связанный с ним ведомый вал 13. При изменении направления качания обоймы 8 другая коническая шестерня 11 передает крутящий момент на коническое колесо 12, а противоположная шестерня 11 благодаря муфте свободного хода проворачивается вхолостую. Таким образом, наличие двух противолежащих зубчатых конических шестерен 11, в каждую из которых встроена муфта свободного хода 10, обеспечивает непрерывное вращение зубчатого конического колеса 12 и ведомого вала 13. Некоторая неравномерность вращения колеса 12 и вала 13 компенсируется за счет инерционности системы, маховичного эффекта, в том числе ротора электродвигателя 5, упругости элементов системы, внешнего крутящего момента на барабане 1 и валу 21.With the oscillating movement of the outer race 8 on the pins 9, one of the freewheel clutches 10 transmits rotation to “its own” bevel gear 11, while the other freewheel clutch does not transmit torque to “its” gear (the couplings are directed in opposite directions). From one of the gears 11, the moment is transmitted to the bevel gear 12 and the driven shaft 13 is rigidly connected to it. When the swing direction of the cage 8 is changed, the other bevel gear 11 transmits torque to the bevel gear 12, and the opposite gear 11 is rotated idle due to the freewheel clutch. Thus, the presence of two opposing gear bevel gears 11, in each of which a freewheel clutch 10 is integrated, provides continuous rotation of the bevel gear 12 and the driven shaft 13. Some unevenness in the rotation of the wheel 12 and the shaft 13 is compensated by the inertia of the system, the flywheel effect, including the rotor of the electric motor 5, the elasticity of the elements of the system, external torque on the drum 1 and the shaft 21.

Последний посредством цепной передачи 22 вращается с заданной скоростью и приводит во вращение вспомогательный тормоз 4. Опускание крюка на буровой установке происходит, как известно, за счет силы тяжести. Для этого достаточно с помощью рычага 31 установить сферический механизм 7 в нейтральное положение и отпустить ленточный тормоз 3 на барабане 1. Торможение и остановка крюка производится ленточным 3 и вспомогательным 4 тормозами. Последний несет также известные функции регулятора подачи долота при бурении. При опускании крюка и барабан 1, и цепная передача 22 изменяют направление движения, которое прекращается на механизме 7 вариатора 2 и на внутреннем шкиве пневматической муфты 23. В редких аварийных и непредвиденных ситуациях с помощью муфты 23 включают аварийный привод 6 (при нейтральном положении механизма 7), который на ограниченной скорости посредством цепной передачи 22 передает крутящий момент на вал 21 и барабан 1 и через канатно-полиспастную систему поднимает, например, незакрепленную, но собранную обсадную колонну.The latter by means of a chain transmission 22 rotates at a given speed and drives the auxiliary brake 4. The lowering of the hook on the rig is, as is known, due to gravity. To do this, just use the lever 31 to set the spherical mechanism 7 to the neutral position and release the tape brake 3 on the drum 1. Braking and stopping the hook is done by the tape 3 and auxiliary 4 brakes. The latter also carries the well-known functions of the bit feed regulator during drilling. When lowering the hook, both the drum 1 and the chain gear 22 change the direction of movement, which stops on the mechanism 7 of the variator 2 and on the inner pulley of the pneumatic clutch 23. In rare emergency and unforeseen situations, the emergency drive 6 is turned on with the clutch 23 (in the neutral position of the mechanism 7 ), which at a limited speed through a chain transmission 22 transmits torque to the shaft 21 and the drum 1 and, through a cable-and-chain system, raises, for example, an unsecured but assembled casing.

Следует отметить, что наличие понижающей конической передачи в вариаторе 2, понижающей цепной передачи 22 и аварийного, тоже понижающего, привода 6 способствуют расширению функциональных возможностей, грузоподъемности и надежности в работе предлагаемой лебедки. Описанные конструктивные, кинематические и функциональные особенности лебедки направлены на упрощение конструкции, снижение ее габаритов и массы, обеспечивают простыми средствами глубокое бесступенчатое регулирование частоты вращения барабана, в том числе в процессе работы. Это достигается при простейшем электроприводе переменного тока - без преобразования тока и тиристорного управления.It should be noted that the presence of a lower bevel gear in the variator 2, a lower chain gear 22 and an emergency, also lowering, drive 6 contribute to the expansion of the functionality, carrying capacity and reliability of the proposed winch. The described structural, kinematic and functional features of the winch are aimed at simplifying the design, reducing its dimensions and weight, provide simple means of deep stepless regulation of the frequency of rotation of the drum, including during operation. This is achieved with the simplest AC drive - without current conversion and thyristor control.

Claims

1. The winch of the drilling rig, containing a drum, gearbox, belt and auxiliary brakes, main and emergency drives, characterized in that the gearbox is made in the form of a variator, including a spherical transforming mechanism with a swinging cage, the pins of which have freewheels and conical gears gears meshed with a bevel gear, the extension of which is the driven shaft of the variator, the inner ring of the transforming mechanism is pivotally connected to a sleeve movably mounted on the drive shaft, on which an angular contact bearing is fitted with an additional outer sleeve, equipped with an outward-mounted lever, while the drive shaft of the variator and the drum shaft are parallel and kinematically connected by a chain gear, the driven shaft is additionally connected to the pneumatic clutch with emergency drive.

2. The winch according to claim 1, characterized in that the chain gear is made down.