第六章钻机驱动设备与传动系统.pptx
钻井设备和工具课件
除气器
除泥器
除砂器
3、循环系统→分离装置
钻井设备和工具课件
动力机、传动部分
4、驱动与传动系统
(1)组成：
(2)功能
产生动力，并把动力传递给泥浆泵、绞车和转盘。
柴油机或 电动机
联轴器、离合器、 变速箱、皮带传动 及链条传动等装置
5、气控系统
控制机构、传输管线和阀门、执行机构（气动离合器等）以及压气机等。
3.使用地区
陆地钻机
海洋钻机
陆地（包括沙漠、沼泽等）使用的钻机。
自升式钻井平台、半潜式钻井平台、钻井船和钻井固定平台上的各种类型的钻机。
钻井设备和工具课件
国内外钻机现状
ZJ32钻机、ZJ45钻机、ZJ50钻机、ZJ70 钻机 美国和德国等已形成9000m以上成套钻机的生产能力，几乎垄断了世界超深井钻机市场。我国已完成了9000米交流变频电驱动钻机的样机试制。 我国目前已研制成功12000米钻机。 生产厂家 国企四家： 宝鸡石油机械厂、南阳石油机械厂、江汉第四石油机械厂、胜利油田动力机厂；
钻井设备和工具课件
牙轮钻头在井底的运动 • 公转：牙轮随钻头一起旋转。 • 自转：牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称为自转。 • 滑动：牙齿相对于井底的滑动，包括切向（周向）和径向（轴向）滑动。 牙轮滑动对破岩的作用： 切向滑动剪切掉牙齿之间的岩石。 轴向滑动剪切掉齿圈之间的岩石。 纵向振动：牙轮在滚动过程中，其中心上下波动，使钻头做上下往复运动。 引起纵向振动的原因： 单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动； 井底凹凸不平
泥浆池
环形空间
泥浆泵
高压管汇
立管
水龙带
水龙头
钻柱
钻头
地面排出管线
机电系统设计电驱动钻机控制PPT课件
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四、电驱动钻机的控制
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感谢您的观看！
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1．直流驱动系统
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• 工况指配开关 在司钻控制台上装有一个工况指配
开关SI（ASSIGNMENT SW），由这个指配开关组合各种
供电线路和控制线路，以适应钻进、 起下钻等各种钻井工艺要求。
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• 工况指配关系图
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2． 绞车驱动系统
驱
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• （1） AC-AC驱动
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• （2） DC-DC驱动 • DC-DC电驱动钻机是指多台柴油发电机组发出直流电，供给直流电动机驱动绞
车、转盘和钻井泵。
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• （3） AC-SCR-DC驱动 • AC-SCR-DC驱动是指数台柴油发电机组发出交流电并网输到同一母线电缆上
（或由工业电网供电），经晶闸管整流装置整流后驱动直流电动机，带动绞车、转 盘、钻井泵。
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• （ 4 ） AC 变 频 驱动
• AC变频驱动
是指将交流变频
调速技术应用到
钻机的电驱动控
制系统上，使
AC-SCR-DC驱
动钻机中的直流
驱动装置换成交
流驱动装置，直
流电动机变成交
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连续无级调速，一直引领机械调速领域半个多世纪。 • 1955年直流电传动开始用于海洋钻机 • 1967年，AC—SCR—DC开始用于海洋钻机 • 1976年，逐渐用于陆地钻机
第六章钻机驱动设备与传动系统
单独驱动方案。
l
单独驱动，传动系统简单、效率
高；工作机间无机械形式的联系，便
于钻机在井场进行平面布置。但装机
功率利用率低，动力机不能互济。
第六章钻机驱动设备与传动系统
l b、统一驱动方案
l
这种方案是转盘、
绞车、钻井泵三工作机
由2～4台动力机并车
统一驱动。
l
统一驱动装机功率
利用率高，可并车调剂
各工作机不同的功率需
第六章钻机驱动设备与传动系统
l 液力变矩器依结构特点可分为： l a、按涡轮级数分：单级，如国产WB型；多级，
如罗马尼亚CHC型（3级）。 l b、按涡轮内液流流向分：离心式、向心式、轴流
式。
液力变矩器类型图 （a）离心式（b）向心式（c）轴流式
第六章钻机驱动设备与传动系统
YB900液力变矩器
l YB900变矩器是北京石油 勘探开发研究院机械所、 大连内燃机车研究所和四 川石油管理局共同研制的 单级充油调节离心液力变 矩器，与PZ12V190B-1柴 油机匹配，用以取代 CHC750变矩器、 MB820Bb柴油机，作为 F320钻机动力机组及国产 深井、超深井机械驱动钻 机如 ZJ32J-5和 ZJ60L的 动力机组。
l ① 外特性 l 油泵齿条固定于供油量最大
位置时
l 外特性是正确选择及合理 使用发动机的基础
l Z12V190B型柴油机外特性 曲线
第六章钻机驱动设备与传动系统
② 负荷特性
l 定转速下，ge,GT,tr,pk随功率Ne 而变化的规律，称负荷特性，其 中GT为每小时油耗。
l 依据负荷特性，可确定动力机在 定转速下工作时的经济负荷，即 耗油率最小的功率范围。由坐标 原点引射线与ge曲线相切，切点 所对应之功率即最经济的功率， 因为该点Ne与ge比值最大。 Z12V190B型柴油机负荷特 性曲线。
钻机驱动设备与传动系统
钻机驱动设备与传动系统1. 引言钻机驱动设备与传动系统是钻井工程中至关重要的部分，它们负责控制钻头的旋转和下压力，以实现钻井的顺利进行。
本文将介绍钻机驱动设备与传动系统的工作原理、主要部件以及常见故障处理方法，以增加读者对该系统的了解。
2. 工作原理钻机驱动设备与传动系统的工作需要运用机械原理和转动传动原理。
通过驱动系统的转动，可使钻杆和钻头产生旋转，实现钻进地层的目的。
同时，钻机的驱动系统还需要通过传动系统的设计和控制，调节钻头的下压力，确保钻进过程的稳定性。
3. 主要部件3.1 钻机主驱动装置钻机主驱动装置通常由电机和装有花键轮的变速箱组成。
电机作为驱动源，通过电路控制使变速箱中花键轮旋转，进而带动钻杆和钻头的旋转。
3.2 钻机主传动轴钻机主传动轴位于钻机主驱动装置和井口装置之间，负责将电机传递的动力传到钻杆和钻头上。
主传动轴通常由高强度合金材料制成，以承受大扭矩和重负荷。
3.3 钻机变速箱钻机变速箱位于钻机主驱动装置内，用于改变驱动装置输出的转速。
通过变速箱的设计，可以实现适应不同井深和地层条件下的钻井作业。
3.4 钻机离合器钻机离合器用于控制钻机主驱动装置的连接和断开。
在钻井作业中，需要频繁地进行钻杆和钻头的连接和断开，离合器的可靠性和灵活性对钻机的作业效率有着重要的影响。
3.5 钻机液压系统钻机液压系统用于控制钻杆下压力的调节和控制。
通过液压系统的工作，可以实现对钻杆下压力的精确控制，以适应不同地层的钻进要求。
4. 常见故障与处理方法4.1 电机故障当钻机主驱动电机发生故障时，往往会导致钻机无法正常工作。
处理方法包括检查电源线路是否正常连接，检查电机是否过热，以及检查是否存在电机绕组短路等问题。
4.2 变速箱故障变速箱是钻机驱动传动系统中的关键部件之一，一旦发生故障，会影响钻井作业的顺利进行。
常见的变速箱故障包括齿轮磨损、轴承故障等。
处理方法通常是对故障部件进行更换或修理。
4.3 钻机离合器故障钻机离合器的故障会导致钻杆和钻头的连接和断开无法正常进行。
钻机驱动设备与传动系统PPT课件
机肘，都应让它在调速线上工作。
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④ 通用特性
• 最内层的等油耗率曲线 表明发动机最经济的工 作范围。
• Z12V190B柴油机的通 用特性曲线
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(4) 石油机械常用柴油机
• ① Z190系列钻机柴油机
•
济南柴油机厂研制生产的Z190系列柴油机
包括有 Z8V190，Z8V190-1，Z8V190-2和
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6.2 石油钻机液力传动装置
• 石油钻机传动装置有机械式的也有其他形 式的，机械式如螺旋、齿轮、皮带、链条、 万向轴等。石油机械功率大，工况特殊， 有些制定了专用标准，如套筒滚子链，石 油钻机用万向联轴器等。但这些传动装置 与一般机械相同。
• 除此外，石油机械还常用液力传动装置如 液力变矩器，液力偶合器等，本节主要介 绍这些传动装置。
则以耗电量、功率因数来表征。
• ⑤ 使用经济性
•
除已特别指明的燃料经济性之外，使用
经济性尚应包括：对工作地区的适应性、启动
性能、控制操作的灵敏程度、工作的可靠性、
安全性、持久性及维护保养难易性等。
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• 表6-1 石油机械常用驱动设备的适应性系数和 调速范围的参考数值
类型
KsLeabharlann M max Me• 偶合器只能在高转速比（即i nT nB 0.96
）
工况下工作，否则效率过低，功率损失大。液
力偶合器只能传递扭矩，不能变矩，因此又称
液力联轴器。
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(2) 液力变矩器（涡轮变矩器）
•
变矩器结构如图所示。导轮与外壳相连，是不
转动的，叶片大都为空间扭曲形状。与偶合器相比，
钻机驱动与传动
石油钻采机械主讲：马卫国第六章石油钻机驱动与传动第一节概述第二节柴油机驱动－机械传动第三节可控硅直流电驱动石油钻采机械主讲：马卫国第六章石油钻机驱动与传动第一节概述石油钻采机械主讲：马卫国一、驱动传动类型1、机械驱动柴油机直接驱动（皮带传动）柴油机＋液力驱动（链条传动）高速柴油机＋ALLISON传动向第六章：石油钻机驱动与传动——概述石油钻采机械主讲：马卫国2、电驱动交流AC-AC驱动直流DC-DC驱动交直流AC-SCR-DC 交流变频驱动第六章：石油钻机驱动与传动——概述石油钻采机械主讲：马卫国第六章：石油钻机驱动与传动——概述二、绞车、转盘、钻井泵负载特点及对驱动传动的特性要求1、绞车前面已经详细描述。
总之，绞车驱传动为恒功率调节，要充分利用功率，并具有一定的过载能力；有良好的启动性能（频繁启动）。
石油钻采机械主讲：马卫国第六章：石油钻机驱动与传动——概述2、转盘1）转速调节范围要宽，R＝5－10；2）能够倒转、能够微调转速以处理事故；3）有限制扭矩装置，防止过载扭断钻杆；工况为恒功率调节，有时要求恒转矩调节。
石油钻采机械主讲：马卫国3、钻井泵钻井泵冲次变化小，负载波动幅度不大。
石油钻采机械主讲：马卫国第六章：石油钻机驱动与传动——概述石油钻采机械主讲：马卫国石油钻采机械主讲：马卫国石油钻采机械主讲：马卫国理论平均流量和功率kW pQ N iFSnQ th 310×==石油钻采机械主讲：马卫国第六章：石油钻机驱动与传动——概述主要要求：速度调节范围R=1.3－1.5；允许短期过载，以克服可能出现的蹩泵。
工况调节：机械驱动钻井泵：更换缸套；电驱动钻井泵：更换缸套＋调速石油钻采机械主讲：马卫国三、驱动设备的特性指标1、适应性系数K：表明动力机适应外载变化（增加）的能力。
功率时的扭矩。
－发动机额定（标定）的最大扭矩；发动机稳定工作状态时式中：e eM M M M K −=max max K值大，表明动力机的过载能力大第六章：石油钻机驱动与传动——概述石油钻采机械主讲：马卫国2、速度范围R转速；－动力机最低稳定工作速；动力机最高稳定工作转式中min max minmax n n n n R −=R值越大，表明速度调节范围越宽。
钻机的动力和传动装置分析
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通常所说的柔特性，是指K值大的同时R值亦 大。即随外载变化时动力机自动增矩减速或减 矩增速的范围宽。
而硬特性则是K值大而R却小，即外载变化很 大时，动力机速度变化很小。
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3.燃料(能源)的经济性 指的是提供同样功率时所消耗的燃料(能源)
费用。对柴油机，燃气轮机以耗油率来表征； 电动机则以耗电量，功率因素来表示。
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2.转盘 在钻进过程中，随着井深及岩层的变化，需
要及时改变钻压及转速。转盘要求动力系统的 力矩及转速调节范围是5～10。
在处理事故时，要求能细微调转速，又能倒 转。当钻具遇卡时，为了防止扭断钻杆，需要 设置限制力矩装置，达到限定力矩值时能自动 停止旋转。
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3.钻井泵 钻井泵一般利用变换缸套的办法来调节排
钻机的动力和传动 装置分析
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3.1概述 机械系统的动力装置(驱动装置或原动机)是机
械系统的重要组成部分。
2
Байду номын сангаас
它是执行系统的动力来源，它的性能的优劣直接 决定着机械系统的工作性能和构造特征。因此，合 理选择机械系统的动力装置的型式变成为机械设计 中的重要问题之一。
3
根据动力装置与执行机构之间的联系，分为 直接驱动和间接驱动两类。
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根据能量的转换方式，分电力驱动,内燃机驱动， 复合驱动等。
由于钻机在野外工作，因内燃机的机械特性不能 适应钻机工作，使柴油机直接驱动的钻机传动系统 相当繁杂。
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为了简化钻机传动系统，改善钻机的驱动性 能，钻机也采取复合驱动的型式，如内燃电 力驱动的电驱动钻机，内燃液力驱动的链条 钻机等。
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3.1.1 驱动设备特性指标和外特性 各类动力机有一些共同的技术经济指标，可
钻机机械传动
链传动的缺点是结构较为复杂、 成本较高，且链条的磨损较快，
需要定期维护。
轴和轴承
轴是传递扭矩和旋转运动的机械部件， 轴承则是支撑轴并降低摩擦的部件。
在钻机机械传动中，需要选择合适的 轴和轴承材料、结构和润滑方式，以 保证其承受大扭矩、高转速和高冲击 的能力。
轴和轴承是钻机机械传动的重要组成 部分，其性能和质量直接影响钻机的 稳定性和使用寿命。
便携式钻机具有轻便、易于携带和操作简单的特点， 但钻孔精度和效率相对较低。
04
钻机机械传动的优缺点
优点
高效稳定
机械传动结构简单，传动效率 高，能够保证钻机的稳定运行
，减少故障率。
耐久性强
机械传动部件承受力大，耐磨 损，寿命长，能够保证钻机的 长期使用。
维护方便
机械传动部件结构简单，拆装 方便，便于维护和保养，降低 了维护成本。
03
钻机机械传动的类型
固定式钻机
固定式钻机是一种常见的钻机类 型，通常安装在固定位置，通过 电机或柴油机驱动钻头旋转，实
现钻孔作业。
固定式钻机适用于大型工程和建 筑物的钻孔作业，如桥梁、高层
建筑等。
固定式钻机具有高效率、高精度 和高稳定性的特点，但移动不便，
需要预先安装。
车载式钻机
车载式钻机是将钻机安装在汽车上的一种类型，通过汽车的动力系统驱 动钻头旋转，实现快速移动和钻孔作业。
对维护要求高
虽然机械传动结构简单，但对其维护 要求较高，需要专业人员进行保养和 维护，以保证其正常运转。
05
钻机机械传动的维护和保养
定期检查
01
02
03
定期检查传动部件
包括齿轮、轴承、链条等， 确保其无磨损、无松动。
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(3) 柴油机驱动特性
柴油机驱动特性就是柴油机 自身的特性，包括外特性、 负荷特性、调速特性和通用 特性 。
依据负荷特性，可确定动力机在 定转速下工作时的经济负荷，即 耗油率最小的功率范围。由坐标 原点引射线与ge曲线相切，切点 所对应之功率即最经济的功率， 因为该点Ne与ge比值最大。 Z12V190B型柴油机负荷特 性曲线。
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③ 调速特性
在调速器起作用时，保持调
速手柄位置一定，柴油机性能指
标随转速或负荷变化的关系。
石油钻机设计
机电工程学院 机电工程系 许志倩
15216397095 xuzhiqian1013@
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第六章 钻机驱动设备与传动系统
教学内容和课程基本要求
驱动类型，典型驱动方案； 工作机对驱动特性要求； 柴油机驱动特性，柴油-液力驱动特性； 电驱动特性：直流电动机机械特性，交流
电动机机械特性； 传动系统的变速设计。
⑤ 使用经济性
除已特别指明的燃料经济性之外，使用经
济性尚应包括：对工作地区的适应性、启动性
能、控制操作的灵敏程度、工作的可靠性、安
全性、持久性及维护保养难易性等。
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表6-1 石油机械常用驱动设备的适应性系数和调 速范围的参考数值
类型
Ks
M max Me
柴油机（中、高速）
1.05～1.15
柴油机-变矩器
我国除卡特3500系列柴油机外，还大量使
用底特律（DDC）公司的4000系列柴油机。
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6.2 石油钻机液力传动装置
石油钻机传动装置有机械式的也有其他形式 的，机械式如螺旋、齿轮、皮带、链条、万 向轴等。石油机械功率大，工况特殊，有些 制定了专用标准，如套筒滚子链，石油钻机 用万向联轴器等。但这些传动装置与一般机 械相同。
Z190系列柴油机是国产钻机用动力机，也可用
于固定发电、船舶、内燃机车及其他工程机械。
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Z190系列柴油机基木型号与规格、主要技术参数
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② 电驱动用柴油机
为满足电动机对动力—柴油机发电机组的
需要，济南柴油机厂研制了一种新型1000kW的
柴油机A12V190ZL。并以该机为原动机，开发
了柴油发电机组。
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③ 动力机比质量 定义：每单位功率（kW）的质量，用KG
表示：
K G G / N e (kg／kW)
G ——动力机（包括必备的附件）的质量， kg；
Ne——额定功率，kW。
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④ 燃料（能源）的经济性
指提供同样功率时所消耗的燃料费用。柴
油机、燃气轮机，以耗油率来表征；电动机则
以耗电量、功率因数来表征。
Ks M max / M e
Mmax——动力机稳定工作状态时的最大扭矩； Me ——动力机额定（标定）功率时的扭矩。 Ks值大小表明动力机适应外载变化的能力。值大，表
明动力机过载能力大。
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② 速度范围R
R nmax / nmin
nmax——动力机最高稳定工作转速； nmin ——动力机最低稳定工作转速。 同一根轴上
1.5～3.5
直流电动机
1.6～4.0
交流电动机
1.5～2.2（短期）
R nmax nmin
1.3～1.8 1.5～2. 5 1. 5～2.5
1.5
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（2）柴油机驱动的特点
柴油机是石油机械使用最广泛的动力机械，主
要是因为它具有以下的特点：
① 不受地区限制，具有自持能力。无论寒带、
热带、高原、山地、平原、沙漠、沼泽、海洋，自
带燃料都可工作，这对勘探和开发新油田是非常重
要的。
② 产品系列化后，不同级别钻机，可采用所谓 “积木式”，即增加相同类型机组数目，以增加总 装机功率，从而减少柴油机品种。
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③ 在性能上，转速可平稳调节，能防止工作机过载， 避免出设备事故。装上全制式调速器，油门手柄处 于不同位置时，即可得到不同的稳定工作转速。当 外载增加超过时，柴油机便超过外特性；
① 外特性 油泵齿条固定于供油量最大
位置时 (Ne , M e , ge , tr , pk , pT ) (n) 外特性是正确选择及合理 使用发动机的基础 Z12V190B型柴油机外特性 曲线
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② 负荷特性
定转速下，ge,GT,tr,pk随功率Ne 而变化的规律，称负荷特性，其 中GT为每小时油耗。
除此外，石油机械还常用液力传动装置如液 力变矩器，液力偶合器等，本节主要介绍这 些传动装置。
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(1) 液力偶合器
液力偶合器的主动轴经 离心泵将能量传给工作 液，工作液又经涡轮将 能量传给从动轴，即：
(机主械动能轴) 离工心作泵液 液能 工涡作轮液(从机动械轴能)
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因此，液体通过它在离心泵和涡轮机中的循环 流动，实现运动的连续传递和能量的连续转换。
最内层的等油耗率曲线 表明发动机最经济的工 作范围。
Z12V190B柴油机的通 用特性曲线
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(4) 石油机械常用柴油机
① Z190系列钻机柴油机
济南柴油机厂研制生产的Z190系列柴油机包括 有 Z8V190，Z8V190-1，Z8V190-2和Z812V190B， Z12V190B-1，Z12V190B-2等基本机型及相应的 配套机座（即带有风扇、水箱和底架的动力机组， 如PZ12V190B）。此外，还发展有能适应不同环 境、满足不同性能要求的专用机型。
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第六章 钻机驱动设备与传动系统
6.1 石油机械常用动力装置 6.2 石油钻机液力传动装置 6.3 柴油机驱动钻机工作特性 6.4 电驱动钻机工作特性 6.5 传动系统及其部件设计 6.6 传动系统的变速设计
3
6.1 石油机械常用动力装置
(1) 驱动设备的特性指标
① 适应性系数Ks
由调速特性知，装有全制式来自调速器的柴油机，负荷可以在很大范围内变化，而转速则可维持
＜5％的变化。调节油门手柄位
置，可得到一系列形状类似的调
速线。
在选择匹配和操作使用柴油
机肘，都应让它在调速线上工作。 若外载超过Me点，发动机将在超 负荷工况下运行，动力性和经济 性指标都会变坏，这是不利的。
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④ 通用特性