Выбор подъемной системы буровой установки

Коренные роликовые радиально-сферические подшипники 15 подъемного вала, установленные в расточках корпуса масляной ванны, смазываются густой смазкой через тавотницы 34. Внутренние обоймы роликоподшипников фиксируются па валу распорными втулками, а наружные -- торцовыми крышками корпуса подшипника. Для компенсации температурных удлинений вала между корпусом 35 и наружной обоймой 36 одного из подшипников имеется необходимый зазор. Радиальные и торцовые лабиринтные уплотнения в крышках служат для удержания смазки в подшипниках.

Цепное колесо 1 тихоходной передачи и шкив шинно-пневматической муфты 12 имеют общую ступицу 2, посаженную на вал на свободно вращающихся роликовых радиально-сферических подшипниках, подобных подшипнику 21. На валу внутренние обоймы подшипников фиксируются втулками. Наружная обойма правого подшипника в расточке ступицы фиксируется от осевых перемещений пружинным кольцом и крышкой. Левый подшипник в ступице устанавливается свободно. Обод 10 шинно-пневматической муфты 12 планшайбой 5 крепится к ступице 6, напрессованной на вал.

Воздух для включения шинно-пневматической муфты 12 поступает через вертлюжок 7, воздухопровод 4 и клапан-разрядник 11. При отказе муфты и в случае недостаточного давления воздуха для соединения муфты используются аварийные болты 9, которые ввертываются в приливы планшайбы и входят в пазы шкива. По правилам безопасности установка аварийных болтов 9 обязательна при использовании буровой лебедки для подъема вышки. Разъемное соединение цепного колеса 1, шкивов 14, 24 и планшайб 5, 26 со ступицами позволяет ремонтировать муфты и заменять цепное колесо без съема напрессованных на вал ступиц.

Кожух 13 предохраняет шкив 14 от попадания масла. Подшипники ступицы 2 смазываются с помощью масленки 3 с трубкой, ввернутой в ступицу. Аналогично на другом конце подъемного вала установлены шинно-пневматическая муфта 25 и цепные колеса 22 «быстрой» скорости лебедки и 23 трансмиссии ротора. Воздух к шинно-пневматической муфте 25 поступает через вал электромагнитного тормоза, вертлюжок 28, отверстие в вале 19, воздухопровод 30 и клапан-разрядник 31.

Кулачковые полумуфты 27 и 29 используются для соединения подъемного вала с валом электромагнитного тормоза. Для устранения биения при вращении крупные детали подъемного вала и вал в сборе подвергаются балансировке. Все болтовые соединения подъемного вала лебедкой законтрены.

Вал 9 привода ротора устанавливается на двух роликовых радиально-сферических подшипниках 1. Левый подшипник устанавливается в корпусе масляной ванны. Корпус правого подшипника крепится к раме буровой лебедки. Подшипники закрыты фланцевыми крышками, снабженными лабиринтным уплотнением. Ведущее двухрядное цепное колесо 3 вращается от подъемного вала и установлено на ступице 11, закрепленной на валу шпонкой. Ведомое цепное колесо z = 27 выполнено в виде шкива-звездочки 4, свободно вращающейся относительно вала на роликоподшипниках 10.

Планшайба 7 шинно-пневматической муфты 6 с помощью шпонки жестко закреплена на валу 9. Воздух в муфты подводится через вертлюжок 12 и отверстия в вале. В аварийных случаях для соединения муфты могут быть использованы болты 8. На вертлюжке 12 имеется цепная звездочка для привода тахогенератора, контролирующего частоту вращения стола ротора. Противоположная консоль вала 9 может быть использована для соединения с двигателем в случае индивидуального привода ротора. Подшипники смазываются через тавотницы 2 и 5.



Рисунок 15 Вал привода ротора в сборе

3.4. Обоснование конструктивно-кинематической схемы лебедки

Приступая к разработке буровой установки, конструктор должен решать, какую лебедку в каждом конкретном случае целесообразней применить.

При небольшой высоте оснований и расположении лебедки на уровне пола буровой лучше применять универсальные лебедки. В случае установки лебедки ниже пола буровой - специализированные одновальные.

Рис. 16 Одновальная специализированная буровая лебедка мощностью 750 кВт: 1 - станина; 2 - рычаг тормозной; 3, 6 - трансмиссии тихой и быстрой скоростей; 4 - тормоз ленточный; 5 - барабан подъемный; 7 - тормоз, регулирующий электродинамический; 8 - станция управления электродинамическим тормозом

При выборе схемы лебедки следует предварительно проанализировать существующие кинематические и схемы различных лебедок и оценить их недостатки и преимущества.

Конструктивная схема лебедки определяется:

· расположением и типом передач, приводящих во вращение барабан (цепная, зубчатая или карданная);

· мощностью;

· типом двигателей;

· видом силового привода в целом;

· высотой и конструкцией оснований.

На выбор схемы лебедки влияет расстояние между осями вала главного барабана и выходного вала коробки передач, а также угол наклона передачи.

Компоновочные схемы буровых лебедок приведены на рис. 17. Наиболее простые по конструкции - одновальные лебедки с приводом главного вала через две цепные передачи непосредственно от коробки передач с двумя фрикционными муфтами сцепления для оперативного включения барабана. Эти лебедки имеют меньшую массу по сравнению с двух- и трехвальными, что облегчает монтаж, демонтаж и транспортировку очень мощных лебедок.

В лебедках средней мощности, масса которых не затрудняет монтажа и транспортировки, некоторое усложнение конструкции за счет совмещения главных и вспомогательных функций вполне оправдано. Поэтому их можно выполнять универсальными двух- и трехвальными, а при необходимости и двухвальными с дополнительным барабаном.



Рис. 17. Схемы буровых лебедок: 1 - регулирующий тормоз; 2, 8 - муфты фрикционные быстрой и тихой скоростей; 3 - трансмиссия привода ротора; 4, 7 - трансмиссия быстрой и тихой скоростей привода подъемного вала лебедки; 5 - барабан лебедки; 6 - станина; 9 - коробка передач; 10 - трансмиссия силового привода; 11, 12 - валы трансмиссионный и катушечный; 13 - барабан тартальный

Выбор схемы лебедки должен базироваться на анализе существующих схем различных лебедок и оценке их преимуществ и недостатков.

Рассмотрим кинематические схемы лебедок.

Кинематическая схема лебедки БУ 2500 ДГУ весьма разветвлена, что обусловливает громоздкость компоновки, наличие большого количества силовых элементов, расходующих свой ресурс во время работы, а также большие энергетические потери из-за низкого КПД.

Компоновка привода БУ 2500 ЭУ несколько проще, однако, в этой установке применен маломощный электродвигатель в приводе лебедки; имеется цепная передача и индукционная муфта скольжения, что также обуславливает большие энергетические потери при работе.

На рис. 18, 19 представлена схема лебедки ЛБУ-1100ЭТ-3А производства Уралмашзавода.

Буровые лебедки серии "ЭТ" (электрический привод и торможение электродвигателем), по сравнению с традиционными лебедками с цепными передачами, имеют следующие преимущества.

В лебедках серии "ЭТ" отсутствуют:

· цепные передачи;

· шинно-пневматические муфты;

· вспомогательный тормоз (электромагнитный, электрический индуктивный, гидродинамический);

· ленточный тормоз;

· рукоятка управления тормозом.

2. Лебедки имеют уменьшенные габаритные размеры, а их масса меньше на 20…30% по сравнению с лебедками с цепными передачами.

3. Лебедки имеют идеальную подъемную характеристику, регулирование скорости подъема и спуска осуществляется на 100%.

Привод регулируемый. Электродвигатель (электродвигатели) главного привода может быть как постоянного, так и переменного тока. Электродвигатель лебедки может использоваться в режимах:

· приводного электродвигателя, при подъеме бурильной колонны;

· тормозной машины, при спуске бурильной колонны;

· регулятора подачи долота, при бурении.

Рис. 18 Лебедка ЛБУ 1100ЭТ- 3



Рис. 19 Кинематическая схема лебедки ЛБУ-1100-ЭТ-3

Применение талевой системы с двумя тяговыми струнами в современных конструкциях лебедок (рис. 20) равнозначно применению двух талевых систем с уменьшенным в два раза передаточным числом оснастки полиспаста

При тех же самых нагрузках на крюке усилия в канатах остаются такими же, как и при простой оснастке. Однако, при сохранении скоростного режима подъема и спуска, на уровне существующего, необходимо уменьшить частоту вращения подъемного вала в два раза, и, так как, на барабан одновременно должны навиваться две тяговые струны, то крутящий и тормозной момент на подъемном валу лебедки возрастут в два раза.

В результате, за счет изменения динамических характеристик подъемного агрегата увеличивается срок службы каната.



Рис. 20. Кинематическая схема двухстороннего подъемного агрегата с приводом от электродвигателей постоянного тока для талевой системы с двумя тяговыми струнами (последовательная работа планетарных вставок)

3.5 Расчет мощности двигателя и определение основных параметров подъемного агрегата

Мощность, требуемую на барабане лебедки, определяют по формуле:

,

где: GТС - сила тяжести подвижной части талевой системы, Н; VКР Р - расчетная скорость подъема крюка (0,4 ? 0,5 м/с); QБК max - максимальная сила тяжести бурильной колонны в, Н.

Мощность двигателей привода подъемного механизма определяется по формуле:

,

где: зТР - КПД трансмиссии подъемного агрегата.

Последовательность расчета параметров подъемного агрегата:

Определение диаметра и длины барабана.

Определение расчетного диаметра навивки.

Расчет максимальной частоты вращения барабана и частоты вращения при подъеме допускаемой нагрузки.

Построение тяговой характеристики.

Исходные данные зависимости и результаты расчеты параметров подъемного агрегата представлены в табличной форме. В табл. 5 приведен пример расчета подъемного агрегата со спаренной талевой системой (рис. 21).

Таблица 5

№	Наименование параметра	Единицы измерения	Условное обозначение	Способ определения	Численное значение
1	Максимально допустимая нагрузка на крюке	кН	Qкр мах	принимаем	1161,4
2	Вес подвижных частей талевой системы	кН	Qтс	принимаем	50
3	Максимальная расчетная нагрузка	кН	Fmax	Fmax = ( Qкр мах + Qтс)	1211,4
4	Тип оснастки талевой системы	-	-	принимаем	5х6
5	Число шкивов талевого блока	-	n	-	5
6	Передаточное число талевой системы	-	uтс	-	5
7	КПД шкива	-	з	принимаем	0,98
8	КПД талевого механизма	-	зтс		0,85
9	Натяжение тяговой (ходовой) струны	кН	Fk max		127,5
10	Диаметр каната	мм	dk	принимаем	28
11	Расчетная скорость подъема	м /с	Vp	принимаем	0,5
12	Максимальная сила тяжести бурильной колонны	кН	FБК max	принимаем	1000
13	Мощность на барабане лебедки	кВт	РБ	принимаем	552,6560
14	Максимальная скорость подъема	м /с	Vmах	принимаем	1,5
15	Минимальная скорость подъема	м /с	Vmin	принимаем	0,15
16	Диапазон регулирования скоростей подъема	-	RV		10
17	Диаметр барабана лебедки	мм	DБ	DБ = 24 dk принимаем	672600
18	Длина свечи	м	Lсв	принимаем	18
19	Число несвиваемых витков каната в первом слое навивки при СПО	-	zнсв	принимаем	15
20	Требуемая канатоемкость барабана:- Lсв = 18 м	м	Lк	Lк= Lсв 2 uтс +2 zнсв р (DБ + dк)	239
21	Коэффициент навивки каната	-	бн	-	1,1
22	Диаметр навивки: - по первому слою - по второму слою - по третьему слою	мм	D1 D2 D3	D1 = DБ + dк D2 = D1 + бн dк D3 = D2 + бн dк	628 658,8 689,6
23	Число витков каната в каждом слое (при трехслойной навивке): - Lсв = 18 м	-	z		38
24	Длина барабана при трехслойной навивке: - Lсв = 18 м	мм	LБ	LБ = z (dк + 2) принимаем	11401100
25	Расчетный диаметр навивки	мм	Dр	Dр = (D1 + D2+ D3) / 3	658
26	КПД редуктора	-	зр	-	0,96
27	КПД барабана	-	зБ	-	0,97
28	Требуемая мощность двигателя	кВт	Pдв		601,4
29	Максимальная частота вращения барабана (при Vмах = 1,5 м/с)	об/мин	nБ мах		238,29
30	Частота вращения барабана при подъеме максимально допускаемой нагрузки (Vмin = 0,15 м/с)	об/мин	nБ мin		21,7

Рис. 21. Кинематическая схема подъемного агрегата с двумя тяговыми концами каната буровой установки БУ 4000/250

3.6 Расчет тормоза

Тормоз предназначен для выполнения следующих функций:

· фиксация остановленной системы в заданном положении талевого блока при СПО с целью разгрузки основного электродвигателя;

· торможение спускаемой колонны при отказе электродвигателя (основного тормоза) и срабатывании блокировок (разовый эпизодический режим).

Первый этап проектирования главного тормоза лебедки - определение требуемого тормозного момента МТ и размеров тормоза: количества и диаметра тормозных шкивов Dт и его ширины В.

В скважину спускают колонны разной массы с различными скоростями. Скорости спуска обеспечиваются вспомогательными и главными тормозами. Торможение при остановке осуществляет только главный тормоз, который поглощает в этот период всю энергию движущейся колонны и связанных с нею частей.

Максимальный тормозной момент будет при торможении спускаемой колонны при отказе электродвигателя. При этом момент на барабане равен

МБ = (М1 + М2 + М3) · К ,

М = (128*0,6)/2*1,2 = 46,08 кН*м,

где: М1 - статический момент на барабане от натяжения тяговых концов талевого каната при установившемся движении спускаемой в скважину колонны труб; М2 - динамический момент от дополнительного усилия в тяговых струнах, вызванного замедлением масс системы при торможении поступательно движущихся масс; М3 - динамический момент от замедления вращающихся масс системы, принимается равным 5 % от суммы (М1 + М2); К = 1,2 - коэффициент запас тормозного момента.

Нагрузки на крюке и усилие в ведущей струне каната при остановке зависит от времени и пути торможения, а также возникающих при этом динамических сил (рис.22).



Рис. 22. Расчетная схема дискового тормоза: 1 - тормозной диск; 2 - тормозные колодки

Так как время торможения ничем не ограничивается и зависит только от оператора, во избежание возникновения чрезмерных динамических нагрузок, которые могут привести к обрыву каната, усилия на тормозных шкивах должны всегда создавать натяжение каната меньше его разрывного усилия в целом Rд, т.е. должно соблюдаться условие:

,

где: kТ - коэффициент запаса торможения (правилами Гостехнадзора установлен 1,5 - 2,0 при наибольшей нагрузке на крюке); F - общая тангенциальная сила трения на ободах тормозных шкивов при неподвижной колонне, H; DТ - диаметр тормозного шкива, м; z = 2 - число тормозных лент; Dе - наибольший диаметр навивки; зл = 0,85 ? 0,95 - КПД лебедки; Fk мах - расчетное максимальное усилие в ведущей струне каната, H.

3.7 Расчет бочки барабана на статическую прочность

Принятые обозначения и исходные параметры при расчете барабана лебедки ЛБУ 1100 представлены в табл. 6 , а расчетная схема барабана - на рис. 23.

Эквивалентные напряжения в стенке барабана, в средине и у лобовины определяются по теории прочности энергии формоизменения в плосконапряженном состоянии, при этом:

,

где:

;

Рис. 23. Расчетная схема барабан

Таблица 6. Принятые обозначения и исходные параметры при расчете барабана лебедки ЛБУ 1100

№ п/п	Наименование параметров	Единицы измерения	Обозначение, расчетная зависимость	Значения параметров
1	Предел текучести обечайки	МПа	у Т	488
2	Предел текучести диска	МПа	у Т	340
3	Модуль упругости материала барабана	МПа	Еб	2,1 · 105
4	Максимальная грузоподъемность	кН	Qкр	2000
5	Диаметр каната	см	dк	3,2
6	Площадь сечения проволок каната	cм2	Fк	4,65
7	Шаг навивки каната	см	t	3,4
8	Количество слоев навивки каната		n	4
9	Толщина стенки барабана	см	д	11
10	Длина бочки барабана	см	L	135
11	Наружный радиус бочки барабана	см	rн	40
12	Внутренний радиус бочки барабана	см	rв	29
13	Средний радиус стенки барабана	см	а = (rн + rв ) / 2	34,5
14	Толщина стенки лобовины	см	дл	3,0
15	Высота ребра лобовины	см	Нр	14
16	Толщина ребра лобовины	см	B	3,5
17	Радиус ступицы	см	rc
18	Количество радиальных ребер	-	кр	6
19	Натяжение каната	кН	т	250
20	Модуль упругости каната	МПа	Ек	1,14 · 105
21	Среднее номинальное напряжение растяжения проволок каната	МПа	у = 10 + 0,5 ур
22	Модуль упругости каната при поперечном сжатии	МПа	кк = Т / Fk
23	Коэффициент нагрузки при многослойной навивке каната	-	ц
24	Радиальное давление на стенку барабана	МПа	p = б · n · T / (а · t)
25	Нагрузка на лобовину	кН	H= c · n · T	1600

Если учесть только сжимающие окружные напряжения, то будем иметь:

уэкв = уt =

где ц = б n - определяется в первом приближении по табл. 7.

Таблица 7. Коэффициент б (в первом приближении)

n	2	3	4	5
	1,8	2,3	2,5	2,7
	1,7	2,1	2,2	2,3
	1,6

Толщина стенки барабана будет равна:

= 1,75 25000 / 3,4 2800 = 4,6 см.

Коэффициент ц зависит от соотношения жесткости каната на растяжение (Ек Fк) и стенки барабана на сжатие (E·д t) и определяется через параметры л = е · , а также параметра Ф, учитывающего количество слоев при навивке каната на барабан и соотношения диаметров каната и барабана:

(Ф= (n-1) ).

Для нашего случая:

е = = 0,124

=0,124

Ф = (n-1) · = (4 - 1) · = 0,139.

Согласно табл. 7 определяем коэффициент б = 0,458.

Следовательно, ц = б n = 1,832.

Второе приближение ц = 1,832.

д = = 4,81 см .

Принимаем д = 5 см .

Расчет на устойчивость барабана лебедки

Найдем наименьшую критическую нагрузку:

у кр = 0,92 Е 0,92 2,1 105МПа.

При расчете на устойчивость принято считать, что:

у кр = 0,8 уТ;

у кр = 0,8 488 = 390,4 МПа.

Коэффициент запаса на устойчивость равен:

nу = 1,45 < 1,7 ,

уо 147 МПа.

Учитывая, что полученный коэффициент запаса на устойчивость меньше допускаемого, необходимо увеличить толщину стенки барабана или установить кольцо жесткости толщиной не менее:

дк = 2 д = 2 5 = 3,98 = 4 см.

Однако в данном примере устойчивость барабана была повышена за счет увеличения толщины стенки барабана. Примем д = 6 см.

nу = 1,74 > [n] у = 1,7, где

до = = 122,5 МПа.

В продольном направлении напряжения возникают от нагрузки Н, действующей на лобовине барабана,

.

.

Таким образом, уэкв по энергетической теории прочности:

< .

буровой лебедка канат талевый

Литература

1. Ильский А.Л. Расчет и конструирование бурового оборудования / А.Л. Ильский, Ю.В. Миронов, А.Г. Чернобыльский. - М.: Недра, 1985. 452с.

2. Поляков Г.Д. Проектирование, расчет и эксплуатация буровых установок / Г.Д. Поляков, Е.С. Булгаков, Л.А. Шумов. - М.: Недра, 1983. 318с.

3. Буровые комплексы. Современные технологии и оборудование / Под ред. Гусмана А.М. и Порожского К.П. - Екатеринбург: УГГГА. - 2002.- 592с.

4. Ефимченко С.И. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Часть I. Расчет и конструирование оборудования для бурения нефтяных и газовых скважин. Учебник для ВУЗов / С.И. Ефимченко, А.К. Прыгаев. - М.: ФГУП изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2006. - 736с.

5. Касьянов П.А. Проектирование и конструирование узлов талевой системы: Учебное пособие П.А. Касьянов, Л.А. Гаврилова. - Екатеринбург: Изд. УГГА, 2005. 175с.

Размещено на Allbest.ru

...