Буровые роторы, проектирование и изготовление роторов

Технические характеристики

Диаметр отверстия в  столе ротора, мм	700
Допускаемая статическая  нагрузка на стол ротора, тс	500
Статический крутящийся момент на столе ротора, кНм	80
Частота вращения стола ротора, об./мин, не более	350
Передаточное число  от приводного вала до стола ротора	3,61
Масса (без вкладыша), кг	4790

 

 

Конструкция ротора имеет  надежное лабиринтное уплотнение масляной ванны, которое защищает от попадания  бурового раствора, обеспечивая повышенный срок службы зубчатой пары и основной опоры стола.

Конические зубчатые колеса вращательного механизма  имеют эписиноидный зуб, за счет чего повышаются точность и плавность зацепления, обеспечивается бесшумная работа ротора.

Использование индивидуального  привода ротора с тормозным устройством  обеспечивает бесступенчатую фиксацию стола и плавное изменение  числа оборотов ротора от нуля до максимума, что повышает точность проводки наклоннонаправленных скважин.

Литая станина ротора приспособлена для установки  и крепления пневматического  клинового захвата. Клиновой пневматический захват, управляемый педальным краном в зоне пульта бурильщика, позволяет механизировать захват и освобождение в роторе насоснокомпрессорных, бурильных, утяжеленных бурильных и обсадных труб при выполнении спускоподъемных операций.

Для каждого типоразмера  ротора существуют свои клиновые пневматические захваты (ПКРБО-560, ПКРБО-700), имеющие одинаковую конструкцию и отличающиеся допускаемой осевой нагрузкой и условным диаметром захватываемых труб. Типоразмерный ряд определяется назначением и грузоподъемностью4 конструктивно главным параметром пневматических клиновых захватов является проходное отверстие в столе ротора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Индивидуальный привод ротора.

При роторном бурении в зависимости от типа и размера долота, проходимых грунтов, глубины бурения и других факторов приходится менять число оборотов ротора. Поэтому возникла необходимость в разработке индивидуального привода для передачи на ротор соответствующих чисел оборотов независимо  от  лебедки.

 

3.1. Индивидуальный привод на ротор ПИРЗ-4М (рис.4)

 

 

 

                         8           9  10  4  n    1    5

Рис. 4. Индивидуальный привод на ротор ПИРЗ-4М.

 

Состоит из электродвигателя 1 мощностью 130 кет п = 730 об/мин, коробки скоростей 2 и рамы 3. Вал электродвигателя соединяется с ведущим валом коробки скоростей 4 при помощи муфты 5. Коробка скоростей двухвальная; на консольном конце ведомого вала 6 на шпонке насажена половина карданного сочленения. Передача движения на ротор осуществляется карданным валом с двумя карданными сочленениями соответственно между карданным валом и ротором и карданным валом и ведомым валом коробки скоростей.

В коробке скоростей находятся четыре пары цилиндрических шестерен. На ведущем, валу установленном на двух роликоподшипниках 7, наглухо насажены на шпонке шестерни 8, 9, 10 и 11, находящиеся в зацеплении с соответствующими шестернями 12, 13, 14 и 15 ведомого вала, имеющего в качестве опор роликоподшипники.

Шестерни ведомого вала свободно насажены на бронзовых втулках. Между парными шестернями ведомого вала на призматических шпонках посажены две двусторонние зубчатые муфты 17; включением их в зацепление с соответствующими шестерням ведомого вала получаются четыре скорости вращения последнего. Механизм включения 16 состоит из блокирующего устройства, системы рычагов и тяг и устроен так, что, имея один рычаг включения, производит переключение всех скоростей и, кроме того, при одной какой-либо включенной скорости не допускает одновременного включения другой скорости.

Карданное сочленение, расположенное у ведущего вала ротора, имеет венец цепного колеса для аварийного привода ротора от лебедки.

принимают первую скорость в пределах 40—60 об/мин. Наивысшая скорость стола ротора может быть принята в пределах 300—350 об/мин.

После установления исходных данных расчет ротора ведут в следующей последовательности: определяют мощность привода ротора, намечают кинематическую и конструктивную схемы, затем рассчитывают опоры стола ротора — основную и вспомогательную, ведущий вал ротора, коническую зубчатую передачу, подшипники ведущего вала.

 

3.2. Определение мощности привода ротора

Расход мощности привода ротора складывается из  — потери мощности на вращение наземного оборудования, Nz — потери мощности на холостое вращение инструмента в скважине и Из — мощности на разрушение породы долотом и преодоление трения его о породу.

Полный расход мощности N-l + N₂ для случая привода ротора от лебедки можно определить по формуле П. П. Шумилова, основанной на экспериментальных исследованиях,

N_x + N_a = n У'п 10² (2,2 + 0,16 d^L у)

где п — число оборотов ротора в минуту;

d_x — наружный диаметр бурильных труб в м;

L — длина бурильного инструмента в м;

У — удельный вес глинистого раствора в г/см^г.

Мощность N3, необходимая для собственно бурения, зависит от типа и размера долота, физико-механических свойств буримых пород и элементов режима бурения. Эту составляющую расхода мощности с достаточной для расчета точностью можно определить по удельному расходу, т. е. по мощности, подводимой к долоту и приходящейся на единицу площади забоя. На основе экспериментальных данных за единицу удельного расхода мощности для роторного бурения можно принять 0,1 — 0,12 л. с./см² как величину, достаточную для обеспечения современных режимов бурения.

 

 

3.3. Нагрузки на роторный стол.

Во время бурения на стол ротора действует ряд нагрузок (рис. 5).

Рис. 5. Схема усилий, действующих на ротор.

а — усилие на стол и зубчатую передачу; б — схема действия сил в отверстии зажима; в, г, д — схема действия сил на ведущий вал.

В современных роторах в качестве опор стола применяются в основном шариковые радиально-упорные подшипники.

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Монтаж ротора

     Монтаж ротора выполняется на двух шахтовых брусьях, опирающихся на рамные брусья. Для точного фиксирования положения ротора на шахтовых брусьях вырубают пазы глубиной 70 мм (рис. 6, а), которые по ширине и длине точно соответствуют размерам основания ротора. Иногда ротор устанавливают на подроторных брусьях {рис. 6, б), прикрепляемых к шахтовым брусьям болтами. Для создания паза подроторные брусья делают по высоте на 70 мм меньше  шахтовых. При бурении скважин глубиной свыше 3000 м шахтовые брусья опираются на две бетонные тумбы, которые с обеих сторон имеют окна. Во всех случаях для ограничения перемещения ротора вдоль оси брусьев между ними врезают два поперечных бруса с таким расчетом, чтобы расстояние между ними было равно длине  ротора.

Правильность монтажа ротора контролируют отвесом и шнурами,   натянутыми   по   диагонали  вышки,   сверяя  совпадение центра вышки с центром стола ротора. Проверка на горизонтальность производится по уровню, а совпадение плоскостей цепных колес на трансмиссионном валу лебедки и ведущем валу ротора при помощи натяжения шнура.

Рис. 6.

а — шахтовые брусья с пазом; б — сборка брусьев.

 

Когда ротор приводится в движение карданным валом, необходимо проверить соосность валов ротора и приводного механизма.

 

 

 

 

 

 

 

5. Смазка ротора

Смазка бурового ротора один из важнейших технологических процессов в эксплуатации ротора. Стекающее с конического колеса масло не может прямо попасть в главную опору; попадая сначала в картер, оно имеет возможность отстояться, прежде чем попасть во внутреннюю часть подшипника. Так как уровень смазки достигает центров шаров опоры, масло оттуда центробежной силой выбрасывается в картер, создавая циркуляцию, обеспечивающую хорошую смазку и охлаждение. В роторе верхний вспомогательный подшипник быстро выходит из строя, так как в опоре большого диаметра неправильно решена принудительная система смазки. Нижняя главная опора, находясь в масляной ванне, не защищена от попадания в нее продуктов износа зубчатой передачи.

Для верхней опоры предусмотрена  принудительная смазка, усложнившая  конструкцию. Эта конструкция не обеспечивает требуемой точности расположения осей опоры, так как верхний подшипник  монтируется в промежуточной  крышке, а не в корпусе, что снижает точность монтажа и надежность конструкции. И если не обеспечены условия точности, качества изготовления и хорошей смазки, осуществляющей надежный отвод тепла, то при столь высоких скоростях трудно ожидать надежной работы ротора. Схема конической передачи и крепления вращающегося стола и ведущего вала в неподвижном корпусе определяется не только схемой расположения опор и передачи, но и обеспечением их надежной смазкой, предохранением подшипников от попадания в них продуктов износа и хорошим отводом тепла.

Анализ конструкции ведущего вала ротора  показывает, что, несмотря на нагружение опоры у шестерни радиальными  и осевыми нагрузками, сдвоенный  конический подшипник с хорошо подобранными размерами обеспечивает требуемую  долговечность, термические удлинения вала не влияют на зазор в зацеплении и не создают дополнительных нагрузок на подшипники, как в роторах других конструкций. В роторах должна быть предусмотрена высокая точность регулировки конического зубчатого зацепления. Регулировка колеса выполняется обычно с помощью прокладок, устанавливаемых между корпусом и главной опорой, регулировка шестерни- прокладками, устанавливаемые между корпусом ротора и фланцем стакана, в котором смонтирован на подшипниках быстроходный вал ротора

шестерни —  прокладками, устанавливаемыми между корпусом ротора и фланцем стакана, в котором смонтирован на подшипниках быстроходный вал ротора. Зазор в подшипниках главной и вспомогательной опор стола ротора регулируется тонкими металлическими прокладками. Зубчатая коническая передача и опоры стола ротора должны быть сконструированы так, чтобы масло, стекающее с зубчатого колеса, прежде чем попасть в опоры, проходило через отстойник. В некоторых конструкциях роторов в нижних частях картера предусматриваются магнитные

маслоочистители. Вместимость  масляной ванны должна обеспечивать достаточный запас жидкого масла  для отвода тепла и охлаждения масла; допускается его нагрев не выше 80 °С.

 

 

Рис. 7. Системы смазки роторов.

1 — стол ротора; 2, 3 — опоры вспомогательная и главная; 4 — колесо коническое; 5 — корпус ротора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Конструкции элементов ротора

6.1.Станина 

Станина ротора представляет собой жесткую конструкцию коробчатого  типа из стального литья или сварную  из литых элементов из углеродистой стали марок 35Л, 40Л и др. Внутренняя часть ее одновременно является масляной ванной. В верхней части станины имеются кольцевые бурты (обычно три), создающие лабиринтное уплотнение, предохраняющее от выбрасывания масла из станины и попадания в нее бурового раствора и грязи.

Станина должна быть достаточно жесткой для восприятия статических  и динамических нагрузок. Оси отверстий  и посадочных гнезд подшипников опор стола и ведущего вала должны быть строго перпендикулярны, пересекаться между собой, а отверстия концентричны во избежание перекосов подшипников. Внутренняя часть станины представляет собой резервуар (обычно вместимостью 20—60 л), заполненный до определенного уровня маслом. В станине предусматриваются отверстия для залива и слива масла и установки щупа для контроля его уровня. Внутренние элементы и стенки станины укрепляются ребрами для придания большей жесткости и прочности конструкции. Толщина стенок и ребер 12—25 мм. В полозьях станины предусматриваются отверстия для пропуска каната, служащего для подъема ротора при монтаже и демонтаже.

 

6.2. Стол ротора

Стол ротора представляет собой стальную отливку с отверстием в середине и втулкой, служащей для монтажа его в опорах. Верхняя часть отверстия стола имеет квадратное углубление, в которое вставляется верхняя квадратная часть вкладышей. Размеры отверстий стола ротора и вкладышей нормализованы. Столы роторов изготовляются из стального литья марок 35Л, 40Л и др. Диаметр стола ротора зависит от диаметра проходного отверстия. Толщины стенок стола выбираются конструктивно (не менее 15 мм).

 

6.3. Вкладыши  и зажимы

Вкладыши и зажимы являются промежуточными элементами между столом ротора и ведущей трубой или клиньями. В отверстие ротора вставляется промежуточный вкладыш, состоящий из двух половин с квадратной верхней частью и цилиндрической  нижней.  Во внутреннее  коническое отверстие

вкладыша, диаметр которого больше наибольшего диаметра замка  бурильных труб, вставляют либо зажимы скольжения ведущей трубы, либо роликовые  зажимы.