Анализ существующих конструкций буровых лебедок

Содержание

 

Введение

1. Анализ существующих  конструкций буровых лебедок

1.1 Анализ конструкций  буровых лебедок отечественного  производства

1.2 Анализ конструкций  буровых лебедок зарубежного  производства

1.3 Описание выбранного  прототипа

2. Расчетная часть

2.1 Расчет и выбор параметров  буровой лебедки

2.2 Расчеты на прочность

2.2.1 Расчет на прочность  барабана лебедки

2.2.2 Расчет венца цепного  колеса

2.2.3 Расчет подъемного  вала

3. Особенности монтажа, эксплуатации и ремонта

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

 

 

Введение

 

Буровая лебедка — основной агрегат спуско-подъемного комплекса буровой установки. Она предназначена в основном для создания тягового или тормозного усилия в ведущей ветви талевого каната. Лебедка необходима для подъема и спуска бурильной колонны, ненагруженного элеватора, спуска обсадных колонн, удержания на весу неподвижной колонны или медленного ее опускания при подаче долота на забой в процессе бурения или расширения скважины. Катушечный вал и пневмораскрепитель лебедки часто используют для свинчивания и развинчивания резьбовых соединений бурильных и обсадных труб. Лебедка применяется для подтаскивания, и подъема труб, грунтоносок и других грузов, а также при монтаже буровых вышек и оборудования на них.

Лебедки монтируют на уровне пола буровой или под полом. Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. При установке над полом буровой имеется свободный доступ ко всем узлам лебедки для их обслуживания и ремонта. Свободный доступ к катушечному валу исключает необходимость монтажа вспомогательной лебедки. Упрощается конструкция привода ротора от лебедки. При установке под полом буровой значительно уменьшаются высота и масса блочного основания, существенно снижается трудоемкость ее монтажа и демонтажа, что имеет немаловажное значение для сокращения сроков строительства буровых.

Буровая лебедка состоит из жесткой сварной металлической рамы, на которой смонтированы на подшипниках качения подъемный вал с барабаном для навивки талевого каната, катушечный и трансмиссионный валы. Все валы кинематически связаны между собой цепными передачами, которые передают им крутящие моменты от коробки скоростей и используются для регулирования частоты вращения валов. Лебедки кинематически связаны с коробками скоростей и двигателями привода цепной или карданной передачей.

Бурильная колонна из скважины поднимается при больших затратах мощности, а спускается под действием собственного веса. Поэтому лебедки должны иметь достаточно мощный привод и надежную тормозную систему для поглощения энергии спуска колонн. В процессе подъема бурильной колонны ее вес (нагрузка на крюке) постепенно уменьшается и соответственно снижается затрата мощности привода. Для увеличения степени загрузки двигателей привода рационально повышать скорость подъема колонны. Таким образом, с целью обеспечения высокого коэффициента использования мощности привода лебедки должны быть многоскоростными.

Для подъема ненагруженного элеватора лебедки должны иметь независимую повышенную скорость. Переключение с любой из скоростей на повышенную скорость «холостого» подъема должно происходить быстро, легко и плавно, что достигается установкой двойной цепной передачи для привода подъемного вала. Поочередное включение одной из этих передач производится с помощью оперативных фрикционных муфт, которыми управляют с пульта бурильщика. В процессе подъема колонн переменной массы скорости в коробке передач переключаются периодически. Большинство лебедок не имеет оперативного управления скоростями.

Талевый канат на барабан лебедки навивается и свивается с различными скоростями. Скорость движения ведущей ветви талевого каната зависит от скорости движения крюка и числа струн в оснастке талевой системы. Скорость крюка при подъеме колонны наибольшего веса обычно составляет 0,3—>0,5 м/с, а скорость подъема ненагруженного элеватора—1,7—2 м/с. Более высокие скорости подъема резко ухудшают условия намотки и укладки каната на барабане лебедки и не дают существенного выигрыша во времени. Наибольшая скорость спуска бурильной колонны не превышает 3 м/с, а наименьшая — при спуске обсадных колонн может снижаться до 0,2 м/с.

Исходя из назначения, функций и условий эксплуатации, к буровым лебедкам предъявляют следующие основные требования.

1. Кинематическая схема  лебедки и выбранные соотношения  скоростей должны обеспечивать  наиболее рациональное использование  установленной мощности привода. При этом коэффициент полезного  действия агрегата в целом  должен иметь высокое значение.

2. Для подъема ненагруженного элеватора в каждой лебедке необходимо предусмотреть независимую повышенную скорость на подъемном валу.
3. Тормозная система должна быть надежной в эксплуатации. Каждую лебедку следует оснащать двойной тормозной системой.
4. Необходимо, чтобы скорости лебедки включались при помощи муфт фрикционного типа оперативно, легко и плавно.
5. Кинематическаясхемалебедкидолжнапредусматривать возможность передачи движения на механизм подачи долота и ротор.
6. Конструкция лебедки должна обеспечивать бесперебойную ее работу до капитального ремонта или списания. Затраты времени на монтаж и демонтаж лебедки должны быть минимальными.Все передачи лебедки необходимо закрывать прочными ограждениями.
7. Конструкция лебедки должна позволять проведение мелкого текущего ремонта ее в условиях буровой.

В данной работе мы ставим своей целью на основании конструкции предложенного прототипа просчитать геометрические размеры основных деталей лебедки и проверить их прочность.

 

1.Анализ существующих конструкций буровых лебедок

 

Буровые лебедки различаются по мощности и другим техническим параметрам, а также по кинематическим и конструктивным признакам.

Мощность буровых лебедок, регламентируемая для отечественных лебедок ГОСТ 16293—82, находится в пределах 200—2950 кВт в зависимости от глубин бурения.

По числу скоростей подъема различают двух-, трех- четырех- и шестискоростные буровые лебедки. За рубежом применяются восьми- и десятискоростные буровые лебедки. Скорости подъема изменяются путем переключения передач между валами лебедки либо посредством отдельной коробки перемены передач.

В зависимости от используемого привода различают буровые лебедки со ступенчатым, непрерывно-ступенчатым и бесступенчатым изменением скоростей подъема. Ступенчатое изменение скоростей подъема имеется в буровых лебедках с механическими передачами от тепловых двигателей и электрических двигателей переменного тока. При гидромеханических передачах лебедки с теми же двигателями имеют непрерывно-ступенчатое изменение скорости подъема. В случае использования привода от электродвигателей постоянного тока, скорости подъема лебедки изменяются бесступенчато по кривой постоянства мощности двигателя.

По схеме включения быстроходной передачи различают буровые лебедки с независимой и зависимой «быстрой» скоростью. Как известно, при спуске бурильных и обсадных труб в соответствии с последовательностью выполняемых операций используются две скорости: тихая — для приподъема колонны труб с целью освобождения клиньев или элеватора и быстрая —для последующего подъема незагруженного элеватора за очередной свечой. Для ускорения спуска переключение указанных скоростей не должно много времени и поэтому осуществляется фрикционными муфтами с поста бурильщика. Буровые лебедки с независимой схемой скоростей позволяют поднимать незагруженный элеватор на быстрой скорости независимо от тихой скорости, используемой для приподъема. При зависимой схеме незагруженный элеватор поднимают на разных скоростях, равных либо пропорциональных скорости, используемой для приподъема колонны труб.

По числу валов различают одно-, двух- и трехвальные буровые лебедки. Одно- и двухвальные лебедки снабжаются отдельной коробкой перемены передач. В трехвальных лебедках скорости подъема изменяются с помощью передач, установленных между валами самой лебедки. Для вспомогательных работ двух- и трехзальные буровые лебедки снабжаются фрикционной катушкой. В случае использования одновальной лебедки для этого подключают дополнительную вспомогательную лебедку.

Буровые лебедки различаются по числу скоростей, передаваемых ротору, и кинематической схеме передач, установленных между лебедкой и ротором.

По способу управления подачей долота различают буровые лебедки с ручным и автоматическим управлением, осуществляемым посредством регулятора подачи долота.

Наряду с указанными особенностями различают лебедки с капельной и струйной смазками цепных передач; воздушным и водяным охлаждением тормозных шкивов; гидродинамическим и электромагнитным вспомогательными тормозами; ручным и дистанционным управлением.

 

1.1 Анализ конструкций  буровых лебедок отечественного  производства

 

Техническая характеристика наиболее распространенных буровых лебедок отечественного производства приведена в таблице 1.1 ([1], табл. 37).

 

Таблица 1.1 Техническая характеристика буровых лебедок

Показатели	У2-2-11	У2-5-5	ЛБУ-1100	ЛБУ-1700
Максимальное натяжение ведущей ветви каната, кН	210	273	250	340
Диаметр, мм: талевого каната бочки барабана тормозных шкивов	28 650 1180	32 800 1450	32 750 1450	35 835 1450
Длина бочки барабана, мм	840	1030	1350	1445
Число слоев каната на барабане	4	5	3	4
Мощность привода, кВт	662	809	809	1250
Число валов лебедки	2	3	1	1
Число прямых скоростей: коробки перемены передач лебедки ротора	3 6 3	4 5 4	3 6 3	3 6 3
Число обратных скоростей: коробки перемены передач лебедки ротора	1 2 1	4 4 4	1 2 1	1 2 1
Исполнение «быстрой» скорости	Зависимое	Независ.	Зависимое	Независ.
Тип вспомогательного тормоза	Гидравлический		Электро-магнитный	Гидравли-ческий
Ширина тормозной колодки, мм	230	230	230	230
Число слоев навивки каната на барабан	4	5	3	4
Масса, т	21,3	27,1	40,2	51,3

 

Наиболее простые по кинематической и конструктивной схеме одновальные однобарабанные лебедки (рисунок 1.1). Подъемный вал с барабаном 2 приводится непосредственно от коробки передач 1 двумя цепными передачами 3 к 4, которые попеременно включаются с помощью осевых фрикционных муфт. Благодаря двойной цепной передаче в лебедке в 2 раза больше скоростей, чем в коробке передач. Эти лебедки имеют значительно меньшую массу по сравнению с двух- и трехвальными, меньшие габариты и соответственно более легко выполняются их монтаж и демонтаж. Основной недостаток этой схемы — отсутствие катушечного вала и, как следствие, невозможность выполнения вспомогательных операций. Эта схема не используется в реально существующих конструкциях буровых лебедок по следующим причинам. Однобарабанные лебедки целесообразно применять в буровых установках большой грузоподъемности, для которых устанавливают вспомогательную лебедку в виде отдельного агрегата. Однако создать коробку передач большой необходимой мощности трудно. Лебедки малой и средней мощности по массе не вызывают особых затруднений в монтаже и транспортировке, поэтому их выполняют универсальными.

 

Рисунок 1.1 Схема одновальной лебедки

 

Лебедка У2-5-5 наиболее широко применяется в бурении. Она входит в комплект буровых установок БУ-4000. Кинематическая схема ее показана на рисунке 1.2. Это двухвальная однобарабанная лебедка со встроенным зубчатым редуктором и зубчатой коробкой передач, выполненной в виде отдельного агрегата и кинематически связанной с лебедкой карданными валами 6 и 9 (коробка передач на схеме не показана). Коробка передач сообщает лебедке все пять скоростей и может изменять направление вращения, что необходимо при работе с дизельным приводом.

Через карданный вал 9 и вал-шестерню (z = 27) зубчатое колесо (z =93) редуктора лебедки сообщает подъемному валу четыре первых скорости. Привод барабана лебедки 13 на этих скоростях включается путем пуска сжатого воздуха в спаренную шинно-пневматическую муфту 8. Параллельно через карданный вал 6, трансмиссионный вал 5 и цепную передачу со звездочками z = 25 и z = 28 от коробки передач сообщается подъемному валу независимая повышенная скорость V. Она включается шинно-пневматической муфтой 7 и предназначена в основном для подъема ненагруженного элеватора.

Вал 5 находится в постоянном вращении и передает движение через цепную передачу 4 со звездочками z =19 и z =35 катушечному валу 3, на котором смонтирована фрикционная катушка 1 с планетарной передачей 2. Вращение катушечного вала не зависит от включения шинно-пневматической муфты 7. От редуктора лебедки через шестерню (z = 44) мощность передается на трансмиссионный вал ротора 10. Далее через цепную передачу со звездочками z = 45 и z = 21 мощность передается на приводной вал ротора 12. Привод ротора включается в работу сдвоенной шинно-пневматической муфтой 11.