Анализ существующих конструкций буровых лебедок

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 (рисунок 2.2). 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 2.2 Вал привода ротора в сборе

 

 

2. Расчетная часть

 

2.1 Расчет и  выбор параметров буровой лебедки

 

К основным параметрам буровых лебедок относятся мощность, скорости подъема, тяговое усилие, длина и диаметр барабана лебедки. От правильного выбора указанных параметров зависят производительность, экономичность, габариты и масса лебедки, которые существенно влияют на эффективность бурения, транспортабельность и монтажеспособность всей буровой установки.

Определяем скорость ходовой струны каната на i-ой скорости по известной зависимости

 

(2.1.1)

 

где vi – скорость подъема на i-ой скорости, м/с;

iт.с – кратность оснастки.

По ([3], табл. II.3)iт.с = 14.

Максимальная скорость подъема ограничивается безопасностью управления процессом подъема и предельной скоростью ходовой струны, при которой обеспечивается нормальная навивка каната на барабан лебедки. Для предотвращения затаскивания талевого блока на кронблок из-за ограниченного тормозного пути скорость подъема крюка, согласно требованиям безопасности, не должна превышать 2 м/с.

Для талевых механизмов с кратностью оснастки принимаем tт.с˂10 vmax=2,0 м/с.

Минимальная скорость подъема — резервная и используется для технологических целей: при расхаживании колонн бурильных и обсадных труб; при ликвидации осложнений и аварий, связанных с затяжкой и прихватом бурильных труб; при подъеме колонны труб через закрытые превенторы; при подъеме колонны труб в случае отказа одного из двигателей привода лебедки. Величина минимальной скорости подъема принимается в установленных практикой бурения пределах: vmin=0,2 м/с.

Отношение предельных скоростей определяет диапазон регулирования скоростей подъема лебедки:

 

(2.1.2)

 

Промежуточные скорости подъема определяются из геометрического ряда чисел

 

(2.1.3)

 

где φ-знаменатель геометрической прогрессии.

 

(2.1.4)

 

где k — число передач.

Разбивка скоростей в геометрической прогрессии позволяет обеспечить относительно равное изменение смежных скоростей, и поэтому большая часть скоростей располагается в зоне низших передач, используемых для подъема колонн бурильных и обсадных труб сравнительно большего веса. Наряду с этим геометрический ряд передач позволяет сохранить степень загрузки буровой лебедки при переходе с одной передачи на последующую.

В соответствии с числом передач прототипа, принимаем k = 6.

 

 

 

Итак, определяем промежуточные скорости подъема:

-вторая скорость

 

 

-третья скорость

 

 

-четвертая скорость

 

 

-пятая скорость

 

 

-шестая скорость окончательно

 

 

Определяем скорости ходовой струны каната:

-первая скорость

 

 

-вторая скорость

 

 

-третья скорость

 

 

-четвертая скорость

 

 

-пятая скорость

 

 

-шестая скорость

 

Диаметр барабана выбираем в зависимости от диаметра талевого каната:

 

(2.1.5)

 

где dк-диаметр каната, м.

В соответствии с диаметром каната dк=32 мм ([3], табл. 11.3), применяемом на прототипнойлебедке принимаем dк=32 мм.

 

 

Принимаем Dб=740 мм.

Диаметр конечного слоя навивки каната на барабан

 

(2.1.6)

 

где α=0,93 — коэффициент, учитывающий уменьшение диаметра навивки вследствие смещения каната в промежутки между витками нижнего слоя;

К-число слоев навивки.

В соответствии с числом слоев навивки К=3([3], табл. 11.3), применяемом на прототипнойлебедке принимаем К=3.

 

 

По допускаемым отклонениям ходовой струны талевого каната длину барабана выбираем в пределах

 

(2.1.7)

 

где lб- длина барабана, м;

Н – расстояние между осями подъемного вала буровой лебедки и направляющего шкива кронблока, м.

Принимаем Н примерно равной высоте буровой вышки Н=45 м.

 

 

Принимаем lб=1500мм.

 

2.2 Расчеты на  прочность

 

Расчеты на прочность деталей и узлов лебедки выполняются по тяговому усилию, возникающему при допускаемой нагрузке на крюке, с учетом веса подвижных частей талевого механизма, кратности оснастки и потерь на трение при подъеме.

Определяем наибольший крутящий момент Мкр на подъемном валу лебедки:

 

(2.2.1)

 

где N – номинальная приводная мощность лебедки, Вт;

ωб – угловая скорость вращения барабана, с-1.

Принимаем N = 900*103 Вт.

Угловая скорость вращения барабана определится по формуле

 

(2.2.2)

 

 

Зная максимальный диаметр навивки каната на барабане Dк и наибольший крутящий момент Мкр на подъемном валу лебедки можно вычислить натяжение ведущей ветви каната

 

(2.2.3)

 

2.2.1 Расчет на  прочность барабана лебедки

После выбора конструкции и определения основных размеров, барабана необходим его расчет на прочность. При навивке каната в стенках бочки барабана возникают напряжения сжатия, изгиба и кручения. В связи с тем что осевой и полярный моменты сопротивления сечения барабана большие, напряжения изгиба и кручения, возникающие в стенке барабана, несущественны. Поэтому расчет проводят только по напряжениям сжатия ([1], с.309)

 

(2.2.1.1)

 

где Рв - натяжение ведущей ветви каната, Н;

s — толщина стенки  бочки барабана, м;

А — коэффициент, зависящий от числа навиваемых слоев и других факторов;

[σсж]-допустимые напряжения сжатия, Па.

Принимаем по аналогии с прототипом s = 80 мм = 0,08 м.

Допустимые напряжения сжатия материала бочки барабана [σсж]=500МПа ([1], табл. 6), считая, что бочка барабана изготовлена из углеродистой стали 30.

При числе слоев навивки К=3 коэффициент А равен([1], с. 309):

 

(2.2.1.2)

 

где λ — коэффициент, зависящий от диаметра каната, модуля его упругости Ек и толщины стенки барабана

 

(2.2.1.3)

 

где Е = 2,1*105 МПа —модуль упругости стали;

Ек- модуль упругости каната, МПа.

 

(2.2.1.4)

 

где а=0,33…0,35 ([1], с.157).

 

 

 

 

Условие прочности выполняется.

 

2.2.2 Расчет венца  цепного колеса

Рассчитаем и сконструируем ведомое цепное колесо (поз. 1 Приложение А) передачи «тихой» скорости (поз. 3 рисунок 1.4). Посредством этой передачи подъемному валу лебедки сообщаются I, II и III «тихие» скорости.

В передаче применена стандартная приводная роликовая трехрядная цепь по ГОСТ 13568.

Известны числа зубьев звездочек передачи: ведущее колесо z1 = 21, ведомое колесо z2 = 81.

Определяем передаточное число передачи

 

(2.2.2.1)

 

Определяем максимальный (на I скорости) крутящий момент на малой звездочке М1

 

(2.2.2.2)

 

Частота вращения барабана определится по формуле

 

 

Определяем коэффициент эксплуатации цепи

 

(2.2.2.3)

 

где kД - коэффициент, учитывающий динамичность передаваемой нагрузки;

kа - коэффициент, учитывающий длину цепи (межосевое расстояние);

kр - коэффициент, учитывающий способ регулировки натяжения цепи;

kн - коэффициент, учитывающий наклон передачи к горизонту;

kс - коэффициент, учитывающий качество смазки передачи и условия ее работы;

kреж - коэффициент, учитывающий режим работы передачи.

Определяем значения коэффициентов:

kД = 1,0 при равномерной нагрузке ([4], табл. 3.3.2);

kа = 0,80 ([4], табл. 3.3.3);

kр = 1,25 для нерегулируемой передачи ([4], табл. 3.3.4);

kн = 1,0 при наклоне линии центров до 600;

kс= 1,0 ([4], табл. 3.3.6);

kреж = 1,45 при круглосуточной работе ([4], табл. 3.3.8).

 

 

Определяем предварительно шаг цепи

 

(2.2.2.4)

 

где [р]-допускаемое давление в шарнирах, МПа;

m-число рядов цепи.

По ([5], табл. 5.15) принимаем [р]=20 МПа.

 

 

Принимаем по ([4], табл. 3.1.1) параметры цепи: шаг цепи tц=38,1 мм, диаметр валика d=11,10 мм, длина втулки B=148,88 мм, разрушающая сила F=381 кН.

Скорость цепи

 

(2.2.2.5)

 

Окружное усилие

 

 

(2.2.2.6)

 

Сила, нагружающая подъемный вал

 

(2.2.2.7)

 

Рассчитываем профиль зубьев звездочки цепного колеса согласно ГОСТ 591-69, как профиль без смещения центров дуг впадин (рисунок 2.1).

 

Рисунок 2.1 Профиль зубьев без смещения центров дуг впадин.

 

Диаметр делительной окружности

 

(2.2.2.8)

 

Коэффициент высоты зуба по([4], табл. 3.5.2) к=0,575.

Диаметр окружности выступов

 

(2.2.2.9)

 

Радиус впадины

 

(2.2.2.10)

 

Диаметр окружности впадин

 

(2.2.2.11)

 

Радиус сопряжения

 

(2.2.2.12)

 

Половина угла впадины

 

(2.2.2.13)

 

Угол сопряжения

 

(2.2.2.14)

 

Половина угла зуба

 

(2.2.2.15)

 

 

Радиус головки зуба

 

(2.2.2.16)

 

Прямой участок профиля

 

(2.2.2.17)

 

Расстояние от центра дуги впадины до центра головки зуба

 

(2.2.2.18)

 

Рассчитываем размеры зубьев и венцов цепного колеса (см. рисунок 2.2).

 

Рисунок 2.2. Размеры зубьев и венца.

 

Радиус закругления зуба

 

(2.2.2.19)

 

Расстояние от вершины зуба до линии центров дуг закруглений

 

(2.2.2.20)

 

Диаметр обода наибольший

 

(2.2.2.21)

 

Ширина зуба звездочки

 

(2.2.2.22)

 

Ширина венца многорядной звездочки

 

(2.2.2.23)

 

Остальные размеры венца назначаем конструктивно.