Задача № 1.3.17 Расчет барабана и тормозного шкива лебедки
Выполнить расчет бочки барабана и тормозного шкива лебедки по исходным данным, приведенным в таблице 16, где – расчетная мощность на входном валу лебедки, кВт; – максимальное усилие в ведущей ветви талевого каната, кН; – диаметр талевого каната; – кратность оснастки талевой системы; – вес движущихся частей талевого механизма, кН.
Определить основные параметры и размеры. По полученным данным выполнить чертежи барабана и шкива 2D и 3D, пользуясь пакетами программ KOMPAS или в других средах автоматизированного проектирования.
Таблица 16 – Исходные данные к задаче 1.3.17
Показатели | Варианты (типы лебедок) | ||||||||||
Б7.02.00 | ЛБ-750 | Б12.02 | ЛБ22-720 | ЛБУ- 1200 | ЛБУ37-1100 | ЛБУ 2000ПС | ЛБУ 3000-М1 | ||||
, кВт | 300 | 550 | 550 | 720 | 710 | 1100 | 1475 | 2200 | |||
, кН | 145 | 225 | 250 | 220 | 273 | 370 | 365 | 460 | |||
, мм | 25 | 28 | 28 | 28 | 32 | 32 | 35 | 38 | |||
8 | 8 | 8 | 8 | 10 | 12 | 12 | 12 | ||||
, кН | 50 | 60 | 80 | 60 | 100 | 120 | 150 | 180 | |||
Материал | Сталь30 | 20ХГ | Сталь 35Л | 40Г2Л | |||||||
Примечание: в этой задаче предлагается 8 вариантов, составленных по параметрам буровых лебедок. Допускается решать коллективно по одному варианту группой из 2 -3 студентов. Выбор варианта согласовывается с преподавателем
| |||||||||||
Указания:
1. Геометрические параметры барабана определяются из следующих соотношений:
- диаметр барабана
(1.17.1) |
где – диаметр каната.
Для больших глубин
(1.17.2) |
- длина барабана
(1.17.3) |
для мощных лебедок
(1.17.4) |
или можно исходить из соотношения
(1.17.5) |
где – число витков каната в ряду, , – зазор между витками .
Правильность выбранной длины барабана проверяют по формуле:
(1.17.6) |
где – расстояние между осями кронблока и подъемного вала, м. В формуле приведены значения угла девиации (отклонения каната от средней линии);
- канатоемкость барабана
(1.17.7) |
где – наружный диаметр навивки каната на барабане, находят его по формуле:
(1.17.8) |
где – коэффициент смятия и укладки каната; – число слоев каната, можно принять для расчетов .
- диаметр реборд и тормозных шкивов:
(1.17.9) |
- ширина шкивов в зависимости от типа лебедки;
- толщина стенок может быть принята и проверена на прочность.
2. Расчет стенки барабана на прочность ведут, рассматривая его как толстостенный сосуд.
Наружная и внутренняя поверхности сосуда испытывают напряжения от воздействия внешней нагрузки – натяжения ведущей струны каната. Напряжения на волокнах внутренней поверхности бочки барабана можно определить по формуле:
(1.17.10) |
а на наружной поверхности – по формуле
|
|
(1.17.11) |
где: – удельная нагрузка на барабан от натяжения ведущей струны при 3-х слойной навивке, определяется как:
(1.17.12) |
где: – наружный радиус барабана; – шаг навивки;
– коэффициент числа слоев навивки каната на барабан (в данном случае при трех слоях); – коэффициент влияния площадей сечений и упругости каната и барабана, где – площадь сечения берется по ГОСТ16853-71; – площадь сечения бочки барабана на длине шага; – толщина стенки, мм.
Для определения запаса прочности барабана находят эквивалентные напряжения: по внутренней поверхности
(1.17.13) |
и по наружной поверхности (по энергетической теории прочности)
(1.17.14) |
из двух значений напряжений выбирают максимальное, тогда запас прочности .
Проверяют предельное состояние формы бочки барабана по критической нагрузке:
(1.17.15) |
при надо усилить стенки ребрами; где – удельная нагрузка от максимального натяжения каната, где – допускаемая нагрузка лебедки; - кратность талевой системы.
Рисунок 17 – Барабан лебедки типа ЛБ-750
Пример вычерчивания барабана приведен на рисунке 17.
Задача № 1.3.18 Расчет основной опоры вертлюга
Определить ресурс основной опоры вертлюга при бурении скважин с типовой глубиной , м. Заданы: тип вертлюга, тип подшипника, его базовые значения динамической и статической грузоподъемности, усредненные значения веса 1 м бурильной колонны , общей длины УБТ , веса 1 м УБТ ; плотности бурового раствора , давления насоса , осевой нагрузки на долото , средняя механическая скорость бурения . Диаметр отверстия напорного сальника вертлюга . За расчетный режим работы подшипника принять рекомендуемый в литературе [3]: среднюю частоту вращения ствола вертлюга , срок службы или циклов.
Варианты задачи приведены в таблице 1.12.
Указание по решению
1. Определить среднюю расчетную динамическую нагрузку на опору
(1.18.1) |
2. Найти расчетную эквивалентную нагрузку, действующую на основную опору
(1.18.2) |
где при температуре 1000С, – коэффициент режима работы; коэффициент эквивалентности нагрузки ; – кинематический коэффициент упорных подшипников при осевой нагрузке.
Таблица 17 – Исходные данные к задаче 1.3.18
Параметр | Вариант | ||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
, м | 1600 | 2500 | 3200 | 4000 | 5000 | 6500 | 6500 | 8000 | 2500 |
Тип вертлюга | БУ-75 | ШВ-14-160М | УВ-250МА | УВ-250МА | УВ-320 | УВ-320 | УВ-450 | УВ-450 | УВ-250МА |
Тип подшипника | Сфер. | Сфер. | Кон. | Кон. | Кон. | Кон. | Кон. | Кон. | Кон. |
, МН | 4,62 | 6,9 | 8,27 | 8,27 | 9,55 | 9,55 | 14,62 | 14,62 | 8,27 |
, МН | 1,89 | 2,32 | 3,51 | 3,51 | 4,23 | 4,23 | 6,16 | 6,16 | 3,51 |
Примечание: в таблице предлагается 9 вариантов, составленных по глубине бурения и типам вертлюгов. Допускается решать коллективно по одному варианту группой из 3-4 студентов. Выбор варианта согласовывается с преподавателем |
3. Найти требуемую по стандарту АНИ динамическую грузоподъемность подшипника основной опоры по формуле:
(1.18.3) |
где 1,9 – коэффициент, уточняющий влияние требований безопасности, надежности, а также эквивалентности нагрузки;
4. Определить базовую статическую осевую нагрузку по формуле:
(1.18.4) |
где – коэффициент надежности при статическом нагружении; – разрывная прочность бурильных труб; – максимальная статическая нагрузка, принимают за нее паспортную грузоподъемность вертлюга;
4. Проверить соответствие подшипника условиям:
(1.18.5) |
Если эти условия не соблюдены, то должно быть принято решение о замене вертлюга или подшипника;
5. Определить суммарное число оборотов подшипника за весь срок службы при расчетной нагрузке:
(1.18.6) |
где – показатель степени кривой усталости, для шарикоподшипников , для роликоподшипников .
6. Найти суммарное число оборотов бурильной колонны за время бурения заданной скважины
|
|
(1.18.7) |
7. Определить число скважин, которые можно пробурить с использованием одного вертлюга до исчерпания его ресурса:
(1.18.8) |
Ниже на рисунке 18 приведен пример расчетов по задаче.
Рисунок 18 – Пример расчета по задаче № 1.3.18
Задача № 1.3.19 Поверочный расчет выбранного подшипника основной опоры стола ротора
Выполнить поверочный расчет выбранного подшипника основной опоры стола ротора. Исходные данные: тип ротора, тип подшипника, его статическая и динамическая грузоподъемности, глубина бурения типовой скважины , вес вращающихся частей стола ротора , – диаметр делительной окружности зубчатого колеса конической передачи м. Заданы также усредненные значения веса 1 м бурильной колонны , общей длины УБТ , веса 1 м УБТ ; плотности бурового раствора , осевой нагрузки на долото , средняя механическая скорость бурения . Длина свечи . За расчетный режим работы подшипника принять рекомендуемый в литературе [3]; среднюю частоту вращения ствола вертлюга , срок службы или циклов.
Варианты задачи приведены в таблице 18.
Таблица 18 – Исходные данные к задаче 1.3.19
Параметры | Варианты | |||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |||
, м | 1600 | 2500 | 3200 | 4000 | 5000 | 6500 | 8000 | 10000 | ||
Тип ротора | БУ50 БР (Р-450) | УР-520-3 | Р-560 | Р-700 | УР-760 | Р-950 | Р-1260 | Р-1260 | ||
, кН | 4,93 | 11,04 | 14,59 | 15 | 15,51 | 23,63 | 25,17 | 25,17 | ||
м | 860 | 1080 | 1120 | 1300 | 1360 | 1580 | 1890 | 1890 | ||
Тип подшипника | Шарикоподшипники упорно - радиальные | |||||||||
71682/ 560г | 91682/ 670г | 1681/ 670х | 1687/ 770х | 91682/ 750х | 1687/ 1060 | 1687/ 1400 | 1687/ 1400 | |||
Размер тела качения , мм* | 44,45 | 69,85 | 76,2 | 76,2 | 76,2 | 63.5 | 63,5 | 63,5 | ||
Количество тел качения * | 37 | 30 | 29 | 31 | 34 | 48 | 62 | 62 | ||
Коэффициент * | 67,3 | 70,7 | 70,7 | 70,7 | 67,3 | 63,3 | 58,2 | 58,2 | ||
, МН | 2,58 | 5,17 | 8,42 | 9,0 | 9,0 | 9,67 | 12,5 | 12,5 | ||
, МН | 0,31 | 0,52 | 1,03 | 1,06 | 1,06 | 0,98 | 1,09 | 1,09 | ||
Примечания: 1. Отмеченные звездочкой параметры не используются в связи с тем, что значения грузоподъемности подшипников заданы. 2. В таблице предлагается 8 вариантов, составленных по глубине бурения и типам роторов. Допускается решать коллективно по одному варианту группой из 3-4 студентов. Выбор варианта согласовывается с преподавателем
|
а) |
б) |
а) на основную опору; б) от вкладышей ротора на ведущую трубу
Рисунок 19 – Схемы действия нагрузок на элементы бурового ротора
Алгоритм расчета долговечности основной опоры ротора для программы MathCAD:
1. Ввести все исходные расчетные параметры, заданные условиями задачи, с присвоением заданных численных значений, также – мощность привода ротора максимальную, кВт, приняв из Приложения Б по таблице 2П.
– сторона квадрата ведущей трубы.
2. Ввести расчетные коэффициенты с присвоением рекомендуемых в литературе [3] численных значений: при температуре 1000С, – коэффициент режима работы; – кинематический коэффициент упорных подшипников. – коэффициент приведения при радиальной нагрузке; – коэффициент приведения при осевой нагрузке.
– коэффициент геометрии деталей подшипника; – показатель степени кривой усталости материала – коэффициент, учитывающий свойства материла и условия работы подшипника, – коэффициент, учитывающий угол искривления скважины.
3. Ввести расчетные формулы по определению действующих нагрузок:
- максимального крутящего момента на столе ротора с учетом автоматического преобразования программой минут в секунды:
(1.19.1) |
- максимального окружного усилия в месте контакта ведущей трубы с вкладышами ротора
(1.19.2) |
Где – расстояние между точками приложения пары сил, (по рисунку 19)
Силы трения ведущей трубы о вкладыши ротора, при коэффициенте трения .
(1.19.3) |
- вес вращающейся бурильной колонны:
(1.19.4) |
- максимального веса бурильной колонны в статичном положении, подвешенном на клиньях
(1.19.5) |
- максимальная осевая нагрузка на опору при вращении колонны в процессе бурения:
(1.19.6) |
Радиальная нагрузка на опору:
(1.19.7) |
Приведенная эквивалентная нагрузка на опору:
(1.19.8) |
Запас динамической грузоподъемности основной опоры ротора по сравнению с допускаемой:
(1.19.9) |
- запас статической грузоподъемности на основную опору ротора
(1.19.10) |