Министерство образования и науки Российской Федерации 3 страница

Рекомендации и последовательность операций: 1) при повторном расчете с измененными параметрами сетки конечных элементов по характеру изменения и расположению напряжений определить работоспособность конструкции. 2) Расчет также возможно проводить по модели, составляющей 1/4 часть гидроцилиндра. 3) Расчет провести для 3 положений поршня, при этом использовать инструмент «разделения поверхности» для разделения поршневой и подпоршневой части гидроцилиндра. 4) Рассчитать усилие на штоке.

Задача № 1.2.11 Расчет быстроходного вала ротора

Выполнить расчеты быстроходного вала ротора по исходным и расчетным данным, приведенным в вариантах задачи № 1.1.3 (таблица 3)

Выполнить чертеж вала в 2Д и 3Д, используя пакет программ KOMPAS или другую программу. Дополнительные данные приведены на схемах рисунке 14 и в таблице 11.

Таблица 11 – Исходные данные к задаче 1.2.11

Параметры	Вариант
Параметры	1	2	3	4	5	6
	3,05	3,05	3,61	3,61	3,895	3,81
	0,09	0,09	0,22	0,22	0,22	0,27
	0,245	0,245	0,44	0,44	0,44	0,54
	0,195	0,195	0,22	0,22	0,22	0,27
dА-А, м	0,096	0,096	0,14	0,14	0,14	0,15
dБ-Б, м	0,104	0,104	0,12	0,12	0,12	0,13
D1,м	0,22	0,22	0,36	0,36	0,36	0,42
D2, м	Кардан.	0,526	Кард.	0,744	Кардан.	Кард.
Материал на выбор Сталь 40Х: ; ; ; ; Сталь 20Х: ; ; ; ; В случае несоответствий выбрать из справочников другие стали

а)

б)

Рисунок 14 – Расчетные схемы ротора: а) с приводом через цепную передачу; б) с приводом через карданный вал.

Студентам предлагается в этой задаче 6 вариантов, составленных по параметрам быстроходного вала. Допускается решать коллективно по одному варианту группой из 4-5 студентов. Выбор варианта согласовывается с преподавателем.

Указания:

При использовании русифицированной версии программы MathCAD расчет проводится в следующей последовательности:

1. Ввод данных выполнить с присвоением размерностей на русском языке с предварительным указанием их эквивалентов на английском языке. Например: и т.д.

2. Определяют экваториальный () и полярный () моменты сопротивления расчетных сечений. В данном случае вал имеет в сечениях один шпоночный паз, поэтому:

(1.11.1)

3. Находят реакции в опорах от действующих нагрузок в вертикальной и горизонтальной плоскостях: от тангенциального, осевого и радиального усилий в контакте зубьев конической пары: , и ; в случае применения цепной передачи момента на ротор от усилия натяжения цепи . Эти усилия находят по формулам:

(1.11.2)

где – угол начального конуса конической шестерни, определяют как:

	(1.11.3)

где – передаточное число конической пары ротора (по таблице 11).

4. Определяют реакции опор и изгибающие моменты в характерных точках вала, строят эпюры изгибающих моментов в горизонтальной и вертикальной плоскостях и находят величину максимального изгибающего момента , действующего в расчетном сечении;

определяют напряжения изгиба и кручения

	(1.11.4)

находят запас статической прочности, для данного случая по формуле

(1.11.5)

где и – запасы прочности по нормальным и касательным напряжениям; – допускаемый запас прочности.

5. Находят коэффициенты асимметрии циклов нагружения вала. При изгибе можно принять (цикл симметричный), при кручении (цикл пульсирующий).

6. Определяют амплитуды напряжений по формулам

(1.11.6)

7. Находят средние напряжения циклов по формулам

(1.11.7)

8. Определяют коэффициенты снижения предела выносливости при изгибе:

(1.11.8)

где и – эффективные коэффициенты концентрации напряжений, - коэффициент, учитывающий шероховатость поверхности; – учитывает масштабный фактор; – учитывает упрочнение поверхности детали.

9. Перечисленные коэффициенты находят в справочной или учебной литературе на основе исходных данных задания.

10. Находят для рассматриваемого сечения по справочным данным и вводят в программу коэффициенты эквивалентности и , а также коэффициенты чувствительности к асимметрии цикла при изгибе и кручении .

11. Рассчитывают запас прочности по переменным напряжениям (запас выносливости) при изгибе по формуле:

(1.11.9)

12. Аналогичным образом находят значение запаса выносливости при кручении .

13. Общий запас прочности по переменным напряжениям находят из выражения:

(1.11.10)

14. При незначительном отклонении расчетных значений коэффициентов запаса статической прочности и выносливости от допускаемых целесообразно выполнение расчетов по определению вероятности безотказной работы вала, которая для вала ротора должна быть не ниже . Вероятностные расчеты ведут с определением квантили нормированного нормального распределения случайной величины, по которой находят табличное значение . Следует определить квантили нормированного нормального распределения случайных величин, которыми являются запас прочности или запас выносливости , по формуле (для случая оценки )

(1.11.11)

где , – коэффициенты вариации предела выносливости детали и нагрузки.

В случае вероятностной оценки запаса статической прочности в данной формуле вместо запаса выносливости должно присутствовать значение . Значение определяют из зависимости

(1.11.12)

где – коэффициент вариации предела выносливости деталей из материала одной плавки при отсутствии рассеяния ее размеров, обычно ; – коэффициент вариации, характеризующий межплавочное рассеяние пределов выносливости образцов деталей, обычно ; – коэффициент вариации теоретического коэффициента концентрации напряжений, приближенно принимают .

Коэффициент вариации нагрузки может достигать значения 0,3 и устанавливается исходя из опыта эксплуатации механизмов по отраслям. Для деталей нефтепромыслового оборудования .

По найденному значению находят табличное значение вероятности (см. в Приложении таблицу 1.5П).

Задача № 1.2.12 Проверочный расчет трансмиссионного вала трехпоршневого бурового насоса одностороннего действия.

Выполнить проверочный расчет на статическую прочность и выносливость и уточнить размеры трансмиссионного вала трехпоршневого бурового насоса одностороннего действия по расчетной схеме (рисунок 15) по вариантам, приведенным в таблице 12. По результатам расчета выполнить чертеж вала в 2D и 3D, используя пакет программ КОМПАС или в других средах автоматизированного проектирования. Исходные данные, приведенные в таблице 12: полезная мощность на трансмиссионном валу – , кВт; частота вращения вала , мин-1, диаметры вала и сечениях и , диаметр делительной окружности шестерни , диаметр приводного шкива клиноременной передачи , длина вала , расстояние между опорами, расстояния от ближайших опор и точек приложения нагрузок шестерни – и , и приводного шкива – . Нагрузка от массы приводного шкива – , консольная нагрузка от ременной передачи на вал – .

Таблица 12 – Исходные данные к задаче 1.2.12

Параметры	Варианты
Параметры	1	2	3	4	5
, кВт	475	600	750	950	1180
, об/мин	425	425	412	566	566
, мм	255	280	310	295	325
, мм	170	180	210	175	230
, мм	390	412	420	412	430
, мм	1120	1120	1120	1000	1000
, мм	2180	2180	2531	2574	2574
, мм	916	916	967	1200	1200
, мм	460	460	538	700	700
, мм	525	525	517	330	330
, кН	12,8	12,8	11,5	14,43	14,43
, кН	21,5	25,77	33,04	42,85	53,23

Рисунок 15 – Расчетная схема трансмиссионного вала трехпоршневого насоса одностороннего действия.

Вариант конструктивного исполнения трансмиссионного вала представлен на рисунке 16 (производитель – ВЗБТ).

Рисунок 16 – вал; 2 – шестерня; 3 и 4 – стакан; 5 – крышка; 6 – кольцо; 9 –втулка; 7, 8, 16 - 24 – крепежные детали,25 и 26 – шпонки.,

При расчетах принять: материал вала сталь 40ХН с показателями прочности , . Тип зубчатой передачи цилиндрическая шевронная с углом зацепления зубьев , углом наклона зубьев ْ.

Примечание: в этой задаче предлагается 5 вариантов, составленных по параметрам валов. Допускается решать коллективно по одному варианту группой из 4-5 студентов. Выбор варианта согласовывается с преподавателем

Указания:

При расчете трансмиссионного вала бурового насоса следует учесть, что на вал действуют следующие нагрузки (кроме заданных нагрузок):

- крутящий момент

(1.12.1)

где – заданная частота вращения n учтена с автоматическим преобразованием в секунды

- тангенциальная нагрузка, появляющаяся в зацеплении при работе насоса:

(1.12.2)

- радиальная составляющая нагрузки в зацеплении:

(1.12.3)

- осевая составляющая нагрузки в зацеплении

(1.12.4)

Далее расчет трансмиссионного вала выполняется по алгоритму, приведенному в предыдущей задаче.

1.3. Задачи по анализу и оценке работоспособности основных механизмов буровых установок, их сборочных единиц и деталей

Задача № 1.3.13 Расчет тяговой характеристики СПК

Выполнить расчет и построить график тяговой характеристики СПК буровой установки по вариантам, приведенным в таблице 13, если заданы следующие параметры буровой лебедки:

– расчетная мощность на входном валу лебедки, кВт;

– максимальное усилие в ведущей ветви талевого каната, кН

– число передач коробки скоростей подъема лебедки;

– кратность оснастки талевой системы;

– вес движущихся частей талевого механизма, кН;

, – соответственно минимальная и максимальная скорости подъема крюка, м/с;

– к.п.д. талевой системы.

Таблица 13 – Исходные данные к задаче 1.3.13

Показатели	Варианты (типы лебедок)
Показатели	Б7.02.00	ЛБ-750	Б12.02	ЛБУ22-720	ЛБУ-1200	ЛБУ37-1100	ЛБУ2000ПС	ЛБУ3000М
, кВт	300	550	550	720	710	1100	1475	2200
, кН	145	225	250	220	273	370	365	460
	4	4	2	6	5	4	2	3
	8	8	8	10	10	12	12	12
, кН	50	60	80	60	100	120	150	150
	0,874	0,874	0,874	0,849	0,849	0,825	0,825	0,825
, м/с	0,25	0,2	0,2	1,5	1,5	1,6	1,74	1,6
, м/с	1,8	1,8	1,56	0,19	0,19	0,18	0,28	0.33
Примечание* в этой задаче предлагается 8 вариантов, составленных по типам и параметрам лебедок Допускается решать коллективно по одному варианту группой из 3-4 студентов. Выбор варианта согласовывается с преподавателем

Указания.

Под тяговой характеристикой понимается зависимость , где – скорость подъема бурильной колонны на – той передаче; - предельная нагрузка на крюке на –той передаче. Тяговая характеристика играет исключительно важную роль в рациональном использовании мощности двигателя. Переключение скоростей коробки передач в строгом соответствии с тяговой характеристикой позволяет обеспечить минимальную продолжительность подъема бурильной колонны и предотвращать перегрузки лебедки и ее привода.

Для СПК с приводом от ДВС и электродвигателей переменного тока функция определяется на основе расчетов, исходя из следующих положений:

Если известны все значения частот вращения скоростей коробки передач, то расчет ведется по алгоритму:

(1.13.1)

(1.13.2)

где – частота вращения барабана лебедки на – той передаче; – расчетный диаметр навивки талевого каната на барабан, м, определяется по справочной литературе.

2) Если известно число передач , но частоты вращения неизвестны, то следует, исходя из граничных значений скорости крюка, определить знаменатель геометрической прогрессии по формуле: