2020-04-12
157
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) |
