При проведении спуско – подъёмных операций на вышку действуют усилия, отличающиеся по величине, направлению и точкам приложения. Нагрузки можно разделить на две группы: а) вертикальные и б) горизонтальные.
Вертикальные нагрузки образуются от действия следующих сил: а) масса наибольшего груза на крюке Q1 (масса труб, штанг и жидкости в насосных трубах в случае заклинивания плунжера глубинного насоса); б) нагрузка от возможного прихвата труб – Q2; в) нагрузка от натяжения ходового Рх и мёртвого Рм концов каната; г) масса подвижного наземного оборудования Qп, которая слагается из массы талевого блока, крюка, штропов, элеватора и висящей на кранблоке части талевого каната; д) масса неподвижного наземного оборудования – кронблока Qн.
Таким образом, общая расчётная вертикальная нагрузка составляет
Q = Q1 + Q2 + Рх + Р1 + Qn + Qн, (69)
Масса наибольшего груза на крюке Q1, равна:
Q1 = q×L, (70)
где q - масса 1 погонного метра труб, штанг и жидкости в кг;
L – длина колонны, м.
Q2 = к× Q1, (71)
где к – коэффициент, учитывающий увеличение нагрузки от прихвата (принимается к = 0,25).
|
|
Рх = Рм = (Qк + Qп) / n, (72)
где Qк = Q1 + Q2 – нагрузка на крюке;
n – число струн подвижных роликов блока.
Если мёртвый конец крепится к талевому блоку, то
Рх = (Qк + Qп) / n + 1, (73)
Рисунок 88-Схема талевой системы
Масса талевого блока, крюка, штропов и т.д. определяется по паспортным данным, массу самой вышки считают условно приложенной к её вершине.
Горизонтальные нагрузки, действующие на вышку складываются из: а) ветровой нагрузки; б) горизонтальной составляющей от массы труб, если трубы устанавливаются за палец; в) горизонтальной составляющей от натяжения ходового конца каната.
Ветровая нагрузка определяется по формуле:
Рв = q×F×b×K, (74)
где q – удельное давление ветра, н/м2, то есть давление силы ветра на единицу вертикальной площади, нормальной к направлению ветра;
F - площадь грани вышки, м2;
b - коэффициент парусности стержней одной грани вышки к её общей площади (b = 0,15 для трубчатых вышек, для вышек из профильного проката – 0,4);
К – коэффициент, учитывающий давление ветра на 1 или 2 грани одновременно (если вышка обшита полностью, то К = 1, если нет, К = 0,8).
F = (В +в)/2×Н
где В и в - соответственно длины нижнего и верхнего оснований, м;
Н – высота вышки, м.
Рисунок 89-Схема оснований вышки
Удельное давление или скоростной напор ветра (q) принимают равным 8,4 МПа (ураганный ветер), когда не производят спуско – подъёма, и равным 2,5 МПа в нормальном состоянии (при ветре 8 – 9 баллов работать нельзя).
Горизонтальная составляющая от массы труб (трубы устанавливаются под углом µ = 80 – 90 ° к горизонту) определяется из условия равенства моментов от массы труб и реакции верхней опоры В относительно точки А, то есть
|
|
Q1×х = Qr×h
Qr = Q1×(х/2)
Если l – длина свечи, то
Х = ½ l×cosµ, h =l×sinµ
Qr = Q1(l/2×cosµ)/(l×sinµ) = ½Q1×ctgµ
Рисунок 90-Схема к расчету горизонтальной составляющей от массы труб
Горизонтальная составляющая от натяжения ходового каната определяется по формуле:
Рr = Px×cosµ
где µ - угол между ходовым концом и горизонтом.
Рисунок 91-Схема к расчету каната
Расчёт вышки на вертикальную нагрузку.
Нагрузка через кронблок, в общем случае, направлена к вертикали под углом. Тогда вертикальная составляющая:
Qв = Q×cosµ
Вертикальные реакции от силы Qв в каждой ноге вышки равны (рисунок 92):
Р = (Q×cosµ)/4 (75)
Рисунок 93-Схемы к расчету вышки
В диагональных плоскостях пирамиды нагрузки по каждой ноге распределяется так:
Рн¢ Р/sing = Q×cosµ/4sing, (131) g
где g - угол между ногой и горизонтальной плоскостью.
В плоскости верхней рамы по диагонали ВС будет действовать сила
Р2 = Р× ctgg = (Q× cosµ)/4× ctgg
По каждому из стержней ВВ, В С, ВС будет действовать сила
Рс = Р2× cos45°
Собственная масса вышки – Qв, распределяется равномерно на 4 ноги и наибольшую нагрузку будут испытывать ноги в нижней части.
Усилие в каждой ноге от собственной массы составит:
Рн² = Qв/4×sing
Полная нагрузка на ногу вышки в нижней части:
Рн = Рн¢ + Рн² = Q× cosµ/4×sing + Qв/4×sing = Q× cosµ + Qв / 4×sing
Составляющая силы Рн по вертикали
Р¢ = Рн× sing = ¼(Q× cosµ + Qв)
Горизонтальная Р2¢ силы Рн, действующая по диагонали к плоскости нижней рамы, равна:
Р2¢ = Рн× cosg = ¼(Q× cosµ + Qв) ctgg
Расчёт ног вышки ведётся в следующей последовательности.
Ноги вышки испытывают следующие деформации: а) сжатие – от собственной массы и вертикальных нагрузок; б) изгиб – от ветровых и горизонтальных нагрузок; в) динамические нагрузки от вибраций, ударов и т.д.
Приближённо ноги рассчитывают на продольный изгиб, предполагая, что они обладают малой гибкостью.
Критическая сила определяется по формуле Эйлера:
Ркр = p2×Е×J/m×l2,
где Е – модуль упругости материала, МПа (сталь 0,2×106);
m – коэффициент запаса прочности (для стали m = 4 ¸ 5);
l – длина участка ноги между поясами, м;
J - наименьший экваториальный момент инерции, м4. для круглого сечения
J = pd4/64» 0.05 d4
Расчёт вышки на горизонтальную нагрузку производится известным способом, путём построения диаграммы Кремоны.
Расчёт оттяжек.
Оттяжки ставят для предотвращения опрокидывания вышки при сильных ветрах. Для устойчивости вышки необходимо условие:
Qв×в/2 > Rh
где Rh – опрокидывающий момент;
В – длина основания по одной грани, м;
Qв – масса вышки, кг;
R – результирующая сила осевого давления на грань вышки, которую можно принять равной F×q (F – площадь грани (В + в)/2×Н, q – удельное давление ветра, МПа), н;
h – расстояние от точки приложения силы R, которая будет находиться от нижнего основания на расстоянии, равном 1/3 Н (В + 2в)/(В + в), то есть в центре тяжести грани;
где Н – высота вышки, м;
В – длина нижнего основания, м;
в – длина верхней рамы, м.
Рисунок 93-Схема сил в оттяжках
Обозначим: Т – усилия в двух оттяжных канатах, н;
h = 1,5 ¸ 2 - коэффициент устойчивости;
µ - угол наклона оттяжек к горизонту, градус;
l – расстояние от ребра до оттяжки, м;
l1 – плечо силы, м;
g - угол наклона оттяжных канатов к горизонту в плоскости оттяжек, градус.
Сумма моментов относительно точки АА1 равна:
Qв×В/2 + Тlsinµ= Rhh (так как l1 = l×sinµ (76)
Откуда
Т = (Rhh - Qв×В/2) / l×sinµ (77)
Если оттяжек две, то в каждой из них усилие равно:
Т1 = Т / 2×sinµ (78)