Модернизация бурового барабана лебедки агрегата А-50 для капитального ремонта КРС нефтяных и газовых скважин-Дипломная работа-Оборудование для капитального ремонта, обработки пласта, бурения и цементирования нефтяных и газовых скважин

Модернизация бурового барабана лебедки агрегата А-50 для капитального ремонта КРС нефтяных и газовых скважин-Дипломная работа-Оборудование для капитального ремонта, обработки пласта, бурения и цементирования нефтяных и газовых скважин
Установка А50

1) Разбуривания цементной пробки в трубах от 5 до 6 дюймов и связанных с этим процессом операций (спуска и подъёма бурильных труб, промывки скважин и т. д.);
2) Спуска и подъема насосно-компрессорных труб;
3) Установки эксплуатационного оборудования на устье скважин;
4) Проведение ремонтных работ и работ по ликвидации аварий;
5) Проведение буровых работ.
Установка А50 предназначена для работы в условиях умеренного и холодного макроклиматических районов по ГОСТ 16350-80. Климатическое исполнение - «У» при температуре окружающего воздуха от минус 45°С до плюс 40°С [23]. Технические характеристики агрегата А50 представлены в таблице 1.4
 Все механизмы установки, за исключением промывочного насоса, монтируются на шасси автомобиля КрАЗ-65101. При согласовании с заводом-изготовителем шасси и Госстандартом могут использоваться шасси другого наименования и исполнения. В качестве привода используется ходовой

ПАТЕНТНАЯ ПРОРАБОТКА

2.1 Пневматическая муфта

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к фрикционным муфтам с пневматическим приводом. Цель изобретения – упрощение конструкции путем совмещения элементов пневмопривода с функциями элементов передачи крутящего момента [25]. Для этого ведущий обод 1 с коническими поверхностями 3 и 4 выполнен за одно целое с цилиндром пневмопривода, а ведомые полумуфты 6 с коническими поверхностями 8 и 9 выполнены за одно целое с поршнями пневмопривода. Воздух через штуцер 12 и каналы 5 поступает в подпоршневые полости муфты. Полумуфты 6 перемещаются до фрикционного сцепления конических поверхностей 8 и 9 с поверхностями 3 и 4. В результате этого крутящий момент передается с обода 1 на полумуфты 6 и вал 14.
Цель достигается тем, что во фрикционной муфте, содержащей концентрично установленные внутреннюю и наружную полумуфты, пневматическую камеру включения, размещенную на внутренней полумуфте, на торцах несущих элементов которой выполнены фрикционные накладки, камера включения выполнена в виде упругих металлических дисков и перегородки сильфонного типа, герметически связанных по внешним кромкам.
Крутящий момент с наружной полумуфты передается на внутреннюю полумуфту. Для выключения муфты достаточно сбросить давление воздуха во внутреннем объемепневматической камеры включения внутренней полумуфты. При этом несущие элементы 6 и 7 под действием упругих сил первоначальное положение и , тем самым, обеспечат наличие воздушного зазора между фрикционными накладками 8 и 9 внутренней полумуфты и опорными поверхностями 3 и 4 наружной полумуфты.
Конструкция фрикционной муфты проста, надежна в эксплуатации. При ее работе минимальное число деталей испытывает рабочее напряжение и имеет хорошую уравновешенность. Это позволяет иметь в муфте минимальные зазоры между сопрягаемыми поверхностями полумуфт, обеспечить уменьшение габаритных размеров в осевом и радиальном направлениях.
Недостатком данной конструкции является сложность в изготовлении, высокие требования при монтаже. Конические поверхности трения при небольшом перекосе или износе будут иметь не полную площадь контакта, что в свою очередь приведёт к снижению фактического передаваемого момента, в отличие от муфт с вертикальными и горизонтальными поверхностями трения. Также в процессе работы возможен износ уплотнения, вследствии чего воздух будет поступать в полость между дисками сцепления и приведёт к срыву работы.

Рисунок 2.1.1 Муфта пневматическая

Конструкцию фрикционной муфты можно использовать в качестве дискового тормоза и в качестве муфты сцепления.         
2.2 Фрикционная муфта

Изобретение относится к машиностроению, в частности к фрикционным муфтам пневматического типа [27].
Известна пневматическая фрикционная муфта, содержащая наружную и внутреннюю полумуфты, имеющие два закрепленных на втулке внутренними краями упругих гофрированных кольца, связанных между собой через фрикционные диски, и упругий по оси цилиндр, образующий пневматическую полость.
Недостатками ее являются низкая нагрузочная способность и малый срок службы.
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является пневматическая фрикционная муфта, содержащая концентрично установленные наружную и внутреннюю полумуфты.
На ступице внутренней полумуфты выполнена пневматическая камера включения, образованная торцовыми несущими упругими элементами, на которых размещены фрикционные накладки и, которые герметично связаны по внешнему диаметру упругим цилиндрическим элементом. Камера подсоединена через каналы, выполненные в ступице с пневмосетью.
Недостатком известной конструкции является то, что из-за упругой связи фрикционных накладок с внутренней полумуфтой возможен их радиальный сдвиг и осевой перекос относительно опорных поверхностей наружной полумуфты, что приводит к ненадежной работе муфты и росту ее осевых и габаритных размеров.
Фрикционная муфта содержит концентрично установленные наружную 1 и внутреннюю 2 полумуфты. Наружная полумуфта выполнена в виде стаканообразного обода с внутренними опорными поверхностями 3 и 4. Внутренняя полумуфта 2, расположенная между опорными поверхностями 3 и 4, содержит ступицу 5 и пневматическую камеру включения, образованную торцовыми несущими элементами 6 и 7 с фрикционными накладками 8, 9 и перегородкой сильфонного типа, которая выполнена из стенок 10 и 11. 5.

 Рисунок 2.2.1 Муфта фрикционная

Несущие элементы изготовлены из металлических дисков. Стенки перегородки жестко связаны по внутреннему диаметру между собой, по внешнему – по примыкающим кромкам 12 и 13. Пневматическая камера включения связана с пневмосетью через камеры 14 и 15, выполненные в ступице 5.
Для охлаждения муфты и выноса продуктов износа при работе, на фрикционных накладках 8 и 9 выполнены радиальные канавки 16, а на цилиндрической части 17 наружной полумуфты выполнено отверстие 18. С этой же целью поверхность ведущей полумуфты может быть оребрена.
Внутренняя полумуфта может иметь дополнительные диски 19 20, которые препятствуют чрезмерной деформации несущих элементов 6 и 7 при больших давлениях в пневмосистеме.
Фрикционная муфта работает следующим образом.
При включении муфты, давление воздуха, поданного по каналам 14 и 15, распирает соответствующим образом за счет механизма включения сильфонного типа, внутренний герметичный объем пневматической камеры включения внутренней полумуфты и заставляет несущие элементы 6 и 7, обладающие упругостью с фрикционными накладками 8 и 9 разойтись в районе своего внешнего диаметра, до полного соприкосновения с опорными поверхностями 3 и 4 наружной полумуфты. Муфта включена.
Крутящий момент с наружной полумуфты передается на внутреннюю полумуфту. Для выключения муфты достаточно сбросить давление воздуха во внутреннем объеме пневматической камеры включения внутренней полумуфты. При этом несущие элементы 6 и 7 под воздействием упругих сил займут первоначальное положение и, тем самым, обеспечат наличие воздушного зазора между фрикционными накладками 8 и 9 внутренней полумуфты и опорными поверхностями 3 и 4 наружной полумуфты. Муфта выключена.
Недостатком известной конструкции является то, чтоиз-за упругой связи фрикционных накладок с внутренней полумуфтой возможен их радиальный сдвиг и осевой перекос относительно опорных поверхностей наружной полумуфты, что приводит к ненадёжной работе муфты и росту её осевых и габаритных размеров.

2.3 Комбинированная пневматическая фрикционная муфта

Изобретение относится к области машиностроения.
В предложенной муфте для повышения компенсирующих свойств каждый упругий элемент выполнен в виде набора концентрично установленных резиновых и металлических втулок, причем внутренние втулки установлены на пальцах, смонтированных в промежуточной полумуфте, а наружные размещены в отверстиях, выполненных равномерно по окружности в диске, жестко связанном с ведомой полумуфтой. Кроме того, наружная металлическая втулка каждого упругого элемента смещена в осевом направлении относительно внутренней [26].
Фрикционные поверхности полумуфт могут быть выполнены конусными или плоскими.
На рисунке 2.3 показана двухконусная муфта в разрезе. Муфта содержит ведущую полумуфту 1 и ведомую полумуфту 2, установленные на соответствующих валах ( не показанных на чертеже). Между полумуфтами 1 и 2 установлена промежуточная полумуфта 3, имеющая фрикционную поверхность 4 для взаимодействия с полумуфтой 1 и связанная с ведомой полумуфтой 2 через упругие элементы 5. Элемент выполнен в виде концентрично расстановленных резиновых и металлических втулок.
Упругие элементы в большом количестве равномерно распределены по окружности и крепятся без возможности смещения к полумуфте 2 следующим образом: внутренние металлические втулки 6 крепятся при помощи пальцев 7 к промежуточной полумуфте 2 к внутреннему элементу, а наружные металлические втулки 8 входят в отверстие диска 9, закрепленного на полумуфте 2. Муфта включается при помощи подаваемого под давлением воздуха. Воздух под давлением подается через полумуфту 2 и ведомый вал, а также через отрезок 10 трубопровода, шланг 11 и еще один отрезок 12 трубопровода. Если же муфта отключена, то есть в цилиндре 13 снято давление, обе промежуточные полумуфты 3 под действием возвратного усилия

Рисунок 2.3 - Комбинированная фрикционная пневматическая муфта

упругих элементов 5 перемещаются в осевом направлении до тех пор, пока они не упрутся своими коническими поверхностями 14 в конические выступы 15 полумуфты 2.
Упругие элементы 5 состоят из внутренней металлической втулки 6 и наружной металлической втулки, которые соединены между собой слоем
На рисунке 34 изображена однодисковая пластинчатая муфта во включенном состоянии. Здесь по обе стороны диска 17 муфты, являющегося
резины.В слой резины могут быть завулканизированы две промежуточные втулки 16.ведущей полумуфтой 1 фрикционной муфты, помещено по одной пластине 18, а между диском и указанными пластинами помещены фрикционные накладки 4. Пластины 18 являются частью промежуточной полумуфты 3 муфты и образуют у полумуфты 2 подобие ёлки, между зубьями которой помещены элементы 5. Болт 19 передает усилие прижима на пластины 18.
Недостатком комбинированной фрикционной муфты перед дисковой муфтой является наличие в конструкции большого число упругих элементов, большей частью выполненных из технической резины, что несколько понижает надежность и долговечность работы муфты, поскольку упругие элементы из резины могут изменять свои свойства при колебаниях температуры, особенно при отрицательном значении. Этот аспект имеет большое значение при работе агрегата в условиях крайнего севера.

2.4 Шиннопневматическая фрикционная муфта ШПМ 700

Шиннопневматические муфты широко используются в машинах и механизмах , применяемых в нефтяной промышленности и особенно в буровых установках. Они используются для оперативного включения и разобщения передач, а также для соединения валов различных агрегатов. За многие годы эксплуатации практикой выявлен ряд существенных преимуществ этих муфт перед муфтами других типов: простота конструкции, облегчение монтажа соединяемых ими агрегатов, небольшое время, необходимое для замены вышедших из строя муфт, возможность некоторой компенсации несоосности соединяемых ими валов, быстрота разобщения передач и надёжное дистанционное управление.
Основной недостаток шиннопневматических муфт – более быстрый перегрев баллонов при частых включениях передач под нагрузкой по сравнению с пневмокамерными муфтами. Перегрев происходит в результате интенсивного выделения тепла в процессе буксования и быстрой передачи тепла от фрикционных колодок резине баллона из-за недостаточной теплоизоляции и отсутствия вентиляции. Нагрев баллона до 100-1500С приводит к преждевременному старению резины и выходу муфты из строя. Колодки обжимных шиннопневматических муфт и внутренняя часть баллона при вращении отжимаются центробежной силой от поверхности шкива. Это уменьшает силу их прижатия к шкиву под давлением сжатого воздуха, и, следовательно, понижает передаваемый муфтой крутящий момент [2].
Шиннопневматическая муфта состоит из двух основных частей – баллона со стальным ободом и шкива.
Баллон представляет собой резино–тканевую кольцевую оболочку овального сечения. Внутри её имеется эластичная резиновая камера, обеспечивающая необходимую герметичность. Баллон армирован каркасом, состоящим из нескольких слоёв обрезиненного корла. Наружная и внутренняя цилиндрические поверхности баллона имеют утолщения из резины в виде протекторов. Элементы баллона соединяются при изготовлении в одно целое методом горячей вулканизации.
Простота конструкции шиннопневматической муфты обуславливается способностью баллона передавать крутящий момент с помощью многослойного прочного корда.
В баллоне имеются два привулканизированных к камере ниппеля для подачи в камеру воздуха из трубопровода системы пневматического управления. Наружной частью баллон привулканизирован к стальному ободу. Для лучшего соединения с резиновым баллоном в планках просверлены отверстия с фасками, снятыми под углом 450 со стороны прилегания планки к ободу. При вулканизации баллона резина входит в эти отверстия и образует своего рода заклёпки с потайной конической головкой.
К внутреннему протектору на металлических валиках крепят стальные колодки с приклееными к ним фрикционными накладками. Валики попарно соединены и шплинтуются проволокой. Между колодками и протектором помещена паронитовая прокладка для предохранения протектора от загорания при попадании на него раскаленных продуктов износа фрикционных накладок в период буксования. На поверхности внутреннего протектора, обращенной к колодкам, имеется имеются полукруглые канавки из расчета по две на каждую колодку. Канавки облегчают обжатие шкива баллона.

Таблица 2.4 - Основные параметры муфты ШПМ 700
Параметр Значение
Предельный расчетный крутящий момент, Нм 
25000
Диаметр окружности трения, м 0,7
Наибольшая рекомендуемая скорость вращения, об/мин. 1000
Внутренний объём камеры, л 17

Обод муфты закрепляется на диске с помощью болтов с гайками. Ступица диска насаживается на вал машины на подшипниках или на шлицах в зависимости от назначения и конструкции муфты. При заполнении воздухом баллон расширяется и прижимает фрикционные накладки к поверхности шкива, обеспечивая необходимое сцепление обеих частей муфты для передачи крутящего момента. До наполнения баллона воздухом между фрикционными колодками и цилиндрической поверхностью шкива должен быть равномерный зазор по всей окружности. Предельный крутящий момент шиннопневматической муфты ШПМ 700.

2.5 Муфта дисковая фрикционная пневматическая МДФ 1х760

Дисковые пневмокамерные фрикционные муфты отличаются от муфт с цилиндрической поверхностью трения способностью передавать значительно большие крутящие моменты при тех же габаритных размерах. Эта способность является результатом использования для передачи момента двух, четырех и более поверхностей трения. Другой особенностью дисковых муфт всех классов, в отличие от муфт с цилиндрическим фрикционным устройством, является отсутствие влияния центробежных сил на величину передаваемого момента. Дисковые муфты применяются в нефтяной промышленности сравнительно реже чем цилиндрические муфты.
К недостаткам этих муфт можно отнести увеличенную трудоемкость, стоимость изготовления и сравнительно большие маховые массы.
Муфты делятся на однодисковые, двухдисковые и многодисковые. Количество дисков фрикционной муфты определяется в основном необходимой величиной передаваемого крутящего момента с учетом возможных габаритных размеров. В буровых установках главным образом используют однодисковые и двухдисковые муфты. Многодисковые муфты не применяют, так как при длительной работе в выключенном положении в результате трения между собой диски нагреваются и муфта преждевременно выходит из строя.
Из дисковых муфт с различными нажимными устройствами в нефтяной промышленности наиболее распространены пневмокамерные.
Основой конструкции пневмокамерной дисковой фрикционной муфты МДФ 1х760 служит ведомый корпус 3 с зубчатым диском 5, который устанавливается на цапфу барабанного вала лебедки на двух двухрядных роликовых радиальных сферических подшипниках. Один ведомый диск 2 с фрикционной накладкой, расположенные между зубчатым диском и корпусом



Рисунок 2.5.1 Муфта дисковая фрикционная МДФ 1х760.

муфты, вместе с зубчатым диском представляет фрикционную пару. Ведущий зубчатый диск с помощью зубчатого соединения связан с ведущим корпусом муфты, на который насаживается звездочка приводной передачи.
Нажимное устройство муфты состоит из пневматической камеры 7, расположенной между крышкой корпуса 1 муфты и промежуточным диском 4. Крышка корпуса прикреплена к корпусу муфты болтами. Воздух в камеру из вертлюжка пневмосистемы, закрепленного на торце вала, подается по трубопроводу через штуцер 8 запрессованный в крышку корпуса муфты.

Таблица 2.5 - Основные параметры муфты МДФ 1х760
Параметр Значение
Предельный расчетный крутящий момент, Нм 
44933
Средний диаметр окружности трения, м 0,35
Количество поверхностей трения 2
Внутренний объём камеры, л 7
Удельное давление трения, МПа 0,2
Рабочее давление, МПа 0,6-0,9

При включении муфты воздух из ресивера поступает в камеру, которая расширяется, создавая осевое усилие. Сдвигает промежуточный и зубчатый диски и прижимает трущиеся поверхности друг к другу. В результате сцепления дисков под влиянием осевого усилия крутящий момент передается от звездочки ведущим дискам, а от них – далее валу лебедки.
При выключении муфты пружины 6 сдвигают диски в сторону крышки корпуса, образуя зазоры между дисками. Наличие достаточных зазоров после выключения муфты совершенно необходимо, так как она должна работать длительное время и в выключенном состоянии. Пневматическая камера изготовляется из маслостойкой резины с кордом из вискозы. Рабочее давление воздуха в камере составляет 6 – 9 атм.  

2.6 Преимущества муфты МДФ 1х760 над шиннопневматической
муфтой ШПМ 700

К одному из наиболее ответственных этапов работы муфты относится период её включения.
Для анализа процесса период включения муфты можно разделить на три части:
- буксование фрикционной пары при неподвижной ведомой части муфты;
- буксование фрикционной пары от начала движения ведомой системы до момента, когда угловые скорости ведущей и ведомой частей муфты становятся одинаковыми;
- разгон ведомой системы машины до угловой скорости установившегося движения без буксования фрикционной пары.
На рисунке 2.6. изображён график угловых скоростей ведущей и ведомой частей муфт при её включении. Период включения муфты начинается сразу после открытия канала в системе пневмоуправления и поступления сжатого воздуха в камеру муфты. Первая часть периода включения, ограниченная временем tз, характеризуется буксованием фрикционной пары и отсутствием движения ведомой части муфты. Во время этого периода происходит наполнение камеры муфты воздухом и преодоление зазора между элементами фрикционной пары, он продолжается до момента начала сцепления фрикционной пары. Как видно из графика период буксования фрикционной пары у муфты МДФ 1х760 меньше вследствии меньшего объёма пневматической камеры.
Вторая часть периода включения, ограниченная временем tб, включающая в себя первый период, начинается, когда крутящий момент достигает величины, достаточной для начала разгона ведомых масс. При этом ведомая часть муфт выходит из состояния покоя и начинает вращаться с угловой скоростью , растущей от 0 до . Одновременно с этим угловая скорость ведущей части муфты снижается более интенсивно. У муфты МДФ 1х760 период увеличения угловой скорости ведомой части муфты также меньше, чем у муфты ШПМ 700, вследствии более быстрого заполнения пневматической камеры.
В третьей части включения муфт при разгоне ведомой системы машины без буксования интенсивность роста её угловой скорости постепенно падает.
Рисунок 2.6 - График угловых скоростей фрикционных муфт ШПМ 700 и МДФ 1х760 в период включения.

Наиболее опасным является первый период буксования муфты. Во время этого периода происходит сильный нагрев частей муфты и износ поверхностей трения.
По проведённым исследованиям время заполнения пневматических камер оперативных муфт современных буровых установок и других нефтяных машин следует обеспечивать, в зависимости от маховых масс сцепляемых систем, в пределах от 2 до 4 с. Увеличение времени сверх указанного не приводит к заметному сокращению динамических усилий, но вызывает более длительное буксование муфты при включении и, как следствие, недопустимый перегрев её элементов.
В существующих муфтах нефтяных машин время заполнения камер воздухом колеблется в больших пределах – от 1 до 10 с в зависимости от сопротивлений в элементах пневмоуправления и в воздухопроводе, а также от объёма пневматической камеры и конструкции муфты. Так, шиннопневматические муфты ШПМ-300, используемые для включения привода компрессоров, наполняются воздухом до расчётного давления за 1-3 с. Пневмокамерные и дисковые муфты буровых лебёдок, имеющие объём камер до 10 л, заполняются за 2-5 с [2]. Наибольшее время заполнения имеют шиннопневматические муфты ШПМ-700 и ШПМ-1070 – в пределах 5-10 с в зависимости от сопротивлений в узлах системы пневматического управления.