ВЕРТЛЮГ УВ-250 БУРОВОЙ НА ГЛУБИНУ БУРЕНИЯ Н=3500м-Курсовая работа

Верхний радиальный и упорный вспомогательный подшипники имеют изолированную камеру с консистентной смазкой, а главная опора и нижний радиальный подшипник работают в масляной ванне корпуса. Использование быстросменного сальника позволил уменьшить длину ствола вертлюга, так как он не имеет расточки. В этой конструкции выбран подшипник главной опоры с коническими роликами, допускающими частоту вращения до 5 1/с. Для работы при высоких давлениях неудачна конструкция фланцевого крепления бурового рукава к подводу. Конструкция крышки и крепления нижнего масляного саль-ника неоправданно усложнены.

1 – защитный колпачек; 2 – ствол вертлюга; 3 – корпус вертлюга; 4 – крышка;
5 – штроп; 6 – отвод; 7 – уплотнение быстросъемное; 8 – уплотнение манжет-ное; 9,14 – подшипник; 10 – стакан; 11 – подшипник упорный; 12 – валик; 13 – подшипник роликовый упорный; 15 - крышка

Рисунок 3 – Вертлюг УВ – 250

На рисунке 4 показан вертлюг ШВ-44 М с весьма удачной компоновкой подшипников крепления ствола, рассчитанный на рабочую нагрузку 1,5 МН и максимальную частоту вращения до 4,16 1/с.

1 – ствол; 2,9 – сальники масляные верхний и нижний; 3 – подшипник ради-альный; 4 – корпус; 5 – стержень штропа; 6 – главная опора; 7 – стакан; 8 – роликоподшипник конический; 10 – уплотнение ствола; 11 – подвод; 12 – штроп.

Рисунок 4 – Вертлюг ШВ– 44 М
Корпус вертлюга выполнен весьма оригинально, представляет собой пустотелую отливку сложной формы из малолегированной стали. Несущей ча-стью корпуса является только его нижнее днище, соединенное со штропом при помощи стержней с проушинами.
Верхний радиально-упорный конический подшипник работает в от-дельной камере для консистентной смазки.
Недостаток такого вертлюга – наличие напорного сальника устаревшей конструкции, не позволяющего быстро его менять. Напорную трубу, прихо-дится отсоединять и разбирать крепления подвода с буровым рукавом.[1]
Корпус вертлюга представляет собой пустотелую отливку сложной формы из малолегированной стали или углеродистой стали ( 35Л и другие), внутренняя полость которой разделена по высоте горизонтальной перемыч-кой, служащей опорной поверхностью основного упорного подшипника ствола и усиленной для жесткости вертикальными ребрами.
Между стенками корпуса и опорной плитой предусматриваются каналы для обеспечения циркуляции смазки при вращении ствола. На внешний по-верхности корпуса в диаметральной плоскости размещаются два прилива, имеющие форму карманов, монтируются две оси, шарнирно соединяющие корпус со штоком.
К корпусу привариваем кронштейны с резиновыми амортизаторами, предохраняющими корпус от ударов штропов.
Ствол вертлюга – наиболее нагруженная и ответственная деталь. На ствол действует растягивающая сила, изгибающий момент и внутреннее давле-ние.
Ствол изготавливают из конструкционной низколегированной улуч-шенной стали перлитного класса марки 38ХГН.
Штропы вертлюгов изготавливают из низколегированных конструкци-онных сталей марки 38ХГН. Изготавливают методом свободной ковки с вы-садкой и прошивкой проушин. При проектировании диаметр штропа иногда увеличивают на 15-20 % с учетом износа.
Опоры ствола вертлюга воспринимают нагрузки, обеспечивают свобод-ное вращение ствола и его фиксацию от радиальных перемещений.
В качестве главной опоры в вертлюге применяют подшипники упорные
и упорно-радиальные, изображенные на рисунке 5. Для вспомогательных опор вертлюгов обычно применяют упорные шариковые и роликовые подшипники в последнем случае ими воспринимаются также радиальные нагрузки и цент-рируется ствол в корпусе.
Для работы при высоких частотах вращения подшипники имеют мас-сивные стальные или бронзовые сепараторы. Штампованные сепараторы и бессепараторные конструкции применяются редко.
Основные опоры вертлюгов являются элементами, лимитирующими их работоспособность. При эксплуатации они испытывают разнообразные повре-ждения: выкрашивание, отслаивание, усталостные трещины, осповидный износ на поверхностях тел качения и колец, образование подповерхностных трещин, приводящих к контактно-усталостным разрушениям.
Устранение проскальзывания тел качения по кольцам и снижение кон-тактных напряжений уменьшают вероятность контактного окатывания и повы-шают долговечность основной опоры.
Лучшие из этих упорных подшипников — роликовые сферические с бочкообразными роликами , изображенные на рисунке 5, г, обеспечивающие более равномерное распределение нагрузки, в результате чего снижается износ внешних торцов роликов и колец подшипника. Однако вследствие сложности изготовления эти подшипники применяют весьма ограниченно. В обычных ко-нических роликоподшипниках бурт кольца и торцы роликов сильно изна-шиваются под действием центробежных сил, возникающих в роликах при вра-щении ствола.

а – подшипник упорно-радиальный; б,в – подшипники с коническими ролика-ми; д – подшипник с цилиндрическими роликами; г – подшипник сферический с бочкообразными роликами

Рисунок 5 – Подшипники главных опор вертлюгов

В качестве основных опорных подшипников в вертлюгах, рассчитанных на большие нагрузки, чаще всего применяют роликовые подшипники с кониче-скими роликами , изображенные на рисунке 5, б и 5, в. Подшипники с цилин-дрическими роликами , изображенные на рисунке 5, д, применяют реже, так как в упорных подшипниках ролики проскальзывают, что приводит к их изно-су и, как следствие, к ограничению частоты вращения ствола.
В вертлюгах установок, используемых для бурения скважин глубиной до 1500 м, главной опорой часто являются шариковые подшипники. Упорно-радиальные подшипники , избраженные на риснке 5, а — одни из лучших для быстроходных вертлюгов, так как центробежные силы, действующие на шары, воспринимаются основной беговой дорожкой подшипника и не вызывают большого износа. Их недостатки — относительно небольшая динамическая грузоподъемность и нарушение центровки ствола при износе, что ограничива-ет область их применения.
Для вспомогательных опор вертлюгов обычно применяют упорные шари-
ковые и роликовые подшипники.
Весьма важен монтаж радиальных и вспомогательных подшипников. На рисунке 6 показано несколько вариантов их размещения по высоте корпуса и его крышке.



а – неудачная конструция крепления подшипников; б, в, г – более удачные конструкции крепления подшипников; 1 – ствол; 2 – радиальный подшипник; 3 – вспомогательная опора; 4 – крышка; 5 – корпус.

Рисунок 6 – Конструкции вспомогательных упорных и радиальных опор ство-ла

Уплотнительные устройства, применяемые на вертлюгах, подразделяют на уплотнительные устройства высокого и низкого давления.
Уплотнения высокого давления герметизируют зазор между неподвиж-ным подводом и вращающимся стволом при прокачивании бурового раствора. По конструкции они подразделяются на две группы: бескорпусные и корпус-ные – быстросменные.
Бескорпусные сальники монтируются в расточенной части канала ство-ла. Прижатие их регулируется затяжкой нажимной гайки или пружины. В со-временных вертлюгах они не применяются в связи с малой долговечностью и низкой ремонтопригодностью.
Быстросменное уплотнение монтируется во вращающемся корпусе, ко-торый крепится к стволу вертлюга на резьбе или болтами и представлено на рисунке 7.
Быстросменное уплотнение вертлюга состоит из трех самоуплотняю-щихся манжет, расположенных во вращающемся корпусе, и короткой, легко-сменяемой напорной трубы. Корпус уплотняется резиновыми кольцами V – образного или круглого сечения.
Верхняя манжета служит для удержания консистентной смазки, перио-дически закачиваемой ручным насосом через пресс-масленку в манжетные ка-меры для снижения трения и износа.

1.5 Постановка задачи и разработка структурной и конструктив-ной схемы

Возрастающая глубина бурения скважин, увеличение массы буриль-ной колонны и повышение давления промывочной жидкости до 40 МПа определяют необходимость создания вертлюгов, отвечающих современ-ным требованиям проводки и крепления скважин и более удобных в обслужи-вании и ремонте.
При конструировании вертлюгов сначала выбирают прототип кон-струкции. Выбор прототипа конструкции вертлюга, на базе которого в соот-ветствии с заданными параметрами конструируется новый, должен основы-ваться на всестороннем анализе уже существующих конструкций и данных об их эксплуатации. После анализа существующих конструкций выбирают одну из них в качестве прототипа и переконструируют отдельные части, которые, на взгляд конструктора, неудачны. Затем окончательно компонуют конструкцию вертлюга [1].
Задачей данного проекта является выбор необходимого вертлюга и мо-дер-низация его отдельной части для обеспечения более надежной его работы.

1.6 Эскизная проработка конструкции вертлюга

На рисунке 3 показан предлагаемый вертлюг УВ – 250. Он состоит из следующих основных узлов и деталей: защитного колпачка 1, ствола вертлю-га 2, корпуса вертлюга 3 , крышки 4, штропа 5 , отвода 6 , быстросъемного уплотнения 7, манжетного уплотнения 8;подшипников 9,11,13,14, стакана 10 , валика 12.
Работоспособность вертлюга зависит от надежности уплотнений, при-меняемых в его подвижных и неподвижных соединениях. Наиболее ответ-ственными являются уплотнения напорной трубы, которые служат для предотвращения утечки промывочной жидкости, нагнетаемой под высоким давлением, поэтому считаю необходимым модернизировать быстросменный сальниковый узел.

1 – защитный колпачек; 2 – ствол вертлюга; 3 – корпус вертлюга; 4 – крышка;
5 – штроп; 6 – отвод; 7 – уплотнение быстросъемное; 8 – уплотнение манжет-ное; 9,14 – подшипник; 10 – стакан; 11 – подшипник упорный; 12 – валик; 13 – подшипник роликовый упорный; 15 - крышка

Рисунок 3 – Вертлюг УВ – 250

1.7 Патентное исследование

Способы повышения надежности оборудования подразделяют на три группы: конструктивные, технологические и эксплуатационные. В результате анализа причин отказа деталей и узлов вертлюгов можно выделить направле-ния повышения надежности работы вертлюга:
- сформулировать понятие отказа проектируемой системы. При этом влияющих существенным является выбор количества изделий ( узлов, деталей ), на надежность;
- составляются расчетные таблицы, в которые заносятся сведения об из-делиях ( деталях ), входящих в систему, их надежности;
- построить графики зависимостей показателей надежности от времени. На основании графиков делается сравнение надежности отдельных узлов и де-талей системы; а также различных вариантов структурных схем и изделий.
Как известно, вертлюг обладает некоторыми деталями, которые имеют небольшую долговечность вследствие износа. К таким деталям относится быстросъемное уплотнительное устройство. Для улучшения работы вертлюга и повышения долговечности предлагается изобретение, улучшающее работу уплотнительного узла. Предложенное изобретение относится к уплотнитель-ным устройствам.
Технический уровень и тенденции развития уплотнительных узлов верт-люга показаны в таблице 2. Эскиз модернизированного узла представлен на рисунке 9.