МОДЕРНИЗАЦИЯ ТОРМОЗНОЙ СИСТЕМЫ БУРОВОЙ ЛЕБЕДКИ ЛБУ-1100. Модернизация ленточного тормоза буровой лебедки-Курсовая работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

Буровая лебедка состоит из сварной рамы, на которой установлены подъемный и трансмиссионный валы, коробка перемены передач (КПП), тормозная система, состоящая из основного (ленточного) и вспомогательного (регулирующего) тормозов, пульт управления. Все механизмы закрыты предохранительными щитами.
Подъемный вал лебедки, получая вращение от КПП, преобразовывает вращательное движение силового привода в поступательное движение талевого каната, ходовой конец которого закреплен на барабане подъемного вала. Подъем нагруженного крюка производится с затратой мощности, зависящей от силы тяжести поднимаемых труб, а спуск — под действием собственного веса труб, спускаемых в скважину, или ненагруженных талевого блока, крюка и элеватора, когда элеватор опускается вниз за очередной свечой.
Для этого лебедки снабжаются устройствами для подвода мощности при подъеме и тормозными устройствами. Для повышения к. п. д. во время подъема крюка с ненагруженным элеватором или колонной переменного веса лебедки или их приводы выполняют многоскоростными. Переключение с высшей скорости на низшую и обратно осуществляется фрикционными оперативными муфтами, обеспечивающими плавное включение и минимальные затраты времени на эти операции. Переключение скорости в коробках передач во время подъема колонн различного веса осуществляется периодически. Оперативного управления скоростями коробки не требуется.
В зависимости от скорости спуска или подъема крюка и числа ветвей в талевой оснастке канат на барабан лебедки навивается и свивается с него с различными скоростями. Скорость крюка при подъеме колонн наибольшего веса составляет 0,3— 0,5 м/с, а скорость подъема ненагруженного элеватора— 1,5 — 2,0 м/с. Более высокие скорости подъема ухудшают условия намотки каната на барабан и не дают существенного выигрыша во времени.
Скорости спуска колонн определяются их весом, длиной и технологическими условиями скважины. Наибольшая скорость спуска обычно не превышает 3 м/с, наименьшая при спуске обсадных колонн — 0,2 м/с.
В процессе бурения с помощью лебедки осуществляется подача бурильной колонны со скоростью до 1,5 м/мин.
В процессе подъема колонны канат навивается на барабан лебедки под действием силы тяжести всей колонны, а свивается при спуске ненагруженного элеватора при небольшом натяжении. В процессе спуска колонн, наоборот, канат навивается при небольшом натяжении и большей скорости во время подъема ненагруженного элеватора, а свивается при действии силы тяжести всей колонны. Это создает тяжелые условия работы каната, и он быстро изнашивается, особенно при многослойной навивке на барабан.
Мощность, передаваемая на лебедку, характеризует основные эксплуатационно-технические ее свойства и является классификационным (главным) ее параметром.
Присоединительными размерами буровой лебедки являются: диаметр талевого каната, расстояния от середины барабана до центра звездочки, установленной на валу ротора.
Диаметр каната должен соответствовать размерам канавок на наружной поверхности барабана лебедки и размерам канавок шкивов талевой системы. В случае несоответствия канат будет быстро изнашиваться.
Нарушение базового расстояния от середины барабана до центра роторной звездочки вызовет быстрый выход из строя цепи привода ротора и практически сделает невозможным нормальное бурение скважины роторным способом.
Современные отечественные буровые лебедки в основном выполняются по двум компоновочным схемам:
-лебедка со всеми компонующими ее узлами монтируется на одной общей раме и представляет собой один агрегат (У2-54, У2-2-11, ЛБ-750 и др.);
-лебедка, состоящая из двух отдельно транспортируемых агрегатов (подъемный вал и коробка перемены передач), которые соединяются между собой при помощи стяжек (лебедки ЛБУ-1100, ЛБУ-1400, У2-5-5). У лебедки У2-5-5 подъемный агрегат соединен с КПП двумя мощными карданными валами со стороны, противоположной пульту бурильщика.
На рис.1.1 приведена принципиальная схема трехвальной буровой лебедки.
В табл. 1.1 приведена техническая характеристика буровых лебедок, серийно выпускаемых отечественной промышленностью.
В последних типах буровых установок основная лебедка расположена ниже пола буровой, а для выполнения вспомогательных операций (раскрепления бурильных труб при их подъеме из скважины, перемещения в буровую мелких грузов, свинчивания обсадных труб) используются вспомогательные лебедки. При этом конструкция основной лебедки упрощается, и масса ее уменьшается.
Станина представляет собой металлическую сварную раму, на которой монтируются узлы лебедки. Станина должна предохранять отдельные детали лебедки от повреждения и утери при транспортировке, а также делает лебедку более жесткой и прочной. Если же лебедка установлена на крупноблочном основании, то на повторный монтаж ее при строительстве буровой, по существу, совсем не затрачивается время.
Подъемный вал (рис.1.2) является главным валом буровой лебедки, а в ряде новых конструкций (например, в лебедке ЛБ-750) единственным. На конце вала 7 укреплена шинно-пневматическая муфта 1, служащая для включения лебедки от звездочки 2.
На другом конце вала смонтированы звездочка 8, трансмиссия регулятора подачи долота и барабан 9 муфты включения вспомогательного тормоза. В средней части подъемного вала 7 между коренными подшипниками 3 напрессован и закреплен на шпонке барабан. Он состоит из бочки 6 и дисков 5. Наружная поверхность барабана гладкая или с канавками под определенный диаметр талевого каната.
С обоих концов барабана к дискам на болтах крепятся тормозные шкивы 4, поверхность которых даже при наличии вспомогательных тормозов во время торможения нагревается до температуры, в ряде случаев превышающей 900° С. Поэтому к этим деталям лебедки предъявляются большие требования.
Функции: 1) Надежное удержание максимального веса бурильной колонны в статическом положении;
2) поглощение мощности при спуске колонны на одну свечу с максимально допустимой скоростью (контроль скорости);
3) остановка колонны в конце спуска;
4) плавная подача бурильной колонны путем регулирования тормозного момента.
Типовая схема тормозной системы [1,2] состоит из двух шкивов, прикрепленных к барабану и охватываемых гибкой лентой с фрикционными колодками. Один конец ленты (набегающий) соединен с балансиром, уравновешивающим нагрузку на шкивах, второй конец (сбегающий) – с коленчатым валом, приводимым в движение рычагом или пневмоцилиндром. Угол поворота рычага -90°; длина его lр= 1,2...1,6м, высота рычага над полом h> 0,8...0,9м. При расположении лебедки ниже пола буровой используется система рычагов и тяг, с увеличением мощности лебедки - устанавливаются дополнительные пневмоцилиндры с автономным питанием от баллона.
Рычаг имеет храповое (зубчатое) устройство и пневмоцилиндр, фиксирующий его в определенном положении (запирает).
Тормозной шкив может быть выполнен диаметром до 1,6м и шириной 220...280 мм в зависимости от мощности лебедки. Шкивы крепятся к барабану с возможностью замены при износе. Они изготавливаются из стального литья в следующих вариантах: а) с ребрами воздушного охлаждения (распространенный вариант); б) с запрессованным ребристым цилиндром из алюминиевого сплава (дорого и сложно); в) с камерой водяного охлаждения (для условий жаркого и умеренного климата); г) без системы охлаждения.
Тормозная лента изготавливается из стальной полосы толщиной 3...6 мм и шириной, равной ширине колодок.
Колодки - тканевые, мягкие и твердые, из прессованного асбестового волокна с металлической сеткой, пластмассы. Наиболее прочны колодки из ретинакса ФК-24 и асбокаучука 6КХ-1 со связкой из фенолальдегидной смолы. Ретинакс выдерживает удельную нагрузку 5-6 мПа, скорость торможения 50-60м/с, имеет твердость НВ 33, теплостойкость 1000°С, коэффициент трения ƒ = 0,4...0,5.
Балансир представляет собой литую либо сварную балку.
Привод ленточного тормоза состоит из коленчатого вала, установленного на радиальных сферических подшипниках, корпуса которых крепятся к раме лебедки. Шатунные шейки коленчатого вала соединены тягами со сбегающими концами ленты.
Вспомогательный тормоз служит для ограничения скорости спуска бурильных и обсадных колонн путем замедления вращения барабана и поглощения части выделяемой при спуске энергии. По принципу действия различают гидродинамические и электродинамические вспомогательные тормоза. Электродинамические тормоза в свою очередь делятся на индукционные и магнитопорошковые.
Как гидродинамические, так и электрические тормоза соединены с подъемным валом муфтой, в основном, ШПМ, и включаются в работу после спуска 300-400 м. труб (10-15 свечей), т.е., по мере нарастания нагрузки на барабан лебедки. Общим признаком для всех видов тормозов также является использование воды для их охлаждения.
Гидродинамический тормоз (гидромат) состоит из статора и ротора, изготовленных из чугуна (рис. 1.7).

Главными недостатками ленточных тормозов являются неравномерный износ фрикционных накладок сбегающей и набегающей ветвей, а так же их перегрев из-за трения, особенно при длительной и непрерывной работе.
Конструктивные решения (изобретения), направленные на устранение недостатков ленточно-колодочных тормозов можно разделить на три группы:
-изобретения, в которых применяется (техническим результатом которых является) охлаждение колодок потоками воздуха или жидкости;
-изобретения, в которых применяется охлаждение колодок с помощью термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной про-водимостью;
- изобретения, в которых применяется уравновешивание тормозных уси-лий, а следовательно и износа, на колодках сбегающей и набегающей ветвей применением подвижных фрикционных пар либо резиновой пневмокамеры.
На листе № представлены описания изобретений к патентам, направ-ленные на устранение недостатков ленточных колодочных тормозов.
Из рассмотренных конструкторских предложений наиболее отвечающим задаче по улучшению технических и экономических показателей ленточных тормозов является патент № 2 270 942 «Двухступенчатый ленточно-колодочный тормоз с трехслойным резинотросовым кольцом», который при-нимаем для разработки в данном проекте.
При использовании решений по данному патенту в конструкции ленточ-ного колодочного тормоза износ фрикционных накладок (колодок) будет происходить равномерно по всей поверхности трения. Следовательно, сокра-тится их расход и время простоев буровой установки из-за ремонта тормоз-ных лент (замены колодок). Кроме того, за счет увеличения поверхности тре-ния более чем вдвое уменьшится удельное давление на фрикционную пару и улучшится отвод тепла от рабочего тела.