Повышение надежности винтового забойного двигателя ВЗД Д2 – 195-Курсовая работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

Повышение надежности винтового забойного двигателя ВЗД Д2 – 195-Курсовая работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин
В данном дипломном проекте разрабатывается задача повышения надежности винтового забойного двигателя Д2 – 195. Для увеличения срока службы шпиндельной секции в данном дипломном проекте предлагается установка дополнительной радиальной опоры шпиндельной секции.
Дипломный проект состоит из пояснительной записки и графической части.
Пояснительная записка включает в себя три раздела: техническая, экономическая часть и раздел безопасности и экологичности проекта:
- в технической части проводится литературный и патентный обзор двигателя, назначение, описание конструкции, принцип работы, правила монтажа и эксплуатации двигателя, ремонт основных элементов ВЗД, а также необходимые расчеты параметров и надёжности конструкции;
- раздел безопасности и экологичности проекта рассматривает вопросы охраны труда и окружающей среды;
- экономическая часть раскрывает оценку экономической эффективности внедрения разработанной радиальной опоры двигателя.
Пояснительная записка объёмом машинописных листа формата А4.
Графическая часть состоит из графического материала объёмом в количестве 10 чертежей выполненных на формате А1 и А0.
В данном дипломном проекте разрабатывается задача повышения надежности винтового забойного двигателя Д2 – 195. Для увеличения срока службы шпиндельной секции в данном дипломном проекте предлагается установка дополнительной радиальной опоры шпиндельной секции.
Дипломный проект состоит из пояснительной записки и графической части.
Пояснительная записка включает в себя три раздела: техническая, экономическая часть и раздел безопасности и экологичности проекта:
- в технической части проводится литературный и патентный обзор двигателя, назначение, описание конструкции, принцип работы, правила монтажа и эксплуатации двигателя, ремонт основных элементов ВЗД, а также необходимые расчеты параметров и надёжности конструкции;
- раздел безопасности и экологичности проекта рассматривает вопросы охраны труда и окружающей среды;
- экономическая часть раскрывает оценку экономической эффективности внедрения разработанной осевой опоры двигателя.
Пояснительная записка объёмом машинописных листа формата А4.
Графическая часть состоит из графического материала объёмом в количестве 7 чертежей и 3 графиков, выполненных на формате А1.

2 ПАТЕНТНАЯ ПРОРАБОТКА

2.1 Патентный поиск

В процессе работы был произведен патентный поиск на тему центриру-ющее устройство вала шпиндельной секции забойных двигателей глубиною 10 лет. В результате поиска, найден патент М. Кл. F 16 C 17/02 УДК 621. 828 (088.8).
Радиальная опора забойного двигателя (центратор).
Настоящее изобретение относится к буровой технике, в частности к кон-струкциям опор забойных двигателей, работающих в абразивной среде. Ра-диальная опора забойного двигателя, включающего корпус и вал, содержит упорные кольца, закрепленные в корпусе, и подпружиненные обоймы, раз-мещенные между валом и корпусом, причем между обоймами и валом уста-новлены взаимодействующие с валом вкладыши с коническими наружными поверхностями, взаимодействующие с внутренними поверхностями обойм, при этом характерной особенностью радиальной опоры является то, что она выполнена в виде двух оппозитно расположенных блоков, между которыми установлена пружина сжатия и при этом каждый блок содержит закреплен-ное в корпусе стопорное устройство, выполненное в виде шлицевой втулки, в которой с возможностью радиальногоперемещения размещены вкладыши, а упорные кольца выполнены с коническими поверхностями, взаимодействую-щими с наружными поверхностями вкладышей. В радиальной опоре углы при вершинах конусов (α) взаимодействующих между собой конических по-верхностей вкладышей, упорных колец и обойм находятся в следующем со-отношении с коэффициентами трения
( р.) взаимодействующих поверхностей трения:
tg(α/2)=j.; поверхности вкладышей, взаимодействующие с поверхностью вала, могут быть выполнены с покрытием из эластомерного или твердо-сплавного материала, взаимодействующие поверхности вкладышей, упорных колец и обойм могут быть выполнены с наклонными к продольной оси вала под углом (α/2) плоскими контактными участками (второй вариант). Изобре-тение обеспечивает повышение надежности работы опоры.
Настоящее изобретение относится к буровой технике, в частности к кон-струкциям опор забойных двигателей, работающих в абразивной среде.
Известны конструкции радиальных опор забойных двигателей (турбобу-ров, винтовых двигателей), включающие размещенные в корпусе и на валу втулки, контактирующие между собой по цилиндрическим поверхностям, од-на из которых может быть обрезинена, другая упрочнена [4] или обе арми-рованы твердосплавными материалами.[10]
Основным недостатком всех известных и широко используемых ради-альных опор забойных двигателей наряду с недостаточной долговечностью является то, что при появлении радиального зазора в опоре в процессе ее из-носа управление траекторией ствола скважины особенно в наклонно-направленном и тем более при горизонтальном бурении становится слож-ным, а зачастую и невозможным.
Известна конструкция радиальной опоры забойного двигателя, принима-емая за прототип, в которой эта проблема частично решается благодаря то-му, что в ней содержатся упорные кольца и обоймы, размещенные между ва-лом и корпусом, упорные кольца выполнены с пазами, а обоймы подпружи-ненными, при этом между обоймами и валом установлены вкладыши с кони-ческими наружными поверхностями, входящие торцовыми частями в пазы упорных колец и взаимодействующие с внутренними поверхностями обойм.
При том, что в названной опоре выполняется функция компенсации ра-диального износа, она имеет ряд недостатков: 1 каждый из блоков опоры, со-стоящий из упорного кольца, вкладышей и подпружиненной обоймы, выпол-няя функцию компенсации износа, тем не менее не исключает возможности перекоса вала вместе с вкладышем, поскольку длина контактной поверхности вкладыша и обоймы ограничена; 2 при значительных величинах радиально-го износа контактных поверхностей вала и вкладыша осевое смещение обой-мы по контактной конической поверхности вкладыша не обеспечивает плот-ности прилегания этих поверхностей, что усугубляет возможность перекосов вала и «заедания» контактных поверхностей; 3 наконец, в данной системе компенсирующей опоры при недостаточной базовой длине опоры центриро-вание вала может нарушаться.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее пред-полагаемое изобретение, является устранение указанных выше недостатков и создание такой радиальной опоры забойного двигателя, конструкция кото-рой при работе в абразивной среде обеспечивала бы исключение перекосов вала вместе с вкладышами, плотность прилегания поверхностей вкладыша и обоймы и исключение возможности нарушения центрирования вала при обеспечении функции компенсации радиального износа взаимодействующих между собой поверхностей вкладышей и вала.
Решение технической задачи достигается тем, что радиальная опора за-бойного двигателя, включающего корпус и вал, выполнена в виде двух оппо-зитно расположенных блоков, между которыми установлена пружина, каж-дый из блоков содержит закрепленное в корпусе упорное кольцо, размещен-ные между валом и корпусом обойму с возможностью осевого перемещения и вкладыш, с конической наружной поверхностью, установленный между обоймой и валом с возможностью взаимодействия с внутренней конической поверхностью обоймы, при этом каждый блок содержит закрепленное в кор-пусе и выполненное в виде шлицевой втулки стопорное устройство, в кото-ром с возможностью радиального перемещения размещен вкладыш, а упор-ные кольца выполнены с внутренними коническими поверхностями для взаи-модействия с наружными коническими поверхностями вкладышей. Углы (α) при вершинах конусов конических поверхностей упорных колец, вкладышей и обойм находятся в следующем соотношении с коэффициентом трения мате-риалов пар трения: упорные кольца - вкладыши, обоймы -вкладыши: tg(α /2); взаимодействующая с поверхностью вала поверхность вкладышей выполнена с покрытием из эластомерного или твердосплавного материала.
Аналогичное решение достигается в варианте радиальной опоры забой-ного двигателя, включающего корпус и вал, выполненной в виде двух оппо-зитно расположенных блоков, между которыми установлена пружина, каж-дый из блоков содержит закрепленное в корпусе упорное кольцо, размещен-ные между валом и корпусом обойму с возможностью осевого перемещения и вкладыш, установленный между обоймой и валом с возможностью взаимо-действия с внутренней поверхностью обоймы, притом, что каждый блок со-держит закрепленное в корпусе и выполненное в виде шлицевой втулки сто-порное устройство, в котором с возможностью радиального перемещения размещен вкладыш, а упорные кольца установлены с возможностью взаимо-действия внутренней поверхностью с наружной поверхностью вкладышей. В варианте радиальной опоры взаимодействующие поверхности вкладышей, упорных колец и обоймы выполнены с наклонными к продольной оси вала под углом плоскими контактными участками; взаимодействующая с валом поверхность вкладышей выполнена с покрытием из эластомерного или твер-досплавного материала.
Возможность осуществления заявляемого предлагаемого изобретения подтверждается успешным применением компенсирующей радиальной опо-ры (прототипа) при ее промышленном использовании на промыслах Татнеф-ти в 70-х г.г., выявивших в то же время вышеперечисленные недостатки. От-личительные признаки, отраженные в формуле настоящего предлагаемого изобретения, могут быть реализованы с помощью средств, используемых в нефтяном машиностроении. Эти признаки необходимы и достаточны, по-скольку обеспечивают решение поставленной задачи - создание такой ради-альной опоры забойного двигателя, в которой при работе в абразивной сре-де исключаются перекосы и нарушения центрирования вала при компенсации радиального износа, что в целом повышает эксплуатационную надежность и долговечность забойного двигателя, особенно в глубоком наклонно-направленном и горизонтальном бурении.
В дальнейшем заявляемое настоящее предлагаемое изобретение поясня-ется примером его выполнения, схематически изображенного на прилагае-мых фигурах.

Рисунок 2.1 - Поперечное сечение по стопорному устройству:
1 – корпус; 4 - стопорные устройства; 7 – вкладыши; 15 – шлицы

Радиальная опора забойного двигателя в соответствии с рисунком 2.1, размещенная в корпусе 1 и на валу 2, выполнена в виде двух оппозитно рас-положенных блоков, каждый из которых содержит: упорные кольца 3 и сто-порные устройства 4, закрепленные в корпусе, например, путем осевого сжа-тия по торцам втулками 5, обоймы 6, размещенные между корпусом и валом, вкладыши 7, имеющие наружные конические поверхности 8, взаимодейству-ющие с ответными внутренними коническими поверхностями 9 упорных
колец 3 и 10 обойм 6. Углы (α) при вершине конуса для конических по-верхностей упорных колец 3, обойм 6 и вкладышей 7 выбираются из соот-ношения: tg(α/2)=n, где n, - коэффициенты трения для материалов пар трения: упорные кольца - вкладыш, вкладыш - обойма. Между обоймами 6 оппозит-но расположенных блоков установлена пружина сжатия 11, для защиты ко-торой от зашламления может использоваться свободно устанавливаемая втулка-протектор 12. Вкладыши 7 по внутренней цилиндрической поверхно-сти 13 могут быть выполнены с эластомерным покрытием либо упрочнены твердым сплавом. Поверхности 13 вкладышей находятся в контакте с наруж-ной цилиндрической поверхностью втулки 14 вала 2, которая также может быть упрочнена твердосплавным покрытием. Стопорные устройства 4, пред-ставляющие собой шлицевые втулки, оснащены шлицами 15 или иными эле-ментами аналогичного назначения, обеспечивающими наряду со стопорением от проворота свободу радиального и осевого перемещения установленных в них вкладышей 7.
В варианте исполнения опоры взаимодействующие поверхности вкла-дышей 7, упорных колец 3 и обойм 6 выполнены неконическими, а с наклон-ными к продольной оси плоскими контактными участками 16. Углы (α/2) наклона этих поверхностей к оси также выбираются из соотношения: tg(α/2)=x.
Оппозитно расположенные блоки в обоих вариантах опоры, состоящие из вышеперечисленных элементов, разделены проставочной (дистанционной) втулкой 17, включенной в общую систему зажимаемых по оси в корпусе 1 де-талей 3, 4 и 5 радиальной опоры.
Радиальная опора забойного двигателя работает следующим образом.
Пружина 11 осуществляет постоянное прижатие обойм 6 к вкладышам 7, которые, имея с противоположной стороны контакт по конической поверхно-сти с упорными кольцами 3, прижаты к валу 2. Сила прижатия, определяемая углом наклона α /2 взаимодействующих поверхностей (8 и 9, 8 и 10) и усили-ем пружины 11, выбирается исходя из допустимого значения контактного давления в паре трения поверхностей 13 и 14, являясь исходной
величиной для выбора характеристики пружины 11 и угла α. При появ-лении радиального зазора (износ) в паре трения поверхностей 13 и 14 под действием пружины 11 обоймы 6 смещаются в осевом направлении, так как конические поверхности обойм 6 и упорных колец 3, взаимодействуя с ответ-ными поверхностями вкладышей 7, вызывают радиальное перемещение вкладышей 7 в шлицах 15 стопорных устройств - шлицевых втулок 4 в направлении вала 2. В результате происходит ликвидация радиального зазо-ра, т.е. компенсация износа контактирующих поверхностей радиальной опо-ры и сохранение центрирования вала забойного двигателя.
При перемещении вкладышей 7 по коническим поверхностям упорных колец 3 и обойм 6 по коническим поверхностям вкладышей 7 полное приле-гание контактирующих конических поверхностей имеет место лишь в началь-ный момент, а затем контакт осуществляется по концевым кромкам, однако это практически не влияет на эффект компенсации радиального люфта, так как при возникновении повышенных удельных нагрузок на концевых кром-ках они прирабатываются и прилегание по коническим поверхностям восста-навливается.
В варианте выполнения поверхностей, по которым взаимодействуют вкладыши 7 с упорными кольцами 3 и обоймами 6, с плоскими контактными участками, наклоненными к оси под углом (α/2), смещение обойм 6 и вкла-дышей 7 в осевом направлении не приводит к размыканию контакта этих по-верхностей, что позволяет повысить твердость и, следовательно, износостой-кость этих поверхностей.
Выбор угла α в обоих вышеописанных вариантах исполнения радиаль-ной опоры таким, что tg(α /2)=x, исключает децентрирование вала при воз-никновении внешних радиальных нагрузок, действующих на вал забойного двигателя, т.е. невозможность отжатия вкладышей в радиальном направле-нии, так как их перемещение по наклонной поверхности (конической или
плоской) под действием радиальной нагрузки при «угле трения», близ-ком к коэффициенту трения, не произойдет. В свою очередь, при появлении радиального зазора в результате износа пары трения: вкладыш - вал, ком-пенсация (т.е. устранение) этого зазора осуществляется за счет осевого пере-мещения обойм по наклонным поверхностям (конической или плоской) под действием пружины, усиливаемым также и вибрацией забойного двигателя.
Расположение наружных конических (или плоских наклонных) поверх-ностей вкладыша 7 по обоим его концам при взаимодействии с сопряженны-ми поверхностями упорных колец 3 и обойм 6 обеспечивает надежное цен-трирование, исключение перекоса вкладышей и их равномерное радиальное перемещение для компенсации радиального износа поверхностей трения ра-диальной опоры.
Выбор осевой длины дистанционной втулки 17 принципиально ничем не ограничивается, поэтому база радиальной опоры может быть задана исходя из конструктивных требований надежного центрирования его вала.
Описанная выше радиальная опора забойного двигателя применима в узлах конструкций турбобуров, винтовых забойных двигателей и других машинах аналогичного назначения, в которых возникновение радиального зазора в результате износа радиальных опор снижает не только работоспо-собность двигателя, но и приводит к существенному отклонению от техноло-гических требований проводки ствола скважины, особенно в условиях направленного бурения (наклонно-направленных и горизонтальных сква-жин). Предложенная опора применима и в других отраслях техники, где имеются сходные требования.

2.2 Описание предлагаемой модернизации
Предлагается произвести установку дополнительной радиальной опоры в шпиндельной секции винтового забойного двигателя по следующим причи-нам:
1) снизить вибрацию вала;
2) снизить нагрузки на нижнюю и верхнюю радиальные опоры;
3) продление межремонтного периода винтового забойного двигателя.
В качестве материала опоры предлагается взять Ст45Х с обоймой из ре-тинакс ввиду следующих его свойств:
Высокие прочностные характеристики;
Высокая износостойкость;
Минимальные отходы.