Расчетная часть. Расчет адаптера подвески системы верхнего привода к Крюкоблоку УТБК-5-270-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

Расчетная часть-Расчет адаптера подвески системы верхнего привода к Крюкоблоку УТБК-5-270-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин
4 Техническое предложение по модернизации крюкоблока УТБК-5-270

4.1 Основание для модернизации крюкоблока

При бурении скважин буровыми установками БУ 4500/270 ЭК-БМ с СВП, возникла проблема в повышенном износе талевого каната, так как расстояние между крюкоблоком и кронблоком стало меньше связи с использованием СВП, на высоту СВП 6,5 м.
В стандартном варианте крюкоблок УТБК-5-270 следующею компоновку изображенную на рисунке 15.



1 – талевый блок; 2 – демферная пружина; 3 – крюк; 4 – замок
Рисунок 15 – Крюкоблок УТБК-5-270

Крюкоблок состоит из талевого блока УТБ-5-270 и крюка УУТЛ-270, которые соединены осями.



Рисунок 16 – Крюк УКТЛ-270

Крюк УКТЛ-270 рисунок 15, в дальнейшем «крюк», состоит из вращающихся на упорном подшипнике 17 частей: сварно-литого крюка 1, ствола 7, пружины 8, установленных между фланцами стаканов 10 и 11, двух вкладышей 6, и не вращающихся частей – траверсы 15, гидроамортизатора 12 и крышки 13.
Зев крюка закрывается защелкой 3 с пружинным стопором 4.
Закрывание защелки производиться штропом вертлюга при его посадке на крюк, когда штроп давит на защелку и поворачивает ее под упор, при этом защелка закрывается стопор.
Боковые рога крюка имеют седловидные выточки под штропа элеватора, закрытые от соскакивания штропов скобами.
Ствол от поворота удерживается шпонкой с возможностью вертикального перемещения ствола на длину рабочего хода пружин. Данная операция необходима при ручной расстановке свечей в два подсвечника.
СВП также имеет в конструкции систему пружин предохраняющие от повреждения буровое оборудование при выполнении спускоподъемных операций, и возникновении осложнений в процессе бурения. СВП в своей комплектации также имеет встроенный элеватор, что отпадает использование крюка с рогами для подвешивания элеватора.
Общая длина крюка используемая в крюкоблоке составляет 2483 мм, непосредственно длина крюка в комплекте с талевым блоком составляет 2133 мм.

4.2 Техническое предложение по модернизации крюкоблока

Одним из выходов в уменьшении износа талевого каната и сохранения талевой системы в работоспособном состоянии есть увеличение расстояния между крюкоблоком и кронблоком.
Для этой достижения этой цели и уменьшения металлоемкости, а следовательно упрощение конструкции крюкоблока в целом, целесообразно изменение конструкции крюковой подвески. Для этого мы отойдем от крюка с рогами и демферной пружины.
На талевый блок предлагается установить подвеску (адаптер) на штатные места крепления крюка, для уменьшения переделок в конструкции крюкоблока, рисунок 17.
Рисунок 17 – Модернизированный крюкоблок

Общая длина крюкоблока составляет 3813 мм, а модернизированного 1873 мм, что на 1940 мм меньше.
Конструкцию адаптера приведена на рисунке 18.

Рисунок 18 - Адаптер

5 Расчет элементов подвески

Для правильности выбора конструкции и геометрических размеров элементов модернизации проведем расчет модернизированных элементов.

5.1 Расчет пальца крепления адаптера на прочность

В конструкции блока адаптер крепиться на два пальца, которые фиксируются гайкой и шплинтуются деформируемой шайбой.
В результате предложенной модернизации возникла необходимость проверить пальца крепления адаптера. Размер и параметры пальца не менялись из конструкции талевого блока. В креплении адаптера используются два пальца, соответственно нагрузка которая воспринимается талевым блоком может быть поделена на два. Проведем расчет, определим сечение пальца.
Для этой цели построим расчетную схему и зададим нагрузки.



Рисунок 19 - Расчетная схема

Дано: Q = 2838 КН, σТ=360МПа, [S]=3,5.
Решение:
 В талевой подвеске нагрузка распределяется на 2-ва пальца равномерно:

Qпал.=Qобщ../2=2838/2=1419 КН.

По расчетной схеме на палец с одной стороны от адаптера действует усилие на две стороны, то полученную нагрузку необходимо поделить на два и построить расчетную схему.

Qпал1=Qпал./2=1419/2=709,5 КН.

Рассмотрим схему нагружения и составим уравнения равновесия системы:

∑Fx=0: RАХ=0,

∑Fy=0: RАУ+RВУ-Qпал1=0,

∑МА=0:  Qпал1·0,075+Q·(0,350+0,075)-RВУ·(2·0,350+0,448)=0.

где RАХ – реакция в опоре А;
RВУ – реакция в опоре В;
Qпал1 – нагрузка возникающая от адаптера.

Решим уравнения равновесия:

RВУ=(301,54·103+53,21·103)/0,5= 709,5 К·Н,

RАУ=Qпал1·2-RВУ=709,5·103·2-709,5=709,5 К·Н.

Чтобы найти наиболее опасное сечение в пальце, необходимо найти поперечные силы и изгибающий момент по участкам. Палец будет иметь 3 участка.



Рисунок 20 - Схема нагружения

1-й участок

QI=RАУ=709,5 К·Н,



2-й участок

QII=RAY-Qпал1=709,5-709,5=0 К·H,


  3-й участок

QII=RAY-Qпал1- Qпал1=709,5-709,5-709,5=-709,5 К·H,



Построим эпюру поперечных сил и изгибающих моментов.



Рисунок 21 - Эпюра нагружения пальца

По эпюре изгибающих моментов найдем наиболее опасное сечение и для него определим момент сопротивления (W), и определим поперечное сечение пальца. Для этой цели проведем расчет напряжений на статическую прочность, с последующим определением сечения пальца.

     (3)

где [S] – допустимый коэффициент запаса прочности.
.

 Определим, диаметр пальца через момент Wх по формуле:

      (4)


По размерному ряду выбираем значение d пальца в меньшую сторону, до целого числа 180 мм.

5.2 Расчет элемента адаптера

Проведем проверочный расчет элемента адаптера на котором крепиться штроп СВП и передается основная масса бурильной колонны, в месте крепления адаптера к талевому блоку нагрузка будет распологаться равномерно на 4 составляющих.
Для этой цели построим расчетную схему и зададим нагрузки.



Рисунок 22 - Расчетная схема

Дано: Q = 2838 КН, [σ] = 78,58 МПа, σТ=275МПа для стали 35Л, [S]=3,5.

Решение:

Рассмотрим схему нагружения и составим уравнения равновесия системы:

∑Fx=0: RАХ=0,

∑Fy=0: RАУ+RВУ-Q=0,

∑МА=0:  Q·0,193-RВУ·0,386=0.

где RАХ – реакция в опоре А;
RВУ – реакция в опоре В;
Q – нагрузка от веса бурильной колонны и СВП.

Решим уравнения равновесия:

RВУ=(2838·103·0,193)/0,386= 1419 К·Н,

RАУ=Q-RВУ=2838·103-1419=1419 К·Н.

Чтобы найти наиболее опасное сечение, необходимо найти поперечные силы и изгибающий момент по участкам.

Рисунок 23 - Схема нагружения
1-й участок

QI=RАУ=1419 К·Н,



2-й участок

QII=RAY-Q=1419-2838=-1419 К·H,


 Построим эпюру поперечных сил и изгибающих моментов.

Рисунок 24 - Эпюра нагружения пальца

По эпюре изгибающих моментов найдем наиболее опасное сечение и для него определим момент сопротивления (W), и определим поперечное сечение.

где n-коэффициент использования = 2.
  .
 Определим, момент Wх по формуле:
      (5)

Рассматривая конструкцию адаптера, мы пришли к выводу, что необходимо использовать сечение в нижней части адаптера, в узле крепления серьги СВП 140х180 мм, это еще выбрано и конструктивно, для уменьшения напряжений в сечении.
Рассчитаем адаптер на усталостную прочность:
R = 275 МПа – коэффициент асимметрии; S = 0,09 м2; n = 1,7 – запас прочности; γV = 1,6 – коэффициент от вида напряженного состояния; m = 0,9 – коэффициент условий работы.

Рассчитаем напряжения по усталостной прочности.


396·106>53,607·106 МПа
Условие выносливости адаптера выполняется.

5.3 Расчет адаптера численными методами
(определение напряженного состояния адаптера)
Анализ адаптер
Авт ор:

 
 
 
 
Программное обеспечение: Autodesk Inventor Professional 2009
Технология ANSYS

Введение
Модуль "Анализ напряжения" Autodesk Inventor Professional использован для имитации поведения механической детали в условиях нагрузки на конструкцию. Результаты, представленные в данном отчете, получены с помощью технологии ANSYS.
Не следует принимать или отклонять проект, основанный исключительно на данных представленных в данном отчете. Проекты следует оценивать, рассматривая информацию в соответствии с экспериментальными данными испытаний и практическим опытом инженеров-конструкторов и аналитиков. Качественный подход к техническому проектированию всегда предполагает физические испытания в качестве решающего средства обоснования конструктивной целостности с определенной погрешностью.
Дополнительную информацию о программах анализа напряжения AIP и ANSYS для Autodesk Inventor можно получить на веб-узле: http://www.ansys.com/autodesk.
Геометрия и зацепление
Точность зацепления в данном анализе была определена с помощью параметра значимости. Для справки: при установке значения -100 создается грубое зацепление, выдаются быстрые решения и сомнительные результаты. При установке значения +100 создается точное зацепление, процесс поиска решения занимает больше времени и результаты получаются более точными. По умолчанию установлено нулевое значение значимости.
Таблица 6 – Характеристики адаптер
Размеры ограничивающей рамки 972,1 mm
561,7 mm
488,4 mm
Масса детали 471,4 kg
Объем детали 6,006e+007 mm3
Параметр значимости сетки 0
Узлы 24892
Элементы 12562
Размеры ограничивающей рамки представлены длинами в глобальной системе координат X, Y и Z.
Данные о материале
Следующее поведение материала предположительно для данного анализа:
• Линейное - напряжение прямо пропорционально деформации.
• Постоянное - все свойства термонезависимы.
• Однородное - свойства неизменны на протяжении всего объема детали.
• Изотропное - свойства материала одинаковы во всех направлениях.
Таблица 7 - Литая сталь
Модуль Юнга 2,1e+005 MPa
Коэффициент Пуассона 0,3
Массовая плотность 7,85e-006 kg/mm3
Предел текучести при растяжении 250,0 MPa
Предел прочности при растяжении 300,0 MPa
Нагрузки и зависимости
Следующие нагрузки и зависимости действуют на отдельные области детали. Области были определены путем выбора поверхностей, цилиндров, ребер или вершин.
Таблица 8 - Описания нагрузок и зависимостей
Имя Тип Величина Вектор
Сила 1 Поверхностное усилие 2,546e+005 N  0,0 N
-2,546e+005 N
0,0 N
Зависимость фиксации 1 Зависимость фиксации поверхности 0,0 mm  0,0 mm
0,0 mm
0,0 mm
Таблица 9 - Реакции зависимостей
Имя Сила Вектор Момент Вектор момента
Зависимость фиксации 1 2,546e+005 N  -9,042e-005 N
2,546e+005 N
-1,864e-005 N  97,9 N·mm  -7,604 N·mm
7,903e-002 N·mm
-97,6 N·mm
Примечание: векторные данные соответствуют глобальным компонентам X, Y и Z.
Результаты
В таблице ниже приведены все структурные результаты, полученные в ходе анализа. В следующем разделе представлены иллюстрации каждого результата, нанесенного на поверхность детали.
Запас прочности рассчитан на основе теории прочности при максимальном эквивалентном напряжении пластичного материала. В качестве предельного напряжения указан предел текучести при растяжении материала.

Таблица 10 - Структурные результаты
Имя Начало Окончание
Эквивалентное напряжение 7,879e-002 MПa  40,04 MПa
Максимальное главное напряжение -11,19 MПa  34,45 MПa
Минимальное главное напряжение -52,96 MПa  2,335 MПa
Деформация 0,0 mm  6,834e-002 mm
Коэф. запаса прочности 6,243 Нет







Рисунок 25 – Эквивалентные напряжения

Эквивалентные напряжения в адапторе будут в точках перехода сечения и в точке приложения нагрузки. Так как в этих точка будит возникать наибольшие нормальные напряжения.


Рисунок 26 – Максимальные главные напряжения

Напряжения в которых не действуют касательные напряжения будут называться главными, рассматривая рисунок 21 мы можем сказать в каких точках возникаю max главные напряжения и по диаграмме чему они ровны. Наиболее нагруженными участками оказались участки точках перехода.

Рисунок 27 – Min главные напряжения

Этот рисунок показывает в какой плоскости возникают минимальные напряжения (момент инерции в точке крепления серьги СВП будут возникать минимальные моменты инерции).

Рисунок 28 – Деформации адаптера
На рисунке 23 мы можем сказать (получено в результате использования численных методов расчета) про участки, в которых будут наибольшие деформации конструкции. Наиболее деформируемым участком будет элемент адаптера расположенный непосредственно под серьгой СВП.



Рисунок 29 – Коэф. запаса прочности

Данный адаптер имеет довольно большой запас прочности по коэффициенту прочности. Согласно расчетов, коэф. запаса прочности 6,243 имеют участки перехода сечения и приложения нагрузки. Остальные части адаптера имеют коэффициент запаса прочности в 2-3 раза выше чем зоны перехода сечения и приложения нагрузки.
По результатом, проведенных расчетов численными методами можно сказать что напряженно-деформируемое состояние, полностью удовлетворяют поставленным задачам в модернизации, и конструкция адаптера (выбранные и рассчитанные геометрические размеры) полностью подходит с коэффициентом запаса более 6.