Расчетная часть-Расчет вспомогательной лебедки механизма подъема люльки для обслуживания системы верхнего привода СВП-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

Расчетная часть-Расчет вспомогательной лебедки механизма подъема люльки для обслуживания системы верхнего привода СВП: Выбор полиспастной системы расчет и выбор типа каната, Определение основных размеров и числа оборотов барабана, Расчет и выбор электродвигателя, Расчет и выбор редуктора, Выбор муфт, Выбор тормоза, Расчет поперечной балки направляющего ролика-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

5 Расчет механизма подъема

Общий расчет механизма подъема люльки включает выбор уравни-тельного карамысла, полиспаста, двигателя, редуктора, муфт, 2 тормоза, выбор каната, расчет барабана.
Необходимо рассчитать механизм лебедки, для подъема люльки с людьми для обслуживания СВП, грузоподъемностью Q=500 кг. Скорость подъема лебедки υг=0,08 м/с. Высота подъема H=20м. (общая длина каната наматываемого на барабан составляет 20 м.). Группа классификации механизма 3М в соответствии с ИСО4301/1-86. Кинематическая схема привода механизма подъема показана на рисунке 13.

1 - электродвигатель; 2 - тормоз, 3 - промежуточный вал; 4 - муфта; 5 - тормоз; 6 - редуктор; 7 – барабан, 8 - муфта.
Рисунок 13 – Кинематическая схема привода механизма подъема

Механизм подъема приводится в движение от кранового электродвига-теля 1, соединяемого с цилиндрическим одноступечатым редуктором 6 с по-мощью муфты 4 снабженой тормозным шкивом, с которым взаимодействует колодочный электромагнитный тормоз 5. По правилам Ростехнадзора на ле-бедки которые используются для подъема людей, должны быть установлены 2 тормоза, с тормозным моментом 1,25. Барабан 7 закреплен на оси, опира-ющейся на два роликовых сферических подшипника, позволяющих компен-сировать перекосы оси относительно выходного вала редуктора 6. Барабан с редуктором соединяется с помощью специальной зубчатой муфты, одна часть которой (внутренняя) выполнена вместе с тихоходным валом редукто-ра, другая часть входит в состав барабана.

5.1 Выбор полиспастной системы расчет и выбор типа каната

Кратность полиспаста механизма подъема выбирается в зависимости от типа полиспаста и грузоподъемности механизма. Принимаем сдвоенный двухкратный полиспаст. Схема запасовки каната показана на рисунке 14.

1 - барабан; 2 - канат; 3 - подвеска; 4 – блоки с уравнительным коромыслом.
Рисунок 14 - Схема запасовки каната

КПД полиспаста и отклоняющего блока:
, (1)

где  η = 0,97 – КПД блока установленного на подшипниках качения;
a = 2 – кратность полиспаста.


Наибольшее натяжение ветви каната:
, (2)

где  Q=500 - масса поднимаемого груза, кг;
Gз=30 – масса подвески, кг,
.
Выбор стального каната производится в соответствии с Правилами Ро-стехнадзора. Расчетное разрывное усилие в канате:
, (3)

где zp=9 -минимальный коэффициент использования каната, для группы классификации механизма 3М по ИСО 4301/1;
 S=1338,3 - наибольшее натяжение ветви каната, Н,
.

Выбираем по ГОСТ 3077-80 канат двойной свивки типа ГЛ-ВК-Н-Т-180 диаметром d=8,8 мм, имеющий при маркировочной группе прово-лок 1764 МПа, разрывное усилие F=52,75 КH (ГЛ - грузолюдской; ВК - высшего качества; Н – нераскручивающийся).
 Фактический коэффициент использования каната:
, (4)

где F=52750 – разрывное усилие каната, Н;
S=1338,7 - наибольшее натяжение ветви каната, Н;
z=9 – минимальный коэффициент использования каната,


В соответствии с проведенными расчетами выбранный канат удо-влетворяет условиям нагружения механизма.
Определяем размеры блоков, минимальный диаметр блока:
, (5)

где  d=8,8 - диаметр каната, мм;
h2=16 - коэффициент выбора диаметра блока.
.

В соответствии с рядом предпочтительных чисел размеров выби-раем блок диаметром Dбл=160 мм.

5.2 Определение основных размеров и числа оборотов бара-бана

Барабаны выполняют литыми из чугуна или стали и сварными стальными. На рисунке 15 представлена схема размеров барабана.

Рисунок 15 - Схема размеров барабана

Минимальный диаметр барабана по дну канавки:
, (6)

где  d=8,8 - диаметр каната, мм;
h1=14 - коэффициент выбора диаметра барабана.
.

В соответствии с рядом предпочтительных чисел и конструктивной особенности конструкции барабана и лебедки в целом выбираем барабан диаметром Dб=260 мм=0,26 м.
Шаг нарезки:
t=(1,1..1,2)d, (7)

t =(1,1..1,2)8,8=10,12≈10 мм

Толщина стенки литого чугунного барабана:
δ≈1,2d≥8 мм, (8)

δ≈1,2∙8,8=10,56≥8 мм

Для уменьшения металлоемкости барабана принимаем толщину его стенки δ=11 мм.
Принимаем в качестве материала барабана чугун марки СЧ 15 ( , [ ]=130 МПа), найдем напряжение сжатия в стенке бара-бана:
, (9)

где  S=1338,7 - усилие в канате, Н;
 t=10 - шаг нарезки, мм;
[ ] - допускаемое напряжение сжатия для материала барабана, МПа.
.

Т. к. условие выполняется с большим запасом примем толщину стенки равную 8 мм.
Действующие напряжения меньше допускаемого, поэтому выбранная толщина стенки обеспечивает требуемую прочность.
Длина барабана при сдвоенном полиспасте и намотке обеих ветвей ка-ната на один барабан (см. рисунок 14) определяется по формуле:
LБ=2(lр+lраз+lг), (10)

где  lр – длина рабочей части барабана;
lраз – длина части барабана, на которой размещаются разгружающие витки;
lг=3t – гладкая часть барабана;
Длина рабочей части барабана:
, (11)

где  Н=20 - высота подъема, м;
a=2 – кратность полиспаста;
DБ=0,26 – диаметр барабана, м;
d=0,0088 – диаметр каната, м;
t=0,010 - шаг нарезки, м,



Длина части барабана, на которой размещаются разгружающие витки:

lраз=2t, (12)

lраз=2∙0,01=0,02 м.

Определяем длину гладкой части барабана:

lг=3t, (13)

lг=3∙0,01=0,03 м



Найдем полную длину барабана:

LБ=2(0,47+0,02+0,03)=1,04м.

При расчете длины барабана должно выполняться условие:

, (14)

1,04/0,26=4.

данное условие выполняется, оставляем ранее выбранный размер.
 Определяем частоту вращения барабана:

, (15)
где  υг=0,08 - скорость подъема груза, м/с;
a=2 – кратность полиспаста;
DБ=0,26 – диаметр барабана, м,

.

Определяем требуемую угловую скорость барабана:
, (16)

где  nБ=11,76 - частота вращения барабана, об/мин,

.

5.3 Расчет и выбор электродвигателя
  
Находим КПД механизма:

ηм=ηр3 ∙ηп , (17)

где  ηр=0,96 – расчетный КПД редуктора;
ηп=0,93 – КПД полиспаста,

ηм=0,93∙0,963=0,82.

Находим требуемую статическую мощность электродвигателя:

, (18)

где  υг=0,08 -скорость подъема груза, м/с;
ηм=0,82 - КПД механизма;
Q=500 - масса поднимаемого груза, кг;
Gз=30 – масса крюковой подвески, кг,

  .

Номинальная мощность электродвигателя принимается равной или не-сколько большей статической мощности. С учетом этих указаний, выбираем крановый электродвигатель с фазным ротором MTКН 011-6, имеющим для группы классификации механизма М6 номинальную мощность Nд=1,2 кВт; частоту вращения n=880 мин-1; угловую скорость ωд=92 сек-1; максимальный пусковой момент двигателя Mп=4,2 Нм. Габаритная схема электродвигателя представлена на рисунке 3.5.



Рисунок 16 - Габаритная схема электродвигателя MTКН 011-6 и его размеры

Основные габаритные и установочные размеры представлены в таблице 7.

Таблица 7 - Основные габаритные и установочные размеры
Тип  Размеры, мм
 b10 b11 b31 d1 h h31 L1 L10 L11 L30 L33
MTКН 011-6 180 280 120 8 112 275 60 150 246 440 505

  5.4 Расчет и выбор редуктора

Передаточное число привода от двигателя до барабана:

, (19)

где  ωБ=1,3 – угловая скорость барабана, сек-1;
 ωД=92 – угловая скорость двигателя, сек-1,



В соответствии со стандартным рядом принимаем передаточное число привода, округляя его в меньшую сторону для 3-х ступенчатых редукторов, i=63.
Для проектируемой лебедки выбираем готовый 3-х ступенчатый ре-дуктор ЦЗУ-160: длиной – 630 мм.; шириной – 212 мм.; высотой – 345 мм.
Расчетная мощность редуктора при kр=1,7 – коэффициент учитываю-щий условия работы редуктора и мощности электродвигателя Nд=1,4 кВт:

, (20)



Фактическая частота вращения барабана:

, (21)

где  nд=880 – частота вращения двигателя, об/мин;
iр=70 – передаточное число редуктора.



Определяем фактическую скорость подъема груза, которая не должна отличаться от заданной более чем на 5%,

, (22)

где DБ=0,26 – диаметр барабана, м;
- фактическая частота вращения барабана, мин-1;
a=2 – кратность полиспаста,



Эта скорость отличается от заданной на 4%, что удовлетворяет требо-ваниям.

5.5 Выбор муфт

Момент статического сопротивления на валу двигателя в период пуска с учетом того, что на барабан навиваются две ветви каната:

-при подъеме люльки:

, (23)

где  Sб=1338,7 - усилие в канате, набегающем на барабан, Н;
i=70 передаточное число редуктора;
ηб=0,94 - КПД барабана;
 ηпр=0,96 - КПД привода барабана;
 z=2 - число ветвей каната закрепленных на барабане;
 Dб=0,30 - диаметр барабана, м,

.

-при опускании люльки:

, (24)


Момент, передаваемый муфтой, принимается равным моменту статических сопротивлений :

(25)

Номинальный момент на валу двигателя :

, (26)

где  Nд=1,4 -мощность электродвигателя, кВт;
n=880 – частота вращения электродвигателя, об/мин,



Расчетный момент для выбора зубчатой муфты:

, (27)

где k1=1,3 -коэффициент, учитывающий степень ответственности механиз-ма;
k2=1,2 -коэффициент, учитывающий режим работы механизма.

.

Выберем ближайшую по требуемому крутящему моменту зубчатую муфту No1 с тормозным шкивом диаметром Dт=145мм, шириной с Bт=105 мм и наибольшим передаваемым крутящим моментом 3150 Нм. Момент инер-ции муфты Iм=0,6 кгм2. Масса муфты 16,5 кг. На рисунке 3.7 представлена конструктивная схема муфты типа МЗ с тормозным шкивом.


Рисунок 17 - Конструктивная схема зубчатой муфты с тормозным шки-вом

5.6 Выбор тормоза

Механизмы подъема люльки должны быть снабжены тормозами нор-мально закрытого типа, автоматически размыкающимися при включении привода.
Статический момент от груза приведенный на быстроходный вал:

, (28)

где ηобр – КПД при обратном движении (движение механизма под действи-ем груза при отключенном приводе), для зубчатого редуктора ηобр=0,95;
a=2 – кратность полиспаста;
i=70 – передаточное число редуктора;
ηм=0,89 -КПД механизма;
d=0,0088 – диаметр каната, м,

КПД при подъеме груза:

, (29)

где ηп=0,93 – КПД полиспаста;
ηм – КПД муфты, для зубчатых муфт ηм=0,99;
ηб=0,94 КПД барабана;
s=2 – число муфт в приводе;
ηобр=0,95 – КПД при обратном движении,



По полученным данным находим момент на валу тормозного шкива:

.

Необходимый по нормам Ростехнадзора момент, создаваемый тормо-зом, выбирается из условия:

, (30)

где kт - коэффициент запаса торможения. Тормоз механизма подъема гру-за, должен обеспечивать тормозной момент с коэффициентом запаса тормо-жения не менее 1,25, так как лебедку используют для подъема людей, то та-кая лебедка оборудывается 2-мя тормозами.



Выбираем тормоз ТКГ-160, с тормозным моментом 800 Нм, диамет-ром тормозного шкива DT=100 мм. Регулировкой можно получить требуе-мый тормозной момент МТ=10,375 Нм. На рисунке 18 представлена кон-структивная схема двухколодочного тормоза с электрогидравлическим толкателем ТКГ.



Рисунок 18 - Габаритная схема тормоза типа ТКГ.

Основные размеры тормоза типа ТКГ-160 представлены в таблице 18

Таблица 7 - основные размеры тормоза типа ТКГ-160
Тип Размеры, мм
ТКГ-1600 L H E T B D h
 490 415 414 180 201 160 355

Для подъема людей может быть использована рассчитанная лебедка, так как она обладает большим коэффициентом запаса. Представленная на плакате в виде чертежа.

6 Расчет поперечной балки направляющего ролика

В результате выполнения работы связанной с обслуживанием СВП, возникает необходимость сооружения поперечной балки на высоте около 20 м. на опорах вышки. Необходимо выбрать сечение и провести расчет нагру-зок действующих на данную балку в процессе ее эксплуатации.

Рисунок 19 - Расчетная схема

Дано: Q = 500 кг., [σ] = 210 МПа.

Решение.
Рассмотрим схему нагружения и составим уравнения равновесия си-стемы:

∑Fx=0: RАХ=0,

∑Fy=0: RАУ-RВУ+Р=0,

∑МА=0:  Р·5,19-RВУ·8,31=0.

где RАХ – реакция в опоре А;
 RВУ – реакция в опоре В;
 Р – нагрузка возникающая от ролика.

Решим уравнения равновесия:

RВУ=Р·g·3,12/8,310=500·9,81·3,12/8,31=1877,3 Н,

RАУ=Р·g-RВУ=500·9,81-1877,3=3122,7 Н.

Чтобы найти наиболее опасное сечение в балке, необходимо найти поперечные силы и изгибающий момент по участкам. Балка будет иметь 2 участка.


Рисунок 20 - Схема нагружения

QI=RАУ=3122,7 Н,



QII=RAY-P·g=3122,7-500·9,81=1877,3 H,


Построим эпюру поперечных сил и изгибающих моментов.


Рисунок 21 - Эпюра нагружения продольной балки

По эпюре изгибающих моментов найдем наиболее опасное сечение и для него определим момент сопротивления (W), и определим номер двутав-ра.

    (31)

где n-коэффициент использования = 3.
 
.

 По справочнику подберем номер двутавра, полученное значение соот-ветствует No 18 (выбираем ближайший двутавр в большую сторону).
 Вывод: для сооружения поперечной балки и для дальнейшего крепле-ния на нем обводного ролика будем использовать двутавр номер 18.