Расчетная часть-Расчет талевой системы буровой установки БУ 4500/270 ЭК-БМ с СВП-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

Расчетная часть-Расчет талевой системы буровой установки БУ 4500/270 ЭК-БМ с СВП: Расчет элементов талевой системы, Определение высоты вышки с использованием системы верхнего привода, Расчет и подбор подшипников, Расчет оси шкивов на прочность, Определение размеров оси талевого блока для сферических роликовых подшипников-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

4 Техническое предложение по модернизации талевой системы буровой установки

4.1 Основание для модернизации талевой системы

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 14.



1 – талевый блок; 2 – демферная пружина; 3 – крюк; 4 – замок
Рисунок 14 – Крюкоблок УТБК-5-270

На буровой установлен кронблок УКБ-6-325, который изображен на рисунке 15.


Рисунок 15 – Кронблок УКБ-6-325

В процессе эксплуатации талевой системы буровой установки данного типа стали наблюдаться следующие проблемы:
- повышенный износ талевого каната;
- истирание реборд блока крюкоблока и кронблока;
- выдавливание стопорных колец на талевом блоке и кронблоке, предназначенных для закрепления от осевого смещения наружного кольца двухрядного радиально-упорного конического подшипника.
Такие проблемы наблюдаются не на одной буровой установке, а но всем ряде буровых установок БУ-4500/270 ЭК-БМ, на которых в своей конструкции используется верхний привод (СВП). Использование верхнего привода как уже говорилось приводит к уменьшению расстояния в талевой системе буровой остановки.
Причиной данных явлений могут быть конструктивные недоработки буровых установок:
1. Большая разница между диаметрами секций кронблока и шириной по оси шкивов крюкоблока, а также шириной кронблока. В следствии чего талевый канат испытывает не только растягивающие нагрузки но возникают и осевые (изгибающие).
2. Износ талевого каната наблюдается также непосредственно в результате намотки на барабан лебедки.
На буровых установках БУ-125; БУ-3000БД; БУ-5000(ЗД-76, 3Д-78), используют крокоблоки и непосредственно талевые блоки шириной 850-1000 мм. Для устранения возникающих проблем необходимо увеличить ширину талевого блока.

4.2 Техническое предложение по модернизации талевой системы

Одним из выходов в уменьшении износа талевого каната и сохранения талевой системы в работоспособном состоянии есть увеличение расстояния между крюкоблоком и кронблоком, чтоб произошло изменение угла между шкивом и талевых блоком.
Данное решение можно добиться изменением расстояния между талевым блоком и кронблоком, но это не возможно так как изменение высоты вышки приведет сразу и изменению как в металлоемкости буровой в целом так и нарушению кинематических связей, что не целесообразно, так как меняется не один параметр.
Техническое предложение заключается в изменении конструкции подшипникового узла талевого блока и кронблока, изменение заключается в способности подшипников воспринимать большие осевые нагрузки, которые создает талевый канат, так как сталь больше угол в крестовой оснастке, соответственно увеличились нагрузки на подшипниковый узел. Модернизацию подшипникового зла можно попытаться провести в двух направления:
- заменить стопорные кольца, на большие с подбором (с двух сторон), что вызволит воспринять большие осевые нагрузки;
- и второй путь изменить конфигурацию шкива, с установкой подшипника с одним стопорным кольцом.
Модернизация подшипникового узла не дает в полной мере избежать возникающие проблемы выявленные в ходе эксплуатации.
Следующий этап в модернизации является попытка увеличения ширины талевого блока буровой установки. Увеличение ширины талевого блока позволяет нам добиться уменьшения износа реборд шкивов талевого блока буровым канатом за счет уменьшения угла талевого каната относительно вертикальной оси, а соответственно уменьшить износ, как талевого каната так и шкивов талевой системы в целом.
Для этой цели необходимо провести анализ буровых установок разного типа, и посмотреть какое соотношение диаметров, размеров по оси крюкоблока так и кронблока.
Для этого необходимо провести расчет и определить углы в талевой системе буровых установок в зависимости от расстояния между кронблоком и талевым блоком полиспастной системы буровой установки.



5 Расчет элементов талевой системы

Для выбора конструкции, проведем расчет подшипников, оси талевого блока и углов талевого каната для определения нагрузок и конструкции талевого блока целиком.
Рассматривая отношение диаметра каната к диаметру барабана, можно сделать вывод что это отношение должно быть не менее 23, а барабан используемый на буровой может быть исполнен гладким (накладки), так как навивка многослойная и на буровых лебедках используется еще каната укладчик.

 5.1 Определение высоты вышки с использованием системы верхнего привода.

Расстояние между осью кронблока и крюкоблока складывается из следующих параметров:

Н=Нп.б.-к.б-(Нп.б.-м.св.+Нсв+Нсвп+Нкб)    (3)

где  Н – расстояние между осью кронблока и крюкоблока, м;
 Нп.б.-к.б. – расстояние от пола до оси кронблока, м;
 Нп.б.-м.св. – расстояние от пола буровой до верхней кромки муфтысвечи, м;
 Нсв – высота наворачиваемой свечи
 Нсвп – высота верхнего привода, м;
 Нкб – высота крюкоблока, м.

Мы определи что расстояние между кронблоком и талевым блоком получиться:

Н = 44,8 – (1,3 + 24,4 + 6,450 + 2,87) = 9,78 м.

Расстояние между кронблоком и талевым блоком равно 9,78 м, это оказывается не достаточным для того чтоб не происходило выдавливание стопорного кольца а в последствии разрушение кронблока или талевого блока.
На основании сделанных определений расстояния между кронблоком и талевым блоком с учетом его ширины можно определить какой угол возникает в талевой системе буровой установки.
Высота вышки БУ 4500/270-ЭК-БМ, согласно инструкции по эксплуатации составляет 44,8 м, чаше в литературе эта цифра называется 45 м.

Таблица 6 – параметры талевых систем буровых установок

Наименование
буровой БУ 4500/270
ЭК-БМ БУ 3900/225
ЭК-БМ Бу 3000
ЭУК-1М БУ «Уралмаш
3Д-76»
Расстояние от пола буровой до оси кронблока 
44,8 
45.65 
44,8 
53,0
Расстояние от пола буровой до верхней кромки муфты 
1,3 
1,3 
1,3 
1,3
Высота наворачиваемой свечи 
24,4 
24,4 
24,4 
36,6
Высота верхнего привода 6,645 5,354 - -
Высота крюкоблока 2,783 2,950 3,783 2,950

На основании рассмотренной таблицы можно сказать что на буровой установке БУ 4500/270 ЭК-БМ, отношение расстояния и ширины талевого блока и кронблока является одним из неудовлетворительных, так как на других буровых установках такая проблема не возникала.

Рисунок 16 - Угол наклона талевого каната

Было определено что угол наклона талевого каната наибольший будет на третьем шкиве, и составляет 3,150.

5.2 Расчет и подбор подшипников

Для предотвращения выхода из строя конструкции талевого блока, предлагаю заменить подшипники No 97744ЛМ роликовый конический двухрядный с грузоподъемность Сr=768 КН и М=29,3 кг (d=220 мм; D=340 мм; Т=99 мм).
На сферический подшипник, сферический подшипник выдерживает перекос до 3,50.
Наибольший угол поворота шкив в результате работы полиспастной системы талевый блок и кронблок составляет 3,150.
Нагрузка на один шкив составляет F=57,84 т, это определяется из общей нагрузки на талевую систему буровой (массы колонны 270 т, СВП и крюкоблока).

Рисунок 17 - Силы действующие на подшипник от талевой системы

Значит радиальная сила на подшипник:

Fr=57,84·cos 3,15=57,75 т.

Осевая сила:

Fа=57,84·sin 3,15=3,178 т.

Число оборотов шкива (значит наружного кольца подшипника) принимаем N=60 об/мин.
Срок службы установки задаем равную 1 год.
L=365·24=8760 часов (круглосуточный посменный режим).
Рассчитаем эквивалентную нагрузку на подшипник:

РE=(V·X· Fr+Y·Fa)·KБ·КТ·КЕ    (4)

где V=1,2 т.к. вращается наружное кольцо;
Х- коэффициент радиальной силы;
Y- коэффициент осевой силы.
При положении:

Fa/(θ·Fr)≤e  X=1; Y=0

3,178/(1,2·57,75)=0,045≤ e

е – зивисит от:
т.к. коэффициент осевого нагружения e завист от: Fa/Cor
Cor – статическая грузоподъемность 3,178/280,32=0,011
что составляет e=0,19 (0,045≤0,19).
где Cr – динамическая грузоподъемность  Cr=1580 КН;
       Cr=161 т;
Cor – статическая грузоподъемность  Cor=2750 КН;
       Cor=280,32 т.
Режим работы КЕ принят = 0,5, что соответствует среднему равновероятному режиму нагружения.
Температурный коэффициент КЕ=1 (перегрев не более 100oС).
Коэффициент безопасности KБ=1,5 (для машин круглосуточной работы, шахтных подъемников, транспортных букс, локомотивов и оборудования средней мощности).
Тогда:

РЕ=(1,2·1·57,75+0·3,178)·1,5·1·0,5=51,97 т.

Рассчитаем требуемую грузоподъемность:
     (6)

где L – срок службы (час);
N – число оборотов (об/мин.)




Требуемая грузоподъемность подшипника
Предлагаемый подшипник No 23144 обладает грузоподъемностью Cr=161 т, т.е. выдерживает данные нагрузки в течение заданного ресурса.
Ранее используемый подшипник No 97744 ЛМ имеет грузоподъемность Cr=78,28 т, что недостаточно. Поэтому в конструкции осевая нагрузка его сдвигает и стопорное внутреннее пружинное кольцо постепенно выдавливается хотя его несущая способность тоже довольно велика более 105 т, что приводит к отказу изделия.
Для того, чтобы реализовать данное техническое предложение, необходимо ширину шкивов увеличить с 99 мм до 140 мм.
Ширина кольца для данного диаметра S=3мм.
Толщина стенки шкива от кольца до наружного края принимаем = 7 мм.
Данное наружное стопорное кольцо обладает допускаемой осевой силой 1050 кН, т.е. 107 т. У нас же осевая нагрузка примерно Fa=3,178 т.
Смятие же кольца объясняется эффектом переноса (поворота) шкива от действия тросов. Т.е. наружное кольцо роликового конического подшипника имеет поворот до 3,15o, что подтверждается документами. А это недопустимо для работы данного типа подшипника. В связи с этим снижаю что замена подшипников на сферические роликовые (до 3,5o перенос нормально выдерживают) является оптимальной.
Кроме того, если использовать роликовый конический подшипник большей грузоподъемности, то из-за эффекта поворота шкива будет продолжаться смятие кольца, т.к. максимальное угловое снижение колец данного типа подшипника не более 0,3-0,5o.

Вывод:
1. Заменить подшипники на сферические роликовые и шкив на наружном кольце будет играть относительно внутреннего и вала, изменяя и компенсируя возникающий угол в подшипниковой опоре.
2. Развести подшипники на большое расстояние и угол переноса уменьшится и подобрать роликовые конические подшипники с грузоподъемностью согласно расчетов, для это необходимо будет между подшипниками вставить распорные втулки. Данные действия приводят к тому что угол между крюкоблоком и кронблоком создаваемый талевым канатом уменьшится, это приводит к увеличению работы подшипникового узла в целом. Данная модернизация может привести также к увеличению ширины талевого блока, для этой цели требуется провести расчет оси блоков.

5.3 Расчет оси шкивов на прочность

В конструкции талевого блока установленные шкивы находятся на оси, при модернизации мы устанавливаем шире подшипники, что приводит к увеличению длины оси, проведем расчет оси и определим ее длину. Также проведем расчет действующей оси, для определения на сколько у нас поменялись возникающие напряжения.
В результате предложенной модернизации возникла необходимость проверить подходит или нет диаметр оси для выбранных подшипников и действующей нагрузки. Размер и параметры оси на первоначальном этапе оставляем прежний и делаем проверочный расчет. В блоке установлено пять шкивов действующую нагрузку разделим на пять равных сил. Проведем расчет, определим сечение пальца.
Для этой цели построим расчетную схему и зададим нагрузки на стандартную ось.



Рисунок 18 - Расчетная схема

Дано: Q = 2700КН, σТ=400МПа, [S]=3,5.
Решение:
 В талевой подвеске нагрузка распределяется на 5-ть шкивов предположим равномерно:

Q=Qобщ../5=2700/5=540КН.

Рассмотрим схему нагружения и составим уравнения равновесия системы:

∑Fx=0: RАХ=0,

∑Fy=0: RАУ+RВУ-5·Q=0,

∑МА=0:  Q·0,45+Q·0,350+Q·0,25+Q·0,15+Q·0,05-RВУ·0,5=0.

где RАХ – реакция в опоре А;
RВУ – реакция в опоре В;
Q – .нагрузка от шкива на ось.

Решим уравнения равновесия:

RВУ=(540·103·1,25)/0,5= 1350 К·Н,

RАУ=Q·5-RВУ=1350 К·Н.

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



Рисунок 19 - Схема нагружения

1-й участок

QI=RАУ=1350К·Н,

MI=RAY·z=70,95 KH·м,

2-й участок

QII=RAY-QII=851,4 К·H,


  3-й участок

QII=RAY-Q- Q=283,8 К·H,



4-й участок

QII=RAY-Q- Q-Q=-283,8 К·H,


5-й участок

QII=RAY-Q- Q-Q-Q=-851,4 К·H,


6-й участок

QII=RAY-Q- Q-Q-Q-Q=-1419 К·H,




Построим эпюру поперечных сил и изгибающих моментов.


Рисунок 20 - Эпюра нагружения оси

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

     (7)

где [S] – допустимый коэффициент запаса прочности.
.

 Определим, диаметр пальца через момент Wх по формуле:

      (8)


По размерному ряду выбираем значение d оси шкивов 220 мм, что соответствует заводским характеристика.

5.4 Определение размеров оси талевого блока для сферических роликовых подшипников

Сферические роликовые подшипники могут воспринять поворот относительно радиальной оси до 3,50. Для этой цели определим расстояние которое необходимо между шкивами крюкоблока.

Рисунок 21 - Схема отклонения шкива

Определим через tg угла. Tg 3,5=b/a.

B=tg3,5·a=0,031 м = 31 мм.

Минимальный зазор для одного шкива (в одну сторону), составляет 31 мм, тогда для этой цели необходимо выбрать конструкцию втулки исходя из конструктивных особенностей подшипника. Для уменьшения габаритных размеров подшипника выбранного в расчетах и увеличения запаса оси, выберем подшипник с большим внутренним и внешним диаметром, с учетом расчетной грузоподъемности, также необходимо увеличить диаметр вала по причине постановки дополнительных втулок.
Выбираем подшипник No 23052:
где d = 260;
 D = 400;
 T = 104.
Его грузоподъемность 145 т.
Для фиксации подшипника будем использовать стопорные кольца толщиной 3 мм, зазор от стопорного кольца до края шкива принимаем равный 7 мм. И того нижняя часть шкива будет иметь ширину 124 мм.
Это на 24 мм шире, чем исходный шкив. Для развода подшипника будем использовать втулки длиной 62 мм и диаметром 260 мм.
Длина талевого блока крюкоблока предлогаем увеличить на 319 мм.

5.5 Выполнение поверочного расчета модернизированной оси крюкоблока

Для этой цели построим расчетную схему и зададим нагрузки на стандартную ось.


Рисунок 22 -Нагрузки действующие на ось


Дано: Q = 2700КН, σТ=400МПа, [S]=3,5.
Решение:
 В талевой подвеске нагрузка распределяется на 5-ть шкивов предположим равномерно:

Q=Qобщ../5=2700/5=540КН.

Рассмотрим схему нагружения и составим уравнения равновесия системы:

∑Fx=0: RАХ=0,

∑Fy=0: RАУ+RВУ-5·Q=0,

∑МА=0:  Q·0,45+Q·0,350+Q·0,25+Q·0,15+Q·0,05-RВУ·0,5=0.

где RАХ – реакция в опоре А;
RВУ – реакция в опоре В;
Q – .нагрузка от шкива на ось.

Решим уравнения равновесия:

RВУ=(540·103·1,25)/0,5= 1350 К·Н,

RАУ=Q·5-RВУ=1350 К·Н.

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



Рисунок 23 - Схема нагружения

1-й участок

QI=RАУ=1350К·Н,

MI=RAY·z=112 KH·м,

2-й участок

QII=RAY-QII=851,4 К·H,


  3-й участок

QII=RAY-Q- Q=283,8 К·H,



4-й участок

QII=RAY-Q- Q-Q=-283,8 К·H,


5-й участок

QII=RAY-Q- Q-Q-Q=-851,4 К·H,


6-й участок

QII=RAY-Q- Q-Q-Q-Q=-1419 К·H,



Построим эпюру поперечных сил и изгибающих моментов.


Рисунок 24 - Эпюра нагружения оси

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

     (9)

где [S] – допустимый коэффициент запаса прочности.
.

 Определим, диаметр пальца через момент Wх по формуле:

      (10)



По размерному ряду выбираем значение d оси шкивов 260 мм, что соответствует выбранным подшипникам.

Рассчитаем ось на усталостную прочность:
R = 400 МПа – коэффициент асимметрии равный пределу текучести; S = 0,09 м2; n = 1,7 – запас прочности; γV = 1,6 – коэффициент от вида напряженного состояния; m = 0,9 – коэффициент условий работы, S – площадь сечения, S = 0,053 м2.

      (11)

Рассчитаем напряжения по усталостной прочности.

    (12)

640·106>18,206·106 МПа

Условие выносливости оси выполняется.