Расчетная часть-Расчет забойного двигателя турбобура 3ТСШ1-195-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

Расчетная часть-Расчет забойного двигателя турбобура 3ТСШ1-195: Расчет момента затяжки резьбовых соединений, Расчёт момента затяжки М3 для резьбы 3-121, Расчет момента затяжки Мз для резьбы 3-171, Расчет момента затяжки Мз для резьбы РКТ-177, Тепловой расчет осевой опоры, Расчет вала шпинделя при помощи программы ANSYS на ЭВМ-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

6 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
6.1  Расчет момента затяжки резьбовых соединений

Надежнее турбобура в значительной степени определяется прочностью и герметичностью резьбовых соединений. Соблюдение этих условий в основном зависит от момента затяжки замкового соединения.
Момент затяжки резьбового соединения следует рассчитывать из условия нераскрытия стыка соединения.

Мз>Мр+Мт,  (6.1)

где Мр-момент трения в резьбе, Н*м;
Мт-момент трения по торцам соединения, Н*м.
Момент трения в резьбе определяется по формуле:

Mp=Q3 dcp/2*tg (ф+ р),   (6.2)

где Q3 - усилие затяжки, Н;
dcp - средний диаметр в основной плоскости, мм;
ф - угол подъема витков резьбы;
р - угол трения, для замковых резьб р=7°.

Усилие затяжки определяется из формулы:

Тсм = Q3/F,  (6.3)

где Тсм - напряжение смятия на торцах, Jс=70 МПа;
F-площадь торцовой поверхности, мм2.

Площадь торцовой поверхности определяется по формуле:

F=(d22 - d21)* /4,  (6.4)

где d1 -внутренний диаметр торца, мм;
d2- наружный диаметр торца, мм.

Угол подъема витков резьбы определяется по формуле:

tg(ф) = S/ dcp , (6.5)

где S- шаг резьбы, мм;
dcp -средни диаметр торца, мм.

Момент трения на торце резьбовых соединений находится по формуле:

Мт= Q*n*Dcp/2, (6.6)

где n - коэффициент трения.
Для пары трения: "сталь- сталь" n =0,2 [7];
Dcp- средний диаметр торцовой поверхности, мм.

Средний диаметр торцовой поверхности определяется по формуле:

Dcp==(d1+d2)/2   (6.7)


Для ведения расчетов сведем необходимые параметры резьб в
таблицу (6.1)

Таблица 6.1 - Размеры резьбовых соединений [3]
Обозначение  d2, мм d1, мм S, мм
3-121
3-171 РКТ-177 115,113 165,598 173,362 140 203 192 122 173 178 5,08 6,35 5,08
6.1.1 Расчёт момента затяжки М3 для резьбы 3-121
Рассчитаем момент затяжки для резьбы 3-121, соединение вала переводником.
Найдём площадь торцевой поверхности по формуле (6.4)
F= (1402 - 1222)*3.14/4 =3702 мм2.
Усилие затяжки найдём из формулы (6.3)
Q3= Рсм F=70*106*3702* 10-6=259 кН.
Находим угол подъёма резьбы по формуле (6.5)
tg(ф) = 5,08/3,14*0,115113=14,05;
ф =85.90
Момент трения в резьбе Мр находим по формуле (6.2)
Мр= 295* 103*0,115113 tg(85,9+7°)=293,700 кHм.
Находим средний диаметр торцевой поверхности по формуле (6.7)
Dср=(140+122)/2=131мм.
Находим момент трения по торцам соединения:
Мт=259*Ю3 *0,2*0,131/2=3393 кНм.
Мз=293,7+3393=3686,7 кНм.
Для обеспечения герметичности замкового соединения увеличиваем полученное значение момента затяжки Мз=3686,7Нм на 15%. Получим Мз=4239,7 Нм.

6.1.2 Расчет момента затяжки Мз для резьбы 3-171
Находим площадь торцевой поверхности по формуле (6.4)
F=(2032-1732)*3,14/4*8854,8 мм2.
Усилие затяжки найдем из формулы (6.3)
Q3=70* 106*8854,8* 10-6=619,80 кН.
Находим угол подъема витков резьбы по формуле (6.5)
tg(ф) = 6.35/3.14*0.165598=12,2.
ф = 85,3°
Момент трения в резьбе Мр находим по формуле (6.2)
Мр=619,8*103*0,165598 *(tg85,3°+7°)/2=1277,7 кНм.
Находим средний диаметр торцевой поверхности по формуле (6.7)
Dcp=(203+173)/2=188 мм.
Находим момент трения по торцам соединения:
Мт=619,8* 103*0,2*0,188/2=11652 кНм;
Мз= 1277,7+11652=12929,7 кНм.
Для обеспечения герметичности замкового соединения величиваем полученное значение момента затяжки Мз=1292907 кНм на 15%. Получим Мз= 14869 кНм.







6.1.3 Расчет момента затяжки Мз для резьбы РКТ-177
Рассчитаем момент затяжки для резьбы РКТ-177, соединение корпуса с переводником.
Находим площадь торцевой поверхности по формуле (6.5)
F=(1922-1782)*3,14/4=4066,3 мм2.
Усилие затяжки найдем по формуле (6.4)
Qз=70*106*4066.3*10'6=284,6 кН.
Находим угол подъема витков резьбы по формуле (6.6)
tgф =5,08/3,14*0,173362=9,3.
ф =83,8°.
Момент трения в резьбе Мр находим по формуле (6.3)
Мр= tg (83,8°+7°)*284,6*103*0,173362/2= 1766,7 кНм.
Находим средний диаметр торцовой поверхности по формуле (6.7)
DСР=(192+178)/2=185мм.
Находим момент трения по торцам соединения
Мт=284,6* 103*0,2*0,185/2=5265 кНм.
Мз=1766,7+5265=7031,7 кНм.
Для обеспечения герметичности замкового соединения увеличиваем полученное значение момента затяжки Мз=7031,7 кНм на 15%. Получим Мз=8086,4 кНм.
При монтаже оборудования и сборке соединений с величиной момента затяжки, полученной расчетами, достигается повышение износостойкости, герметичности и в конечном случае надежности соединений.





6.2 Тепловой расчет осевой опоры

При бурении скважины осевая опора выделяет теплоту. Если выделенную энергию не отводить вовремя, опора начнет перегреваться, не соблюдение температурного режима неприемлемо. Нормальным режимом работы опоры является тот, при котором разница температур между охлаждающей жидкостью и самой опорой не превышает 30К. Для охлаждения осевой опоры требуется отводить энергию от ее поверхности. Теплота, выделяемая опорой равна работе силы трения:

А=Ртр t,

где Ртр – мощность, затрачиваемая на преодоление силы трения;

Ртр = Fтр R = N fтр R;

Fтр = N fтр – сила трения;

= 44 рад/с – угловая скорость вала турбобура;
fтр = 0,1 – коэффициент трения;
N = 50000 Н –максимальная осевая сила, возникающая при бурении;
R = 75 мм – средний радиус контактирующей поверхности.
Жидкость (буровой раствор) должна забирать эту энергию тем самым, охлаждая опору от перегрева, энергия поглощения равна:

Е = c m = c Qот t ,

где с =4000 удельная теплоемкость бурового раствора;
= 1200 кг/см2 - плотность бурового раствора;
Qот – расход жидкости через опору;
t – время воздействия;
=30 К - максимальная разность температур между опорой и буровым раствором.
Для сохранения теплового баланса приравниваются теплота, выделяемая опорой равна работе силы трения и энергия поглощения бурового раствора:
А = Е, следовательно:

N fтр R t = c Qот t ,

или решая уравнение относительно Qот получаем:

Qот = ( N fтр R )/ (c ),

Qот = = 1,14 м3/с.













6.3 Расчет вала шпинделя при помощи программы ANSYS на ЭВМ

6.3.1 Обоснование выбора конечных элементов и их описание

После того, как построена твердотельная модель, строится ее конечно-элементный аналог (т. е. сетка узлов и элементов).
Библиотека конечных элементов программы ANSYS содер¬жит более 80 типов, каждый из которых определяет, среди прочего, применимость эле¬мента к той или иной области расчетов (прочностной, тепловой, магнитный и электриче¬ский анализы, движение жидкости или связанные задачи), характерную форму элемента (линейную, плоскую, в виде бруска и т. д.), а также двумерность (2-D) или трехмерность (3-D) элемента.
Рассчитываемый узел подвергается воздействию больших осевых нагрузок.
Первичными переменными, которые вычисляются в ходе конструкционного анализа, являются смещения. В дальнейшем, исходя из вычисленных смещений в узлах сетки, определяются напряжения, пластическая деформация. В нашем случае смещение происходит вдоль одной из осей, с одной степенью свободы. Степени свободы не определяются явно, а подразумеваются типами конечных элементов, приложенными к ним.
 Конечный элемент SOLID186 удовлетворяет заданным параметрам. Представляет собой элемент для трехмерного твердотельного моделирования с 20 узлами и хорошо подходит для моделирования импортированных твердотельных моделей.
 Элемент имеет три степени свободы и может использоваться при моделировании пластичности, гиперупругости, ползучести, больших деформаций а также имитации почти несжимаемых материалов и полностью несжимаемых гиперупругих материалов.
 Как видно из рисунка элемент может формироваться и трансформироваться, определяя местоположение вершин K,L,S и O,P,W и др. Принимая тетраэдральную, пирамидаидальную или призматическую форму (в виде треугольной призмы).
 В случае моделирования гиперупругих материалов, направление напряжения и деформации всегда определяются относительно глобальной декартовой системы координат.
 Характеристики элемента SOLID186.
1. Количество узлов – 20 (I, J, K, L, M, N, O, P, Q, R, S, T, U, V, W, X, Y, Z, A, B).
2. Реальные константы – нет.
3. Степени свободы - 3 (ОX, ОY, ОZ).
4. Предназначен для моделирования: пластичности, гиперупругости, вязкоупругости, вязкопластичности, ползучести, придания жесткости, больших смещений, большой деформации, ввода начального напряжения, автоматический отбора технологии элемента, рождения и смерти.
5. Свойства материала.
EX - модуль упругости в направлении OX;
EY - модуль упругости в направлении OY;
EZ - модуль упругости в направлении OZ;
ALPX – коэффициент теплового расширения в направлении OX;
ALPY – коэффициент теплового расширения в направлении OY;
ALPZ – коэффициент теплового расширения в направлении OZ;
PRXY - коэффициент поперечного сжатия в плоскости X-Y;
PRYZ - коэффициент поперечного сжатия в плоскости Y-Z;
PRXZ - коэффициент поперечного сжатия в плоскости X-Z;
DENS – плотность материала;
GXY – модуль сдвига в плоскости X-Y;
GYZ - модуль сдвига в плоскости Y-Z;
GXZ - модуль сдвига в плоскости X-Z;
DAMP – разбухание.
Из рисунка видно, что направления выходных напряжений параллельны системе координат элемента. При работе с SOLID186 необходимо учитывать следующие допущения.
1 Элемент не должен иметь нулевого объема, а также искривлен так, чтобы образовывалось два отдельных объема.
2 Смещение края с удаленной средней вершиной происходит линейно, а не параболически.



Рисунок 6.1 - Геометрическая форма конечного элемента SOLID186.

1 Следует использовать, по крайней мере, два элемента в каждом из направлений.
2 Трансформирование элемента в четырехгранник, клин или пирамиду должно использоваться с предостережением. Размеры элемента должны быть относительно малы, чтобы минимизировать градиенты напряжений.

6.3.2 Анализ полученных результатов и предложение по улучшению работы рассчитываемого узла

Конечно-элементную модель строим посредством поворота на угол 3600 половины продольного сечения вала (рисунок 2) вокруг продольной оси х. Задачу решаем в систе¬ме СИ. Механические свойства стали: модуль упругости Е = 2.1*1011 Па, коэффициент Пуассона = 0,3, плотность материала = 7800кг/м3 . Давление от действия осевой силы на нижний торец вала Р = 5*106 Па.

6.3.2.1 Выбор типа элементов

В данной задаче выбирается трехмерный тетрагональный элемент с 20 узлами SOliD186: Main Menu => Preprocessor => Element type => Add / Edit / Delete
а) нажать: Add (добавить новый тип элемента);
б) выбрать в библиотеке элементов (левое окно) Solid;
в) выбрать 20node 186 в окне Selection;
г) Сlosе.

6.3.2.2 Свойства материала

В данном примере задается изотропный материал с постоянными свойствами:
Main Menu => Preprocessor => Material Props => Constant – Isotropic
e) OK (набор свойств для материала №1);
б) ввести 2.е 11 в ЕХ (модуль упругости);