Расчетная часть-Расчет центрифуги очистки бурового насоса ОГС-352К-02-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

Расчетная часть-Расчет центрифуги очистки бурового насоса ОГС-352К-02: Прочностные расчеты-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

3 Основные параметры и техническое предложение по модернизации центрифуги
3.1 Техническое предложение
На основании эксплуатации центрифуги ОГС-352К-02 буровыми предприятиями, можно сделать вывод, что одним из основных дефектов является выход из строя пластин шнека и трудности связанные с его ремонтом, большой пусковой момент при включении центрифуги и не плавное регулирование скоростей.
В данном проекте проведёна модернизация, заключающаяся в упрощении ремонта лопастей шнека, улучшении работы центрифуги, увеличение срока её службы, это достигается следующими мероприятиями:
1) заменой сварного соединения на болтовое при креплении твердосплавных пластин к лопастям шнека, что дает возможность производить ремонт шнека в полевых условиях (в условиях буровой);
2) применением частотного преобразователя, который выполняет функцию плавного пуска и регулирования скорости вращения электродвигателя, что приводит к уменьшению энергозатрат в среднем на 30%;
3) дорогостоящая сталь заменяется на более дешевую, но с подобными характеристиками.
Ремонтировать шнек модернизированной центрифуги существенно проще и дешевле. Приваривание пластин на шнек происходит дольше, чем прикручивание пластин и должно производиться высококвалифицированными специалистами, т.к. при неправильной сборке может возникнуть дисбаланс, приводящий к поломке цнтрифуги.


3.2 Характеристики центрифуги ОГС-352К-02
Центрифуга ОГС-352К-02 предназначена для сепарирования двух смешанных жидкостей, нерастворимых одна в другой, имеющих различный удельный вес, а также для сепарирования твердых частиц (шлама), удельный вес которых выше удельного веса жидкости. Центрифуга применяется при наличии в буровом растворе мельчайших и коллоидных частиц (от 2 до 44 микрон), устанавливается в циркуляционной системе очистки бурового раствора и может работать в режимах отделения частиц, разделения частиц на различные фракции и осветления бурового раствора совместно с блоком химического усиления.

Центрифуга имеет следующие технические характеристики:
1. Производительность, м /час    25,0
2. Регулирование скорости барабана, об/мин  2500-2800
3. Регулирование скорости шнека     Планет. редуктор
4. Число оборотов шнека относительно барабана 42-49
5. Напряжение питания, В     380
6. Частота, Гц       50
7. Общая установленная мощность, кВт   37
8. Наибольший фактор разделения     1760
Для исключения поломки центрифуги при заклинивании шнека предусмотрен механизм защиты, представляющий собой подпружиненный рычаг, срабатывающий при моменте более 3,8кГм и прерывающий цепи электродвигателя и питающего насоса.
Скребковый край шнека подвергается износу при транспортировании твердых частиц к барабану, что ухудшает качество сепарирования. В связи с этим нужно вести наблюдение за скоростью износа лопастей шнека, замерять величину износа через фланец конической части барабана ( в месте пересечения конической и цилиндрической частей), на котором находится отверстие для замера с помощью штангенциркуля.
Величина износа более 7,5 мм снижает производительность центрифуги и поэтому требуется производить ремонт шнека. Значительным износом является – 1мм и более после 400 часов работы центрифуги. Замер при таком износе нужно производить каждые 100 часов работы.
Для упрощения ремонта шнека предлагается заменить сварное присоединение пластин шнека на болтовое, что дает возможность производить ремонт шнека в полевых условиях (в условиях буровой) и на это требуется меньший промежуток времени, чем при применении сварочных работ.
Для изготовления пластин предлагается применить азотированную сталь 38Х2МЮА, в составе которой:

 Таблица 1 – Химический состав в % материала 38Х2МЮА

C  Si  Mn  Ni S P Cr Mo Al Cu
0.35 - 0.42 0.2 - 0.45 0.3 - 0.6 до 0.3 до 0.025 до 0.025 1.35 - 1.65 0.15 - 0.25 0.7 - 1.1 до 0.3

Твердость материала 38Х2МЮА после азотирования ,  HB 10 -1 = 850 МПа



Таблица 2 - Физические свойства материала 38Х2МЮА .
T E 10- 5  10 6   C R 10 9
Град  МПа  1/Град  Вт/(м·град) кг/м3  Дж/(кг·град) Ом·м
20  2.09    33  7710    
100  2.02  11.5  33    496  

Азотирование применяют для повышения: 1) твердости и износоустойчивости; 2) усталостной прочности; 3) сопротивления коррозии. Азотирование (насыщение азотом) обеспечивает особо высокую твердость и износостойкость поверхностных слоев (6,5мм в зависимости от времени азотирования). Азотируют готовые детали без последующей закалки.
Для сравнения в центрифуге фирмы «Деррик» для изготовления пластин используется сталь ВК-20 с твердостью HRC 82МПа (HB=710МПа), также имеет место отрыв пластин от лопастей.
В центрифугах фирмы «Svako» применяется плазменное напыление, которое не везде доступно. Это означает, что помимо оплаты самого твердосплавного материала, необходимого для нанесения на шнек центрифуги и оплаты работы по нанесению этого материала необходимо будет учитывать и транспортные расходы по доставке шнека на место ремонта и обратно. Кроме того, при неправильной толщине напыляемого слоя шнек может не поместиться в барабан.
Вместо контргаек используется клей-герметик Loctite-243.
Характеристика фиксации резьбовых соединений Loctite (Локтайт):
- превращает простые гайки в самостопорящиеся;
- обеспечивает полную герметичность резьбового соединения;
- контролируемая прочность затвердевшего клея.
Преимущества фиксации резьбовых соединений Loctite (Локтайт):
- упрощает и ускоряет монтаж;
- останавливает утечку и коррозию;
- экономия за счет сокращения фиксирующих элементов на складе;
- контролируемое усилие фиксации винтов, гаек или распорных болтов;
- легкий демонтаж - нужен только обычный инструмент.
Второй частью модернизации является использование частотного преобразователя, который обеспечивает:
-полную защиту электродвигателя;
-плавное регулирование скорости вращения электродвигателя практически от нуля до номинального значения при сохранении максимального момента на валу;
-уменьшение потребления электроэнергии за счет оптимального управления электродвигателем в зависимости от нагрузки от 20% до 50%;
-плавный пуск электродвигателя с током, не превышающим номинального значения;
-устранение пиковых нагрузок на электросеть и просадок напряжения в ней в момент пуска электропривода;
-увеличение срока службы электропривода и оборудования; повышение надежности, упрощение технического обслуживания.
Частотный пуск управляемого двигателя обеспечивает его плавный без повышенных пусковых токов и механических ударов разгон, что снижает нагрузку на двигатель и связанные с ним передаточные механизмы, увеличивает срок их эксплуатации. При этом появляется возможность по условиям пуска, снижения мощности приводных двигателей нагруженных механизмов.


















4 Прочностные расчеты
Расчет прочности вала центрифуги

Расчетная схема

 
Найдем массу центрифуги – она складывается из массы раствора, циркулирующего внутри ротора и шнека в процессе работы и массы самой центрифуги:

m =      (18)

m=     (19)
      
где - плотность раствора, г/см ;
V- объём внутренней части центрифуги, м ;
l – длина центрифуги, м;
D – внутренний диаметр ротора, м;
d – наружный диаметр шнека, м.  
   
m=0,785*(0,352 -0,2 )*1,6*1,12=345кг
    
Масса ротора и шнека составляет 660 кг, значит распределённая нагрузка q=1000 кг или 10кН.
Находим реакции:



-q*d*(a+ )- *(a+d+ )+Rb*l=0
M=-7*0.87*(0.15+ )- *(0.15+0.87+ )+Rb*1.6=0
Rb=2.72кН



   q*d*(c+e+ )+ *(c+ )-Ra*l=0
M=7*0.87*(0.15+0.43+ )+ *(0.15+ )-Ra*1.6=0
Ra=-4,01кН

Строим эпюру поперечных сил:

1-й участок:
Q =Ra=-4.01кН,
где Q - поперечная сила на 1-м участке.

2-й участок:
Q =Ra-q*z=-4.01кН, (при z=0)
Q =-4.01-6,7*(0,15+0,87)=-10,81, (при z=b),
где Q - поперечная сила на 2-м участке.

3-й участок:
Q =Rb- *z=2.72- *0.58=2.31кН, (z=c+e)
где Q - поперечная сила на 3-м участке.

4-й участок:
  Q =Rb=2.72кН,
где Q - поперечная сила на 4-м участке.
Далее строим эпюру изгибающих моментов:

1-й участок:
М1=Ra*z1=0 (при z=0),
где М1 – изгибающий момент на первом участке.
М1=-4,01*0,15=-0,6кНм (при z=a)

2-й участок:
 М2=Ra*(a+z2)-q*b*z2=Ra*0.15=-0.6 (при z2=0),
где М2 – изгибающий момент на 2-м участке.
 M2=-4.01*(0.15+0,87)-6,7*0,87*(0.15+0,87)=-10,03кНм,

3-й участок:
 М3=Rb*z + *z (при z =c+e),
где М3 – изгибающий момент на 3-м участке.
 М3=2,72*(0,15+0,43)+ *(0,15+0,43)=2кНм

4-й участок:
 М4=Rb*z =0 (при z =0),
где М4 – изгибающий момент на 4-м участке.
 M4=2.72*0.15=0.4кНм (при z=c=0.15)

Центрифуга нагружена крутящим моментом, определим его величину:

     Мк=       (20)

где N – мощность двигателя, Вт;
- частота вращения вала, с

      =       (21)

где n – число оборотов в минуту, об/мин

      = =293с

     Мк= 75 Нм
Строим эпюру крутящего момента.

Для центрифуги используется сталь 12Х18Н10Т, у которой следующие прочностные характеристики:
=279МПа

Наиболее нагруженным является участок в сечении 2:

=       (22)

где М - максимальный изгибающий момент;
W - полярный момент сопротивления, м
Для полого цилиндра:
W =      (23)

где D – наружный диаметр ротора центрифуги, м;
d – внутренний диаметр ротора центрифуги, м;

W = 0.000113 м

= МПа


Коэффициент запаса прочности составил 2,6.

Рассчитаем подшипники на динамическую грузоподъемность.
Подшипник по конструкции центрифуги имеет No32121 и обладает предельной динамической грузоподъемностью [Cr]=202 кН
Реакция в опоре А:
Ra=-4.01кН
Реакция в опоре В:
Rb=2.72кН
Опора А загружена больше

Проверим ее на грузоподъемность. Определим эквивалентную динамическую
нагрузку.

    (24)

где К - коэффициент безопасности(динамичности);
К =1,7;
Кт- температурный коэффициент, нагрев не более 100°С, значит К =1;
К =1
КЕ - коэффициент режима работы - постоянный;
КЕ=1.
кН

Определим необходимую грузоподъемность

   кН

где L - срок службы =8760, часов;
n - число оборотов = 2800 об./мин.
77,35 кН< 202 кН
Требуется подшипник с грузоподъемностью Сr= 77,35 кН, а назначенный подшипник 3617 обладает грузоподъемностью [Сr] = 202кН


Проверим болты, которыми присоединяются твердосплавные пластинки к лопастям шнека на срез.

Силы, перпендикулярные к оси болта вызывают срез. Условия прочности болта:
    (25) 

где    - расчетное напряжение на срез, Н/мм ;
  Q – сила, действующая на соединение, Н;
  i – число плоскостей среза;
  d – диаметр ненарезанной части болта, мм;
  z – число болтов

Допускаемое напряжение на срез принимается равным

      
Условие выполняется.

Силу, с которой нужно затянуть болт называется силой затяжки и определяют её из условия, чтобы не было сдвига деталей, т.е. чтобы сила трения Т на стыках соединяемых деталей была не меньше сдвигающей силы, обычно она принимается с учетом запаса против сдвига деталей Т=1,2Q.

V=        (26)    

где Q – сдвигающая сила;
 i – число стыков;
 f – коэффициент трения для стыка
Для сухих обработанных стыков стальных деталей f принимается равным 0,1-0,15  
   
  V= Н

Рассчитаем вес болтов и гаек, используемых при модернизации.
Для замены сварного соединения на болтовое подвергнут не весь шнек, а только та его часть, которая непосредственно соприкасается со шламом, т.е. участвует в выгрузке осадка. Всего на шнеке 220 твердосплавных пластин, заменим только половину из них, т.е. 110 штук.
Длина окружности винтовой части шнека:
      L=2 *10.
где 10 – число полных окружностей
     L=2*3.14*175*10=10990мм

     10990/220=50мм,
Мы получили ширину одной пластины с учетом температурного зазора, который равен 3,2мм.
Для каждой пластины используется 2 болта и 2 гайки.
Таблица 3 – Масса стандартных изделий
Наименование детали Вес
Болт ГОСТ 7798-70 ст.40Х 18,56 г
Гайка ГОСТ 5915-70 ст.40Х 7,57 г
Герметик Loctite 243 0,1 г
1 комплекта  25,23 г


Рассчитаем вес сварного шва.

    (27)

где   - масса расплавленного металла, г;
  - плотность электродного металла, г/см ;
  =7,8г/см
  - диаметр электрода, мм;
  - длина электрода, мм;
  - длина огарка, мм; (принимается равной 50мм)
  h– число слоев.

= 3,14*10 *7,8*5 (100-50)* =4,9г

Т.к. для посадки болта требуется удалить часть металла на пластине и на лопасти шнека, подсчитаем на сколько грамм конструкция станет легче.

V1=       (28)
V1=3.14*0,65 *0,6=0,79 см

где - радиус выемки под головку болта

  V2=       (29)
  V2=3,14*0,4 *1,3=0,64 см

где - радиус выемки под стержень болта.

Общий объем удаленного металла составляет 1,4 см .

Масса удаленного металла равна:

  m=n*        (30)
  m=2*1,4*7,8=21,33г

где n – число болтов на пластинке;
- плотность металла, г/см .
Из проведенного расчета следует, что проводить балансировку шнека не требуется, т.к. масса наплавленного металла при сварке соответствует массе болтов за минусом удаленного металла.
Единственным условием данной модернизации является то, что при замене болтов на новые, необходимо использовать болты одинаковой партии и одного ГОСТа.

Для того, чтобы облегчить загрузку шлама из блока химического усиления центрифуг (БКФ) в автомобиль для вывоза, предлагается установить БКФ на основание высотой 2,5м.
Для этой цели потребуется двутавр No18. Проверим его на грузоподъёмность.
Количество опор n=10, вес БКФ - m=7500кг, значит нагрузка на одну опору:

      q=       (31)

      q= =750кг
Условие прочности
=      (32)

где М – изгибающий момент, Кн;
W - геометрическая характеристика – осевой момент сопротивления сечения, для прокатных профилей выбирается из ГОСТов, W =18,4 см
M =0, т.к нагружение основание испытывает только по вертикальной оси «y».

    M =q*l     (33)

где l – длина профиля между двумя опорами, м.

   М=750*1,688=1,27кН

    =


Если на 3-5%, то условие прочности выполняется.


Коэффициент запаса составил 2,5. Т.к. основание БКФ кроме веса блока будет испытывать вибрационные нагрузки, то такой запас прочности необходим.
 Вес основания – 1855 кг. – швеллер длиной 73м, (вес 16,3 - 1м);
       двутавр длиной 36м (вес 18,4 – 1м)