Расчетная часть-Расчет буровой вспомогательной лебедки ЛВ-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

Расчетная часть-Расчет буровой вспомогательной лебедки ЛВ: Расчет барабана лебедки, Расчет бочки барабан-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

4. Расчетная часть
Расчет барабана лебедки
Барабан — одна из наиболее ответственных деталей подъемного вала.
Размеры барабана должны быть рассчитаны на навивку всей рабочей длины каната. Момент инерции барабана лебедки дол¬жен быть по возможности небольшим, чтобы облегчить разгон при спуске ненагруженного элеватора.
Барабан следует выполнять из катаной стальной или литой обечайки, сваренной с литыми стальными дисками и ступицами, что обеспечивает прочную, легкую и технологичную конструк-цию, обладающую небольшим моментом инерции. Шкивы тор¬мозов могут быть снабжены ребрами и вентиляционными ло¬пастями для улучшения отвода теплоты или камерами для водяного охлаждения. Тормозные шкивы необходимо крепить к ребрам болтами и шпонками, чтобы при износе их можно было легко заменить.
Центровка тормозных шкивов на барабане осуществляется посадочными буртиками или призонными болтами.
На рис. 5 приведена конструкция бочки барабана подъ¬емного вала. Для обеспечения правильной укладки каната на барабан на бочке следует сделать параллельные канавки. Переход из одной канавки в соседнюю в этом случае можно выполнить в виде ступенек с шагом, равным половине или полному шагу навивки каната.
Диски барабанов сварной конструкции изготовляют из угле¬родистой стали марки ЗОЛ или 36Л. Для бочек барабанов, ле¬бедок лучше выбирать стали, слабо, легированные марганцем, хромом и кремнием, 20ХГ, а для литых барабанов — стальное литье марок 35Л, 40Г2Л и др.
Барабан вместе с валом и тормозными шкивами следует под¬вергать статической балансировке с точностью 1,5 Н м.
Диаметр барабана выбирают в зависимости от диаметра каната и толщины проволок в нем, длину—от требуемой канатоёмкости и выбранного числа слоев навивки каната. Для бу¬рения на большие глубины я тяжелых условиях, когда число подъемов и спусков бурильных колонн большое, износ талевых канатов является серьезным фактором, поэтому необходимо стремиться не только увеличить диаметр барабана» но и умень¬шить число слоев навивки каната за счет увеличения длины барабана.
Число навиваемых на барабан слоев каната в современных лебедках уменьшено до двух-трех (по сравнению с пятью-семью в старых конструкциях). Диаметры барабанов от 0,6 до 1,07 м, длина от 0,9 до 1,83 м.




Рис 5. Бочка барабана лебедки
Рекомендуют следующее соотношение между диаметром барабана Dб и каната d для буровых лебедок: Dб = (1825) d.
Для лебедок, предназначенных для бурения при большом числе спусков и подъемов, надо выбирать барабаны, для ко¬торых
Dб 20d
Длину барабана Lб выбирают в зависимости от диаметра в пределах Lб = (1,52,2) Dб. Для мощных буровых лебедок Lб = (1,5—1,9) Dб.
Длина барабана
L6 = m (d + ), 
где m — число витков каната в ряду, обычно m = 35-40; -за¬зор между витками (=1-2 мм).
При выборе длины барабана следует проверить угол откло¬нения каната от его средней линии (угол девиации). Этот угол рекомендуют принимать в пределах = 45—60'. При > 60 ка¬нат неплотно укладывается при навивке от реборды к середине, вследствие чего витки верхнего ряда попадают в зазор между витками нижнего ряда и защемляются. При < 45' не возни¬кает достаточной силы для отталкивания каната от реборды ба¬рабана, при многослойной навивке каната его витки набегают один на другой.
Угол девиации и длина барабана связаны зависимостью
tg = Lб / 2H , 
где Н-расстояние от оси кронблока до оси подъемного вала лебедки.
Необходимая канатоёмкость барабана
L0 = h uт + l0
где h — длина хода крюка при подъеме, м; uт -кратность талевой системы; l0 = c ( Dб + d ) - длина части каната, не сматываемая с барабана при нижнем по¬ложении крюка, т. е. запасная длина (с5 —число запасных витков каната на барабане (7), обычно l0 = 1015 м ). Канатоемкость (м) барабана определяется из выражения
Lкб = Lб  d2 • (D2н – D2б)
где Dн=Dе+d — внешний диаметр навивки каната, м;
Dе - наибольший диаметр навивки каната, м; d — диаметр каната, м.
Общая длина каната для оснастки талевой системы (м)
Lкт Dш (uт + 1)  2 + H (uт + 2) + l0
где Dm — диаметр шкива талевой системы, м.
Запасная длина каната, перематываемая на барабан при пе¬репусках, зависит от заводской длины каната и составляет 500— 1500 м.
Диаметр реборды барабана определяется размерами тормоз¬ных шкивов, поэтому фактическая предельная канатоемкость барабана лебедки обычно значительно выше рабочей.
Толщину стенок барабана следует выбирать на основании данных расчетов с учетом конструктивных соображений в пре¬делах = (0,030,07) DБ + (610 мм), где Dб в мм.
Размеры ступицы, число и толщину ребер нужно выбирать на основании конструктивных и технологических соображений, а также данных расчета. Поверхности барабана и реборд, кон-тактирующих с канатом, должны быть обработаны до Rz20 мкм без острых кромок и заусенец.
После выбора конструкции барабана и определения основ¬ных размеров его рассчитывают на прочность. Для этого опре¬деляют напряжения в стенках барабана, ребордах, а также в элементах, крепящих тормозные шкивы и барабан с валом лебедки.
Расчет бочки барабан
После того как определены диаметр каната d, длина Lб и на¬ружный диаметр Dб бочки барабана производят сначала проек¬тировочный расчет толщины ее стенки.
Определим номинальное напряжение в стенке бочки. Удельная нагрузка на барабан от напряжения ведущей струны каната при трех слоях навивки с напряжением Рвп и Рв max
p = Pi / Rбt • Ai = Pi / 27,5 • 30 • 2,51 = 3,04 Pi • 103
Где Pi – натяжение ведущей струны каната, кН; t = 30 – шаг навивка каната, в мм;
Rб = 0,5 ;
Dб = 0,5 • 0,55 = 0,275 - наружный радиус барабана, м;
Ai - коэффициент, учитывающий число рядов навивки каната, определяемый из табл.1
Таблица 1. Значение коэффициента Ai

В приведенном примере диаметр каната d=28 мм, площадь Fk = 376 мм2,
Fб = t - площадь сечения бочки на длине шага (мм2), при d = 28 мм шаг каната = 30 мм.
Пои проектировочном расчете толщину стенки бочки можно принимать
= (1,21,3) d.
Берем среднее значение равное 1,25, тогда
= 1,25;
d = 35 мм,
Fб = 30 • 35 = 1050 мм2
И отношение модулей упругости
Fк / Fб = 0,6
Находим величину коэффициента для трехслойной навивки каната
= 1,3 • 376 / 2,1 • 1050 0,222
Тогда коэффициент
А = 2 + 3 • 0,222 / (1 + 0,222 ) (1 + 2 • 0,222 ) = 2,51
Для двух значений натяжения ведущей струны
Рвп - 115,0 кН
Рв max -197,0 кН
Определяем удельную нагрузку
p = 35,0 МПа;
pmax = 59,9 МПа.
После чего рассчитывают нормальные напряжения в стен¬ке бочки, рассматривая ее как толстостенный сосуд иод внешней удельной нагрузкой р и рmax.
Напряжения на волокнах внутренней поверхности
tв = 2pRб2 / Rб2 – Rв2
Где Rв = Rб - - внутренний радиус барабана;
tн = - p ( Rб2 + Rв2 ) / Rб2 – Rв2

Эквивалентное напряжение определяют по энергетической теории проч¬ности для трехосного напряженного состояния 1, 2 и 3
Можно положить, что 1=p, 2=tв и 3=0 тогда эквивалентные напря¬жения на внутренних волокнах будет эв=tв а на наружных

По полученным напряжениям определяют запас прочности по пределу текучести материала т
n = т / э max 1.4 1.8
Если бочка барабана выполняется без ребер жесткости, то она должна быть проверена по предельному состоянию ее формы. Критическая удельная нагрузка


Коэффициент запаса по предельному состоянию
nпр = pкр / pmax
если nпр>1, то нарушения геометрической формы не наступает, если nпр<1, то нарушение формы вероятно и следует увеличить толщину стенки бочки либо предусмотреть ребра жесткости.
Если выбранная в проектировочном расчете толщина стенок не обеспечивает это условие, то изменяют ее толщину и расчет повторяют.