Расчетная часть-Расчет параметров буровой лебедки ЛБУ-1100-Расчёт тормоза и вала лебедки ЛБУ-1100-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

Расчетная часть-Расчет параметров буровой лебедки ЛБУ-1100-Расчёт тормоза и вала лебедки ЛБУ-1100-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

5 РОЗРАХУНКИ ПРАЦЕЗДАТНОСТІ
5.1 Розрахунок і вибір параметрів бурової лебідки

До основних параметрів бурових лебідок відносяться потужність, швидкості підйому, тягове зусилля, довжина і діаметр барабана лебідки. Від правильного вибору вказаних параметрів залежать продуктивність, економічність, габарити і маса лебідки, які істотно впливають на ефективність буріння, транспортабельність і монтажеспособность усієї бурової установки.
Визначаємо швидкість ходової струни каната на i- ой швидкості по відомій залежності
(5.1)
де vi - швидкість підйому на i- ой швидкості, м/с;
iт.з - кратність оснащення.
По ([3], таблиця. II.3) iт.з = 14.
Максимальна швидкість підйому обмежується безпекою управління процесом підйому і граничною швидкістю ходової струни, при якій забезпечується нормальна навивка каната на барабан лебідки. Для запобігання затягуванню талевого блоку на кронблок із-за обмеженого гальмівного шляху швидкість підйому крюка, згідно з вимогами безпеки, не повинна перевищувати 2 м/с.
Для талевих механізмів з кратністю оснащення приймаємо tт.з˂10 vmax=2,0 м/с.
Мінімальна швидкість підйому — резервна і використовується для технологічних цілей: при ходінні колон бурильних і обсадних труб; при ліквідації ускладнень і аварій, пов'язаних із затягуванням і прихватом бурильних труб; при підйомі колони труб через закриті превентори; при підйомі колони труб у разі відмови одного з двигунів приводу лебідки. Величина мінімальної швидкості підйому приймається у встановлених практикою буріння межах: vmin=0,2 м/с.
Відношення граничних швидкостей визначає діапазон регулювання швидкостей підйому лебідки :
(5.2)
Проміжні швидкості підйому визначаються з геометричного ряду чисел
(5.3)
де φ - знаменник геометричної прогресії.
(5.4)
де k - число передач.
Розбиття швидкостей в геометричній прогресії дозволяє забезпечити відносно рівну зміну суміжних швидкостей, і тому велика частина швидкостей розташовується в зоні нижчих передач, використовуваних для підйому колон бурильних і обсадних труб порівняно більшої ваги. Разом з цим геометричний ряд передач дозволяє зберегти міру завантаження бурової лебідки при переході з однієї передачі на подальшу.
Відповідно до числа передач прототипу, приймаємо k = 6.

Отже, визначаємо проміжні швидкості підйому :
- друга швидкість

- третя швидкість

- четверта швидкість

- п'ята швидкість

- шоста швидкість остаточно


Визначаємо швидкості ходової струни каната :
- перша швидкість

- друга швидкість

- третя швидкість

- четверта швидкість

- п'ята швидкість

-шоста швидкість

Діаметр барабана вибираємо залежно від діаметру талевого каната :
(5.5)
де dк- діаметр канату, м.
Відповідно до діаметром канату dк=32 мм ([3], таблиця. 11.3), вживаному на прототипній лебідці приймаємо dк=32 мм.

Приймаємо Dб=740 мм.
Діаметр кінцевого шару навивки канату на барабан
(5.6)
де α=0,93 — коефіцієнт, що враховує зменшення діаметру навивки внаслідок зміщення канату в проміжки між витками нижнього шару;
К - число шарів навивки.
Відповідно до числа шарів навивки К=3 ([3], таблиця. 11.3), вживаному на прототипній лебідці приймаємо К=3.


По відхиленнях ходової струни талевого каната, що допускаються, довжину барабана вибираємо в межах
(5.7)
де lб - довжина барабана, м;
Н - відстань між осями підйомного валу бурової лебідки і направляючого шківа кронблока, м.
Приймаємо Н приблизно рівній висоті бурової вишки Н=45 м.
(5.8)
Приймаємо lб=1500мм.

5.2 Розрахунки на міцність

Розрахунки на міцність деталей і вузлів лебідки виконуються по тяговому зусиллю, що виникає при навантаженні, що допускається, на крюку, з урахуванням ваги рухливих частин талевого механізму, кратності оснащення і втрат на тертя при підйомі.
Визначуваний найбільший момент Мкр, що крутить, на підйомному валу лебідки :
(5.9)
де N - номінальна приводна потужність лебідки, Вт;
ωби - кутова швидкість обертання барабана, з-1.
Приймаємо N = 900*103 Вт.
Кутова швидкість обертання барабана визначиться по формулі
(5.10)

(5.11)
Знаючи максимальний діаметр навивки каната на барабані Dк і найбільший момент Мкр, що крутить, на підйомному валу лебідки можна вичислити натягнення провідної гілки каната
(5.12)

5.3 Розрахунок на міцність барабана лебідки

Після вибору конструкції і визначення основних розмірів, барабана потрібний його розрахунок на міцність. При навивке каната в стінках бочки барабана виникають напруги стискування, вигину і кручення. У зв'язку з тим що осьовий і полярний моменти опору перерізу барабана великі, напруга вигину і кручення, що виникає в стінці барабана, несуттєва. Тому розрахунок проводять тільки по напрузі стискування ([1], с.309)
(5.13)
де Рв - натягнення провідної гілки каната, Н;
s - товщина стінки бочки барабана, м;
А - коефіцієнт, залежний від числа навиваних шарів і інших чинників;
[σсж] - допустима напруга стискування, Па.
Приймаємо по аналогії з прототипом s = 80 мм = 0,08 м.
Допустима напруга стискування матеріалу бочки барабана [σсж]=500МПа ([1], таблиця. 6), вважаючи, що бочка барабана виготовлена з вуглецевої сталі 30.
При числі шарів навивки К=3 коефіцієнт А рівний([1], с. 309) :
(5.14)
де λ - коефіцієнт, залежний від діаметру каната, модуля його пружності і товщина стінки барабана
(5.15)
де Е = 2,1*105 МПа -модуль пружності стали;
Те- модуль пружності каната, МПа.
(5.16)
де а=0,33.0,35 ([1], с.157).




Умова міцності виконується.

5.4 Розрахунок вінця ланцюгового колеса

Розрахуємо і сконструюємо ведене ланцюгове колесо (поз. 1 Рисунок 5.1) передачі «тихої» швидкості. За допомогою цієї передачі підйомному валу лебідки повідомляються I, II і III «тихі» швидкості.
У передачі застосований стандартний приводний роликовий трирядний ланцюг по ГОСТ 13568.
Відомі числа зубів зірочок передачі : провідне колесо z1 = 21, ведене колесо z2 = 81.
Визначаємо передатне число передачі
(5.17)
Визначуваний максимальний(на I швидкості) момент, що крутить, на малій зірочці М1

Рисунок 5.1 – підйомний вал ЛБУ-1100 в зборі

(5.18)
Частота обертання барабана визначиться по формулі

Визначуваний коефіцієнт експлуатації ланцюга
(5.19)
де kД - коефіцієнт, що враховує динамічність передаваного навантаження;
kа - коефіцієнт, що враховує довжину ланцюга(міжосьова відстань);
kр - коефіцієнт, що враховує спосіб регулювання натягнення ланцюга;
kн - коефіцієнт, що враховує нахил передачі до горизонту;
kс - коефіцієнт, що враховує якість мастила передачі і умови її роботи;
kреж - коефіцієнт, що враховує режим роботи передачі.
Визначаємо значення коефіцієнтів :
kД = 1,0 при рівномірному навантаженні ([4], таблиця. 3.3.2);
kа = 0,80 ([4], таблиця. 3.3.3);
kр = 1,25 для нерегульованої передачі ([4], таблиця. 3.3.4);
kн = 1,0 при нахилі лінії центрів до 600;
kс = 1,0 ([4], таблиця. 3.3.6);
kреж = 1,45 при цілодобовій роботі ([4], таблиця. 3.3.8).

Визначуваний заздалегідь крок ланцюга
(5.20)
де [р] - допускаемое тиск в шарнірах, МПа;
m - число рядів ланцюга.
По ([5], таблиця. 5.15) приймаємо [р]=20 МПа.


Приймаємо по ([4], таблиця. 3.1.1) параметри ланцюга : крок ланцюга tц=38,1 мм, діаметр валика d=11,10 мм, довжина втулки B=148,88 мм, руйнівна сила F=381 кН.
Швидкість ланцюга
(5.21)
Окружне зусилля
(5.22)
Сила, що навантажує підйомний вал
(5.23)
Розраховуємо профіль зубів зірочки ланцюгового колеса згідно ГОСТ 591-69, як профіль без зміщення центрів дуг западин (риснок 5.2).

Рисунок 5.2 - Профіль зубів без зміщення центрів дуг западин.

Діаметр ділильного кола
(5.24)
Коефіцієнт висоти зуба по([4], таблиця. 3.5.2) до=0,575.
Діаметр кола виступів
(5.25)
Радіус западини
(5.26)
Діаметр кола западин
(5.27)
Радіус сполучення
(5.28)
Половина кута западини
(5.29)
Кут сполучення
(5.30)
Половина кута зуба
(5.31)
Радіус голівки зуба
(5.32)
Пряма ділянка профілю
(5.33)
Відстань від центру дуги западини до центру голівки зуба
(5.34)
Розраховуємо розміри зубів і вінців ланцюгового колеса.

Рисунок 5.3 -Розміри зубів і вінця.

Радіус закруглення зуба
(5.35)
Відстань від вершини зуба до лінії центрів дуг закруглень
(5.36)
Діаметр обода найбільший
(5.37)
Ширина зуба зірочки
(5.38)
Ширина вінця багаторядної зірочки
(5.39)
Інші розміри вінця призначаємо конструктивно.

5.5 Розрахунок підйомного валу лебідки

Підйомний вал розраховуємо, орієнтуючись на розміри валу прототипної лебідки ЛБУ-1100 ([3], с.476) за методикою, приведеною в ([3], с.476-477, таблиця. ІІІ). Креслення валу показане на рисунку 5.4.
Схема вантаження підйомного валу і епюри крутних моментів, та моментів вигину. Величини моментів, що вигинають і крутять, прийняті пропорційними величинам, приведеним на епюрах моментів прототипного валу ([3], рис.21ІІ) і збільшені у відповідності зміною розмірів барабана і натягнення ходової струни каната.

Рисунок 5.5 – Розрахункова схема вала

Матеріал валу по ([3], с.476) - сталь марки 34XН1М, термо обробка - до твердості НВ 217-269; механічні властивості: межа міцності на розтягування-стискування σв = 780 МПа; межа міцності на кручення τв = 650МПа.
Приведемо детально розрахунок для перерізу А-А. Перевірочний розрахунок інших небезпечних перерізів валу зведемо в таблицю 2.1.
Приймемо заздалегідь діаметр валу в перерізі А-А dА - А=280 мм.
Визначуваний екваторіальний момент опору перерізу
(5.40)
де Кх - коефіцієнт послаблення перерізу.
По ([3], таблиця. III.3) Кх=1,0 як для валу з одним пазом шпони.


Рисунок 5.6 - Схема вантаження підйомного валу і епюри моментів, що вигинають

Визначуваний полярний момент опору перерізу
(5.41)
де К0- коефіцієнт послаблення перерізу.
По([3], таблиця. III.3) К0=1,0 як для валу з одним пазом шпони.

Номінальна напруга вигину
(5.42)
Номінальна напруга кручення
(5.43)
Запас міцності при вигині
(5.44)
Запас міцності при крученні
(5.45)
Загальний запас на статичну міцність
(5.46)
Запас міцності, що допускається, знайдемо по ([3], таблиця. 2ІІ) [S]=3,2.
Приймаємо цикл напруги вигину симетричним, тоді амплітуда напруги при вигині, σа=σ=62,44 МПа, середня напруга σm=0.
Приймаємо цикл напруги кручення асиметричним, тоді амплітуда напруги при крученні τа=τ/2=13,8 МПа, середня напруга τm=τ/2=13,8МПа.
Коефіцієнт концентрації напруги при вигині Кσ : від впливу паза шпони Кσ = 2,25 ([3], мал. 12ІІ); від впливу напрессовки Кσ=6,15 ([3], таблиця. III.1). Приймаємо Кσ = 6,15.
Коефіцієнт концентрації напруги при крученні Кτ : від впливу паза шпонки Кτ = 2,15 ([3], мал. 13ІІ); від впливу напрессовки Кτ=4,42 ([3], таблиця. III.1). Приймаємо Кτ = 4,42.
Коефіцієнт, що враховує масштабний ефект Кd =0,52 ([3], рис. III.5).
Коефіцієнт, що враховує стан поверхні Кf=1,15 ([3], мал. III.6).
Коефіцієнт зміцнення при обкатці роликами Кv=2,2 ([3], таблиця. III.2).
Коефіцієнт еквівалентності по ([3], таблиця. 2ІІ) : при вигині Кэσ=0,5; при крученні Кэτ=0,5.
Коефіцієнт чутливості до асиметрії циклу по ([3], таблиця. III.5) : при вигині ψσ=0,1; при крученні ψτ=0,05.
Запас міцності по змінній напрузі:
Загальний запас міцності по змінній напрузі
(5.47)
Запас міцності, що допускається, по змінній напрузі [n]=1,6 ([3], таблиця. ІІ).
Діаметри інших ділянок валів призначаємо конструктивно.

Таблиця 5.1 – Розрахунок небезпечних перерізів підйомного валу
Параметр Одиниця виміру Позначення Спосіб визначення Результати розрахунку для перерізів валу
    Д-Д В-В С-С Б-Б
1 2 3 4 5 6 7 8
Діаметр перерізу 10-3м d  220 225 235 270
Коефіцієнти послаблення перерізу :
-екваторіальний
-полярний - 

Кх
К0 По ([2], таблиця. III.3) 

1,08
1,12 

1
1 

1
1 

1
1
Момент опору :
-екваторіальний
-полярний 10-3м3 
Wи
Wк 
(2.2.3.1)
(2.2.3.2) 
1,128
2,340 
1,118
2,235 
1,273
2,547 
1,931
3,863
Момент, що вигинає кН*м Ми Рис 2.2 - - 69,7 112,3
Момент, що крутить кН*м Мк Рис 2.2 119 119 119 82,4
Номінальна напруга:
вигину
кручення МПа 
σ
τ 
(2.2.3.3)
(2.2.3.4) 
-
50,85 
-
53,24 
54,75
46,72 
58,16
21,33
Запас міцності при:
вигині
крученні - 
Sσ
Sτ 
(2.2.3.5)
(2.2.3.6) 
-
12,78 
-
12,21 
14,25
13,91 
13,41
30,47
Загальний запас на статичну міцність - S (2.2.3.7) 12,78 12,21 9,95 12,27
Запас міцності, що допускається - [S] По([2], таблиця. 2П) 3,2 3,2 3,2 3,2
Амплітуда напруги при:
вигині
крученні МПа 
σа
τа 

 
-
25,4 
-
26,6 
54,75
23,4 
58,16
10,7
Середня напруга при:
вигині
крученні МПа 
σm
τm  
-
25,4 
-
26,6 
0
23,4 
0
10,7
Коефіцієнт концентрації напруги при вигині:
паз шпони
напрессовка - Доσ ([2], мал.12П)
([2], таблиця. III.1) 
-
- 
-
- 
-
6,15 
-
6,15
Коефіцієнт концентрації напруги при крученні:
паз шпони
напрессовка - Доτ ([2], мал.13П)
([2], таблиця. III.1) 2,15
4,42 -
4,42 -
4,42 -
4,42
Коефіцієнт, що враховує масштабний чинник - Кd ([2], мал. III.5) 0,52 0,52 0,52 0,52
Коефіцієнт, що враховує стан поверхні - Кf ([2], мал. III.6) 1.15 1,15 1,15 1,15
Коефіцієнт зміцнення від обкатки роликами - Кv ([2], таблиця. III.2) 2,2 2,2 2,2 2,2
Коефіцієнт зниження межі витривалості :
при вигині
при крученні - 

Ки
Кк 

(2.2.3.8)
(2.2.3.9) 

-
4 

-
4 

5,5
4 

12,1
4
Межа витривалості стали марки 34ХН1М при:
вигині
крученні МПа 

σ- 1
τ- 1 

(2.2.3.10)
(2.2.3.11) 

367
211 

367
211 

367
211 

367
211
Коефіцієнт еквівалентності :
при вигині
при крученні - 

Кэ
Кэ 
([2], таблиця. 2П) 
0,5
0,5 
0,5
0,5 
0,5
0,5 
0,5
0,5
Коефіцієнт чутливості до асиметрії циклу при:
вигині
крученні - 


ψσ
ψτ ([2], таблиця. III.5) 
0,1
0,05 
0,1
0,05 
0,1
0,05 
0,1
0,05
Запас міцності по змінній напрузі:
при вигині
при крученні - 

nσ
nτ 

(2.2.3.12)
(2.2.3.13) 

-
4,05 

-
3,87 

2,44
4,41 

2,29
9,62
Загальний запас міцності по змінній напрузі - 
n 
(2.2.3.14) 
4,05 
3,87 
2,13 
2,23
Запас міцності, що допускається, по змінній напрузі - [n] ([2], таблиця. 2П) 1,6 1,6 1,6 1,6
 
 Отже, в даному розділі нами було проведено розрахунок і вибір основних параметрів бурової лебідки, потужність, швидкості підйому, тягове зусилля, довжина і діаметр барабана лебідки. Також були проведені розрахунки на міцність барабана лебідки по напрузі стискування та переконались що умова міцності виконується.
Також було проведено рзозрахунок вінця ланцюгового колес, профіль зубів зірочки ланцюгового колеса згідно ГОСТ 591-69, як профіль без зміщення центрів дуг западин, та розраховано вал лебідки на міцність.