Расчёт и конструирование узла талевой системы

  • Вид работы:
    Курсовая работа (т)
  • Предмет:
    Геология
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    373,99 Кб
  • Опубликовано:
    2015-03-27
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

Расчёт и конструирование узла талевой системы

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Самарский государственный технический университет»









Расчет и конструирование машин и оборудования нефтегазовых промыслов

Курсовая работа

Расчёт и конструирование узла талевой системы











год

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ, ПРЕСЛЕДУЕМЫЕ ПРИ ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Основной задачей выполнения курсовой работы является ознакомление студента с методами и этапами выполнения расчётно-конструкторских работ.

На первом этапе обсуждаются методы сбора и обработки исходной информации.

В разделе, посвященном расчёту циклов нагружения элементов талевой системы, анализируется возможность принятия определённых допущений, облегчающих выполнение расчёта.

Далее студент знакомится со стандартной методикой расчёта наработки подшипника при не стационарном нагружении и выбором подшипников. Предварительно выбирается несколько подшипников обеспечивающих расчётную динамическую грузоподъёмность.

Выполняется анализ и выбор конструктивной схемы кронблока и талевого блока. Конструируется ось кронблока или талевого блока, в зависимости от выбранной конструктивной схемы в нескольких вариантах, соответствующих размерам предварительно выбранных подшипников.

В результате расчёта на статическую прочность оси выявляется влияние геометрических размеров и свойств применяемых материалов на прочность конструкции. Исключаются неудачные варианты конструкции.

При расчёте на усталостную прочность изучается методика такого расчёта. Определяется влияние различных факторов на усталостную прочность детали. В этом разделе приводится классическая методика расчёта эквивалентных напряжений и упрощённый подход к определению этого параметра. Делается вывод по полученным расчётам. В результате расчёта коэффициента запаса по усталостной прочности по различным вариантам делаются выводы о применимости разработанных конструкций и материалов для разрабатываемой конструкции.

В результате выполнения данной работы студент приобретает знания по нескольким разделам конструирования, учится анализировать полученные результаты и принимать решения.

Задание на курсовую работу

В соответствии с номером по порядку в списке группы определить вариант задания и значения исходных данных для расчёта по таблице №1.

По изложенной ниже методике определить наработку подшипников талевой системы, подобрать подшипники, спроектировать ось секции шкивов талевой системы в двух - трёх вариантах. Проверить полученные конструкции на статическую и усталостную прочность. Обосновать выбор окончательного варианта конструкции.

Таблица №1

Варианты заданий

Фамилия студента

Параметры кривой проходки

Глубина скважины

Компоновка низа

Плотность пром. жидк.

Цикл бурения скважины



А

m

L (м)

Gкн (кН)

Lкн (м)

Ρж (кг/м3)

(год)

1


560

0,6

2500

200

150

1300

0,04

2




3000

150

110

1300

0,06

3




3500

200

150

1200

0,09

4




4000

150

110

1200

0,15

5




4500

200

150

1300

0,21

6




5000

150

110

1300

0,3

7




5500

200

150

1200

0,39

8




6000

150

110

1200

0,44

9




6500

200

150

1300

0,5

10


500

0,64

2500

150

110

1300

0,04

11




3000

200

150

1200

0,06

12




3500

150

110

1200

0,09

13




4000

200

150

1300

0,15

14




4500

150

110

1300

0,21

15




5000

200

150

1200

0,3

16




5500

150

110

1200

0,39

17




6000

200

150

1300

0,44

18




6500

150

110

1300

0,5

19


700

0,55

2500

200

150

1200

0,04

20




3000

150

110

1200

0,06

21




3500

200

150

1300

0,09

22




4000

150

110

1300

0,15

23




4500

200

150

1200

0,21

24




5000

150

110

1200

0,3

25




5500

200

150

1300

0,39

26




6000

150

110

1300

0,44

27




6500

200

150

1200

0,5


1. «кривые проходки»

В процессе бурения скважины очередным долотом, она углубляется от начальной глубины, на которую спустили новое долото, до конечной, с которой поднимают изношенное, в результате бурения, долото. Описанный цикл называют рейсом. Для бурения скважины до проектной глубины необходимо выполнить несколько рейсов. Разница глубин в конце и начале рейса называется проходкой за рейс. Проходка за рейс в верхних интервалах скважины обычно больше чем в нижних. Однако она не поддаётся точному математическому описанию. Поэтому для расчёта загруженности бурового оборудования используют статистические методы, обрабатывая результаты углубления скважин после очередного рейса по «представительной» выборке из пробуренных скважин. В результате такой обработки получаем среднее статистическое значение глубины скважины после очередного рейса. Эти данные, в виде таблиц или графиков, называемых «кривыми проходки», могут быть использованы для расчётов. Но они не удобны из за своей громоздкости. Поэтому «кривые проходки» стали описывать различными формулами.

Для описания углубления скважины после очередного рейса применялись функции гиперболического, параболического типов, полиномиальные и другие. Так первый заведующий кафедрой МОНГП СамГТУ, создавший эту кафедру, Тарасевич Владимир Иванович часто использовал в своих расчётах уравнения кривых проходки параболического типа


Это уравнение удобно для расчёта и достаточно точно отражает темп углубления скважин после очередного рейса. Используем эту зависимость для расчётов Коэффициент А и показатель степени m приведены в исходных данных в таблице №1.

.1 Построение графика углубления скважины

Уравнение кривой проходки

Где L - глубина скважины после очередного рейса;

А - коэффициент;

β - номер очередного рейса;

m - показатель степени.

В примере A=600; m=0,6; β=60; Lmax=7000м. Lmax берём с некоторым запасом. (глубина скважины 6900м).

Примечание: здесь и далее численные значения, используемые в примере пишем зелёным цветом.

Результаты расчёта по вышеприведённой формуле представлены в таблице №2 и на графике Рис.№1.

Таблица №2

Расчёт кривой проходки

β

L

β

L

0

0

30

4618

1

600

31

4709

2

909

32

4800

3

1160

33

4889

4

1378

34

4978

5

1576

35

5065

6

1758

36

5151

7

1928

37

5237

8

2089

38

5321

9

2242

39

5405

10

2389

40

5488

11

2529

41

5570

12

2665

42

5651

13

2796

43

5731

14

2923

44

5811

15

3047

45

5890

16

3167

46

5968

17

3284

47

6045

18

3399

48

6122

19

3511

49

6198

20

3621

50

6274

21

3728

51

6349

22

3834

52

6423

23

3937

53

6497

24

4039

54

6570

25

4139

55

6643

26

4238

56

6715

27

4335

57

6787

28

4430

58

6858

29

4525

59

6929



60

6999


Рис.№1. График кривой проходки.

В примере проектная глубина скважины 6900м.

Согласно таблицы №2 получим необходимое число рейсов 59.


2. РАСЧЁТ циклов нагружения ТАЛЕВОЙ СИСТЕМЫ И СООТВЕТСТВУЮЩИХ ИМ НАГРУЗОК

Задавшись проектной глубиной скважины, разобьем кривую проходки на интервалы по глубине Рис. №2.

Рис. №2 разделение кривой проходки на 7 интервалов.

В результате разделения получим следующие значения параметров, сведённые в таблицу №3.

Таблица №3

Значения средней глубины и числа рейсов по интервалам

Номер интервала i

Средняя глубина на интервале Li

Среднее число рейсов по интервалу βi

1

500

59

2

1500

54

3

2500

48

4

3500

40

5

4500

30

6

5500

19

7

6450

6


Согласно ГОСТ 16293-89 (приведённому в таблице №4) для заданной глубины скважины получаем следующие параметры:

Буровая установка 9го класса;

Допускаемая нагрузка на крюке 5000 кН;

Оснастка талевой системы 7х8;

Длина свечи 25; 27 или 36м

Примем длину свечи 36м. (свеча из 3х труб длиной 12м).

Согласно исходных данных вес компоновки низа составляет Gкн=200кН, а длина Lкн=150м.

Примем стандартную бурильную колонну с весом погонного метра q=0,3кН/м.

Примечание: по ГОСТ 16293-89 условный диапазон глубин бурения указан при применении наиболее лёгких бурильных колонн диаметром 114мм и q=0,3кН/м. В случае применения бурильных колонн большего диаметра следует вычислить вес бурильной колонны соответствующий максимальной глубине скважины. Рассчитать допускаемую нагрузку на крюке равную удвоенному максимальному весу бурильной колонны. По допускаемой нагрузке на крюке определить класс буровой установки.

При подъёме нагрузка на крюке больше веса бурильной колонны на величину сил трения колонны о стенку скважины.

При спуске нагрузка на крюке меньше веса бурильной колонны на величину сил трения колонны о стенку скважины.

При расчёте средней нагрузки на талевую систему на каждом интервале учитываем нагрузку, как при подъёме, так и при спуске. Если принять, что сила трения колонны о стенку скважины при подъёме равна этой же силе при спуске то в результате осреднения эта составляющая силы сокращается. Поэтому примем осреднённую нагрузку равной весу бурильной колонны с учётом её облегчения в промывочной жидкости.

Согласно исходных данных плотность промывочной жидкости ρж=1300кг/м3.

Плотность материала труб примем ρм=7850кг/м3.

Средний вес бурильной колонны на i интервале составит


На 1 - 6 интервалах число свечей соответствующих длине интервала составит ki=1000/36=27,7777. Примем 28

Для последнего 7 интервала число свечей соответствующих длине интервала составит 900/36=25

При выполнении каждого рейса, на данном интервале, следует поднять ki свечей и ki количество спустить. Откуда общее число циклов нагружения на интервале составит

zi=2ki . βi

Результаты расчёта по числу циклов нагружения и средним нагрузкам на каждом интервале сведём в таблицу №5

Таблица 4

Параметры буровых установок для эксплуатационного и глубокого разведочного бурения (по ГОСТ 16293-89)

Параметры

Класс буровых установок

Допускаемая нагрузка на крюке, кН

800

1000

1250

1600

2000

2500

3200

4000

5000

6300

8000

Условный диапазон глубин бурения м

600-1250

1000-1600

1250-2000

1600-2500

2000-3200

2500-4000

3200-5000

4000-6500

5000-8000

6500-10000

8000-12500

Наибольшая оснастка талевой системы

4x5

5x6

6x7

7x8

Диаметр талевого каната мм

22,25

22,25, 28

25,28

28,32

32,35

35,38

38,42

42,44

Скорость подъема крюка при расхаживании обсадных колонн и ликвидации аварий, м/с

0,1 -0,2

Скорость установившегося движения при подъеме незагруженного элеватора, м/с не менее

1,5

1,4

Мощность на приводном (входном) валу подъемного агрегата, кВт

200-240

240-300

300-440

440-550

550-670

670-900

900-1100

1100 - 1475

1475-2200

2200-2950

2500-2950

Проходной диаметр стола ротора, мм

460; 560

320,7; 560

560

700

950

1260

Мощность на приводном валу ротора, кВт, не более

180

180-370

370

440

500

540

Допускаемая статическая нагрузка на стол ротора, кН

2000

3200

4000

5000

6300

8000

Момент, передаваемый столом ротора, кНм, не более

30

50

80

120

180

Число основных буровых насосов, не менее

1

2

3

Мощность привода бурового насоса, кВт

300, 375

475

475, 600,750

600,750, 950

950, 1180

1180

1180, 1840

Наибольшее давление на выходе насоса (в манифольде), МПа

20;21

20

21;25

25;32

25; 32, 35

25;32

25;32, 35

32;40

40

40; 105

Номинальная длина свечи, м

18

18;25;27

25;27;36

27;36

Высота основания (отметка пола буровой), м, не менее

3

4

4,4;5,5

5;5,5

6

6,7;8

6,9;8

7,5;8

8,5


Таблица №5

Расчёт числа циклов нагружения по интервалам при бурении одной скважины

Номер интервала i

Средняя глубина на интервале Li (м)

Среднее число рейсов по интервалу βi

Число циклов нагружения на интервале zi

Средний вес бурильной колонны на i интервале Gi (кН)

1

500

59

3304

254

2

1500

54

3024

505

3

2500

48

2688

755

4

3500

40

2240

1005

5

4500

30

1680

1256

6

5500

19

1064

1506

7

6450

6

300

1744


2.1 РАСЧЁТ НАРАБОТКИ ПОДШИПНИКОВ ШКИВОВ

Согласно классу установки (таблица 3) примем диаметр талевого каната равным 35мм. Примем соотношение диаметра каната к диаметру шкива 1/36. Тогда диаметр шкива по дну канавки составит 1260мм.

Произведём расчёт наработки подшипников наиболее быстроходного шкива кронблока. При оснастке 7х8 длина каната, наматываемая на барабан в 14 раз больше длины свечи=36м. С учётом коэффициента переподъёма 1,01 получим длину каната, пробегающего по шкиву

.14.1,01=509м

Периметр шкива по дну канавки равен 1,26.π=3,958м

За один цикл подъёма подшипник сделает 509/3,958 примерно 129 оборотов.

Расчёт нагрузки на шкивы

В статическом состоянии нагрузка на любой шкив талевого блока составит [1] Q=G/n, а на ветвь каната S=G/2n (n -число шкивов в талевом блоке)

При подъёме натяжение в ходовой ветви каната составит


По этой же формуле вычисляется натяжение в неподвижной ветви каната при спуске.

При подъёме натяжение в неподвижной ветви каната составит


По этой же формуле вычисляется натяжение в ходовой ветви каната при спуске.

При оснастке 7х8 нагрузка в ходовой ветви при подъёме составит 0,08898G. При спуске - 0,0711G. В среднем 0,073G. Нагрузка на любую ветвь в статическом положении равна 0,0714G=G/14. Разница в результатах между средним значением при спуске и подъёме и нагрузкой на ветвь каната в статическом положении составит 2%. Поэтому можно считать, что нагрузка на каждый шкив при оснастке 7х8 составит 1/7 от веса бурильной колонны на интервале (разницей нагрузки на шкивы, обусловленной КПД талевой системы пренебрегаем).

Исходя из этого, рассчитаем число оборотов и нагрузку на шкив на каждом интервале нагружения. Результаты сведём в таблицу №6.

Таблица №6

Число оборотов и нагрузка на шкив на каждом интервале нагружения

Номер интервала i

Нагрузка на шкив Р (кН)

Число оборотов шкива на интервале

Суммарное число оборотов

1

36,7

426216

1844700

2

72,1

390096


3

108

346752


4

144

288960


5

179

216720


6

215

137256


7

249

38700



.2 ПОДБОР ПОДШИПНИКОВ

Для подшипников шкива талевой системы, нагруженных только радиально, формула для расчёта эквивалентной нагрузки может быть записана в виде [1].


При вращении наружного кольца подшипников J=1,2

Для подшипников шкивов талевого блока и кронблока Кd =1,8

При температуре окружающей среды менее 1200С принимают Кт=1.


условная суммарная составляющая вычисляется по формуле


где mn для роликовых подшипников =3,33

Nn - суммарное количество оборотов подшипника, выполненное под нагрузкой за время проводки одной скважины

Используя данные таблицы №6, просуммировав числа оборотов, получим Nn=1844700 оборотов

Значение суммы условной составляющей приведено в таблице №7

Таблица №7

Значение суммы условной составляющей

Номер интервала i

Нагрузка на шкив Р (кН)



1

36,7

79,3

2111445

2,71E9

2

72,1

156

20095782


3

108

233

76435519


4

144

311

199936505


5

179

387

414073573


6

215

464

757713239


7

249

538

1240237841



Из исходных данных имеем полный цикл бурения одной скважины 0,5 года

Примем, что один раз в 10 лет установка проходит капитальный ремонт, при котором меняются подшипники талевой системы.

Примечание: Выбор длительности работы подшипников оказывает значительное влияние на выбираемый типоразмер подшипника и, как следствие, на диаметр и длину осей талевой системы. Поэтому, этим параметром можно варьировать с целью получения более удачной конструкции. Кроме того, в процессе эксплуатации талевой системы, с целью продления срока службы подшипников производят перестановку секций шкивов таким образом, чтобы шкив, с которого сбегала ходовая ветвь каната, вставал на место шкива, с неподвижной ветвью каната. В результате длительность работы подшипников удваивается.

За этот период установкой будет пробурено z c =20 скважин

N0 = 106 - базовое число оборотов подшипника.

Базовый расчетный ресурс (L10) используют в качестве критерия работоспособности подшипника. Этот ресурс соответствует 90 % надежности

При таком уровне надёжности а1=1

Для обычных условий применения подшипника принимаем а23=0,35

Требуемая динамическая грузоподъёмность определится по формуле


кН

Шкив устанавливаем на ось на двух подшипниках, так как показано на рисунке 6.

Для последовательно установленных на опоре двух и более подшипников их суммарная динамическая грузоподъемность определяется как


где С1 - динамическая грузоподъемность одного подшипника;

Zn - количество установленных в опоре подшипников.

С1=С/ Zn0.75

Примем, что в шкиве установлены два подшипника качения.

Тогда Стр для одного подшипника 2734/20,75=1626кН

Выбирая подшипник по каталогу следует принимать грузоподъёмность подшипника по каталогу больше или равной требуемой.


В соответствии с ГОСТ 8328-75 (приложение 1) выбираю подшипник типа 42000 с однобортовым внутренним кольцом.

Рис.3. Конструкция подшипника

Таблица №8

По динамической грузоподъёмности подходят следующие подшипники

№ п/п

Серия диаметров

Серия ширины

№ подшипника

С кH

D мм

D мм

B мм

1

5

0

42552

1790

260

480

2

6

0

42644

1790

220

460

145


3. КОНСТРУИРОВАНИЕ ОСИ

.1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

КРОНБЛОКИ

Кронблоки устанавливают на наголовнике буровых вышек. Они являются неподвижной частью талевого механизма. Конструкции кронблоков зависят от типа используемых вышек и различаются по числу шкивов, грузоподъемности и конструктивной схеме.

Шкивы кронблока вращаются на неподвижных осях, расположенных соосно (Рис. 4,а,б,в) либо несоосно (Рис. 4,г,д). При несоосной схеме ось шкива, используемого для ходовой струны талевого каната, располагается перпендикулярно к осям остальных шкивов. Несоосное расположение шкивов обусловлено схемой оснастки талевого механизма, обеспечивающей возможность перемещения талевого блока вдоль свечи при использовании комплекса АСП для механизированной расстановки свечей. Число шкивов и грузоподъемность кронблоков выбирают в зависимости от допускаемой нагрузки на крюке.

На Рис. 5 приведена типовая конструкция кронблока с соосным расположением шкивов.

Каждая секция состоит из оси на которой установлены шкивы, вращающиеся на подшипниках качения. В зависимости от грузоподъемности кронблока шкивы устанавливают на двух роликовых (Рис. 6) либо сдвоенных подшипниках с коническими роликами (Рис. 7). Последние имеют общее наружное кольцо и два внутренних. Между подшипниками соседних шкивов на оси имеются распорные кольца, благодаря которым исключается трение ступиц смежных шкивов, вращающихся с различной частотой. Между наружными кольцами роликоподшипников в ступицах шкивов устанавливаются разрезные пружинные кольца, на оси - распорные кольца с проточкой и отверстиями для выхода смазки к подшипникам. Через масленки, продольные и радиальные отверстия в оси смазка подается ручным насосом в полость между кольцами подшипников шкива.

На Рис. 8 показан трехсекционный кронблок с несоосным расположением секций, отличающийся от предыдущей конструкции тем, что ходовой шкив находится на отдельной опоре, установленной на верхней полке рамы.

Техническая характеристика кронблоков приведена в табл. 9.

Рис. 4. Конструктивные схемы кронблоков

Рис. 5. Кронблок

Рис. 6. Секция кронблока

Рис.7. Шкив установлен на сдвоенном подшипнике с коническими роликами

Рис. 8. Трехсекционный кронблок

Таблица 9

Техническая характеристика кронблоков

Параметры

КБ5-185БР

УКБА-6-200

УКБА-6-250

УКБА-6-270

УКБА-7-320

УКБА-7-400-1

уз-зоо

УКБА-7-SOO

БУ-75Бр

Грузоподъемность, кН

1850

2000

2500

2700

3200

4000

3000

5000

1000

Максимальное натяжение ходовой струны, кН

230

200

250

270

265

350

420

425

85

Число канатных шкивов

5

6

6

6

7

7

7

7

5

Диаметр, мм:










наружный шкива

1180

1000

1250

1120

1250

1400

1510

1510

800

каната

28

28

32

32

32

35

38

38

25

Диаметр оси шкивов мм:

170

170

220

220

220

260

260

380

140

Номер подшипников шкивов

42234

42234

97744Л

42244

97744ЛМ

7097 152М

2097152

1097976

12228

Размеры подшипников, мм

170X310X52

170X310X52

220X340X100

220X400X65

220X340X100

260X400X104

260X400X186

380X520X150


Конструктивная схема

Рис. 4, a

Рис. 4, б

Рис. 4, г

Рис. 4,6

Рис. 4,д

Рис. 4,в

Рис. 4, а

Обозначения в шифре: У -Уралмашзавод; КБ - кронблок; А - для работы с А-образ ной вышкой и комплексом АСП; первая цифра -число шкивов; вторая цифра - грузоподъемность в т; третья цифра - порядковый номер кронблока в буровой установке.

Таблица 10

Техническая характеристика талевых блоков

Параметры

ТБК4-140Бр

УТБА-5-170

УТБА-5-200

УТБА-5-225

УТБА-6-250

УТБА-6-320

У4-300

УТБА-6-400

БУ-75Бр

Грузоподъемность, кН

1400

1700

2000

2250

2500

3200

3000

4000

1000

Число канатных шкивов

4

5

5

5

6

6

6

6

4

Число секций

1

2

2

1

2

2

2

2

1

Диаметр, мм:










наружный шкива

1180

1000

1250

1120

1250

1400

1510

1510

800

каната

28

28

32

32

32

35

38

38

25

Диаметр оси шкивов мм:

170

170

220

220

220

260

260

380

140

Номер подшипников шкивов

42234

42234

97744Л

42244

97744ЛМ

7097 152М

2097152

1097976

12228

Размеры подшипников, мм

170X310X52

170X310X52

220X340X100

220X400X65

220X340X100

260X400X104

260X400X186

380X520X150




ТАЛЕВЫЕ БЛОКИ

В талевом блоке число шкивов на единицу меньше, чем в парном с ним кронблоке. В отличие от кронблока талевый блок не испытывает нагрузок от натяжений ходовой и неподвижной струн каната, поэтому грузоподъемность его меньше, чем кронблока. Масса талевого блока должна быть достаточной для обеспечения необходимой скорости его спуска, в связи с чем талевые блоки обычно массивнее кронблока, хотя число шкивов и грузоподъемность последних больше. Талевые блоки изготовляют одно- и двухсекционными. Они предназначены соответственно для ручной расстановки свечей и для работы с комплексом АСП. Двухсекционные талевые блоки при необходимости могут быть использованы для ручной расстановки свечей.

Односещионный талевый блок (Рис. 9) состоит из двух щек с приваренными накладками, изготовленными из стального листа. Щеки, соединяемые траверсой и двумя болтовыми стяжками, образуют раму талевого блока. Между траверсой и стяжками в щеках имеется расточка для оси шкивов. Ось крепится в щеках двумя гайками, предохраняемыми от отвинчивания стопорной планкой. Шкивы на оси талевого блока устанавливаются на подшипниках качения подобно шкивам кронблока.

Двухсекционный талевый блок (Рис. 10) состоит из трехблочной и двухблочной секций, соединенных желобом, который направляет талевый блок при его перемещении вдоль свечи.

Техническая характеристика талевых блоков приведена в табл. 10.

Рис. 9. Односекционный талевый блок

Рис. 10. Двухсекционный талевый блок

3.2 ВЫБОР КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ

Для буровой установки 9 класса применяется оснастка талевой системы 7х8. Схему конструкции кронблока выбираем аналогично схеме Рис. 4г или Рис. 8 с увеличением числа шкивов на трехшкиной секции до четырёх, а на двухшкивной секции - до трёх. Конструктивную схему талевого блока принимаем аналогично Рис.10. с увеличением числа шкивов в секциях на единицу.

В выбранной конструкции наибольшее число шкивов в секции, как кронблока, так и талевого блока составляет 4. Нагружение осей этих, наиболее длинных, секций наибольшее и одинаковое. Поэтому безразлично, какую ось рассчитывать на прочность.

Выполним чертёж оси секции аналогично чертежу Рис.6 в двух вариантах с применением подшипников 42552 и подшипников 42644 (Рис. 11). Учитывая, что смазочные отверстия сверлятся диаметром 10мм., ширину распорных колец между подшипниками принимаем 16мм. Остальные размеры см. Рис 11 и таблицу 10.

Таблица №11

Значения размеров, приведённых на Рис. 11.

Подшипник №

D мм

L мм

A мм

B мм

C мм

E мм

H мм

42552

260

1450

675

575

145

430

530

42644

220

1570

735

635

160

475

575


Примечание: Длину оси по расчёту получаем равной 1452 и 1572мм. Этот размер округляем до ряда предпочтительных чисел - 1450 и 1570мм. В связи с этим округляем размеры A,B,C,E,G до значений кратных пяти.

Рис.11. Размеры конструкции

скважина талевый подшипник ось

4. РАСЧЁТ оси НА СТАТИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ

Как и ранее (разницей нагрузки на шкивы, обусловленной КПД талевой системы пренебрегаем).

В соответствии с классом буровой установки максимальная грузоподъёмность талевой системы равна 5000кН при оснастке 7х8. Для четырёхшкивной оси нагрузка составит 4/7 от максимальной грузоподъёмности, т.е. F=2857кН. Реакции опор R=F/2=1429кН. Максимальный изгибающий момент возникает посередине длины оси, сечение Ι - Ι (Рис.11). Проверим на прочность это сечение.

Расчёт оси с подшипниками №42552

Нагрузка, воспринимается осью на длине мм (см. Рис.11).

Представим эту нагрузку как распределённую по длине q кН/м.

кН/м

Для сечения Ι - Ι изгибающий момент определится по формуле

кНм

Момент инерции сечения оси ослабленной сверлениями для смазки определится по формуле


Где D=0,26м - диаметр оси, в которой имеется 4 отверстия диаметром d=0,01м. 2 отверстия отстоят от горизонтальной оси сечения Х-Х на расстоянии h=0,03м. Смотри Рис. 13.

Рис.13. Поперечное сечение оси.

м4

Следует отметить, что вычисление момента инерции сечения без учета ослабления сечения отверстиями под смазку приводит к результату

 м4

Учитывая, что при инженерных расчётах обычно достаточна точность, составляющая три значащих цифры, в дальнейшем будем рассчитывать момент инерции сечения без учёта смазочных отверстий.

Осевой момент сопротивления равен

м3

Максимальное напряжение в сечении

МПа

Следовательно для изготовления оси следует выбрать сталь с

σт≥σмах.[n],

где [n] - коэффициент запаса. Обычно допускаемое значение коэффициента запаса, при расчётах по σт составляет 1,3.

Следовательно, σт≥321.1,3=420МПа.

Применяемые для изготовления бурового оборудования стали и их прочностные характеристики берём из таблиц 1-8 приложения 2.

Ближайшие по пределу текучести это марганцовистые стали 60Г с σт=420 МПа, σв=710 МПа, 65Г с σт=440 МПа, σв=750 МПа и 50Г2 с σт=430 МПа σв=750 МПа. (таблица 8 приложения №2).

Расчёт оси с подшипниками №42644

Нагрузка, воспринимается осью на длине мм (см. Рис.11).

Представим эту нагрузку как распределённую по длине q кН/м.

кН/м

Для сечения Ι - Ι изгибающий момент определится по формуле

кНм

Момент инерции сечения

 м4

Осевой момент сопротивления равен

м3

Максимальное напряжение в сечении

МПа

Следовательно для изготовления оси следует выбрать сталь с

σтмах.[n],

где .[n] - коэффициент запаса. Обычно допускаемое значение коэффициента запаса, при расчётах по σт составляет 1,3.

Следовательно σт ≥569.1,3=739МПа.

Примем сталь 40Х с σт=800МПа и σв=1000МПа.

Окончательный выбор применяемых подшипников и размеров оси осуществим после проверки обоих вариантов на усталостную прочность.

5. РАСЧЁТ ОСИ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ

Расчёт усталостной прочности выполним в соответствии с [4].

Наиболее опасным сечением при расчёте на усталостную прочность является сечение ΙΙ - ΙΙ ослабленное наличием концентратора напряжений в виде сверления под смазку (см. Рис. 11).

Для сечения ΙΙ - ΙΙ изгибающий момент определится по формуле


Для оси с подшипниками №42552

 кНм

Для оси с подшипниками №42644

 кНм

При действии максимально допустимой для данной талевой системы нагрузки 5000кН, максимальное напряжение в сечении без учёта концентрации напряжений составит


Для оси с подшипниками №42552

 МПа

Для оси с подшипниками №42644

 МПа

5.1 РАСЧЁТ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Расчёт эквивалентных напряжений может быть выполнен более точно при наличии достоверных исходных данных. Такой расчёт приведён в варианте №1. При отсутствии таких данных коэффициент эквивалентности принимается по действующим рекомендациям (вариант №2).

Вариант №1 расчёта коэффициента эквивалентности

Расчёт числа циклов нагружения оси и значения максимальных напряжений за весь период бурения скважины

Примем срок службы талевой системы 20 лет. Согласно исходных данных длительность бурения одной скважины составляет 0,5 года. Тогда, за весь период эксплуатации на данной талевой системе будет пробурено 40 скважин.

В таблице №4 приведено значение числа циклов нагружения на интервалах глубины скважины и средний вес бурильной колонны на интервале. Для расчёта общей наработки следует умножить числа циклов нагружения на интервалах глубины скважины на общее число скважин, пробуренных на данной талевой системе (в примере 40 скважин).

Так для первого интервала бурения имеем 3304.40=132160.

Напряжения в ослабленном сечении при воздействии нагрузки соответствующей весу бурильной колонны на интервале можно определить из пропорции


Так для первого интервала бурения и применения оси с подшипниками №42552 получим

МПа

Результаты расчётов сведём в таблицу №12

Кроме того периодически талевая система нагружается более высокой нагрузкой от веса обсадной колонны и при ликвидации прихватов бурильной колонны.

Для повышения точности расчёта необходимо иметь конкретные значения по числу и значениям таких нагружений.

При отсутствии этих данных примем, что при бурении каждой скважины спускалась одна обсадная колонна, вес которой превышал вес бурильной колонны в полтора раза. Наращивание бурильной колонны осуществляется по одной трубе. Примем длину обсадной трубы равную 12м. Тогда на каждом интервале с первого по шестой (длиной 1000м) имеем 83 цикла нагружения, а на седьмом интервале длиной 900м имеем 75 циклов нагружений.

Таблица №12

Расчёт числа циклов нагружения по интервалам за весь период эксплуатации талевой системы и значений напряжений в ослабленном сечении без учёта концентрации напряжений.

Номер интервала i

Число циклов нагружения на интервале Zj

Напряжения (МПа) для оси с подшипниками №42552

Напряжения (МПа) для оси с подшипниками №42644

1

132160

15,5448

2

120960

30,906

54,641

3

107520

46,206

81,691

4

89600

61,506

108,741

5

67200

76,8672

135,8992

6

42560

92,1672

162,9492

7

12000

106,7328

188,7008


Напряжения в ослабленном сечении будут превышать аналогичные напряжения, приведённые в таблице №12 в полтора раза. Результаты расчёта циклов нагружения и напряжений сведём в таблицу №13

Примем, что при бурении каждой скважины происходило два прихвата, которые ликвидировались при приложении нагрузки равной (в среднем) 90% от максимальной грузоподъёмности. Число циклов нагружения при ликвидации прихватов и соответствующие им напряжения в ослабленном сечении приведены в таблице №14.

Таблица №13

Расчёт числа циклов нагружения при спуске обсадных колонн по интервалам за весь период эксплуатации талевой системы и значений напряжений в ослабленном сечении без учёта концентрации напряжений.

Номер интервала i

Число циклов нагружения на интервале Zj

Напряжения (МПа) для оси с подшипниками №42552

Напряжения (МПа) для оси с подшипниками №42644

1

83

23,3172

41,2242

2

83

46,359

81,9615

3

83

69,309

122,5365

4

83

92,259

163,1115

5

83

115,3008

203,8488

6

83

138,2508

244,4238

7

75

160,0992

283,0512


Таблица №14

Число циклов нагружения при ликвидации прихватов и соответствующие им напряжения в ослабленном сечении

Число циклов нагружения

Напряжения (МПа) для оси с подшипниками №42552

Напряжения (МПа) для оси с подшипниками №42644

80

275

487


Определим коэффициент эквивалентности нагрузки


Где m=C/Kσ. Для деталей из углеродистых сталей С=12-20. Для деталей из легированных сталей С=20-30. Поскольку нами предварительно выбраны низколегированные стали 40Х и 60Г, примем С=20.

Эффективный коэффициент концентрации напряжений Kσ определяется в зависимости от соотношения диаметра отверстия и диаметра оси (по таблице №7 приложения 3).

Для оси диаметром 260 мм изготовленной из стали 60Г имеем d/D=0,038. σв=710 МПа. Для этих условий Kσ=2,0.

Для оси диаметром 220 мм изготовленной из стали 40Х имеем d/D=0,045. σв=1000 МПа. Для этих условий Kσ=2,12.

Приближённо для обоих случаев можно принять m=10.

Примем N0=2000000.

Для оси диаметром 260 мм изготовленной из стали 60Г подкоренную сумму запишем в следующем виде

Σ=7,33.10-15+6,6.10-12+3,24.10-10+4,79.10-9+3,36.10-8+1,31.10-7+1,60.10-7+

+2,72.10-16+2,49.10-13+1,48.10-11+2,59.10-10+2,33.10-9+1,48.10-8+6,39.10-8+

+1,3746.10-5=1,4149.10-5

В результате вычисления подкоренной суммы можно заметить, что значения слагаемых суммы, вычисленные для верхних интервалов скважины при незначительных нагрузках на крюке, но многочисленных нагружениях на много порядков ниже, чем от не частых, но больших нагрузках. Следовательно, на значение коэффициента эквивалентности, в основном, влияют нагрузки близкие к максимальным.

Как видим, расчёт по варианту№1 достаточно трудоёмок и требует большого количества исходных данных, получить которые не всегда представляется возможным.

Вариант №2 расчёта (принятия) коэффициента эквивалентности

По варианту №2 обычно получаем завышенное значение  потому, что для обеспечения безопасности в данном варианте рассмотрены наиболее опасные случаи нагружения талевой системы. Разработчики бурового оборудования рекомендуют принимать для подъёмного комплекса kσ.экв=0,5.

Как видим значения коэффициента эквивалентности, вычисленные или принятые по вариантам №1 и №2 значительно различаются.

В случае наличия достаточного объёма статистической информации вычисление коэффициента эквивалентности следует производить по варианту №1. Если статистических данных мало или они недостаточно достоверны, следует принять коэффициент эквивалентности в соответствии с вариантом №2.

Для дальнейшего расчёта примем коэффициент эквивалентности по варианту №2.

5.2 РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ ЦИКЛОВ НАГРУЖЕНИЯ

Учитывая, что вес подвижной части талевой системы составляет примерно 4% от максимальной нагрузки на крюке, будем считать цикл нагружения отнулевым.

Тогда

Для оси с подшипниками №42552

 МПа

 МПа

Для оси с подшипниками №42644

 МПа

 МПа

5.3 РАСЧЁТ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАПАСА

Определяем предел выносливости материала при симметричном цикле нагружения изгибающим моментом. По таблице №1 приложения 3 находим α1=0,47


Для оси с подшипниками №42552

 МПа

Для оси с подшипниками №42644

 МПа

Определяем коэффициент чувствительности материала к асимметрии цикла по таблице №5 приложения 3

Для оси с подшипниками №42552 ψσ=0,05

Для оси с подшипниками №42644 ψσ=0,1

Определяем обобщённый коэффициент снижения усталостной прочности детали:

Эффективный коэффициент концентрации напряжений определён нами ранее при расчёте коэффициента эквивалентных напряжений по варианту №1.

Для оси диаметром 260 мм изготовленной из стали 60Г имеем d/D=0,038. σв=710 МПа. Для этих условий Kσ=2,0.

Для оси диаметром 220 мм изготовленной из стали 40Х имеем d/D=0,045. σв=1000 МПа. Для этих условий Kσ=2,12.

Коэффициент качества поверхности определяем по таблице №2 приложения 3.

Принимаем, что ось прошла чистовое шлифование

Для оси с подшипниками №42552 изготовленной из стали 60Г с σв=710 МПа примем КF=1,15

Для оси с подшипниками №42644 изготовленной из стали 40Х с σв=1000 МПа примем КF=1,24.

Коэффициент, учитывающий размеры детали определяем по таблице №3 приложения 3. Для обеих осей примем его равным Кd σ=0,52

Поверхностное упрочнение выполним путём закалки ТВЧ. Коэффициент, учитывающий упрочнение определяем по таблице №4 приложения 3.

Для обеих осей примем его равным КV=1,9.

Обобщённый коэффициент снижения усталостной прочности детали равен


Для оси с подшипниками №42552 изготовленной из стали 60Г с σв=710 МПа

Для оси с подшипниками №42644 изготовленной из стали 40Х с σв=1000 МПа

Для случая пропорционального возрастания амплитудного и среднего напряжений запас усталостной прочности определится по формуле


Для оси с подшипниками №42552 изготовленной из стали 60Г

Для оси с подшипниками №42644 изготовленной из стали 40Х

Учитывая, что необходимый запас усталостной прочности равен 1,3 по прочности проходят обе оси.

ВЫВОДЫ

Окончательный выбор варианта оси проводим после оценки габаритов и др. параметров талевого блока и кронблока, а также определения стоимости конструкции.

Однако следует отметить, что:

ось из стали 60Г с σт=420 МПа, имеющая запас по статической прочности n=1,31, по усталостной прочности имеет запас nσ=1,96.

ось из стали 40Х с σт=800МПа, имеющая запас по статической прочности n=1,38, по усталостной прочности имеет запас nσ=1,33.

Таким образом, при близких запасах по статической прочности, усталостная прочность оси из стали 60Г значительно выше. Следовательно, при прочих равных условиях, предпочтительнее изготавливать ось с подшипниками №42552 диаметром 260мм из стали с σт=420 МПа.

ЛИТЕРАТУРА

1. С.И. Ефимченко А.К. Прыгаев «Расчёт и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов» Москва, 2006. УДК 622.242.001.24 (075.8)

2, Баграмов Р.А. Буровые машины и комплексы. М.: Недра, 1988, 501с.

3. ГОСТ 8328-75 (СТ СЭВ 4949-84) Подшипники роликовые радиальные с короткими цилиндрическими роликами.

. Расчёт усталостной прочности деталей бурового и нефтепромыслового оборудования. Методические указания к выполнению курсовых и квалификационных работ и проектов.

Похожие работы на - Расчёт и конструирование узла талевой системы

 

Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу
Без плагиата!