![](/user_photo/_userpic.png)
книги / Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов. Силовые приводы машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов
.pdf![](/html/65386/197/html_RJmXjmFmA_.qvdU/htmlconvd-bxYuuV51x1.jpg)
индукционные токи. Взаимодействие магнитных полей создает вращающий момент, направленный в сторону перемещения поля тока возбуждения. В результате ведомая часть муфты движется с некоторым скольжением относительно ведущей.
Основными преимуществами ЭМС являются возможность плавного регулирования частоты вращения и передаваемого крутящего момента путем изменения силы тока возбуждения; отсутствие износа при скольжении; высокий КПД (до 95 %) при передаче номинального момента. К недостаткам ЭМС относятся сильный нагрев и значительные потери мощности при большом скольжении.
Электромагнитная порошковая муфта показана на рис. 2.25. Ведущая часть 2 муфты установлена на валу 4 двигателя на шпонке и имеет кольцевую обмотку 3, питаемую постоянным током через контактные кольца 7.
Рис. 2.25. Электромагнитная муфта с порошковым заполнением:
1 – ведомая часть; 2 – ведущая часть; 3 – обмотка возбуждения; 4 – вал двигателя; 5 – ступица; 6 – подшипник; 7 – контактное кольцо; 8 – кронштейн; 9 – корпус ведомой части; 10, 11 – диски; 12 – зубчатая муфта; 13 – отверстие; 14 – лабиринтное уплотнение; 15 – магнитное уплотнение
Ведомая часть 1 муфты смонтирована на ступице ведущей части на подшипниках 6 и соединена с ведомым валом зубчатой муфтой 12. Полость между ведущей и ведомой частями через отверстие 13 заполнена смесью порошка карбонильного железа с сухими (тальк, трафит, окись кремния) или жидкими смазывающими веществами. Магнитное 15 и лабиринтное 14 уплотнения предохраняют подшипники от попадания порошка.
При включении в обмотку 3 тока возбуждается магнитное поле, под действием которого частицы карбонильного железа, обладающие высокими электромагнитными свойствами, взаимодействуют друг с другом и рабочими поверхностями муфты. Изменение силы тока возбуждения позволяет плавно регулировать частоту вращения
51
![](/html/65386/197/html_RJmXjmFmA_.qvdU/htmlconvd-bxYuuV52x1.jpg)
ведомого вала и передаваемый муфтой крутящий момент. При работе в режиме скольжения слои ферромагнитного порошка, прилегающие к ведущей и ведомой поверхностям, остаются неподвижными, благодаря чему МЭП изнашиваются меньше, чем фрикционные муфты.
В качестве постоянных соединительных муфт используют упругие, цепные, зубчатые и муфты Кардана (шарнирные). Упругие, зубчатые и цепные муфты могут компенсировать небольшие смещения и перекосы валов до 1,0° – 1,5°. Широко применяются упругие муфты, способные смягчать динамические нагрузки в трансмиссии.
Рис. 2.26. Редуктор с телескопическим карданным валом:
1 – вал; 2, 7, 11 – шкивы; 3 – уплотнение; 4 – подшипник; 5 – шестерня; 6 – телескопический карданный вал; 8, 9 – головки карданного вала; 10 – корпус;
12 – шестерня-вал
Муфты Кардана используют для соединения валов с углами отклонения осей до 20° и более. В установках геологоразведочного бурения с дизельным приводом применяют редукторы с телескопическим карданным валом, позволяющим перемещать станок по раме при выполнении спуско-подъемных операций.
Редуктор (рис. 2.26) смонтирован в разъемном корпусе 10. Шкив 2, жестко закрепленный на валу 1 редуктора, получает вращение от дизеля через клиноременную передачу. С ведущим валом муфты сцепления станка вал редуктора соединяется телескопическим карданным валом 6 с головками 8 и 9.
На вал редуктора посажены коническая шестерня 5 и шкив 7 привода генератора. Буровой насос получает вращение через шестерню 5, шестерню-вал 12 и шкив 11 [8].
2.4. Коробки передач
Современные буровые установки выполняют многоскоростными. Число скоростей определяется назначением и типоразмером установки. Установки для медленновращательного и шнекового бурения обычно имеют не более трех скоростей, в то время как в установках для бурения глубоких скважин на твердые полезные ископаемые число скоростей вращателя достигает восьми и более. Увеличение числа скоростей обеспечивает более полную реализацию мощности приводного двигателя, способствует повышению производительности бурения, но одновременно усложняет и удорожает трансмиссию, увеличивает ее массу и размеры.
52
![](/html/65386/197/html_RJmXjmFmA_.qvdU/htmlconvd-bxYuuV53x1.jpg)
В установках геологоразведочного бурения применяют коробки с зубчатыми передачами. На рис. 2.27 приведена четырехскоростная коробка передач в разрезе. В литом корпусе на опорах качения смонтированы три вала: первичный 1, промежуточный 2 и вторичный 3. Шестерня z1 с удлиненными зубьями, выполненная за одно целое с первичным валом, находится в постоянном зацеплении с шестерней z8, заклиненной на промежуточном шлицевом валу. На этом же валу жестко посажены шестерни z7, z6 и z5. На вторичном валу 3, опирающемся на подшипник внутри шестерни z1, на шлицах посажены шестерня z2 с венцом внутреннего зацепления и блок из двух шестерен z3 и z4. Передвижением шестерен z2 и z3–z4 вторичному валу коробки передач можно сообщить четыре скорости:
Рис. 2.27. Четырехскоростная коробка передач
1) при включении в зацепление шестерен z5 и z4
n n |
z1 z5 |
; |
(2.32) |
|
|||
1 |
z8 z4 |
|
|
|
|
|
2) при включении шестерен z6 и z3
n2 |
n |
z1 z6 |
; |
(2.33) |
|
|
|||||
|
|
|
z8 z3 |
|
|
3) при включении шестерен z7 и z2 |
|
|
|||
n |
n |
z1 z7 |
; |
(2.34) |
|
|
|||||
3 |
|
|
z8 z2 |
|
|
|
|
|
|
|
53
![](/html/65386/197/html_RJmXjmFmA_.qvdU/htmlconvd-bxYuuV54x1.jpg)
4) при сцеплении первичного вала напрямую со вторичным и шестернями z1 и z2 как зубчатой муфтой
n4 n , |
(2.35) |
где n – частота вращения первичного вала коробки.
Для увеличения числа скоростей в кинематическую цепь трансмиссии включают дополнительные передачи.
На рис. 2.28, а приведена кинематическая схема трехскоростной коробки передач с двухскоростным редуктором, обеспечивающим получение шести скоростей на валу вращателя и трех скоростей на валу лебедки.
Рис. 2.28. Кинематические схемы коробок передач с редукторами, включенными в кинематическую цепь: а – после коробки передач; б – до коробки передач
От шестерни z1 первичного вала 1 приводится во вращение промежуточный вал 5 с жестко посаженными на нем прямозубыми шестернями z9, z10 и z11. На вторичном валу 4 на шлицах установлен блок шестерен z2 и z3, имеющий внутренний зубчатый венец. Передвижением этого блока вторичному валу можно передать три скорости:
n n |
z1 z9 |
; |
n |
2 |
n |
z1 z10 |
; |
n n . |
(2.36) |
|
|
||||||||
1 |
z11 z3 |
|
|
|
z11 z2 |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
От шестерни z8, жестко закрепленной на вторичном валу, вращение передается шестерне z7 и валу редуктора, постоянно соединенному с валом 2 лебедки зубчатой
парой z4 и z5.
Шестерня z6 может передвигаться по валу 3 вращателя на шлицах; в крайнем
левом положении она сцеплена с шестерней z5 и валы 2 и 3 имеют три скорости: |
(2.37) |
||
n1 n1i ; |
n2 n2i ; |
n3 n3i , |
|
|
|
|
|
где i – передаточное отношение между валами 2 и 4, i z8 z4 . z7 z5
В крайнем правом положении шестерня z6 входит в зацепление с шестерней z7 и вал вращателя получает еще три скорости:
|
|
z8 |
|
|
|
z8 |
|
|
|
z8 |
|
|
n1 z6 |
|
n2 |
z6 |
|
n3 z6 . |
|
||||||
n4 |
; |
n5 |
; |
n6 |
(2.38) |
54
Кинематическая схема четырехскоростной коробки передач с редуктором приведена на рис. 2.28, б. Вращение от двигателя передается первичному валу 1 редуктора. По шлицам вала может передвигаться шестерня z1 с венцом внутреннего зацепления. На промежуточном валу 6 заклинены шестеркой z16 и z17, а на вторичном валу 2 – шестерня z2 с удлиненными зубьями. Вторичный вал редуктора, являющийся одновременно первичным валом коробки передач, имеет две скорости
n n |
z1 z16 |
и n |
2 |
n , |
(2.39) |
|
|||||
1 |
z17 z2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
что вместе с четырьмя сочетаниями зацепления шестерен z3–z6 и z12–z15 промежуточного вала 5 коробки передач обеспечивает восемь скоростей ее вторичного вала 3.
Зубчатая косозубая пара z11 и z8 приводит во вращение промежуточный вал 4 с жестко закрепленными на нем шестернями z7 и z10. Шестерня z7 передает вращение на лебедку и вращатель. Через зубчатую пару z10 и z9 вал вращателя получает реверсивное движение.
Устройство для осуществления реверса обязательно в трансмиссиях буровых станков, имеющих привод от двигателей внутреннего сгорания. В станках с электроприводом обратное вращение достигается реверсированием электродвигателя.
Коробки передач станков геологоразведочного бурения имеют ручное управление.
Всистеме управления предусматривается фиксация подвижных шестерен в рабочих и нейтральных положениях, а также блокировка, исключающая возможность одновременного включения двух передач.
Механизм переключения передач (рис. 2.29) состоит из двух валиков 4 и 7, перемещаемых в осевом направлении в опорах 5 и 10 рычагом 1, соединенным с рукояткой переключения 2. На валиках закреплены вилки 3 и 8, рожки которых входят в канавки на ступицах передвигаемых шестерен. Опора 10 имеет два продольных и соединяющий их поперечный пазы. В продольных пазах перемещаются рычаг 1 и жестко соединенные с валиками шпонки 9. В нейтральном положении валиков их пазы совпадают с поперечным пазом опоры 10 и рычаг может быть переведен из паза одного валика в паз другого. Перемещение каждого из валиков в одно из рабочих положений возможно только при нейтральном положении другого. Блокировка осуществляется шариком 6, размещенным в опоре 5. При движении одного из валиков вытесняемый из его лунки шарик перемещается в лунку второго валика, заклинивая последний в опоре.
Фиксация валиков производится шариками 11, расположенными в двух отверстиях опоры 5 и поджатыми пружинами 12. Конусообразные лунки на концах валиков соответствуют нейтральному и рабочим положениям подвижных шестерен.
Наряду с коробками передач оригинальных конструкций в трансмиссиях геологоразведочного бурового оборудования применяют коробки передач автомобилей.
Вбуровых установках эти коробки эксплуатируются в более тяжелых условиях вследствие ухудшения теплоотвода и возможности длительной работы на низших передачах. Исходя из этого, для обеспечения высокой надежности используют коробки передач автомобилей, двигатели которых в 3–5 раз мощнее двигателей буровых станков. Несмотря на существенное различие в передаваемой мощности, автомобильные коробки передач по компактности не уступают оригинальным, имеют более высокий КПД, меньшие массу и стоимость вследствие более совершенной технологии их изготовления.
Коробки передач установок для бурения скважин на нефть и газ выполняют с зубчатыми или цепными передачами. В цепных коробках передач установок с дизельным приводом для осуществления реверса используют зубчатые колеса.
55
![](/html/65386/197/html_RJmXjmFmA_.qvdU/htmlconvd-bxYuuV56x1.jpg)
Рис. 2.29. Механизм переключения передач буровых станков типа ЗИФ
Рис. 2.30. Кинематическая схема цепной коробки передач
Коробка передач (рис. 2.30) представляет собой сварной корпус, в котором на опорах качения смонтированы ведущий 1 и ведомый 2 валы. На консольных частях ведущего вала установлены сдвоенная шинно-пневматическая муфта 3 и клиноременной шкив 7 привода компрессора. В средней части вала жестко посажены четырехрядные звездочки z1, z2, z3 и шестерня z4.
На ведомом валу на подшипниках установлены звездочки z5, z6, z7, шестерня z8 и жестко закреплена звездочка z9, передающая вращение буровой лебедке. На консольных частях ведомого вала расположены шинно-пневматическая муфта 5 для включения
56
звездочки z7 и сдвоенная шинно-пневматическая муфта включения звездочки z5. Звездочка z6 и шестерня z8 включаются двусторонней кулачковой муфтой 4.
К торцам валов присоединены вертлюжки 6 для подачи сжатого воздуха в шиннопневматические муфты. Три прямые скорости ведомого вала получают включением цепных передач, а обратную скорость – включением зубчатой передачи [8].
3. ОБЪЕМНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД
Гидроприводом называют совокупность устройств для приведения в движение механизмов и машин с помощью гидравлической энергии. Силовой частью гидропривода является гидропередача, состоящая из насоса, гидродвигателя и гидросети. В состав гидропривода входят также распределительные и регулирующие устройства для управления потоком жидкости, резервуары, фильтры и др.
Вкачестве первичных двигателей в гидроприводах применяют ДВС и асинхронные электродвигатели переменного тока. Механическая энергия приводного двигателя с помощью насоса преобразуется в гидравлическую и через распределительные и регулирующие устройства передается гидродвигателю, где энергия потока жидкости вновь преобразуется в механическую.
Рабочая жидкость должна быть нейтральной к материалам гидропривода и безвредной для обслуживающего персонала, должна иметь хорошую смазывающую способность, низкую температуру застывания и небольшое изменение вязкости в процессе работы, не быть склонной к пенообразованию. Обычно в качестве рабочих жидкостей используют индустриальные и веретенные масла или смеси минеральных масел с различными присадками, регулирующими диапазон рабочих температур и другие параметры жидкости.
Вприводах бурового оборудования применяют объемные (гидростатические) гидродвигатели двух типов: силовые гидроцилиндры, обеспечивающие прямолинейное возвратно-поступательное движение ведомого звена, и гидромоторы, в которых энергия потока жидкости преобразуется в механическую энергию вращательного движения вала. В данном подразделе рассматривается гидропривод с использованием гидромоторов.
Гидроприводами оснащают как основные, так и вспомогательные механизмы буровых установок – вращатели, лебедки, труборазвороты, лебедки для съемных керноприемников и др. Объемы применения гидроприводов в буровой технике непрерывно возрастают, расширяется область их использования.
Основными достоинствами гидропривода являются:
–возможность бесступенчатого регулирования частоты вращения выходного вала гидромотора в диапазоне, достигающем значений 100:1 и более;
–сравнительно небольшие масса и размеры гидравлического оборудования;
–удобство компоновки бурового оборудования благодаря установке индивидуальных гидромоторов непосредственно у потребителей энергии, что исключает или существенно упрощает механические трансмиссии;
–легкость реверсирования и защиты приводных двигателей и исполнительных механизмов от перегрузок;
–простота и легкость управления приводом, что улучшает условия труда и облегчает применение дистанционного и автоматического управления.
Кнедостаткам гидропривода относятся более низкий по сравнению с механическими передачами КПД гидропередачи, необходимость предохранения рабочей жидкости от проникновения в нее воздуха, а в некоторых случаях применение специальных средств для ее охлаждения [8].
57
![](/html/65386/197/html_RJmXjmFmA_.qvdU/htmlconvd-bxYuuV58x1.jpg)
3.1.Гидромоторы
Вгидроприводах бурового оборудования применяют гидромоторы различных типов: аксиальные роторно-поршневые, радиальные роторно-поршневые, пластинчатые
ишестеренные. Более широко распространены высокооборотные аксиальные роторнопоршневые гидромоторы, имеющие высокий КПД (0,85–0,93) при сравнительно небольшой удельной массе. Эти гидромоторы изготовляются с наклонной шайбой и наклонным цилиндровым блоком.
Аксиальный роторно-поршневой гидромотор с наклонной шайбой типа Г-15 показан на рис. 3.1. Его вал смонтирован на опорах качения, установленных в корпусе и опорно-распределительном диске 8. Ротор 9 посажен на вал 1 свободно и центрируется на нем узким пояском. В цилиндрах ротора размещены поршни 10. Поводком 5 ротор соединен с барабаном 12, установленным на валу на шпонке. Толкатели 13 расположены против поршней ротора и могут свободно перемещаться относительно барабана.
Рис. 3.1. Аксиальный роторно-поршневой гидромотор с наклонной шайбой
58
В наклонной расточке корпуса гидромотора смонтирован упорно-радиальный подшипник 14, с подвижным кольцом 3 которого контактируют толкатели барабана. При неработающем гидромоторе кольцо 3 и сепаратор подшипника удерживаются от выпадения предохранительной обоймой 2.
Гидромотор имеет торцовое распределение жидкости. В опорнораспределительном диске 8 размещен подшипник 6 и выполнены два полукольцевых паза 21 с каналами 22 для подвода жидкости диска. В полукольцевых пазах оставлены перемычки 16 и 18, заниженные относительно поверхности контакта опорнораспределительного диска с ротором. Пружина 4 прижимает ротор к торцовой поверхности опорно-распределительного диска, сектора 15 которого предназначены для уменьшения контактного давления.
Принцип работы гидромотора следующий: масло через один из каналов 22 и соединенный с ним полукольцевой паз поступает в находящиеся против этого паза цилиндры ротора, воздействуя на поршни и толкатели. Перемещаясь, толкатели упираются в подвижное кольцо 3 подшипника. Благодаря наклонному положению подшипника возникают тангенциальные силы, вращающие толкатели вместе с барабаном, валом и ротором. При вращении вала толкатели, находящиеся против второго полукольцевого паза, перемещаются в сторону опорно-распределительного диска, вследствие чего поршни выталкивают масло в сливную трубку. Каждый из цилиндров ротора поочередно соединяется с нагнетательным и сливным полукольцевыми пазами. В нейтральных положениях полости цилиндров перекрыты перемычками 19, разделяющими полукольцевые пазы.
Для реверсирования вала гидромотора изменяют направление потока масла, подводя его в полукольцевой паз, через который масло отводилось. Для улучшения работы торцового распределения предусмотрена свободная посадка ротора на вал, благодаря чему толкатели передают на ротор только осевые усилия и торцовое распределение разгружено от радиальных и тангенциальных сил, возникающих при передаче на вал гидромотора крутящего момента или из-за неточности изготовления и сборки. Отжим ротора от опорно-распределительного диска маслом, протекающим через торцовое распределение, предотвращается путем отвода масла через кольцевую проточку 20 и пазы 17 в корпус гидромотора. Для отвода масла, протекающего через полость подшипника 6, предусмотрен канал 7. Из корпуса гидромотора масло отводится через отверстие 11.
Детали гидромотора смазываются маслом, находящимся в корпусе, а толкатели – маслом, подводимым через канал вала.
Принцип работы аксиального роторно-поршневого гидромотора с наклонным блоком цилиндров типа ИМ аналогичен описанному, но конструктивное исполнение его иное (рис. 3.2).
Вал 1 гидромотора, смонтированный на подшипниках, соединен с ротором (блоком цилиндров) 4 карданом 3. Поршни 10 соединяются с фланцем вала 1 шатунами 11. С помощью пружин 2 и 5 создаются поджимающие усилия на кардан и ротор. Торцовый распределительный диск 9 зафиксирован относительно крышки 6, имеющей каналы для подвода и отвода рабочей жидкости.
Детали гидромотора смазываются маслом, которое протекает через торцовый распределительный диск в корпус и разбрызгивается в процессе работы. Из корпуса утечки масла отводятся через штуцер 8. Предохранительная клапанная коробка 7 служит для ограничения давления жидкости в гидросистеме при прямом и обратном направлениях потока.
Радиальные роторно-поршневые гидромоторы вследствие специфических особенностей их распределительного устройства рассчитаны на сравнительно небольшой расход рабочей жидкости, поэтому являются тихоходными. Они могут развивать большие крутящие моменты, КПД их незначительно меньше, чем у
59
![](/html/65386/197/html_RJmXjmFmA_.qvdU/htmlconvd-bxYuuV60x1.jpg)
аксиальных роторно-поршневых гидромоторов, но по удельной массе они превосходят гидромоторы других типов. Их целесообразно использовать в приводах механизмов, валы которых передают большие крутящие моменты при сравнительно невысоких частотах вращения, например в буровых лебедках.
Рис. 3.2. Аксиальный роторно-поршневой гидромотор с наклонным блоком цилиндров
Пластинчатые и шестеренные гидромоторы отличаются быстроходностью и компактностью, но при больших значениях давления рабочей жидкости имеют более низкий КПД, чем поршневые, вследствие чего их обычно выполняют низкомоментными.
Конструкции радиальных роторно-поршневых, пластинчатых и шестеренных гидромоторов аналогичны конструкциям соответствующих типов насосов, рассматриваемых ниже [8].
3.2.Насосы
Вгидроприводах применяют насосы с регулируемым или постоянным рабочим объемом. В качестве регулируемых используются преимущественно аксиальные и радиальные роторно-поршневые насосы, а нерегулируемых – шестеренные и лопастные.
Аксиальные роторно-поршневые насосы имеют много общего с рассмотренными ранее гидромоторами. Роторно-поршневые насосы с наклонной шайбой (рис. 3.3, а)
и наклонным цилиндровым блоком (рис. 3.3, б) имеют цилиндровый блок 1 с поршнями 2, торцовый распределитель 3, приводной вал 4, а также устройство для изменения угла наклона у шайбы или блока.
При вращении приводного вала и блока цилиндров поршни 2 под действием шатунов 5, шарнирно соединенных с наклонной шайбой 6 или фланцем 9, совершают возвратно-поступательное движение. Всасывание жидкости происходит при перемещении поршней от неподвижного распределительного устройства 3, а нагнетание – при обратном ходе. Жидкость поступает в цилиндры и отводится от них через полукольцевые пазы 7 и 8 торцового распределителя.
Изменение угла наклона шайбы (или цилиндрового блока) от +γ до –γ позволяет плавно изменять ход поршней S и подачу насоса, осуществлять его реверсирование.
Расчетная подача насоса |
πd 2 |
|
πd 2 |
|
|
|
Qр |
znS |
|
, |
(3.1) |
||
4 |
4 |
znD tgγ |
|
|
||
|
|
|
|
|
где d – диаметр цилиндра; z – число цилиндров; n – частота вращения приводного вала; D' – диаметр окружности, на которой расположены оси цилиндров.
60