1. Информационный обзор

1.1. Назначение, общее устройство и основные требования к лебёдкам

Буровая лебёдка — основной агрегат спуско-подъемного комплекса буровой установки. Она предназначена в основном для создания тягового или тормозного усилия в ведущей ветви талевого каната. Лебёдка необходима для подъёма и спуска бурильной колонны, ненагруженного элеватора, спуска обсадных колонн, удержания на весу неподвижной колонны или медленного её опускания при подаче долота на забой в процессе бурения или расширения скважины. Катушечный вал и пневмораскрепитель лебёдки часто используют для свинчивания и развинчивания резьбовых соединений бурильных и обсадных труб. Лебёдка применяется для подтаскивания и подъёма труб, грунтоносок и других грузов, а также при монтаже буровых вышек и оборудования на них.

Лебёдки монтируют на уровне пола буровой или под полом. Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. При установке над полом буровой имеется свободный доступ ко всем узлам лебёдки для их обслуживания и ремонта. Свободный доступ к катушечному валу исключает необходимость монтажа вспомогательной лебёдки. Упрощается конструкция привода ротора от лебёдки. При установке под полом буровой значительно уменьшаются высота и масса блочного основания, существенно снижается трудоёмкость её монтажа и демонтажа, что имеет немаловажное значение для сокращения сроков строительства буровых.

Буровая лебёдка состоит из жёсткой сварной металлической рамы, на которой смонтированы на подшипниках качения подъёмный вал с барабаном для навивки талевого каната, катушечный и трансмиссионный валы. Все валы кинематически связаны между собой цепными передачами, которые передают им крутящие моменты от коробки скоростей и используются для регулирования частоты вращения валов. Лебёдки кинематически связаны с коробками скоростей и двигателями привода цепной или карданной передачей.

Бурильная колонна из скважины поднимается при больших затратах мощности, а спускается под действием собственного веса. Поэтому лебёдки должны иметь достаточно мощный привод и надежную тормозную систему для поглощения энергии спуска колонн. В процессе подъёма бурильной колонны её вес (нагрузка на крюке) постепенно уменьшается и соответственно снижается затрата мощности привода. Для увеличения степени загрузки двигателей привода рационально повышать скорость подъема колонны. Таким образом, с целью обеспечения высокого коэффициента использования мощности привода лебёдки должны быть многоскоростными.

Для подъема ненагруженного элеватора лебёдки должны иметь независимую повышенную скорость. Переключение с любой из скоростей на повышенную скорость «холостого» подъёма должно происходить быстро, легко и плавно, что достигается установкой двойной цепной передачи для привода подъемного вала. Поочередное включение одной из этих передач производится с помощью оперативных фрикционных муфт, которыми управляют с пульта бурильщика. В процессе подъёма колонн переменной массы скорости в коробке передач переключаются периодически. Большинство лебёдок не имеет оперативного управления скоростями.

Талевый канат на барабан лебёдки навивается и свивается с различными скоростями. Скорость движения ведущей ветви талевого каната зависит от скорости движения крюка и числа струн в оснастке талевой системы. Скорость крюка при подъёме колонны наибольшего веса обычно составляет 0,3-0,5 м/с, а скорость подъёма ненагруженного элеватора — 1,7-2 м/с. Более высокие скорости подъёма резко ухудшают условия намотки и укладки каната на барабане лебёдки и не дают существенного выигрыша во времени. Наибольшая скорость спуска бурильной колонны не превышает 3 м/с, а наименьшая — при спуске обсадных колонн может снижаться до 0,2 м/с.

Исходя из назначения, функций и условий эксплуатации, к буровым лебёдкам предъявляют следующие основные требования:

1. Кинематическая схема лебёдки и выбранные соотношения скоростей должны обеспечивать наиболее рациональное использование установленной мощности привода. При этом коэффициент полезного действия агрегата в целом должен иметь высокое значение.

2. Для подъёма ненагруженного элеватора в каждой лебёдке необходимо предусмотреть независимую повышенную скорость на подъёмном валу.

3. Тормозная система должна быть надежной в эксплуатации. Каждую лебёдку следует оснащать двойной тормозной системой.

4. Необходимо, чтобы скорости лебёдки включались при помощи муфт фрикционного типа оперативно, легко и плавно.

5. Кинематическая схема лебёдки должна предусматривать возможность передачи движения на механизм подачи долота и ротор.

6. Конструкция лебёдки должна обеспечивать бесперебойную её работу до капитального ремонта или списания. Затраты времени на монтаж и демонтаж лебёдки должны быть минимальными. Все передачи лебёдки необходимо закрывать прочными ограждениями.

7. Конструкция лебёдки должна позволять проведение мелкого текущего ремонта её в условиях буровой.

Все лебёдки оснащены основным и вспомогательным тормозом. В качестве основной тормозной системы применяются механически спаренные ленточные тормоза, которые предназначены для замедления движения и полной остановки крюка в любом месте по высоте вышки. Если в конструкции лебёдки отсутствуют специальные устройства для регулирования скорости подачи долота на забой в процессе бурения скважины, эту функцию вручную выполняет бурильщик с помощью ленточных тормозов. В связи с тем, что при небольших скоростях движения величина коэффициента трения нестабильна, обеспечивать

равномерную подачу долота на забой ленточными тормозами невозможно. Поэтому все современные конструкции лебёдок оснащаются автоматами (АПД) или регуляторами (РПД) подачи долота, которые соединяются цепными передачами с подъёмным валом и в период бурения включаются в работу жёсткими сцепными муфтами типа кулачковых.

Тормозные шкивы основной тормозной системы соединены непосредственно с барабаном подъёмного вала. Установка основного тормоза на других валах недопустима, так как при этом появляются промежуточные звенья, снижающие надёжность основной тормозной системы. Ленточный тормоз должен быть двойным. В случае обрыва одной из лент возможна аварийная остановка крюка второй лентой.

При спуске тяжёлых колонн с большой скоростью мощность торможения достигает 3-5 тыс.кВт. Для поглощения и рассеивания большей части энергии спуска колонн служат вспомогательные тормоза. Если основные тормоза называют тормозами остановки, то вспомогательные – тормозами замедления. Во всех лебёдках с механическим регулированием скоростей вспомогательный тормоз выполняется в виде отдельного агрегата, соосно устанавливаемого с подъёмным валом. Валы соединяются кулачковыми муфтами. Гидравлический или электромагнитный вспомогательный тормоз (зависит от комплектации завода изготовителя) включается только во время спуска колонны. Для автоматического выключения его во время подъёма ненагруженного элеватора служат обгонные муфты. В лебёдках с приводом от двигателей постоянного тока (У2-300; ЛБУ-3000) функцию вспомогательного тормоза выполняют сами двигатели, которые при спуске колонн переходят на режим работы генераторов.

В конструкциях большинства лебёдок, устанавливаемых над полом буровой, предусмотрен катушечный вал, на котором смонтирована фрикционная катушка. С её помощью свинчивают и развинчивают трубы, а также поднимают и подтаскивают грузы массой до 3 т. Замковые резьбы раскрепляют с помощью пневмораскрепителей, устанавливаемых с правой или задней стороны лебёдки.

Для удобства работы катушечный вал располагаю на высоте 1,8 м от основания лебёдки. Он приводится во вращение цепной передачей и имеет одну или столько же скоростей, как и подъёмный вал. В лебёдках, устанавливаемых под полом буровой, катушечный вал отсутствует. Его функции выполняет небольшая отдельная вспомогательная лебёдка, устанавливаемая над полом буровой.

Современные буровые лебёдки выпускают трёх видов. Например, лебёдка У2-5-5: У – изготовлена на Уралмашзаводе, 2 – номер агрегата в буровой установке, 5 – число скоростей лебедки, вторая цифра 5 – номер модели. Лебёдка У2-300: первые буква и цифра имеют тоже значение, что и предыдущем примере, 300 – номинальная грузоподъёмность буровой установки, для которой предназначена данная лебёдка. Лебёдки ЛБУ-1100М1, ЛБУ-1100М2, ЛБУ-1700Д, ЛБУ-1700Э: ЛБ – лебедка буровая, У – изготовлена на Уралмашзаводе, 1100 и 1700 – мощность, подводимая к подъёмному валу, М1 – не применяется водяное охлаждение тормозов, М2 – предусмотрено водяное охлаждение тормозов, Д – для работы с дизельным приводом, Э – для работы с электроприводом.

Буровые лебёдки классифицируются по величине тягового усилия на ведущем конце талевого каната, мощности на подъёмном валу, числу скоростей, числу валов и барабанов, и другим техническим параметрам, а также по кинематическим и конструктивным признакам. Техническая характеристика лебёдок приведена в табл.1.1. [3,с.74,табл.III.4]

В конструкции каждой буровой лебёдки имеется подъёмный вал с барабаном и ленточной тормозной системой. Привод подъёмного вала осуществляется двойной цепной передачей или карданной передачей. Конструктивно лебёдки отличаются по числу валов и кинематическим соотношением передач между ними, типом и конструкцией передачи вращения ротора и другими конструктивными особенностями.

Таблица 1.1.

Характеристика серийных буровых лебёдок

Параметры	ЛБ-750	У2-2-11	У2-5-5	ЛБУ-1100М1		ЛБУ-1700Д
				ЛБУ-1100М2		ЛБУ-1700Э
Мощность на барабане, кВт	550	662	820	740		1250
Натяжение подвижного конца
талевого каната, кН	200	210	273	260		340
Диаметр талевого каната, мм	28	28	32	32		35
Число скоростей, передаваемых
на подъёмный вал	4	6	5	6		8
Число скоростей, передаваемых
на ротор:
прямых	-	3	4	3		3
обратных	-	1	1	1		1
Размеры барабана, м:
диаметр	0,7	0,65	0,8	0,75		0,835
длина	1,2	0,84	1,0	1,35		1,445
Диаметр тормозных шкивов, м	1,18	1,18	1,45	1,45		1,45
Ширина рабочей поверхности
шкивов, м	0,25	0,23	0,23	0,23		0,23
Вспомогательный тормоз	Электро-	Гидродинамический			Электро-		Гидротормоз
	магнитный	двухроторный			магнитный		однорядный
	ТЭП-450	диаметром	диаметром	ЭТМ-1450
		1000 мм	1450 мм
Габариты, м:
длина	4,62	5,97	7,33	7,78		8,32
ширина	2,04	3,21	3,5	5,92		4,29
высота	1,98	3,27	2,76	3,43		2,7
Масса, кг	12795	21500	27100	40200		51300

Примечание. Основной тормоз двухленточный.