2.2. Расчеты

2.2.1. Выбор основных параметров буровой лебедки

Исходные данные:

назначение: СПО при эксплуатационном бурении;

тип: одновальная буровая лебедка;

мощность на барабане: 550 кВт;

размеры барабана:

диаметр – 0,7 м,

длина – 1,2 м;

основной тормоз: двухленточный;

вспомогательный тормоз: электромагнитный.

В данном курсовом проекте в качестве прототипа проектируемой лебедки будем рассматривать уже существующую и распространенную серийную буровую лебедку ЛБ-750, технические параметры которой приведены в таблице 1.1. Также для наглядности, при проектировании нашей лебедки будем использовать кинематическую схему приведенную на рисунке 1.4.

К основным параметрам буровых лебедок относятся мощность, скорости подъема, тяговое усилие, длина и диаметр барабана лебедки. От правильного выбора указанных параметров зависят производительность, экономичность, габариты и масса лебедки, которые существенно влияют на эффективность бурения, транс­портабельность и монтажеспособность всей буровой установки.

Мощность лебедки определяется полезной мощностью на ее барабане, которая должна быть достаточной для выполнения спуско-подъемных операций и аварийных работ при бурении и креплении скважин заданной конструкции. При недостаточной мощности возрастает продолжительность спуско-подъемных операций, чрезмерная мощность недоиспользуется вследствие ограниченных скоростей подъема и приводит к неоправданным

материальным и эксплуатационным расходам. В результате накопленного опыта установлено, что оптимальная мощность буровой лебедки определяется из условий подъема наиболее тяжелой бурильной колонны для заданной глубины бурения с расчетной скоростью 0,4—0,5 м/с.

В практических расчетах удобно пользоваться удельной мощностью буровой лебедки, приходящейся на 1 кН поднимаемого груза либо на 1 м глубины бурения.

• Мощность нашей лебедки составляет 550 кВт (750 л.с.).

Продолжительность СПО в бурении и топливно-энергетические затраты, связанные с их выполнением, зависят от скоростей и числа ступеней передач лебедки. Максимальная и минимальная скорости выбираются с учетом требований, обусловленных технологией бурения, работой каната и безопасностью подъема.

Максимальная скорость подъема ограничивается безопасностью управления процессом подъема и предельной скоростью ходовой струны, при которой обеспечивается нормальная навивка каната на барабан лебедки. Для предотвращения затаскивания талевого блока на кронблок из-за ограниченного тормозного пути скорость подъема крюка, согласно требованиям безопасности, не должна превышать 2 м/с. Нормальная навивка каната на барабан лебедки, как показывает опыт, обеспечивается при скорости ходовой струны каната не более 20 м/с. При дальнейшем увеличении скорости для нормальной навивки каната необходимо увеличить диаметр барабана, что нежелательно, так как пропорционально возрастают крутящие и изгибающие моменты в деталях и узлах лебедки.

Согласно рассмотренным требованиям, максимальную скорость подъема выбирают из следующих условий:

для талевых механизмов с кратностью оснастки ;

для талевых механизмов с кратностью оснастки .

Минимальная скорость подъема — резервная и используется для технологических целей: при расхаживании колонн бурильных и обсадных труб; при ликвидации осложнений и аварий, связанных с затяжкой и прихватом бурильных труб; при подъеме колонны труб через закрытые превенторы; при подъеме колонны труб в случае отказа одного из двигателей привода лебедки. Величина минимальной скорости подъема принимается в установленных практикой бурения пределах:

= 0,1÷0,2 м/с.

Следует отметить, что скорость подъема, определяемая исходя из мощности привода и допускаемой нагрузки на крюке, обычно больше необходимой технологической скорости. Поэтому технологические скорости подъема используются при ограниченных тяговых усилиях. Для этого в системе управления лебедкой предусматривается предохранительное устройство, ограничивающее нагрузку на талевый механизм и вышку.

Отношение предельных скоростей определяет диапазон регулирования скоростей подъема лебедки:

.

Число ступеней передач (скоростей) зависит от типа привода буровой лебедки. При использовании электродвигателей постоянного тока имеем бесступенчатое изменение скоростей подъема в заданном диапазоне регулирования.

В настоящее время в приводе буровых лебедок преимущественно используются дизели и электродвигатели переменного тока, обладающие жесткой естественной характеристикой. В этих случаях число ступеней механических передач буровой лебедки назначается из условия достаточно полного использования мощности двигателей. Степень использования мощности характеризуется отношением мощности, необходимой для подъема груза, к установленной мощности двигателей.

В связи со ступенчатым изменением веса поднимаемой колонны труб степень использования мощности зависит от числа ступеней передач лебедки и с достаточной точностью определяется выражением:

,

где k — число ступеней передач буровой лебедки.

Из анализа приведенной зависимости следует, что степень использования мощности двигателей заметно возрастает при увеличении числа ступеней передач до 6. Дальнейшее увеличение числа ступеней передач существенно не влияет на степень использования мощности двигателей и вместе с этим вызывает значительные усложнения конструкции и управления передачами лебедки. Поэтому целесообразно ограничивать число ступеней передач для лебедок, используемых в бурении скважин глубиной до 3000 м, k =4, а более 3000 м – k =6.

• Принимаем число ступеней передач (скоростей) равным 6.

Спуск осуществляется под действием собственного веса подвижной части талевого механизма и спускаемого груза. Скорость спуска ограничивается вспомогательным тормозом. Вместе с тем лебедки снабжаются обратным ходом, число ступеней которого зависит от используемых двигателей. Лебедки, приводимые от электрических двигателей, получают обратный ход за счет реверсирования двигателей и поэтому имеют одинаковое число прямых и обратных передач. Тепловые двигатели не реверсируются, поэтому для обратного хода лебедки используется специальная зубчатая пара, установленная в цепной коробке перемены передач либо в редукторе силовой трансмиссии. В зависимости от этого в лебедках, приводимых тепловыми двигателями, число передач обратного хода может быть меньше либо равно числу передач прямого хода.

Диаметр барабана лебедки выбирают в зависимости от диаметра талевого каната. С уменьшением диаметра барабана пропорционально снижа­ются действующие на подъемный вал лебедки крутящие и изгибающие моменты, пропорционально квадрату диаметра уменьшается

момент инерции барабана и в результате снижаются динамические нагрузки при резком торможении. Однако при чрезмерном уменьшении диаметра барабана ухудшается навивка каната. На усталостные повреждения каната диаметр барабана существенно не влияет, так как число перегибов каната на барабане в 10—15 раз меньше, чем на шкивах кронблока и талевого блока.

В кинематических и силовых расчетах подъемного механизма необходимо учитывать приращение диаметра навивки барабана в результате многослойной навивки каната на него. Число слоев навивки зависит от длины поднимаемой свечи, кратности оснастки талевого механизма, диаметра каната, длины и диаметра барабана лебедки.

• Диаметр барабана нашей лебедки равен 0,7 м.

Длина барабана выбирается с таким расчетом, чтобы при заданном его диаметре обеспечить навивку каната в три-четыре слоя. При этом следует учитывать конструктивно приемлемую длину подъемного вала, а также требования, обеспечивающие нормальные условия перехода каната на последующий слой у дисков барабана. В случае недостаточной длины барабана затрудняется переход каната на последующий слой вследствие трения между ходовой струной каната и дисками барабана. На длинном барабане навивка нарушается из-за чрезмерного отклонения ходовой струны каната от плоскости вращения направляющего шкива кронблока.

Согласно опытным данным, минимально допускаемый угол отклонения ходовой струны каната . Максимальное отклонение зависит от натяжения каната и частоты вращения барабана. Лебедки испытывают различные сочетания натяжения каната и частоты вращения барабана. На «быстрой» скорости подъема частота вращения барабана достигает 300 — 400 об/мин, а натяжение каната незначительное, поэтому запас его прочности значительно больше 4. На «тихих» скоростях натяжение каната возрастает, а частота вращения снижается до 50 об/мин. Для нормальной навивки каната барабана при указанных сочетаниях запаса прочности каната и частоты

вращения барабана лебедки максимальный угол отклонения ходовой струны, согласно приведенным данным, не должен превышать 1° 15'. Таким образом, допускаемые углы отклонения ходовой струны талевого каната от плоскости вращения направляющего шкива должны быть в пределах: 0°45' 1° 15'.

Окончательная длина барабана определяется с учетом числа слоев навивки каната и конструктивно приемлемой длины подъ­емного вала буровой лебедки.

• Длина барабана нашей лебедки составляет 1,2 м.