Проверочный расчет талевого каната на выносливость.
Проволки наружного слоя каната изнашиваются вследствие трнеия о желоба шкивов, барабана, о витки каната при его движении или деформации растяжения; проволоки внутри прядей изнашиваются в результате смятия и трения прядей одна о другую и проволок между собой при изгибе. Этот износ можно оценивать по уменьшению диаметра каната, который не должен превышать 10%.
Срок службы проволочного каната определяется следующими факторами: качеством изготовления каната;соответствии конструкции и размеров каната заданным нагрузкам и условиям работы на буровой установке; диаметрами шкивов, барабана лебёдки и размерами их желобов; числом слоёв навивки на барабан; направлением перегибов при прохождении через шкивы.
Проведем проверочный расчет выбранного ранее каната 445-Г-I-ЖС-Н-1960 ГОСТ16853-79 на прочность по следующей формуле [5, стр.201].
Где напряжения, возникающие в канате при растяжении Мпа по формуле [5, стр.204]:
где
[3,
стр.224, табл.VIII.2.].
Напряжение, возникающее
в проволоках каната, при его изгибе,
вследствие намотки на барабан лебёдки
,
вычисляется по формуле [5, стр.201]:
Где
;
[3,
стр.224, табл.VIII.2]. Изгибное
напряжение определяется при намотке
каната на барабан, т.к. диаметр барабана
наименьший из тех элементов, которые
огибает канат.
Таким образом, суммарные напряжения, которые возникают в канате составят:
Определяет коэффициент напаса прочности по суммарным напряжениям,зная его временное сопротивление разрыву[3, стр.224, табл.VIII.2] по формуле[5, стр.201]:
Коэффициент запаса
прочности
,
талевых канатов должен быть не менее
2,5 т.е. выбранный тип каната отвечает
требованию.
Расчет кронблока
Кронблок – неподвижный узел талевой системы, предназначенный для поддержания на весу подвижной части и груза на крюке. Кронблок устанавливают на наголовнике вышки, и онпередаёт её нагрузку от веса колонн и собственного веса талевой системы. Кронблоки в современных установках для глубокого бурения имеют в основном однотипную конструкцию. Они обычно состоят из двух групп шкивов, смонтированных соосно на подшипниках качения. Оси неподвижно закреплены в разъемных опорах на раме, сваренной из профильного проката. Более подробно устройство кронблоков на примере УКБА7-500 описано в приложении 2.
Оси кронблока наиболее ответственные детали. Их расчет производят на деформацию изгиба от нагрузок передаваемых шкивами. На схеме (рис.5) изображены оси восьми шкивного двухосного кронблока.
При крестовой оснастке
7х8 талевой системы, схема которой
приведена на рис.6, усилия действующие
на оси кронблока
,
H вычисляются по формуле
[5, стр.188]:
Графики
Расстояния между
действием сил обусловлены размерами
подшипников, на которых установлены
шкивы в частности ширина подшипника
.
97168 ГОСТ 6364-78К.
Рис.5 К расчету осей кронблока на прочность.
В соотвествии со схемой
(рис.5), определяем реакции опор
Рисунок
Рис.6. Схема крестовой оснастки талевой системы.
Берём сумму моментов всех сил относительно опоры А.
Отсюда определяем
,
кH.
Берем сумму моментов всех сил относительную опору B.
Отсюда определяем
,
кH
Берем сумму моментов всех сил относительно опоры С.
Отсюда находим , кH:
Берём сумму моментов всех сил относительно опоры D.
Отсюда находим
,
кH
Проверим полученную реакции опор.
Сумма всех сил относительно
:
Для 1-й оси
.
Для 2-ой оси
Реакции опор определены верно.
Определяем изгибающие моменты, действующие в 1-ой оси.
Изгибающий момент в сечении опоры B:
Изгибающий момент в
сечении действия силы
будет равен:
Изгибающий момент в
сечении действия силы
будет равняться:
Изгибающий момент в
сечении действия силы
будет равняться:
Изгибающий момент в
сечении действия силы
будет
равняться:
Определяем изгибающие моменты, действующие во 2-ой оси.
Изгибающие моменты в сечении опор С иD:
Изгибающие моменты в
сечении действия силы
:
Изгибающий момент в
сечении действия силы
:
Изгибающий момент в
сечении действия силы
:
Изгибающий момент в
сечении действия силы
:
Как видно из эпюр изгибающих моментов (рис.5) наибольший изгибающий момент действует на 1-ую ось в сечении действия силы .
Зная диаметр оси
,
соответсвующий внутреннему диаметру
подшипника 97168 ГОСТ6364-78К, и максимальный
изгибающий момент, определяем напряжение
изгиба по формуле [5, стр.190]
Для изготовления осей
кронблоков и талевых блоков используют
сталь 40ХН с пределом прочности
по ГОСТ4543-71 [6, стр.91].
Предел выносливости на изгиб при пульсирующем цикле нагрузок для стали 40ХН вычисляется по формуле [5, стр. 190]
Находим коэффициент запаса прочности оси кронблока при изгибе по формуле [5, стр.190]:
Что значительно больше
необходимого коэффициента запаса
прочности
Условте
выполнено.
Подшипники всех шкивов кронблока и талевого блока выбирают одинаковыми, но нагружены они по-разному. Наиболее наружен шкив со сбегающей с него ведущей ветвью каната. Поэтому расчет на долговечность подшипников следует выполнять для условий нагружения ведущего шкива. Если долговечность подшипников этого шкива удовлетворяет требованиям, то другие подшипники не рассчитывают.
По мере углубления скважины возрастают нагрузки на крюке и соответствено на шкивах талевой системы. Таким образом, подшипники шкивов работают на переменных режимах нагружения. В расчетах следует использовать только нагрузки и числа оборотов при подъёмах и спусках бурильных колонн за каждый рейс. Нагрузки при подъёме и спуске ненагруженного элеватора из расчетов надо исключить, так как они несравненно меньше. Это тем более целесообразно, поэтому что износ подшипников происходит в основном от действия контактной усталости, а нагрузки ниже предела выносливости не вызывают разрушения.
Для бурения скважины,
принятой за типовую, с проектной глубиной
необходимо выполнить
рейсов на различные глубины. Разбиваем
глубину скважины на
участков, находим средние глубины
скважины при проходке этих участков.
Зная конструкцию типовой бурильной
колонны и её среднюю длину при бурении
участка скважины, находим нагрузки на
крюке и соответствующие нагрузки
ведущего шкива.
Разбиваем глубину
бурения скважины
на участки по 1000 м, тогда средние глубины
при проходке этих участков
,
м очевидно будут равняться:
Буровая колонна состоит
принципиально из утяжелённого низа
и бурильной трубы
,
средняя длина последеней на выбраных
участках бурения составит очевидно
.
Тогда вес колонны средней длины на
каждом участке будет равняться
.
По методике, изложенной в разделе 2.
Определим нагрузки действующие на
элементы СПК от веса бурильной колонны
средней длины и динамических нагрузок
при её рахгоне(торможении):
.
К нагрузке на талевый блок добавляется
вес элеватора
и вес урюка
:
.
По формуле [2, стр.273] определим натяжения
ходового конца каната при спуске(подъёме)
колонны средней длины на каждом участке:
Нагрузка на подшипник будет равняться сумме напряжений в ветвях каната, огибающего шкив [5, стр.188]:
Где
по
формуле [5, стр 187] будет равна
.
Подставив выражение в вышеследующее
получим формулу для расчета нагрузок
на подшипник на участках бурения
скважины:
и подставив в него выражение (1) получим:
Нагрузки для каждого участка составят:
Среднее число свечей
при разбуривании участка
,
вычисляется по формуле [2, стр.268]:
Длина навиваемого каната на барабан лебедки за один подъём крюка будет равна длине каната навиваемого на барабан лебёдки при верхнем положении элеватора за вычетом длины каната не сматываемого с барабана лебёдки вычисленных ранее.
При однократном подъёме
и спуске бурильной колонны со средней
глубины участков
первый от лебедки шкив сделает
оборотов, количество которых вычисляется
по формуле [2, стр.268]:
Число необходимых
рейсов при проходке участка скважины
поределяется нормативной проходкой
ствола скважины за один рейс
(проходка на долото). Т.к. мы не знаем в
каких породах будет проводиться бурение
скважины, тип и марку долота и других
факторов, влияющих на величину
,
будем принимать их равными:
соответственно глубинам бурения со
средней глубиной
.
Такие показатели бурения вполне реальны,
так например проходка на долото в мягких
породах обычно составляет 50-100 м и более,
в твердых – от нескольких сантиметров
до десятков метров, а как известно с
ростом глубины плотность породы
возрастает и ухудшаются условия работы
долота на забое.
Числа рейсов при проходке
на каждом участке скважины вычисляются
по формулам [2, стр.268] при длинах участков
Общее чмсло оборотов подшипников за время бурения на каждом участке вычмсляется по формуле [2, стр.268]:
Так как подшипники кронблока и талевого блока испытывают переменные нагрузки и, соответствующие им, количества оборотов тоже переменны, то эти подшипники рассчитывают по эквивалентной нагрузке.
Под эквивалентной нагрузкой понимают такую условную нагрузку, при нагружении которой подшипник имеет ту же долговечность, что и в реальных условиях эксплуатации. Для определения эквивалентной нагрузки для подшипника ведущего шкива кронблока воспользуемся формулой [2, стр.268]:
где
Тогда
составит:
Определив величину
эквивалентной нагрузки и зная динамическую
грузоподъёмность выбранного ранее
конструктивно подшипника по ГОСТ
6364-78К
,
находим расчетную долговечность по
формуле [2, стр.269]:
Время непрерывной работы подшипника составит [7, стр.118]:
По нормам АНИ, принятым
в США, долговечность работы подшипников
талевой системы должна быть не менее
3000 ч при номинальной частоте вращения
шкива
[3,
стр.256]:
что значительно превышает требуемую долговечность. Условие выполнено.
Число скважин типовой конструкции, которые можно пробурить до смены подшипников шкивов (имеется ввидучистое бурение без аварийных и вспомогательных работ, расширение скважины и спуска обсадных колонн) вычисляется по формуле [3, стр.256]:
Рама кронблока
изготавливается из двутавровых балок.
Конструкция рамы может быть сборно-разборной
и сварной. Наиболее часто встречается
сварная конструкция рамы для обеспечения
хорошей жесткости. Схематически
продольные балки рамы кронблока
изображены на рис. 7а. Эти балки воспринимают
нагрузку от осей кронблока, которая
передаётся на подкронблочные балки
вышки. Согласно приведённой схеме
усилия
действующие на шкивы кронблока;
реакции
в опорах. Из значений полученных ранее
видно, что балка, на которую опирается
опора В наиболее нагружена. Усилие,
которое действукт на балку, равно реакции
опоры В. Согласно схеме, приведенной на
рис.7(б), максимальный изгибающий момент
возникает в середине балки и при её
длине, которая составляет
равен:
РИСУНКИ
Далее ведём расчет по методике, изложенной в [5, стр.190-192].
Определяем момент инерции усиливающей пластины относительно собственной оси:
Где для двутавраN60Б2
по ГОСТ 26020-83
Расстояние от центра тяжести прямоугольника накладки до оси х-х (Рис.7(в)) вычисляется по формуле:
Площадь поперечного сечения прямоугольника накладки вычисляется по формуле:
Момент инерции составного сечения накладки и двутавра относительно оси х-х вычисляется по формуле:
Момент сопротивления составного сечения балки относительно оси х-х, вычисляется по формуле:
Усиливающие накладки приварены посредине балки. Чтобы определить, достаточна ли толщина накладок и какова должна быть их длина , определим напряжение изгиба в сечениях 1-1 и 2-2 рис. 7(в).
Напряжение изгиба в сечении 1-1 вычисляется по формуле:
Для изготовления
расчитываемой балки использовали сталь
G5 с пределом прочности
по ГОСТ 535-88
[6,
стр.83]. Предел выносливости на изгиб для
этой стали составит:
Тогда запас прочности балки на изгиб в этом сечении составит:
Что больше необходимого
Условие выполнено.
Напряжение изгиба в
сечении 2-2, задавшись длиной накладки
,
вычислим по формуле [2, стр.273]:
Для накладки используем ту же сталь, что и для двутавра. Тогда запас прочности балки в сечении 2-2 составит:
Условие выполнено.
Рассчитаем профиль канавок шкивов кронблока по методике изложенной в [8,стр.175]:
Выбираем
м, что исключит заклинивание и вызванный
этим износ каната. Боковые поверхности
канавки должны быть касательными к дуге
в
,
ограничивающей дно канавки.
РИСУНОК
Примерные технические характеристики спроектированного кронблока сведём в табл. 4:
Грузоподъёмность, кН |
5874 |
Максимальное натяжение каната, кН |
482 |
Число канатных блоков |
8 |
Диаметр блока по дну канавки, мм |
1780 |
Диаметр блока по ребордам, мм |
1940 |
Канавки обработаны под канат диаметром, мм |
44,5 |
Расположение блоков |
Соосное |
Диаметр оси блоков, мм |
340 |
№ подшипника опоры блока |
97168 |
Размеры подшипника, мм |
340х520х180 |