2.2.4 Проверочный расчёт талевого каната на выносливость

Проволоки наружного слоя каната изнашиваются вследствие трения 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; соответствием 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, с.201].

Где напряжения, возникающие в канате при растяжении Мпа по формуле [5, с.204]:

где [3, с.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, с.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 запаса прочности по суммарным напряжениям, зная его временное сопротивление разрыву [3, с.224, табл.VIII.2] по формуле [5, с.201]:

Коэффициент запаса прочности , талевых канатов должен быть не менее 2,5 т.е. выбранный тип каната отвечает требованию.

2.2.5 Расчёт талевого блока

Талевый блок вместе с подвешенным к нему буровым крюком и элеватором относится к подвижной части талевой системы. В нашем случае талевый блок будет 2-х осным (на подобии блока У4-300, описание которого в Приложении 3) и состоит из двух секций блоков: четырехблочной и трёхблочной. Такая конструкция наиболее распространена в комплексах буровых установок для глубокого бурения, кроме того она удобна в изготовлении и эксплуатации. Масса талевого блока должна быть достаточной, чтобы обеспечить высокую скорость спуска ненагруженного крюка. При подъёме ненагруженного крюка масса талевого блока должна обеспечить достаточное натяжение ведущей ветви каната для его плотной укладки на барабане лебедки. При “рыхлой” укладке во время спуска бурильной колонны канат врезается в лежащие ниже слои и сильно изнашивается.

Шкивы талевых систем и кронблоков одинаковой грузоподъёмности изготавливают совершено одинаковых размеров литьём из среднеуглеродистых легированных хромом и марганцем сталей. Ступицы и желоба подвергаются механической обработке кроме того, желоба подвергаются закалке такими высокой частоты с последующей шлифовкой для уменьшения износа. Целесообразно после механической обработки подвергать желоба шкивов дробеструйному наклёпу с последующим нанесением цинкового или алюминиевого покрытия. Перспективна также футеровка желоба пластмассами с низким коэффициентом трения по стали. Эти мероприятия могут значительно повысить долговечность канатов без снижения износостойкости шкивов.

При определении поперечных размеров талевого блока необходимо предусматривать возможность свободного прохода его внутри вышки при установленном полном комплекте бурильных свечей на подсвечнике. Талевый блок должен иметь обтекаемую форму, чтобы при его движении предотвратить возможность задевания в выступающие части оборудования, смонтированного на вышке.

В конструкции талевого блока должны быть предусмотрены ограждения, предохраняющие канат от соскакивания со шкивов. Нижняя серьга должна быть разъёмной для обеспечения быстрой подвески и снятия вертлюга. С целью обеспечения надёжной смазки подшипников в оси предусматривают для каждого шкива индивидуальный смазочный канал с пресс-маслёнкой.

Щелки талевого блока рассчитываются на прочность при растяжении по формуле Ляме. Методика расчета изложена в [5, стр. 197-200].

Усилие, которое будет действовать на щелку будет равняться половине нагрузке на талевый блок ( ) т.к. крюк подвешивается к нему на двух штропах в соответствующие им две щелки

Изначально задавшись геометрическими размерами щеки (рис. 9):

; ;

; ;

,

Рисунок 6 - к расчету щек талевого блока на прочность

Расчитаем площадь поперечного сечения I – I, которое является наиболее опасным

=(2

Расчет прочности на растяжение ведем по известной формуле

.

Материал изготовления корпуса талевого блока и соответственно щеки назначим Ст. 5 с по ГОСТ 535-88. Предел усталости при пульсирующем цикле нагрузок, рассчитанный ранее, . Таким образом коэффициент запаса прочности на растяжение составит

,

Что является более чем достаточным.

Напряжение смятия в этом сечении составит

.

Определяем коэффициент запаса прочности на смятие, зная предел прочности стали Ст. 5 на смятие

,

чего вполне достаточно.

Расчет прочности на максимальное растягивающее напряжение ведут для стенок щеки, так как они наиболее всего подвергаются этим напряжениям.

Считаем, что обе стенки щеки несут нагрузку . Тогда интенсивность удельного давления на внутренней поверхности диаметра под палец для одной стенки составит

Максимальное растягивающее напряжение , МПа определяем по формуле Ляме

.

Коэффициент запаса прочности при максимальных растягивающих напряжениях, вычесляется по формуле

,

чего вполне достаточно.

Палец штропа, соединяющего штрот крюка с талевым блоком, работает на деформацию изгиба и среза. Более опасной является деформация изгиба. Методика расчета изложена в [5, стр. 219]. Сила, действующая от штропа, как показано на рис. 10., является распределенной. Удельная нагрузка на палец составит

.

Расстояние между стенками несколько большее чем ширина проушины штропа, необходимое для свободного хода (поворота) штропа .

Рисунок 7- К расчету пальца талевого блока на прочность

Возьмем сумму моментов всех сил относительно опоры , заменив распределенную нагрузку сосредоточенной

,

-

Откуда выразим реакцию опоры R_бш

.

Реакция R_аш, т.к. нагрузка приложена по середине пальца R_аш=1427 кН.

Изгибающий момент, действующий в сечении I – Iбудет равен изгибающему моменту в сечении III – III(Рис. 10) и составит

.

Изгибающий момент в сечении II–IIсоставит

=66,9 кН .

Максимальный изгибающийся момент от приложенной поперечной нагрузки действует по середине пальца. Там же найдем напряжение изгиба

.

Материал изготовления пальца сталь 40ХН с пределом прочности по ГОСТ 4543-71 [6, стр. 91]. Предел прочности при изгибе для этой стали составит .

Тогда запас прочности пальца соединяющего штроп крюка с талевым блоком составит

,

чего более чем достаточно. Условие выполнено.

Примерные технические характеристики спроектированного талевого блока сведем в табл. 5:

Грузоподъемность, кН	5708
Число канатных блоков	7
Диаметр по дну желоба шкива, мм	1780
Диаметр по ребордам шкива, мм	1940
Профиль канавок обработан под канат диаметром, мм	44,5
Расположение блоков	Соосное
Количество осей для установки блоков	2
Диаметр оси блоков	340
№ подшипника опоры блоков	97168
Размеры подшипника, мм	340х520х180