2. Устройство буровых лебедок

Рис. 1. Лебедка ЛБУ-37-1100Д-1

Рассмотрим устройство лебедки ЛБУ-37-1100Д-1 с цепными передачами:

ЛБУ - лебедка буровая Уралмашзавода;

37 - максимальное натяжение каната на барабане в тоннах;

1100 - расчетная мощность, развиваемая приводом в киловаттах;

Д - привод дизельный;

1 - модификация лебедки.

Лебедка с дополнительным оборудованием (в дальнейшем "лебедка") предназначена для работы в составе буровой установки БУ5000/320ДГУ-1.

Все узлы лебедки (рис. 1) установлены на раме 1. Лебедка включает коробку передач 7 с механизмом переключения скоростей 5. Справа и слева от коробки передач установлены ванны быстроходной 11 и тихоходной 14 передач. В корпусах подшипников тихоходной ванны размещен промежуточный вал 4, на который установлена ведущая звездочка тихоходной передачи. На раме установлен механизм включения зубчатой муфты 6. Регулятор подачи долота 2 подсоединяется к промежуточному валу посредством зубчатой муфты и механизма включения 3. Подъемный вал 12 установлен на подшипниках, один из которых расположен в тихоходной ванне, а другой на отдельной опорной стойке. С левой стороны вала установлена звездочка "тихой" скорости и сдвоенная шинно-пневматическая муфта МШУ1070. С правой стороны установлены звездочка "быстрой" скорости, звездочка трансмиссии ротора и муфта МШУ 1070. На правой консоли вала установлена обойма зубчатой муфты. Посредством зубчатой муфты и механизма включения 10 обеспечивается соединение тормоза электромагнитного 9 с подъемным валом 12. На раме лебедки, в комплексе с подъемным валом, установлены узлы ленточного тормоза 13. Для обеспечения необходимых блокировок при проведении СПО и регистрации подачи долота установлен командоаппарат с датчиком глубины 15. На раме лебедки произведена разводка воздухопровода 16 для пневматического управления лебедкой и смонтирован насосный агрегат 8 системы смазки.

Все вращающиеся и подвижные элементы лебедки закрыты ограждениями. Для осмотра и доступа к цепным передачам в ваннах в ограждении предусмотрены специальные люки и смотровые "окна".

Регулятор подачи долота, помимо функции подачи долота на забой в процессе бурения, может обеспечить подъем инструмента с забоя скважины в случае выхода из строя главного привода, а также подъем и опускание буровой вышки при монтаже-демонтаже буровой установки.

При включенном РПД кинематика лебедки позволяет осуществить одновременную передачу на вращение ротора от главного привода. Кинематическая схема изображена на рис. 2.

Рис.2. Кинематическая схема лебедки ЛБУ-37-1100Д-1

1 - подъемный вал (барабан); 2 - муфта шинно-пневматическая МШ 1070x200; 3 - привод командоаппарата и датчика подачи; 4 - тормоз электромагнитный ТЭИ800-60; 5 - цепная трансмиссия быстрой скорости;

6 - цепная трансмиссия тихой скорости; 7 - регулятор подачи долота(РПДЭ); 8 - коробка передач;

9 - редуктор (Ц2Н-450-50-32-У2); 10 - тормоз колодочный ТКГ-400У2; 11 - электродвигатель 4ПФ-2Б250

Таблица 2

Краткие технические характеристики буровых лебедок (традиционных)

Наименование параметров	ЛБУ-1200	ЛБУ-1200К	ЛБУ22-720	ЛБУ-37-1100Д-1	ЛБУ-1200Д-I	ЛБУ-1200Д-II
Максимальная грузоподъемность,т	225	200	200	320	200	200
	250				320	320
Расчетная мощность на входе в лебедку, кВт	710	645	670	710	710	710
Оснастка	5х6	5х6	5х6	5х6	5х6	5х6
	6х7				6х7	6х7
Число скоростей вращения подъемного вала	5	6	4	4	5	5
Размеры подъемного барабана, мм диаметр длина	800 1030	650 840	635 840	685 1373	800 1030	800 1030
Тормозная система	Ленточный тормоз с управляющим балансиром
Тормоз вспомогательный	Гидродина-мический	Электромагнитный тормоз			УТГ-1450	УТГ-1450 или ЭМТ-4500
		ТЭП-4500	ТЭИ-710	ТЭИ-800
Размеры тормозного шкива, мм диаметр длина	1450 250	1180 250	1180 250	1270 270	1450 250	1450 250
Привод дополнительный	-	Привод дополнительный**	РПД***	РПД***	-	Привод дополнительный**
Цепи	2Н-50,8	3Н-50,8	3Н-50,8	4Н-50,8	2Н-50,8	3Н-50,8
		2Н-50,8	2Н-50,8	2Н-50,8		2Н-50,8
		ПР-12,7-1820-1	ПР-12,7-1820-1	6Н-50,8
		ГОСТ13568-75	ГОСТ13568-75	ПР-12,7-1820-1
				ГОСТ13568-75
Муфты	2МШУ-1070	МШУ-1070	МШУ-1070	2МШУ-1070	2МШУ-1070	2МШУ-1070
	МШ-700	2МШ-700	2МШУ-500	МШУ-1070	МШ-700	МШ-700
	2МШ-500	2МШ-500	Зубчатые	2МШУ-500	2МШ-500	2МШ-500
	Кулачковые	Зубчатые		Зубчатые
Габаритные размеры, мм длина ширина высота	7250 3548 2865	5750 3181 2598	6854 3766 2695	8333 3227 2255	7407 2776 2575	7430 2903 2420*
Масса, кг	26547	22800	36400	40450 с системой охлаждения тормоза ТЭИ-800-60	23872	24450 (с УТГ-1450)

* Высота без бака гидродинамического тормоза.

** Привод дополнительный предназначен для подъема и опускания вышки, для подъема бурильных труб и аварийных работ.

*** Функции РПД, кроме указанных в дополнительном приводе регулирование подачи долота на забой.

В табл. 2 приведены краткие технические данные традиционных буровых лебедок.

Буровые лебёдки серии "ЭТ" (электрический привод и торможение электродвигателем), по сравнению с традиционными лебёдками с цепными передачами, имеют следующие преимущества.

1. В лебёдках серии "ЭТ" отсутствуют:

- цепные передачи;

- шинно-пневматические муфты;

- вспомогательный тормоз (электромагнитный, электрический индуктивный, гидродинамический);

- ленточный тормоз;

- рукоятка управления тормозом.

2. Лебёдки имеют уменьшенные габаритные размеры, а их масса меньше на 20...30 % по сравнению с лебёдками с цепными передачами.

3. Лебёдки имеют идеальную подъёмную характеристику, регулирование скорости подъёма и спуска осуществляется на 100 %.

4. Привод регулируемый. Электродвигатель (электродвигатели) главного привод может быть как постоянного, так и переменного тока. Электродвигатель лебёдки может использоваться в режимах:

- приводного электродвигателя, при подъёме бурильной колонны;

- тормозной машины, при спуске бурильной колонны;

- регулятора подачи долота, при бурении.

5. В зубчатой трансмиссии применены высококачественные стали, зубья имеют специальное упрочнение с применением новых технологий.

6. Лебедки имеют дисковые тормоза с системой аварийного торможения, роль которых заключается в фиксации груза при статическом положении талевого блока и затормаживании при срабатывании блокировок.

7. Бесконтактные уплотнения валов исключают протекание масла наружу и проникновение пыли и влаги во внутрь трансмиссии.

8. Переключение передач в зубчатой трансмиссии с "быстрой" на "тихую" производится редко вследствие того, что работа с бурильной колонной практически всегда обеспечивается на "быстрой" передаче.

9. Дистанционное управление лебёдкой создает комфортные условия труда, бурильщик может работать сидя в кресле, что способствует повышению производительности труда.

Выпускаемые лебёдки серии "ЭТ" имеют грузоподъёмность на крюке от 160 до 500 т. Все лебёдки имеют одинаковое конструкторское решение и подобные кинематические схемы. Рассмотрим устройство лебёдки грузоподъёмностью 320 т (рис.3), ее кинематическая схема представлена на рис. 4.

Рис. 3 Лебедка ЛБУ-1100ЭТ-3

Рис. 4. Кинематическая схема лебедки ЛБУ-1100ЭТ-3

Узлы лебёдки смонтированы на раме-корпусе 11 (см. рис.3), которая крепится к раме-модулю буровой лебёдки при помощи болтовых соединений. Зубчатая трансмиссия включает валы: ведущий 1, промежуточный 12 и подъёмный 19. Подъёмный вал 19 предназначен для навивки определённого объёма каната при подъёме и свивки каната при спуске. Особенность подъёмного вала лебедок серии ЭТ заключается в том, что ведомый вал зубчатой трансмиссии выполнен совместно с подъёмным валом и составляет с ним единое целое. На обечайке барабана установлены накладки с нарезкой определённого профиля и направления для укладки каната, предназначенные для равномерной навивки каната. В левой части подъёмного вала установлено зубчатое ведомое колесо. В корпусе зубчатой трансмиссии имеются смотровые люки 20. Зубчатая трансмиссия обеспечивает изменение крутящего момента на барабане лебёдки и необходимого тягового усилия на крюке. Переключение передач "тихая" или "быстрая" в зубчатой трансмиссии осуществляется с помощью механизма переключения 3. Левая консоль вала ведущего посредством муфты шинно-пневматической соединена с дополнительным приводом лебёдки. Правая консоль вала ведущего посредством зубчатой муфты 15 соединена с валом электродвигателя 4. В буровых лебедках применяют две тормозные системы - основную и вспомогательную. Основная служит для торможения барабана при выполнении спуска бурильной и обсадной колонн. Вспомогательная - для оперативного торможения, для фиксации (стопорения) барабана в нужном положении, а также для торможения барабана в следующих аварийных ситуациях:

- разгерметизация (отказ) пневмосистемы;

- переподъем талевого блока;

- обесточивание электродвигателей.

Основное торможение осуществляется подъемным электродвигателем, а вспомогательное - пневмомеханическим тормозом. В лебёдке установлены два тормоза пневмомеханических 2. Каждый тормоз состоит из двух рабочих и одного аварийного тормозных зажимов. Рабочий тормозной зажим состоит из опорного кронштейна, двух рычагов, установленных в кронштейне и соединённых с ним осями. В средней части зажима установлены колодки, а в верхней части - пневмоцилиндры. Торможение осуществляется посредством подачи воздуха под давлением в пневмоцилиндры, которые прижимают колодки к тормозному диску.

Устройство аварийных тормозных зажимов аналогично рабочим тормозным зажимам, только вместо обычных пневмоцилиндров устанавливаются пневмоцилиндры с пружиной. Такой тип тормозов относится к нормально-замкнутым тормозным устройствам. При спуско-подъёмных операциях, при бурении и других работах с участием буровой лебёдки аварийные тормозные зажимы должны быть расторможены. При необходимости быстрого затормаживания, а также при срабатывании блокировок из пневмоцилиндров аварийных тормозных зажимов выпускается воздух, пружина разжимается, тормозные колодки накладываются на диск, и происходит затормаживание. Для того, чтобы растормозить диски, необходимо вновь подать воздух в пневмоцилиндры.

Для удержания вала подъёмного в неподвижном состоянии установлено стопорное устройство 9, предназначенное для использования при длительных стоянках, ремонтных работах. На правой консоли вала подъёмного могут устанавливаться различные датчики скорости подъема, длины свечи, глубины скважины. Комплекс датчиков 8 выбирает заказчик, в зависимости от системы управлением буровой установкой (аналоговая или цифровая система). Смазка зубчатой трансмиссии осуществляется от смазочной станции 10. По раме корпуса проложен воздухопровод 17 для пневматического управления лебёдкой.

Все вращающиеся элементы закрыты ограждениями 2, 12, 14 (см. рис.3), которые оборудованы индуктивными датчиками. Датчики контролируют установку ограждений. При отсутствии ограждений датчик даёт сигнал (команду) на обесточивание пускового электродвигателя и затормаживание механического тормоза. Для подъёма лебёдки при монтаже-демонтаже используются чалочные захваты 7. Для установки и выверки соосности электродвигателя при монтаже, наладке предусмотрены регулировочные винты 6.

Технические характеристики лебедок серии «ЭТ» приведены в табл. 3.

Стабилизатор (рис. 5) предназначен для гашения колебаний быстроходной ветви талевого каната при спуско-подъёмных операциях. При навивке ходовой ветви талевого каната обеспечивается правильная его укладка на барабан, что повышает срок службы каната.

Стабилизатор состоит из двух стоек 1, которые крепятся посредством бонок и болтов к кронштейнам 6. Кронштейны при помощи болтов крепятся к раме-корпусу лебёдки. В стойках 1 установлены направляющие 4, по которым перемещаются втулки 5. На втулках устанавливаются две направляющие 2, по которым перемещается каретка 3. В корпусе каретки установлены на осях 7 два ролика 8 на подшипниках 9. Перемещение каретки по направляющим и других движущихся элементов стабилизатора производится на втулках из антифрикционного материала.

Привод лебёдки дополнительный (регулятор подачи долота электрический РПДЭ) предназначен для автоматической подачи долота на забой при бурении скважин.

Привод лебёдки дополнительный обеспечивает режимы работ:

- поддержание заданной нагрузки на долото при бурении (обеспечивается с пульта управления и задаётся бурильщиком);

- поддержание заданной скорости подачи или подъёма инструмента при бурении или проработке скважины, аварийном подъёме инструмента;

- подъём и опускание вышки.

Привод лебёдки дополнительный (рис. 6) состоит из электродвигателя постоянного тока 3, редуктора 5, тормоза колодочного 9 и муфты шинно-пневматической 6. Все механизмы установлены на раме 2 привода дополнительного и закреплены болтовыми соединениями. После выверки соосности и крепления на раме 2 редуктор 5, электродвигатель 3 фиксируются упорами 10. Электродвигатель 3 соединяется с быстроходным валом редуктора втулочно-пальцевой упругой муфтой. Втулка зубчатой муфты, установленная на валу редуктора, выполняет функции тормозного шкива колодочного тормоза. Воздухопровод привода лебёдки дополнительного является продолжением воздухопровода лебёдки. Блок пневмо-аппаратуры 8 является частью воздухопровода. Все вращающиеся детали дополнительного привода закрыты ограждениями.

Привод лебёдки дополнительный крепится посредством болтовых соединений к раме модуля буровой лебёдки и соединяется с быстроходным (ведущим) валом зубчатой трансмиссии буровой лебёдки посредством шинно-пневматической муфты.

Краткая техническая характеристика привода лебедки дополнительного приведена в табл. 4.

Таблица 3

Краткие технические данные буровых лебедок серии «ЭТ»

Наименование параметров	ЛБУ-600ЭТ-З-П	ЛБУ-600ЭТ-З	ЛБУ-670ЭТ-З	ЛБУ-900ЭТ-З	ЛБУ-1100ЭТ-З	ЛБУ-1500ЭТ-З
Максимальная грузоподъемность, т	160	175	200 225	250 270 320	320 400	400 500
Расчетная мощность на входе в лебедку, кВт	600	600	670	900	1100	1500
Диаметр талевого каната, мм	28	28	28	32	35	38
Оснастка	4х5	4х5	5х6 5х6	5х6 5х6 6х7	5х6 6х7	5х6 6х7
Число скоростей вращения подъемного вала	2	2	2	2	2	2
Размеры подъемного барабана, мм диаметр длина	500 1190	500 1190	500 1190	600 1243	685 1373	760 1466
Тормозная система	Приводным электродвигателем
	Тормоз дисково-колодочный пневматический
Диаметр тормозного диска, мм	730 и 1150	730	730	730	730	730
Привод дополнительный	Привод от электродвигателя переменного тока. Подъем и опускание вышки, аварийный подъем труб		Привод от электродвигателя постоянного тока, с функциями РПД. Подъем и опускание вышки, аварийный подъем труб
Габаритные размеры, мм длина ширина высота	3320 2935 2155	4160 2930 2155	4348 2830 2155	4365 3000 2185	4397 3216 2265	7816 3558 2422
Масса, кг	19200	20170	21000	23000	26310	40620

Рис. 5. Стабилизатор

Рис. 6. Привод лебедки дополнительный:

а - основной вид; б - вид в плане

Привод лебёдки дополнительный может комплектоваться приводным электродвигателем переменного тока. В этом случае будут обеспечиваться следующие режимы работы:

- подъём и опускание вышки во время монтажа и демонтажа буровой установки;

- аварийный подъём инструмента.

Кроме механических узлов в привод лебёдки дополнительный входит электрооборудование, которое должно быть перед началом эксплуатации установлено, отрегулировано и подготовлено к работе.

Таблица 4

Краткая техническая характеристика привода лебедки дополнительного

Наименование параметров	Данные
Подводимая мощность, кВт (л.с.)	90 (122,5)
Род тока	постоянный
Диапазон скоростей спуска-подъёма, м/с	0...200
Габаритные размеры, мм длина ширина высота	2186 1716 1860
Масса, кг	3150

3. Выбор лебедки.

К основным параметрам буровых лебедок относятся мощность на входе в лебедку, максимальное натяжение ходовой ветви талевого каната, диаметр талевого каната, диапазон регулирования скоростей подъема и спуска. От выбора указанных параметров зависят оснастка талевой системы, максимальная нагрузка на крюке буровой установки, время подъема и спуска, габариты и масса лебедки.

Мощность лебедки определяется мощностью ее привода, которая должна быть достаточной для выполнения спуско-подъемных операций и аварийных работ при бурении и креплении скважин заданной конструкции.

В результате накопленного опыта установлено, что оптимальная мощность на входе в лебедку определяется из условий подъема наиболее тяжелой бурильной колонны для заданной глубины бурения с расчетной скоростью 0,4—0,5 м/с:

где N_Л - мощность на входе в лебедку, кВт;

G_БК - вес бурильной колонны, кН;

G_Т - вес подвижных частей талевого механизма, кН;

_Р - расчетная скорость подъема крюка, м/с;

_тс - к.п.д. талевого механизма;

_тр - к.п.д. трансмиссии лебедки (от входного вала двигателя до барабана лебедки).

В соответствии с представленными выше параметрами конструктивно-параметрический ряд буровых лебедок формируется по диаметру применяемого каната. При этом тяговое усилие определяется из условия применения наиболее прочного каната с коэффициентом запаса прочности по разрывному усилию [n_Р]=2.

Максимальная скорость подъема ограничивается безопасностью управления процессом подъема и предельной скоростью ходовой струны, при которой обеспечивается нормальная укладка 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 1,7 м/с. Нормальная укладка каната на барабан лебедки, как показывает опыт, обеспечивается при скорости ходовой струны каната не более 20 м/с.

Максимальная скорость подъема крюка, ограничиваемая предельной скоростью ходовой струны каната, определяется по формуле:

При выполнении СПО максимальная скорость подъема может ограничиваться также условиями возникновения опасных ситуаций и регламентируется рекомендациями ГТН.

Минимальная скорость подъема. 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:

Для обеспечения безопасности при выполнении спуско-подъемных операций в системе управления лебедкой предусматривается предохранительное устройство, ограничивающее нагрузку на крюке.

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

В настоящее время в приводе буровых лебедок достаточно часто используются дизели и электродвигатели переменного тока, обладающие жесткой 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 к - число ступеней передач буровой лебедки.

Степень использования мощности двигателей возрастает при увеличении числа ступеней передач до 6. Дальнейшее увеличение числа ступеней передач практически не влияет на степень использования мощности двигателей и вместе с этим вызывает значительные усложнения конструкции лебедки.

4. Расчет лебедок.