11.4 Кінематика підйомного механізму

Задача кінематики — визначення швидкості і прискорень підйомного механізму. При цьому заданими є висота підйому, кінематична схема і розміри ланок підйомного механізму, частота обертання і характеристика двигуна який використовують.

При спуско-підіймальних операціях висота підйому перевищує довжину бурильної свічки , т.т. 1,02 . Це обумовлено можливістю установки бурильної колони на клинах або елеватор. При спуску бурильна колона при піднімається для звільнення клинів або елеватора, тому переміщення при спусках і підйомах бурильних свічок приблизно одинакові.

Зміна швидкості за час підйому і спуску одної свічки зображаються тахограмою. Для підйомних механізмів характерна триперіодна тахограма підйому, яка має трапецеїдальну форму (рис. 11.9). В перший період проходить розгін барабана лебідки, чому відповідає прискорений рух гака із швидкістю, що повертає від нуля до початкової встановленої . Характер зміни швидкості гака в період розгону залежить від приводу лебідки і навиків управляючого нею бурильника. Режим розгону бурової лебідки значно не впливає на тривалість підйому. Але для зниження динамічних навантажень прискорення при розгоні повинно бути мінімальним. При лінійному наростанні швидкості, як показано на рис. 11.9, маємо

де — прискорення гака при розгоні, м/с;

— початкова встановлена швидкість гака, м/с;

— тривалість розгону, с;

— шлях гака в період розгону, м;

— кут нахилу кривої швидкості.

Рисунок 11.9 — Тахограма підйому

Другий період відповідає руху гака, що встановився, при якому двигун і барабан лебідки обертається з постійною частотою. Швидкість підйому в період руху, що встановився

(11.6)

де — діаметр навивки каната на барабан лебідки, м;

— передавальне число трансмісії лебідки;

— кратність оснащення підйомного механізму.

В наслідок зміни діаметра навивки при переході каната на кожний наступний шар на тахограмі швидкість підйому в період руху, що встановився зображається ступінчатою прямою лінією. В кінематичних розрахунках користуються середньою швидкістю підйому, що встановилась

,

де — кінцева швидкість підйому гака, що встановилась, яка визначається по діаметру останнього (кінцевого) шару навивки каната.

Середня швидкість підйому, що встановилась розраховується також по середньому діаметру навивки каната на барабан лебідки

(11.7)

Виходячи із середньої швидкості, що встановилась, для другого періоду підйому маємо

де — прискорення гака, м/с²;

— тривалість руху, що встановився, с;

— шлях гака за період руху, що встановився, м.

В третій період здійснюється гальмування бурової лебідки, при якому кінцева швидкість підйому, що встановилась зменшується до нуля. При лінійній зміні швидкості гальмування маємо

де — сповільнення гака при гальмуванні, м/с²;

— швидкість гака на початку гальмування, м/с;

— тривалість гальмування, с;

— шлях гака в період гальмування, м.

Тривалість підйому

висота підйому у визначеному масштабі виражається площею тахограми:

Для розрахунку тривалості підйому на задану висоту користуються середньою швидкістю підйому, що враховує зміну швидкості гака в період розгону і гальмування лебідки:

Середня швидкість на тахограмі підйому визначається із наступної рівності:

звідки

Отримана формула показує, що середня швидкість гака менша ніж середня швидкість підйому, що встановилась. На рис. 11.9 середня швидкість гака виражається висотою прямокутної тахограми, площа якої рівна площі дійсної трапецеїдальної тахограми, яка має загальну з нею основу. Прямокутна тахограма є розрахунковою і на практиці її здійснити неможливо, так як при цьому прискорення і сповільнення набувають нескінченності

Відношення середньої швидкості, що встановилась до середньої швидкості гака називають коефіцієнтом заповнення тахограми:

(11.8)

Користуючись коефіцієнтом , тривалість підйому на задану висоту можна визначити по формулі

Коефіцієнт заповнення тахограми залежить від типу приводу підйомного механізму, швидкості і висити підйому гака. Згідно дослідних даних Уралмашзавод, вказана залежність описується рівнянням

(11.9)

Залежно від типу приводу, що використовується = 2,4 — для електричного, дизель-електричного і газотурбоелек-тричного; = 3,6 — для дизель гідравлічного і газотурбінного; = 4,8 – для дизель механічного.

На рис. 11.10 показані схематизовані тахограми опускання. При невеликих навантаженнях і достатньому запасі гальмування швидкість опускання змінюється по двоперіодній тахограмі, яка має вигляд трикутника (рис. 11.10, а). В перший період здійснюється розгін лебідки, тривалість якого залежить від ваги колони, що опускається і момент інерції вузлів і деталей підйомного механізму, які обертаються при опусканні. Другий період відповідає гальмуванню лебідки і зупинці колони, що опускається. Продовження другого періоду залежить від гальмівного шляху, необхідного для забезпечення безпечної і своєчасної зупинки колони труб, що опускається.

Рисунок 11.10 — Тахограма опускання ( — тривалість опускання бурильної свічки)

Триперіодна тахограма (рис. 11.10, б, в) характерна для опускання з використанням допоміжного гальма, в результаті дії якого вантаж, що опускається розганяється до моменту досягнення рівності рухаючого і гальмівного моментів. Після цього встановлюється рівномірний рух і швидкість опускання зберігається постійною до початку гальмування лебідки.

Середня швидкість опускання

(11.10)

де — максимальна швидкість, яка досягається за період опускання;

— коефіцієнт заповнення тахограми при опусканні.

В практичних розрахунках, згідно рекомендаціям Уралмашзавода, максимальна швидкість опускання приймається залежно від довжини свічки :

м	18	24	27	36
м/с	2,5	2,9	3,1	3,6

Коефіцієнти заповнення тахограми: 2 — при вільному опусканні; 1,5 — при використанні допоміжного гальма.

Максимальна швидкість опускання незавантаженого елеватора визначається по номограмі на рис. 11.11, побудованій на основі дослідних даних.

Рисунок 11.11 — Залежність максимальної швидкості опускання незавантаженого елеватора від маси рухомих частин, оснастки і довжини свічки (18; 24; 27; 36 м)