11.5.Динаміка підйомного механізму
Динамічні навантаження в підйомному механізмі бурових установок виникають при спуско-підіймальних операціях внаслідок прискорення або сповільнення, а також пружних коливань, які виникають під час перехідних процесів. Джерела динамічних навантажень — поштовхи і удари, які виникають при підхваті колони труб і переходах талевого каната на наступний шар на мотки, а також через зазори і монтажні зміщення в з’єднаннях вузлів і деталей підйомного механізму і його приводу.
На динаміку спуско-підіймальних операцій значно впливає стан ствола свердловини. Різноманітні уступи і каверни перешкоджають рівномірному руху колони труб в свердловині, тому в підйомному механізмі виникають динамічні навантаження випадкового характеру. Систематичними є динамічні навантаження, які виникають під час розгону і гальмування лебідки. При інших однакових умовах рівень динамічних навантажень, які виникають в процесі підйому, залежить від пускових властивостей двигунів і пружності системи, яка включає силові передачі, лебідку, талевий канат, вишку і колону труб які піднімаються.
При опусканні динамічні навантаження залежать від спадання швидкості, яка регулюється допоміжним і головним гальмами лебідки, а також від пружності талевого каната, вишки і колони труб, що опускаються. Різниця в джерелах і характері перехідних процесів, розподілі мас і пружності систем, що включаються обумовлює кількісні і якісні відмінності динамічних процесів, які спостерігаються в підйомному механізмі бурових установок при підйомі і опусканні колони труб.
Дослідний коефіцієнт динамічності враховує динамічні навантаження в підйомному механізмі бурових установок:
(11.11)
де
— статичне навантаження від власної
ваги колони труб і рухомої частини
талевого механізму;
— динамічне
навантаження.
В результаті експериментальних дослідів встановлено, що коефіцієнт динамічності для окремих ланок і деталей підйомного механізму бурових установок змінюється від 1,02 до 2 залежно від швидкості підйому, яка визначається потужністю приводу бурової лебідки і масою колони, яка піднімається. Із збільшенням маси колони труб швидкість підйому зменшується і при цьому зменшується коефіцієнт динамічності.
Динамічні навантаження в ланках підйомного механізму досягають найбільших значень в період підхвату колони труб з ротора при підніманні і на початку гальмування лебідки при опусканні. В табл. 11.3 приведені коефіцієнти динамічності для нерухомої струни талевого канату, одержані з результатів інструментальних вимірів на буровій установці Уралмаш ЗД при підйомі бурильної колони вагою 2000 кН із свердловини глибиною 5000 м [6].
Таблиця 11.3
Навантаження на гаку, кН |
Швидкість підйому гака, м/с |
Коефіцієнт
динамічності
|
150 — 250 |
1,32 |
2,00 — 1,88 |
250 — 700 |
1,12 — 0,99 |
1,88 — 1,43 |
700 — 1200 |
0,58 — 0,56 |
1,43 — 1,22 |
1200 — 1800 |
0,40 — 0,38 |
1,22 — 1,05 |
1800 — 2000 |
0,17 — 0,16 |
1,05 — 1,03 |
Як видно із табл. 11.3, при навантаженнях, близьких до допустимих, коефіцієнт динамічності наближається до одиниці. Пояснюється це тим, що через обмежену потужність приводу швидкості підйому і прискоренню при розгоні стають незначними. Тому у розрахунках на міцність коефіцієнт динамічності для деталей підйомного механізму, розташованих в кінематичному ланцюгу між гаком і двигуном, приймається рівним одиниці.
При теоретичному розгляді динаміки підйомного механізму бурових установок в основному користуються принципом Д'Аламбера, згідно якому в будь-який момент часу є рівновага сил інерції, активних зовнішніх сил і реакцій зв’язків. В розрахунках використовується спрощена схема підйомного механізму із жорсткими зв’язками і із сконцентрованими масами. Диференційні рівняння, які описують роботу підйомного механізму при розгоні і гальмуванні, розглядаються в р. 12 і 16, присвячених для гальмівних пристроїв і приводу лебідок.