§ 2. Нагрузки, действующие на талевую систему, и к. П. Д. Подъемного механизма

Нагрузки, действующие на талевую систему, по частоте воздей­ствия подразделяются на систематические, несистематические и слу­чайные.

По характеру своего воздействия нагрузки разделяются на ста­тические и динамические — упругие и ударные.

Несистематические и случайные нагрузки действуют редко и нагружение крюка в этих случаях происходит медленно и динами­ческая нагрузка не превышает 5—15% от статической.

Во избежание разрушения частей подъемного механизма даже от однократного действия наибольших нагрузок производятся рас­четы на прочность и рассматривают действие этих сил как стати­ческих. Полученные при этом напряжения сравниваются с пределом текучести, и определяется коэффициент запаса прочности.

Систематические нагрузки на крюк рассматриваются как дина­мические, вызывающие циклически действующие колебания. По этим нагрузкам с учетом частоты их воздействия рассчитываются детали подъемного механизма на долговечность, для чего определяется коэффициент эквивалентности по методике, приведенной выше.

Процесс нагружения подъемного механизма происходит следу­ющим образом. При включении фрикционной муфты барабана ле­бедки при подъеме сначала выбираются зазоры в деталях подъемного механизма, потом нагружается вся система до усилия, равного силе тяжести массы колонны, после чего происходит как бы срыв колонны со стола ротора. В этот момент возникает пиковая нагрузка, вызы­вающая колебания всей упругой системы. Колебания нагрузки на крюке вследствие диссипативных сил затухает и кривая колеба­тельного процесса близка по форме к затухающей синусоиде (см. рис. V-10), чем больше упругость талевой системы, вышки и других узлов и больше длина колонны, тем период колебаний больше, а амплитуда и, следовательно, динамические нагрузки меньше.

157

С увеличением скорости подъема и жесткости системы упругие динамические нагрузки возрастают, так как увеличивается ускоре­ние не только за счет изменения скоростей движения, но и за счет уменьшения периодов колебаний при меньших податливостях дета­лей, служащих упругими связями.

При торможении во время спуска колонны колебательных про­цессов в талевых системах почти не наблюдается, так как процессы торможения стремятся вести плавно.

Статические нагрузки, создаваемые колонной, висящей на крюке,

где G_TC — вес подвижной части талевой системы; р_ж и р — плотность раствора и материала труб;

д — вес 1 м труб с учетом высаженной части и замков; / — длина труб одинаковой массы;

^G_TK— вес составляющих бурильной колонны (турбобур, рас­ширитель, долото и т. д.).

Нагрузка на крюке, создаваемая равномерно движущейся ко­лонной, с учетом сил трения и прихватов

где Т_п — аварийная нагрузка или нагрузка, вызываемая трением колонны о стенки скважины (« + » при подъеме, « — » при спуске).

Нагрузка на талевый блок

Т*~Т -i-G (VI-51

² 6 * к ; ^(zk' \ ^v * ^UJ

где G_K — вес крюка.

Нагрузка на ветви талевого каната

где G₆ — вес талевого блока.

Нагрузка на кронблок с учетом веса талевого блока и веса

каната

Т , = Т

^J кб ^J

Здесь Р_в и Р_и — натяжение ведущей и закрепленной ветвей тале­вого каната.

Статическая вертикальная нагрузка на вышку

T^T^ + G*. (VI-8)

где (?_иб — вес кронблока.

Динамические упругие и ударные на­грузки, действующие на все части подъемного механизма, при расчетах учитываются коэффициентами динамичности. Нагрузка

158

с учетом динамических сил Р_д на любую грузонесущую составля­ющую

где /^ — обобщенная статическая нагрузка;

К_л — динамический коэффициент для соответствующей части подъемного механизма.

Исследования динамических явлений в подъемных механизмах буровых установок указывают, что при с пус ко- подъемных опера­циях вследствие упругости системы возникают волновые колебания

20

Рис. VI-5. График изменения коэффициента динамич­ности.

почти во всех со частях. В результате возникают динамические силы. При этом коэффициенты динамичности изменяются в зависи­мости от скоростей движения крюка по закону, близкому к пара­болическому. Меньшие значения К^ относятся к большим нагружай на крюке при малых скоростях подъема, большие — наоборот (рис. VI-5) и К^ находятся в пределах 1,05 -ь 2.

Наибольшее значение усилия получается при наибольшей на­грузке на крюке, т. о. Р_тлх = T_CK^

При расчетах на долговечность элементы подъемного механизма рассчитываются по нагрузкам различной интенсивности с учетом коэффициента динамичности, соответствующего данному режиму работы, т. е.

где Т,._{ и К_л: —статическая нагрузка и коэффициент динамично­сти при данном режиме работы.

159

Нагрузка на ветви талевого каната. Ста­тическая нагрузка Р_к при неподвижной талевой системе для каждой ветви будет одинаковой:

^--у, (VI-10)

где i — число ветвей.

При движении талевой системы вследствие трения в блоках и изгиба каната нагрузка на ветви будет неодинаковой. Натяжение ведущей ветви каната

т

Р •-- , (VI-11)

^в 'Ли

гд^е Ли —^к- ^п- Д- полиспаста, значения которого зависят от жест­кости каната и сопротивлений сил трения в подшипниках и шкивах; для талевых систем принимают к. п. д. одной ветви со шкивом г\ ^0,98 -ьО,99.

Таким образом, натяжения в ветвях при движении различны: Р_в ~ pi ^> Р₂ > . . . ^> Р₍, причем

Тогда

(VI-13)

Так как выражение в скобках является рядом, сумма которого

1 —л* равна i_j—. то

Т -^PtflpV-, (VI-14)

л ^л I 1 . ... « * '

а натяжение ведущей ветви каната

?* = pi --- Т, /~^лч- • ^д Л (1 — t|ⁱ)

Тогда к. п. д. полиспаста

* - Л_и = -^- = ^^- (VM6)

^№ ip_t i l — т; ^ч '

| Натяжение закрепленной ветви каната

При спуске колонны натяжение ведущей ветви будет равным Натяжению ветви, закрепленной при подъеме, т. с. Р_но = Р₃.

Наиболее нагруженной является ведущая ветвь при подъеме; в ней возникают наибольшие динамические усилия, вызванные колебаниями от неравномерности движения каната во время намотки и смотки его с барабана.

160