§ 4. Механические трансмиссии

Механическая трансмиссия может обеспечить любой диапазон изменения вращающих моментов и скоростей вращения барабана лебедки и ротора.

При сочетании двигателя внутреннего сгорания с механической трансмиссией включение барабана лебедки осуществляют муфтой сцепления. Затем, увеличивая подачу топлива, осуществляют разгон до установившейся скорости.

При электроприводе муфту лебедки включают до начала движе­ния, поэтому весь разгон происходит под нагрузкой с включенной муфтой. Из-за больших значений маховых моментов разгоняемых масс к электродвигателям предъявляются повышенные требования в части пусковых и максимальных моментов. Тем не менее даже при дроссельном управлении асинхронными подъемными двигателями из­быточный момент, прикладываемый к барабану лебедки, оказывается недостаточным для обеспечения требуемого ускорения при разгоне.

Во время пусков возникают значительные потери энергии, так как каждый раз приходится разгонять двигатели, маховой момент которых составляет значительную часть общего махового момента вращающихся частей.

При постоянном вращении приводных электродвигателей и вклю­чении нагрузки сцепными муфтами подобно тому, как это делается в приводе с двигателями внутреннего сгорания, может быть получен лучший эффект. В этом случае весь процесс пуска распадается на два периода: 1) период скольжения, когда ведущий вал с одной полови­ной муфты, тормозясь, постепенно захватывает ведомый вал со вто­рой половиной муфты; 2} период сцепления, когда оба вала, сцеплен­ные в одно жесткое целое, совместно продолжают разгон до устано­вившейся скорости, соответствующей скорости вращения двигателя при статическом моменте, определяемом весом бурильной колонны. Большое значение имеет рациональное распределение инерци­онных масс между обоими валами, так как от этого зависят макси­мальная нагрузка двигателя и экономичность всего устройства.

Как показал опыт эксплуатации, асинхронные электроприводы с муфтами сцепления позволили значительно повысить фактические ускорения при разгоне груза, снизить стоимость и повысить надеж­ность работы электрооборудования.

В механической передаче число ступеней обычно ограничено, а передаточные отношения имеют дискретные.- значения i'_2l, ^2i) 4\i • • ч которым соответствуют определенные значения коэф­фициентов трансформации К^ К%, К₃ . . . (рис. XVII-9, б).

При включении передачи (i₂₁ = idem) любому изменению рабо­чего момента отвечает соответствующее изменение крутящего мо­мента двигателя, т. е. ступенчатая передача не обеспечивает сохра­нение режима работы двигателя.

Если в исполнительном механизме возникают колебания, то они передаются двигателю, в результате чего сокращается срок его

3S3

службы. Иногда в двигателе возникают крутильные колебания, которые передаются исполнительному механизму.

Механические трансмиссии не могут автоматически переклю­чаться, что является существенным недостатком во многих случаях. Передачи переключаются при остановленной трансмиссии, для чего требуется размыкающая муфта (фрикцион).

Механические ступенчатые трансмиссии не гарантируют двига­тель от остановки в случаях перегрузки и не облегчают запуска двигателя под нагрузкой.

Энергия от одного вала к другому передается посредством меха­нического контакта деталей, подверженных износу.

В механических трансмиссиях буровых установок применяют зубчатые, многорядные, к л и переменные, цеп­ные передачи и карданные валы. В качестве муфт сцепления применяют жесткие кулачковые и зубчатые муфты, а в ка­честве оперативных сцепных муфт фрикционные дисковые и бандаж­ные муфты и электрические муфты.

Применение этих устройств определяется мощностью, скоростью вращения валов передач, частотой включения, режимом работы и конструктивными требованиями.

Основная характеристика передач приведена в табл. XVII-2.

Таблица XV1I-2

Тип передачи	Мощность, кет	Скорость вращения, об /мин		Линейная скорость движения, м/ сек		Расстоя­ние между капами, м
		п max	п . ПИП	V так	V . Ш1П.
	До 3000 До 600 До 2000 1000	2000 1800 1400 1500	0 100 0 0	30 30 40	0 15 0	До 1 1-3 До 4 До 2
Клиноременная
Цепная
Карданный вал

Как видно из этой таблицы, применение зубчатых передач опре­деляется в основном расстоянием между центрами валов. Если межцентровые расстояния большие, передачи становятся очень громоздкими и тяжелыми. Недостатком зубчатых передач при при­менении их в буровых установках является изменение направления вращения соседнего параллельного вала, что затрудняет осуществле­ние блокирования нескольких валов.

Недостатком клиноремепных передач является ограниченная мощность и небольшой диапазон допустимого изменения скорости движения.

Цепные передачи с многорядными в т у л очно-роликовыми цепями не имеют большинства этих недо-

384

статков. В основном применение их ограничивается допустимой скоростью вращения ведущей звездочки, по которой и выбирают передачи для различных механизмов.

В установках для вращательного бурения широко применяют втулочно-роликовые многорядные цепи, зубчатые и клиноремен-ные передачи.

Втулочно-роликовые цепи применяются для блокирования дви­гателей внутреннего сгорания и передачи их общей мощности на вал лебедки или насоса, используются в передачах от силовых приводов к лебедкам, в цепных коробках скоростей, в передачах, приводящих в движение роторы и валы буровых лебедок.

Наряду с в ту л очно-роликовыми цепями существует большое разнообразие приводных цепей, однако в буровом оборудовании они не применяются вследствие того, что эти цепи не допускают передачи больших мощностей и высоких скоростей движения и долго­вечность их недостаточна.

В механических трансмиссиях буровых установок применяют втулочно-роликовые многорядные цепи с шагом от 19,05 до 50,8 мм и числом рядов в одной цепи до десяти. С помощью этих цепей можно осуществлять движение без скольжения и передавать значительные мощности, если межцентровые расстояния значительно большие, чем при одной паре зубчатых передач.

При цепной передаче на валы и подшипники от предварительного натяжения действует значительно меньшая нагрузка, чем при клпно-ременной. Ценные передачи мало чувствительны к попаданию на них влаги или нефти и обеспечивают вращение всех валов установки в одну сторону, что упрощает кинематику буровой установки.

Цепные передачи не так чувствительны к прогибам валов, как зубчатые. Прогибы валов не сильно влияют на работу цепной пере­дачи, если звездочки расположены не консольно. Это обстоятельство позволяет применять более длинные валы на двух опорах. При обрывах или износе ценные передачи легко заменить новыми, не снимая валов, что очень важно при работе в полевых усло­виях.

К числу недостатков цепных передач втулочно-роликовыми цепями можно отнести:

1. необходимость большей точности монтажа передачи по срав­ нению с клиноременной передачей;

2. сравнительно высокие требования к уходу за передачей: смазка, устранение перекосов, непараллельности валов и т. д.;

3. непостоянство скорости цепи, вызывающее неравномерность вращения звездочек, особенно сильно проявляющееся при малых числах зубьев ведущей звездочки.

Зубчатые передачи различных типов используют в буровом оборудовании для осуществления кинематической связи в различных механизмах, изменения скорости и направления вра­щения и преобразования крутящих моментов при небольших меж­центровых расстояниях между валами (до 0,5 м).

383

Этот вид передачи используется в коробках скоростей, редукто­рах, приводных частях буровых насосов, реверсивных устройствах, приводах барабанных валов лебедок, роторов и др.

В буровых установках 'применяют цилиндрические шестерни с прямым, косым или шевронным зубом, а также конические ше­стерни с прямым или косым зубом с углом между осями валов 90° с эвельвептным профилем зуба, а также передачи с зацеплением М. Л. Новикова.

Червячные передачи, винтовые (геликоидальные) или гипоидные зубчатые колеса в буровом оборудовании не применяются из-за низкого к. п. д. и небольшой допускаемой мощности.

В механизмах, работающих при высоких скоростях и переда­ющих большие мощности, применяют косозубые или шевронные колеса, а в тихоходных прямозубые.

Иногда шеврон заменяют двумя косозубыми колесами с различ­ным направлением спирали. Во всех этих случаях для обеспечения самоустановки шеврона по его вершине один из валов должен сво­бодно перемещаться в осевом направлении.

Конические колеса с косым или спиральным зубом применяются в буровых механизмах для передачи вращения валам с пересека-ющимнся осями: в роторах, реверсивных и дифференциальных механизмах, коробках передач и т. д.

К л и н о р е м е н н ы е передачи применяют в приводах буровых насосов передач, блокирующих двигатели внутреннего сгорания; приводах осветительных генераторов, компрессоров и дру­гих механизмах.

На одном шкиве располагается до 24 клиновидных ремней. Эти передачи смягчают удары при внезапных перегрузках и выравни­вают неравномерность вращения различных валов за счет упругих деформаций ремней и некоторого проскальзывания их на шкивах, требуют меньшей точности монтажа по сравнению с цепной и зуб­чатой передачами.

Клиноременные передачи имеют ряд недостатков, к которым относятся:

1. необходимость периодического подтягивания ремней, для чего нужны натяжные устройства;

2. большое предварительное натяжение ремпей, вследствие чего увеличивается нагрузка на подшипники и сокращается их долго­ вечность;

3. необходимость точного подбора ремней по длине при много­ рядной клиноременной переда 4е для обеспечения одновременности их работы, что усложняет эксплуатацию;

4. необходимость съема валов или сближения их при консольных шкивах для смены клиновидных ремней;

5. чувствительность клиновидных ремней к попаданию на них масла и нефти.

Соединение валов. Для соединения валов в буровых установках применяются упругие, цепные, зубчатые, кулачковые,

380

фрикционные и электромагнитные муфты, а также карданные валы.

Фрикционные и электромеханические муфты не требуют оста­новки валов для включения и выключения, способствуют значи­тельному сокращению непроизводительных затрат времени и уве­личению эффективности установок при использовании их для оперативного и дистанционного многократного включения и вы­ключения механизмов без остановки двигателей.

Карданные валы предназначены для соединения валов, находящихся в различных плоскостях или под углом до 20° при неточной центровке осей.

Фрикционные муфты сцепления имеют следующие преимущества по сравнению с неподвижными:

1) возможность включения на ходу при больших разностях угловых скоростей сцепления валов;

2} безударное включение с постепенным разгоном;

3. плавность включения;

4. быстрота управления;

5. возможность регулирования времени разгона ведомых частей и предельного крутящего момента, передаваемого муфтой;

6. возможность осуществления кратковременного регулирования скорости вращения путем буксования, что особенно важно при ловильных работах, свинчивании и развинчивании бурильных и обсадных труб, установке вкладышей в ротор и т. д.;

7. длительная работа без нагрева.

К числу недостатков фрикционных муфт можно отнести возмож­ность нарушения сцепления вследствие износа фрикционных об­кладок или попадания в них смазки.

Большинство фрикционных муфт буровых установок служит для передачи значительных мощностей при больших количествах включений с управлением на значительном расстоянии от оператора. Крутящий момент передается фрикционной муфтой только за счет сил трения, возникающих на ее трущихся поверхностях при взаим­ном прижатии; габариты и масса муфт будут тем меньше, чем выше коэффициент трения фрикционного материала и чем больше удельное давление и число трущихся пар.

В буровых установках применяются только осевые одно- и двух­дисковые и бандажные радиальные фрикционные муфты. Управле­ние ими при передаче больших моментов осуществляется пневма­тическим способом, а при небольших — механическим.

Многодисковые муфты не применяются, так как они имеют пло­хие условия теплоотвода. При длительном вращении вала с выклю­ченной муфтой диски трутся между собой и муфты быстро изнашиваются.

В двухдисковую осевую фрикционную муфту с пневматическим включением (рис, XVII-10) сжатый воздух поступает по специаль­ному каналу в полость между нажимным диском и поршнем через клапан быстрого включения. Поршень, упираясь в фланец корпуса

25* 387

м уфты, остается неподвижным, а нажимной цилиндр, перемещаясь, включает муфту. Такие муфты выключаются при снятии давления воздуха в специальном канале. В этом случае воздух, находящийся в муфте, выпускается непо­средственно в атмосферу че­рез клапан быстрого вы­ключения. При снижении давления в камере между поршнем и цилиндром на­жимной диск пружинами возвращается в исходное по­ложение. Устройства для включения дисков-муфт вы­полняют весьма разнообразно в виде камер, диафрагм и т. д. Объем воздуха в муфте дол­жен быть минимальным для уменьшения времени вклю­чения.

5

Ш и и н о п н е в м а т и -ч е с к и е муфты обес­печивают гибкость и упру­гость соединения, компенси­руют небольшие перекосы и несоосности соединяемых ва­лов и гасят вибрации. Из­готовляются такие муфты двух типов: обжимными и раз-жимньши. В первом случае резиновая шина охватывает вращающийся внутри нее ба­рабан, а во втором она на­ходится внутри этого ба­рабана. Баллон муфты (рис. XVI1-11) представляет резино-тканевую кольцевую камеру овального сечения, состоящую из прочной много­слойной прорезиненной ткани и внешнего протектора из нескольких слоев. Фрикци­онные накладки в шинно-

Рис. XVII-10. Двухдисковая

1 — нажимной диск; з —поршень; з, 4 —манжеты;

контр

пневматических муфтах, из­готовляемые из таких же материалов, что и наклад­ки дисковых муфт, укрепляются с помощью стальных колодок. Муфты с резиновыми баллонами хорошо работают при темпе­ратуре окружающей среды от —20 до +50° С. При темпера-

туре ниже —20 и выше +50° С работоспособность муфт сни­жается.

Степень конструктивного совершенства муфты- сцепления и при­мененных материалов для сцепляющихся пар можно оценивать по удельной окружной силе, т. е. силе, передаваемой 1 ж² трущейся поверхности. Для дисковых муфт буровых установок эта величина колеблется в пределах 0,05—0,15 Мн/м² сцепляющейся поверхности. Для часто включаемых муфт принимаются меньшие значения.

пневматическая осевая фрикционная муфта.

5 — палец; в — пружина; 7 — болт; s — шпилька; 5 гайка.

гайка; 10

Удельная мощность, передаваемая 1 см² сцепляющихся поверх­ностей, для однодисковых муфт составляет 0,04—0,06 кет, а для двухдисковых 0,05—0,11 кет. Для бандажных фрикционных муфт

389

удельная окружная сила, передаваемая 1 м² сцепляющейся поверх­ности, составляет 0,7—2,5 Мн, а удельная мощность 0,06—0,12 кет

ю

н а 1 см². Большие значения соответ­ствуют редко включаемым муфтам небольших размеров.

Электромагнитные сцеп­ные муфты. В буровых уста­новках для соединения валов вместо фрикционных иногда применяются электродинамические и электромаг­нитные муфты с порошковым напол­нением.

Электромагнитные муфты представляют собой как бы элек­трическую машину, пред назначен­ную для передачи вращающего мо­мента от ведущей части к ведомой. При относительном вращении в кор­пусе якоря с обмоткой наводятся вихревые токи, которые создают вра­щающая момент, стремящийся со­хранить относительное скольжение элементов. В результате этого якорь и корпус муфты движутся со сколь­жением относительно друг друга.

Ток возбуждения к полюсам магнитной системы подводится при помощи контактных колец. Измене­нием тока возбуждения или введе­нием сопротивления в цепь можно регулировать скорость ведомого ва­ла . Управление муфтой осуще­ствляется с поста бурильщика.

При полном возбуждении и пе­редаче поминального крутящего мо­мента к. п. д. такой муфты соста­вляет 93—95%. Мощность тока питания составляет 2—3% от мощ­ности, передаваемой муфтой.

Рис. XVII-11. Шшшопневмати-ческая обжимная муфта.

1 — обод; 2 — баллоны; з — обкладка; 4 — корд; 5 — колодка; б — фрикцион­ные накладки; 7 — прокладки; 8 — шпилька; 9 — ниппель; Ю — гайка.

Принцип действия электромагнит­ных муфт с порошковым заполне­нием основан па свойстве порошко­образных смесей с подвижными фер­ромагнитными частицами изменять свою структуру в магнитном поле.

Диэлектрик как бы изолирует частицы ферромагнитного порошка друг от друга, в результате чего при намагничивании создается как бы механическая связь. Свойства порошка остаются неизмен-

ными при больших количествах включений. В качестве ферромаг­нитных частиц применяют карбонильное железо с размером частиц 4—8 мк и др.

Электромагнитная муфта с порошковым заполнением показана на рис. XVII-12. Она состоит из ведущей 1 и ведомой 2 частей. Пер-

Ч г.;

вал, имеющая катушку возбуждения 3, соединяется шпонкой с ва­лом 4 приводного электродвигателя. В этой части располагается удлиненная в обе стороны ступица 5, на концах которой насажены подшипники 6', являющиеся опорами для ведомой части. С правой стороны ведущей части па вал двигателя насажена втулка

391

"•"ЯГ

3

-- f

ш

-j"d_

-и

Цо

Рис. XVII-13. Кинематические схемы

2

Т

о JpinL JPwLj'

₁₍ШГ

ГП

V

4,

зубчатых и цепных коробок передач.

с контактными ^кольцами 7, через которые подается питание в обмотку возбуждения.

Ведомая часть состоит из корпуса .9, двух подшипниковых щитов 10 и 17, лабиринтного уплотнения 12 и зубчатой полумуфты, с помощью которой ведомая часть соединяется с валом приводного механизма. Смесь порошка карбонильного железа с окисью кремния насыпается во внутреннюю полость через отверстие 13. Уплотнения (лабиринтное 14 и магнитное 15) предназначены для защиты от про­никновения порошка в подшипники. Порошок заменяется через каждые 1500—2000 ч работы.

Центробежная сила ослабляет силу сцепления между поверх­ностями сцепления. Включение и размыкание муфты происходит в течение 1/30—1/60 сек.

Питание муфт осуществляется постоянным током.

Наибольшее количество тепла, возникающего при скольжении в муфте, выделяется в середине зазора и отводится через порошок и поверхности сцепления.

Коробки передач буровых установок. Ко­робки передач применяют для изменения скоростей вращения ротора и барабана лебедки. По конструкции они выполняются с зубчатыми или с цепными передачами. На рис. XVII-13 показаны кинемати­ческие схемы зубчатых и цепных передач различных типов.

Кинематическая схема зубчатой коробки с двумя валами I—I и И—II, параллельными валам лебедки, и одним валом III—III, предназначенным для привода ротора, приведена па рис. XV1I-13, а.

На рис. XVII-13, б показана такая схема, но с тремя валами /—/, II—II и IV—IV, параллельными валам лебедки, и одним валом III—III для привода ротора. Эта коробка передач предназначена для работы от двигателей внутреннего сгорания.

На рис. XVII-13, в дана схема зубчатой коробки с валами /—-/ и II—//, перпендикулярными валу лебедки, и валами III—III и IV—IV, предназначенными для привода барабана лебедки и рас­положенными параллельно осям ее валов.

На рис. XVII-13, г приведена схема двухвальной трехскоростной цепной коробки передач, а на рис. XVII-13, д — схема комбиниро­ванной трехвальной шестискоростной коробки передач. Привод от блока двигателей внутреннего сгорания и все передачи внутри коробки выполнены вту л очно-роликовыми цепями. Реверс осуще­ствляется шестеренчатой передачей. Принципиальное различие в двух последних схемах заключается в наличии третьего вала.

Коробка передач, выполненная по схеме рис. XVII-13, г, пред­назначена для лебедки с трансмиссионным валом, а коробка передач на схеме рис. XVII-13, д — для лебедки без трансмиссионного вала (трансмиссионный вал лебедки как бы перенесен в коробку передач).

На рис. XVII-13, е приведена схема трехвальной пятискоростной цепной коробки передач.

В коробках передач, так же как и в лебедках буровых установок с приводом от паровых н электрических двигателей, где остановка

394

и обратный ход двигателя осуществляются быстро, для переклю­чения скорости применяют кулачковые муфты. При двигателях внутреннего сгорания применяют фрикционные муфты с пневмати­ческим управлением или электромагнитные муфты, которые позво­ляют быстро осуществлять требуемые переключения на ходу без остановки двигателей или трансмиссии.

Переключение скоростей передвижением зубчатых колес в короб­ках передач мощных буровых установок почти не применяется ввиду больших габаритов и веса колес.

В цепных коробках передач включение обратного вращения осу­ществляется через зубчатые колеса. Система управления переклю­чением скоростей во избежание поломки снабжается блокировкой, исключающей возможность одновременного включения двух парал­лельных передач с различными передаточными числами.

Корпуса коробок передач выполняются сварными, в них имеются контрольные люки для периодического осмотра механизма.

В коробках передач роторов с приводом от двигателей внутрен­него сгорания предусматривают реверсивное устройство. Для тех­нологических нужд необходима одна скорость обратного вращения. Конструкции коробок передач приспосабливают для быстрого мон­тажа, демонтажа и транспортировки без специальной упаковки вместе с лебедкой или отдельно. Картер коробки снабжают устрой­ствами для захвата.