11.5. Динамика подъемного механизма

Динамические нагрузки в подъемном механизме буровых установок

Таблица 11.3

Нагрузка на крюке, кН	Скорость подъема крюка. м/с	Коэффициент динамичности,
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

возникают при спуско-подъемных операциях вследствие действия ускорения или замедления, а также упругих колебаний, создаваемых во время переходных процессов. Источники динамических нагрузок — толчки и удары, возникающие при подхвате колонны труб и переходах талевого каната на последующий слой навивки, а также из-за зазоров и монтажных смещений в сочленениях узлов и деталей подъемного механизма и его привода.

На динамику спуско-подъемных операций значительно влияет состояние ствола скважины. Всевозможные уступы и каверны препятствуют равномерному движению колонны труб в скважине, поэтому в подъемном механизме возникают динамические нагрузки случайного характера. Систематическими являются динамические нагрузки, возникающие в период разгона и торможения лебедки. При прочих одинаковых условиях уровень динамических нагрузок, возникающих в процессе подъема, зависит от пусковых свойств двигателей и упругости системы, включающей силовые передачи, лебедку, талевый канат, вышку и колонну поднимаемых труб.

При спуске динамические нагрузки зависят от снижения скорости, регулируемой вспомогательным и основным тормозами лебедки, а также от упругости талевого каната, вышки и колонны спускаемых труб. Различие в источниках и характере переходных процессов, распределении масс и упругости включаемых систем обусловливает количественные и качественные отличия динамических процессов, наблюдаемых в подъемном механизме буровых установок при подъеме и спуске колонны труб.

Опытный коэффициент динамичности учитывает динамические нагрузки в подъемном механизме буровых установок:

(11.11)

где — статическая нагрузка от собственного веса колонны труб и подвижной части талевого механизма; — динамическая нагрузка.

В результате экспериментальных исследований установлено, что коэффициент динамичности для отдельных звеньев и деталей подъемного механизма буровых установок изменяется от 1,02 до 2 в зависимости от скорости подъема, определяемой мощностью привода буровой лебедки и массой поднимаемой колонны. По мере увеличения массы колонны труб скорость подъема уменьшается и при этом снижается коэффициент динамичности.

Динамические нагрузки в звеньях подъемного механизма достигают наибольших значений в период подхвата колонны труб с ротора при подъеме и в начале торможения лебедки при спуске. В табл.11.3 приведены коэффициенты динамичности для неподвижной ветви талевого каната, полученные по результатам инструментальных измерений на буровой установке Уралмаш ЗД при подъеме бурильной колонны весом 2 000 кН из скважины глубиной 5000 м .

Как видно из табл.11.3, при нагрузках, близких к допускаемым, коэффициент динамичности приближается к единице. Объясняется это тем, что из-за ограниченной мощности привода скорости подъема и ускорения при разгоне становятся незначительными. Поэтому в расчетах на прочность коэффициент динамичности для деталей подъемного механизма, расположенных в кинематической цепи между крюком и двигателем, принимается равным единице.

При теоретическом рассмотрении динамики подъемного механизма буровых установок обычно пользуются принципом Даламбера, согласно которому в любой момент времени имеется равновесие сил инерции, активных внешних сил и реакций связей. В расчетах используется упрощенная схема подъемного механизма с жесткими связями и сосредоточенными массами. Дифференциальные уравнения, описывающие работу подъемного механизма при разгоне и торможении, рассматриваются в гл. 12 и 16, посвященных тормозным устройствам и приводу лебедок.