12.6. Нагрев и тепловой расчет тормоза

Энергия движущейся колонны труб и вращающихся масс лебедки в процессе торможения переходит в тепловую энергию и вызывает нагрев тормоза. Как указывалось ранее, при чрезмерном нагреве нарушается нормальная работа тормоза, снижается долговечность его шкивов и фрикционных колодок вследствие неравномерного распределения температуры в сечениях шкива возникают термические напряжения. Многократные повторные термические напряжения приводят к термической усталости, сходной с механической усталостью. Трещины, образующиеся в результате термической усталости, приводят к постепенному разрушению тормозных шкивов, что опасно для обслуживающего персонала.

Ремонтные работы, связанные с заменой тормозных шкивов лебедки, приводят к длительным простоям буровой установки и значительным материальным и трудовым затратам. Поэтому нагрев тормозных шкивов должен быть ограничен температурой, не вызывающей чрезмерных термических напряжений и одновременно не допускающей нарушения условий нормальной работы фрикционной пары. Для этого необходимо обеспечить достаточное охлаждение шкивов.

Количество теплоты, возникающей при одном торможении (в Дж), определяется кинетической энергией поступательно движущихся и вращающихся масс и изменением потенциальной энергии колонны труб:

(12.16)

где s — путь торможения, м; v — скорость поступательно движущихся масс, м/с; — угловая скорость барабана лебедки, с ; т) — к.п.д. подъемного механизма, учитывающий потери на преодоление сопротивлений в талевом механизме, опорах и передачах подъемного вала.

В практических расчетах работу единичного торможения удобно определять по формуле

(12.17)

где —угловая скорость подъемного вала, с ¹; — время торможения, с.

Из уравнения вращательного движения

(12.18)

откуда

Подставляя значение угловой скорости в выражение (12.17), после интегрирования получаем

(12.19)

Из формулы (12.18) время торможения

(12.20)

После подстановки в уравнение (12. 19)

С учетом того, что = 1/183, получим

(12.21)

Для остановки лебедки тормозной момент ленточного тормоза должен превышать статический момент, обусловленный нагрузкой на крюке. Отношение определяет запас торможения, тогда

(12.22)

где определяет соотношение между кинетической

энергией движущихся масс и работой торможения [2]. Из полученной формулы следует, что возникающее при торможении, количество теплоты увеличивается с возрастанием запаса кинетической энергии движущихся масс. Одновременно с повышением запаса торможения возрастает доля потенциальной энергии спускаемого груза, затрачиваемая на трение и нагрев фрикционной пары.

Если пренебречь отдачей теплоты в окружающую среду в период торможения, то температуру нагрева шкива в результате торможения можно определить из формулы

где m — масса тормозных шкивов, кг; С — удельная теплоемкость материала шкивов (для стали С=500 Дж/(кг ); и — абсолютные начальная и конечная температуры шкива, К.

Согласно рассматриваемой формуле, температура шкивов в конце торможения

Теплота, накопившаяся за время торможения, отводится от тормоза лучеиспусканием и конвективным теплообменом с окружающей средой

где и — количество теплоты, отводимой в окружающую среду соответственно лучеиспусканием и конвекцией, Дж.

На основании уравнения лучистого теплообмена

(12.23)

где Вт/( ) - постоянная (коэффициент) излучения от полированной поверхности: Вт/( ) — то же, для матовой поверхности; — площадь цилиндрической поверхности тормозных шкивов, не закрытая тормозными колодками, м²; — площадь боковых поверхностей тормозных шкивов, м²; — время охлаждения, с; — максимально допускаемая абсолютная температура нагрева для выбранной фрикционной пары, К; — абсолютная температура окружающей среды, К. Количество теплоты, отводимое конвекцией:

(12.24)

где Вт/( ) — коэффициент теплопередачи, характеризующий условия теплообмена между поверхностью и окружающей средой; — допускаемая температура нагрева для выбранной фрикционной пары, К; — температура окружающей среды, К.

При вращении шкива коэффициент теплопередачи возрастает [2]:

где — скорость поверхности охлаждения шкива, м/с.

Так как v = , то количество теплоты, отводимой от боковых поверхностей шкивов, будет увеличиваться пропорционально диаметру их элементарных кольцевых участков.

При рассмотрении теплового режима ленточного тормоза буровых лебедок необходимо учитывать продолжительность нагрева и охлаждения тормозных шкивов, обусловленную технологией спуско-подъемных операций. Время охлаждения тормозных шкивов лебедки определяется продолжительностью машинно-ручных операций, выполняемых после торможения: установка колонны труб на клинья или элеватор; подъем незагруженного элеватора; вынос свечи с подсвечника; подвод свечи к устью скважины и свинчивание: освобождение клиньев или элеватора; спуск свечи. Время, необходимое для выполнения указанных операций, зависит от степени их механизации и квалификации буровой бригады. Продолжительность торможения в среднем составляет 3—4 с.

В основу теплового расчета ленточного тормоза буровых лебедок положено уравнение теплового баланса

(12.25)

При этом принимаются следующие основные допущения:

в период торможения тепло поглощается тормозными шкивами и не происходит отдачи тепла во внешнюю среду;

температура всей поверхности шкива принимается одинаковой и влияние температурного градиента не учитывается;

разность температур шкивов и внешней среды за период охлаждения принимается постоянной.

Сравнивая количество теплоты, поглощаемое тормозом за одно торможение [формула (12.21)] при экстремальном режиме спуска ( и n — максимальные), с количеством теплоты, одновременно отводимым лучеиспусканием [формула (12.23)] и конвекцией [формула (12.24)], можно установить, достаточна ли площадь поверхностей охлаждения тормозных шкивов. Если условие (12.25) не соблюдается и то необходимо увеличить отвод тепла путем оребрения поверхностей шкивов либо искусственным их охлаждением. Отвод тепла с поверхности трения может быть улучшен при изготовлении тормозных шкивов из материалов, обладающих высокой теплопроводностью.

Рассматриваемый метод теплового расчета не претендует на получение точных результатов и используется для предварительных оценок теплового режима ленточного тормоза буровых лебедок. Более достоверные результаты могут быть получены на основе модельных и натурных испытаний.