12.6 Нагрів і тепловий розрахунок гальма

Енергія рухомої колони труб і обертових мас лебідки в процесі гальмування переходить в теплову енергію і викликає нагрів гальма. Як вказувалось раніше, при надмірному нагріванні порушується нормальна робота гальма, понижується довговічність його шківів і фрикційних накладок. Внаслідок нерівномірного розподілення температури в перерізах шківа виникають термічні напруження. Багаторазові термічні напруження приводять до термічної втоми, подібної до механічної втоми. Тріщини, що утворюються в результаті термічної втоми, приводять до поступового руйнування гальмівних шківів, що є небезпечним для обслуговуючого персоналу.

Ремонтні роботи, пов'язані з заміною гальмівних шківів лебідки, приводять до тривалих простоїв бурової установки та значних матеріальних та трудових затрат. Тому нагрівання гальмівних шківів повинно бути обмежене температурою, яка не викликає надмірних термічних напружень і одночасно не допускає до порушення умов нормальної роботи фрикційної пари. Для цього необхідно забезпечити достатнє охолодження шківів.

Кількість теплоти, яка виникає при одному гальмуванні (в Дж), визначається кінетичною енергією мас, які рухаються поступово та обертаються і зміною потенційної енергії колони труб:

(12.16)

де — шлях гальмування, м;

— швидкість мас, що рухаються поступово, м/с;

— кутова швидкість барабану лебідки, c^-1;

— ККД підйомного механізму, який враховує втрати на подолання опору в талевому механізмі, опорах і передачах підйомного валу.

В практичних розрахунках роботу одиничного гальмування зручно визначати по формулі

(12.17)

де — кутова швидкість підйомного валу, c^-1;

— тривалість гальмування, с.

З рівняння обертового руху

(12.18)

звідки

Підставляючи значення кутової швидкості у вираз (12.17), після інтегрування отримаємо

(12.19)

З формули (12.18) час гальмування

(12.20)

Після підстановки у рівняння (12.19)

Врахувавши це, що , отримаємо

(12.21)

Для зупинки лебідки гальмівний момент стрічкового гальма повинен перевищувати статичний момент, обумовлений статичним навантаженням на гаку. Відношення визначає запас гальмування, тоді

(12.22)

де визначає відношення між кінетичною енергією мас, що рухаються і роботою гальмування [2]. З одержаних формул випливає, що кількість теплоти, яка виникає при гальмуванні збільшується із збільшенням запасу кінетичної енергії мас, що рухаються. Одночасно з підвищенням запасу гальмування збільшується потенціальної енергії опущеного вантажу, яка затрачується на тертя і нагрів фрикційної пари.

Якщо знехтувати віддачею теплоти в навколишнє середовище під час гальмування, то температуру нагріву шківа в результаті гальмування можна визначити з формули

де — маса гальмівних шківів, кг;

— питома теплоємність матеріалу шківів (для сталі =500 Дж/(кгK);

і — абсолютні початкова і кінцева температури шківа, К.

Згідно розглядуваної формули, температура шківів в кінці гальмування

Тепло, яке нагромадилось за час гальмування, відводиться від гальма променевим випромінюванням та конвекційним теплообміном з навколишнім середовищем

де і — кількість теплоти, яка відводиться в навколишнє середовище відповідно променевим випромінюванням і конвекцією, Дж.

На основі рівності променевого теплообміну

(12.23)

де =1,5 Вт/(м²K⁴) — коефіцієнт випромінювання від полірованої поверхні;

=5 Вт/(м²K⁴) — те ж для матової поверхні;

— площа циліндричної поверхні гальмівних шківів, не закрита гальмівними колодками, м²;

— площа бокових поверхонь гальмівних шківів, м²;

— час охолодження, с;

— максимально допустима абсолютна температура нагріву для вибраної фрикційної пари, К;

— абсолютна температура навколишнього середовища, К.

Кількість теплоти, яка відводиться конвекцією:

(12.24)

де = 5,88,7 Вт/(м²K) — коефіцієнт теплопередачі, який характеризує умови теплообміну між поверхнею і навколишнім середовищем;

— допустима температура нагріву для вибраної фрикційної пари, К;

— температура навколишнього середовища, К.

При обертанні шківа коефіцієнт теплопередачі зростає [2]:

де — швидкість поверхні охолодження шківу, м/с.

Так як то кількість теплоти, яка відводиться від бокових поверхонь шківів, буде збільшуватись пропорційно діаметру їх елементарних кільцевих ділянок.

При розгляді теплового режиму стрічкового гальма бурових лебідок необхідно враховувати тривалість нагріву і охо-лоджування гальмівних шківів, обумовлену технологією спуско-підіймальних операцій. Час охолодження гальмівних шківів лебідки визначається тривалістю машинно-ручних операцій, які виконуються після гальмування: встановлення колони труб на клини або елеватор; підйом навантаженого елеватора; виніс свічки з підсвічника; підвід свічки до гирла свердловини і скручування: звільнення клинів або елеватора; спуск свічки. Час, який необхідний для виконання вказаних операцій, залежить від степені їх механізації і кваліфікації бурової бригади. Тривалість гальмування в середньому складає 3-4 с.

В основу теплового розрахунку стрічкового гальма бурових лебідок покладено рівняння теплового балансу

(12.25)

При цьому приймаються наступні основні припущення:

в період гальмування тепло поглинається гальмівними шківами і не відбувається віддача тепла в навколишнє середовище;

температура всієї поверхні шківа приймається однаковою і вплив температурного градієнту враховується;

різниця температур шківів і зовнішнього середовища за період охолодження приймається постійною.

Порівнюючи кількість теплоти, яка поглинається гальмом за одне гальмування [формула (12.24)], при екстремальному режимі спуску ( і — максимальні), з кількістю теплоти, яка одночасно відводиться променевим випромінюванням [формула (12.23)] і конвекцією [формула (12.24)], можна встановити, чи достатня площа поверхонь охолодження гальмівних шківів. Якщо умова (12.25) не виконується і то необхідно збільшити відвід тепла шляхом створення ребер на поверхнях шківів або штучним їх охолодженням. Відвід тепла з поверхні тертя може бути покращений при виготовленні гальмівних шківів з матеріалів, які володіють високою теплопровідністю.

Розглядуваний метод теплового розрахунку не претендує на отримання точних результатів і використовується для попередньої оцінки теплового режиму стрічкового гальма бурових лебідок. Більш точні результати можуть бути отримані на основі модельних і натурних досліджень.