16.5 Динаміка приводу

Під час перехідних процесів при запуску і зупинці лебідки, насосів і ротора, а також при різких змінах технологічних навантажень до діючих на привід бурових установок статичних навантажень додаються динамічні, обумовлені інерцією і пружними коливаннями привідних мас. Задача динаміки визначення характеру і величини цих навантажень в окремих вузлах і деталях приводу. Знання характеру і величин динамічних навантажень дає змогу уточнити розрахунки на міцність і визначити ефективні міри підвищення продуктивності, надійності і довговічності приводу.

Динамічні властивості будь-якої машини, в тому числі і приводу бурових установок, характеризуються інерційними параметрами, до яких відносяться: — маса вузлів і елементів, кг; - момент інерції рухомих частин, кгм²; — маховий момент; — жорсткість або пружність окремих елементів приводу і привідної машини, Н/м (лінійна жорсткість) або Hм/рад (кутова жорсткість).

На динаміку приводу бурових установок поряд з вказаними параметрами суттєво впливають пускові властивості двигуна, точність монтажу і наявність зазорів у сполученнях, послідовність вмикання привідних мас, яка визначається прийнятою схемою управління, і режим вмикання, який залежить від типу і конструкції муфт зчеплення (шино-пневматична, гідродинамічна, електромагнітна), а також кваліфікації і навиків буровика. В процесі буріння свердловини і при спуско-підіймальних операціях динамічні навантаження виникають в період різких змін технологічних навантажень внаслідок ударів рухомої колони труб об виступи, раковини і інші нерівності в стінках свердловини, заклинювання долота, утворення сальників на шляху циркуляції промивної рідини і при інших подібних явищах.

Досліди показують, що наявність газу в промивній рідині, недостатнє наповнення циліндрів, пульсація тиску внаслідок поганого регулювання компенсаторів викликають значні динамічні навантаження в приводі бурових насосів. Під дією навантажень, які різко змінюються пружні елементи виконавчих механізмів і приводу деформуються і крім основних поступового і обертового ї обертового рухів здійснюють поперечні і крутні коливання. Періодично змінні при цьому миттєві сили пружності приводять до динамічних навантажень, які викликають передчасні поломки від втоми.

Теоретичне дослідження динаміки приводу бурових установок трудне внаслідок складності кінематичних схем і великої кількості зосереджених і розподілених мас, які містяться між двигуном і виконавчими органами, вплив сил пружності і технологічних факторів в різних випадкових комбінаціях. Тому дійсну конструктивну схему приводу переважно заміняють простою еквівалентною схемою з зосередженими масами і жорсткими зв’язками, яка забезпечує необхідну точність розрахунку. При цьому задача динаміки приводу рішається методами статики на основі відомого принципу Даламбера. Момент діючий на розглядувану ланку при розгоні

(16.23)

при гальмуванні

(16.24)

де — статичний момент, приведений до валу двигуна (при розгоні) або до валу гальма (при гальмуванні); — кутове прискорення вала двигуна або гальма; — приведений до вала двигуна або гальма момент інерції всіх обертових і зворотно поступових мас від розглядуваної ланки до найбільш віддаленої від двигуна; ; — передавальне число і ККД передачі від двигуна до розглядуваної ланки.

З врахуванням характеристик двигуна вираз (16.23) записується в наступний вид:

(16.25)

де — надлишковий момент на валу двигуна; — приведений до вала двигуна момент інерції всіх рухомих мас.

Значення надлишкового моменту на валі двигуна залежить від типу двигуна і складає:

для асинхронного електродвигуна з фазним ротором ;

для асинхронного двигуна з коротко замкнутим ротором ;

для двигуна внутрішнього згорання і гідродвигуна

де — пусковий момент, для електродвигуна ; — номінальний момент двигуна; — коефіцієнт пуску, який встановлюється з каталогу на двигуни.

Приведений до вала двигуна приведений момент інерції всіх мас механізму

(16.26)

де — момент інерції і-тої деталі, яка обертається; — передавальне число від електродвигуна до і-тої деталі; — маса поступово рухомих деталей і колони труб; — швидкість поступово рухомих мас; — частота обертання двигуна.

В практичних розрахунках на міцність динамічні перевантаження враховуються в розрахунковому навантаженні, яке визначається по одній з наступних умов:

де - розрахункове навантаження (момент, зусилля, тиск); - тривалодіюче максимальне навантаження; - паспортне навантаження; - коефіцієнт динамічності; - коефіцієнт перевантаження.

Розрахункове навантаження зручніше визначати по паспортному навантаженню та коефіцієнту перевантаження. Деталі приводу підйомного механізму розраховуються по найбільшому навантаженні з числа допустимих на кожній із швидкостей підйому. Коефіцієнт перевантаження і динамічності приймаються рівними одиниці. З цього випливає, що для приводу підйомного механізму паспортне і тривало діюче максимальне навантаження рівні.

Деталі приводу насоса розраховують на міцність по паспортному навантаженні, яка визначається по потужності насоса і номінальній частоті обертання трансмісійного валу насоса з врахуванням коефіцієнтів перевантаження. Аналогічно по пас-портному навантаженню розраховують деталі приводу ротора. Розрахункове навантаження при цьому визначають по скрут-ному моменту на столі або швидкохідному валу ротора при заданій потужності ротора і найменші частоті обертання стола ротора.

416