§ 1. Назначение, устройство и конструктивные схемы

Лебедка является основным механизмом буровой установки и предназначена для производства следующих операщщ: спуска и подъема бурильных и обсадных труб; удержания колонны труб на весу в процессе бурения шг»~ промывки скважины;

передачи вращения ротору; свинчивания и развинчивания труб;

производства вспомогательных работ по подтаскиванию в буровую инструмента, оборудования, труб и др.;

для подъема собранной вышки в вертикальное положение. Буровая лебедка состоит из сварной рамы, на которой уста­новлены подъемный и трансмиссионный валы, коробка пере­мены передач (КПП), тормозная система, состоящая из ос­новного (ленточного) и вспомогательного (регулирующего) тормозов, пульт управления. Все механизмы закрыты предо­хранительными щитами.

Подъемный вал лебедки, получая вращение от КПП, преоб­разовывает вращательное движение силового привода в посту­пательное движение талевого каната, ходовой конец которого закреплен на барабане подъемного вала. Подъем нагружен­ного крюка производится с затратой мощности, зависящей от силы тяжести поднимаемых труб, а спуск — под действием соб­ственного веса труб, спускаемых в скважину, или ненагружен- ных талевогО блока, крюка и элеватора, когда элеватор опус­кается вниз за очередной свечой.

Для этого лебедки снабжаются устройствами для подвода мощности при подъеме и тормозными устройствами. Для по­вышения к. п. д. во время подъема крюка с ненагруженным эле­ватором или колонной переменного веса лебедки или их при­воды выполняют многоскоростными. Переключение с высшей скорости на низшую и обратно осуществляется фрикционными оперативными муфтами, обеспечивающими плавное включение и минимальную затрату времени на эти операции. Переключе­ние скорости в коробках передач во время подъема колонн раз­личного веса осуществляется периодически. Оперативного уп­равления скоростями коробки не требуется.

В зависимости от скорости спуска или подъема крюка и числа ветвей в талевой оснастке канат на барабан лебедки

навивается и свивается с различными скоростями. Скорость крюка при подъеме колонн наибольшего веса составляет 0,3—

1. 5 м/с, а скорость подъема ненагруженного элеватора—1,5 — 2,0 м/с. Более высокие скорости подъема ухудшают условия на­мотки каната на барабан и не дают существенного выигрыша эо времени.

Скорости спуска колонн определяются их весом, длиной и технологическими условиями скважины. Наибольшая ско­рость спуска обычно не превышает 3 м/с, наименьшая при спуске обсадных колонн — 0,2 м/с.

В процессе бурения с помощью лебедки осуществляется по­дача бурильной колонны со скоростью до 1,5 м/мин.

В процессе подъема колонны канат навивается на барабан лебедки под действием силы тяжести всей колонны, а. свива­ется при спуске ненагруженного элеватора при небольшом на­тяжении. В процессе спуска колонн, наоборот, канат навивается при небольшом натяжении и большей скорости во время подъ­ема ненагружеедоГо элеватора, а свивается при действии силы тяжести всей колонны. Это создает тяжелые условия работы каната, и он быстро изнашивается, особенно при многослойной навивке на барабан.

Мощность, передаваемая на лебедку, характеризует основ-, ные эксплуатационно-технические ее свойства и является клас­сификационным (главным) ее параметром.

Присоединительными размерами буровой лебедки являются: диаметр талевого каната; расстояния от середины барабана до центра звездочки, установленной на валу ротора.

Рис. IV. 1. Общий вид лебедки ЛБУ-1100:

1 — рама; 2 — трансмиссия;' 3 — барабан; 4 — тормоз; 5 — фрикционная муфта; 6 — вспомогательный тормоз; 7 — привод ротора

Рис. IV.2. Принципиальная схема трехвальной лебедки:

/ — главный барабан; 2 — механический тормоз (главный); 3 — фрикционная муфта мед­ленного вращения; 4 — вертлюжок для подвода воды и воздуха; 5 — шпилевая катушка;

6 — передача медленного вращения; 7 — трансмиссионный вал; 8 — передача привода ка­тушечного вала; 9 — муфта включения катушечного вала; 10 — передача привода быст­рого вращения; 11 — катушка для раскрепления замков; 12 — фрикционная муфта вклю­чения быстрого вращения; 13 — муфта включения вспомогательного тормоза; 14 — вспомогательный тормоз; 15 — вертлюжок для подачи воздуха и отвода воды; 16 — передача привода ротора; 17 — балансир ‘механического тормоза; 18 — коленчатый вал тормоза; 19 — тормозная лента; 20 — рычаг тормоза; 21 — цилиндр пневматического тор­можения

Диаметр каната должен соответствовать размерам канавок на наружной поверхности барабана лебедки и размерам ка­навок шкивов талевой системы. В случае несоответствия канат будет быстро изнашиваться.

Нарушение базового расстояния от середины барабана до центра роторной звездочки вызовет быстрый выход из строя цепи привода ротора и практически сделает невозможным нор­мальное бурение скважины роторным способом.

Современные отечественные буровые лебедки в основном выполняются по двум компоновочным схемам:

лебедка со всеми компонующими ее узлами монтируется на одной общей раме и представляет собой один агрегат (У2-5-4, У2-2-11, ЛБ-750 и др.);

Тип лебедки

Параметры	Б У-80	У2-2-11		У2-5-5		ЛБУ-1100	ЛБУ-1400
Мощность на барабане, кВт’	550	630		820		820	1030
Максимальное натяжение та­
левого каната, МН	2,0	2,0		2,45		2,64	3,41
Диаметр талевого каната, мм	28	28		32		32	35
Число скоростей на подъем­
ном валу	3	3		5		6	6
Число скоростей на приводе
ротора	3	3		4		3	3
Размер барабана, м:							0,835
диаметр	0,7	0,65		0,8		0,75
длина	1,2	8,4		1,0		1,35	1,445
Размер тормозных шкивов, И*
Mi диаметр	1,18	1,18		1,45		1,45	1,45
ширина	0,25	0,25		0,25		0,25	0,25
Число колодок	20	18		27		27	27
Тип вспомогательного тор­							Гидро­
моза	Гидротормоз		Гидро­		Электро­
	12	00		тормоз 1450		тормоз ЭТМ-4500	тормоз 1450
Габаритные размеры, м:				7,23		7,09	7,34
длина	5,17	5,97
ширина	2,65	3,19		3,53		4,59	2,76
высота	2,38	2,27		2,78		2,43	2,50
Масса, т	13	21,5		26,2		33	31,15

лебедка, состоящая из двух отдельно транспортируемых аг­регатов (подъемный и коробка перемены передач), которые соединяются между собой при помощи стяжек (лебедки ЛБУ- 1100, ЛБУ-1400, У2-5-5). У лебедки У2-5-5 подъемный агрегат соединен с КПП двумя мощными карданными валами со сто­роны, противоположной пульту бурильщика.

На рис. IV. 1 показан общий вид одновальной лебедки, а на рис. IV.2 приведена принципиальная схема трехвальной буро­вой лебедки.

В табл. IV.1 приведена техническая характеристика буро­вых лебедок, серийно выпускаемых отечественной промышлен­ностью.

В последних типах буровых установок основная лебедка расположена ниже пола буровой, а для выполнения вспомогательных операций (раскрепления бурильных труб при их подъеме из скважины, подтаскивания в буровую мелких гру­зов, свинчивания обсадных труб) используются вспомогатель­ные лебедки. При этом конструкция основной лебедки упроща­ется, и масса ее уменьшается.

Станина представляет собой металлическую сварную раму, на которой монтируются узлы лебедки. Станина должна предо­хранять отдельные детали лебедки от повреждения и утери при транспортировке, а также-делает лебедку более жесткой и проч­ной. Если же лебедка установлена на крупноблочном основа­нии, то на повторный монтаж ее при строительстве буровой, по существу, совсем не затрачивается время.

Подъемный вал (рис. IV.3) является главным валом буро­вой лебедки, а в ряде новых конструкций (например, в лебедке ЛБ-750) единственным. На конце вала 7 укреплена шинно­пневматическая муфта 1, служащая для включения лебедки от звездочки 2.

На другом конце вала смонтированы звездочка 8, трансмис­сия регулятора подачи долота и барабан 9 муфты включения вспомогательного тормоза. В средней части подъемного вала- 7 между коренными подшипниками 3 напрессован и закреплен на шпонке барабан. Он состоит из бочки 6 и дисков 5. Наруж­ная поверхность барабана гладкая или с канавками под опре­деленный диаметр талевого каната.

С обоих концов барабана к дискам на болтах крепятся тор­мозные шкивы 4, поверхность которых даже при наличии вспо­могательных тормозов во время торможения нагревается до температуры, в ряде .случаев превышающей 900° С. Поэтому к этим деталям лебедки предъявляются большие требования.

На рис. IV.4 показана тормозная система лебедки. Тормоз­ные шкивы изготовляются Уралмашзаводом из стали марок 35ХНЛ и ЗОХМЛ с термической обработкой—'закалкой и вы­соким отпуском. Можно изготовлять шкивы из стали других марок (5ХГСЛ, 20ХМЛ и др.) с соответствующей термообра­боткой. Во избежание серьезных аварий необходимо тщательно следить за сработкой тормозных шкивов: при появлении на по­верхности трещин их своевременно следует заменять.

В некоторых буровых лебедках отечественных и зарубеж­ных конструкций применяется водяное охлаждение тормозных шкивов.

На рис. IV.5 показан барабан с водяным охлаждением тор­мозных шкивов. Для подвода воды к подъемному валу со сто­роны одного торца вала 1 сверлится отверстие 2 глубиной по оси примерно 200 мм. В конце этого отверстия в перпендику­лярном к нему направлении сверлится с поверхности вала вто­рое отверстие 3 и ближе к торцу вала — отверстие 4. Оба вы­хода этих отверстий на поверхности вала закрыты специальной втулкой 5 с кольцевыми канавками 6 и 7.

К втулке на соединительных гайках 8 под прямым углом присоединяются нагнетательный 9 и сливной 10 трубопроводы. Трубопровод 9 вторым концом присоединяется к водяной по*-

Ряс. IV.4. Тормозная система лебедки: в —вид смереди; б — вид сбоку;

1 >— рычаг; 2 — рукоятка; Э — лента; 4 — тормозной шкив; 5 — шар*

яяр; в — регулировочный болт; 7 — опора; 8 — балансир; 9 — ось балансира; 10 — коленчатый вал тормоза; 11 — кран пневмоуправ- ления; 12 — пружина; 13 — фиксатор рычага; 14 — сектор; 15 — аневмоцилиндр; 16 — тормозная колодка

Рис. IV.5. Схема водяного охлаждения тормозных шкивов

Рис IV 6 Промежуточный вал лебедки.

1 — вал, 2, 4, 5, 7 и 8 — цепные колеса привода барабана, шро-

межуточного вала, промежуточных передач, привода ротора и «быстрых» частот, 3 и 6 —> подшипники вала и колес промежуточ­ных передач, 9 — шинно-пневматическая муфта

лости тормозного шкива И. К диаметрально противоположной стороне этого шкива присоединяется второй трубопровод 12, по которому вода перетекает в тормозную шайбу 13, омывает ее и по сливному трубопроводу 10, кольцевой канавке 7 поступает в пространство между стенками отверстия 2 вала и наружным диаметром трубки 14 и далее в сливную емкость.

Трубка 14 служит для подачи воды в вал. Уплотнение 15 разобщает нагнетаемый и выходной каналы.

Тормозные шкивы барабана с водяным охлаждением имеют камеры, которые образуются, путем приварки по всей внут­ренней поверхности шкивов тонкого металлического ко­жуха 16.

Трансмиссионный вал трехвальной лебедки предназначается для приема одной скорости от силового привода и передачи двух и более скоростей промежуточному валу и в отдельных конструкциях одной высокой скбрости на подъемный вал В ле­бедках, имеющих коробку передач, трансмиссионный вал пе­редает подъемному валу вращфше через одну или несколько передач и через специальную передачу — вращение ротору. Этот же вал используется также для присоединения к лебедке регулятора подачи долота. Например, у лебедок У2-5-5 он вы­полняет функции только катушечного вала при вспомогатель­ных работах.

Промежуточный вал устанавливается только на трехваль- ных лебедка*. Его иногда называют катушечным в связи с тем, что на концах этЬго вала расположены катушки, применяемые во время проведения вспомогательных работ и работ по рас­креплению и свинчиванию бурильных труб при спуско-подъем- ных операциях. Кроме того, этот вал предназначен для пере­дачи подъемному валу двух и более скоростей.

На рис. IV.6 показан промежуточный вал буровой лебедки У2-2-11. Цепное колесо 2 передает на подъемный вал три («ти­хие») частоты вращения (I, II и III), полученные от трансмис­сионного вала при помощи цепных колес 4 и 5. Колесо 8 на трансмиссионном валу / свободнр вращается на подшипниках, включается при помощи муфты 9 и передает еще три «быст­рых» частоты вращения (IV, V и VI) барабану лебедки Цеп­ное колесо 7 служит для передачи вращения ротору.

Тормозная система

Для торможения подъемного вала лебедки во время спуска труб в скважину, а также при подаче их на забой в процессе бурения лебедка снабжается двухленточным колодочным тор­мозом. На рис. IV.7 показана принципиальная типовая схема тормозной системы буровой лебедки.

Две тормозные ленты 6 охватывают тормозные шкивы ба­рабана 7. Одним концом ленты присоединяются к балансиру

Рис. IV.7. Схема ленточного тор­моза:

1 — крав шневмотор можен ия; 2 — сто- шор рычага; 3 — рычаг тормозной; 4 — рукоятка; 5 в 9 — пружины; 6 — лента тормозная; 7 — барабан лебедки; 8 — пневмоцилнндр; 10 — тормозной вал; И — балансир

11, установленному на стойке на раме лебедки перед бараба­ном, а другим концом — к тормозному валу 10.

Для уменьшения усилия торможения к противоположному концу тормозного вала присоединяется пневматический ци­линдр 8. При поступлений в его полость сжатого воздуха пор­шень передвигается и через шток, присоединенный к коленча­тому валу тормоза, поворачивает последний, прижимая ленты с колодками к тормозным шкивам лебедки. Если необходимо остановить или замедлить частоту вращения барабана, буриль­щик рукой нажимает тормозную рукоятку по направлению к полу буровой. При этом вертикальные концы лент, присоеди­ненные к балансиру, остаются неподвижными, а горизонталь­ные, закрепленные на шейках коленчатого вала тормоза, на­тягиваются, и колодки, прикрепленные на их внутренних по­верхностях, охватывают шкивы барабана и затормаживают его.

Тормозная лента (рис. IV.8) —это стальная лента 1, к ко­торой на болтах 3 или скобах крепятся тормозные колодки 2. При помощи шарниров 4 и 5 лента соединяется с коленчатым валом тормоза и балансиром. Для равномерного и полного от­хода колодок от шкивов барабана к наружной поверхности лент прикрепляются оттяжные устройства 6.

Колодки, изготовленные из ретинакса, обладают более вы­сокими качествами и наиболее широко распространены. Для крепления их к ленте концы металлических пластин, запрессо­ванных в материал колодки, загибаются на наружную поверх­ность ленты.

Колодки прикрепляются иногда к лентам либо медными или алюминиевыми заклепками, либо с помощью болтов. Головки болтов углубляются в колодках и, таким образом, не сопри­касаются с наружной поверхностью тормозных шкивов. В сред­нем на 1000 м проходки расходуется 70—80 колодок.

Характеристика колодок

Л1-4 Из ретияакса

Размер колодки, м:

ьал. 1

ьтч 1

БУРОВЫЕ МАШИНЫ И МЕХАНИЗМЫ 2

Установка БУ-2500 (БУ-80БрД) 19

Установка БУ-3000БД (Уралмаш125БД-70) 23

Установка БУ-5000ДГУ (Уралмаш 160ДГУ) 40

P. = Pk+0™ + -^-. (Ill) 54

Я«Л₁+А₁+Лз + в, (II.6) 58

р JjE + Ore. _{(Ш 3)} 82

^р.⁼ здГ ⁼⁰'^197МН' ^(Ш-⁴⁾ 82

41 ⁴⁷ 140

п₄ 191

s=-5-W-4), 195

Я'ад. 232

м„ = -^ -j- ² 373

Балансир тормоза 1 (рис. IV.9) устанавливается при по­мощи оси 2 на стойке 3. В гнезда вставляются два стакана 4, опорные сферические поверхности которых вместе с поверх­ностью гнезд балансира образуют шарниры неподвижного конца лент. Благодаря такой конструкции при неравномерном износе колодок балансир во время торможения имеет возмож­ность несколько отклоняться от горизонтального положения

Рис. IV.8. Тормозная лента

Рис IV 9 Балансир тормоза

и выравнивать натяжение лент. Болт 7, соединенный с тормозной лентой 9 вали­ком 8, ввинчен в стакан 4 и имеет на конце две гайки

6. которыми регулируется зазор между колодками и тормозным барабаном. Пру­жины 5, упирающиеся в раму, предназначены для плотного прижатия стака­нов в тех случаях, когда ленты не находятся под на­грузкой.

К

Рис. IV. 10. Пневматический тормозной цилиндр

оленчатый вал тормоза устанавливается в трех под­шипниках и имеет две шейки для присоединения к нему двух тормозных лент. Смазывают подшип­ники с помощью масленок.

Тормозные ленты с шей­ками валика соединяются при помощи обойм с втул­ками. На консольной части вала с противоположной стороны тормозного ры­чага укреплен рычаг, к ко­торому при помощи пальца присоединяется шток пнев­матического цилиндра.

Пневматический цилиндр тормоза облегчает труд бу­рильщика во время тормо­жения подъемного вала ле­бедки при спуске труб в скважины. Конструкция его позволяет Производить ручное управление тормозом даже в тех случаях, когда по той или иной причине пневматический тормоз не рабо­тает. Подача воздуха в цилиндр осуществляется путем враще­ния ручки, надетой на верхний конец тормозного рычага.

\ Пневматический цилиндр (рис. IV.10) устанавливается на стойке 14, прикрепленной болтами к раме лебедки. Он состоит из цилиндра 1, верхней 2 и нижней 3 крышек, стянутых шпиль­ками 5. Внутри цилиндра находится поршень 10 с уплотняю­щей манжетой 12, зажатой болтами 13 между тарелкой поршня и диском 11. Направляющая труба 8 скользит во втулке 9.

Шток 4 механически не связан с поршнем 10 и заканчива­ется сферической поверхностью. На этом рисунке показано

положение, когда тормоз освобожден от нагрузки и тормозные ленты отошли от тормозных шкивов. В цилиндре нет воздуха, и поршень 10 усилием пружины 7 поднят в верхнее крайнее по­ложение. Если бурильщик при помощи тормозного рычага по­вернет тормозной вал 15, не включая пневматический цилиндр, то вместе с валом повернутся соединенный с ним рычаг 16 и пе­редвинется шток 4, при этом поршень останется в верхнем по­ложении.

Если в отверстие 6 верхней крышки 2 подать сжатый воз­дух, то поршень 10 нажмет на шток 4 сферическим резиновым буфером 17 и заставит его двигаться вниз, поворачивая при этом коленчатый вал на торможение. Сжатый воздух из ци­линдра выпускается с поста бурильщика через отверстие 6. Как только воздух выйдет' из цилиндра, усилием пружины поршень будет подан в верхнее крайнее положение.

Тормозной рычаг закрепляется на конце коленчатого вала со стороны пульта управления лебедкой и предназначен для управления тормозными лентами как с помощью нажатия на рычаг, так и при помощи пневматического цилиндра. В нижней части рычаг имеет ступицу для закрепления его на конце ко­ленчатого вала. К ступице присоединяется трубчатая часть ры­чага, заканчивающегося рукояткой.

Рычаг тормоза при повороте от верхнего положения до полного затормаживания проходит дугу около 60°. Если затор­маживание в конце поворота не наступает, следовательно, между накладками лент и тормозными шкивами имеется очень большой зазор. Для устранения этого недостатка ленты необ­ходимо подтянуть.

Буровые лебедки, помимо ленточных тормозов, оснащаются дополнительными регулирующими тормозными устройствами. Назначение их состоит в поглощении энергии, выделяющейся при спуске колонны бурильных труб в скважину, в результате чего на долю ленточного тормоза остается только остановка колонны при ее посадке на ротор. При этом скорость опуска­ния колонны можно регулировать.

Широко распространены в качестве регулирующих тормоз­ных устройств гидродинамические и электрические тормоза с замкнутой системой водяного охлаждения, они присоединя­ются к подъемным валам лебедок при помощи кулачковых или обгонных муфт.

Гидродинамический тормоз предназначен для облегчения труда бурильщика, так как в связи с увеличением глубин сква­жин и веса бурильных труб при торможении лебедки во время спуско-подъемных операций необходимо прикладывать большие усилия к ленточному тормозу. К подъемному валу лебедки при помощи муфты присоединяется вспомогательный тормоз, авто­матически ограничивающий и регулирующий скорость спуска бурильных или обсадных труб, превращая часть выделяю­

щейся энергии в тепло. Лен­точный тормоз лишь останав­ливает колонну труб во вре­мя посадки ее на ротор.