§ 3. Основные расчеты лебедки Кинематический расчет лебедки

Сделаем кинематический расчет условной трехвальной буровой лебедки со следующими исходными данными:

нагрузка на крюке Q_K=1,7 МН; мощность на барабане ле­бедки Л^л=625 кВт; оснастка талевой системы 5x6; число струн оснастки и=10; диаметр бочки барабана подъемного вала£>б = = 0,65 м; ширина барабана L₆ = 0,84 м; частота вращения вы­ходного вала привода я_пр = 335 об/мин.

Определение частоты вращения трансмиссионного вала ле­бедки,. Этот вал, получая движение от привода через звездочку 2_ТВ—40, имеет частоту вращения в пределах возможности регу­лирования привода:

(IV.3)

^ZTB

где «тв — частота вращения трансмиссионного вала лебедки, об/мин; 2_пр—36 — число зубьев звездочки на выходном валу привода; z_TB=40 — число зубьев звездочки на трансмиссионном валу лебедки.

п_тв = 335 -Цр « 300 об/мин. (IV.4)

Определение частоты вращения промежуточного вала. Про­межуточный вал может иметь три частоты вращения, включае­мые с пульта бурильщика при помощи кулачковых муфт.

Первая частота получается включением цепной передачи 22X47, вторая — включением передачи 35x47, а третья — включением передачи 35x27:

п¹ -п — . ^(IV-⁵⁾

'*ПВ /*ТВ I

*пв

Здесь nlв — частота вращения промежуточного вала на первой скорости, об/мин; zJ_B = 47—число зубьев звездочки первой скорости промежуточного вала; zJb = 22^to же, на трансмиссионном валу,

тогда

nl в = 300-^- яь* 140 об/мин.

47

Определяем частоту вращения промежуточного вала на вто­рой и третьей скоростях:

Япв = «тв —= 300 » 224 об/мин; (IV.6)

41 ⁴⁷

г¹¹¹ к

л^ш = л —— = 300 — » 390 об/мин, (IV.7)

пв ТВ _ш 27

ПА

где п” и nj” — частоты вращения промежуточного вала соот­ветственно на второй и третьей скоростях, об/мин; z“_B и z”¹— число зубьев звездочки соответственно второй и третьей ско­рости промежуточного вала; z“ и гЦ¹ — число зубьев звез­дочки соответственно второй и третьей скорости на трансмис­сионном валу.

Определение частоты вращения подъемного вала. Вал имеет четыре частоты вращения: первую, вторую и третью он получает от промежуточного вала через цепную передачу 36X72, а чет­

вертую, так называемую независимую,— непосредственно от трансмиссионного вала через передачу 43x33:

^пс, = ⁿL "гг; (iv.8)

_ПП1 ₌ „III _; „IV _{= rt}IV _?тв.

^{6 пв} г_б ^{6 тв} ?_вб ’

гдел^, nj¹, wj¹¹ и nj^v—частота вращения подъемного вала на

1. II, III и IV передачах; z_nB = 36 — число зубьев звездочки про­межуточного вала, передающего вращение подъемному валу; г_б = 72 — число зубьев звездочки на подъемном валу, соединен­ном со звездочкой промежуточного вала; z_TB = 43—число зубьев звездочки на трансмиссионном валу, передающем вращение подъемному валу; -г_Вб~33— число зубьев звездочки высокой (IV) скорости на подъемном валу;

^znJ^z6 = 36/72 = 0,5. (IV.9)

Тогда

п\= 140-0,5 = 70 об/мин;

п” = 224 • 0,5 = 112 об/мин;

/г”¹ = 390 - 0,5 = 195 об/мин;

n*^v = 300 “ = 390 об/мин.

⁶ 33

Определение среднего диаметра барабана с учетом длины навиваемого каната. Расчетный диаметр барабана (в м) опре­деляем по формуле

Dp = D₆ + d + (2z—2) da, (IV.10)

где D₆ — 0,65 м — диаметр барабана; d~28 мм — диаметр ка­ната; г —число рядов каната на барабане; а=0,93 — коэффи­циент сжатия каната.

Диаметр намотки по первому ряду каната

. Ди - 0,65 + d = 0,65 + 0,028 = 0,678 м. (IV. И),

Диаметр намотки по второму и третьему рядам

D₆₂ = D₆₁ + 2da = 0,678 + 2• 0,028• 0,93 = 0,730 м, (IV. 12)

D_{6 s}= As _x +4 da = 0,678 + 4 • 0,028 • 0,93 = 0,782 м.

Находим число витков каната в одном ряду:

_ ^6 0 /ТЛМОЧ

где 16 = 0,84 — ширина барабана; (J = 0,92-^0,95 — коэффици­ент неравномерности навивки каната; / = 0,030 м — шаг навивки каната.

Тогда

°,84-°.95 ^_26Д 0,03

Принимая, что в первом ряду находится 15 нерабочих вит­ков каната (т_н = 15), определим длину этого постоянно нави­того на барабан каната:

/_н = Jt D_6lm_H = 3,14 ■ 0,678• 15 = 32 м. (IV.14)

Необходимая длина каната L (в м) для подъема бурильных труб (свечей) длиной по 25 м будет:

L = e/« + /_H. (IV. 15)

Здесь е= 1,05-М, 15 — коэффициент, учитывающий пробег крюка при подъеме; /=25 м — длина свечи; м=6 — число ра­бочих ветвей оснастки,

тогда

L= 1,08-25*6 + 32= 194 м. (IV.16)

Длина одного ряда каната k (в м), навиваемого на бара­бан:

l_t = nD_6im (IV. 17)

(Dti — диаметр навивки по данному ряду каната, м).

Тогда для первого ряда

l_x = nD₆₁tn = 3,14 • 0,678• 26,6 ^ 57 м; (IV. 18)

для второго ряда

/₂ = nD₆₂tn = 3,14- 0,730 • 26,6 = 60,5 м; (IV.19)

на третий ряд навивается каната

/₈ = L—(l_v+ /_а) = 194 - (57 + 60,5) = 194 -117,5 = 76,5 м.

(IV.20)

Число витков в третьем ряду

т₃ = —- — «31. (IV.2X)

310(3з 3.14-0,782 '

Из расчета видно, что при ширине барабана 0,84 м в одном слое не может быть более 28 витков каната. В этом случае три витка образуют четвертый ряд.

' Расчетный диаметр барабана

'р 142

Принимаем D_p = 0,73 м, т. е. диаметр барабана с двумя ря­дами навивки.

Определение диаметра тормозных шкивов барабана. Диа­метр тормозных шкивов зависит от диаметра последнего ряда навивки каната на барабан и определяется следующим соотно­шением:

D_m=(l,8-b2,5)D_e. (IV.23)

Определение скорости подъема крюка. Зная частоту вра­щения подъемного вала и расчетный диаметр барабана, вычис­лим скорость подъема крюка (в м/с):

= (IV.24)

60 и

где и=6 — число рабочих ветвей при оснастке 3x4; 60 — число для перевода оборотов вала в минуту в обороте вала в се­кунду.

^K1 60и 60-6

1. 0064-112 = 0,71;

^к! 60и

₌ 0,0064-195 = 1,24; (1V.25)

60 а

о„4=-^^^- = 0,0064-4312= 1,99.

60 а

Здесь

= 0,0064.

60-6

Скорость навивки каната на барабан в нашем случае будет в 6 раз выше и составит соответственно 2,7; 4,26; 7,44; 11,94 м/с.

Определение мощности привода лебедки. Находим натяже­ние Р_в набегающего на барабан конца талевого каната:

Р_в= Зк + Зтс . (IV.26)

^(IV27)

где Q_TC=0,08 МН — сила тяжести подвижной части талевой си­стемы; т]тс — к. п. д. талевой системы; р — коэффициент сопро­тивления вращающего блока,

р=1/т|_ш= 1/0,97= 1,031; (IV.28)

rim = 0,97 — к. п. д. одного шкива.

Тогда ¹

_ч = ЬН¹"-¹ -0 9

6-1,031^е (1,031 — 1)

^р'=-^ьш^н'=⁰-^{33 мн}'

Для таких нагрузок принимаем талевый канат диаметром 28 мм.

Нагрузку на крюке Q_Ki на каждой скорости лебедки вычис­ляем по формуле

^л = -^£—. (IV.29)

1тс

откуда

N Ti -10^-3

, (IV.30)

к i

где А/_л = 625 кВт — мощность на подъемном валу.

Мощность на крюке

N_K = N_nr|_TC = N_K = 625 • 0,9 - 562 кВт.

Подставляя вместо v_Ki значения у_кь Укз, и v_ka, опреде­лим нагрузку на крюке, преодолеваемую лебедкой на каждой скорости:

⁶⁶²'^1(r8 = 1248-10-³« 1,25 МН;

0,45

д'

Q_k2 -= — = 790 • 10-³« 0,79 МН; (IV.31)

U | ■ 1

₌ S62-l°-³ _{= 450} ,₀-з _ _{0 45 мн} 1,24

Q_k4= — = 280-10^_3 ~ 0,28 МН.

1,99

Вычисляем необходимую мощность привода лебедки для подъема колонны:

= NJr\у = 625 : 0,75 = 830 кВт, (IV.32)

где r]y==0,75-J-0,78 — к. п. д. трансмиссий.

Следовательно, для обеспечения подъема колонны макси­мальной силы тяжести при полученных скоростях мощность на приводном валу лебедки должна быть не менее 830 кВт,

Определение числа и длины свечей. Чтобы найти число и длину свечей, которые могут быть подняты на той или иной скорости, необходимо знать вес утяжеленного низа и вес 1 м трубы данного диаметра. Если вес утяжеленного низа Q _УБТ, а вес бурильной трубы q, то число свечей, которое можно под­нимать на той или иной скорости, вычисляется по формуле

(/—25 м — длина свечи, м).

Если принять вес утяжеленного низа 0,20 МН, вес 1 м бу­рильной трубы 300 Н, то число свечей диаметром 114 мм, ко­торое можно поднять на первой скорости: ,

$1

(IV.34)

т. е. на первой скорости может быть поднято 200 свечей.

С помощью рассмотренной формулы решим ряд задач, ко­торые повседневно встречаются в работе техников и механи­ков контор бурения.

Задача 1. При глубине скважины 4000 м вышел из строя один элек­тродвигатель на установке БУ-4000. Требуется определить, на какой скоро­сти можно начать подъем колонны и сколько свечей можно будет поднимать на каждой из скоростей лебедки?

Исходные данные для расчета: мощность одного двигателя 320 кВт; оснастка талевой системы 5x6; диаметр бурильных труб 114 мм; длина утяжеленных труб 50 м, вес 0,12 МН.

Скорость подъема крюка, м/с: I — 0,176; II — 0,40; III—0,68; IV—1,05; V —1,49.