2 Расчетная часть проекта

2.1 Расчетное обоснование эксплуатационных нагрузок

Для уточнения конструктивных параметров проектируемой лебедки и его ленточного тормоза согласно задания на дипломное проектирование необходимо установить параметры базовой модели. Согласно задания мы имеем мощность лебедки в пределах 810 кВт. Эти данные примерно соответствуют табличным значениям буровой лебедки У-2-5-5.

Исходные данные к расчет:

Угол охвата шкива лентами 270⁰

Диаметр шкива 1180 мм

Материал ленты ретинакс

марка ФК-24А

ГОСТ 10857-73

Техническая характеристика материала ленты:

Коэффициент трения по стали =0,3

Допускаемое приведенное давление q=1,5 МПа

Исходные данные рабочего пневмоцилиндра:

Диаметр поршня 180 мм

Максимальное рабочее давление 0,8 МПа

Минимальное рабочее давление 0,6 МПа

Полный ход цилиндра 16 м

К.П.Д. пневмоцилиндра 0,85

2.1.1 Необходимый тормозной момент

Расчет ленточного тормоза проводится с учетом следующих условий: предполагается, что при опускании буровых и обсадных труб торможение проводится только ленточными тормозами. Максимальная нагрузка применяется при опускании в скважину обсадных труб.

Тормозной момент, необходимый при опускании буровой или обсадной колонны определяется по следующей формуле:

М=К (М₁+М₂ +М₃), (2.1)

где М₁–статический момент на барабане лебедки, возникающий от вибрации при опускании буровой колонны в процессе натяжения ходового конца талевого каната, Нм

М₁=((Q+G_тс) _т.с^.D_p) / i_тс^.2, (2.2)

где М₂–динамический момент от вибрационного водействия торможения поступательно движущихся подвижных масс, дополнительно возникающий в процессе натяжения ходового конца талевого каната,Нм

M₂=((Q+G_т.с) V_max^._тс^.D_p) / g^.t^.i_тс^.2, (2.3)

где М₃–динамический момент, возникающий на подъемном валу барабана лебедкиот натяжения ходового конца при торможении вращающихся масс подъемного вала и талевой системы, Нм.

В соответствии с техническими характеристиками буровой лебедки и его грузоподъемности можно принять, что скорость подъема и скорость опускания равны.

Момент инерции первого слоя талевого каната:

I₁= [(^. D₁ ^. q) / д]=D²₁ / 4, (2.4)

где n–количество слоев на барабане;

n=(длина бочки / ход)–1=840 / 28–1=29;

D₁=0,706 м–диаметр первого слоя;

q=3,38–масса первого погонгой метра ;

д=9,8 м/с²–уменьшение ускорения свободного падения.

I₁=29 [(3,14 ^. 0,706^. 3,38) / 9,81]=0,706² / 4=27,60 Нм.

Момент инерции второго слоя каната:

I₂=n [(^. D₂ ^. q) / g] ^. D²₂ / 4;

I₂=29 [(3,14 ^. 0,758^. 3,38) / 9,81]^. 0,758² / 4=34,2 Нм.

Момент инерции третьего слоя каната:

I₃=n [(^. D₃ ^. q) / g] ^. D²₃ / 4;

I₃=29 [(3,14 ^. 0,81^. 3,38) / 9,81] ^. 0,81² / 4=41,7 Нм.

Момент инерции четвертого слоя каната:

I₄=n [(^. D₄ ^. q) / g] ^. D²₄ / 4;

I₄=29 [(3,14 ^. 0,862^. 3,38) / 9,81] ^. 0,862² / 4=50,2 Нм.

Суммарный момент инерции слоев талевого каната:

I=I₁ + I₂ + I₃ + I₄. (2.5)

I=27,6 + 34,2 + 42,7 + 50,2=153,7

Тормозной момент при спуске обсадных колон:

М₁=((Q + G_тс) _т.с^. Dp) / i_тс^. 2 (2.6)

М₁=((200 000 + 5500) 0,957 ^. 0,785) / 10 ^. 2=77190 Нм.

M₂=((Q + G_т.с) V_max^._тс^. Dp) / g ^. t ^. i_тс^. 2 (2.7)

M₂=((200 000 + 5500) 0,2 ^. 0,957 ^. 0,785) / 9,81 ^. 3 ^. 10 ^. 2=520 Нм.

M₃=I ^.е =72 ^.1,7=1220 Нм (2.8)

M= (M₁ + M₂ + M₃) (2.9)

М=1,2 (77190 + 520 + 1220)=94720 Нм.

Тормозной момент при спуске буровой колоны:

М`₁=((Q + G_тс) _т.с^. Dp) / i_тс^. 2;

М`₁=((100 000 + 5500) 0,849 ^. 0,785) / 10 ^. 2=35160 Нм;

M`₂=((Q + G_т.с) V_max^._тс^. Dp) / g ^. t ^. i_тс^. 2;

M`₂=((100 000 + 5500) 0,43 ^. 0,849 ^. 0,785) / 9,81 ^. 3 ^. 10 ^. 2=510 Нм;

M`₃=I ^.е =72 ^. 3,6=2630 Нм;

M= (M₁ + M₂ + M₃)=1,2 (35160 + 510 + 2630)=45960 Нм.

Расчетный тормозной момент:

M=94720 Нм.

Окружная сила приходящаяся на каждый тормозной шкив:

P₀=M / D_m=94720 / 1,18=80270 Н, (2.10)

где D_m–диаметр тормозного шкива

t_=Р₀ / ℓ^ – 1=80270 / 4,107 – 1=25 (2.11)

где ℓ–натуральный логарифм,

ℓ=2,718;

=0,3–коэффициент трения по стали;

–угол обхвата ленты;

=270^0. 3/2=4,71 радиан.

Натяжение верхнего конца ленты:

Т=t_^. ℓ^=25830 ^.4,107=106080 Н. (2.12)

Удельное давление на поверхности тормозных колодок на набегающем конце ленты:

q=2Т / (D_m^. В)=2^.106080 / (118^.23)=0,78 МПа (2.13)

где В=23 см–ширина ленты.

Удельное давление на поверхности тормозных колодок на сбегающем конце ленты:

q=2 ^. t_ / (Dm ^. В)=2 ^. 25840 / (118 ^. 23)=0,19 МПа (2.14)

q_max [q]=1,5 МПа.

Крутящий момент на коленчатом валу привода тормоза:

M_к= 2 t_^. h_к (2.15)

M_к=2·25830 ^. 0,04=206640 Нм,

Где h_k=40 мм–вращающее движение стягивающей силы.

Усилие необходимое для воздействия на рукоятку тормоза:

P_p=M_к / h_p=206440 / 145= 1420 Н, (2.16)

где h_p–145 см–плечо стягивания.

Усилие необходимое для приведения в движение рукоятки тормоза превышает человеческое физическое усилие, поэтому необходимо применение дополнительно при опускании обсадных колон применять пневмоцилиндры.

Сила возникающая при работе пневмоцилиндра:

P_ц=M_к / h=206640 / 12,1=17080 Н, (2.17)

где h–плечо стягивания пневмоцилиндром.

Давление воздуха необходимое для работы пневмоцилиндра:

Р=Р₄ / (_ц^. F_n)=17080 / (0,85 ^. 254)=0,79 МПа, (2.18)

Где _ц – К.П.Д. пневмоцилиндра і=0,85;

F_n –площадь поршня пневмоцилиндра;

F_n =254.

В этом случае сила, возникающая в пневмоцилиндре:

P`_ц = p ^. F_n ^._ц . (2.19)

P`_ц = 0,8 ^. 0,85 ^. 254 = 17270 Н.

Сила возникающая при опускании обсадной колонны на кинематических элементах ленточного тормоза.

Расчетный тормозной момент:

М = 45960 Нм.

Окружная сила на каждом тормозном шкиве:

P₀ = M / Dm = 45960 / 1,18 = 38950 Н.

Натяжение нижнего конца ленты:

t_ = Р₀ / ℓ^ – 1 = 38950 / 4,107 – 1 = 12540 Н.

Натяжение верхнего конца ленты:

Т = t_^. ℓ^ = 12540 ^. 4107 = 51490 Н.

Удельное давление на поверхности тормозных колодок на сбегающем конце ленты:

q_max = 2Т / (Dm ^. В) = 2 ^. 51490 / (118 ^. 23) = 0,38 МПа.

Удельное давление на поверхности тормозных колодок на набегающем конце ленты:

q_max = 2 ^. t_ / (Dm ^. В) = 2 ^. 12540 / (118 ^. 23) = 0,092 МПа.

Крутящий момент на коленчатом валу :

M_к = 2 t_^. h_к = 2 ^. 12540 ^. 4 = 100 320 Нм.

Усилие необходимое на тормозной рукоятке:

P_p = Mк / h_p = 100 320 / 145 = 6920 Н.

И в данном случае усилие, необходимое для приведения в движение рукоятки тормоза требует усилий больше человеческих, поэтому необходимо использовать дополнительно пневмоцилиндр.

Усилие возникающее в пневмоцилиндре:

P_ц = 1000320 / 12,1 = 8290 Н.

Необходимое давление в пневмоцилиндре:

P = P_ц / (F_n ^._ц) = 8290 / (254 ^. 0,85) = 0,38 МПа.

При опускании обсадных труб давление в пневмоцилиндре не должно быть ниже 0,4 МПа.

Тогда в пневмоцилиндре возникает усилие:

P`_ц = p ^. F_n ^._ц = 0,4 ^. 254 ^. 0,85 = 8650 Н.