10.2. Силовые передачи и агрегаты

Силовые передачи основного привода выполняют следующие функции:

• регулирование момента и частоты вращения в соответствии с изменением эксплуатационных нагрузок, действующих на буровую лебедку и ротор;

• регулирование числа ходов поршней бурового насоса в зависимости от необходимой подачи и давления;

• суммирование мощности двигателей при групповом и многомоторном приводе;

• распределение мощности между лебедкой, насосами и ротором в буровых, установках с групповым приводом;

• плавное включение и защиту двигателей от чрезмерных перегрузок;

• реверсирование лебедки и ротора, приводимых от тепловых двигателей.

В приводе буровых, установок используются механические, гидравлические, электрические и пневматические передачи, различающиеся по способу преобразования передаваемого вращающего момента. Как правило, гидравлические и электрические передачи используются в сочетании с механическими, образуя гидромеханические и электрические передачи.

Механические передачи наиболее просты и надежны в эксплуатации, отличаются ступенчатым изменением частоты вращения и сравнительно высоким к.п.д., не зависящим от передаточных чисел. В приводе буровых установок используются следующие виды механических передач: понизительные зубчатые редукторы, суммирующие и раздаточные цепные редукторы, клиноременные и карданные передачи, цепные и зубчатые коробки перемены передачи, шинно-пневматические муфты и другие устройства, выбираемые в зависимости от используемых двигателей, назначения и компоновки привода.

В буровых установках с электрическим приводом число механических передач сокращается и благодаря этому привод становится более простым и компактным.

Реверс осуществляется электродвигателями, и это позволяет исключить зубчатую пару для обратного хода.

В результате сокращения числа механических передач к.п.д. привода подъемного механизма, по данным Уралмашзавода, возрастает с 0,64 в дизельных буровых установках до 0,83 в электрических. Соответственно к. п. д. индивидуального привода бурового насоса составляет 0,79 и 0,92.

К числу основных недостатков механических передач относится ступенчатое изменение частоты вращения. Согласно равенству мощностей и исполнительного механизма изменение рабочих нагрузок и моментов М на заданной передаче вызывает соответствующее изменение вращающего момента двигателя М_ДВ, что неблагоприятно сказывается на его экономичности и долговечности.

В гидромеханических передачах механические передачи сочетаются с гидродинамическими. Гидродинамические муфты применяют реже, так как они требуют более сложной системы управления для глубокого и продолжительного регулирования передаваемого вращающего момента.

Конструктивная схема гидротрансформатора

Рис.31.

Гидротрансформаторы конструктивно отличаются от гидромуфт тем, что в их рабочей полости (рис.31), кроме турбинного 1 и насосного 2 колес, устанавливается неподвижный лопаточный аппарат 3, называемый реактором. Преобразование момента в гидротрансформаторе происходит в результате воздействия лопаток реактора на скорость и направление потока жидкости, поступающей из насосного колеса на турбину. Вследствие значительных гидравлических потерь в реакторе максимальное значение к.п.д. наиболее совершенных гидротрансформаторов не превышает 0,8-0,92, тогда как у гидромуфт он составляет 0,94-0,98.

Преобразующие свойства гидротрансформатора и высокий к.п.д. гидромуфты в определенной степени совмещаются в комплексном гидротрансформаторе, конструктивное отличие которого состоит в том, что реактор соединяется с корпусом через муфту свободного хода МСХ 4. При больших нагрузках, когда момент на турбине М_Т больше момента насосного колеса М_Н, на реакторе возникает момент М_Р, заклинивающий МСХ и удерживающий реактор в неподвижном состоянии.

При уменьшении нагрузки, когда момент на турбине оказывается равным или меньше момента насосного колеса, МСХ расклинивается и реактор вращается в сторону насосного колеса, не влияя на поток рабочей жидкости. Таким образом, комплексный гидротрансформатор способен работать в режимах гидротрансформатора и гидромуфты.

Комплексные гидротрансформаторы придают дизельному приводу ряд новых свойств и возможностей. Экспериментальные зависимости показывает, что в дизель-гидравлическом агрегате частота вращения выходного (турбинного) вала п_Т изменяется от нуля в тормозном режиме до максимума в режиме холостого хода при практически неизменной частоте вращения дизеля п_Д.

Вращающий момент выходного вала М_Т плавно снижается от максимума в тормозном режиме до минимума в режиме холостого хода. Коэффициент трансформации момента К=6 и уменьшается до К=3,2…4 при к.п.д. гидротрансформатора, равном 0,7. Бесступенчатое изменение момента и частоты вращения позволяет полнее использовать мощность дизеля в приводе буровой лебедки и обеспечить автоматическое изменение скорости подъема в зависимости от нагрузки на крюке. Однако вследствие ограниченности коэффициента трансформации в зоне практически приемлемых значений к.п.д. гидротрансформаторы в приводе буровых лебедок самостоятельно не используются и дополняются механической коробкой перемены передач.

В приводе буровых насосов гидравлические передачи обеспечивают автоматическое изменение давления и подачи при изменении гидравлических сопротивлений в системе циркуляции промывочного раствора. Способность, гидротрансформатора развивать большие вращающие моменты при малой частоте вращения турбинного колеса создает условия для пуска насосов под нагрузкой, т.е. без применения пусковых задвижек. В приводе ротора гидромеханическая силовая передача по сравнению с механической передачей обеспечивает более благоприятной режим бурения и снижение аварий с бурильными трубами.

Рассматриваемые режимы работы ограничиваются определенным диапазоном нагрузок, не вызывающим перегрева гидротрансформаторов. Рабочая жидкость, между насосным и турбинным колесами гидротрансформатора поглощает крутильные колебания двигателя, способствуя снижению уровня шума и вибраций. Благодаря гидротрансформатору улучшается синхронизация параллельно работающих дизелей, что позволяет полнее использовать, их суммарную мощность.

Однако гидромеханические передачи по сравнению с механическими обладают значительно меньшим к.п.д. вследствие потерь мощности в гидротрансформаторе. Даже в режимах высоких значений к.п.д. эти потери составляют 20-25 %, что существенно ухудшает экономичность, привода буровой установки по расходу топлива. Нагрев, обусловленный потерями мощности в гидротрансформаторе, требует установки радиаторов для рабочей жидкости, что усложняет конструкцию и эксплуатацию гидромеханических передач.

В приводе буровых установок гидротрансформаторы преимущественно используются в сочетании с дизелем. Дизель и гидротрансформатор объединяются в один блок, называемый дизель-гидравлическим агрегатом. В сочетании с электродвигателем гидротрансформаторы в отечественных буровых установках не используются.