2. Расчет размеров, канатоемкости и напряжения сжатия барабаналебедки.

Основные размеры барабана лебедки - диаметр и длина его бочки. Диаметр барабана определяется в зависимости от диаметра каната

(16)

Для лебедок большой мощности с большим числом спусков и подъемов колонн:

(17)

Рис. 1. Отклонение каната при навивке на барабан.

Длина барабана лебедки ( ) выбирается при условии плотной укладки каната и минимальном его износе. По мере отхода каната от средней линии к реборде (рис. 1) возрастает горизонтальная составляющая его натяжения и соответственно плотность укладки. И наоборот, при отходе каната от реборды плотность его укладки уменьшается.

Длина барабана:

(18)

где - расстояние от оси барабана до кронблока; - угол отклонения каната (угол девиации), который рекомендуется принимать в пределах 45° — 1° градуса. При бурении нефтяных и газовых скважин ориентировочно длину барабана выбирают в зависимости от его диаметра в пределах:

(19)

Расчетная канатоемкость барабана определяется длиной каната, навитого на барабан при верхнем положении талевого блока:

(20)

где - число подвижных струн талевой системы; - расстояние от пола буровой вышки до оси кронблока, м; - число запасных (не сматываемых при спускоподъемных операциях) витков каната на барабане. В соответствии с правилами безопасности число витков при нижнем положении крюка должно быть не менее трех ( >3).

Число витков каната в одном слое навивки:

где а = 1,05-1,1 - коэффициент, учитывающий зазоры между витками и поперечную деформацию каната.

Рис. 2. Расположение слоев каната на барабане.

Длина каната по слоям навивки (рис.2):

);

);

…………………………………

(22)

Общая длина каната на барабане при Z слоях навивки:

(23)

где Z ≤ 3 - рекомендуемое число слоев навивки каната на барабане (в верхнем рабочем положении талевого блока), так как при большем числе слоев возрастает износ канта; в=0,90+0,93 - коэффициент, учитывающий уменьшение расстояния между слоями вследствие деформации каната при навивке

Общая длина каната для оснастки талевой системы буровой установки для бурения на нефть и газ:

(24)

где – диаметр шкива талевой системы, м; -длина каната, не сматываемая с барабана при нижнем положении крюка, т.е. запасная длина;

(25)

Здесь согласно РД39-22-617-81 "Единые нормы техники безопасности на разработку основных видов нефтегазодобывающего оборудования (МНП,1982)» > 5 число запасных витков каната на барабане (обычно = 10 + 15 м).

Расчетная канатоемкосгь определяет минимально допустимый диаметр реборд барабана. Фактически предельная — канатоемкосгь барабана лебедки обычно значительно выше рабочей, полученной по формуле (20), поскольку окончательно диаметр реборд устанавливается в зависимости от размера тормозных шайб.

Диаметр тормозных шайб выбирают в пределах:

(26)

В табл. 2 Приложения приводятся варианты контрольного задания: "Расчет габаритных размеров барабана лебедки”.

Пример 2.Произвести расчет размеров и канатоемкости барабана лебедки для следующих условий:

• расстояние от оси барабана до кронблока H₀=13,5м;

• высота вышки Н_в =15м;

• число подвижных струн талевой системы =2;

• канат диаметром =17,5мм.

Решение:Определяется диаметр барабана лебедки в зависимости от диаметра каната , (см. формулу 16)

Определяется длина барабана. Примем угол отклонения каната равным а = 1° . Тогда по формуле (18):

Приняв 3 по формуле (20) определим расчетную канатоемкость барабана (длина каната, наматываемая на барабан лебедки):

где п_зап - число запасных витков каната на барабане (т.е. число не сматываемых при СПО) равное трем.

Определяется число витков каната в одном слое навивки. Принимаем коэффициент, учитывающий зазоры между витками и поперечную деформацию каната а =1,1

Определяется общая длина каната на барабане

Примем z=3; b=0,93 - коэффициент, учитывающий уменьшение расстояния между слоями из-за деформации каната при навивке. По формуле (23)

После того, как определены основные размеры барабана, производится расчет напряжения сжатия в стенке барабана лебедки. При навивке каната в стенках бочки барабана возникают напряжения сжатия, изгиба и кручения. В связи с тем, что осевой и полярный моменты сопротивления барабана больше, напряжениями изгиба и кручения, возникающими в стенке барабана, можно пренебречь. Под действием сжимающих усилий каната оболочку рассматривают как трубу, нагруженную внешним равномерным давлением.

Виток каната, навитый на барабан, сжимает оболочку, уменьшая ее диаметр в зоне, прилегающей к витку. Диаметр барабана при навивке следующего витка еще более уменьшается, в результате чего натяжение каната в нем снижается. Каждый последующий виток изменяет натяжение в ранее навитых витках, поэтому при расчете напряжений в стенке барабана вводят коэффициент а_z, учитывающий уменьшение среднего давления на оболочку:

где Р - расчетное натяжение каната; - толщина стенки барабана; t=(1,05÷1,1) - шаг навивки каната на барабан.

Последовательность расчета приводится в следующем примере.

Пример 3. Определить напряжение сжатия в стенке бочки барабана, если известно:

расчетное натяжение каната ; число слоев навивки z=3; = 1,5·10^-2м; суммарное сечение проволок =10^-4 м²; модуль упругости каната =1,3·10¹¹ Па; модуль упругости при поперечном сжатии =2,5·10⁸ Па; радиус оболочки барабана r= 0,15 м; материал оболочки - стальное литье; модуль упругости Е=2·10¹¹ Па.

Решение: Определяется отношение жесткостей каната и оболочки из выражения:

где . Для барабана стального литья =0,8÷1,0; для сварных из листовой стали =0,4÷0,5; для чугунных =1÷1,5; примем 0,9 и 1,05· , по формуле (28) находим:

Определяем безразмерный параметр:

Теперь можно определить коэффициент a_z по слоям навивки

Для первого слоя:

Для второго слоя:

где

Тогда:

для третьего слоя:

Далее находим:

Напряжение сжатия в стенках барабана по формуле (27) равны:

где

Допускаемое напряжение для стального литься 120 МПа; для сварных из листовой стали 160 МПа, а для серого чугуна 100МПа. Вывод: < .