- •Конспект лекций
- •Кафедра "Нефтегазопромысловые и горные машины и оборудование"
- •Тема 1 Введение
- •Тема 2 Методология, структура и этапы проектирования бурового и нефтепромыслового оборудования
- •2.1. Нефтегазопромысловые машины как объекты проектирования
- •2.2 Анализ понятий „проектирование„ и „конструирование„
- •2.3 Развитие методов проектирования
- •2.5 Система разработки и постановки продукции на производство
- •2.5.1 Разработка технического задания на окр
- •2.5.2 Разработка документации, изготовление и испытания опытных образцов продукции
- •2.5.3 Испытания опытных образцов продукции
- •2.5.4 Приемка результатов разработки продукции
- •2.5.5 Подготовка и освоение производства (постановка на производство) продукции
- •2.6 Виды проектных работ, конструкторская документация.
- •2.7 Нефтегазопромысловая машина с позиции проектирования как объект производства и эксплуатации
- •2.8 Основные принципы и правила проектирования
- •2.8 Основные положения системного подхода
- •2.9 Системный подход при автоматизированном
- •2.10 Оценка технического уровня и качества нефтегазопромысловых машин
- •Тема 3 Структурообразование систем проектируемого оборудования
- •3.1 Анализ и синтез компоновочных схем бурового оборудования применительно к заданию на проектирование
- •3.1.1 Назначение и область применения бурового оборудования
- •3.2 Исходные условия и данные к разработке структурной схемы буровой установки:
- •3.3 Выбор категории, класса, вида и основных параметров буровой установки
- •3.4 Принципы конструирования бурового оборудования, задачи и технические основы конструирования
- •3.5 Экономические основы проектирования
- •3.6 Выбор схемы и компоновка оборудования буровой установки
- •3.6 Разработка кинематической схемы буровой установки
- •Разработка кинематических схем буровых установок
- •Определение передаточных отношений механизмов
- •3.2 Анализ и синтез компоновочных схем оборудования скважинных штанговых насосных установок для добычи нефти применительно к заданию на проектирование
- •3.2.1 Назначение и область применения
- •3.2.1 Синтез компоновочных схем оборудования скважинных штанговых насосных установок для добычи нефти
- •3.2.3 Анализ кинематики аксиальных и дезаксиальных
- •3.2.3 Основные параметры
- •3.2.4 Выбор схемы и компоновка станков-качалок
- •Тема 4. Расчеты на прочность и долговечность деталей нефтегазопромысловых машин и оборудования
- •4.1 Классификация действующих нагрузок
- •4.2 Виды отказов по критериям прочности
- •4.3 Выбор конструкционных материалов и способы упрочнения деталей
- •4.4 Методы расчета на прочность
- •4.5 Расчеты на статическую прочность
- •4.6 Расчет на прочность при переменных напряжениях
- •Тема 6. Автоматизированное проектирование, применение компьютерной техники и построителей при разработке конструкторской документации
- •6.1. Развитие технологий сапр
- •6.3. Формирование деталей
- •6.4. Формирование сборок.
- •Тема7 Эргономические основы проектирования машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов
- •7.1 Эргономика – её история, предмет и развитие
- •7.2 Антропологическое соответствие машины человеку
- •7.2 Физиологическое соответствие изделий человеку
- •7.2.1 Температура
- •7.2.1 Шум
- •7.2.3 Вибрации
- •7.2.4 Зрительное восприятие
- •7.2.5 Световой комфорт
- •7.2.6 Некоторые особенности моторики человека
- •7.2.5 Сила
- •7.3 Психологическое соответствие изделий человеку
3.6 Разработка кинематической схемы буровой установки
В первоначальной стадии проектирования одновременно с компоновкой оборудования следует разработать несколько вариантов кинематических схем, проанализировать их и выбрать вариант, обеспечивающий наибольшую эффективность. При этом необходимо проанализировать кинематические схемы всех исполнительных и промежуточных звеньев.
Движение исполнительных органов буровой установки
Режущие элементы породоразрушающего инструмента (долота) при вращательном бурении должны перемещаться по винтовой линии, причем вращательное движение должно быть согласовано с поступательным. Поршни буровых насосов должны совершать возвратно-поступательное прямолинейное движение с переменной или постоянной скоростью. Для смены породоразрушающего инструмента бурильная колонна разбирается на свечи, которые извлекаются из скважины и спускаются в нее при поступательном движении. В соответствии с этим установка должна иметь механизмы, посредством которых осуществляются эти основные или главные рабочие движения.
Скорость главных движений основных исполнительных механизмов буровой установки определяется:
для породоразрушающего инструмента - долота - допустимой частотой вращения и буримостью пород;
для поршней бурового насоса - допустимой средней скоростью перемещения поршня насоса в цилиндре;
для крюка подъемной системы - допустимыми скоростями движения бурильной колонны в скважине и мощностью подъемного механизма.
Наряду с основными движениями осуществляются вспомогательные: свинчивание и развинчивание замковых соединений колонны, закрепление ее в роторе, установка извлеченных из скважины бурильных труб и подтаскивание и спуск их обратно в скважину. Для рационального использования буровой установки и определения ее технических показателей необходимо знать скорости движения основных элементов.
Кинематические связи между основными исполнительными механизмами: приводными двигателями, крюком, столом ротора и поршнями насосов - важнейший элемент при разработке эскизного проекта буровой установки. Для наивыгоднейшего использования мощности и обеспечения эффективности бурения необходимо установить скорости движения, пределы их регулирования и величины путей перемещения при наиболее простых кинематической схеме и конструкции проектируемой установки.
Сначала намечают кинематическую структуру буровой установки, т. е. совокупность устойчивых кинематических связей между источниками движения и исполнительными механизмами, обеспечивающих цельность и сохранение основных кинематических свойств при различных внутренних и внешних изменениях.
Кинематические связи могут быть внутренними и внешними. Внутренняя кинематическая связь - это кинематическая связь исполнительных механизмов между собой, определяющая характер их движения (вращательное или поступательное). Скорость движения исполнительного механизма внутренняя кинематическая связь не определяет. Внешняя кинематическая связь - это кинематическая связь исполнительных механизмов с источником движения. Она определяет скорость и направление движения исполнительного механизма. Внешняя кинематическая цепь соединяется с внутренней через любое промежуточное звено внутренней кинематической цепи, называемое ведомым звеном цепи привода.
Для того чтобы разработать кинематику буровой установки, сначала разрабатывают структурную, а затем конструктивную кинематические схемы.
Кинематическая структурная схема - кинематическая модель буровой установки, в которой устанавливается взаимное расположение звеньев, органов настройки и их связей. Она не определяет, какими средствами должно быть реализовано то или иное движение и его скорость.
Кинематическая конструктивная схема является кинематической моделью буровой установки, в которой указывается, какими средствами реализуется движение того или иного звена с соблюдением размеров и форм, при изменении которых изменяются положения, скорости и ускорения отдельных элементов системы. На кинематической схеме указывается все, что необходимо для изучения движения.
Кинематическая конструктивная схема буровой установки показана на рис. 3.11, а. На рис. 3.11, б приведена структурная схема буровой установки с приводными двигателями, сблокированными между собой и образующими групповой силовой привод основных исполнительных механизмов - ротора, насосов и лебедки.
На структурную схему наносят условные изображения ее отдельных звеньев и элементов в виде ромбов, квадратов, окружностей или других фигур, а их кинематические связи изображают пунктирными линиями. На структурной схеме (рис. 3.11, б) постоянные звенья кинематической системы изображены ромбами (с постоянным передаточным отношением un), подвижные звенья, называемые органами настройки (с переменным передаточным отношением uv), - также ромбами. Приведенная на схеме буровая установка имеет один источник движения, состоящий из трех двигателей 11, сблокированных общей трансмиссией 15, и три кинематические группы: ротор 2, лебедку 4 с талевой системой 3, на которой через крюк подвешена бурильная колонна с долотом 1. Эти группы составляют общую кинематическую группу.
Талевая система также может служить органом настройки uvт - звеном, изменяющим вращательное движение каната при намотке на барабан на поступательное движение с крюком. Ротор и лебедка имеют свои постоянные звенья uпр 6 и uпл 5 и общий орган настройки uv пр 7, которым производится кинематическая настройка на заданную скорость и направление движения исполнительных механизмов (ротора и лебедки). Орган настройки 7 (коробка перемены передач) приводится во вращение от источника движения 11 общей кинематической связью, включающей: орган настройки uv тт - турботрансформатор 10 и постоянное звено un.пр - цепные передачи 8 и 9 с постоянными отношениями.
Привод насосов 14 представляет собой раздельную кинематическую группу, которая приводится от общего источника движения 11 и органа настройки uv тт 10 через постоянные звенья un.п - цепные трансмиссии 12 и 13. В буровых установках с индивидуальным приводом исполнительных механизмов (ротор, лебедка, насосы) имеются только обособленные кинематические группы и общая их структура и кинематическая схема значительно проще, чем в установках с групповым приводом.
Кинематическая настройка буровых установок осуществляется периодически в зависимости от изменения режимных условий бурения. Обычно в буровых установках применяют два-три органа настройки: коробку передач привода uv лр ротора и лебедки, талевую систему uvт и турботрансформатор uv тт привода насосов и лебедки. Кинематическая настройка установки в основном сводится к определению параметров органа настройки, при помощи которых удается достигнуть нужных скоростей перемещения конечных звеньев цепи. Эти перемещения называют расчетными перемещениями и определяют их в зависимости от различных факторов — массы поднимаемой бурильной колонны, требуемой частоты ее вращения, скорости подачи долота и др.
После этого составляют формулу настройки каждою органа
где uп - передаточные отношения соответственно постоянных звеньев кинематической цепи и органа настройки; п1 в п2 - частоты вращения источника движения и исполнительного звена.
После установления законов основных движений, определения частот вращений и скоростей движения конечных звеньев кинематических цепей приступают к разработке кинематической схемы буровой установки.
Общие требования к кинематической схеме буровой установки
Разработка кинематической схемы - одна из начальных стадий проектирования буровой установки.
Разрабатывают несколько вариантов кинематических схем. Разработанные варианты должны быть всесторонне рассмотрены и оценены их преимущества и недостатки, так как некоторые из вариантов могут привести к конструктивным решениям, неравноценным в эксплуатационном и технологическом отношениях, хотя сами кинематические схемы будут обеспечивать необходимые скорости и перемещения конечных звеньев. На выбор кинематической схемы влияют технологические возможности завода-изготовителя, унификация и использование имеющихся готовых механизмов. На основе анализа всех данных создают кинематическую схему, наиболее полно удовлетворяющую всем требованиям.
В каждой буровой установке должны быть три основные кинематические цепи: подъемного механизма, привода ротора и привода насосов. В совокупности эти цепи образуют кинематическую схему всей установки. Одни цепи в зависимости от характера работ и назначения установки должны допускать временную (привод ротора от вала лебедки) или постоянную связь между собой, другие (насосы и лебедка) могут постоянно оставаться независимыми одна от другой. При оценке различных вариантов схем по признаку их сложности следует учитывать степень механизации и автоматизации процессов.
Кинематическая схема буровой установки должна удовлетворять общим требованиям: 1) обеспечению необходимого диапазона регулирования и изменения скоростей движения ротора, подъемного комплекса и насосов; 2) обеспечению регулирования скоростей подъема и спуска колонны бурильных труб при наименьших затратах времени.
Степень сложности кинематической схемы оценивается сопоставлением, причем в качестве критериев могут быть выбраны следующие: 1) число элементов, входящих в кинематическую схему установки (валы, клиноременные, цепные и зубчатые передачи, подшипники, муфты сцепления, блоки талевой системы), число слоев намотки каната на барабан лебедки; число трубопроводов, распределительных органов пневмосистемы управления, число органов управления; 2) число сравнительно сложных в изготовлении или сборке элементов (редукторы, коробки передач, фрикционные муфты); 3) расположение валов; предпочтительно такое расположение, при котором их оси параллельны и находятся по возможности в одной плоскости или с небольшими углами наклона передач; следует избегать применения вертикального расположения цепных и клиноременных передач; допускается также взаимно перпендикулярное расположение валов с коническими зубчатыми передачами.
Для облегчения физического труда рабочих и сокращения времени проходки скважин необходимо рассматривать техническую и экономическую целесообразность степени механизации. Надежность работы отдельных агрегатов и элементов буровой установки следует оценивать с учетом не только возможности отказов, но и наличия дублирующих цепей, обеспечивающих бесперебойную работу.