Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин

Центробежная сила, отжимающая фрикционные накладки, Pöá = mv2/R ≈ 0,005mDn2,

ãäå m – масса фрикционных накладок и других частей баллона, отжимаемых центробежными силами; v – окружная скорость центра тяжести отжимаемой части; R = 0,5D – расстояние от оси вращения до центра тяжести отжимаемой части баллона; n – частота вращения муфты, мин–1.

Подставляя значения P è Pöá в формулу (23.9), получают

Из формулы (23.10) следует, что момент сцепления шиннопневматической муфты достигает наибольшего значения при тормозном режиме (n = 0):

M0 = (p – p0) FµD/2.

С увеличением частоты вращения момент сцепления обжимных шин- но-пневматических муфт снижается и достигает нуля при условии

(p – p0) F – 0,005mDn2 = 0.

Частоту вращения, при которой момент сцепления муфты равен нулю, называют предельной частотой вращения муфты:

nïð = (p − p0 )F /(0,005mD).

Влияние частоты вращения на момент сцепления муфты учитывается коэффициентом момента

Kì = Mn/M0,

ãäå Mn – момент сцепления муфты при частоте вращения n.

Íà ðèñ. 23.14, в приведена безразмерная характеристика шиннопневматических муфт. Мощность, передаваемая муфтой, равна нулю при тормозном режиме (n = 0) и при вращении с предельной частотой (n = nïð). Номинальные значения частоты вращения и момента сцепления муфт, соответствующие режиму наибольшей передаваемой мощности,

ní ≈ 0,6nïð; Mí ≈ 0,65M0 .

Влияние частоты вращения муфты на передаваемую мощность учитывается коэффициентом мощности

KN = Nn/Nmax,

ãäå Nn – мощность, передаваемая муфтой при частоте вращения n; Nmax – максимальная мощность, передаваемая муфтой при номинальной частоте вращения.

Кривые момента сцепления и мощности в соответствующем масштабе выражают изменение коэффициентов момента и мощности (см. рис. 23.14, в). Шинно-пневматические обжимные муфты следует выбирать так, чтобы наибольшая частота вращения под нагрузкой не превышала 0,7nïð. При дальнейшем увеличении частоты вращения резко снижаются моменты сцепления и мощности, вызывающие неустойчивость в работе муфты. Муфты выбирают исходя из следующих расчетных условий:

857

ãäå S – запас сцепления; Mâð – момент вращения от рабочей нагрузки; [S] – допускаемый запас сцепления; N – мощность, передаваемая муфтой.

Допускаемый запас сцепления назначают в зависимости от режима работы исполнительной машины, вида привода и инерционных нагрузок. При чрезмерном запасе сцепления возникают большие динамические нагрузки в процессе пуска машины. В случае недостаточного запаса сцепления наблюдается продолжительное проскальзывание, вызывающее нагрев и износ муфты. На основании накопленного опыта рекомендуются следующие значения допускаемых запасов сцепления:

Необходимые для расчетов технические данные шинно-пневмати- ческих муфт приведены в табл. 23.2.

Вращающий момент от рабочей нагрузки рассчитывают по выходной мощности двигателя и наименьшей частоте вращения.

Пневмокамерные муфты отличаются от шинно-пневматических тем, что между баллоном и фрикционными накладками расположены пустотелые башмаки, обеспечивающие вентиляцию и более эффективную теплоизоляцию.

Радиальное смещение осей соединяемых валов вызывает скольжение фрикционных накладок по шкиву, поэтому пневмокамерные муфты наиболее целесообразно использовать для соединения валов с расположенными на них цепными звездочками.

В многокамерных муфтах (рис. 23.15) каждая накладка 2 снабжена отдельной пневматической камерой 1 с самостоятельным каналом 3 для ввода воздуха. Благодаря этому повышается надежность муфты, так как в случае выхода из строя одной и даже нескольких камер многокамерная муфта в отличие от шинно-пневматической и пневмокамерной сохраняет работоспособность.

Дисковая диафрагменная муфта (рис. 23.16) для соединения вала 4 с цепной звездочкой 3 состоит из ступицы 2, установленной на торце вала. На наружных шлицах ступицы установлены фрикционные диски 1. Âåäî-

Буквы обозначают: М – муфта, Ш – шинно-пневматическая; первое число – диаметр шкива муфты, второе – ширина фрикционной накладки.

При давлении в камере 0,7 МПа и коэффициенте трения 0,3.

858

Рис. 23.15. Многокамерная муфта

мая часть соединена болтами с цепной звездочкой и включает в себя корпус 5, на внутренних шлицах которого установлены опорный 6, промежуточный 7 и нажимной 8 диски. Между нажимным диском и крышкой 9 корпуса муфты размещен пустотелый диск 10 с диафрагмой 11.

Под давлением воздуха, поступающего в камеру между диафрагмой и крышкой, пустотелый диск вместе с нажимным перемещается на длину суммарного зазора между трущимися поверхностями. Для двухдисковой муфты зазор равен 8–14 мм в зависимости от степени износа фрикционных накладок. При дальнейшем увеличе- нии давления происходит сцепление муфты и переда- ча вращающего момента от вала к свободно сидящей на

нем цепной звездочке. При выпуске воздуха из камеры пружины 8 муфты разжимаются и отводят диски в исходное положение. Нажимные устройства дисковых муфт могут быть пневмокамерного и поршневого типов.

Момент сцепления дисковой муфты не зависит от частоты вращения. При одинаковых габаритах дисковая муфта по сравнению с цилиндриче- ской имеет значительно больший момент сцепления. Например, при давлении в камере 0,7 МПа шинно-пневматическая муфта МШ1070Ч200 при 500 мин–1 имеет момент сцепления M ≈ 40 кН м, а двухдисковая муфта того же диаметра – M = 100 кН м. Однако дисковые муфты не допускают угловых и особенно радиальных смещений, вызывающих быстрое изнашивание пар. Кроме того, дисковые муфты дороже в изготовлении и хуже охлаждаются. Указанные недостатки ограничивают их применение в буровых установках.

Момент сцепления дисковой муфты

ãäå P – осевая нагрузка, создаваемая нажимным устройством, с учетом противодействия пружин; R – радиус равнодействующей сил трения; z – число пар трения, равное удвоенному числу дисков с фрикционными накладками.

859

Рис. 23.16. Дисковая диафрагменная муфта

Радиус равнодействующей сил трения с точностью до 3 % можно определить по формуле

R = (D + d)/4,

ãäå D è d – наружный и внутренний диаметры фрикционного диска.

860

Осевая нагрузка P зависит от давления в камере нажимного устройства, ее опорной площади и противодействия пружин:

P = (p – p0)F – czïð(∆ + δ),

ãäå p – давление в камере нажимного устройства; p0 – давление, необходимое для перемещения нажимного диска, равного суммарному зазору между дисками; F – площадь опорной поверхности камеры; c – жесткость пружины; zïð – число пружин в муфте; ∆ – предварительный натяг пружины; δ – суммарный зазор между дисками муфты.

Подставляя полученные значения в формулу (23.11), получают

M = [(p − p0 )F − czïð(∆ + δ)]/[0,25µz(D + d)].

Дисковые муфты выбирают согласно условию M ≥ Mâð[S], ãäå M – момент сцепления муфты; Mâð – вращающий момент от действующей нагрузки; [S] – запас сцепления.

Электромагнитные муфты. Сцепление электромагнитных муфт осуществляется под действием сил магнитного притяжения, возникающих при включении постоянного тока в обмотку возбуждения муфты. В буровых установках применяют индукционные муфты скольжения, сцепляющиеся посредством магнитного поля, и ферропорошковые муфты, имеющие электромеханическую связь.

Электромагнитная муфта скольжения (ЭМС) состоит из концентрич- но расположенных якоря 1 и индуктора 2, на котором установлена обмотка возбуждения 3 (ðèñ. 23.17, à). При включении постоянного тока в обмотку возбуждения возникает магнитный поток, который наводит в якоре переменную электродвижущую силу, в результате чего возникает ток якоря. Взаимодействие тока якоря с магнитным потоком полюсов индуктора приводит к возникновению электромагнитного момента, под действием которого ведомый вал 4 начинает вращаться в направлении ведущего вала 5.

Вращающий момент ЭМС зависит от частоты вращения якоря относительно индуктора и силы тока возбуждения.

Íà ðèñ. 23.17, á показана механическая характеристика электромагнитной муфты скольжения, выражающая в относительных координатах зависимость частоты вращения ведомого вала n2 от момента сил сопротивления вращению M2 при заданных вращающем моменте Mí и частоте вращения ведущего вала n1; Ií – номинальная сила тока возбуждения, Ií > I′ > > I′′ > I′′′. Частота вращения ведомого вала муфты всегда меньше частоты вращения ведущего вала, так как только при скольжении в якоре возникают токи, создающие электромагнитный момент. С увеличением момента сил сопротивления M2 частота вращения ведомого вала муфты снижается. Момент, передаваемый ЭМС, падает с уменьшением тока возбуждения.

Âэлектромагнитной порошковой муфте (МЭП) зазор между ведущей

èведомой полумуфтами заполняют порошком из технически чистого железа. Вследствие этого возрастают магнитная проницаемость зазора и вра-

щающий момент, передаваемый муфтой. В отличие от ЭМС вращающий момент электромагнитной порошковой муфты при неизменной силе тока возбуждения практически не зависит от частоты вращения. Если момент

861

сил сопротивления, приложенный к ведомой части муфты, превышает рабочий момент МЭП, то происходит проскальзывание.

Продолжительность проскальзывания зависит от теплорассеивающей способности муфты и ограничивается допускаемой температурой нагрева обмотки возбуждения и подшипников муфты. При чрезмерном нагружении частота вращения ведомой полумуфты падает до нуля, и муфта переходит в режим полного скольжения. Электромагнитные порошковые муфты выгодно отличаются от ЭМС массой, габаритами и мощностью, необходимой для возбуждена обмоток. Однако из-за износа порошка в процессе эксплуатации и смерзания его при низких температурах воздуха происходит заклинивание муфты. Эти недостатки ограничивают применение МЭП.

Ниже приведена техническая характеристика электромагнитных муфт:

Опыт показывает, что электромагнитные муфты значительно повышают эффективность электропривода буровых установок, обеспечивая плавное увеличение частоты вращения разгоняемых масс путем регулирования тока возбуждения. В результате этого стало возможным применение синхронных электродвигателей в приводе буровой лебедки в ряде буровых установок.

23.5. ЦЕПНЫЕ ПЕРЕДАЧИ БУРОВЫХ УСТАНОВОК

В приводах буровых установок широко используют цепные передачи. Такая передача состоит из ведущей и ведомой звездочек и огибающей их цепи. В зависимости от направления вращения звездочки ведущей ветвью цепи может быть как верхняя, так и нижняя. Предпочтительны передачи с верхней ведущей ветвью.

По конструктивному исполнению различают открытые и закрытые передачи с горизонтальным и наклонным расположением оси, соединяющей центры звездочек. Передачи с углом наклона к горизонту до 30° относят к горизонтальным, от 30 до 60° – к наклонным. Вертикальные переда- чи имеют угол наклона оси к горизонту 60–90° и требуют установки дополнительных устройств для предварительного натяжения цепи.

Различают одно- и многоконтурные цепные передачи. В многоконтурных между соединяемыми валами установлено несколько параллельно расположенных цепных передач с одинаковыми и разными передаточными числами.

863

ТИПЫ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЦЕПЕЙ

Цепь представляет собой гибкую конструкцию из последовательно соединенных жестких звеньев. Цепи, используемые для передачи механической энергии от одного вала к другому, называют приводными. По конструктивным признакам приводные цепи (рис. 23.18) относят к роликовым. Они состоят из чередующихся наружных и внутренних звеньев, каждое из которых собирается из двух пластин, напрессованных на валики 2 со шплинтом 3 или на втулки 5. Втулки снабжены роликами 6, которые при входе в зацепление со звездочкой проворачиваются относительно втулок. Благодаря этому уменьшается трение и снижается износ поверхностей контакта зубьев звездочки и роликов. Наружные 1 и внутренние 4 пластины по виду напоминают восьмерку.

Площадь поперечного сечения по проушинам примерно равна площади сечения пластины в средней ее части (шейке). Однако, вследствие больших местных напряжений в зоне отверстий, являющихся концентратором напряжений, предел выносливости в поперечном сечении отверстий меньше, чем в шейке пластины. Диаметр отверстий внутренних пластин, растачиваемых по диаметру сопрягаемых с ними втулок, больше диаметра отверстий наружных пластин, растачиваемых по диаметру валиков. Равнопрочность наружных и внутренних пластин обеспечивается благодаря соответствующему увеличению ширины внутренних пластин.

Валики цепи раскатывают либо развальцовывают с одного конца, и они имеют отверстия для шплинта на другом конце. Соединительное звено является частью цепи. Оно состоит из наружной пластины с неподвижно закрепленными валиками (вилки), соединительной пластины и шплинтов. При нечетном числе звеньев цепь соединяется переходным звеном, состоящим из переходных пластин 7, валика, втулки, ролика 8.

Âбуровых установках вследствие больших нагрузок и скоростей преимущественно используют многорядные цепи (рис. 23.18, á), которые отли- чаются от однорядных длиной B валиков и наличием промежуточных пластин 9. Наружные пластины соединяют с валиком с натягом, а промежуточные – с зазором 0,02 мм, облегчающим сборку многорядной цепи.

Âотличие от нагрузок и внутренних пластин промежуточные изготов-

ляют без фаски на внешнем контуре. Ниже приведены основные параметры пластин (в мм) для цепи с шагом t = 50,8 мм (толщина пластины s = = 6,4 ìì):

Пластины цепи изготовляют из холоднокатаного проката повышенной точности, получаемого из стали марки 30ХН3А. После термообработки пластины имеют твердость 38–45 HRC. Эта сталь обладает достаточным сопротивлением усталости, хорошей обрабатываемостью и стабильными механическими свойствами после термообработки. Толщина пластины – рас- четный параметр цепи, определяющей ее прочность.

864

Рис. 23.18. Приводная роликовая цепь:

à – однорядная; á – трехрядная

Валик, неподвижно закрепляемый в отверстиях пластин наружного звена, представляет собой цилиндрический стержень с коническими торцами, облегчающими сборку цепи. В собранной цепи конические торцы валиков раскатывают либо развальцовывают. Валики должны обладать достаточной прочностью, износостойкостью и сопротивлением ударным нагрузкам. От диаметра валика зависит прочность цепи и контактное давление в шарнире цепи. Валики изготовляют из стали 12ХН3А по ГОСТ 4543–71 или из стали 25Н3 по ЧМТУ/ЦНИИЧМ 377–60, цементируют на глубину 0,05–0,08 их диаметра, и после термообработки они имеют твердость поверхности 54–61 HRC и сердцевины 43–48 HRC. Концы валиков перед раскатной подвергают отжигу.

865

Втулки цепи изготовляют из стали марки 12ХН3А или 12ХН2 и подвергают цементации на глубину 0,3–0,7 мм для цепей с шагом 1,75 и 38,1 мм и 0,4–0,8 мм для цепей с шагом 44,45–63,5 мм. Твердость после термообработки 54–61 HRC. Втулки входят в отверстия пластины с натягом, и для устранения среза металла торцы их по наружному диаметру скругляют.

Ролики цепи непосредственно контактируют с зубьями звездочек и подвергаются ударам и изнашиванию. Диаметр ролика выбирают в зависимости от шага цепи. Диаметр является исходным параметром для построения профиля звездочки. Ролики изготовляют из стали 30ХН3А и закаливают до твердости 45–52 HRC.

Соединения валик – пластина и втулка – пластина, собираемые с натягом, проверяют на проворачивание. Крутящие моменты, необходимые для проворачивания втулок и валиков относительно пластины, возрастают с увеличением шага цепи и должны быть в пределах, регламентированных ГОСТ 21834–76.

Роликовые цепи характеризуются следующими геометрическими параметрами (см. рис. 23.18): шаг t, диаметр ролика d, расстояние между внутренними пластинами bâí, ширина цепи B.

Шаг цепи измеряется расстоянием между осями двух роликов внутренних и наружных звеньев при натянутом состоянии цепи под нагрузкой, равной 0,01 разрушающей нагрузки. Различают действительный шаг, измеряемый между смежными звеньями, и средний шаг, определяемый как ча- стное от деления длины некоторого отрезка цепи на число звеньев, входящих в данный отрезок: t = lö/mt.

Число звеньев в измеряемом отрезке зависит от шага:

В изношенной цепи шаг внутренних и наружных звеньев неодинаков, поэтому необходимо определять средний шаг tñð на отрезке цепи, содержащем не менее 10 четных чисел звеньев. Удлинение цепи (вытяжка) вследствие изнашивания шарниров, %,

∆ = tñð − t 100.

t

Диаметр ролика d определяет радиусы впадин сопряжения и головки зуба звездочек. Отношение шага к диаметру ролика принимают за геометрическую характеристику зацепления цепи λ = t/d. Расстояние между внутренними пластинами bâí и между осями рядов À цепи определяют размеры поперечного профиля звездочки.

Разрушающая нагрузка Pp цепи соответствует минимальной статиче- ской нагрузке, при которой начинается разрушение цепи. Ее определяют путем растяжения цепи на универсальных разрывных машинах.

Технические условия на приводные роликовые цепи буровых установок регламентированы ГОСТ 21834–76, который также предусматривает изготовление цепей двух типов: нормальных Н и тяжелых Т (с утолщенными пластинами). Нормальные цепи легче тяжелых, они могут работать при более высоких (на 10–15 %) скоростях движения цепи. Однако при малых и средних скоростях они имеют меньший срок службы (на 10–15 %).

866