книги бурение / Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин / 2

ной. В разжимных муфтах баллон прикреплен к внутренней полумуфте, выполняющей роль обода. В этом случае фрикционные накладки располагаются на внешней поверхности баллона и прижимаются к наружной полумуфте, выполняющей роль шкива.

Центробежные силы, возникающие при вращении муфты, по-разному влияют на работу обжимных и разжимных муфт. В разжимной муфте центробежные силы прижимают накладки к шкиву, способствуя повышению момента сцепления с увеличением частоты вращения муфты. В обжимной муфте центробежные силы отжимают накладки от шкива и уменьшают момент сцепления муфты. При отключении обжимных муфт центробежные силы оказывают полезное действие, способствуя их быстрому расцеплению. В разжимных муфтах центробежные силы препятствуют разъединению валов, поэтому такие муфты применяют в тихоходных передачах при скоростях скольжения накладок относительно шкива муфты не более 5 м/с. В силовых передачах и других агрегатах бурового комплекса используют только обжимные шинно-пневматические муфты.

Схему, установки муфт выбирают с учетом возможности использования центробежной силы в качестве фактора, способствующего их быстрому отключению. Для этого полумуфту с баллоном необходимо устанавливать на ведущем валу. Иногда это невозможно вследствие сложности подвода воздуха в муфту. В этих случаях полумуфту с баллоном приходится устанавливать на ведомом валу.

Баллон (рис. 23.14, á) состоит из кольцевой резиновой камеры 5, наружного резинового протектора 6, между которыми находится обрезиненный кордный каркас 7. В баллоне имеются один или два ниппеля для пода- чи воздуха в камеру. Ниппели привулканизированы к баллону. Баллон прикрепляют к ободу горячей вулканизацией либо болтами.

Фрикционные накладки 1 приклеены к стальным колодкам 2, которые с помощью металлических валиков 4 прикреплены к протектору баллона. Для тепловой защиты баллона, нагреваемого в результате скольжения, между протектором и колодкой помещена паронитовая прокладка 3. Валики попарно шплинтуются стальной проволокой. Шкивы и обод муфты изготовляют из горячекатаной стали марки 60Г (ГОСТ 1050–74) либо из углеродистой стали марок 40, 50 и подвергают закалке (50–55 HRC) и шлифованию. Для удобства монтажа и ремонта шкив и обод имеют разъемные соединения со ступицами полумуфт. Наладки шинно-пневматических муфт изготовляют из ретинакса и других фрикционных материалов, обычно используемых для ленточных тормозов буровой лебедки.

Момент сцепления обжимной шинно-пневматической муфты

ãäå P – радиальное усилие, создаваемое давлением воздуха в баллоне; Pöá – центробежная сила, отжимающая фрикционные накладки; µ – коэффициент трения; D – наружный диаметр шкива муфты (диаметр поверхности трения).

Радиальное усилие, создаваемое давлением воздуха в баллоне муфты

P = (p – p0)F,

ãäå P – давление в баллоне; p0 – давление, необходимое для выбора зазора между накладками и шкивом муфты (p0 = 0,03÷0,05 ÌÏà); F – площадь поверхности кольцевой полости баллона, передающей давление на шкив.

856

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