Ганджумян Р.А., Тунгусов А.А., Тунгусов С.А. Проектирование бурового оборудования. Учебное пособие, М. РГГРУ, 2012 г.

В учебном пособии изложены принципы конструирования буровых машин и механизмов. Описаны основные факторы, определяющие схему буровой установки, виды конструкторских работ. Рассмотрены эксплуатационно-технические требования, предъявляемые к буровому оборудованию, а так же этапы создания новой техники. В пособии рассмотрены также некоторые вопросы надежности, долговечности, ремонтопригодности и принципы расчета элементов бурового оборудования.

Рецензенты:

Оглавление

Введение………………………..………………………..………………..….......….5

1. Общие положения при проектировании бурового оборудования………...6

1.1.Эксплуатационно-технологические требования к буровому оборудованию..6

1.2. Главные направления современного бурового машиностроения…………..10

1.2.1. Производительность труда………………………………………………….10

1.2.2. Механизация и автоматизация……………………………………………...12

1.2.3. Надежность…………………………………………………………………..13

1.2.4. Стандартизация, специализация и унификация……………………….…..20

1.2.5. Агрегатность и масса………………………………………………………..25

1.2.6. Техническая эстетика и техника безопасности……………………………26

1.2.7. Совершенствование машин…………………………………………………27

2. Принципы конструирования бурового оборудования…………………….28

2.1. Выбор схемы и компоновки оборудования буровой установки…………....28

2.2. Виды конструкторских работ…………………………………………………29

2.3. Единая система конструкторской документации (ЕСКД)…………….…….32

2.4. Виды изделий………………………………………………………………..…35

2.5. Виды конструкторских документов………………………………………….37

3. Основные этапы проектирования новой техники………………..………..39

3.1. Стадии разработки конструкторской документации………………………..39

3.1.1. Этапы проектирования и порядок разработки конструкторской документации……………………………………………………………………….39

3.1.2. Порядок внедрения новой техники в производство……………………….44

3.2. Система испытаний бурового оборудования в процессе проектирования

и изготовления……………………………………………………….……….…….47

3.3. Система автоматизированного проектирования буровых машин………….50

4. Принципы расчета элементов бурового оборудования……………………53

4.1. Прочность конструкции………………………………………………….……53

4.2. Выбор конструкционных материалов и способов упрочнения деталей…...55

4.3. Методы расчета на прочность………………………………………………...58

4.4. Принципы расчета на статическую прочность………………………………59

Список литературы……………………………………………………....................63

Введение

Рост объема бурения скважин на твердые, жидкие и газообразные полезные ископаемые требует увеличения не только числа буровых установок, но и их эффективности, изменения параметров и конструкции, поскольку меняются глубины скважин и условия их бурения.

Буровая установка представляет собой сложный комплекс агрегатов, машин и механизмов, выполняющих различные, но связанные между собой функции в процессе бурения скважины. Проектирование этого оборудования – сложный процесс, и от конструктора требуется не только умение конструировать машины и элементы, но и знание техники и специфики бурения скважин.

При разработке новых машин приобретают все больше значение вопросы надежности, экономики, эргономики, экологии, инженерной психологии и технической эстетики.

Учебное пособие не преследует цели дать исчерпывающие сведения и знания, необходимые для проектирования бурового оборудования. Для этого необходима специальная подготовка. Здесь же ставится задача научить вносить элементы модернизации и усовершенствования в известные буровые машины и механизмы для улучшения их технико-экономических показателей, научить квалифицированно составлять технические задания на проектирование бурового оборудования с обоснованием их основных параметров, научить учитывать их основные положения, которые вкладываются при выборе и построении принципиальной схемы буровой установки, изучить терминологию проектных работ. Предполагается, что данное учебное пособие послужит базой для дальнейшего формирования рационального конструкторского мышления у будущих специалистов.

Учебное пособие может быть полезным для студентов, изучающих дисциплины «Буровые машины и механизмы», «Бурение скважин», а также при самостоятельной работе в процессе подготовки к практическим занятиям, при выполнении домашних заданий, курсовых и дипломных проектов.

1. Общие положения при проектировании бурового оборудования

1.1. Эксплуатационно-технологические требования к буровому оборудованию

Большие объемы бурения скважин в различных отраслях производства предполагают постоянное совершенствование техники и технологии бурения, создание новых технических средств. Уровень развития буровой техники существенно влияет на технико-экономические и эксплуатационно-технические показатели, в том числе долговечность, монтажные качества, транспортабельность бурового оборудования и т.д.

Буровые работы, выполняемые в различных регионах, характеризуются, наряду с назначением, глубиной и конструкцией скважин, большим разнообразием геологических, географических, климатических, дорожно-транспортных, энергетических и других условий. Поэтому для удовлетворения потребностей геологоразведочной службы необходимо располагать буровыми установками разных типоразмеров, соответствующих требованиям бурения скважин в различных условиях. При этом диапазон условий постоянно расширяется, что приводит к необходимости разработки новых буровых установок.

Конструирование (создание) новых машин или механизмов, предназначенных для бурения скважин, представляет собой сложный творческий процесс, вследствие специфических условий работы.

Известно, что любое вновь создаваемое изделие (конструкция) должно выполнять определенный рабочий процесс. Однако конструкция, машина или комплекс, предназначенный для разрушения горной породы на забое, имеет свои специфические условия работы:

• буровая установка представляет собой сложный комплекс различных по назначению машин и механизмов;

• буровая установка является предприятием сугубо временным, часто перевозится с точки на точку;

• наличие длинной гибкой бурильной колонны изменяет параметры, задаваемые на поверхности, при передаче их до забоя скважины;

• процесс бурения резко меняется вследствие изменения состава и структуры горных пород;

• место рабочего процесса удалено от оператора (бурильщика) на большие расстояния, исчисляемые сотнями метров и даже километров. При этом нет возможности непосредственного наблюдения за процессом разрушения пород;

• правильное протекание процесса определяется многими факторами: физико-механическими свойствами горных пород, типом и состоянием в каждое мгновение породоразрушающего инструмента. Многие параметры при этом самопроизвольно, независимо от воли оператора изменяются по специальным, часто неизвестным законам;

• неисправность любого из механизмов бурового агрегата вызывает остановку агрегата (например, в случае выхода насоса из строя необходимо поднять буровой инструмент). Поэтому для достижения надежности системы необходимо предъявлять самые высокие требования к надежности всех ее элементов;

• при конструировании и разработке буровых установок необходимо исходить из того, что надежность элементов, входящих в установку, должна быть на несколько порядков выше, чем ожидаемая надежность установки.

Перечисленные особенности усложняют по сравнению с общим машиностроением выбор исходных расчетных величин, необходимых для выяснения напряженного состояния узлов и деталей бурового оборудования.

Поэтому процесс конструирования современных машин и оборудования – комплексная задача, при решении которой конструктор обязан учитывать экономические, социальные, технические, эксплуатационные, технологические и специальные требования, предъявляемые к создаваемой технике.

Экономические требования включают как процесс эксплуатации буровых машин и систем оборудования, так и процесс их производства. Непременным условием выполнения экономических требований является обеспечение минимальных расходов, связанных с процессом создания новой буровой техники и изготовлением ее в заводских условиях.

Следовательно, производительность машины, обеспечиваемая ею производительность труда обслуживающего персонала и себестоимость получаемой продукции являются важнейшими экономическими показателями создаваемой новой техники.

Одним из важнейших экономических требований при изготовлении машин является снижение (в разумных пределах) возможной массы машин, так как это связано с общегосударственной задачей экономии металла и снижает стоимость изготовления машин.

Социальные требования заключаются в обеспечении максимальной безопасности, легкости управления и создании нормальных условий труда для обслуживающего персонала.

Безопасность обслуживания достигается установкой защитных ограждений вращающихся деталей, исключением возможности поражения рабочих электрическим током, устройством всевозможных средств сигнализации при производстве работ.

Социальные требования при проектировании буровых машин и механизмов должны рассматриваться как обязательные, так как условия труда рабочих относятся к одним из самых тяжелых и опасных, особенно при бурении скважин в подземных условиях.

Технические требования. Основываются на последних достижениях и тенденциях развития отечественного и зарубежного машиностроения. Основные параметры должны быть не ниже стандартов мирового уровня.

Буровые машины должны иметь высокие прочность, надежность, энерговооруженность, коэффициент полезного действия и минимальные энергозатраты. При создании машин должны быть заложены предпосылки увеличения степени их использования во времени за счет повышения надежности, предусмотрены резервы их дальнейшего конструктивного совершенствования.

Эксплуатационным требованиям нужно уделять первостепенное внимание при разработке конструкции машины, на стадии ее испытаний, при выполнении доводочных работ. Исходя из того, что работоспособность машины в процессе эксплуатации будет поддерживаться проведением технического обслуживания и ремонтов, поэтому необходимо предусмотреть возможности: доступа к узлам машины для технического обслуживания и ремонта; контроля технического состояния узлов машины; быстро заменять узлы и детали, подвергающиеся наиболее интенсивному изнашиванию или разрушению.

Технологические требования определяют затраты труда и средств при изготовлении буровых машин и механизмов. К ним относятся: максимальное применение в конструкции стандартных деталей, рациональный выбор материала и способа получения заготовок с целью экономии металла при наибольшем коэффициенте использования; максимальное уменьшение числа деталей и упрощение кинематической схемы (простота конструкции машин); правильный выбор посадок и допусков, что обеспечит точное взаимодействие деталей при эксплуатации.

Специальные требования определяются специфическими условиями работы буровых машин и механизмов. Машины и механизмы буровых установок должны состоять из транспортабельных, легко монтируемых и демонтируемых узлов с учетом доставки их к месту бурения.

Корпуса машин и все их узлы и детали должны иметь высокую механическую прочность и антикоррозионное покрытие (лакирование, горячее цинкование, хромирование, оксидирование).

При бурении скважин в шахтах электрооборудование буровых машин должно иметь взрывобезопасное исполнение. В конструкциях машин нельзя применять легковоспламеняющиеся материалы.

При разработке конструкции машин специалисты руководствуются многими принципами, которые являются специфичными (индивидуальными) для процесса проектирования конкретной машины, и сравнительно небольшим числом общих принципов проектирования, характерных для процесса создания всех машин.

Принципы конструирования постоянно изменяются и зависят от социальных условий жизни, прогресса, науки и техники. Главенствующее значение тех или иных факторов в различные периоды также может меняться.

Создание новых буровых установок на уровне требований современной науки и техники обязательно должно учитывать тенденцию развития собственно процесса бурения и бурового оборудования. Однако поскольку буровая машина – это, прежде всего машина, выполняющая, как и все машины другого назначения, определенный рабочий процесс, то ее создание подчиняется общим законам машиностроения и к ней предъявляются общие требования как к машине вообще.

Поскольку разработка новой конструкции, изготовление опытных образцов, а затем и серийное производство требуют продолжительных сроков, конструктор должен изыскивать методы ускорения создания новых инструментов. При этом первостепенное значение имеет экономическая эффективность. Она должна учитывать весь комплекс факторов.

Эффективность новой конструкции, по сравнению с существующей, определяется рядом показателей:

• обобщенный показатель (R_о):

R_o=K₁C₁+K₂C₂+…+K_nC_n , (1)

где K₁, K₂…K_n – свойства конструкции, влияющие на оценку эффективности;

С₁, С₂…С_n – коэффициенты весомости, характеризующие относительную важность каждого свойства (выбираются на основе экспертных оценок);

• интегральный показатель (R_Σ):

где Q – полезная отдача (например, стоимость пробуренного числа метров или скважин новой конструкции, породоразрушающего инструмента);

P_Σ – сумма расходов на амортизацию, подготовительные расходы, монтаж, демонтаж, материалы.

Этот показатель должен быть больше единицы, иначе новая конструкция будет убыточной по сравнению с ранее применявшейся;

• суммарный экономический эффект:

=