CC BY
198
Проведено розрахунок талевог системи для рiзних виЫв оснастки буровог установки. Розглянуто зусилля, що виника-ють в струнах канату, визначен величини навантажень на перший штв при тдй-омi для ряду максимальних навантажень на гаку, максимальн напруги в нерухомш струн канату. Розрахована контактна мщтсть i навантаження на струмок штва. Побудовано математичну модель штва i позначен критичн областi наван-таження
Ключовi слова: талева система, оснастка, напруга, струна, ручей, блок,
футеровка
□-□
Проведен расчет талевой системы для разных видов оснастки буровой установки. Рассмотрены усилия, возникающие в струнах каната, определены величины нагрузок на первый шкив при подъеме для ряда максимальных нагрузок на крюке, максимальные напряжения в неподвижной струне каната. Рассчитана контактная прочность и нагрузки на ручей шкива. Построена математическая модель шкива и обозначены критические области нагрузки
Ключевые слова: талевая система, оснастка, напряжение, струна, ручей, блок, футеровка
УДК 622.276.012.05
рР1:10.15587/1729-4061.2015.37403|
МЕТОДИКА РАСЧЕТОВ НА ПРОЧНОСТЬ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКСИМАЛЬНЫХ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В КРОНБЛОЧНЫХ ШКИВАХ
К. В. Дихтяренко
Кандидат экономических наук, председатель совета директоров* А. И. П у п ы ш е в Ведущий конструктор** В. П. Червинский Кандидат технических наук, доцент, главный конструктор* Н. В. Товстуха Ведущий инженер* **ООО «ЗАВОД НГО»*** *Корпорация «Харьковмаш»*** ***ул. Лодзинская, 8а, г. Харьков, Украина, 61099
1. Введение
Буровая установка представляет собой целый автономный комплекс оборудования, обеспечивающий сооружения канала (ствола), соединяющего земную поверхность с пластами, содержащими углеводородное сырье.
Талевая система буровых установок является одним из важнейших и ответственейших узлов, обеспечивающих надежное опускание и подъем бурильных и обсадных колон.
Вес этих колон порой достигает 2000-2500 кН [1, 2].
При этом буровой канат, сплетенный из сотен свитых проволок, кроме основных нагрузок от растяжения, подвергается усиленному износу (металл взаимодействует с металлом). Известно, что грузоподъемные механизмы проектируют с коэффициентом запаса прочности равным 3 [3].
В буровых установках шкивы имеют в торце углубление, соответствующее диаметру каната. Этот профиль изнашивается и изменяет свою геометрию и со временем приходится шкивы с износом по вертикали до 6 мм отбраковывать. Замеры износа осуществляются с помощью соответствующих шаблонов. При достижении допустимого износа шкив прекращают эксплуатировать. В дальнейшем производится наплавка беговой дорожки необходимыми электродами.
©
После ремонта шкив вновь взаимодействует с металлическим канатом до следующей отбраковки.
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
Оснащение кронблока и талевого блока шкивами называется оснасткой, от кратности оснастки зависит диаметр и длина используемого каната, а также кинематика и нагрузка всей подъемной части бурового комплекса. Оснастка обозначается цифрами: 5х6; 6х7; 7х8 [4]. Для повышения срока службы канатов и шкивов было предложено, как и в горной промышленности, применить футеровку для ремонта шкивов. Для футерования шкива следует определить все напряжение и усилия, которые возникают в канате и шкиве. Исходя из расчета, при разных нагрузках на крюк, для разной оснастки буровой установки и возникающих усилий, будет выбран один из специальный синтетических материалов, принадлежащий к группе термоустойчивых пластмасс для дальнейшего расчета и построения опытной модели футерованного шкива [5].
В данной статье произведены расчеты усилий в канатах талевых систем. Для талевой системы 7х6 при нагрузке 2000 кН проведены прочностные расчеты шкива ШК 1000-32.
Проблема футеровки различных шкивов до недавнего времени рассматривалась применительно к горной промышленности, а конкретно к большим шкивам горных копров.
Благодаря большому диаметру этих шкивов (2-5 м) футеровку отдельными фрагментами крепили к торцевой поверхности шкива.
Применительно к шкивам буровых установок нами разработана специфичная конструкция самой футеровки и профиля торца шкива [6].
За рубежом футеровкой шкивов занимаются фирмы, производящие передвижные буровые установки и большегрузные подъемные краны. Однако, наибольший диаметр этих шкивов составляет 350-400 мм [7].
В Украине проблемой футеровки буровых шкивов практически никто не занимается. Поэтому решение этой задачи представляется целесообразным.
Кронблок
5 4 3 2 1
Рис. 1. Талевая система 5х4
3. Цель и задачи исследования
Целью предлагаемой работы является разработка методики расчетов усилий, возникающих в применяемых в талевых системах буровых шкивах.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
1. Для рассмотрения возникающих усилий в ободе шкивов были выбраны наиболее часто применяемые системы оснастки 5х4, 6х5 и 7х6.
2. Расчеты проводились при наиболее часто применяемые нагрузках 1000 кН, 1500 кН, 2000 кН при применении канатов диаметрами 25, 28 и 35 мм.
3. Получение результатов расчетов должно показать, что для уточнения исследуемых значений напряжения в шкивах необходимо разработать методику их испытаний и провести советующие натурные исследования.
4. Расчеты усилий в талевых системах
1. Расчет усилий в талевой системе 5х4
Расчет выполнялся для максимальной нагрузки на крюке 1000 кН, 1500 кН и 2000 кН. Расчеты проводились по программе, написанной в MathСad, что позволило выполнять многовариантные расчеты. [8] Ниже приводится расчет для нагрузки на крюке 1000 кН при следующих данных:
Максимальная рабочая нагрузка на крюке Рт = 1.0 -106 Н.
Число шкивов талевой системы п = 4.
Кратность талевой системы цС = 2 • п , = 8.
Расчетное значение подвижных частей талевого механизма:
^ = 0.035Рт. (1)
Максимальная рабочая нагрузка на кронблок:
Ркб = Рт + (2)
На рис. 1 приведена развернутая схема талевой системы буровой установки.
При неподвижном талевом блоке струны каната под действием нагрузки на кронблок растягиваются с одинаковым усилием:
Р
3 = кб
(3)
Тогда максимальные расчетные нагрузки на шкивы с первого по пятый будут равны:
Я = 2 • 8.
(4)
При подъеме и опускании талевого блока усилия в струнах каната изменяются из-за сопротивлений, учитываемых коэффициентом полезного действия шки-ва[9]. На КПД шкивов наиболее значительно влияет трение в опорах и между канавкой шкива и канатом. Коэффициент полезного действия шкива равен п = 0.97. Тогда коэффициент сопротивления шкива будет равен:
р=1.
П
(5)
Коэффициент полезного действия талевой системы будет равен:
в2п -1
Птс = о п2п ,п ^ . (6)
2-Р2п •( р-1) •п
Максимальное расчетное натяжение ходовой струны при подъеме будет равно:
Р
8 = кб
^С •Пт
(7)
Максимальное расчетное натяжение неподвижной струны при подъеме равно:
8Н = Ркб'
р-1
р(в2п -1)'
(8)
Расчетное натяжение в каждой струне при подъеме 1=1..8:
:= Р кбР1-1 р!-^.
(9)
Максимальная расчетная нагрузка на первый шкив при подъеме:
йп = + В.. (10)
Максимальная расчетная нагрузка на пятый шкив при подъеме равна:
Й5И= 31 + Бн. (11)
Расчетная нагрузка на оставшиеся шкивы при подъеме будет равняться сумме натяжений соответствующих ветвей каната:
п = Б, + Бб, (12)
йз п = Б5 + (13)
Й4п = Б3 + (14)
При спуске груза максимальное натяжение будет в неподвижной, а минимальное - в ходовой струне. Допускаемый запас прочности каната [10] к=3. Максимально допустимая величина агрегатного разрывного усилия каната:
Ртах = Б. • к. (15)
Результаты расчетов представлены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты расчетов
№ формулы Переменная Ед. изм. Значение
1 Gt 3.5104
2 Ркб Н 1.035406
3 S 1.294.105
4 Q 2.587.105
5 в - 1.031
6 Птс - 0.874
7 Sx 1.48.105
8 Sh 1.125.105
S1 1.16.105
S2 1.196.105
S3 1.233.105
9 S4 1.271.105
S5 Н 1.31-105
S6 1.351.105
S7 1.393.105
S8 1.436.105
10 01П 2.916.105
11 05П 2.285.105
12 02П 2.744.105
13 О3П 2.582.105
14 Q4n 2.429.105
15 p L max 4.441105
Величины натяжения в ходовой струне при подъеме для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 2.
Таблица 2
Натяжение (кН) в неподвижной струне
Величины натяжения в неподвижной струне при подъеме для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 3
Таблица 3
Натяжение (кН) в ходовой струне
Максимальная нагрузка на крюке, кН
1000 1500 2000
112,5 168,8 225,1
Величины натяжения в струнах при подъеме для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 4.
Таблица 4
Натяжение (кН) в струнах
Макс. нагрузка на крюке № струны
1 2 3 4 5 6 7 8
1000 116,0 119,6 123,3 127,1 131,0 135,1 139,3 143,6
1500 174,0 179,4 184,9 190,7 196,6 202,6 208,9 215,4
2000 232,0 239,2 246,5 254,2 262,1 270,2 278,5 287,2
Величины нагрузок на первый шкив при подъеме для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 5.
Таблица 5
Нагрузка (кН) на первый шкив
Максимальная нагрузка на крюке, кН
1000 1500 2000
291,6 437,4 583,2
Величины нагрузок на пятый шкив при подъеме для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 6.
Таблица 6
Нагрузка (кН) на пятый шкив
Максимальная нагрузка на крюке, кН
1000 1500 2000
228,5 342,8 457,1
Величины нагрузок (кН) на оставшиеся шкивы при подъеме для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 7.
Таблица 7
Нагрузки (кН) на шкивы
Макс. нагрузка на крюке № шкива
2 3 4
1000 274,4 258,2 242,9
1500 411,5 387,2 364,3
2000 548,7 516,3 485,8
Величины максимально допустимых разрывных усилий (кН) каната для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 8.
Максимальная нагрузка на крюке, кН
1000 1500 2000
148 222,0 296,0
Таблица 8
Максимально допустимые разрывные усилия (кН)
Таблица 13
Нагрузка (кН) на первый шкив
Максимальная нагрузка на крюке, кН
1000 1500 2000
444,1 666,1 888,1
Максимальная нагрузка на крюке, кН
1000 1500 2000
240,2 360,2 480,3
Диаметры и максимально допустимые расчетные разрывные усилия канатов для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 9.
Таблица 9
Диаметры и максимально допустимые расчетные усилия канатов
Нагрузка на крюке, кН 1000 1500 2000
Макс. допустимые расчетные разрывные усилия, кН 444,1 666,1 888,1
Разрывные усилия каната, кН ГОСТ 16853-88 451,0 713,0 1009,0
Диаметр каната, мм 25 32 38
Исходя из заданных параметров, которые были определены для оснастки 5х4, было рассчитано натяжение, которое возникают в каждой из семи струн оснастки, при подъеме оборудование и спуске для ряда максимальных нагрузок на крюке.
4. 2. Расчет усилий в талевой системе 6х5
Величины натяжения в ходовой струне при подъеме для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 10.
Таблица 10
Натяжение (кН) в ходовой струне
Максимальная нагрузка на крюке, кН
1000 1500 2000
121,9 182,9 243,8
Величины натяжения в неподвижной струне при подъеме для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 11.
Таблица 11 Натяжение (кН) в неподвижной струне
Максимальная нагрузка на крюке, кН
1000 1500 2000
87,2 130,8 174,4
Величины натяжения в струнах при подъеме для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 12.
Величины нагрузок на первый шкив при подъеме для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 13.
Величины нагрузок на шестой шкив при подъеме для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 14.
Таблица 14
Нагрузка (кН) на шестой шкив
Максимальная нагрузка на крюке, кН
1000 1500 2000
177,1 265,7 354,2
Величины нагрузок (кН) на оставшиеся шкивы при подъеме для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 15.
Таблица 15
Нагрузки (кН) на шкивы
Макс. нагрузка на крюке № шкива
2 3 4 5
1000 226,0 212,6 200,0 191,2
1500 339,0 318,9 300,1 286,8
2000 451,9 425,2 400,1 382,4
Величины минимально допустимых агрегатных разрывных усилий (кН) каната для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 16.
Таблица 16 Максимально допустимые агрегатные разрывные усилия (кН)
Максимальная нагрузка на крюке, кН
1000 1500 2000
365,7 548,6 731,5
Диаметры и максимально допустимые расчетные разрывные усилия канатов для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 17.
Таблица 17
Диаметры и максимально допустимые расчетные усилия канатов
Нагрузка на крюке, кН 1000 1500 2000
Макс. допустимые расчетные разрывные усилия, кН 365,7 564,5 731,5
Разрывные усилия каната, кН ГОСТ 16853-88 451,0 713,0 846,0
Диаметр каната, мм 25 28 35
Для оснастки 6х5 определена величина нагрузки, которая действует при подъеме на первый шкив. Ана-
Таблица 12
Натяжение (кН) в струнах
Макс. нагрузка на крюке № ст руны
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1000 89,9 92,68 95,55 98,50 101,5 104,7 107,9 111,3 114,7 118,3
1500 134,8 139,0 143,3 147,8 152,3 157,0 161,9 166,9 172,1 177,4
2000 179,8 185,4 191,1 197,0 203,1 209,4 215,8 222,5 229,4 236,5
логично для шестого, рассчитаны разрывные усилия каната при максимальных нагрузках.
4. 3. Расчет усилий в талевой системе 7х6
Величины натяжения в ходовой струне при подъеме для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 18.
Таблица 23
Таблица 18
Натяжение (кН) в ходовой струне
Максимальная нагрузка на крюке, кН
1000 1500 2000
104,6 156,8 209,1
Величины натяжения в неподвижной струне при подъеме для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 19.
Таблица 19 Натяжение (кН) в неподвижной струне
Максимальная нагрузка на крюке, кН
1000 1500 2000
70,37 105,6 140,7
Величины натяжения в струнах при подъеме для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 20.
Натяжение (кН) в струнах
Нагрузки (кН) на шкивы
Макс. нагрузка на крюке № шкива
2 3 4 5 6
1000 193,8 182,3 171,6 161,4 151,9
1500 290,7 273,5 257,4 242,1 227,8
2000 387,6 364,7 343,1 322,9 303,8
Величины минимально допустимых агрегатных разрывных усилий (кН) каната для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 24.
Таблица 24
Максимально допустимые агрегатные разрывные усилия(кН)
Максимальная нагрузка на крюке, кН
1000 1500 2000
313,7 470,5 627,3
Диаметры и максимально допустимые расчетные разрывные усилия канатов для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 25.
Таблица 25 Диаметры и максимально допустимые расчетные усилия канатов
Таблица 20
Макс. нагрузка на крюке № струны
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1000 72,54 74,79 77,1 79,49 81,94 84,48 87,09 89,78 92,56 95,42 98,38 101,4
1500 108,8 112,2 115,7 119,2 122,9 126,7 130,6 134,7 138,8 143,1 147,6 152,1
2000 145,1 149,6 154,2 159,0 163,9 169,0 174,2 179,6 185,1 190,8 196,8 202,8
Нагрузка на крюке, кН 1000 1500 2000
Макс. допустимые расчетные разрывные усилия, кН 313,7 470,5 627,3
Разрывные усилия каната, кН ГОСТ 16853-88 451,0 564,5 713,0
Диаметр каната, мм 25 28 32
Величины нагрузок на первый шкив при подъеме для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 21.
Для оснастки 7х6 определены максимально допустимые, агрегатные расчетные усилия каната при нагрузке на крюк в 1000, 1500, 2000 кН.
Нагрузка (кН) на первый шкив
Таблица 21 5. Контактная прочность и нагрузки на ручей шкива
Максимальная нагрузка на крюке, кН
1000 1500 2000
206,0 309,0 411,9
Величины нагрузок на седьмой шкив при подъеме для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 22.
Таблица 22
Нагрузка (кН) на седьмой шкив
Максимальная нагрузка на крюке, кН
1000 1500 2000
142,9 214,4 285,8
Величины нагрузок (кН) на оставшиеся шкивы при подъеме для ряда максимальных нагрузок на крюке приведены в табл. 23.
Радиус профиля дна ручья шкива: Я1 = 18.0 10 м.
Модуль упругости материала ручья шкива: Е1 = 2.11011 Па.
Коэффициент Пуассона материала ручья шкива: ^ = 0.3.
Радиус каната: Я2 = 16.0 10-3 м.
Расчетный поперечный модуль упругости каната: Е2 = 300 106 Па.
Коэффициент Пуассона каната: v2 = 0.25.
Усилие на шкиве: Р = 411.9103 Н.
Радиус крайней точки дна ручья шкива относительно его оси шкива: Я = 0.5 м.
Распределенная нагрузка по линии на дно ручья шкива [4, 5]:
q=
Р
2Я
q = 4.119 105 Н/м.
Полуширина полоски контакта троса и ручья шкива:
Ь = 1.128 ш
Я! ■ — ^2
1 - у? +1—у2
Е1
(17)
2
получим Ь = 0.015 м.
Наибольшее контактное напряжение в ручье шкива:
6. Общая прочность шкива
Материал шкива сталь 35Л с величиной предела текучести = 255 МПа, что обеспечивает достаточный запас прочности по пределу прочности, равный:
(24)
п( = 5.62.
о к = 0.5642 ■ д ■
— ^2 ■
1—у!'
(18)
Е,
о к = 1.706 107 Па.
Наибольшее контактное напряжение в ручье шкива находится на глубине:
Zоk = 0.8 ■ Ь,
Zоk = 0.012 м.
(19)
Предел текучести материала шкива (сталь 35Л):
о02 = 255.0 106 Па .
Коэффициент запаса прочности: п = 1.5. Допускаемое напряжение:
о02
(20)
, = 1.7 ■ 108 Па.
Величина коэффициента: т = 0.557. Условие контактной прочности дна ручья шкива выполняется:
о к = 1.706 ■ 107 Па < = 3.052 ■ 108 Па. т
Длина дуги профиля ручья, находящаяся в контакте с канатом:
( Ь ^
s = ■ 2 ■ asin — , (21)
I)
s = 0.037 м.
Площадь профиля ручья, находящаяся в контакте с канатом:
f = пЯ f = 0.058 м2.
(22)
Давление по площади дна ручья шкива, контактирующей с канатом:
о=7'
ос = 7.119 106 Па.
(23)
Шкив нагружен давлением ос = 7.119 106 МПа со стороны каната (охват шкива канатом 180°) по полосе контакта с дном обода шкива. Расчетная модель шкива представлена на рис. 2 и напряженно-деформированное состояние шкива на рис. 3.
давление каната
Рис. 2. Расчетная модель шкива ШК-1000-32
| Напряжение го Мизесу : 8,1а МРа^
Т|-*п. напряжете по (^зесу
zi.--. _r. №а
16 05 2012, М:32:48 3,95 Мжс
^напряжение по миэесу : ^,33 мра
39,17
29, зе
Рис. 3. Напряженно-деформированное состояние шкива ШК-1000-32
о
п=
о
Для построения модели и оптимального решения проблемы было выполнено условие контактной прочности дна ручья шкива.
7. Выводы
В силу симметрии конструкции шкива и приложенной нагрузки рассчитывалась четверть шкива. Закрепление модели осуществлено запретом радиальных перемещений по втулке под вал по поверхности А и
соблюдения условий симметрии. Результаты расчетов приведены на рис. 3, где показано распределение напряжений по объему шкива. Максимальные эквивалентные напряжения в ободе шкива составляют 8,18 МПа. Максимальные эквивалентные напряжения в полотне шкива возле выреза составляют а=45.33 МПа.
Для расчетов брались наиболее применяемые системы оснастки, нагрузки, диаметры канатов для уточнения значений напряжений в шкивах, необходимо проведение комплекса дополнительных стендовых исследований.
Литература
1. Дихтяренко, К. В. К вопросу повышения срока службы кронблочных шкивов буровых установок [Текст] / К. В. Дихтярен-ко, В. П. Червинский, А. И. Пупышев // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2012. - Т. 1, № 7 (55). -С. 20-22. - Режим доступа: http://journals.uran.ua/eejet/article/view/3409/3209
2. Степанова, Е. М. Эффективное использование современных футеровок для шкивов подъемных машин шахт Украины [Текст] / Е. М. Степанова // Глюкаус. - 2010. - № 2. - С. 70-71.
3. Баграмов, Р. А. Буровые машины и комплексы [Текст]: учебник / Р. А. Баграмов. - М.: Недра, 1988. - 501 с.
4. Lee, H. H. Motion planning for three-dimensional overhead cranes with high-speed load hoisting [Text] / H. H. Lee // International Journal of Control. - 2005. - Vol. 78, Issue 12. - P. 875-886. doi: 10.1080/00207170500197571
5. Александров, М. П. Грузоподъемные машины: учебник [Текст] / М. П. Александров, Л. Н. Колобов, Н. А. Лобов. - М.: Машиностроение, 1986. - 400 с.
6. Вайнсон, А. А. Подъемно-транспортные машины [Текст]: учебник / А. А. Вайнсон. - М.: Машиностроение, 1989. - 536 с.
7. Писаренко, Г. С. Справочник по сопротивлению материалов [Текст] / Г. С. Писаренко, А. П. Яковлев, В. В. Матвеев. - Киев: Наук. Думка, 1988. - 736 с.
8. Сорокин, В. Г. Марочник сталей и сплавов [Текст] / В. Г. Сорокин. - М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.
9. Ильский, А. Л. Буровые машины, механизмы и сооружения [Текст] / А. Л. Ильский, В. М. Касьянов, В. Г. Порошин. - М., Недра, 1967. - 469 с
10. Единые нормы техники безопасности на разработку основных видов нефтегазодобывающего оборудования [Текст] / РД 39-22-617-81, МНП, 1982.
