Расчет бурового крюка. 2 часть (Бурение). 2. 1 Выбор базовой модели и технические характеристики бурового крюка

Название	2. 1 Выбор базовой модели и технические характеристики бурового крюка
Анкор	Расчет бурового крюка
Дата	12.05.2021
Размер	0.71 Mb.
Формат файла
Имя файла	2 часть (Бурение).doc
Тип	Документы #204144

2 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Выбор базовой модели и технические характеристики бурового крюка
На основании исходных данных в курсовом проекте в качестве базовой модели выбран буровой крюк УК-225, техническая характеристика которого представлена в таблице 2.1.
Таблица 2.1 ‒ Технические характеристики бурового крюка УК-225

Типоразмер крюка	УК ‒ 225
Грузоподъемность основного рога, кН	2207
Грузоподъемность боковых рогов, кН	2453
Подвеска крюка к талевому блоку	блочная
Тип резьбы ствола	специальная
Диаметр, мм: - резьбы ствола - оси - зева крюка под вертлюг - зева боковых рогов	180х20 140 220 150
Номер упорного подшипника	8272
Рабочий ход пружины, мм	145
Грузоподъемность пружины крюка, т: - в начале рабочего хода - при выбранном ходе пружины	3,7 10
Габариты, мм: - по боковым рогам - ширина по корпусу крюка - высота	560 600 2615
Масса, т	2,9

2.2 Определение основных параметров бурового крюка
Исходными данными при выборе базового крюка является конструкция скважины и проектная глубина бурения. Именно эти параметры определяют максимальную массу груза, который необходимо переместить на крюке. Исходные данные для расчета приведены в таблице 2.1. Расчет ведется по методике [7].

Нагрузка от массы кондуктора Qк, кН, определяется по формуле

Q_к = q_к∙l_к, (2.1)

где	q_к	–	вес одного погонного метра кондуктора, кН;
	l_к	–	длина кондуктора, м

Q_к = 1,225∙350 = 428,75 кН

Нагрузка от массы первой промежуточной колонны Q_1п, кН

Q_1п = q_1п∙l_1п, (2.2)

где	q_1п	–	вес одного погонного метра первой промежуточной колонны, кН/м;
	l_1п	–	длина первой промежуточной колонны, м

Q_1п = 0,848∙900 = 763,2 кН.

Нагрузка от массы второй промежуточной колонны Q_2п, кН

Q_2п = q_2п∙l_2п, (2.3)

где	q_2п	–	вес одного погонного метра первой промежуточной колонны, кН/м;
	l_2п	–	длина первой промежуточной колонны, м

Q_2п = 0,585∙1800 = 1053 кН.

Нагрузка от массы эксплуатационной колонны Q_э, кН

Q_э = q_э∙l_э, (2.4)

где	q_э	–	вес одного погонного метра эксплуатационной колонны, кН/м;
	l_э	–	длина первой промежуточной колонны, м

Q_э = 0,32∙3000 = 960 кН.

Нагрузка от массы бурильной колонны Q_э, кН

Q_б.к. = Q_б.т.+ Q_УБТ, (2.5)

где

Q_б.т

–

нагрузка от массы бурильных труб, кН

Q_б.т. = q_б.т.∙l_б.т., (2.6)

	q_б.т	–	вес одного погонного метра бурильных труб, кН/м;
	l_б.т	–	общая длина бурильных труб, м

Q_б.т. = 0,306_. 2800 = 856,8 кН

Q_УБТ – нагрузка от массы утяжеленных бурильных труб, кН

Q_УБТ. = q_УБТ.∙l_УБТ, (2.7)

q_УБТ	–	вес одного погонного метра утяжеленных бурильных труб, кН/м;
l_УБТ	–	общая длина утяжеленных бурильных труб, м

Q_УБТ. = 1,56∙200 = 312 кН

Q_б.к. = 856,8+312 = 1168,8 кН.

Наибольшей является нагрузка от массы второй промежуточной колонны, поэтому максимальная нагрузка на крюке Q_кр.max, кН, будет рассчитываться по формуле

Q_кр._max = Q_2п∙К, (2.8)

где

–

коэффициент запаса элементов талевой системы, К = 1,2

Q_кр._max = 1268,8∙1,2 =1368,9 кН.
2.3 Расчет деталей на прочность
2.3.1 Расчет ствола крюка на статическую прочность
Ствол крюка представлен на рисунке 2.1.

Сечение 1 – 1 подвержено растяжению силой Q_кр.max. Напряжение в этом сечении от действия максимальной нагрузки на крюке σ_р, МПа, определяется по формуле

(2.9)

где

–

площадь поперечного сечения ствола крюка, м2

, (2.10)

d – диаметр ствола крюка, d = 0,15 м

Коэффициент запаса прочности, n

, n ≥ 1,5 (2.11)

где

σ_т

–

предел текучести материала, для стали 40ХНМА σ_т = 600 МПа

Условие прочности выполняется.

Сечение 2 – 2. Напряжение растяжения в сечении σ_р, МПа

(2.12)

где	В	–	ширина вилки ствола, В = 0,34 м;
	D	–	диаметр отверстия, D = 0,15 м;
	b	–	толщина ушка, b = 0,1 м

Интенсивность давления в проушинах Р, МПа

, (2.13)

Напряжение от изгиба в сечении 4 – 4, σ_из, МПа

, (2.14)

где

D₁/2

–

расстояние от центра отверстия до наружного радиуса ушка вилки,

D₁ = 0,41 м

Коэффициент запаса прочности при изгибе, n1

, n ≥ 1,5 (2.15)

Условие прочности выполняется.

Коэффициент запаса прочности, n₂

, n ≥ 1,5 (2.16)

Условие прочности выполняется.

Сечение 3 – 3. Резьбовая часть крюка подвержена деформациям изгиба, смятия и среза. Напряжение изгиба σ_из, МПа,

, (2.17)

где	α	–	коэффициент, учитывающий неравномерность нагрузки на витке резьбы, α =0,43;
	d_о	–	наружный диаметр резьбы, d_о = 0,18 м;
	d₁	–	внутренний диаметр резьбы, d₁ = 0,153 м;
	S	–	шаг резьбы, S = 0,02 м;
	β	–	коэффициент, зависящий от от профиля резьбы (резьба трапецеиданая, специальная), β = 0,75

Напряжение смятия σ_см, МПа

, (2.18)

Напряжение среза σ_ср, МПа

, (2.19)

Напряжение растяжения σр, МПа

(2.20)

где

–

площадь сечения, м²

, (2.21)

Минимальный коэффициент запаса прочности, n_min

1,5 ≤ n < 1,8 (2.22)

где

σ_max

–

максимальное напряжение в сечении 3 – 3, σ_max = 361,44 МПа

Условие прочности выполняется.
2.3.2 Расчет ствола крюка на усталостную прочность
Расчет ведется по методике [7].

Сечение 1 – 1. Коэффициент запаса прочности, n

n ≥ 2 (2.23)

где	σ_-1р	–	предел прочности материала на растяжение, для стали 40ХНМА σ_-1р = 400 МПа;
	k_σ	–	эффективный коэффициент концентрации напряжений, k_σ = 1,52;
	ε_σ	–	масштабный фактор ε_σ = 0,58;
	σ_а	–	амплитудное напряжение цикла, МПа;
	σ_ср	–	среднее напряжение цикла, МПа

(2.24)

	Q_кр	–	максимальная продолжительная нагрузка на крюк, Q_кр = 1368,9 кН;
	F	–	площадь сечения 1 – 1, F = 0,018 м²

	k_э	–	коэффициент долговечности, k_э = 0,6;
	ψ_σ	–	коэффициент, учитывающий влияние среднего напряжения на прочность, ψ_σ = 0,1

Условие прочности выполняется.

Сечение 2 – 2. Площадь сечения F, м²

F = 2∙(B-D) ∙b (2.25)

F = 2∙ (0,34-0,15)∙0,1= 0,038 м²

Среднее напряжение цикла σ_ср, МПа

(2.26)

Коэффициент запаса прочности, n

n ≥ 2 (2.27)

Условие прочности выполняется.

Сечение 3 – 3. Площадь сечения F, м²

, (2.28)

Среднее напряжение цикла σ_ср, МПа

(2.29)

Коэффициент запаса прочности, n

n ≥ 1,5 (2.30)

где

k_σ

–

эффективный коэффициент концентрации напряжений, k_σ = 3,65

Условие прочности выполняется.
2.3.3 Расчет пластинчатого рога крюка на статическую прочность
Расчет ведется по методике [7]. Рог крюка рассматриваем, как кривой брус, подверженный действию максимальной кратковременной нагрузке. Расчетная схема представлена на рисунке 2.2.

Сечение 1 – 1. Вычисление нормальных напряжений требует предварительного определения положения нейтральной линии. Параметр положения нейтральной линии r, м

(2.31)

где	h	–	ширина расчетного сечения, h = 0,52 м;
	U₁	–	расстояние от центра кривизны до внутренних волокон сечения, U₁ = 0,125 м;
	U₂	–	расстояние от центра кривизны до наружных волокон сечения, м

U₂ = h + U₁(2.32)

U₂ = 0,52 + 0,125 = 0,645 м

Центр тяжести сечения R_о, м

, (2.33)

Смещение нейтральной линии Z_o, м

Z_o = R_о – r (2.34)

Z_o = 0,385 – 0,32 = 0,065 м

Площадь сечения F, м²

F = B∙h, (2.35)

где

–

толщина рога, B = 0, 125 м

F = 0,125∙0,52 = 0,065 м²

Статический момент сечения S, м³

S = F∙Z_o(2.36)

S = 0,065∙0,065 = 0,004 м³

Расстояние центра тяжести от внутренних и наружных волокон С₂ и С₁, м

, (2.37)

Расстояние от нейтральной линии до внутренних волокон Z₂, м

Z₂ = С₂ – Z_о(2.38)

Z₂ = 0,26 – 0,065 = 0,195 м

Расстояние от нейтральной линии до наружных волокон Z₁, м

Z₁ = C₂ + Z_o(2.39)

Z₁ = 0,26 + 0,065 = 0,325 м

Изгибающий момент М, Н∙м, действующий в сечении 1 – 1

М = Q_кр._max∙R_o(2.40)

М = 1368,9∙10³∙0,385 = 527026,5 Н∙м

Максимальное напряжение растяжения σ_р, МПа

, (2.41)

Максимальное напряжение сжатия σ_сж, МПа

(2.42)

Коэффициент запаса прочности, n

n ≥ 1,5 (2.43)

где

σ_Т

–

предел текучести материала рога крюка, для стали 38ХН3МФА

σ_Т =1080 МПа;

Условие прочности выполняется.

Сечение 2 – 2. Параметр положения нейтральной линии r, м

(2.44)

где	h	–	ширина расчетного сечения, h = 0,5 м;
	d	–	диаметр отверстия, d = 0,17 м;
	U₁	–	расстояние от центра кривизны до внутренних волокон сечения, U₁ = 0,125 м;
	U₂	–	расстояние от центра кривизны до ближних волокон отверстия, U₂ = 0,315 м;
	U₃	–	расстояние от центра кривизны до дальних волокон отверстия, U₃ = 0,495 м;
	U₄	–	расстояние от центра кривизны до наружных волокон сечения, U₄ = 0,625 м

.

Центр тяжести сечения R_о, м

(2.45)

где

–

расстояние от внутренних волокон сечения до ближних волокон отверстия, м

а = U₂ – U₁(2.46)

а = 0,315 – 0,125 = 0,19 м

–

расстояние от дальних волокон отверстия до наружных волокон сечения, м

b = U₄ – U₃(2.47)

b = 0,625 – 0,495 = 0,13 м

Смещение центра тяжести относительно середины сечения К, м

(2.48)

Смещение нейтральной оси относительно центра тяжести сечения Zo, м

Z_o = R_о – r – К + U₁(2.49)

Z_o = 0,27 – 0,32 – 0,02+ 0,125 = 0,055 м.

Плечо изгиба l, м

, (2.50)

где

–

угол отклонения сечения 2 – 2 от сечения 1 – 1, α = 12º

.

Площадь сечения F, м²

F = B∙(h – d), (2.51)

где

–

толщина рога, B = 0, 125 м

F = 0,125∙(0,5 – 0,17) = 0,041 м².

Статический момент сечения S, м³

S = F∙Z_o(2.52)

S = 0,041∙0,055 = 0,002 м³.

Расстояние от нейтральной линии до внутренних волокон Z₂, м

Z₂ = r – U₁(2.53)

Z₂ = 0,32 – 0,125 = 0,195 м.

Расстояние от нейтральной линии до наружных волокон Z₁, м

Z₁ = h – Z₂(2.54)

Z₁ = 0,5 – 0,195 = 0,305 м.

Изгибающий момент М, Н∙м, действующий в сечении 2 – 2

М = Q_кр._max∙l (2.55)

М = 1368,9∙10³∙0,34 =465426 Н∙м.

Нормальная сила N, кН

N = Q_кр_.max∙ cos α (2.56)

N = 1368,9∙10³∙0,98 = 1341,5 кН.

Напряжение растяжения σ_р, МПа

, (2.57)

.

Напряжение сжатия σ_сж, МПа

, (2.58)

.

Коэффициент запаса прочности, n

, 1,5 ≤ n < 1,8 (2.59)

.

Условие прочности выполняется.

Сечение 3 – 3 подвержено действию срезывающего усилия Q_кр._max. Напряжение срезывающего усилия определяется по следующему выражению σ_ср, МПа

(2.60)

где

–

площадь сечения, м²

F = b ∙ h, (2.61)

	b	–	толщина проушины, b = 0,12 м;
	h	–	ширина расчетного сечения, h = 0,42 м

F = 0,12∙0,42 = 0,05 м²

.

Сечение 4 – 4. Площадь сечения F, м²

F = 2∙b∙ (R – r), (2.62)

где	b	–	толщина проушины, b = 0,12 м;
	R	–	радиус кривизны рога, R = 0,2 м;
	r	–	внутренний радиус проушины, r = 0,07 м.

F = 2∙0,12∙ (0,2 –0,07) = 0,031 м²

Напряжение растяжения σ_р, МПа

(2.63)

где

Q_р.б

–

расчетная нагрузка на боковые рога, Q_р.б = 1368,9 кН

Коэффициент запаса прочности, n

, n ≥ 1,5 (2.64)

.

Условие прочности выполняется.

Сечение 5 – 5. Максимальное напряжение на внутренней поверхности проушин

, (2.65)

где

–

интенсивность давления в проушине, МПа

(2.66)

–

диаметр пальца, м

d = 2∙r (2.67)

d = 2∙0,07 = 0,14 м

.

Минимальное напряжение на внешней поверхности проушин

, (2.68)

.

Коэффициент запаса прочности, n

n ≥ 1,5 (2.69)

.

Условие прочности выполняется.
2.3.4 Расчет пластинчатого рога крюка на усталостную прочность
Расчет ведется по методике [7]. Ввиду отсутствия источников концентрации напряжения, сечение 1 – 1 не рассчитывается.

Сечение 2 – 2. Изгибающий момент М, кН∙м

М = Q_кр.∙l (2.70)

М = 1368,9∙10³∙0,34 =465426 Н∙м.

Нормальная сила N, кН

N = Q_кр_.max∙cos α (2.71)

N = 1368,9∙0,98 = 1341,52 кН.

Напряжение растяжения σ_р, МПа

, (2.72)

.

Площадь сечения F, м²

F = B∙(h – d), (2.73)

где

–

толщина рога, B = 0,125 м

F = 0,125∙(0,5 – 0,17) = 0,041 м².

Амплитудное σ_а, МПа, и среднее σ_ср, МПа, напряжение цикла

(2.74)

.

Коэффициент запаса прочности, n

n ≥ 2 (2.75)

где	k_σ	–	эффективный коэффициент концентрации напряжений, k_σ = 2,3;
	ε_σ	–	масштабный фактор ε_σ = 0,8;
	k_э	–	коэффициент долговечности, k_э = 0,6;
	ψ_σ	–	коэффициент, учитывающий влияние среднего напряжения на проч-ность, ψ_σ = 0,1

Условие прочности выполняется.

В ‒ ширина вилки; b ‒ толщина ушка вилки; D ‒ диаметр отверстия;
d₂ ‒ диаметр стержня ствола; d ‒ диаметр ствола
Рисунок 2.1 ‒ Схема к расчету ствола крюка

d ‒ диаметр отверстия; U₁, U₄ ‒ расстояния от центра кривизны до внутренних и наружных волокон сечения;U₂, U₃‒ расстояния от центра кривизны до ближних и дальних волокон отверстия; δ ‒ толщина пластины; α ‒ угол отклонения;
В ‒ толщина рога; h ‒ ширина расчетного сечения;
b ‒ расстояние от дальних волокон отверстия до наружных волокон сечения;
a ‒ расстояние от внутренних волокон сечения до ближних волокон отверстия
Рисунок 2.2 ‒ Схема к расчёту пластинчатого рога крюка

					МОНГ.15.03.02.063ПЗ	Лист

Изм	Лист	№ документа	Подп.	Дата