Конспект лекций РиКМОНГП. Конспект лекций по дисциплине Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов Для специальности
 Скачать 2.08 Mb.
|
|
2.7 Нефтегазопромысловая машина с позиции проектирования как объект производства и эксплуатации При проектировании нефтегазопромысловой машины конструктор должен стремиться к достижению высоких показателей, характеризующих новую машину как объект производства. Основные критерии оценки изделия как объекта производства - технологичность, степень унификации и блочности конструкции. Технологичность конструкции - основное качество, обеспечивающее возможность изготовления изделия в конкретных условиях с минимальными затратами времени, труда и материалов. Технологичность конструкции - понятие относительное и зависит от вида и объема производства и др. Требования технологичности к деталям, сборочным единицам и к изделиям в целом различные, в результате чего собранная из технологичных деталей машина при сборке может оказаться нетехнологичной. Основные требования к машинам с точки зрения технологичности: минимальная трудоемкость сборочных работ; минимальное число пригоночных операций и регулировок; удобство сборки и разборки, а также простота их механизации; минимальная трудоемкость отделочных работ и заводских испытаний; минимальное число оригинальных и максимальное число стандартных, унифицированных и покупных деталей и сборочных единиц; удобство транспортирования, погрузочно-разгрузочных работ, согласованность габаритов изделия и его частей с размерами транспортных средств. К деталям предъявляются следующие требования технологичности: простота геометрической формы и механической обработки; минимальные число и площадь обрабатываемых поверхностей; минимальные точность и чистота обработки поверхностей без снижения эксплуатационных показателей; высокая повторяемость форм, размеров и конструктивных элементов; наиболее короткий маршрут механической и термической обработки; возможность изготовления на простых видах оборудования и оснастки; максимальный коэффициент использования материала для изготовления. Принцип унификации предусматривает использование в создаваемой конструкции освоенных производством узлов, деталей и отдельных элементов конструкции. Унификация узлов позволяет: повысить серийность и объемы выпуска деталей и сборочных единиц; снизить трудовые и материальные затраты на изготовление; применить более прогрессивные технологические процессы, специальное высокопроизводительное оборудование и оснастку; сократить сроки выполнения конструкторских работ и подготовки производства; существенно повысить качество изготовления и надежность работы изделий. Унификация может проводиться в масштабах отрасли, внутри одного или нескольких заводов, нескольких типов машин, в пределах одного типа машины или ее частей. В результате унификации могут быть созданы параметрические ряды и типажи машин, унифицированные узлы, сборочные единицы и элементы конструкций. Высшая форма унификации - стандартизация изделий, деталей, материалов, элементов конструкции и др. Принцип агрегатирования (блочности) предусматривает возможность создания машин и комплексов из обособленных узлов и механизмов, монтируемых на базовой детали или базовом узле. Агрегатирование позволяет создавать машины различного назначения с использованием унифицированных сборочных единиц. Метод агрегатирования обеспечивает возможность обособленного проектирования и изготовления отдельных блоков на специализированных предприятиях, что позволяет сократить сроки и повысить качество проектных работ, подготовку производства и изготовления изделий. Машины, созданные на принципе агрегатирования, отличаются высокой ремонтопригодностью. Для оценки машины как объекта производства используют различные показатели, основные из которых: общие и удельные значения трудоемкости, себестоимости и материалоемкости изготовления; коэффициенты унификации, стандартизации, конструктивной преемственности, применяемости материалов, блочности и др. В процессе проектирования конструктор постоянно сталкивается с необходимостью оценивать создаваемую машину как объект эксплуатации. Выбор оценочных показателей зависит от типа машины, условий эксплуатации, области ее применения и выполняемых функций. В общем случае машину как объект эксплуатации оценивают по следующим группам показателей: параметрические показатели, характеризующие технические возможности изделия, - производительность, скоростные данные, энерговооруженность и т. д.; экономические показатели - годовой экономический эффект, себестоимость единицы работы; эффективность капиталовложений, срок окупаемости и др.; показатели технического уровня, качества и надежности (комплексный показатель качества, коэффициент готовности, наработка на отказ и т. д.); ремонтно-эксплуатационные показатели - коэффициенты эксплуатационной трудоемкости, эксплуатационной материалоемкости, межремонтные сроки службы и т. д.; эргономические и ряд других. 2.8 Основные принципы и правила проектирования и конструирования нефтегазопромысловых машин и оборудования К основным принципам и правилам проектирования и конструирования нефтегазопромысловых машин и оборудования относятся:
-использование метода компромиссных решений при невозможности одновременной оптимизации частично антагонистичных критериев качества. Критериями качества могут быть: прочностные характеристики, основные размеры, параметры технологичности, металлоемкость, к.п.д., жесткость и др. 2.8 Основные положения системного подхода к проектированию нефтегазопромыхсловых машин Развитие нефтегазопромысловых машин и оборудования во многих случаях приводит к усложнению их конструкции и характера различных видов взаимосвязей в процессе функционирования, что обусловливает необходимость рассмотрения задач проектирования этих машин на современном этапе научно-технической революции с системных позиций. Системный подход - важное направление методологии научного познания, в основе которого лежит рассмотрение технических объектов как целостных систем, состоящих из взаимосвязанных элементов, взаимодействующих между собой и с окружающей средой, т. е. на основе принципа системности. Кредо системного проектирования состоит в том, что техническую задачу для части целого решают с учетом целого. Основное целевое назначение системного подхода к проектированию - это существенное повышение технико-экономического уровня и качества машин путем оптимизации рассматриваемого объекта в целом с учетом всех видов его взаимосвязей с другими совместно функционирующими машинами, горным массивом, буровым раствором, полезным ископаемым и оператором. Системный подход использует ряд категорий и понятий высокого уровня общности. Системой называется характеризующаяся существенными связями совокупность элементов, которая обладает интегративными качествами, т. е. качествами, присущими только системе в целом, но не свойственными ни одному из ее элементов в отдельности. Система считается сложной, если она состоит из большого числа взаимодействующих между собой элементов и выполняет сложные функции. Любая система допускает разделение ее на конечное число подсистем в зависимости от вида решаемых задач и внутренней сложности системы в целом. Следует отметить, что целесообразнее, как правило, выделение в подсистему не произвольной совокупности взаимосвязанных элементов рассматриваемой системы, а более или менее самостоятельно функционирующей части системы. Элементом называется объект, который при конкретном рассмотрении системы или подсистемы нецелесообразно далее расчленять на части. Изучаемая система в зависимости от вида решаемых задач может рассматриваться как подсистема или как один из элементов более сложной системы, а подсистема (или элемент) в случае необходимости может рассматриваться как система. Структура системы характеризует ее строение и совокупность связей. Связи обеспечивают целостность и сохранение основных свойств системы. Под окружающей (или внешней) средой применительно к рассматриваемой системе понимают совокупность не входящих в состав системы объектов, взаимодействие с которыми должно учитываться при изучении данной системы. Границы системы определяются совокупностью входов от окружающей среды. Рассмотрим особенности системного подхода на примере бурового оборудования. Системный подход при проектировании бурового комплекса как подсистемы, входящей в состав сложной системы энергомеханического оборудования промысла, обеспечивает учет всех внешних взаимосвязей с другими подсистемами (транспорта, энергоснабжения и др.), имеющих место в процессе функционирования рассматриваемого предприятия. При этом создание высокопроизводительных средств механизации буровых работ должно быть тесно увязано с разработкой новых или совершенствованием прогрессивных технологических схем ведения этих работ. В свою очередь, буровой комплекс представляет собой единую систему взаимодействующих функциональных машин и механизмов, объединенных совокупностью внутренних взаимосвязей. Подсистемы этого комплекса –буровая вышка и платформа, лебедка, буровые насосы, ротор, силовая установка- при проектировании должны быть строго увязаны по технологическим, техническим и конструктивным параметрам. Лебедка при проектировании может рассматриваться также как система, выполняющая рабочий процесс спуско-подъемных операций и предусматривающая в большинстве случаев следующие основные подсистемы: корпусной группы (корпусные узлы машины с опорами на базовый элемент); привода барабана (приводные двигатели, муфты, редукторы);тормозного механизма; авторегулятора нагрузки на долото и др.). В иерархической структуре лебедки указанные выше основные подсистемы, работа которых обеспечивает выполнение главных функций лебедки в целом, относят к подсистемам 1-го уровня. При этом кратковременный отказ любой из подсистем 1-го уровня приводит к прекращению или нарушению нормального функционирования полной системы. К подсистемам 2-го уровня можно отнести вспомогательные системы, которые обеспечивают нормальные условия функционирования подсистем 1-го уровня и обслуживающего персонала. В числе их подсистемы смазки, охлаждения электродвигателей , гидропривод (пневмопривод) и др. Ряд задач проектирования, связанных со свойствами отдельных подсистем, может быть решен при рассмотрении только этих подсистем, что во многих случаях существенно упрощает расчетно-конструкторскую работу. В данном случае каждая основная подсистема рассматривается как система. Элементами указанных подсистем служат отдельные сборочные единицы и детали - механические (валы, подшипники, зубчатые колеса и т. д.), гидравлические (насосы, гидромоторы, клапаны, трубопроводы и пр.), электрические (электродвигатели, реле, контакторы и др.). Внешней средой для буровой установки являются: горный массив, сеть электроснабжения, человек-оператор. Все взаимодействия в данной системе связаны с преобразованием и реализацией энергии, потребляемой двигателями из сети электроснабжения, и характеризуются определенными отношениями между входами от внешней среды и выходами, отражающими результат функционирования или состояние системы (производительность, процессы в силовых системах, характеризующие нагруженность их элементов и т. п.). Определение и увязка основных параметров буровых комплексов должны основываться на учете как внешних связей системы с окружающей средой, так и внутренних связей между подсистемами и элементами внутри каждой подсистемы. Выбор способа воздействия на горный массив, принципиальной схемы бурового инструмента и режимных параметров должен, прежде всего, определяться характеристиками этого массива как объекта разрушения. Формирование системы управления должно базироваться на рекомендациях эргономистов, обеспечивающих максимальное приспособление машины как объекта управления к человеку-оператору. Таким образом, взаимообусловленность и взаимодействие составных частей сложной системы «машина - окружающая среда» определяют при проектировании нефтегазопромысловых машин и бурового оборудования (или их узлов) требование учета взаимосвязей создаваемых объектов с другими машинами (узлами), горным массивом, буровым раствором, полезным ископаемым и человеком. 2.9 Системный подход при автоматизированном проектировании нефтегазопромысловых машин Существенное повышение технико-экономического уровня и качества нефтегазопромысловых машин, резкое сокращение сроков и уменьшение трудоемкости их проектирования могут быть достигнуты применением систем автоматизированного проектирования (САПР) этих машин. Способ проектирования, при котором все проектные операции и процедуры или их часть осуществляются взаимодействием человека и ЭВМ. САПР - это комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного с подразделениями проектной организации и выполняющего автоматизированное проектирование. САПР нефтегазопромысловых машин должна базироваться на подходе, предусматривающем рассмотрение объекта на основе принципа системности, построение математической модели для него и изучение его свойств методом моделирования. Системный подход позволяет рассматривать и решать задачу оптимизации проектируемой системы в целом. Использование ЭВМ при проектировании позволяет в короткие сроки осуществить перебор значительного числа конкурирующих вариантов. Сочетание системного подхода и многовариантного проектирования с помощью ЭВМ с выходом на оптимальное решение и есть мощное преимущество системного автоматизированного проектирования нефтегазопромысловых машин перед традиционным проектированием. При системном автоматизированном проектировании нефтегазопромысловых машин решаются два вида диалектически связанных задач - синтез и анализ. Синтез может быть структурным и параметрическим. Структурный синтез обеспечивает получение различных структур систем в виде тех или иных конструктивных элементов и связей между ними. В результате параметрического синтеза конструктор определяет численные значения параметров проектируемых систем. Решение задач синтеза на базе САПР в конечном итоге должно быть направлено на оптимизацию структур проектируемых нефтегазопромысловых машин и их параметров. В результате анализа рассматриваемых вариантов объекта изучаются их свойства, формируются оценки качества этих вариантов, что позволяет конструкторам принять обоснованные решения. Необходимые этапы при создании САПР - формализация проектных процедур и разработка соответствующих математических моделей в виде совокупности математических объектов (множества, векторы, переменные числа и т. д.) и отношений между теми, которые с требуемой степенью точности должны отражать интересующие конструктора свойства проектируемой машины. При формировании моделей необходимо решить задачу формализации структур подсистем, систем в целом и операций процесса их функционирования с учетом взаимодействий между подсистемами и с окружающей средой. Алгоритмизация моделей должна предусматривать максимальную приспособленность к оперативной перестройке структур и операций функциональных процессов при моделировании на ЭВМ. Конструктор, получив на основе моделирования результаты решения проектной задачи, выбирает наилучшие варианты на основе анализа критериев качества (функций цели), в качестве которых выступают оптимизирующие характеристики (производительность, показатели надежности, материалоемкость, основные размеры и др.). На начальной стадии проектирования с системных позиций выбирают варианты общей компоновки нефтегазопромысловых машины и структуры ее отдельных подсистем. Задачи синтеза на этом этапе целесообразно решать на базе известных методов активизации творческих решений («мозгового штурма», инверсии, аналогии, морфологического анализа и др.). В этом случае ведущими конструкторами разрабатывается несколько перспективных вариантов, для которых должны быть выполнены необходимые расчеты и решена задача параметрической оптимизации. При формализации основных задач на начальной стадии проектирования весьма перспективно использование автоматизированной системы поиска и синтеза технических решений с использованием эвристических приемов и системного подхода. В состав этой системы должны входить подсистемы поиска аналогов, синтеза компоновочных и конструктивных решений. При параметрической оптимизации на области изменения варьируемых параметров накладывают ограничения, обусловленные возможностью или целесообразностью их конструктивно-технической реализации. В большинстве случаев конструктор ориентируется на несколько критериев качества, т. е. задачи оптимизации при проектировании нефтегазопромысловых машин носят многокритериальный характер. Одновременная оптимизация выбранных критериев качества, как правило, невозможна из-за их частичной антагонистичности, поэтому во многих случаях необходимо использовать интегральный (глобальный) критерий качества, тем или иным способом объединяющий частные критерии (с учетом их приоритетности), а при анализе многомерной таблицы испытаний на ЭВМ осуществлять окончательный выбор параметров машин на основе компромиссного подхода к результатам оптимизации. В заключение следует отметить, что применение САПР нефтегазопромысловых машин позволяет осуществить автоматизацию трудоемких и нетворческих расчетно-графических работ и оформление технической документации с помощью средств машинной графики, эффективно использовать прогрессивные разработки, значительно повысить производительность ответственного труда конструкторов. 2.10 Оценка технического уровня и качества нефтегазопромысловых машин Для оценки технического уровня и качества (в дальнейшем уровня качества) разных видов нефтегазопромысловых машин разработаны и утверждены специальные методики. Уровень качества оценивается на всех этапах создания нефтегазопромысловых машин (от разработки технического задания до серийного производства) с использованием в общем случае следующих показателей: назначения; надежности; эргономики и безопасности; технологичности; стандартизации и унификации; патентно-правовых; экономических; эстетических. Для оценки уровня качества нефтегазопромысловых машин применяют абсолютные Р, относительныеq и обобщенныеQ показатели. Абсолютные показатели численно характеризуют конкретный параметр или свойство оцениваемого изделия. Относительные показатели определяют по отношению к показателям аналога Ра или эталона Рд нефтегазопромысловых машины по формулам q = (P/Pa)m; q = (P/Pэ)m, где т = 1, если увеличение Р ведет к повышению качества изделия и т = -1 в противном случае. Эталоном для оценки уровня качества служит гипотетическое изделие, обладающее совокупностью оптимальных показателей качества, достигнутых для аналогов - наилучших образцов нефтегазопромысловых машин. Обобщенные показатели определяются по формуле  где  - определяемый методом экспертных оценок коэффициент весомости, учитывающий степень влияния i-го показателя на качество нефтегазопромысловых машины; п - число принятых для оценки показателей качества. Следует отметить, что  = 1.Ниже в качестве примера приведен комплекс основных абсолютных и относительных показателей, для которых установлены коэффициенты весомости, применительно к буровым установкам 1. Показатели назначения –глубина бурения, м; максимальное усилие на крюке, кН; мощность привода (расчетная), кВт; 2. Показатели надежности - ресурс оборудования до первого капитального ремонта (тыс. м); коэффициент готовности или неисправности; объединенная удельная оперативная трудоемкость технических обслуживании и текущих ремонтов (чел-ч/год). 3. Показатели эргономики и безопасности 4. Показатель технологичности - удельная трудоемкость изготовления (отношение трудоемкости изготовления (нормо-ч) к удельной энерговооруженности машины, которая равна расчетной мощности привода (кВт), отнесенной к массе машины (т)). 5. Показатель стандартизации и унификации - коэффициент применяемости (учитывает относительное число типоразмеров оригинальных составных частей изделия). 6. Патентно-правовой показатель - патентной защиты (наличие лицензий, патентов, авторских свидетельств, заявок на предполагаемые изобретения) и патентной чистоты (сумма коэффициентов значимости стран, по которым машина обладает патентной чистотой). Уровень качества буровых комплексов определяют как функцию уровней качества его составных механизмов (лебедка, забойный двигатель, буровые насосы и др.) с учетом их взаимодействия и увязки. При этом в качестве относительных показателей выступают обобщенные показатели качества Qr входящих в состав комплекса составных механизмов с установленными коэффициентами весомости тi. Обобщенный показатель качества комплекса  . где l - число обобщенных показателей  .При оценке уровня качества нефтегазопромысловых машин составляют карту технического уровня, предусматривающую основные и вспомогательные показатели качества рассматриваемого изделия, эталона и аналогов, и показатели, определяемые по стандартам или техническим условиям. Далее, анализируют результаты оценки и принимают решения о соответствии нефтегазопромысловых машины лучшим отечественным и зарубежным аналогам, перспективному мировому или народнох |