Конспект лекций РиКМОНГП. Конспект лекций по дисциплине Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов Для специальности
 Скачать 2.08 Mb.
|
|
3.6 Разработка кинематической схемы буровой установки В первоначальной стадии проектирования одновременно с компоновкой оборудования следует разработать несколько вариантов кинематических схем, проанализировать их и выбрать вариант, обеспечивающий наибольшую эффективность. При этом необходимо проанализировать кинематические схемы всех исполнительных и промежуточных звеньев. Движение исполнительных органов буровой установки Режущие элементы породоразрушающего инструмента (долота) при вращательном бурении должны перемещаться по винтовой линии, причем вращательное движение должно быть согласовано с поступательным. Поршни буровых насосов должны совершать возвратно-поступательное прямолинейное движение с переменной или постоянной скоростью. Для смены породоразрушающего инструмента бурильная колонна разбирается на свечи, которые извлекаются из скважины и спускаются в нее при поступательном движении. В соответствии с этим установка должна иметь механизмы, посредством которых осуществляются эти основные или главные рабочие движения. Скорость главных движений основных исполнительных механизмов буровой установки определяется: для породоразрушающего инструмента - долота - допустимой частотой вращения и буримостью пород; для поршней бурового насоса - допустимой средней скоростью перемещения поршня насоса в цилиндре; для крюка подъемной системы - допустимыми скоростями движения бурильной колонны в скважине и мощностью подъемного механизма. Наряду с основными движениями осуществляются вспомогательные: свинчивание и развинчивание замковых соединений колонны, закрепление ее в роторе, установка извлеченных из скважины бурильных труб и подтаскивание и спуск их обратно в скважину. Для рационального использования буровой установки и определения ее технических показателей необходимо знать скорости движения основных элементов. Кинематические связи между основными исполнительными механизмами: приводными двигателями, крюком, столом ротора и поршнями насосов - важнейший элемент при разработке эскизного проекта буровой установки. Для наивыгоднейшего использования мощности и обеспечения эффективности бурения необходимо установить скорости движения, пределы их регулирования и величины путей перемещения при наиболее простых кинематической схеме и конструкции проектируемой установки. Сначала намечают кинематическую структуру буровой установки, т. е. совокупность устойчивых кинематических связей между источниками движения и исполнительными механизмами, обеспечивающих цельность и сохранение основных кинематических свойств при различных внутренних и внешних изменениях. Кинематические связи могут быть внутренними и внешними. Внутренняя кинематическая связь - это кинематическая связь исполнительных механизмов между собой, определяющая характер их движения (вращательное или поступательное). Скорость движения исполнительного механизма внутренняя кинематическая связь не определяет. Внешняя кинематическая связь - это кинематическая связь исполнительных механизмов с источником движения. Она определяет скорость и направление движения исполнительного механизма. Внешняя кинематическая цепь соединяется с внутренней через любое промежуточное звено внутренней кинематической цепи, называемое ведомым звеном цепи привода. Для того чтобы разработать кинематику буровой установки, сначала разрабатывают структурную, а затем конструктивную кинематические схемы. Кинематическая структурная схема - кинематическая модель буровой установки, в которой устанавливается взаимное расположение звеньев, органов настройки и их связей. Она не определяет, какими средствами должно быть реализовано то или иное движение и его скорость.  Кинематическая конструктивная схема является кинематической моделью буровой установки, в которой указывается, какими средствами реализуется движение того или иного звена с соблюдением размеров и форм, при изменении которых изменяются положения, скорости и ускорения отдельных элементов системы. На кинематической схеме указывается все, что необходимо для изучения движения. Кинематическая конструктивная схема буровой установки показана на рис. 3.11, а. На рис. 3.11, б приведена структурная схема буровой установки с приводными двигателями, сблокированными между собой и образующими групповой силовой привод основных исполнительных механизмов - ротора, насосов и лебедки. На структурную схему наносят условные изображения ее отдельных звеньев и элементов в виде ромбов, квадратов, окружностей или других фигур, а их кинематические связи изображают пунктирными линиями. На структурной схеме (рис. 3.11, б) постоянные звенья кинематической системы изображены ромбами (с постоянным передаточным отношением un), подвижные звенья, называемые органами настройки (с переменным передаточным отношением uv), - также ромбами. Приведенная на схеме буровая установка имеет один источник движения, состоящий из трех двигателей 11, сблокированных общей трансмиссией 15, и три кинематические группы: ротор 2, лебедку 4 с талевой системой 3, на которой через крюк подвешена бурильная колонна с долотом 1. Эти группы составляют общую кинематическую группу. Талевая система также может служить органом настройки uvт - звеном, изменяющим вращательное движение каната при намотке на барабан на поступательное движение с крюком. Ротор и лебедка имеют свои постоянные звенья uпр 6 и uпл 5 и общий орган настройки uv пр 7, которым производится кинематическая настройка на заданную скорость и направление движения исполнительных механизмов (ротора и лебедки). Орган настройки 7 (коробка перемены передач) приводится во вращение от источника движения 11 общей кинематической связью, включающей: орган настройки uv тт - турботрансформатор 10 и постоянное звено un.пр - цепные передачи 8 и 9 с постоянными отношениями. Привод насосов 14 представляет собой раздельную кинематическую группу, которая приводится от общего источника движения 11 и органа настройки uv тт 10 через постоянные звенья un.п - цепные трансмиссии 12 и 13. В буровых установках с индивидуальным приводом исполнительных механизмов (ротор, лебедка, насосы) имеются только обособленные кинематические группы и общая их структура и кинематическая схема значительно проще, чем в установках с групповым приводом.  Кинематическая настройка буровых установок осуществляется периодически в зависимости от изменения режимных условий бурения. Обычно в буровых установках применяют два-три органа настройки: коробку передач привода uv лр ротора и лебедки, талевую систему uvт и турботрансформатор uv тт привода насосов и лебедки. Кинематическая настройка установки в основном сводится к определению параметров органа настройки, при помощи которых удается достигнуть нужных скоростей перемещения конечных звеньев цепи. Эти перемещения называют расчетными перемещениями и определяют их в зависимости от различных факторов — массы поднимаемой бурильной колонны, требуемой частоты ее вращения, скорости подачи долота и др.После этого составляют формулу настройки каждою органа  где uп - передаточные отношения соответственно постоянных звеньев кинематической цепи и органа настройки; п1 в п2 - частоты вращения источника движения и исполнительного звена. После установления законов основных движений, определения частот вращений и скоростей движения конечных звеньев кинематических цепей приступают к разработке кинематической схемы буровой установки. Общие требования к кинематической схеме буровой установки Разработка кинематической схемы - одна из начальных стадий проектирования буровой установки. Разрабатывают несколько вариантов кинематических схем. Разработанные варианты должны быть всесторонне рассмотрены и оценены их преимущества и недостатки, так как некоторые из вариантов могут привести к конструктивным решениям, неравноценным в эксплуатационном и технологическом отношениях, хотя сами кинематические схемы будут обеспечивать необходимые скорости и перемещения конечных звеньев. На выбор кинематической схемы влияют технологические возможности завода-изготовителя, унификация и использование имеющихся готовых механизмов. На основе анализа всех данных создают кинематическую схему, наиболее полно удовлетворяющую всем требованиям. В каждой буровой установке должны быть три основные кинематические цепи: подъемного механизма, привода ротора и привода насосов. В совокупности эти цепи образуют кинематическую схему всей установки. Одни цепи в зависимости от характера работ и назначения установки должны допускать временную (привод ротора от вала лебедки) или постоянную связь между собой, другие (насосы и лебедка) могут постоянно оставаться независимыми одна от другой. При оценке различных вариантов схем по признаку их сложности следует учитывать степень механизации и автоматизации процессов. Кинематическая схема буровой установки должна удовлетворять общим требованиям: 1) обеспечению необходимого диапазона регулирования и изменения скоростей движения ротора, подъемного комплекса и насосов; 2) обеспечению регулирования скоростей подъема и спуска колонны бурильных труб при наименьших затратах времени. Степень сложности кинематической схемы оценивается сопоставлением, причем в качестве критериев могут быть выбраны следующие: 1) число элементов, входящих в кинематическую схему установки (валы, клиноременные, цепные и зубчатые передачи, подшипники, муфты сцепления, блоки талевой системы), число слоев намотки каната на барабан лебедки; число трубопроводов, распределительных органов пневмосистемы управления, число органов управления; 2) число сравнительно сложных в изготовлении или сборке элементов (редукторы, коробки передач, фрикционные муфты); 3) расположение валов; предпочтительно такое расположение, при котором их оси параллельны и находятся по возможности в одной плоскости или с небольшими углами наклона передач; следует избегать применения вертикального расположения цепных и клиноременных передач; допускается также взаимно перпендикулярное расположение валов с коническими зубчатыми передачами. Для облегчения физического труда рабочих и сокращения времени проходки скважин необходимо рассматривать техническую и экономическую целесообразность степени механизации. Надежность работы отдельных агрегатов и элементов буровой установки следует оценивать с учетом не только возможности отказов, но и наличия дублирующих цепей, обеспечивающих бесперебойную работу. Разработка кинематических схем буровых установок Число факторов, влияющих на структурные схемы буровых установок, ограничено, поэтому при разработке их могут быть использованы некоторые общие рекомендации. 1. Выбор минимального числа передач. Кинематическая цепь содержит тем меньше передач, чем меньше отличаются частоты ее ведущего и ведомого звеньев. Для уменьшения редукции при механических трансмиссиях целесообразно в буровых установках применять приводные двигатели средних частот вращения. Наиболее подходящие, как установлено практикой, двигатели с частотами вращения 900 - 1200 об/мин, при использовании турботрансформаторов в передачах - двигатели с частотами до 1600 об/мин. Применение двигателей с более высокой частотой вращения усложняет кинематическую схему и конструкцию, с меньшей частотой вращения - значительно увеличивает массу силовой части установки и ухудшает ее динамику, надежность и долговечность. На рис. 3.12 приведены кинематические схемы двух буровых установок с разными силовыми приводами. В варианте на рис. 3.12, а применены двигатели с частотой вращения hд= 1150 об/мин и с редукторами, понижающими частоту вращения валов блокирующей передачи до 750 об/мин. Так как эти зубчатые редукторы изменяют направление вращения ведомых валов и оно не соответствует требуемому для лебедки и ротора, то в кинематическую цепь привода агрегатов для изменения направления вращения введен дополнительный вал еще с одной зубчатой передачей. В варианте на рис. 3.12, б применены двигатели с частотой вращения nд = 1600 об/мин с турботрансформаторами, снижающими рабочую частоту вращения валов блокирующей трансмиссии до 1000 об/мин, но не меняющие направления вращения и обеспечивающие ее регулирование в широком диапазоне. За счет регулирования частот вращения ДВС по схеме на рис. 3.12, а могут быть получены частоты вращения трансмиссий в 1,3—1,4 раза меньше указанных. При применении в приводе турботрансформатора (рис. 3.12, б) частоты вращения валов трансмиссий могут снижаться за счет как диапазона регулирования, так и изменения частот вращения двигателя. Допустимый диапазон регулирования зависит от к.п.д. турботрансформатора. Для длительной работы при к.п.д. = 0,7-0,8 передаточное отношение можно принимать итг= 1,6÷2,5. В табл. 3.3 приведен сравнительный анализ этих двух схем. Как видно из этой таблицы, в приводе барабана лебедки по схеме на рис. 3.12, а валов и передач на четыре больше, чем по схеме на рис. 3.12, б. В то же время по схеме на рис. 3.12, а обеспечиваются только четыре ступени частоты вращения барабана лебедки, а по схеме на рис. 3.12, б можно получить шесть частот вращения барабана при меньшем числе передач и валов, участвующих в работе. Аналогичная картина получается и с приводом ротора.  При выборе двигателя следует считаться с наличием выпускаемых двигателей, их характеристикой, стоимостью, моторесурсом и учитывать, что габариты и масса двигателей тем больше, чем меньше при одной и той же мощности его частота вращения. Таблица 3.3 Сравнительный анализ двух схем приводов лебедок
2. Рациональное разложение общего передаточного отношения на частные. Из всех возможных вариантов наиболее выгодным в конструктивном отношении является такое разложение передаточного отношения, при котором наибольшее замедление вращения приходится на конечные звенья кинематической цепи. Поскольку общее передаточное отношение  (3.1)то целесообразно соблюдать условие  (3.2)Это правило основано на том положении, что размеры деталей механизмов кинематической цепи, передающей мощность N, по мере уменьшения частоты вращения п (в об/мин) увеличиваются. Например, диаметры валов обратно пропорциональны  , модули зубчатых колес при прочих равных условиях и габариты зубчатых колес обратно пропорциональны . Габариты клиноременных и цепных передач обратно пропорциональны п, диаметры рабочих колес турбомуфт и турботрансформаторов обратно пропорциональны .Влияние расположения передач в кинематической цепи на размеры деталей механизмов можно достаточно просто определить в каждом конкретном случае. Если различие в передаточных отношениях невелико, то порядок их расположения большой роли не играет и обусловливается конструктивными соображениями. При разработке кинематических схем буровых установок следует иметь в виду, что размеры конечных звеньев зависят от требований технологии бурения (диаметр отверстия ротора, канатоемкость барабана лебедки и др.), а также частоты вращения валов отдельных механизмов. 3. Распределение частот вращения исполнительных механизмов. При разработке кинематических схем коробок передач буровых установок разбивку передаточных отношений можно осуществлять различными способами, однако во всех случаях следует придерживаться определенной структуры. Наиболее рациональная закономерность - геометрическая прогрессия. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||