«Расчет и конструирование системы спуска-подъема СПБУ». Курсовая работа По дисциплине Сооружения мнг индустрии Расчет и конструирование системы спускаподъема спбу
 Скачать 0.81 Mb.
|
1 2 Подъемное устройство ПБУ «Апшерон» (рис. 3) состоит из четырех силовых цилиндров 1, двух кольцевых траверс 2, 3, двух пар захватов (замков) 4 и четырех упорных винтов 5. Нижняя неподвижная траверса 2 приварена к палубе корпуса; верхняя подвижная траверса 3 подвешена на силовых цилинд рах и центрируется опорной колонной 6. Силовые цилиндры и траверсы соединены в верхней части непосредственно со што ком 7, в нижней части—-с помощью хвостовика 8. Для компенсации неточностей изготовления и предупреж дения заедания шток и хвостовик соединены с траверсами по средством шаровой пяты. На внутренней цилиндрической по верхности обеих траверс предусмотрены два продольных сквоз ных выреза, в которые входят рейки колонны. В каждой тра версе диаметрально расположены два замка, представляющие собой подвижные цилиндры, заканчивающиеся с глухой сто роны, обращенной к центру траверсы, хвостовиками прямо угольного сечения. Внутри цилиндра имеется поршень, жестко связанный с траверсой. Внутри штока предусмотрены два ка нала, соединяющие поршневую и штоковую полости цилиндра с гидравлической системой управления. При поступлении масла в ту или иную полость замок пе ремещается, входя в зацепление (или выходя из зацепления) с рейкой. Упорные винты 5, предназначенные для разгрузки силовых цилиндров, в рабочем положении ПБУ нижними концами жестко связаны с неподвижной траверсой,- а верхние концы свободно проходят сквозь соответствующие отверстия в подвижной траверсе. Во время работы подъемного устройства винты свободно проходят через отверстия в траверсе. В рабо чем положении винты с помощью гаек крепятся к верхней траверсе и воспринимают нагрузку от веса корпуса ПБУ.  Рис. 3. Подъемник плавучей буровой установки «Апшерон» Подъемник с плавающими траверсами. Разновидностью гидравлического подъемного устройства является конструкция с плавающими траверсами (рис. 4). Подъемник состоит из силовых цилиндров 1, траверс 2, захватов (замков) 3 и гид равлических амортизаторов 4, смонтированных в едином пор тале 5. Портал представляет собой металлоконструкцию, при варенную к палубе ПБУ. Силовые цилиндры посредством шарнирных устройств соединены с траверсами, охватывающи ми опорную колонну. Захваты (замки) по конструкции аналогичны с замком подъемника «Апшерон» и вмонтированы в траверсах.  Рис. 4. Подъемник с коль цевыми плавающими тра версами Гидравлические амортизаторы, вмонтированные в верхнюю и нижнюю опорные части портала, обеспечивают равномерную передачу нагрузки на траверсы и компенсируют возможные удары. При подъеме и спуске опорных колонн нижняя травер са опирается о нижние амортизаторы и выполняет функции не подвижной (перехватывающей), а верхняя — подвижной (пе ремещающей) траверсы; при подъеме и спуске корпуса ПБУ верхняя траверса опирается о верхние амортизаторы и стано вится неподвижной, а нижняя — подвижной. Принцип работы такого подъемника тот же, что и подъем ника, имеющего подвижную и неподвижную траверсы. Недостатками этой конструкции подъемного устройства яв ляются: наличие мощных гидравлических амортизаторов, ус ложняющих конструкцию, и потери времени на «перехват». На построенных фирмой «Оффшор» двух установках мас сой по 5500 т с гидравлическими подъемниками с плавающими траверсами скорость подъема равна 0,3 м/мин. Следователь но, для приведения платформы из походного положения в ра бочее при глубине моря 30 м потребуется 6—12 ч в зависи мости от гидрометеорологических условий.
При очень простой конструкции ме ханического подъемника технологическая сложность изготовле ния из высокопрочных свариваемых сталей реек и шестерен с модулем 60—90 мм которых не требует специальной оснастки. Механическое подъемное устройство представляет собой реечно-шестеренчатую передачу, состоящую из группы вызывает технические трудности. Это, по-видимому, является основной причиной того, что некоторые фирмы отдают предпочтение гидравлическим подъемным устрой ствам, изготовление зубча тых редукторов с индивидуальным электрическим или гидрав лическим приводом, расположенных у каждой рейки опорной колонны. Зубчатая рейка составляет элемент несущей конст рукции колонны. У трехгранной пространственной колонны три репки, у четырехгранной две или четыре рейки. Блок ре дукторов устанавливается на фундаменте, специально предус мотренном в корпусе ПБУ.  Рис.5 механический подъемник Подъемное устройство работает следующим образом - при перекатывании ведущей шестерни, находящейся в постоянном зацеплении с рейкой, колонна перемещается относительно корпуса установки. В этом случае, если корпус находится на плаву, то колонна опускается. Когда колонны достигнут грунта и до отказа войдут в него, начнется подъем корпуса по опорным колоннам. При вращении шестерен в обратном направ лении колотит или корпус также будут перемещаться в об ратном направлении. На рис. 5. показана одна из последних конструкций ме ханического подъемного устройства фирмы «Армко», которая отличается от известной конструкции подъемника «Ле Турно» наличием двухсторонней нарезки зубцов на рейке. Как видно из рисунка, шесть моторредукторов с шестью зубчатыми, передачами 2 и шестью ведущими шестернями 3 собраны в единый блок симметрично — по три с каждой стороны рейки.. Ведущие шестерни находятся в постоянном зацеплении с рей ками. Последние расположены по двум углам опорной колон ны. Каждый мотор-редуктор имеет встроенный тормоз, рассчи танный на удвоенный крутящий момент двигателя. Управление подъемным механизмом осуществляется с единого пульта.. Можно управлять каждой опорой индивидуально или всеми;, колоннами одновременно. Работа подъемника происходит ана логично описанному выше. По данным фирмы грузоподъемность одного подъемника равна 2400 т, грузоподъемность каждой ведущей шестерни 200 т при подъеме платформы и 400 т при удержании ее на точке бурения. Скорость подъема 18 м/ч. Габаритные размеры одного подъемника приведены на рис. 5. В механических подъемниках с реечно-шестеренчатой пе редачей управление упрощено до минимума, так как нет на добности в сложной программе выполнения операций, как в гидравлических подъемниках. Преимуществом описанной кон струкции является расположение реек только на двух углах четырехгранной опорной колонны. К недостаткам следует от нести отсутствие запаса грузоподъемности для задавки колони в грунт.
Гидросистема подъемного устройства ПБУ предназначена для привода и управления подъемниками и обеспечивает создание необходимых потоков масла (рабочей жидкости) для выполнения всех вертикальных и горизонтальных перемещений захватов в процессе спуска и подъема колонн и корпуса,, а также надавливания в грунт и выдергивания из грунта опорных колонн. Гидравлическая система любого подъемного устройства состоит из:
Система гидросиловой установки осуществляет подачу ра бочей жидкости от соответствующих насосов к силовым ци линдрам в контуре высокого давления, к цилиндрам захватов в контуре среднего давления, в контуре управления золотни ковыми распределителями высокого и среднего давления. Технические характеристики агрегатов, аппаратуры, конт рольно-измерительных приборов и арматуры, используемых для гидравлического привода подъемного устройства, в раз личных конструкциях подъемников могут отличаться друг от друга, но принципиальные схемы гидроуправления имеют мно го общего, так как выполняют идентичные функции. В качестве рабочей жидкости чаще всего используются ми неральные масла, качество которых характеризуется вяз костью, стабильностью, температурой застывания. Эти каче ства должны сохраняться в течение примерно 2 лет. Вязкость масла определяет величину потерь давления в гидросистеме и влияет на износ трущихся поверхностей. При выборе масла следует иметь в виду работу гидросистемы в условиях измене ния температуры окружающей среды от —30 до +50° С. По этому нужно параллельно решать вопрос о необходимости по догрева или охлаждения масла. Для указанных выше темпе ратур вязкость масла изменяется в пределах 10—1000 сСт, что, естественно, затрудняет его выбор. Вместе с тем практика подтверждает применимость масла вязкостью 20—40 сСт при температуре +50°С. Этим условиям соответствуют масла: ин дустриальное 20 и ИСн-50, а также турбинное 22 и 46. Ниже приведены гидравлическая схема управления двумя различными по конструкции и принципу работы подъемными устройствами, применяемыми на ПБУ «Апшерон» и «Бакы». В гидравлической системе подъемных устройств этих ПБУ ра бочие давления приняты соответственно: контур высокого дав ления 20,0 и 32,0 МПа; контур среднего давления 5,0 и 12,5 МПа; контур управления 2,0 и 2,5 МПа. На рис. 6. показана принципиальная схема гидросиловой установки ПБУ «Апшерон». Контур высокого давления вклю чает: насос радиально-плунжерный с регулируемой подачей  Рис. 6. Принципиальная гидравлическая схема подъемного устрой ства ПБУ «Апшерон» НПР-200м 1; обратный клапан 2, обеспечивающий свобод ный поток масла только в одном направлении; предохрани тельный клапан 1КР-40, защищающий гидросистему при пре вышений давления, 5; трехпозиционный золотниковый распре делитель 1РТМЗ-40 с электрогидравлическим управлением, предназначенный для изменения направления потоков масла в гидросистеме 4; регулируемый дроссель 15с97НЖ, создаю щий дополнительное сопротивление перемещению поршней силовых цилиндров во время спуска колонны или корпуса 5а, 56; сливной золотник 1КСМ-40 с электрогидравлическим уп равлением, обеспечивающий при необходимости прямой слив масла в бак 6а, 66; обратный клапан, служащий для направ ления потока масла при нагнетании, минуя дроссель, при сли ве— через дроссель или через сливной золотник 7а, 76. В систему среднего давления, предназначенную для приво да захватов, включены: роторно-шиберный насос ЛЗФ-70, раз вивающий давление 6,4 МПа при подаче 70 л/мин 8; обратный клапан 9; предохранительный клапан 1КР-20 10; трехпозици онный золотниковый распределитель 1РГМЗ-20 11а, 116; фильтр масла ФМ-6 12. В систему управления входят: насос Л1Ф 35, развивающий давление 2,5 МПа при подаче 35 л/мин 13; обратный клапан 14; предохранительный клапан 1КР-20 15. В контурах всех трех систем предусмотрены контрольные приборы. Все трубопроводы — металлические. Подводы масла к силовым цилиндрам и замкам осуществлены с помощью гиб ких резинометаллических рукавов.
УСТРОЙСТВА СПБУ Общие положения проектирования Существуют два типа спуско-подъемного устройства (СПУ): непрерывного и шагового действий. Для обоих типов СПУ ис пользуется электромеханический привод. Основные элементы СПУ - это зубчатые рейки, редукторы с электродвигателями, амортизаторы, стопорные механизмы, конструкции захватов и упоров. В СПУ непрерывного действия зубчатые рейки крепятся не посредственно к цилиндрической опорной колонне почти по всей ее длине. Зубчатые рейки в СПУ шагового действия предназначаются для подъема-опускания траверсы, имеющей захваты для соединения с решетчатой опорной колонной. Длины таких реек определяются величиной ша гового перемещения траверсы. Траверса - верхний, подвижный ярус портала СПБУ. В ста ционарных нижних ярусах портала размешаются редукторы, электромоторы, амортизаторы, стопорные механизмы, нижние захваты и конструкции верхних упоров. 1акжс здесь размещают ся другие механизмы, системы, обеспечивающие работу ПОУ. Мощность (W, кВт), необходимая для действия СПУ одной опорной колонны, может быть определена по формуле W = R* Vз.p, где R - рас четная величина силы, кН, реализуемая СПУ; Vз.р. – линейная скорость, м/с, на «выходе» СПУ (зубчатой рейке). Значение Rопределяется в соответствии с эксплуатационным режимом, при нятым в качестве проектировочного условия. Скорость подъема - опускания опорной колонны (или корпуса буровой установки относительно опорной колонны) на СПБУ-прототипах от 0.3 до 0.4 м/мин (от 0.005 до 0.0067 м/с). Требуемая мощность электропривода (электромотора) редуктор ного механизма в составе данного ПОУ:  ,где  - количество зубчатых реек в составе ПОУ;  - коли чество редукторных механизмов, работающих на одну зубчатую рейку;  - КПД редукторного механизма.В существующих конструкциях СПУ = 3. Редукторные механизмы СПУ одной колонны устанавливаются в парные сис темы - с каждой стороны рейки (ее зубчатой кромки). Поэтому тр.м=2-тр.м.с.; тр.м.с. - количество редукторных механизмов с одной стороны зубчатой рейки. Значение  с достаточ ной точностью может быть проектировочной оценкой КПД ре дукторного механизма.При проектировании можно принять (в первом приближении) значение  и определить тр.м.. Далее, корректируются значения тр.ми в соответствии с условием тр.м./тр.м.с. = 2 и реальным значением , взятым из стандарта на электромоторы. Для принятого стандартного электромо тора становятся известными частота вращения выходного вала ( , 1/мин), другие его технические параметры. Далее предлага ется проектировочный подход, объектом которого будет зубчатая рейка - один из основных элементов ПОУ. Зубчатая рейка взаимодействует с опорной колонной и редукторным механизмом через реечную шестерню редуктора. Диаметр реечной шестерни определяется как  где  - число зубьев реечной шестерни;  ; 7 или 8 (в редукторе СПУ на СПБУ «Арктическая»  ); m- модуль зубчатого профиля, общий по значению для рейки и реечной шестерни. Определив (в результате проекти рования зубчатой рейки) dр.ш., можно оценить частоту вращения реечной шестерни и передаточное число редукторного механиз ма: Здесь окружная скорость реечной шестерни  в м/мин, dр.ш в мм. Тогда передаточное чис ло редуктора:  В реальном проектировании  по льется настолько большим, что может быть реализовано только с помощью многоступенчатого планетарного редуктора (проекти рование такого редуктора не рассматривается в данном пособии).
Зубчатая рейка (ЗР) в конструкции СПУ непрерывного дейст вия является также пояском силового элемента, две стенки кото рого привариваются непосредственно к внешней поверхности обшивки цилиндрической опорной колонны (рис.7). Конструкция такого эле мента - расстояние между стенками, их высота, толщина стенок - определяются условиями размещения стопорных устройств, упо ров, надежностью в силовом процессе передачи усилий зубчатой рейки на опорную колонну. В качестве примера на рис.8 показан фрагмент рассматриваемой конструкции (узел из рис.7) с размерами, заимствованными из конструкции СПУ проекта-прототипа (СПБУ «Арктическая»). В СПУ шагового действия ЗР - силовой стержень (с зубчаты ми боковыми кромками), шарнирно соединенный с траверсой. Размеры стержня-рейки должны обеспечивать надежность при передаче усилий между опорной колонной (через траверсу) и конструкцией ос новных ярусов портала (см. схему установки зубчатой рейки на рис.9). На этом рисунке (в сечении В-В) показана конструкция сварной со ставной зубчатой рейки, заимствованная также из проекта-прототипа (СПБУ «Мурманская»).  Рис.7  Рис.8  Рис. 9 Геометрические параметры зубчатого (кромочного) венца зубчатой рейки показаны на рис.10. На рисунке: т - модуль зубчатого профиля; р - шаг зубчатого профиля; α - угол наклона стенки главного профиля  ;  - коэффициент высоты головки зуба; ,  - коэффициент радиального зазора; ,  - коэффициент высоты ножки зуба; ,  - коэффициент граничной высоты; ,  - коэффициент глубины захода зубьев реечной шестерни;  ,  - коэффициент радиуса кривизны переходной кривой. Исходные (начальные) значения а и соответствующих коэффициентов представлены в Таблице 1 Рис.10 Таблица 1.
Как видно из рис.10, независимыми параметрами являются модуль и угол наклона стенок зубчатого профиля. К независимым параметрам можно отнести также ширину зубчатого венца рейки  . Эти параметры будут использоваться как искомые в матема тической модели поисковой задачи проектирования зубчатой рейки.Для изготовления зубчатой рейки (и зубчатых элементов редукторов) ис пользуются высокопрочные стали. Важная характеристика таких сталей - обеспечение твердости активных поверхностей зубьев. Однако только при значениях твердости H ≤ HB350 допускается окончательная обработка заготовки (поковки) после термообра ботки, что упрощает технологию изготовления деталей зубчатых передач. В табл.2 показаны характеристики некоторых сталей, которые могут быть использованы для производства ЗР. При выборе материала для ЗР следует учитывать также стоимость ста ли. Если цену одной тонны стали 50 принять за единицу, то стали 40X, 45X будут на 20%, 30% дороже. Таблица 2
Значения геометрических параметров зубчатой рейки определяются решением следующей поисковой задачи проектирования: Shb→MIN   S – 0.5m=0 20˚ ≤ α ≤ 25˚ 50 ≤ m ≤ 100 50 ≤ b ≤ 130 где S, мм – толщина зубчатого профиля; h=  =m, мм – высота профиля; b= , мм – ширина зубчатого венца рейки;  - допускаемые контактные напряжения, МПа;  - расчетные значения контактных напряжений, МПа;  - допускаемые напряжения изгиба, МПа;  - расчетные напряжения изгиба, МПа.Предельные значения варьируемых параметров приняты в результате анализа данных проектной документации ПОУ СПБУ («Арктическая» и « Мурманская»). Формулы для определения расчетных и допускаемых напря жений здесь принимаются из (7), они согласуются с расчетными зависимостями в (9) и (10). Так. используемая исходная зависимость для расчетных контактных напряжений:  ,где  , МПа - модуль нормальной упругости ста ли, используемой для изготовления ЗР и реечной шестерни (РШ);  - приведенный радиус кривизны эвольвенты зубьев в точкеконтакта,  , так как  =∞, то ,  ; q - интенсивность контактного давления, q=  ,  - сила окружного давления,  , кН; КН - коэффициент динамичности, учиты вающий неточность изготовления и окружную скорость в зацеп лении зубьев. В рассматриваемом случае (степень точности более 9, скорость - менее 1 м/с) можно принять Кн =1,02.Исходная формула приводится к виду:  , МПагде R- с размерностью кН, b и m – мм. Формула для определения расчетных напряжений изгиба:  ,где  - коэффициент формы зуба, для ЗР - 3,78; KF- коэффициент динамичности расчетной нагрузки, определяется подобно  и в данномслучае KF = 1,0. Исходная формула расчетных напряжений изгиба приводится к виду:  , МПаРазмерности параметров здесь такие же, как и в формуле для .Допускаемые контактные (усталостные) напряжения опреде ляются но формуле (7) σНр = (σH lim/  )ZH, где σHlirn - предел выносливости контактных напряжений;  = 2НВ + 70 ; SH- коэффициент безопасности, в данном случае  ; ZH -ко эффициент долговечности, ZH = , но ZH ≤ 2.6.  - предельное число циклов нагрузки, соответствующее значение Nhg зависит от твердости используемой стали и может быть определено по следующей аппроксимационной фор муле (для 200 ≤ НВ ≤ 350):Nhg =52.122*  ;NHii - коли чество рабочих циклов нагрузки за период эксплуатации соору жения. По данным проектной документации буровая установка проектируется для эксплуатации в течение Т= 20 лет. За это вре мя совершается  3 подъема-опускания СПБУ. Очевидно, NHi, для каждого нагружаемого зуба рейки можно оценить как NHi, = Т2NпрмсКэ - для СПУ непрерывного действия и  = Т2 прмс2Кш - для ПОУ шагового действия  1.3 - коэффициент, учитывающий дополнительные (вспомогательные) подъемы-опускания в работе СПУ; Кш =3-5 - количество шаго вых действий при каждом подъеме-опускании в СПУ данного типа.Допускаемые усталостные напряжения изгиба определяются по формуле [7] σF = (σFlim/SF )YAYN, где σFlim - предел устало сти напряжений изгиба, σFlim =1,8 НВ. SF- коэффициент запаса, здесь SF = 1,75; YA - коэффициент, учитывающий влияние дву стороннего приложения нагрузки, YA = 0,7; YN- коэффициент («изгибной») долговечности, Yn  , но YN≤ 4,0.Здесь рекомендуется NFG = 4 -106 для всех сталей; значение NFiопределяется подобно NHii. В качестве примера далее рассматривается проектирование зубчатой рейки в ПОУ непрерывного действия. Пусть R= 40-103 кН, Vз.р. = 0,35 м/мин (0.00583 м/с), Wэ = 10 кВт (в первом приближении). Тогда mр.м. = R  ( ) = 40*103-0.00583/(3 *10 * 0,8) = 9.7.Принимается (корректируется)  , следовательно,  и в соответствии с ТУ 16-525.564-84 выбирается «Двигатель 160М8» мощностью 11кВт и =750 1/мин.Если сталь для ЗР имеет твердость Н =НВ350, то  =2*350 + 70 = 770 МПа;  =52.122- =35883435;=20*3*5*1.3 = 780;  =  = 5,98, так как полу ченное значение больше 2.6. то= 2.6 и допускаемые контактные напряжения примут вид: Формула для расчетных контактных напряжений принимает вид:  )Коэффициент долговечности при изгибе равен YN =  = 4,15 >4, значит, Yn = 4,0. Допускаемые напря жения изгиба: σFp =(1,8*350/1,75)0,7*4,0 = 1000 МПа. Формула для расчетных изгибных напряжений принимает вид: σF =5,04*  /(b )Так как S=0,5π*m, a h = 2т, то функцию цели можно пред ставить как Sbh= π*т2*b. Математическая модель проектирования зубчатой рейки теперь будет иметь вид: m2b→MIN; 1820 -  ≥0;1000 - 5,04* /(b )≥0;20˚≤ α ≤ 25˚; 50≤ m ≤ 100; 80≤ b ≤ 130;  Результат решения показан в таблице 3 Таблица 3
Приведенные в таблице 3 значения получены при доминирова нии условия (ограничения) контактной прочности. При всех Zр.ш., α˚ принимает наибольшие значения, т - наименьшие. С увели чением Zp.ш. уменьшаются b и ФЦ. Если для изготовления ЗР принять сталь с Н = 250 НВ, то допускаемые контактные напря жения будут σНр =1347 МПа, а допускаемые напряжения изгиба σFp = 720 МПа. В этом случае при Zp.ш. = 7 результат проектиро вания равен: α˚ = 25, т =79 мм и b = 130 мм (ФЦ= 810873 мм3). Таким образом, с уменьшением расчетной твердости стали уве личиваются значения т и b. Приняв стандартную величину мо дуля (..., 40, 50, 60, 80, 100), можно откорректировать значение b. Так в последнем проектировочном примере при т = 80 мм, b = 128 мм. Для Zp.ш. = 7 и т = 80 dp.ш. =7 *80 = 560 мм. Тогда  = 0,35*103/(3,14 560) = 0,199 1/мин и передаточное число редуктора должно быть Up =750/0,199 = 3768.Зубчатая рейка в СПУ шагового действия нагружается в большем количестве рабочих циклов (∑  ≥3000). Учет этого фактора (и возможное реальное значение Н < НВ350) обусловли вает пониженные значения допускаемых напряжений. При проек тировании зубчатой рейки в СПУ шагового действия следует учесть также следующие два дополнительные фактора:
Уменьшение количества редукторных механизмов, работающих на одну рейку (СПУ на СПБУ «Мурманская» имеет тр.м. = 4), уве личивает интенсивность нагрузки на зубья. Это влечет повыше ние расчетных напряжений и, как следствие (вместе с уменьше нием допускаемых напряжений), увеличивается значение bр -ширины зубчатого венца рейки. Увеличенное bр может лучшим образом сочетаться с bс - толщиной стержня-рейки (ширина рей ки определяется условиями двухстороннего зацепления с рееч ными шестернями редукторных механизмов). В этом случае с це лью улучшения технологичности ЗР, уменьшения влияния тол щины стальной заготовки (масштабного эффекта) на ее механические характеристики зубчатый венец может быть изго товлен «двугребенчатым» (см. сечение В-В на рис.9). Такая зубчатая рейка в шаговом СПУ-дорогостоящая конструкция с высоким уровнем используемой сложной сварочной технологии.
1 2 |
, МПа
, МПа
