СИЛОВОЙ РАСЧЕТ ПРИВОДА БАРАБАНА

 

При наматывании гибкой трубы на барабан его привод должен обеспечивать крутящий момент, который способство­вал бы протяжке трубы от транспортера к каретке укладчика и намотке на барабан.

В процессе протяжки трубы происходит ее пластическое деформирование. Максимальный изгибающий момент, необ­ходимый для образования пластического шарнира, определя­ют по формуле

 

M_xmax = s _т × W _хпл

где

W _хпл = ( d ³ _тр.н. - d ³ _тр.в. )/6 » d _тр.н. × d _тр

 

Здесь W _хпл - момент сопротивления пластический.

 

Значения изгибающих моментов при образовании пласти­ческого шарнира для нескольких диаметров труб могут быть следующие:

 

Параметры трубы, мм:

наружный диаметр d _тр.н              25 25 33 33 44 44

толщина стенки d _тр           2   2   3   3   3, 5 3, 5

Момент сопротивле­ния пластический

W _хпл, мм^{3...........................}                        1250 1250 3267 3267 6776 6776

Предел текучести s _т,

МПа......................             480 700 480 700 480 700

Максимальный изги­бающий момент

M_xmax, Н× м                           600 875 1568 2280 3252 4743

Крутящий момент

барабана М_б, Н× м 3267    4764 8537  12410 17705 25823

 

Из схемы транспортирования гибкой трубы (рис. 3.20) следует, что если она изгибается, то в одной плоскости ее изгиб происходит 2 раза, а в двух - 3. В первом случае ось барабана располагается перпендикулярно оси агрегата, а во втором - параллельно.

Для обеспечения изгиба трубы при огибании ею криволи­нейного элемента радиусом R тяговое усилие должно быть равным P _т = М_хпл/ R.

Таким образом, максимальный крутящий момент, прило­женный к барабану при намотке витков гибкой трубы на максимальный диаметр,

 

М_б = М_хпл + т( D ₆ /2)М_хпл/ R = М_хпл(1 + mR 2/ D _б ),

где т - число изгибов трубы.

 

Подставив значения для рассматриваемого агрегата при ис­пользовании гибкой трубы диаметром 25 мм (М_хпл = 1250 мм³, D _б = 1800 мм, R = 1000 мм и ее изгибе при транспортирова­нии в двух плоскостях (m = 3), получим

 

M _б = 600[(1 + 3 × 1000 × 2)/1800] = 2600 Н× м.

 

Значения изгибающих моментов для иных диаметров труб приведены выше.

Для привода барабана применяют гидромотор, вращающий вал барабана через планетарный редуктор. Гидромотор и ре­дуктор унифицированы с аналогичными узлами, используе­мыми в транспортере:

 

М_б = M _г.м.стр × i × h _мех = 258 × 24 × 0, 8 = 4953 Н-м,

 

где h _мех - КПД редуктора;

М_г._м._стр - страгивающий момент, развиваемый гидромотором.

 

Таким образом, привод барабана, конструкция которого использована в агрегате, обеспечивает наматывание трубы диаметром 25 мм в режиме страгивания и тем более, если этот процесс осуществляется равномерно.

 

 

 

а - картина деформаций в поперечном сечении гибкой трубы; б - силовые фак­торы, возникающие при подъеме колонн гибких труб и наматывании их на ба­рабан; в - то же, при спуске колонны труб и разматывании их с барабана; у_пл, у_упр - области поперечного сечения соответственно с пластически- и упругодеформированным материалом; e _max - максимальные деформации материала в точках сечения, наиболее удаленных от нейтральной линии; e _т - деформации, соответствующие достижению предела текучести материала s _т; M_{x пл} - изгибаю­щий момент, который необходимо приложить для обеспечения изгиба трубы с образованием пластических деформаций; крутящие моменты: М_б – развиваемый приводом барабана при наматывании трубы, М_тр.у - создаваемый тормозом и препятствующий самопроизвольному раскручиванию барабана под действием сил упругой деформации KГT, M _д - раскручивающий намотанную на барабан трубу, обусловленный давлением жидкости, находящейся в ней; Р_т - тяговое усилие транспортера при спуске труб; R _тр.м - радиус изгиба трубы при выходе из транспортера при ее подъеме (наматывании на барабан); R _б - радиус бараба­на для наматывания гибкой трубы

 

Рисунок 3.20 - Процесс деформирования гибкой трубы на участке

" барабан - транспортер"

Максимальный крутящий момент, который может быть приложен к барабану при намотке трубы, определим из усло­вия, что максимальные напряжения, возникающие в попереч­ном сечении последней, не должны превышать предела проч­ности s _в, (для стали 20 как наименее прочного матеала, из которого может быть изготовлена труба, s _т = 420 МПа). Мак­симальные напряжения s _max в поперечном сечении трубы равны сумме напряжений s _и обусловленных изгибом трубы, и s _н вызванных усилием натяжения трубы Р_н:

 

s _max = s _и + s _н

 

Напряжения s _max = s _в, s _и = s _т, s _н = Р_н/ f

где f - площадь поперечного сечения тела трубы

(при d _тр = 25 мм f = 1, 44 см²).

 

Максимальное допускаемое усилие натяжения гибкой тру­бы, сбегающей с барабана,

 

Р_н= ( s _в - s _т ) f,

 

для трубы с d _тр = 25 мм Р_н = 24480 Н.

 

Максимальный момент, развиваемый барабаном при дви­жении трубы, определяется величиной крутящего момента, создаваемого приводным гидромотором (М_г.м.ном = 342 Н× м),

 

М_б = 342 × 24 × 0, 8 = 6566 Н× м.

 

Максимальное усилие натяжения трубы рщ» развивается при ее наматывании на минимальный радиус барабана. В рассматриваемом случае R_min = 0, 8 м.

Р _max = М_б/ R _{б min} = 6566/8 = 8207 Н.

 

Коэффициент запаса при работе в этом режиме будет ра­вен Р_н/Р_мах = 24480/8207 = 3. Таким образом, условие проч­ности для трубы, изготовленной из наименее прочного мате­риала, выполняется.

 

ТРУБОУКЛАДЧИК

 

Механизм укладчика трубы на барабан обеспечивает ее плотную регулярную намотку без образования пережимов и петель. При работе в штатном режиме перемещение каретки укладчика должно быть синхронизировано с вращением ба­рабана. Подобная система принята во всех агрегатах, произ­водимых в США и Канаде (см. рис. 3.19).

На ряде установок работой укладчика трубы на барабан оператор управляет вручную. В таких условиях он должен концентрировать свое внимание на приборах пульта управле­ния, поэтому подобную конструкцию следует считать не со­ответствующей современному уровню развития оборудования данного типа.

В то же время механизм укладчика должен обеспечивать возможность ручной корректировки укладки трубы, что обу­словлено, например, неизбежным смещением наружных вит­ков при транспортировании агрегата со скважины на скважи­ну, отклонением наружного диаметра от номинального из-за смятия трубы, погрешности ее изготовления и т.д.

Кинематическая схема укладчика включает (см. рис. 3.19) каретку, установленную на ходовом винте с шагом t, цепную передачу (или передачи) с передаточным отношением i, обес­печивающую синхронизацию движения каретки и барабана. Ведомая звездочка цепной передачи соединена с ходовым вин­том посредством кулачковой муфты. Ходовой винт также име­ет привод от гидромотора, вал которого соединен с ходовым винтом через редуктор.

Условие согласования перемещения каретки и вращения барабана следующее: один оборот барабана должен соответст­вовать перемещению каретки на величину, равную диаметру гибкой трубы.

Частота вращения ходового винта

 

n _х.в = n _б × ( Z ₁ / Z ₂ )

 

где n _б - частота вращения барабана;

Z ₁, Z ₂ - число зубьев со­ответственно ведущей и ведомой звездочек

( Z ₁ / Z ₂ = i ).

Перемещение каретки по ходовому винту

 

s = t × n_{x. в} = t × n_б Z₁/Z₂.

 

За один оборот барабана каретка должна переместиться на величину диаметра укладываемой трубы, т.е. s = d _тр.

Тогда

 

d_тр = t × (Z₁/Z₂) = t × i.

 

Таким образом, кинематические характеристики укладчика трубы не зависят от емкости барабана и числа рядов труб на нем, а определяются только шагом винта укладчика и пере­даточным отношением синхронизирующей цепной передачи.

 

ПРИВОД

 

Привод включает в себя двигатель, обеспечивающий энер­гией все системы агрегата, и трансмиссию.

В зависимости от параметров агрегата принято использо­вать следующие схемы приводов:

• для легких установок - двигатель транспортной базы, т.е. ходовой двигатель серийного автомобильного шасси;

• для средних и тяжелых установок используют один из двух вариантов:

- палубный двигатель при выполнении агрегата на прице­пе, транспортируемом обычным автомобилем-тягачом. При этом число блоков, когда каждый смонтирован на отдельном прицепе, а в целом составляющих единый комплекс, может быть равно двум или трем;

- двигатель, мощность которого определяется согласно ус­ловию обеспечения энергией агрегата при монтаже его на специально спроектированном автомобильном шасси. При этом для передвижения используют двигатель агрегата. По существу данный двигатель является палубным, который применяют в качестве ходового. Как и в предыдущем случае, агрегат представляет комплекс, состоящий из двух-трех авто­номно передвигающихся устройств.

Наиболее простой и рациональной является кинематиче­ская схема легкого агрегата при условии его полной гидрофикации. Последнее позволяет компоновать оборудование агрегата исходя из оптимальных условий взаимного располо­жения его компонентов как для обеспечения функциониро­вания агрегата на скважине, так и для выполнения требова­ний, предъявляемых к нему как к транспортному средству.

При использовании стандартного автомобильного шасси кинематическая схема установки включает (рис. 3.21) ходо­вой двигатель 1, коробку перемены передач 3, коробку отбора мощности 4 (все перечисленные узлы являются неотъемле­мой частью шасси), вал отбора 5 мощности, раздаточный ре­дуктор 4, на котором закреплены насосы гидросистемы 6 (число последних определяется особенностями гидравличе­ской схемы агрегата), передний мост 9 и заднюю тележку 8.

В зависимости от типа шасси и конструкции агрегата ки­нематическая схема раздаточного редуктора может быть по­следовательной, параллельной или комбинированной.

Последовательная схема предполагает передачу энергии от ведомого вала последовательно через все ступени зубчатой передачи. В этом случае первая ступень передает полную мощность, а каждая последующая - часть ее, за исключением отобранной на предыдущем валу. Параллельная схема пред­полагает поступление энергии от одного ведущего вала к не­скольким ведомым. При этом каждая пара шестерен передает только ту энергию, которая необходима для вращения ведо­мым валом соединенных с ним насосов. Комбинированная схема основана на совместном использовании двух предыду­щих вариантов.

Применение той или иной схемы устанавливается прежде всего по наличию свободного места на шасси транспортной базы и возможной конфигурации раздаточного редуктора. С точки зрения достижения необходимых весовых параметров и показателей надежности наилучшей является схема с парал­лельными потоками энергии, поскольку она позволяет обес­печивать наиболее благоприятный режим нагружения основ­ных деталей редуктора.

Мощность, передаваемая к гидроприводу установки, зави­сит от осуществляемых им функций при выполнении кон­кретных операций.

Вспомогательные операции заключаются в приведении в действие гидравлических домкратов агрегата и привода гру­зоподъемных устройств, работающих при развертывании и свертывании установки.

К основным операциям относятся следующие.

Перемещение колонны гибких труб. Можно выделить не­сколько основных режимов при перемещении труб, например, их движение с максимальной и минимальной скоростью, кото­рые отличаются в 10 - 15 раз и соответственно определяют величины необходимых мощностей. По затрачиваемой мощно­сти следует выделить движение колонны вниз и вверх. В пер­вом случае необходимое давление рабочей жидкости, опреде­ляемое настройкой тормозного клапана, минимально. Кроме того, в процессе спуска труб транспортер должен обеспечить усилие, требуемое для разматывания трубы с барабана и пере­мещения ее через укладчик и канал транспортирования. При этом необходимая мощность минимальна и ее в общем балансе можно принимать равной нулю. Максимальное усилие при пе­ремещении труб будет иметь место при ходе вверх и опреде­ляться весом колонны труб и силами трения.

Отметим, что термин " максимальное усилие" не означает максимального усилия, на которое рассчитан транспортер и ко­торое он должен обеспечивать при возникновении аварийной ситуации. К последней следует отнести случай прихвата колонн гибких труб. При возникновении подобной ситуации переме­щение последней осуществляется на минимальной скорости.

Наматывание (разматывание) трубы на барабан. При на­матывании трубы на барабан привод должен обеспечивать его вращение с крутящим моментом, необходимым для деформи­рования трубы в процессе ее проводки по всей длине канала. Величина этого момента зависит от диаметра, толщины стен­ки и прочностных свойств гибкой трубы, но на нее не влияет скорость подъема КГТ,

Частота вращения барабана определяется скоростью пере­мещения трубы транспортером. При проведении расчетов следует учитывать ее максимальную величину.

При спуске трубы в скважину и сматывании ее с барабана привод не затрачивает энергию на эти процессы. Барабан рас­кручивается за счет натяжения трубы, создаваемого транс­портером.

Нагнетание технологической жидкости в колонну гибких труб. При спуске и подъеме колонны, а также выполнении технологических операций по удалению пробок или бурении в колонну подается технологическая жидкость. Независимо от длины колонны, спущенной в скважину, гидродинамиче­ские потери в колонне постоянны и определяются ее длиной. Влиянием кривизны труб, намотанных на барабан, при про­ведении большинства расчетов можно пренебречь. При про­ведении технологических операций насос, подающий жид­кость, должен преодолевать еще и перепад давления на за­бойном двигателе либо на гидромониторной насадке.

Подъем и спуск колонны можно выполнять не при макси­мальной подаче технологической жидкости, а при некотором минимально возможном ее

 

 

 

Для определения необходимой мощности приводного дви­гателя дан сравнительный анализ мощностей, потребляемых основными узлами агрегата, при выполнении различных тех­нологических операций, качественные оценки которых при­ведены ниже:

 

Комплектующие узлы агрегата	Транспортер		Барабан		Насосы технологической жидкости
Параметры узлов	Р	u	Мб	u б	рн	Q н
Режимы работы агрегата: в том числе:
спуск колонны до рабочей зоны	min	max	min	max	min	min
Технологические операции: Удаление пробок
песчаной	min	min	min	min	max	max
гидратной	min	min	min	min	max	max
разбуривание пробки	min	min	min	min	max	max
бурение скважин	max	min	min	min	max	max
расхаживание колонны при прихвате	max	max	max	min	max	max
извлечение колонны труб на поверхность	max	max	max	max	max	max

 

Мощность приводного двигателя необходимо определять в зависимости от конкретных значений параметров агрегата и номенклатуры технологических операций, выполняемых им. Как показано выше, параметрический ряд агрегатов подзем­ного ремонта скважин, работающих с колонной гибких труб, должен состоять из трех-четырех типоразмеров. Сделанные расчеты позволили определить мощности, необходимые для выполнения операций при различных параметрах агрегатов. Их результаты представлены на специальной гистограмме, из которой следует, что в случае использования стандартной транспортной базы - автомобильного шасси грузоподъемно­стью 12 - 16 т, серийно выпускаемого промышленностью, с мощностью двигателя 130 - 180 кВт максимальный диаметр колонны труб составляет 33 мм, а длина - 2000 м.

С помощью транспортной базы такого агрегата можно обеспечить выполнение всех необходимых технологических операций.

Для создания мощных агрегатов необходимы технические решения, базирующиеся на применении либо специальных транспортных средств, либо прицепов, оборудованных палуб­ными двигателями.

 

Барабан

КОЛОННА ГИБКИХ ТРУБ

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: