Расчет грузоподъемности талевой системы буровой установки

      Согласно  ГОСТ 16853—88, талевые канаты в процессе изготовления подвергаются опрессовке на рихтовальных устройствах, способствующей повышению срока их службы.

      В зависимости от взаиморасположения проволок в прядях различают канаты с точечным (ТК) и линейным (ЛК) касанием (контактом) проволок. Канаты с линейным касанием проволок более долговечны. Испытания показывают, что их наработка в 1,5—2 раза превышает наработку канатов с точечным касанием. Талевые канаты относятся к типу ЛК-РО, отличающемуся тем, что в отдельных слоях пряди используются проволоки разного (Р) и одинакового (О) диаметров. Каждая прядь талевого каната содержит 31 проволоку. Эти проволоки свиты в три слоя: (1+6)+(6.6)+12. Первый слой (1+6) состоит из шести проволок одинакового диаметра и центральной проволоки. Второй слой (6.6) состоит из шести толстых и шести тонких проволок, а третий - из двенадцати проволок более толстых, чем в первом и втором слоях. Благодаря принятой конструкции прядей обеспечиваются достаточная гибкость и износостойкость талевого каната, необходимые для его эффективной работы.

      По  табл. 3.9 [1, стр. 82] выбираем канат типа ЛК-РО, конструкции 6х31+1 марки 1-28-1700-I ГОСТ 16853-68.

 

6 Свойства канатов.

      Коэффициенты, характеризующие  канат.

      Для оценки свойств каната служат следующие  конструктивные показатели.

      1. Коэффициент конструктивной  плотности каната k₃ или коэффициент заполнения, т. е. отношение площади поперечного сечения проволок, составляющих канат к площади поперечного сечения каната:

      

,

      где k_з - коэффициент заполнения для талевых канатов, равный 0,5 - 0,6;

      d_к - номинальный диаметр каната, мм.

      2. Коэффициент гибкости k_г; т. е. отношение диаметра каната к среднему диаметру проволоки:

      

.

      Этот  коэффициент характеризует способность  каната к изгибу в пределах упругой  деформации за счет внутреннего скольжения проволок. Для талевых канатов  величина этого коэффициента составляет 12-16.

      3. Удлинение канатов Dl. В стальном канате при нагрузке происходит взаимное перемещение проволок и прядей, вызывающее изменение первоначальной формы каната. При этом канат несколько удлиняется, а его сечение деформируется, превращаясь из круглого в овальное. Новые канаты удлиняются под нагрузкой вследствие усадки сердечника и перемещения проволок и прядей.

      Такое удлинение, называемое конструкционным, является неупругим и равно 0,2-6% первоначальной длины каната, к концу работы каната удлинение может еще увеличиться.

      Упругие деформации каната зависят от его  модуля упругости, а пределом упругости s_упр считается напряжение, при котором остаточное удлинение не превышает 2 %  принятого для контроля расстояния.

      4. Коэффициент упругости  каната a - это отношение предела упругости к временному сопротивлению разрыву проволок.

      

.

      С увеличением числа повторных свивок проволок в канате (проволок в прядях и прядей в канате) и углов свивки модуль упругости каната снижается. Меняются и зависящие от этой характеристики упругие и остаточные деформации. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

7 Выбор диаметра канатного шкива и профиля

канавки под канат.

      Практикой установлено следующее соотношение  между диаметром каната dк и диаметром канатного шкива D_ш по ручью [1, стр. 84]:

      

      Принимаем D_ш=900 мм.

      Важное  значение для нормальной работы каната имеет правильное очертание ручья шкива. На рис. 3 представлен профиль канавки шкива. Там же представлена связь элементов профиля с диаметром каната d_к [1, с. 84]:

      

.

      Принимаем радиус равным 15 мм.

      H=1,75dк=1,75×28=49 мм.

         

      Рис. 3. Профиль канавки канатного шкива.

      Для предотвращения интенсивного изнашивания  канатов и боковых стенок канавок шкивов угол развала их в талевых системах принимается не менее 50º. Чистота поверхности канавки должна быть не ниже значений, приведенных на рис. 3. Канавка должна быть закалена ТВЧ (или пламенем) до твердости HRC>45 на глубину не менее 3 мм.

      Давление  между канатом и канавкой [1] :

      

,

      где P_н — номинальное натяжение каната, МН.

      

      Принимаем материал шкива – среднеуглеродистая сталь, канавки обработаны до чистоты Rz80, [р] = 600–700 МН/м².

 

8 Расчёт заправочной длины каната (выбор оптимальной длины).

      Оптимальная (заправочная) длина талевого каната, требующаяся для одной оснастки талевой системы буровой установки, определяется:

      

,

где

- несматываемая длина n-витков каната на барабане лебёдки: , где - диаметр барабана лебёдки ( ).

Лебёдка буровая TF-20,

        - число витков;

- расстояние от оси барабана до оси талевого блока (L=31,4м);

n – общее число ветвей в талевом механизме (n=10);

l – максимальное расстояние от оси кронблока до оси талевого блока в его нижнем положении при эксплуатации (l=25м);

L_K - расстояние от оси кронблока до оси барабана механизма крепления неподвижной ветви каната (L_K =28м);

Z – число  витков каната на обойме механизма крепления неподвижной ветви каната (Z=4);

D_об – диаметр обоймы механизма крепления неподвижной ветви каната (D_об =750мм).

.

.

      В зависимости от высоты вышки и  схемы оснастки используют следующую заправочную длину канатов [1]:

      Табл. 4. Заправочная длина канатов.

      При полезной высоте вышки 33,4 м по таблице принимаем заправочную длину каната равной 570 м.

      Для сокращения расхода каната необходимо использовать талевые канаты увеличенной длины и эксплуатировать их с перепуском. Исследованиями установлено, что для серийных буровых установок грузоподъёмностью 1250 кН (с талевой системой) целесообразно использовать канаты длиной до 2000 м, а на установках грузоподъёмностью 2000 или 3000 кН — 1700 м. Увеличение длины канатов нежелательно ввиду больших трудностей, связанных с  производством ”длинных” канатов.

 

9 Расчёт каната на прочность.

      Выбранный по разрывному, усилию Р_р канат проверяется на суммарное напряжение от растягивающих, изгибающих и динамических усилий по формуле:

      

,

      где s_р — напряжение от растягивающей нагрузки, МПа;

      s_н — напряжение от изгибающего момента, МПа;

      s_д — напряжение, учитывающее неравномерность нагрузки, принимается приблизительно равным 10% от растягивающей нагрузки, МПа.

      

,

      где Р_х.к.mах - натяжение каната, набегающего на барабан, при максимальной нагрузке в режиме торможения МН;

      F_п— площадь, поперечного сечения проволок каната, м²;

       —диаметр проволочек в канате, см (берётся минимальный);

      i –число проволок в канате.

      Р_х.к.mах = 1 МН.

       = 0,1 см

      i = 31.

      

      Напряжение  изгиба [1]:

      

,

      где E_к –модуль упругости каната.

      

,

      где эквивалентная нагрузка .

      e - относительное удлинение проволоки пряди при перегибе на шкиве:

      

,

      здесь D_ш — диаметр канатного шкива по дну канавки, см.

      

,

      

.

                               .

      

.

      Далее определяем действительный коэффициент  запаса прочности:

      

. 

10 Расчёт на прочность и долговечность деталей талевой системы.

     Детали  талевых систем должны обладать достаточной  статической прочностью и выносливостью (прочностью при переменных напряжениях).

     Расчёты на статическую прочность частей буровых установок проводятся по максимальным нагрузкам. Следовательно, максимальная грузоподъёмность Q_max узла является исходной нагрузкой для расчёта деталей талевой системы.