Расчет грузоподъемности талевой системы буровой установки

     Статическая прочность должна удовлетворять  общему условию:

     

     где - напряжение, возникающее в детали от действия наибольших статических и динамических усилий, МПа;

       - предел текучести материала деталей, МПа,

       k – коэффициент запаса прочности при статическом нагружении;

       - допускаемое напряжение, МПа.

     Усталостная прочность должна удовлетворять условию:

     

,

     где - напряжение в детали при эквивалентной нагрузке, МПа,

     n_σ – коэффициент запаса прочности по переменным напряжениям;

     σσ_-1 – напряжение при симметричном цикле, МПа.

     Общий коэффициент запаса прочности детали, в которой возникают нормальные и касательные напряжения:

     

     Запас прочности по нормальным напряжениям  определяется в зависимости от величины предела текучести:

     

,

     

,

     

,

     где , - нормальные напряжения от растяжения и изгиба, МПа, которые определяются:

     

 

     где Р, М_И, М_К – максимальная действующая сила и моменты изгиба и кручения,

     F, W, W_P – площадь поперечного сечения, осевой и полярный моменты сопротивления.

     Выбираем  материал для оси кронблока сталь  Ст40ХН (ГОСТ 4543-71) с механическими свойствами:

     

     

     Поковка кованая, термически обработанная.  
 
 

 

11 Определение расчётных нагрузок.

      Нагрузка  на талевый блок:

      

,

      где Q - нагрузка на крюке талевой системы, кН;

      Gк  – вес крюка, кН.(ТБК4-140Бр, m=1270 кг.)

      

, кН.

      Нагрузка  на ветви талевого каната

      

,

      где G_б – вес талевого блока, кН.(УТБА-5-170 m=4,4 т.)

      

, кН.

      Нагрузка  на кронблок с учетом веса талевого блока и веса каната (кронблок УЗ-125, m=2,71т).

      

      где P_{х.к и} P_м.к – натяжение ведущей и закрепленной ветви талевого каната, кН.

      Максимальные  расчетные нагрузки будут при наибольшей (максимальной) нагрузке на крюке.

      

, кН. 

 

12 Расчёт опор канатных шкивов на долговечность.

      Расчет  и подбор подшипников выполняется  после определения нагрузок и  предшествует расчету осей блоков.

      В кронблоках и талевых блоках применяются преимущественно роликоподшипники с короткими цилиндрическими роликами. Они обладают значительно большей радиальной грузоподъемностью, чем шарикоподшипники. При одинаковом диаметре и нагрузке роликовые подшипники легкой серии в четыре раза долговечнее шариковых той же серии. Кроме того, в проектируемых узлах отсутствует осевая нагрузка, а оборотность значительно ниже допускаемой.

      Принимая  во внимание необходимость осевой фиксации шкивов, чаще используют роликоподшипники с одной ребордой на наружном или внутреннем кольце (условное обозначение типа 12000 или 42000), рис. 6.

      По  методике подбора стандартных подшипников  – ГОСТ 18854-73 и ГОСТ 18855-73 – различают  подбор подшипников:

      - по динамической грузоподъемности  для предупреждения усталостного выкрашивания;

      - по статической грузоподъемности  для предупреждения статических деформаций.

      Первая  методика рассматривается ниже, а  расчет статической грузоподъемности необходимо выполнять в том случае, если в процессе эксплуатации возможны аварийные режимы нагружения и появление нагрузок, кратно превышающих эквивалентную расчетную.

      

      Рис. 4. Установка подшипников:

      1 – шкив; 2 – кольцо пружинное; 3 – подшипник; 4 – крышка; 5, 6 –  кольца распорные.

 

       Выбор подшипников по динамической грузоподъёмности C (по заданному ресурсу или долговечности) выполняют, если  частота вращения n³10 мин^-1 и нагрузка P £ 0.5С. Условие подбора: С_потр £ С_пасп.

      Потребная динамическая грузоподъёмность  определяется расчётом эквивалентной динамической нагрузки на подшипник по циклограмме действительного нагружения. Если такой циклограммы нет, эквивалентную нагрузку определяют по рекомендациям, основанным на имеющемся опыте эксплуатации подобных машин.

      Подшипники  шкивов подбирают для наиболее нагруженного и вращающегося с наибольшей скоростью шкива кронблока ведущей ветви. Эквивалентная нагрузка на подшипник определяется по формуле:

      

, где

      k – коэффициент нагрузки; k= 0,35…0,4.

      

      Для ориентировочных расчетов при выборе подшипника по приближенной эквивалентной нагрузке P_э применяют уравнение:

      

,

      где f_d – коэффициент динамического нагружения, учитывающий безопасность и надежность работы механизма (для канатных шкивов рекомендуется брать f_d=4,5…5);

      f_n - коэффициент частоты вращения, выбирается по числу оборотов подшипника n.

      Число оборотов наиболее нагруженного шкива:

      

, где

      m - число рабочих струн;

      V_к - скорость подъема крюка талевой системы;

      D - диаметр шкива по центру каната (D = Dш + dк) ;

      d_к - диаметр каната.

      

, об/мин.

      f_n = 0,514

      

, кН.

      Динамическая  грузоподъемность и ресурс связаны  эмпирической зависимостью:

      

,

      где L₁₀ - ресурс, млн. оборотов;

      P_э -эквивалентная нагрузка, кН;

      p = 3 для шариковых и p = 10/3 для  роликовых подшипников.

      Номинальная долговечность в часах при  постоянной частоте вращения подшипника:

      

, где

      где n - частота вращения, об/мин.

      

      где а₁, а₂₃ – коэффициенты, корректирующие ресурс в зависимости от необходимой надёжности и характеризующие совместное влияние на ресурс особых свойств подшипника и условий его эксплуатации соответственно.

      

      По  динамической грузоподъёмности подбираем:

      подшипник роликовый радиальный двухрядный 42234 со следующими основными параметрами: 170x260x122 с грузоподъёмностью С=960 кН.

 

13 Расчёт оси кронблока.

Таблица 5.

 

Рис. 5. Схема нагружения оси для расчёта. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 6. Эпюра изгибающих моментов. 

     Минимальный коэффициент запаса по усталостной  прочности составляет 27,26 при допускаемом коэффициенте, равном 3. Таким образом, данная ось отвечает условию прочности.

     Чтобы оптимизировать технико-экономические показатели при расчёте оси кронблока, изменим материал оси: Ст40.

     Сделаем перерасчёт оси:

     Предел выносливости:

     

     Коэффициент запаса:

     

.

     Изменение диаметра оси незначительно влияет на значение коэффициента запаса. Принимаем материал оси кронблока Ст40 и удовлетворяет условию прочности. 
 
 
 

     Список  использованных источников 
 
 

1. Касьянов П.А., Гаврилова Л.А. Проектирование и конструирование узлов талевой системы: Учебное пособие - Екатеринбург: УГГУ, 2005.
2. Анурьев В.Н. Справочник конструктора машиностроителя (в трёх томах), 8-е издание.
3. Ефимченко С.И., Прыгаев А.К. Расчёт и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов:

Учебник для ВУЗов – Москва, 2006.

4. Парель Л.Я. Подшипники качения: Справочник – Москва, 1992.
5. Ильский А.Л. Расчёт и конструирование бурового оборудования: Учебное пособие – Москва, 1985.
6. Конспект лекций по предмету «Детали машин».
7. Гусман А.М., Порожский К.П. Буровые комплексы. Современные технологии и оборудование: Научное издание – Екатеринбург: УГГГА, 2002.