Расчет и выбор основных параметров

К основным параметрам буровых лебедок относятся мощность, скорости подъема, тяговое усилие, длина и диаметр барабана лебедки. От правильного выбора указанных параметров зависят производительность, экономичность, габариты и масса лебедки, которые существенно влияют на эффективность бурения, транспортабельность и монтажеспособность всей буровой установки.

Мощность лебедки определяется полезной мощностью на ее барабане, которая должна быть достаточной для выполнения спуско-подъемных операций и аварийных работ при бурении и креплении скважин заданной конструкции. При недостаточной мощности возрастает продолжительность спуско-подъемных операций, чрезмерная мощность недоиспользуется вследствие ограниченных скоростей подъема и приводит к неоправданным материальным и эксплуатационным расходам. В результате накопленного опыта установлено, что оптимальная мощность буровой лебедки определяется из условий подъема наиболее тяжелой бурильной колонны для заданной глубины бурения с расчетной скоростью 0,4—0,5 м/с [6]:

(11.1)

где - мощность на барабане лебедки, кВт; —вес бурильной колонны, кН; — вес подвижных частей талевого механизма, кН; — расчетная скорость подъема крюка, м/с; — к.п.д. талевого механизма.

Примечания: 1.ЛБУ-1100М2 отличается от ЛБУ-1100М1 водяным охлаждением тормозных шкивов и не имеет вала для привода ротора. 2.ЛБУ-1700Э в отличии от ЛБУ-1700Д не имеет вала для привода ротора. 3.Обозначения У2-2-11 и У2-5-5: У - изготовитель Уралмашзавод; 2 – цифра, присвоенная лебедке в комплексе буровой установки; вторая цифра – число скоростей (для У2-2 без учета числа скоростей КПП); третья цифра – номер модификации. Обозначение ЛБУ-1100: ЛБ – лебедка буровая; У – изготовитель Уралмашзавод; 1100 – мощность на барабане лебедки в л. с.

Мощность лебедки уточняется после выбора двигателей и силовых передач ее привода:

где — мощность, получаемая от вала двигателя, кВт; — к.п.д. трансмиссии (от вала двигателя до барабана лебедки).

В практических расчетах удобно пользоваться удельной мощностью буровой лебедки, приходящейся на 1 кН поднимаемого груза либо на 1 м глубины бурения (табл. 11.2).

Из табл. 11.2 следует, что удельная мощность на приводном валу лебедок существенно возрастает для установок 9 и 10 классов.

Продолжительность спуско-подъемных операций в бурении и топливно-энергетические затраты, связанные с их выполнением, зависят от скоростей и числа ступеней передач лебедки. Максимальная и минимальная скорости выбираются с учетом требований, обусловленных технологией бурения, работой каната и безопасностью подъема.

Максимальная скорость подъема ограничивается безопасностью управления процессом подъема и предельной скоростью ходовой струны, при которой обеспечивается нормальная навивка каната на барабан лебедки. Для предотвращения затаскивания талевого блока на кронблок из-за ограниченного тормозного пути скорость подъема крюка, согласно требованиям безопасности, не должна превышать 2 м/с. Нормальная навивка каната на барабан лебедки, как показывает опыт, обеспечивается при скорости ходовой струны каната не более 20 м/с. При дальнейшем увеличении скорости для нормальной навивки каната необходимо увеличить диаметр барабана, что нежелательно, так как пропорционально возрастают крутящие и изгибающие моменты в деталях и узлах лебедки.

Учитывая известную зависимость скорости ходовой струны от скорости подъема крюка

согласно рассмотренным требованиям, максимальную скорость подъема выбирают из следующих условий:

для талевых механизмов с кратностью оснастки

м/с

для талевых механизмов с кратностью оснастки

м/с

Минимальная скорость подъема — резервная и используется для технологических целей: при расхаживании колонн бурильных и обсадных труб; при ликвидации осложнений и аварий, связанных с затяжкой и прихватом бурильных труб; при подъеме колонны труб через закрытые превенторы; при подъеме колонны труб в случае отказа одного из двигателей привода лебедки. Величина минимальной скорости подъема принимается в установленных практикой бурения пределах:

Таблица 11.2 Удельная мощность на приводном валу лебедки (с учетом потерь на трение в талевом механизме и самой лебедке)

Класс буровой установки	Нагрузка на крюке ,кН	Глубина буровая , м	Мощность на приводном	Удельная на приводном к мощность валу лебедки, кВт
на 1 кН поднимаемого груза	на 1 м глубины
				0,30	0,19
				0,30	0.19
				0,35	0.22
				0,34	0,22
				0,34	0,21
				0,36	0,22
			1 100	0,34	0,22
			1 475	0,37	0,23
				0,44	0,27
		10 000	2 950	0,47	0,29
		12 500	2 950	0,37	0,24

Следует отметить, что скорость подъема, определяемая исходя из мощности привода и допускаемой нагрузки на крюке, обычно больше необходимой технологической скорости. Поэтому технологические скорости подъема используются при ограниченных тяговых усилиях. Для этого в системе управления лебедкой предусматривается предохранительное устройство, ограничивающее нагрузку на талевый механизм и вышку.

Отношение предельных скоростей определяет диапазон регулирования скоростей подъема лебедки

Число ступеней передач (скоростей) зависит от типа привода буровой лебедки. При использовании электродвигателей постоянного тока имеем бесступенчатое изменение скоростей подъема в заданном диапазоне регулирования. В зависимости от нагрузки по условию полного использования выходной мощности , двигателя промежуточные скорости подъема

где — к.п.д. подъемного механизма от двигателя до крюка; — вес талевого механизма.

В настоящее время в приводе буровых лебедок преимущественно используются дизели и электродвигатели переменного тока, обладающие жесткой естественной характеристикой. В этих случаях число ступеней механических передач буровой лебедки назначается из условия достаточно полного использования мощности двигателей. Степень использования мощности характеризуется отношением мощности, необходимой для подъема груза, к установленной мощности двигателей. В связи со ступенчатым изменением веса поднимаемой колонны труб степень использования мощности зависит от числа ступеней передач лебедки и с достаточной точностью определяется выражением

где к — число ступеней передач буровой лебедки.

Из анализа приведенной зависимости следует, что степень использования мощности двигателей заметно возрастает при увеличении числа ступеней передач до 6. Дальнейшее увеличение числа ступеней передач существенно не влияет на степень использования мощности двигателей и вместе с этим вызывает значительные усложнения конструкции и управления передачами лебедки. Поэтому целесообразно ограничивать число ступеней передач для лебедок, используемых в бурении скважин глубиной до 3 000 м, к=4, а более 3000 м к=6.

При дизель-гидравлическом приводе число ступеней передач

где — диапазон регулирования частоты вращения гидротрансформатора.

Диапазон регулирования частоты вращения гидротрансформатора ограничивается сравнительно высокими значениями к.п.д. (0,75—0,85) гидротрансформатора, при которых . Расчеты показывают, что благодаря гидротрансформатору число ступеней передач буровой лебедки может быть уменьшено до 2—3. Однако на практике в целях унификации лебедок число ступеней передач при дизель-гидравлическом, дизель-механическом и электромеханическом приводах сохраняется одинаковым. При этом наряду с унификацией буровых лебедок достигаются другие преимущества.

При увеличении числа ступеней режим работы гидротрансформатора смещается в зону более высоких к.п.д., что способствует снижению расхода топлива. В случае отказа гидротрансформатора обеспечивается более высокая степень использования мощности дизеля. И наконец, с увеличением числа ступеней передач непрерывно-ступенчатое изменение скоростей подъема приобретает более плавный вид, что способствует улучшению тяговых и динамических свойств лебедки.

Промежуточные скорости подъема определяются из геометрического ряда чисел

Знаменатель геометрической прогрессии

(11.2)

где к — число передач.

Разбивка скоростей в геометрической прогрессии позволяет обеспечить относительно равное изменение смежных скоростей, и поэтому большая часть скоростей располагается в зоне низших передач, используемых для подъема колонн бурильных и обсадных труб сравнительно большего веса. Наряду с этим геометрический ряд передач позволяет сохранить степень загрузки буровой лебедки при переходе с одной передачи на последующую:

где — нагрузка и скорость подъема крюка на i -й передаче; — то же на (i -1) i -й передаче.

Полученные значения скоростей подъема уточняются при окончательной доработке кинематической схемы и конструкции лебедки.

Спуск осуществляется под действием собственного веса подвижной части талевого механизма и спускаемого груза. Скорость спуска ограничивается вспомогательным тормозом. Вместе с тем лебедки снабжаются обратным ходом, число ступеней которого зависит от используемых двигателей. Лебедки, приводимые от электрических двигателей, получают обратный ход за счет реверсирования двигателей и поэтому имеют одинаковое число. прямых и обратных передач. Тепловые двигатели не реверсируются, поэтому для обратного хода лебедки используется специальная зубчатая пара, установленная в цепной коробке перемены передач либо в редукторе силовой трансмиссии. В зависимости от этого в лебедках, приводимых тепловыми двигателями, число передач обратного хода может быть меньше либо равно числу передач прямого хода.

Диаметр барабана лебедки выбирают в зависимости от диаметра талевого каната

(11.3)

С уменьшением диаметра барабана пропорционально снижаются действующие на подъемный вал лебедки крутящие и изгибающие моменты, пропорционально квадрату диаметра уменьшается момент инерции барабана и в результате снижаются динамические нагрузки при резком торможении. Однако при чрезмерном уменьшении диаметра барабана ухудшается навивка каната. На усталостные повреждения каната диаметр барабана существенно не влияет, так как число перегибов каната на барабане в 10—15 раз меньше, чем на шкивах кронблока и талевого блока.

В кинематических и силовых расчетах подъемного механизма необходимо учитывать приращение диаметра навивки барабана в результате многослойной навивки каната на него. Число слоев навивки зависит от длины поднимаемой свечи, кратности оснастки талевого механизма, диаметра каната, длины и диаметра барабана. На рис. 11.8 приведена номограмма для определения числа рабочих слоев навивки каната на барабан. Полученное по номограмме значение х округляют до ближайшего целого числа и затем с учетом первого нерабочего слоя определяют конечное число слоев навивки: .

Пример. Дано: = 1350 мм, =2 мм, оснастка талевой системы 5 6, =750 мм, =35 мм; =21,4. Ответ: х =2,35. Принимаем m =3.

Диаметр конечного слоя навивки каната на барабан

(11.4)

где =0,93 — коэффициент, учитывающий уменьшение диаметра навивки вследствие смещения каната в промежутки между витками нижнего слоя.

Рис. 11.8. Номограмма для определения числа слоев навивки каната на барабан лебедки

Средний диаметр навивки

где — диаметр 1-го слоя навивки каната на барабан.

Длина барабана выбирается с таким расчетом, чтобы при заданном его диаметре обеспечить навивку каната в три-четыре слоя. При этом следует учитывать конструктивно приемлемую длину подъемного вала, а также требования, обеспечивающие нормальные условия перехода каната на последующий слой у дисков барабана. В случае недостаточной длины барабана затрудняется переход каната на последующий cлой вследствие трения между ходовой струной каната и дисками барабана. На длинном барабане навивка нарушается из-за чрезмерного отклонения ходовой струны каната от плоскости вращения направляющего шкива кронблока.

Согласно опытным данным, минимально допускаемый угол отклонения ходовой струны каната . Максимальное отклонение зависит от натяжения каната и частоты вращения барабана.

……………………………………………. Коэффициент запаса прочности каната …………………..	1°15' >4	1°30'	1°45'	1°45'
>4	<4	<4
Частота вращения барабана, об/мин ………………………	>100	<100	>100	<100

Лебедки испытывают различные сочетания натяжения каната и частоты вращения барабана. На «быстрой» скорости подъема частота вращения барабана достигает 300 — 400 об/мин, а натяжение каната незначительное, поэтому запас его прочности значительно больше 4. На «тихих» скоростях натяжение каната возрастает, а частота вращения снижается до 50 об/мин. Для нормальной навивки каната барабана при {указанных сочетаниях запаса прочности каната и частоты вращения барабана лебедки максимальный угол отклонения ходовой струны, согласно приведенным данным, не должен превышать 1 15'. Таким образом, допускаемые углы отклонения ходовой струны талевого каната от плоскости вращения направляющего шкива должны быть в пределах:

По допускаемым отклонениям ходовой струны талевого каната длину барабана можно выбирать в пределах.

(11.5)

где — длина барабана; Н — расстояние между осями подъемного вала буровой лебедки и направляющего шкива кронблока.

Окончательная длина барабана определяется с учетом числа слоев навивки каната и конструктивно приемлемой длины подъемного вала буровой лебедки. Для расчета длины барабана в зависимости от числа слоев навивки можно использовать номограмму, приведенную на рис. 11.8.

Расчеты на прочность деталей и узлов лебедки выполняются по тяговому усилию, возникающему при допускаемой нагрузке на крюке, с учетом веса подвижных частей талевого механизма, кратности оснастки и потерь на трение при подъеме. Путем изменения кратности оснастки можно получить близкие по величине тяговые усилия для лебедок, используемых в буровых установках смежных классов. Благодаря этому сокращается номенклатура лебедок и других агрегатов подъемного механизма, используемых в буровых установках различных классов.