Лекция №8.2 Трансмиссии буровой установки. Типы. Методика расчета

Основное назначение трансмиссии состоит в передаче крутящего момента от двигателей привода до рабочего органа, механизма или агрегата буровой установки, например, подъемного барабана лебедки, ротора или бурового насоса.

Трансмиссия группового привода может выполняться секционной или агрегатной.

При секционной трансмиссии она разделяется на отдельные части-секции, каждая из которых устанавливается на одной раме вместе с силовым агрегатом или дизелем привода. Соединение секций трансмиссии в одно целое производится путем установки клиновых ремней или цепей на шкивы или звездочки трансмиссионных валов при монтаже. Примером такой секционной трансмиссии является клиноременная трансмиссия буровой установки типа ЗД. Секционная трансмиссия группового привода состоит из минимального числа транспортно-монтажных единиц. Однако при такой трансмиссии требуется выполнять монтаж с определенной точностью, обеспечивая параллельность валов трансмиссии смежных секций и совпадение канавок шкивов или многорядных звездочек.

При агрегатной трансмиссии все ее валы и передачи монтируются в одном корпусе, в котором обеспечивается параллельность всех валов и совпадение канавок и осей соединяемых передач с высокой точностью при сборке на заводе-изготовителе. Трансмиссия имеет раму и представляет собой одну транспортно-монтажную единицу, что упрощает ее монтаж на буровой. Дизели могут подсоединяться к такой трансмиссии посредством карданных валов.

Агрегатная трансмиссия особенно эффективна при цепных передачах. Примером агрегатной трансмиссии является трансмиссия группового привода буровых установок типа 3200/200 ДГУ.

В целом трансмиссии буровых установок состоят из различных механических передач, таких, как ременные, цепные, зубчатые, карданные, а также гидродинамических передач: гидромуфт и гидротрансформаторов.

Основные параметры

• крутящий момент;

• мощность;

• частота вращения;

• КПД трансмиссии.

Гидродинамические передачи: гидромуфты и гидротрансформаторы.

Этот вид передач используется чаще всего в буровых установках с дизельным приводом и нерегулируемым электроприводом. Их использование объясняется необходимостью существенно улучшить естественные тягово-скоростные характеристики двигателей привода, а вместе с ними и рабочие характеристики приводимых машин и механизмов. Обычно гидромуфта и гидротрансформатор устанавливаются непосредственно после двигателя и образуют вместе с ними единый силовой агрегат.

Гидромуфта является наиболее простым видом гидродинамической передачи. Она состоит из двух колес: насосного и турбинного. Насосное колесо механически соединено с двигателем, а турбинное - с трансмиссией. В рабочем пространстве между этими колесами циркулирует жидкость, которая с лопаток насосного колеса отбрасывается на лопатки турбинного колеса, передавая ему вращение и крутящий момент.

Гидромуфта обеспечивает гашение крутильных колебаний на валу двигателя и исключает их передачу на трансмиссию. Тем самым она способствует повышению ресурса как двигателя, так и элементов трансмиссии. Кроме того, гидромуфта увеличивает глубину регулирования скорости вращения приводимого оборудования и способствует его более "мягкому" пуску в работу за счет эффекта скольжения между насосным и турбинным колесами.

К недостаткам гидромуфт относятся их относительно низкие регулировочные свойства и невозможность трансформировать крутящий момент. Из-за этого гидромуфты имеют ограниченное применение и в буровых установках ОАО "Уралмаш" не используются.

Гидротрансформатор является более сложной и более эффективной гидродинамической передачей. Помимо насосного и турбинного колес он имеет направляющий аппарат, благодаря чему гидротрансформатор приобретает по сравнению с гидромуфтой ряд новых полезных свойств. Наиболее важным из них является способность развивать на турбинном колесе крутящий момент, в несколько раз больший, чем на насосном колесе. Это позволяет существенно увеличить тяговые возможности силового агрегата и за счет этого сократить число передач в трансмиссии лебедки и ротора, уменьшить число переключений этих передач при работе, обеспечить плавный пуск (начало подъема) при работе лебедки с незначительным буксованием шинно-пневматических муфт, упростить пуск в работу буровых насосов, создавать на столе ротора большие крутящие моменты при ликвидации прихватов и выполнении некоторых видов аварийных и ло-вильных работ. Кроме этого, гидротрансформатор, так же, как и гидромуфта, способствует повышению ресурса всех элементов трансмиссии благодаря своим демпфирующим свойствам.

В буровых установках ОАО "Уралмаш" гидротрансформаторы используются в составе силовых дизельных агрегатов СА-10, применяемых в приводе буровых установок 5000/320 ДГУ и 3000/200 ДГУ.

Шифр: ТТК-745

• ТТК – турботрансформатор комплексный

• 745 – активный диаметр круга циркуляции, мм

Параметры:

• крутящий момент на ведущем валу (М_нк) и ведомом валу (М_тк):

,

где λ₁ – постоянный коэффициент, характеризующий турботрансформатор;

ρ – плотность жидкости, кг/м³;

n_д – частота вращения вала двигателя, мин^-1;

D – диаметр колеса центробежного насоса, м.

• коэффициент трансформации (к=1,0…4,2):

;

• частота вращения на ведущем валу (n_нк) и на ведомом валу (n_тк);

• передаточное отношение:

;

• мощность на ведущем валу (N_нк) и на ведомом валу (N_тк):

;

• КПД:

;

• подача (Q);

• напор (H);

• гидравлическая мощность (N_г):

.

Ременные передачи

Ременные передачи выполняются с использованием приводных клиновых ремней нормальных сечений по ГОСТ Р 12841-80. Они применяются в трансмиссии буровых установок типа ЗД (НБО-Д) и передачах на буровые насосы всех типов буровых установок ОАО "Уралмаш". Число ремней входящих в одну передачу на насос, достигает 20 штук.

К достоинствам клиновых ремней относится их простота и относительно небольшая цена, способность легко перекрывать большие межосевые расстояния между соединяемыми этими передачами валами, простой и удобный монтаж, при котором не требуется точная центровка и выверка соединяемых ремнями шкивов, небольшие затраты на обслуживание и ремонт, низкий уровень шума и достаточно высокий ресурс. Особенно ценным является способность ремней сглаживать толчки, вибрации и неравномерности вращения, которые присущи буровым насосам. Использование клиновых ремней благоприятно сказывается на ресурсе не только трансмиссии в целом, но и на приводных двигателях и самом буровом насосе.

Недостатком клиноременных передач являются их относительно большие размеры (например, в сравнении с цепными передачами), необходимость обеспечивать натяжение ремней в течение всего периода эксплуатации, дополнительные нагрузки на валы от натяжения.

Параметры:

• передаваемая мощность (до 1000 л.с.);

• частота вращения (до 1000 мин^-1);

• диаметр шкива (500, 560, 710, 1400 мм);

• число ремней;

• окружная скорость (15…20 м/с);

• кратковременная скорость (до 30 м/с).

Сила натяжения клиноременной передачи:

,

где N_э – эквивалентная мощность на ведущем валу;

с_р – коэффициент динамичности нагрузки;

с_L – коэффициент длины ремня;

с_а – коэффициент угла обхвата;

z – число ремней;

m – масса 1 м длины ремня, кг;

V – скорость ремня.

Натяжение ремня контролируется по прогибу:

,

где Е – межосевое расстояние.

Цепные передачи

Цепные передачи относятся к числу наиболее применяемых в трансмиссиях буровых установок. В них используются многорядные приводные роликовые цепи нефтяного сортамента. Номенклатура этих цепей определяется величиной шага (расстоянием между осями соседних роликов) и числом рядов. Выбор шага цепи производится с учетом действующих в передаче окружных скоростей. Число рядов цепи определяется передаваемой мощностью. В буровых установках ОАО "Уралмаш" применяются цепи с шагами 31,75 мм, 38,1 мм, 44,45 мм, 50,8 мм и 63,5 мм. Число рядов цепей в трансмиссиях ОАО "Уралмаш" составляет от одного до восьми.

В буровых установках вследствие больших нагрузок и скоростей преимущественно используют многорядные цепи, которые отличаются от однорядных длиной валиков и наличием промежуточных пластин. Наружные пластины соединяют с валиком с натягом, а промежуточные - с зазором 0,02 мм, облегчающим сборку многорядной цепи.

Пластины цепи изготовляют из холоднокатаного проката повышенной точности, получаемого из стали марки 30ХН3А. После термообработки пластины имеют твердость 38…45 HRC. Эта сталь обладает достаточным сопротивлением усталости, хорошей обрабатываемостью и стабильными механическими свойствами после термообработки. 

Втулки цепи изготовляют из стали марки 12ХН3А или 12ХН2 и подвергают цементации на глубину 0,3…0,7 мм для цепей с шагом 1,75 и 38,1 мм и 0,4…0,8 мм для цепей с шагом 44,45…63,5 мм. Твердость после термообработки 54…61 HRC. Втулки входят в отверстия пластины с натягом, и для устранения среза металла торцы их по наружному диаметру скругляют.

Ролики цепи непосредственно контактируют с зубьями звездочек и подвергаются ударам и изнашиванию. Диаметр ролика выбирают в зависимости от шага цепи. Диаметр является исходным параметром для построения профиля звездочки. Ролики изготовляют из стали 30ХН3А и закаливают до твердости 45 - 52 HRC.

Цепные передачи, так же, как и ременные, легко перекрывают большие межосевые расстояния, характерные для трансмиссий буровых установок, но при этом имеют ряд своих достоинств. К ним относятся прежде всего высокая несущая способность при относительно небольших габаритах и высокий ресурс (для цепей с высоким уровнем качества изготовления). Высококачественные цепи не требуют в процессе эксплуатации никакого обслуживания. Критерием их износа и основанием для замены является вытяжка на 3 % от первоначальной длины.

Вместе с тем, цепные передачи требуют размещения в герметичном корпусе, использования жидкой циркуляционной смазки и соответствующих затрат при эксплуатации на смазочные материалы. Сама конструкция цепной передачи значительно дороже, чем ременная, требует точного изготовления и монтажа для обеспечения параллельности соединяемых цепями валов, качественного выполнения и центрирования смежных цепных звездочек. Цепная передача не может так эффективно, как ременная, гасить толчки и вибрации, поступающие в трансмиссию от буровых насосов, ротора, лебедки и дизельных двигателей. Поэтому цепные передачи чаще всего используются в трансмиссиях в сочетании с гидротрансформаторами, устанавливаемыми в силовых агрегатах.

Работающая цепь испытывает нагрузки от натяжения в ведущей и ведомой ветвях. В ведомой ветви действуют нятяжения от центробежных сил (Р_ц) и провисания цепи (Р_f):

P₂ = P_ц + P_f.

Р_ц = qv²,

где q – масса 1 м цепи, кг;

v – скорость цепи, м/с.

Р_f = gK_fqA,

где A – межцентровое расстояние, м;

K_f – коэффициент, учитывающий угол наклона линии центров звездочек к горизонту (γ):

.

В ведущей цепи нагрузка суммируется из полезного усилия Р, динамической нагрузки (Р_д) и натяжения ведомой ветви (Р₂):

Р₁= Р + Р_д + Р₂.

Динамические нагрузки вызываются неравномерностью движения цепи и ведомой звездочки, технологическими погрешностями, допущениями при изготовлении и монтаже цепи и звездочек.

Зубчатые передачи

Зубчатые передачи имеют относительно узкое, локальное применение в трансмиссиях буровых установок с дизельным приводом. Поскольку расстояния между валами двигателей группового привода большие и составляют обычно 2 метра и более, их невозможно использовать непосредственно для спарки двигателей, как это легко выполняется с помощью цепных или ременных передач. Такие же проблемы затрудняют применение зубчатых передач для привода буровых насосов и лебедки. В отличие от ременных и цепных передач, зубчатая передача требует особо точной параллельности соединяемых ею валов, в то время как цепные и ременные передачи допускают достаточно большие погрешности (особенно ременные), поэтому могут устанавливаться при монтаже буровых установок.

Зубчатые передачи большой мощности выполняются только в одном жестком корпусе с точным обеспечением параллельности ведущего и ведомого валов на заводе-изготовителе и для соединения раздельных валов на монтаже не пригодны.

Вместе с тем, зубчатые передачи могут успешно конкурировать с ременными и цепными передачами там, где требуется максимальная компактность и высокий ресурс при больших передаваемых мощностях. Поэтому зубчатые передачи используются в трансмиссиях буровых установок в виде компактных редукторов и коробок скоростей в передачах на ротор, непосредственно в буровых лебедках, в трансмиссиях и дополнительных приводах новых моделей буровых лебедок с электроприводом, регуляторах подачи долота на забой и т.п.

Карданные передачи

Карданные передачи нашли применение в трансмиссиях буровых установок ОАО "Уралмаш" благодаря способности передавать крутящие моменты при некоторых достаточно больших смещениях и перекосах соединяемых валов, которые недопустимы при иных соединительных устройствах, например различных муфтах (зубчатых, эластичных и проч.). С их помощью удается упростить монтаж бурового оборудования, т.к. исключаются точные центровочные работы, сократить время монтажных работ, сэкономить время при эксплуатации на восстановление нарушенной соосности валов оборудования, избежать вибрации и продлить сроки службы узлов и агрегатов. Карданные валы используются при передаче мощности на лебедку в буровых установках типа ЗД и особенно широко применяются в буровых установках 2500/160 ДП-БМ, 3000/200 ДГУ и 5000/320 ДГУ в соединениях между дизельными агрегатами и цепной трансмиссией, между трансмиссией и лебедкой, трансмиссией и буровыми насосами, в передаче на ротор.

К недостаткам карданных валов можно отнести некоторое увеличение расстояний между соединяемыми валами по сравнению с муфтами.

Параметр/тип	I	II	III	IV	V	VI
Число шарниров	2	2	2	2	2	1
Максимальная частота вращения, мин-1	1600	1140	1140	1140	1140	750
Максимальный передаваемый вращающий момент, Н·м	3,7	14,0	14,0	14,0	5,1	14,0
Длина, мм	720,0	1055,0	890,0	1195,0	812,0	2225,5
Ширина, мм	230	300	300	300	300	300
Масса, кг	50,0	182,0	165,0	190,0	140,0	261,8