3. Определение передаточных отношений механизмов

При разработке кинематических схем необходимо:

1) предварительно установить величины передаточных отношений и взаимное расположение валов;

2) произвести ориентировочный прочностной расчёт передач;

3) откорректировать полученные результаты.

Сначала задаются частотами вращения конечных звеньев кинематической цепи: лебёдки, ротора и насосов. Затем выбирают двигатели и устанавливают частоты вращения валов трансмиссий.

При выборе цепи привода буровых насосов сначала устанавливают общее передаточное отношение:

,

где u – передаточное отношение

n_д – число оборотов двигателя,

n_н – число оборотов насоса.

Обычно выбирают 2÷3-и ступени передач. При 2-х ступенчатой в 1-й ступени используют цепную или клиноремённую передачу с u₁₂ < 4; 2-я передача – зубчатая, с u₃₄ < 6. При 3-х ступенчатой передаче 1-я ступень обычно гидравлическая (реже зубчатая, цепная) с u₁₂ = 1,3 ÷ 1,8. Остальные ступени – как в 2-х ступенчатой.

При разработке цепи привода лебёдки сначала выбирают число и структуру частот вращения подъёмного вала. Затем устанавливают u между ним и ведущим валом двигателя.

При низшей частоте вращения вала лебёдки

,

а при высшей частоте вращения вала лебёдки

,

где n_лн и n_лв – соответственно низшая и высшая частоты вращения вала лебёдки.

В [1] с.72 приведён графоаналитический способ установления предварительных значений передаточных отношений лебёдки, который предлагается студентам рассмотреть самостоятельно.

Лекция № 2

1. Общие принципы расчёта бурового оборудования

Оборудование рассчитывается на статическую прочность и на выносливость.

1.1 Расчёт на статическую прочность

В качестве расчётной максимальной нагрузки принимают:

1) для подъёмного комплекса – максимальную вероятную нагрузку на крюке (0,8 от наибольшего веса обсадной колонны),

2) для механизмов вращения бурильной колонны – наибольший вероятный крутящий момент,

3. для циркуляционной системы – наибольшее давление.

На стадии конструирования запас на статическую прочность должен быть

, (2.1)

где R_н – вероятная несущая способность конструкции на растяжение, сжатие, изгиб или кручение,

P – вероятная максимальная действующая нагрузка растяжения, сжатия, изгиба или кручения.

Запас прочности следует выбирать из условий эксплуатации оборудования. Например, для нового талевого каната при динамических нагрузках S_min = 3, а при статических – S_min = 2.

Для бурового оборудования коэффициент запаса прочности по пределу текучести S_т в зависимости от отношения предела текучести σ_т к пределу прочности σ_в принимают из таблицы

σт / σв	0,45 ÷ 0,55	0,55 ÷ 0,70	0,70 ÷ 0,90
Sт	1,20 ÷ 1,50	1,40 ÷ 1,80	1,70 ÷ 2,20

Коэффициент запаса по пределу прочности определяют по формуле

(2.2)

При конструировании сложных механизмов идеальным является условие равнопрочности всех элементов. Это практически невозможно, поэтому прочность конструкции всегда определяет её наиболее слабое звено (где тонко, там и рвётся).

1.2. Расчёт на выносливость при переменных (циклических) нагрузках

Разрушение в результате действия циклических нагрузок называется усталостным.

Усталостная долговечность определяется числом циклов нагрузки. Предел выносливости меняется в процессе эксплуатации (в зависимости от действия различных факторов окружающей среды).

Действующие нагрузки могут иметь различные циклы (рис. 2.1):

а – симметричный знакопеременный – от – σ_max до + σ_max, r = - 1;

б – асимметричный знакопеременный – 0 > r > - 1,

в – пульсирующий (отнулевой) – от σ = 0 до σ_max, r = 0;

г – знакопостоянный – 0 < r < 1;

д – сложный – сочетания перечисленных выше циклов;

Рисунок 2.1 – Характеристики циклов

Основные характеристики циклов:

σ_max – наибольшее напряжение цикла;

σ_min – минимальное напряжение цикла;

- среднее напряжение цикла;

- амплитуда напряжений цикла;

- коэффициент асимметрии цикла напряжений,

2σ_a – размах напряжений цикла.

τ – период цикла (продолжительность одного цикла);

- частота циклов.

Расчёт на выносливость довольно сложный, зависит от условий эксплуатации оборудования, и его старения. Для нестареющих объектов можно использовать коэффициент запаса по пределу выносливости

или , (2.3)

где R_в – вероятная несущая способность по выносливости,

P_д – действующая циклическая нагрузка,

σ_д – вероятный предел выносливости,

σ_a – действующие напряжения, переменные во времени.

Коэффициент n_σ можно применять на стадии конструирования для сравнительной оценки пределов выносливости проектируемого и существующего подобного объекта.

Если объект стареет, то за время его работы можно говорить только об ограниченной долговечности. Для расчётов вероятной долговечности может быть использован метод эквивалентных нагрузок или метод оценки по среднему коэффициенту нагрузки.

В расчётах на выносливость по эквивалентным нагрузкам истинная нагрузка заменяется эквивалентной при базовом числе циклов нагружений N_o. Нагрузки определяются по формулам

; (2.4)

, (2.5)

где к_э – коэффициент эквивалентности;

Р и М – сила и момент при режиме, принятом за расчётный.

Оценка долговечности по среднему коэффициенту нагрузки целесообразна для определения коэффициента запаса в зависимости от риска отказа.