11. Динамика спускоподъемного механизма. Безопасные скорости спуска. Согласование работы вспомогательных и ленточного тормозов.

Динамические нагрузки, испытываемые тормозом буровой лебедки, обусловлены снижением скорости поступательно движущихся и вращающихся масс.

Р ис. 12.6. Моменты сил, действующих на тормоз в период торможения: а — спуск; б — подъем; и — натяжение подвижного конца соответственно при спуске и подъеме

Если за условное положительное направление принять действие моментов, направленных против часовой стрелки, то уравнения вращательного движения можно написать в следующем виде:

для торможения при спуске

для торможения при подъеме

где I — приведенный к валу барабана лебедки момент инерции вращающихся и поступательно движущихся масс; — угловое замедление вала барабана лебедки; — статический момент; и —тормозные моменты соответственно при спуске и подъеме.

Приведенный момент инерции определяется из равенства кинетической энергии приведенной массы и фактически распределенных масс с учетом потерь на трение. Для упрощения расчетов можно пренебречь кинетической энергией канатных шкивов, не имеющей существенного влияния. В этом случае справедливо равенство

где — угловая скорость вала барабана; — масса подвижных частей талевого механизма и подвешенной колонны труб; v — скорость поступательно движущихся масс; — к.п.д. талевого механизма.

Из рассматриваемого равенства приведенный к валу барабана момент инерции вращающихся и поступательно движущихся масс

Так как зависимость между скоростями барабана лебедки и крюка

полученную формулу можно представить в следующем виде:

(12.12)

где — средний диаметр навивки каната на барабан; — кратность оснастки талевого механизма.

При равномерном торможении угловое замедление вала барабана лебедки

где и — начальная и конечная угловая скорость вала барабана лебедки, ; — время торможения, с.

В результате торможения конечная скорость становится равной нулю, тогда имеем

где n — начальная частота вращения вала барабана, об/мин.

Статический момент с учетом к.п.д. талевого механизма при спуске

при подъеме

Тормозной момент при спуске из формулы (12.9)

Конечная цель после подстановки в уравнение вращательного движения и определенные значения моментов торможения при спуске и подъеме можно определить безопасную скорость подъема.

Для безопасного торможения следует ограничить величину тормозного момента, необходимого для остановки спускаемого груза.

М_т- момент торможения ленточного тормоза; К_т- запас торможения.

Предельную частоту вращения подъемного вала лебедки при спуске в зависимости от нагрузки на крюке и продолжительности торможения

Согласование работы гидродинамического и ленточного тормозов

Для ускорения спуска и безопасной остановки колонн бурильных и обсадных труб необходимо обеспечить согласованную работу гидродинамического и ленточного тормозов буровой лебедки. Угловые ускорение и скорость подъемного вала лебедки при спуске с использованием гидродинамического тормоза определяются из уравнения вращательного движения

где I — момент инерции вращающихся масс лебедки и гидродинамического тормоза; — угловое ускорение барабана лебедки и ротора тормоза; М — вращающий момент, создаваемый под действием спускаемых масс; М — тормозной момент, создаваемый гидродинамическим тормозом. Из рассматриваемой формулы

Угловое ускорение пропорционально разности вращающего момента, создаваемого собственным весом спускаемых масс, и тормозного момента гидродинамического тормоза. При этом следует отметить, что уменьшение момента инерции вращающихся масс способствует увеличению ускорения и сокращению продолжительности разгона гидродинамического тормоза.

Вращающий момент, действующий на барабан лебедки, изменяется в зависимости от веса G спускаемой колонны труб:

Для согласования работы гидродинамического и ленточного тормозов лебедки необходимо обеспечить условие: , где — предельная частота вращения барабана лебедки, допускаемая по запасу торможения ленточного тормоза.

К ривые 1-4 выражают зависимость частоты вращения гидродинамического тормоза при различных уровнях наполнения. При весе колонны труб σ₁ достигается максимальная допускаемая скорость спуска υ₁, соотношения ординате точки пересечения кривой 5 и 1. 5-предельное. Дальнейший рост скорости в результате увеличения веса спускаемой колонны труб становится опасным для ленточного тормоза буровой лебедки из-за чрезмерных инерционных нагрузок, возникающих при торможении.