9 Средства искусственной приспособляемости для приводов

Естественные характеристики двигателей в большинстве случаев не могут обеспечить пусковую характеристику и диапазон регулирования, требуемые исполнительными механизмами буровой установки [4]. Поэтому используют искусственные средства сближения требуемых характеристик с фактически имеющимися.

Крутящий момент и диапазон регулирования частот вращения лебедки и ротора в буровой установке можно изменять в пределах от 1–4 до 1–10. Ни один из рассмотренных двигателей не обладает такой характеристикой собственной приспособляемости, поэтому в трансмиссиях буровых установок применяют различные устройства искусственной приспособляемости, позволяющие трансформировать крутящий момент и частоту вращения.

Трансмиссии буровых установок можно подразделить на механические нерегулируемые или со струпенчатым регулированием частот вращения и моментов с помощью коробок передач; гидромеханические со ступенчатым или бесступенчатым регулированием частот вращения и моментов с помощью гидропередач и коробок передач; электромеханические со ступенчатым или бесступенчатым регулированием частот вращения и моментов с помощью электродинамических муфт или электромашинной передачи с коробками передач; электрические с бесступенчатым регулированием частот вращения и моментов во всем требуемом диапазоне.

Обозначим индексом 1 вал двигателя, а индексом 2 - ведомый (вторичный) вал трансмиссии. Тогда для любой трансмиссии можно записать следующее.

Коэффициент полезного действия трансмиссии

η = M₁n₂/(M₁n₁),

где M₁, M₂ - крутящий момент на ведущем и ведомом валах; n ₁, n₂ - частота вращения этих валов.

Отношение u₂₁ = n₂/n ₁ называется передаточным отношением трансмиссии, а отношение моментов k = M₂/M ₁ - коэффициентом трансформации крутящего момента.

Следовательно, всегда КПД η = ku₂₁.

В любой трансмиссии приложены три крутящих момента: момент дви­гателя M₁, рабочий момент M₂ и опорный момент M₃. Из условия равновесия трансмиссии алгебраическая сумма трех крутящих моментов равна нулю:

M₁ + M₂ + M₃ = 0.

Трансмиссии без внешней опоры (M₃ = 0) называют муфтами. Независимо от принципов их действия для них M ₁ = M₂, k = 1, η = u₂₁.Для трансмиссий, понижающих частоту вращения (редукторов) k > 1, т.е. M₂ > M₁, опорный момент M₃ положителен (совпадает по направлению с M₁) При k = 1 и M₂= M₁ трансмиссия трансформирует частоту и момент, т.е. превращается в муфту (u₂₁ = η).Для ускоряющих трансмиссий (мультипликаторов) k < 1, u₂₁ > 1, M₂ > M₁, опорный момент отрицателен.

Для трансмиссии - трансформатора, предназначенного для преобразования момента, внешняя опора обязательна.

Трансмиссия является промежуточным звеном между двигателями и исполнительным механизмом и предназначена для приспособления характеристики двигателя к характеристике, требуемой этим органом. При этом следует различать характер изменения нагрузки и частот вращения на исполнительном органе в период длительной работы и периоды пусков и остановок, т.е. режим переменно-кратковременных нагрузок. В зависимости от свойств двигателя соответствующим образом компонуют и трансмиссию.

В буровой установке исполнительные органы работают в разных режимах, как длительных, так и пусковых. Например, для ротора и насосов, пускаемых сравнительно редко, разгонные характеристики не играют большой роли, как для лебедок, работающих при спускоподъемных опера­циях в очень напряженном режиме повторно-кратковременных нагрузок. Длительно действующие нагрузки в этих исполнительных органах изменя­ются в процессе работы неодинаково, поэтому для обеспечения наиболь­шей эффективности процесса каждого исполнительного органа трансмиссия по возможности должна полнее удовлетворять этим требованиям, и необходимо рассматривать как пусковые и тормозные свойства, так и свойства их при длительно действующих режимах.

Механические трансмиссии.

Механическими называют трансмиссии, передающие движение и энергию от двигателей к исполнительным органам буровой установки и состоящие из валов, различных передач (зубчатых, гибкой связью, муфт и т.д.), не регулирующие автоматически ни момента, ни частот вращения при изменении нагрузки на исполнительном органе установки. Кинематическую настройку трансмиссий выполняет только оператор. Механические трансмиссии могут обеспечить любой диапазон трансформирования и регулирования частот вращения и крутящих моментов.

Механические трансмиссии можно подразделить на простые и сложные. Простые трансмиссии не регулируют частоты и моменты, а осуществляют только их постоянное трансформирование. Сложные трансмиссии обеспечивают трансформацию и регулирование частот и моментов под воздействием оператора. В сложных механических трансмиссиях буровых установок частоты вращения и моменты регулируют только ступенчато при помощи коробок передач. Характеристика силового привода на его конечном звене - выходном валу - зависит о сочетания его собственной характеристики с жесткой характеристикой трансмиссии.

Пусковые характеристики механической трансмиссии зависят только от свойств двигателя и муфт сцепления, используемых при кратковременных режимах пусков и остановок. В отличие от транспортных машин коробки передач в буровых установках нельзя использовать для разгона, так как силы инерции поднимае­мой бурильной колонны значительно меньше сил сопротивления, а время переключения коробки передач для изменения скоростей подъема крюка относительно велико. Если двигатель обладает способностью осуществлять пуск трансмиссии под нагрузкой (паровые машины и электродвигатели постоянного и переменного тока с фазным ротором), то в трансмиссии для соединения валов можно применять жесткие муфты сцепления (зубчатые, кулачковые и др.), которые включают муфты до начала движения; разгон трансмиссии происходит под нагрузкой при включенной муфте. При этом двигатель преодолевает сопротивление от статического (рабочего) сопротивления, инерционных сил трансмиссии и собственных вращающихся частей.

Рис. 9.1 Схемы трансмиссии силовых приводов

а – нерегулируемой механической, блокирующей два привода насоса; б – регулируемой механической с коробкой передач привода лебедки; в – полуавтоматической приводов лебедки и насосов.

1 – двигатель, 2 – карданный вал, 3 – опора, 4 – фрикционная муфта, 5 – блокирующая цепная передача, 6 – клиноременная передача привода насоса, 7 – зубчатая передача, 8 – насос, 9,10 – «быстрая» и «тихая» цепные передачи привода лебедки, 11 коробка передач, 12 – автоматическое регулирующее устройство

Так как моменты инерции разгоняемых масс двигателя весьма значительны, то потери энергии при пусках могут сильно возрастать. Рациональное распределение инерционных масс между валами двигателя и трансмиссии является важной задачей, особенно для подъемного механизма буровой установки, где пуски и остановки весьма часты.

Для уменьшения вращающихся моментов двигателя при пусках используют разные средства: изменяют пусковую характеристику двигателя или устанавливают между двигателем и трансмиссией фрикционные, электродинамические или гидравлические муфты. В механических трансмиссиях применяют только фрикционные муфты.

Полуавтоматической называют механическую трансмиссию, снабженную устройством для автоматического (т.е. без участия оператора) изменения в определенных пределах характеристики силового привода. Схема силового привода такого типа с двумя механически сблокированными двигателями приведена на рис. 9.1, â; между двигателями и фрикционной муфтой установлены устройства 12, автоматически преобразующие его характеристику.

В буровых установках применяют два типа полуавтоматических трансмиссий: 1) трансмиссии, изменяющие только пусковые и кратковременные характеристики; 2) трансмиссии, способные длительно преобразовывать характеристику и обеспечивать гибкость привода при высоком КПД.

В первом случае в трансмиссию между двигателями и передачей встраивают автоматически действующую гидравлическую или электродинамическую муфту. При пуске на малых частотах вращения двигателя эти муфты передают незначительный крутящий момент, обеспечивая при этом плавное включение и разгон трансмиссии. Такие муфты также защищают двигатели от перегрузок и внезапных остановок, так как при резком воз­растании момента сопротивления на трансмиссии муфта не передает момента вращения, превышающего расчетный. Если на исполнительном механизме перегрузка действует длительно, то двигатели должны быть отключены с помощью фрикционных муфт 4 (см. рис. 9.1, в); в противном случае происходит перегрев муфты, так как вся энергия двигателей превращается в теплоту, потому что их КПД обратно пропорционален скольжению.

Во втором случае для преобразования характеристик при длительно действующих режимах в качестве регулирующих устройств применяют гидродинамические преобразователи момента, которые встраивают в трансмиссию между двигателем и фрикционной муфтой, либо электромашинные передачи. Эти устройства обладают достаточно высоким КПД (0,7-0,9) при широком диапазоне регулирования.

Совместная работа двигателя с турботрансформатором.

Турботрансформатор представляет собой турбомашину, которая состоит из центробежного насоса, соединенного с первичным валом двигателя, и направляющего аппарата; последний изменяет направление потока жидкости, выходящего из насоса и турбины. Колесо турбины соединено с выходным (вторичным) валом турботрансформатора. Турботрансформатор является своеобразной коробкой передач с бесконечным числом передач и переменным КПД, так как потери в жидкости, циркулирующей в турботранс-форматоре, возрастают с увеличением коэффициента трансформации частоты вращения.

Литература

1. Бродов Г.С., Васильев Н.И. Дмитриев А.Н. Буровые станки и бурение скважин, СПб, 2011. 269с.

2. Бурение разведочных скважин. Учеб. для вузов/ Н.В.Соловьёв, В.В.Кривошеев, Д.Н.Башкатов и др.- М.; Высш. шк., 2007

3. Повалихин А.С., Калинин А.Г., Бастриков С.Н., Денисов Солодкин К.М. П.Г. Сооружение буровых. М., ИЗД.ЦентрЛитНефтеГаз. – 2011. – 647 с.

4. Ильский А.Л., Миронов Ю.В., Чернобыльский А.Г. Расчет и конструирование бурового оборудования. М.: Недра, 1985.

5. Литвиненко В.С.,. Шелковников И.Г. Инженерные расчеты бурового оборудования и инструмента: Учебное пособие. - СПб.: СПГГИ, 2000. 87 c.

6. Лобкин А.Н. Обслуживание и ремонт буровых установок/ Учебное пособие. М.: Недра, 1985. 320с.

7. Поляков Г.Д., Булгаков Е.С.. Проектирование, расчёт и эксплуатация буровых установок. М., Недра, 1983.

8. Палашкин Е.К. Справочник механика по глубокому бурению. М., « Недра», 1981.

9. Сердюк Н.И.,Куликов В.В.,Тунгусов А.А. и др Бурение скважин различного назначения –М.,Российский государственный геологоразведочный университет, 2007. 

10. Юшков А.С., Пилипец В.И. Геологоразведочное бурение, Учебное пособие. Донецк, Норд-Пресс, 2004