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第三章钻机绞车的设计计算

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钻机绞车的设计计算 第三章 钻机绞车的设计计算 钻机绞车设计计算 钻机绞车的设计 钻机绞车的计算
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石油钻机设计石油钻机设计 机电工程学院 机电工程系 许志倩 15216397095 [email protected] 第三章 钻机绞车的设计计算 l绞车功用与使用要求,设计基本参数; l滚筒轴设计计算:受力分析,应力循环分析, 不稳定交变应力作用下疲劳强度计算理论基础,滚 筒轴静强度与疲劳强度核算方法; l滚筒设计计算:滚筒受力分析,滚筒力学模型 ,强度计算; l机械刹车设计计算:刹车工作原理,刹车基本 计算; 教学内容和课程基本要求教学内容和课程基本要求 l3.1 绞车的使用要求与结构 l3.2 绞车的基本参数 l3.3 绞车滚筒轴的设计计算 l3.4 绞车滚筒的设计计算 l3.5 机械刹车设计计算 l3.6 辅助刹车 第三章 钻机绞车的设计计算 3.1 绞车的使用要求与结构 l钻井绞车不仅是起升系统设备,而且也是整 个钻机的核心部件,是钻机三大工作机之一。 3.1.1 绞车功用 l(1) 用以起下钻具、下套管; l(2) 钻进过程中控制钻压,送进钻具; l(3) 起吊重物及进行其它辅助工作(借助猫 头上、卸钻具丝扣); l(4) 充当转盘的变速机构或中间传动机构; l(5) 整体起放井架。 3.1.2 结构组成 l结构类型: l单轴绞车 l双轴绞车 l多轴绞车 l电驱动单轴绞车 典型绞车结构(JC45)组成 结构组成 l(1)滚筒、滚筒轴总成; l(2)制动机构,包括机械刹车和辅助刹车; l(3)猫头和猫头轴总成; l(4)传动系统; l(5)控制系统; l(6)润滑系统; l(7)支撑系统; l(8)捞砂滚筒。 3.2 绞车的基本参数 l(1)绞车功率 l输入功率 l(2)刹车尺寸 l带刹轮毂尺寸 圆整 (3)快绳拉力 l正常工况(起升) l事故工况 (4)滚筒尺寸 l 圆整 l 圆整 l但:对于带槽滚筒,L筒不能圆整 l绳在滚筒上每缠一圈与下层绳交叉两次 l光滚筒——早期的滚筒一般为光滚筒 l光滚筒第一层不工作,充当绳槽 (5)滚筒缠绳直径 带槽滚筒(Lebus绳槽)-双螺旋-平行绳槽 l滚筒缠绳直径 l光滚筒s=2 带槽滚筒s=1 (6)缠绳容量 l每层缠绳容量 ln——每层圈数, l Δ’=1~2mm l扣除不工作的第一层(光滚筒),或7~10圈( 带槽滚筒)。 (8)滚筒转速 l 绞车档数 l 机械驱动 6档 l 直流电驱动 4档 l 交流变频驱动 2~3档 3.3 绞车滚筒轴的设计计算 l机械失效的基本概念:机械零件或结构件的形状尺寸或材 料性能发生改变而不能完满执行语气任务和功能时就称为机 械失效。 l失效抗力指标: l金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力叫强度。 l金属抵抗弹性变形的能力叫刚度K。 l硬度是抗磨损腐蚀、抗塑性变形的重要性能。 l韧性指材料吸收大量冲击能量而不脆断的能力。 知识准备 l钻井机械零件在规定使用期内所承受工作载荷的能 力称为它的强度。强度是零件采用特定材料、经过一 定的冷、热加工形成特定形状和尺寸所固有的特性。 l钻机零部件的可靠性受到强度(应力过大、分静、 动应力和交变应力等)、刚度(位移和变形过大)、 稳定(整体或局部失稳)以及振动(运行不平稳、共 振、微动磨损)等方面的控制。 知识准备 l3.3.1 滚筒轴受力分析 滚筒轴力学模型—— 弯扭组合 3.3.2 强度与刚度核算 l(1)静强度核算:依据Pmax l目的:保证不产生塑性变形 l机械设计要求,[ns]=2(σs/σb=0.8~0.85); lAPI要求:[ns]=2.25~3(Qmax=4500~1350kN) (2) 疲劳强度核算:依据P l目的:保证不发生疲劳断裂 l应力分析 l 循环持久限(材料) l lr=-1,对称循环应力 lr=0, 脉动应力 弯曲应力(轴转) lr=-1,对称循环应力 l应力幅: 平均应力: l ——构件的循环持久限。 扭转应力 (离合器挂合) lr=0,脉动应力 l综合安全系数 l[n]=1.2~1.5(精确核算~粗略核算) l 取 [n]=1.3 (3)刚度核算:依据 Pmax l目的:保证轴及轴上的零部件能正常工作 l (轴、轴承、齿轮、链轮等) 3.3.3 不稳定交变应力作用下疲劳强度 计算理论基础 l(1) Miner定理 lPalmgren-miner疲劳损伤积累定理:在疲劳试验中, 试样在给定的应力水平反复作用下,损伤可以认为与应力 循环次数成线性积累关系,当损伤积累到某一程度时就发 生破坏(1945) 。 lminer定理:①损伤率 ; l ② 破坏。 S-N曲线(P-S-N曲线) l l或 l ——对称循环持久 限 lN0=107——循环基数 lm=9——应力指数(钢制 机件的拉伸弯曲和扭转) l破坏概率50% l损伤率:在 应力下实际作用 次 l则损伤率: lMiner定理核心: l损伤率线性积累 (2)相当应力与相当系数 l已知,σ1,N’1; l σ2,N’2; l …… l共作用NΣ=ΣN’i次; l求:σ当(作用NΣ次)。 l原则:损伤率相等。 l实际总损伤率: l相当损伤率: l损伤率相等 , l得 l变换: l得 l即 l∴ l相当系数: l安全系数 lσΣ ——在NΣ时的破坏应力 。 l但手册上无σΣ,有σ-1, l需要进一步折合。 (3)安全系数和损伤率间的关系 l在折合点上: l安全系数 l损伤率 l可得: (4)等效应力与寿命系数 l已知:σ-1(循环持久限) l对应的循环基数N0=107。 l将NΣ折合到N0上。 l得等效应力σ效。 l原则:安全系数相等。 l (即损伤率相等) l循环系数: l相当系数: l寿命系数: 小结:折算过程: l相当应力: l和载荷变化规律有关 l等效应力: l 和总循环次数有关 3.3.4 滚筒轴疲劳强度核算方法 l(1)载荷分析: l快绳拉力(起升工况) l任意井深快绳拉力 l其中: l忽略G0, l则 l在钻一口井的过 程中,滚筒轴载荷 与立根数(大钩载 荷)成正比 (2)立根数(大钩载荷)的变化规律 l钻井曲线 l相当系数 l对于连续曲线: l ∴ (3)滚筒轴快绳位置的变化的影响kx l周期载荷——取一个周期 lM=a+bN lN=0, M=Ma lN=Nn,M=Mb l (4)相当系数的计算 l弯曲应力——由滚筒弯曲引起 l①立根数变化的影响 l②快绳位置变化的影响 l③其他的影响 l缠绳层数的变化kz, lG0的影响kG, l下钻的影响k’ l忽略 l∴ 剪切应力——由滚筒扭转引起 l仅考虑立根数变化的影响 l∴ (5)循环系数kN l循环系数: lN0=107,m=9 l —钻机使用期内应力循环总数; lT——钻机使用期,T=15年; lX——钻机平均每年钻井口数,口/年; lNmax——每口井所起立根数, λ——起一立根的应力循环数 l弯曲应力 ——每起一立根滚筒所转圈数 l剪切应力 ——每起(下)一立根离合器挂合次数 (起下钻各一次) (6)寿命系数k寿 l弯曲应力 l扭转应力 l动载的影响 (7)疲劳强度核算 l依据P(正常工况) 3.4 绞车滚筒的设计计算 l3.4.1 滚筒结构(JC45) 3.4.2 滚筒受力分析及滚筒力学模型 l外载荷:快绳拉力P l 弯曲 扭转 挤压 (1)力学模型: l梁:弯曲 l轴:扭转 l筒:挤压 lσM、τ值相σ对较小,滚筒按挤压计算 (2)外压挤压模型 l挤压力计算 l内力计算 l薄壁筒模型 l假定:σ=const l厚壁筒模型 l切向: l径向: l当D=D内时 l最大切向正应力 l当D=D外时, l厚壁筒模型与薄壁筒模型的关系 l若取 l即为薄壁筒公式 3.4.3 滚筒强度计算 l(1)多层缠绳情况 lA——多层缠绕系数 l缠绳层数e 1 2 3 4 5 l A 1.0 1.4 1.8 2.0 2.15 (2)强度计算(静强度) l位置:滚筒中部内侧 l性质:切向,压应力(正应力) (3)工况选择 l静强度,外压模型 l危险点,滚筒中部内表面 l事故:Pmax e=2, A=1.4 l正常:P e=3~4,A=1.8~2.0 滚筒强度模型计算讨论 l简支梁 l扭转轴 l厚壁筒 l失稳筒 l固支梁 3.5 机械刹车设计计算 l3.5.1 带式刹车 l(1)刹车组成 l 刹把 l 制动杠杆 l 刹带 l 刹车块 l 平衡机构 (2)刹车力计算 l欧拉公式: lT——刹带死端拉力 lt——刹带活端拉力 l最大制动力 lt——刹车杠杆设计依据 lT——刹车系统强度设计依据 (3)杠杆机构分析 l杠杆机构 l单杠杆 l复杠杆 l增益比 l计算: l图解法 l公式法 增 益 比 曲 线 3.5.2 盘式刹车 (1)盘式刹车组成 l刹车盘 l刹车钳 l刹车杠杆 l刹车块 l钳架 l液压系统 l周向制动改为径向制动 l ——摩擦力均匀 l手动控制改为液压控制 l ——可自动控制 (2)结构类型: l常开钳——工作钳 l常闭钳——安全钳或工作钳 l工作钳——正常工作时用 l安全钳——系统故障时用 l 暂停时用,停止时用 (3)刹车制动力矩计算 ln——摩擦面数; lμ——摩擦系数; lN——摩擦面正压力, ; lRe——摩擦半径, lR——刹车块内、外半径 lp——活塞缸压力 lA——活塞有效作用面积 li——杠杆增益比 (4)盘式刹车工况分析 l正常工况——工作钳 l紧急工况——安全钳+工作钳 l驻车工况——安全钳 (5)盘式刹车的低速爬行问题 l盘式刹一般不能用于滚筒的低速滑行 l现象:时走时停(爬行) l原因: 3.6 辅助刹车 l辅助刹车作用:吸收下钻能量。 l如:1500kN,28m lA=1500*28=42000kJ=10000大卡 l1大卡=4186J l类型: l水刹车 l电磁涡流刹车 l气动多盘刹车(EATON) l能耗制动刹车 3.6.1水刹车 l结构: l定子 叶片 l转子 叶片 l直叶片,前倾45º l循环清水 l循环圆 水刹车制动特性 l制动力矩 l制动功率 lD1 、D2——循环圆外、内径 l安全转速 l水刹车特性调节 l改变D2——循环圆内径 l改变充水量 水刹车特性调节 l——充水量水位调节 3.6.2 电磁涡流刹车 l(1)结构 l定子——铁芯+线圈 磁极 l转子——金属筒 导体 l原理: l导体切割磁 力线产生电 流(涡流) l(2)特性 l低转速下制动 性能较差 l冷却问题 3.6.3气动多盘刹车(EATON) l(1)结构 l原理:轴向推动 l(2)使用 l冷却 l磨损 3.6.4 能耗制动 l将电动机作为发电机 l以消耗下钻能量 l直流 l交流
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