Исследование динамики торможения ленточно-колодочного тормоза буровой лебедки тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Введение

Глава 1. Обзор научной литературы

§1.1 Классификация и конструкционный анализ ленточных тормозов буровых лебедок

§1.2 Сведения о теории взаимодействия ленты тормоза со шкивом барабана

Выводы по главе 1

Глава 2. Исследование динамики торможения ленточного тормоза лебедки при действии постоянного и переменного тормозного усилия

§2.1 Режимы торможения лебедки при действии постоянного тормозного усилия

§2.2 Торможение буровой лебедки при действии переменного тормозного усилия

§2.3 Влияние деформируемости ленты на режимы торможения лебедки при действии постоянного тормозного усилия

Глава 3. Статика и динамика взаимодействия кол од очно-ленточных тормозов со шкивом в процессе торможения лебедки

§3.1 Определение нормального контактного усилия на поверхности шкива при равномерном и неравномерном расположении колодок

§3.2 Динамика торможения при взаимодействии шкива с тормозными колодками и действии постоянного тормозного усилия

§3.3 Торможение буровой лебедки при неравномерном расположении колодок вдоль дуги обхвата

Глава 4. Разработка рекомендаций по совершенствованию работы некоторых эксплуатируемых буровых лебедок

§4.1 Расчет тормозной ленты буровой лебедки на прочность

§4.2 Сведения о технических характеристиках эксплуатируемых буровых лебедок и изучение их режимов торможения

§4.3 Расчет на прочность ленточно-колодочных тормозных устройств

Выводы по главе 4

Актуальность проблемы. Как известно, повышение производительности механизма можно осуществлять путем сокращения периода торможения. Однако это допустимо не всегда, так как при интенсивном торможении в элементах привода возникают напряжения, значительно превосходящие допускаемую статическую перегрузку, вследствие чего нарушается прочность соединений, наблюдается повышенный износ колодок, муфт и других звеньев механизма. Более того, тяжелые условия работы тормозов буровых лебедок, характеризующиеся динамическими нагрузками, где, значительное количество механической энергии в течение короткого периода времени должны преобразовываться в тепловую энергию и передаваться в окружающую среду без снижения работоспособности тормоза и лебедки, делают систему динамичной. В связи с этим большое внимание уделяется вопросам повышения надежности, обеспечения прочности, долговечности и эффективности использования элементов тормозных устройств. Решение этих задач в настоящее время осуществляется по следующим основным направлениям: конструктивное усовершенствование механической части и привода существующих тормозов и создание новых конструкций; разработка и использование новых материалов для рабочей поверхности с повышенными фрикционными свойствами.

В настоящее время на буровых установках разведочного и глубокого бурения буровые лебедки снабжены достаточно надежными тормозными устройствами, но как показывает специфика работы и опыт их эксплуатации, имеет место проблема износа фрикционных элементов (тормозных колодок и шкивов). Кроме того, результаты исследований показывают, что одним из существенных недостатков ленточного тормоза является неравномерный износ фрикционных колодок вдоль дуги обхвата, что происходит вследствие неравномерного распределения контактных давлений. В результате этого тормозные колодки нерационально идут в отброс и в целом система теряет надежность и как показывает обзор научной литературы, эта проблема на сегодняшний день остается актуальной.

В настоящей работе проведено подробное исследование динамики ленточного тормоза буровой лебедки и на основании проведенных исследований представлена методика расчета, результаты которых позволяют получить равномерное распределение контактных давлений вдоль дуги обхвата колодками тормозного шкива с сохранением прочностных характеристик материала и, следовательно, добиться равномерного износа колодок.

На основе анализа литературных данных по динамике ленточных и ленточно-колодочных тормозов предлагается новый подход к изучению различных режимов торможения буровой лебедки при действии постоянных и переменных тормозных усилий. Целью исследований является:

- изучение различных режимов в зависимости от динамических характеристик системы «лента - упругий элемент - барабан» вида тормозного усилия;

- оценка влияния контактной силы взаимодействия между колодками и поверхностью шкива и жесткости упругого элемента на параметры торможения;

- расчет на прочность ленты, гибких (деформируемых) элементов ленточного тормоза при различных режимах торможения;

- разработка рекомендации по использованию результатов исследований для расчета конкретных буровых лебедок.

Новизна работы. Предложена модель динамического взаимодействия ленточного и ленточно-колодочного тормозного устройства с поверхностью шкива в процессе торможения, на основе которой установлена возможность реализации двух видов режима торможения лебедки: торможение лебедки при наличии зоны жесткого контакта ленты (ленты с колодками) и торможение с образованием на поверхности контакта полного скольжения; теоретически установлена закономерность расположения колодок на поверхности шкива при которой давление между шкивом и колодками вдоль дуги контакта остается постоянным; выявлена связь между нагруженностью тормозного механизма с режимами торможения лебедки; предложен способ проверки прочности материала ленты с учетом нагруженности механизма.

Практическая ценность и реализация результатов. Результаты исследований могут быть использованы для обоснования рационального выбора характеристик тормозного устройства, обеспечивающих сокращение периода торможения и уменьшение износа колодок за счет равномерного распределения давления вдоль дуги контакта колодок с поверхностью барабана.

Предложенная в диссертации методика расчета использовалась для оценки загруженности наиболее распространенных в эксплуатации буровых лебедок У2-5-5, ЛБ-750 и У-300 и разрабатывались рекомендации и предложения для дальнейшего повышения их эксплуатационной надежности. Разработанные рекомендации по повышению срока службы и надежности работы буровых лебедок были внедрены в ТОО «Жигермунайсервис» ОАО «ЭмбаМунайГаз».

Диссертация состоит из четырех глав. Первая глава, состоящая из двух параграфов, начинается с краткого обзора литературы по проблемам статической и динамической нагруженности буровых лебедок, оценки прочностных характеристик тормозных лент и гибких элементов тормоза в процессе торможения, исследования сил взаимодействия тормозных колодок с поверхностью шкива. Отмечается, что в настоящее время еще отсутствует детальный анализ режимов торможения в зависимости от условия контакта и вида внешнего тормозного усилия.

Во второй главе, состоящей из пяти параграфов, изучена динамика торможения буровой лебедки с помощью гибкой (деформируемой и недеформируемой) ленты при действии постоянного и переменного по времени тормозного усилия. Принимается, что на один конец ленты действует тормозное усилие, а другой конец - упруго закреплен к неподвижной точке. Динамическими (волновыми) процессами в лентах пренебрегаются, скорости точек ленты при этом будут равны скорости движения шкива. В результате получена формула для вычисления угла скольжения от времени и распределения касательного и нормального усилий вдоль этой дуги. Расчеты длины дуги скольжения, натяжения ленты (ремня), скорости и ускорения шкива за период торможения произведены без учета силы инерции ленты, которое имеет место при малых относительно шкива массы ленты.

В этой главе изучены вопросы влияния деформируемости ленты (ремня) на динамику торможения лебедки, где используется известная в литературе зависимость натяжения ленты от ее податливости (закон Гука). В последнем параграфе главы произведен расчет на прочность материала ленты и сопрягаемого упругого элемента при различных режимах торможения.

Третья глава диссертации посвящена изучению режимов торможения лебедки при контакте со шкивом ленточно-колодочного тормоза.

Сначала рассматриваются вопросы статического равновесия ленточно-колодочных элементов при контакте их с поверхностью шкива по закону трения Кулона. Определены законы распределения нормальных и касательных сил в местах контакта колодок по дуге скольжения при равномерном расположении колодок вдоль этой дуги. Предложена методика расчета углов расположения колодок вдоль дуги скольжения, при котором нормальные усилия в местах контакта будут равны между собой. Использование такого способа расположения колодок позволяет снизить их износ, и таким образом, увеличить срок службы колодок.

Далее в этой же главе дана постановка задачи о торможении лебедки с наличием зон сцепления и скольжения при равномерном и неравномерном расположении колодок вдоль дуги обхвата. Расчетным путем дана оценка влияния начальной скорости торможения, коэффициента жесткости упругого элемента, а также коэффициента трения на режим торможения.

Использование результатов теоретических исследований для расчета конкретных видов буровых лебедок изложено в четвертой главе работы. Приведены характеристики наиболее распространенных буровых лебедок, дана оценка их нагруженности.

С использованием предложенных формул определены коэффициенты запаса тормозного момента, с помощью которого вычисляются величины возможных динамических нагрузок в элементах спуско - подъемного механизма.

Произведен сравнительный анализ параметров тормоза, определяемых по существующими и предлагаемым методами.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на: 3-ей Международной научной конференции на тему: "Наука и образование -ведущий фактор стратегии Казахстан - 2030" (г. Караганда, июль 2000 г.), Международной научной конференции «Современные проблемы механики» (г.Алматы, 2001 г), Международной научно-технической конференции "Проблемы нефтегазового комплекса Казахстана", посвященной 70-летию академика Надирова Н.К. ( Атырау, 2001г.), на научных семинарах кафедры «Высшая математика» и расширенном заседании ученого совета Атырауского института нефти и газа (Атырау, 2001-2002 г.), научно-технических конференциях («Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин», 1-5 октября 2002г.) и научном семинаре Астраханского государственного технического университета. Основные положения диссертации опубликованы в работах [60-66].

Выводы по главе 4 построены кривые, определяющие границы расположения зон двух режимов торможения при различных значениях коэффициента трения /. Установлено, что на режим торможения существенное влияние оказывает коэффициент трения /. При / > 0.3 режим торможения практически происходит с наличием на поверхности контакта зоны сцепления.

2. Расчетные формулы, полученные в главах 2 и 3, использованы для анализа работы наиболее распространенных в производстве трех буровых лебедок. Установлено, в случае использования ленты без колодок напряжение и время торможения существенно зависят от коэффициента трения, при этом, с ростом этого коэффициента торможение в основном происходит при наличии зоны сцепления и вдоль дуги контакта напряжение практически не меняется.

3. При больших скоростях барабана, как показывают расчеты, в тормозной ленте возникают напряжения превосходящие по величине допустимого, что требует в таких случаях предусмотреть возможность изменить условия контакта ленты с поверхностью шкива. При этом, возможно увеличить коэффициент трения между лентой и шкивом, или же вместо стальной ленты использовать ленточно-колодочное тормозное устройство.

4. Анализ работ двух лебедок У2-5-5 и У2-300 показывает, при оборотах барабана п >120 они работают в более жестких условиях; в тормозной ленте даже при малых значениях тормозного усилия могут возникать большие напряжения. При этом центробежная сила шкива из-за больших диаметров и высокой скорости вращения увеличивается достаточно быстро и поэтому для остановки шкива следует прилагать большие тормозные усилия. Лебедка ЛБ-750 имеет меньший диаметр и низкий момент инерции и поэтому даже при оборотах шкива и = 120, в отличие от работы лебедок У2-5-5 и У2-300, может произойти два вида режима торможения.

5. Использование ленты с колодками в значительной степени уменьшает уровни нагруженности тормозных устройств. При этом существенно в 2.3 раза уменьшаются максимальные значения напряжений и давления. Определено значение тормозного усилия для лебедки с конкретными характеристиками, при котором процесс торможения завершается с полным скольжением и рекомендовано, что такой режим торможения является наиболее рациональным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По проведенным исследованиям с целью обоснования выбора основных параметров тормозного устройства, обеспечивающих прочность ленты и уменьшающих износ материала колодок в процессе торможения лебедок, можно сделать следующие выводы:

1. Проведен анализ известных конструкций тормозных устройств, на основании которого выявлены основные недостатки при их эксплуатации: высокая нагруженность ленточных тормозов из-за нерационального выбора параметров тормозных устройств при различных режимах торможения; повышенный износ материала колодок за счет образования неравномерного давления на поверхности контакта колодок со шкивом.

2. Разработана динамическая модель контактного взаимодействия ленты и колодочно-ленточных тормозов с поверхностью шкива, обоснована возможность реализации различных режимов торможения. При этом установлено, что режим торможения зависит от отношения Т г] = -- (где Т0, TQt - тормозное и предельное усилия), в частности, если Т0« т] > 1, то торможение шкива происходит при наличии зоны сцепления ( без буксировки).

3. Предложена новая формула расчета центральных углов расстановки колодок на поверхности тормозной ленты, при которой обеспечивается равномерное давление в местах контакта колодок со шкивом. Установлено, что такая расстановка колодок приводит к уменьшению значения нормального усилия по сравнению с равномерным 1.2-2 раза.

4. Установлена закономерность влияния на режимы торможения числа оборотов шкива, жесткости упругих элементов, коэффициента трения, углов расположения колодок. Показано, что числа скользящих колодок в к ; СR2 значительной степени зависит от отношения w0 = —■■ ( где к = А-----------; со0 : J

С - коэффициент жесткости упругого элемента, i?-радиус шкива, J -приведенные к валу барабана лебедки момент инерции вращающихся и поступательно движущихся масс , со0 - частота вращения барабана)

5. Предложена методика расчета на прочность узла тормозной ленты fa Г при различных режимах торможения. В плоскости -А- (где сг0а. ст, j напряжение в сечении сбегающем конце ленты, а„ - характерное напряжение, зависящее жесткости упругого элемента, частоты вращения и геометрических параметров шкива, [сг] - допустимое напряжение) построены зоны, где проверяется прочность узла тормозной ленты в зависимости от реализации режима торможения.

6. Результаты теоретических исследований использованы для анализа работы конкретных лебедок (У2-5-5, ЛБ-750 и У2-300) и предложены рекомендации по рациональному выбору технических характеристик тормозного устройства и расстановки колодок на тормозной ленте в зависимости от режима торможения.

7. Использование этих рекомендаций для выполнения спуско-подъемных операций в ТОО «Жигермунайсервис» позволили выбрать рациональный режим торможения тормозной лебедки, обеспечивающий уменьшения (10-15%) времени торможения при спуске колонны труб. Представленные результаты исследования и методика инженерного расчета ленточно-колодочного тормоза буровой лебедки также рекомендованы ОАО НИПИ «Каспиймунайгаз» использовать их в качестве научно-методических рекомендаций при усовершенствовании и проектировании машин, содержащих подобные механизмы и устройства.

1. Александров М.П. Тормоза подъемно-транспортных машин. Изд.З-е, доп. и перераб. —М.: Машиностроение, 1976. -383 с.

2. Тормозные устройства. Справочник. Под. Ред. М.П. Александрова. -М.: -Машиностроение, 1986. -312 с.

3. Александров М.П. Тормозные устройства в машиностроении. -М.: Машиностроение, 1965. -675 с.

4. Баграмов Р.А. Буровые машины и комплексы. Учебник для вузов. -М.: Недра, 1988. -501 с.

5. Ильский А.Л., Шмидт А.П. Буровые машины и механизмы. Учебник для техникумов. -М.: Недра, 1989. -396 с.

6. Ильский А.Л., Миронов Ю.В., Чернобыльский А.Г. Расчеты и конструирование бурового оборудования. -М.: Недра, 1985. -346 с.

7. Изосимов A.M. Ленточный тормоз буровой лебёдки. //Интервал. № 4. 2002. -с. 34-35.

8. Кирсанов А.Н., Зиненко В.П., Кирдыш В.Г. Буровые машины и механизмы. -М.: Недра, 1981. -456 с.

9. Лисецкий В.А., Ильский А.Л. Буровые машины и механизмы. -М. Недра, 1980. -342 с.

10. Лобкин А.Н. Обслуживание и ремонт буровых установок. -М,: Недра, 1985.-235 с.

11. Молчанов Г.В. Машины и оборудование для добычи нефти и газа. -М.: Недра, 1984.-464 с.

12. Виницкий М.М. К вопросу рациональной эксплуатации тормозов буровой лебедки. //Машины и нефтяное оборудование. №11. 1973. -с. 8-13

13. Тимофеев В.Е. К расчету параметров гидродинамического и ленточного тормозов буровой лебедки. //Машины и нефтяное оборудование. №5. 1966.-с. 8-10

14. Богоград А.А. Грузоподъемные и транспортные машины. Учебник для техникумов. -М.: Металлургия. 1989. -416 с.

15. Вайнсон А.А. Подъемно-транспортные машины. 4-е изд. перераб. и доп. -М.: Машиностроение. 1989. -536 с.

16. Балашов В.П. Грузоподъемные и транспортные машины на заводах строительных материалов. Учебник для техникумов. -М.: Машиностроение, 1987.-384 с.

17. П.Александров М.П. Подъемно-транспортные машины. -М.: Высшая школа». 1979. -367 с.

18. Винницкий М.М. Рациональное управление спускоподъёмными операциями. -М.: Недра. 1987. -252 с.

19. Злобин Б.А. К вопросу создания быстросъемного крепления колодок в ленточном тормозе буровой лебёдки. Изд. Куйбышевского совнархоза. 1958 . -30 с.

20. Александров М. П. Грузоподъёмные машины. Издательство МГТУ им Н.Э. Баумана. 2000 г.

21. Вайсон А. А. Подъёмно- транспортные машины. -М.: Машиностроение, 1989. -563 с.

22. Расчёт крановых механизмов и их деталей. ВНИИПТМАШ. М.: 1993 г.

23. Подъёмно-транспортные машины: Атлас конструкций. Под. Ред. М.М. Александрова и Д.Н. Решетова. М.: Машиностроение, 1987. -122 с.

24. Кардыш В.Г. и др. Современные зарубежные буровые станки и установки. Изд. 2, перераб. и доп. -М.: Недра, 1976. -248 с.

25. Белоусов Д.И., Рощупкин В.И. Буровые установки. -М.: Недра, 1973 -240 с.

26. Кудин В.Г. Ленточный тормоз: описание изобретения к А.С. СССР 968524 МКИ F 16 D 65/80. Бюл. №39 от 23.10.82. (первый прототип)

27. Авторское свидетельство СССР №588418, кл. F 16 D 65/813. 1978 (прототип)

28. Авторское свидетельство СССР №903620, кл. F 16 D 65/813. 1982

29. Ленточный охлаждаемый тормоз буровой лебедки. Авторское свидетельство РК № 32738

30. Светлицкий В. А. Механика гибких стержней и нитей. М.: Машиностроение, 1978. -222 с.

31. Андреев А.В. Предана трением. М.: Машгиз, 1963

32. Беляев В.Н. Плоскоременные передачи. М.: Машиностроение, 1969

33. Белостоцкий Б.Х., Очан М.Ю. Предача окружного усилия растяжимой нитью. -М.: Машиностроение, 1977, №1. -с. 46-50

34. Флоринский Ф.В. О взаимодействии между шкивом и канатом в условиях неравномерного движения каната по ободу. //Стальные канаты. 1969. -с. 315-319

35. Мухин Д.Р. Введение в механику гибкой нити. М.: Наука, 1980. 241с.

36. Минаев А.П. Основы механики нити. Научно-исследовательские труды московского текстильного института, 1941. -с. 86

37. ГЦедров B.C. Основы механики гибкой нити. М.: Наука, 1961. -254 с.

38. Якубовский Ю.В. , Живов B.C., Коротинский Я.И., Мигунов И.И. Основы механики нити. М.: Легкая индустрия, 1973. 271с.

39. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. Перев. С английского. М.: Мир, 1989. 509с.

40. Goodman L.E., Brown С.В. Energy dissipation in contact tangetral loading. Trans Asrie, Ser. E, J Appe. Mcch, 1962. 29, p 17

41. Колчин Н.И. Механика машин. Том 2. Изд.2, перераб. -М.: 1963. -536с.

42. Иосилевич Г.Б. Детали машин. Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов. -М.: Машиностроение, 1988. -368с.

43. Юртаев В.Г. Динамика буровых установок. -М.: Недра, 1987. -155 с.

44. Винницкий М.М. Рациональное управление спускоподъемными операциями. -М.: Недра, 1978. -251с.

45. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970.-327 с.

46. Михин Н.М. Внешнее трение твердых тел. М.: Наука, 1977 -222 с.

47. Сорокин Г.М. Виды износа при ударном контактировании поверхностей. Машиностроение, 1974, №3, -с. 89-94

48. Хирст В. Износ хрупких материалов. «Контактное взаимодействие твердых тел и расчет сил трения и износа». -М.: Наука, 1971. с. 23-27

49. Чигинадзе А.В. Расчет и исследование внешнего трения при торможении. М.: Наука, 1967. -232 с.

50. Пановко Я.Г. Устойчивость и колебание упругих систем. -М.: Наука, 1967.-c.46.

51. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. -М.: Наука, 1967.-с.35-37.

52. Брауде В.И., Семёнов Л.Н. Надёжность подъёмно-транспортных машин. -Л.: Машиностроение, 1986. -182 с.

53. Лобов Н.А. Динамика грузоподъемных кранов. М.: Машиностроение, 1987. -160 с.

54. Элияшевский И.В. Технология добычи нефти и газа. -М.: Недра, 1985. -303 с.

55. Алексеевский Г.В. Буровые установки Уралмашзавода. -М.: Недра, 1981. -467 с.

56. Буровые установки для разведочного бурения на нефть и газ. Цинтихимнефтемаш. М.: 1984 г. - 56 с.

57. Орлов. П.И. Основы конструирования. М.: Машиностроение, 1977 г. -347 с.

58. Когаев В.П., Махмутов Н.А., Гусенков А.П. Расчёты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность. М.: Машиностроение, 1985 г. -328 с.

59. Ахметов С.М., Мардонов Б.М., Ахметов Н.М. К моделированию процесса торможения ленточной колодки. Труды Международной научной конференции «Современные проблемы механики». Часть 2, «Общая и прикладная механика», г . Алматы , 2001г. -с. 35-36.

60. Ахметов Н.М. Динамика скольжения гибкого элемента по поверхности барабана при действии тормозного момента. Материалы международной научно-технической конференции "Проблемы нефтегазового комплекса Казахстана". Том 1. Атырау 2001г. -с. 195-199.

61. Ахметов Н.М., Мардонов Б., Ахметов С.М. Исследовние режимов торможения ленточного тормоза буровой лебедки при действии постоянных и переменных усилий. //Нефть и газ. №3. Атырау, 2002г. -с. 71-78.

62. B.Mardonov, V. Maxatova, N.Ahmetov. Pulling and running mechanism (PRM) is a complex system with inhomogeneous stiffness. //Наука и технология. Часть 1. Атырау, 2002. -с. 100-104.