Задание

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине: Буровые машины и механизмы

^{(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)}

Тема: Проверочный расчет вращателя бурового станка СКБ-5.

Выполнил: студент гр. РТГ-09 ______________ / Дмитриев А.Д. /

^{(подпись) (Ф.И.О.)}

Оценка: _________________

Дата:__________________

Проверил: профессор _ ____________ / Шелковников И.Г. /

^{(должность) (подпись) (Ф.И.О.)}

Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

УТВЕРЖДАЮ Заведующий кафедрой   /проф.Васильев Н.И./   "___"__________2013 г.

Кафедра бурения скважин

(наименование кафедры)

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине _____________ Буровые машины и механизмы _____________________ _

^{(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)}

ЗАДАНИЕ

Студенту группы РТГ-09 _ _Дмитриеву А.Д.

^{(шифр группы) (Ф.И.О.)}

1. Тема работы Проверочный расчет вращателя бурового станка СКБ-5.

2. Исходные данные к работе в соответствии с технической характеристикой бурового станка СКБ-5.

3. Содержание пояснительной записки Требования к содержанию пояснительной записки изложены в методических указаниях.

4. Графическая часть технический чертеж.

5.Срок сдачи законченной работы ____ 29.05.2013______

Руководитель профессор ________________ /_Шелковников И.Г._/

^{(должность) (подпись) (Ф.И.О.)}

Дата выдачи задания: _____ 03.02.2013 ____

Аннотация.

В курсовом проекте выполнен поверочный расчет вращателя бурового станка СКБ-5. Расчет выполнен по всем основным параметрам, результаты удовлетворяют действующим стандартам и условиям работы станка.

количество страниц – 20

рисунков – 5

таблиц - 1

The summary.

In the course project is given calculations of rotator of SKB-5 boring rig. Calculations is done by all main parameters, results complied with operating standards and working conditions of boring rig.

quantity of pages - 20

figures - 5

tables -1

Содержание.

Введение………………………………………………………………………………………….5

1. Основные сведения о буровом станке СКБ-5……………………………………………….6

2. Вращатель бурового станка СКБ-5…………………………………………………………..8

3. Расчет частот вращения шпиндельного вращателя СКБ-5………………………………..11

4. Расчет пружинно-гидравлического зажимного патрона вращателя……………………...14

Заключение……………………………………………………………………………………...19

Список используемой литературы…………………………………………………………….20

Введение.

Буровой станок СКБ-5 предназначен для вращательного колонкового бурения вертикальных и наклонных скважин на твердые полезные ископаемые на глубину 500 - 800 (1200) м. Станок является шпиндельным станком моноблочной компоновки с продольным расположением лебедки и системой гидравлической подачи бурового инструмента. Объединяющим элементом конструкции станка, на котором собраны все узлы станка, служит корпус коробки передач. На корпусе установлены: вращатель, лебедка, тормоза спуска и подъема, фланцевый электродвигатель привода станка и муфта сцепления.

Вращатель бурового станка СКБ-5 служит для вращения бурового снаряда, для принудительной его подачи, для регулировки давления на забой.

Вращение шпинделя осуществляется через пару конических шестерен от коробки скоростей, а поступательное движение при подаче инструмента на забой, разгрузка давления бурового снаряда, извлечение обсадных труб из скважины и ликвидация аварии — от гидросистемы при помощи траверсы, связанной через штоки с двумя гидравлическими цилиндрами вращателя станка

1. Основные сведения о буровом станке СКБ-5.

Всесоюзный научно-исследовательский институт методики и техники разведки (ВИТР) НПО «Геотехника» Министерства геологии СССР совместно с Барнаульским заводом геологоразведочного оборудования Министерства химического и нефтяного машиностроения разработал буровой станок СКБ-5 к установке УКБ-500/800.

Рис.1 Общий вид станка колонкового бурения СКБ-5 (1-станина, 2-электродвигатель, 3-рукоятка тормоза подъема, 4- рукоятка тормоза спуска, 5- рукоятка переключения передач, 6- рукоятка включения лебедки, 7-рукоятка включения вращателя, 8-вращатель, 9- рукоятка выключения муфты сцепления, 10- коробка передач с муфтой сцепления).

. Конструктивные особенности бурового станка СКБ-5:

· широкий диапазон регулирования частоты вращения шпинделя и барабана лебедки;

· автоматический перехват бурового снаряда в процессе бурения без остановки вращения;

· возможность применения высокопроизводительного гидроударного бурения и извлечения керна съемным керноприемником;

· высокая оснащенность станка контрольно-измерительной аппаратурой;

· полное соответствие требованиям техники безопасности; соответствие современным требованиям промышленной эстетики.

В буровом агрегате СКБ-5 предусмотрено изготовление трех модификаций по приводу: с дизельным, электрическим ступенчатым и электрическим плавно регулируемым приводом.

Одним из преимуществ также является возможность гидроударного бурения, бурения скважин со съемными керноприемниками, а также механизации приготовления и очистки глинистого раствора.

Технические характеристики бурового станка СКБ-5 приведены в табл. 1.

Таблица 1

Параметр	Значение
Глубина бурения номинальная, м.: при алмазном бурении коронками диаметром 59 мм трубами диаметром 54 мм коронками диаметром 59 мм трубами ЛБТН диаметром до 54 мм при твердосплавном бурении коронками диаметром 93 мм трубами 68 мм
Диаметр бурения, мм. - начальный - конечный при алмазном бурении при твердосплавном бурении
Грузоподъемность лебедки на прямом канате, кН - номинальная - максимальная
Частота вращения шпинделя (прямой и обратный ход) об./мин.:	120;257;340;407;539;715; 1130;1500
Вращатель	с автоперехватом (двумя патронами)
Максимальный крутящий момент вращателя,
Частота вращения шпинделя при установке съемного редуктора для гидроударного бурения (прямой и обратный ход), об./мин.:	19;40;53;63;84;111;176; 234
Максимальная грузоподъемность лебедки, кгс.
Усилие подачи шпинделя, кН: - вверх - вниз
Мощность приводного электродвигателя, кВт.
Габаритные размеры станка, мм.	1830х1875х850

Многолетняя эксплуатация станка СКБ-5 выявила ряд его недостатков: неудовлетворительный набор частот вращения шпинделя, повышенный нагрев отдельных частей вращателя при алмазном бурении, значительное (свыше двух часов) время, необходимое для смены кулачков верхнего патрона вращателя, и др.

В связи с этими недостатками была проведена модернизация станка СКБ-5. Новый станок был разработан в нескольких исполнениях. В качестве базовой модели был разработан станок СКБ-5100 с асинхронным приводом и коробкой передач.

Конструктивные отличия базовой модели СКБ-5100 от станка СКБ-5:

- косозубые шестерни коробки передач;

- переключение передач осуществляется не перемещением шестерен, а с помощью зубчатых муфт;

- увеличено число ступеней частот вращения шпинделя; применена нормально замкнутая пружинная муфта сцепления, управляемая педалью и выполняющая также роль предохранительной муфты;

- внесены существенные изменения в конструкцию вращателя: вместо четырехкулачковых патронов применены трехкулачковые, увеличено количество тарельчатых пружин;

- в угловой редуктор и в оба патрона установлены более мощные подшипники;

- вместо уплотнений вращающихся деталей манжетного типа установлены лабиринтные уплотнения;

- электрический пульт управления, куда входят кнопки управления приводом станка, маслонасосом и промывочным насосом, переключатели режима работы, кнопки «аварийный подъем» и «аварийный стоп», а также амперметр для контроля нагрузки двигателя станка, смонтированы на отдельной стойке;

- в гидрооборудовании станка вместо клапана веса установлен дроссель на сливе.

2. Вращатель бурового станка СКБ-5.

Вращатель буровой – один из главных конструктивных элементов буровой установки, который используется для передачи вращения бурильной колонне, во многом определяя эффективность и порядок выполнения всех технологических операций.

Шпиндельные вращатели применяются в буровых станках колонкового бурения, имеющих в основном моноблочную компоновку и оснащенных одним двигателем. Шпиндельный вращатель предназначен для передачи колонне бурильных труб крутящего момента и осевого усилия. Он состоит из конического редуктора со шпиндельной втулкой, установленного в корпусе вращателя на подшипниках и получающего вращение от коробки передач станка; полого шпинделя, проходящего через шпиндельную втулку и связанного с ней шпоночным, шлицевым или фигурным соединением. Шпиндель оснащается одним или двумя зажимными патронами, с помощью которых бурильной трубе, свободно проходящей через шпиндель, передаются крутящий момент и осевое усилие.

Рис.2 Схема вращателя бурового станка СКБ-5

(1-траверса, 2-цилиндр, 3-корпус).

Рабочая длина шпинделя определяет «ход шпинделя» — возможную максимальную величину непрерывного осевого перемещения колонны бурильных труб. Для продолжения процесса осевого перемещения колонны выполняется операция по перекреплению шпинделя, при которой зажимные патроны раскрепляются и шпиндель перемещается в верхнее исходное положение с последующим закреплением патронов. Наличие двух гидропатронов позволяет осуществлять бурение без остановки вращения. Осевое перемещение шпинделя осуществляется с помощью системы подачи.

Рис. 3 Схема работы узлов вращателя с гидропатронами при перехвате: а – бурение, б – нижнее положение шпинделя, в – подъем шпинделя, г – верхнее положение шпинделя.

Шпиндели могут иметь круглое или фигурное сечение. Круглые шпиндели с несколькими шпоночными канавками или шпиндели со шлицевой наружной поверхностью достаточно легко балансируются и обеспечивают устойчивую работу при высоких частотах вращения. Шлицевые шпиндели сложнее в изготовлении, но благодаря большому числу шлицев, передающих крутящий момент, имеют несколько меньшие толщину стенки и массу. Шпиндели фигурного сечения, например шестигранного, успешно применяются при передаче больших крутящих моментов.

Основными параметрами вращателя являются частота вращения и конструктивные размеры – длина хода и диаметр проходного отверстия шпинделя.

Диаметр проходного отверстия определяется максимальным диаметром применяемых бурильных труб с учетом зазора 2-5 мм для обеспечения свободного прохода их через шпиндель.

Длина хода шпинделя варьируется в пределах 400-600 мм, принимая большее значения в станках для бурения более глубоких скважин.

Для проверочного расчета примем такие условия, которые позволят рассчитать максимальные возникающие нагрузки на станок. При расчете вращателя проверим несколько параметров:

- частотную характеристику, которая оценивается диапазоном изменения частот вращения и диапазоном регулирования, числом частот в диапазоне;

- усилия, передаваемые зажимным патроном ведущей трубе при бурении.

При определении частотной характеристики выберем способ бурения, при котором применяется алмазная буровая коронка. При алмазном бурении, в соответствии с технологией, необходимо обеспечивать высокую частоту вращения бурильной колонны и относительно небольшой крутящий момент, поэтому при расчете частотного диапазона можно получить данные, которые более полно охарактеризуют технические возможности вращателя станка СКБ-5 и охватят большее число частот в диапазоне.

Расчет усилий передаваемых зажимным патроном ведущей трубе при бурении будем проводить для твердосплавного способа бурения, так как при этом способе для успешного разрушения породы на забое необходимо передавать существенные крутящие моменты. Проведем расчет для того, чтобы убедиться, что вращатель сможет обеспечить необходимое значение крутящего момента передаваемого бурильной колонне.

3. Расчет частот вращения шпиндельного вращателя СКБ-5.

Рассчитаем частоты вращения шпиндельного вращателя для станка колонкового бурения при следующих условиях: глубина скважины 800 м; глубина спуска обсадных труб (в м): диаметром 127/117-50 м; диаметром 89/79-90 м; диаметром 73/63-175 м; бурильные трубы - ССК-59; диаметр коронки (в мм) 59/35; осевая нагрузка (в кН) 16 кН; мощность двигателя станка 30 кВт; максимальная частота вращения бурового снаряда номинальной длины n_в=726 мин^-1.

Для заданной конструкции скважины, бурение на указанных интервалах предусматривается осуществлять, в интервале 0-50 м - лопастным долотом диаметром 132 мм; 50-90 м - лопастным долотом диаметром 93 мм; 90-175 м - шарошечным долотом диаметром 76 мм и в интервале 175-800 м алмазной коронкой диаметром 59 мм.

Для наиболее распространенных типов породоразрушающих инструментов ω_min (в м/с), используемых при бурении разрушенных, абразивных или весьма твердых пород, имеют следующие значения:

- твердосплавные коронки и лопастные долота - 0,5-0,6

- алмазные коронки и шарошечные долота - 0,4-0,5

- твердосплавные коронки со среднечастотными гидроударниками - 0,12

Примем для лопастных долот в интервалах: 0-50м и 50-90м, ω_min=0,6 м/с;

- для шарошечного долота в интервале 90-175м, ω_min=0,4 м/с;

- для алмазной коронки ω_min=0,5 м/с.,

где ω_min – минимальная угловая скорость.

Тогда по формуле:

, (3.1)

где D_max максимальный диаметр породоразрушающего инструмента, n_min - минимальное значение частоты вращения.

Для глубины 0-50м:

Для глубины 50-90м:

Для глубины 90-175м:

Для глубины 175-800м:

Выбираем n_min=87 мин^-1

Для определения максимальной частоты вращения по формуле:

(3.2)

где D_min минимальный диаметр породоразрушающего инструмента, n_max - максимальное значение частоты вращения.

Значения ω_max(в м/с):

- алмазные коронки при бурении монолитных малоабразивных пород - 3-5

- твердосплавные коронки - 1,5-2

- шарошечные долота - 1,2-1,4

Примем следующие значения ω_max:

- в интервалах 0-50м и 50-90м, ω_max=1,5 м/с;

- в интервале 90-175м, ω_max=1,6 м/с;

- в интервале 175-800м (бурение алмазной коронкой), ω_max=4 м/с.

Тогда:

Для глубины 0-50м:

Для глубины 50-90м:

Для глубины 90-175м:

Для глубины 175-800м:

С учетом технических возможностей бурового станка СКБ-5 принимаем nmax=1500 мин^-1.

Максимальную частоту вращения n_max, определенную в соответствии с требованиями технологии алмазного бурения, целесообразно рекомендовать для реализации, если она не превосходит значения и найденного по формуле:

(3.3)

где n_в - максимальная частота вращения бурового снаряда номинальной длины (на конечной глубине скважины), мин^-1; N_хв - мощность на холостое вращение бурового снаряда номинальной длины при частоте вращения n_н, кВт; N - номинальная мощность двигателя бурового станка, кВт.

Так как n_max = 1294 > n_в = 1028, принимаем n_max = 1028 мин^-1.

Рекомендуемое число частот вращения 8≤ А ≤12.Примем число передач К=8.

Каждая из ступеней определяется зависимостью:

(3.4)

Тогда диапазон изменения частот вращения для данных условий:

Для вращателей буровых станков наиболее предпочительны системы бесступенчатого регулирования, обладающие способность работать в режиме полного использования мощности двигателя и обеспечивающие стабильность задаваемых частот вращения. Ступенчатое регулирование меньше удовлетворяет технологическим требованиям по сравнению с бесступенчатым. Вероятность бурения при оптимальной частоте весьма мала из-за ограничеснного числа скоростей. вместо требуемой частоты устанавливается большее или меньшее значение, что приводит к снижению технико-экономических показателей бурения в результате уменьшения механической скорости бурения.

4. Расчет пружинно-гидравлического зажимного патрона вращателя.

При проведении расчета определим окружное, осевое и полное усилие, передаваемое ведущей трубе, расчетное усилие, дополнительное и общее усилие гидроцилиндра, раскрепляющего патрон, максимальный крутящий момент и определим площадь кольцевого поршня патрона.

Пружинно-гидравлические зажимные патроны шпиндельных буровых станков предназначены передавать буровому инструменту окружное усилие , соответствующее крутящему моменту на шпинделе, и усилие подачи , определяемое технологией бурения.

Зажимной патрон соединяется с бурильной трубой кулачками. Сила сцепления между кулачками и бурильной трубой должна обеспечить передачу максимального крутящего момента, соответствующего окружного усилия и одновременно максимального усилия механизма подачи.

Суммарное усилие, передаваемое зажимным патроном:

(4.1)

Схематическое изображение гидропатрона представлено на рис. 3.

Рис.4 Гидропатрон (1-поршень, 2-подшипник, 3-обойма, 4-плашка,

5-пружина, 6- шпиндель патрона).

Принцип действия патрона заключается в зажиме бурильной трубы с помощью плашек 4, прижимаемых к ней клиновой обоймой 3, перемещающейся в осевом направлении. Сила прижатия плашек к трубе определяется в зависимости от клинового угла между поверхностями обоймы и плашек и силой перемещения обоймы.

Рис.5 Схема сил действующих на обойму а и кулачок б.

Условие равновесия обоймы:

(4.2)

Условие равновесия кулачка:

(4.3)

Гидравлический зажимной патрон имеет более высокую стоимость и несколько усложняют конструкцию бурового станка, однако их применение уменьшает опасность травматизма и сокращает затраты времени на перекрепление. Оснащение шпинделя гидропатронами позволяет автоматизировать процесс перекрепления и выполнять его без остановки вращения бурильной колонны. В этом случае вращатель оборудуется двумя гидропатронами: верхним – нормально закрытым и нижним – нормально открытым.

Рассчитаем пружинно-гидравлический зажимной патрон для шпиндельного бурового станка типа СКБ-5. Начальные условия примем N = 30 кВт; бурильные трубы СБТН-68, d_раб = 68 мм, масса 1 м трубы 7,05 кг; промывочная жидкость – вода; осевая нагрузка на коронку ; частота вращения бурового снаряда 340 мин^-1; коэффициент кратковременной перегрузки электродвигателя λ = 1,75; КПД передачи мощности от двигателя к шпинделю станка η = 0,85; давление масла в гидросистеме p ≤ 5 МПа.

Максимальное значение крутящего момента без учета инерционных нагрузок определяется величиной мощности двигателя станка и минимальной частотой вращения шпинделя:

(4.2)

где N - номинальная мощность двигателя; N_ст – потери мощности в станке, N_ст = 4,5 кВт.

, (4.4)

где n - частота вращения бурового снаряда.

Определим окружное усилие по формуле:

, (4.5)

где М_кр.(max) - максимальное значение крутящего момента при максимальной частоте вращения; d_раб - наружный диаметр ведущей трубы.

Осевое усилие согласно выражению:

, (4.6)

где G - вес бурильной колонны, P_при - осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент.

Вес бурового снаряда:

, (4.7)

Полное усилие, передаваемое ведущей трубе:

, (4.8)

где Р₀ - окружное усилие, направленное нормально к осевому усилию механизма подачи (Р_п).

Сила прижатия кулачков:

, (4.9)

где μ_с = 0,20÷0,45 - коэффициент сцепления между зубьями кулачка и трубой, зависит от внедрения зубьев кулачков в тело трубы.

В зажимном патроне 4 плашки, т.е., на каждую из них действует сила прижатия:

Сила перемещения обоймы патрона при зажатии плашек:

, (4.10)

где - коэффициент трения скольжения, = 0,10÷0,15, =10⁰

Жесткость пакета пружин зажимного патрона:

, (4.11)

где λ_р – рабочая осадка пружин (примем λ_р = 18 мм).

Дополнительная деформация пружин при освобождении бурильной трубы в патроне при раздвижении кулачков до максимального диаметра, примем d_max = 70 мм:

, (4.12)

где - дополнительная деформация пружин, - диаметр увеличенного отверстия в патроне для свободного прохода ведущей трубы.

Дополнительное усилие, развиваемое гидравлическим цилиндром при раскреплении патрона и деформации пружин:

(4.13)

(4.14)

Площадь кольцевого поршня патрона:

, (4.15)

где - давление масла в гидросистеме станка. Величина при заданном давлении в гидросистеме станка определяет размеры цилиндра гидропатрона.

Полученное значение соответствует кольцу с наружным и внутренним диаметрами 200 мм и 189 мм соответственно.

В результате расчета получено значение суммарного усилия передаваемого зажимным патроном равное . В соответствии с технической характеристикой станка возможное усилие подачи . Отсюда следует, что станок сможет обеспечить полученное значение усилия передаваемого зажимным патроном.

Заключение.

В курсовом проекте выполнен проверочный расчет вращателя станка СКБ-5.

Приведены основные сведения о буровом станке, его технические характеристики. В результате расчета определен диапазон изменения частот вращения. Ступенчатое регулирование скоростей вращения не совсем удовлетворяет технологическим требованиям по сравнению с бесступенчатым. Вместо требуемой частоты устанавливается большее или меньшее ее значение, что приводит к снижению технико-экономических показателей бурения в результате уменьшения износостойкости породоразрушающего инструмента или механической скорости бурения.

Также проведен расчет радиальных и осевых усилий передаваемых от гидропатрона вращателя к ведущей трубе.

Результаты расчетов удовлетворяют заявленным техническим характеристикам бурового станка СКБ-5.

Список литературы.

1. А.Н. Кирсанов, В.П. Зиненко, В.Г. Кардыш Буровые машины и механизмы. М.: Недра, 1981. 448с.

2. И.Г. Шелковников, В.С. Литвиненко Инженерные расчеты бурового оборудования и инструмента: Учеб. пособие. Санкт-Петербургский горный ин-т. СПб, 2000. 86 с.

3. И. Г. Шелковников Прикладная буровая механика: Учеб. пособие. СПб. СПбГИ 1997.

4. Руководство по эксплуатации «Станок колонкового бурения СКБ-5». М.: Машинэкспорт.

Дата добавления: 2015-07-08