Пояснительная записка

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

"Уфимский государственный нефтяной технический университет"

Кафедра нефтегазопромыслового оборудования

РОТОР Р-700

Пояснительная записка

к курсовой работе по дисциплине

«Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин»

РОТОР Р-700.00.00.000 ПЗ

Выполнил: Ст. гр. БМП-09-01 Р.И. Сафиуллин

Проверил: Ст. преподаватель Т.А. Утемисов

Уфа 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ РОТОРОВ 4

1.1 Устройство и принцип работы ротора 4

1.2 Роторы отечественного производства 6

1.3 Роторы зарубежного производства 11

1.4 Патентная проработка 15

1.5 Описание предлагаемой конструкции 17

2. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РОТОРА 18

2.1 Расчет нагрузок на опоры стола ротора 18

2.2 Расчет основной подшипниковой опоры 21

2.3 Расчет приводного вала ротора 22

2.4 Расчет подшипниковых опор быстроходного вала 26

3. ОСОБЕННОСТИ МОНТАЖА, ЭКСПЛУАТАЦИИ И РЕМОНТА РОТОРА 30

3.1 Монтаж ротора 31

3.2 Эксплуатация ротора 31

3.3 Ремонт ротора 32

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 35

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 36

СПЕЦИФИКАЦИЯ 37

ВВЕДЕНИЕ

Ротор предназначен для передачи вращения бурильной колонне при роторном бурении или восприятия реактивного крутящего момента колонны, создаваемого забойными двигателями при турбинном бурении или при бурении электробуром. Реактивный момент воспринимается квадратными вкладышами, надетыми на ведущую трубу, и специальным стопорным устройством в створе ротора, при включении которого вращение стола становиться невозможным.

Таким образом, находящиеся в скважине бурильные трубы, становятся как бы заторможенными в роторном столе, а вал забойного двигателя вместе с долотом продолжает вращаться, разрушая на забое породу.

Ротор также предназначен и для удержания на весу бурильных и обсадных труб во время их спуска или подъема. Используется он при ловильных и прочих работах, где требуется вращение бурильных труб.

Привод ротора осуществляется через буровую лебедку цепной или карданной передачей, а также в отдельных случаях от индивидуального привода.

При повышенных нагрузках на опоры ротора идет усиленное разрушение, а также заклинивание приводного вала.

Целью данной работы является изучение и расчет ротора Р-700 с предложенной

модернизацией опор на быстроходный вал, позволяющей увеличить жесткость конструкции тем самым продлить срок работы ротора.

Роторы относятся к числу основных механизмов буровой установки и различаются по диаметру проходного отверстия, мощности и допускаемой статической нагрузке. По конструктивному исполнению роторы делятся на неподвижные и перемещающиеся возвратно-поступательно относительно устья скважины в вертикальном направлении.

Привод ротора осуществляется посредством цепных, карданных и зубчатых передач от буровой лебедки, коробки перемены передач либо индивидуального двигателя. В зависимости от привода роторы имеют ступенчатое, непрерывно-ступенчатое и непрерывное изменение скоростей и моментов вращения. Для восприятия реактивного крутящего момента они снабжаются стопорными устройствами, установленными на быстроходном валу либо столе ротора. Подвижные детали смазываются разбрызгиванием и принудительным способом. Поставляются роторы в двух исполнениях — с пневматическим клиновым захватом ПКР для удержания труб и без ПКР.

Конструкция ротора должна обеспечить необходимые удобства для высокопроизводительного труда и отвечать требованиям надежности и безопасного обслуживания. Роторы, используемые в буровых установках различных классов и модификаций, должны быть максимально унифицированы по техническим параметрам и конструкции.

1.АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ РОТОРОВ

1.1 Устройство и принцип работы ротора

Ротор представляет собой угловой редуктор с конической зубчатой передачей, служащей для передачи вращения под углом, изменяя его с горизонтального на вертикальное, и для снижения частоты вращения. Ведомое коническое колесо передачи смонтировано на втулке, соединенной со столом ротора, в центре которого находится вертикальное отверстие для пропуска колонны. Диаметр отверстия стола ротора зависит от диаметра долота или обсадных труб, пропускаемых через него.

Во время бурения вращение и крутящий момент передаются ведущей трубе через вкладыши и зажимы, устанавливаемые в конусную расточку втулки, вмонтированной в стол ротора. При спускоподъемных операциях в отверстие стола ротора устанавливают клиновые захваты, управляемые пневматические или вручную.

Стол ротора, соединенный с втулкой, укрепляется на двух опорах – главной и вспомогательной. Диаметр стола зависит от типоразмера ротора и устанавливаемых на него клиновых захватов и других элементов. Диаметр стола ротора 500 – 2000 мм. Для удобства работ часть стола ротора сверху закрывают неподвижной крышкой.

Главная опора воспринимает динамические циклически действующие нагрузки – радиальную от передаваемого крутящего момента и осевые от трения ведущей трубы о вкладыши ротора при подаче колонн и от веса стола ротора, а также статическую осевую нагрузку, создаваемую весом колонны при ее установке на стол ротора.

Вспомогательная опора стола ротора служит для восприятия радиальных нагрузок от зубчатой передачи и осевых ударов вверх при бурении или подъеме бурильной колонны.

Ведущий горизонтальный вал с конической шестерней вращается на подшипниках качения, один из которых испытывает действие только радиальных нагрузок, второй – радиальных и осевых от конической передачи и фиксирует вал от осевых смещений. От силового привода вращение передается ведущему валу ротора карданным валом или цепной передачей. Муфта для соединения ведущего вала ротора с карданным валом привода или цепной звездочкой монтируется на его конце.

Для предохранения бурильной колонны от проворачивания во время бурения забойными двигателями или при свинчивании бурильных труб стол ротора должен фиксироваться стопором.

Большинство роторов изготавливается с приводом стола непосредствен-

но конической зубчатой передачей по схемам, приведенным на рис 1.1.

На рис. 1.1,а приведена конструктивная схема ротора, в которой коническое ведомое колесо привода стола расположено между двумя шариковыми упорно-радиальными опорами, что увеличивает базу и устойчивость конструкции. Главная опора – нижняя, вспомогательная – верхняя ведущий вал смонтирован на двух сферических роликоподшипниках. Осевые нагрузки воспринимает опора, находящаяся около звездочки, нагруженная меньшими радиальными

нагрузками, чем опора у шестерни.

Схема ротора с консольным расположением конического зубчатого колеса и верхним расположением главной опоры с упорно-радиальными шарикоподшипниками в главной и вспомогательной опорах (рис. 1.1,б) наиболее распространена в роторах буровых установок для глубокого бурения. Ведущий вал монтируется на опорах качения. Подшипники опоры, расположенной у конической шестерни, воспринимают радиальные и осевые нагрузки, а подшипник у звездочки – только радиальные нагрузки. При использовании в этой опоре роликоподшипника с цилиндрическими роликами температурные удлинения ведущего вала не влияют на зазор в зубчатом зацеплении.

Конструктивная схема ротора с цилиндрической зубчатой передачей привода стола ротора и промежуточной конической зубчатой передачей показана на рис.1.1,в. Главная опора этого ротора – верхняя, цилиндрическая зубчатая передача расположена между опорами, что придает ей устойчиво-сть. Однако ввиду сложности конструкции эти роторы распространены мало.

Роторы с конической зубчатой передачей, главной шариковой и вспомогательной опорой скольжения (рис. 1.1,г) в настоящее время не применяются, так как подшипники скольжения в роторах большого диаметра работают неудовлетворительно. Расположение подшипника, воспринимаю-

щего осевые нагрузки, около звездочки неудачно, потому что температурные удлинения вала нарушают зазор в зубчатом зацеплении.

На рис. 1.1,д приведена схема ротора, в которой коническое зубчатое колесо расположено между шариковыми опорами под ведущей шестерней и с ведущим валом, смонтированным на конических роликоподшипниках, установленных в распор. Роторы, выполненные по такой схеме, применяют в легких буровых установках, при небольших диаметрах проходных отверстий и стволов ротора. При небольшой длине ведущего вала установка его на подшипниках, поставленных в распор, допустима, так как температурные удлинения вала незначительны.

Рабочее направление вращения ротора всегда должно быть по часовой стрелке, если смотреть сверху, однако конструкция его должна допускать и обратное вращение, применяемое при ловильных и других работах.

Роторы классифицируются по диаметру проходного отверстия и стати-

ческой нагрузке на стол ротора. Предусматривается шесть классов роторов с диаметрами проходных отверстий 460, 520, 560, 700, 950 и 1260, допустимы-

Рис. 1.1. Схемы роторов:

1 – стол ротора; 2, 7 – опоры вспомогательная и главная; 3 – передача коническая зубчатая; 4 – вал быстроходный; 5 – звездочка; 6 – станина; 8 – передача цилиндрическая зубчатая; 9 – вал вертикальный.

ми статическими нагрузками 2; 3,2; 4; 5; 6,3 и 8 МН.

Для глубокого бурения за рубежом применяют до семи классов роторов с диаметрами проходных отверстий от 250 до 1420 мм, рассчитанных на ста-

тическую нагрузку от 0,7 до 8 МН, с приводной мощностью от 200 до 600 кВт

1.2 Роторы отечественного производства

Принципиальные схемы ротора од­нотипны. Их техническая характери­стика приведена в табл. 1.1., 1.2, 1.3. Наиболее важные параметры характеристики — это наибольшая статическая нагрузка, воспринимаемая столом ротора, диа­метр проходного отверстия и переда­ваемая мощность.

Ротор Р-700 наиболее широко при­меняется в глубоком бурении. Сталь­ная отлитая станина 1 (рис. 1.2.) одно­временно служит масляной ванной для зубчатой передачи. Стол 3 ротора представляет собой стальную отливку с центральным отверстием диаметром 700 мм для про­пуска бурильной колонны и обсадных труб и имеет в верхней части квадратное отверстие под роторные вкладыши 5. Между столом ротора и станиной устроено лабиринтное уплотнение, обра­зуемое кольцевыми впадинами на столе и соответствующими вы­ступами на станине. Нижний упорно-радиальный подшипник 15 регулируется гайкой 14 с передвижной шпонкой 13. Двадцать прорезей в нижней части стола, в которые заходит, передвижная шпонка гайки, позволяют фиксирование регулировать в подшипни­ках. Нижний под-

шипник стола — вспомогательный и воспринимает вертикальные нагрузки снизу вверх от движущейся бурильной ко­лонны.

Рис. 1.2. Ротор Р-700.

Статические и динамические нагрузки от веса бурильной ко­лонны воспринимает основная опора 6. Основная и вспомогатель­ная опоры представляют собой упорно-радиальные подшипники, которые кроме восприятия вертикальных нагрузок обеспечивают центрирование вращающегося стола в станине. Коническая зуб­чатая передача состоит из конического колеса 2, надетого на стол ротора путем горячей посадки, и шестерня 8, насажанной на при­водной вал на шпонке 9. При сборке зацепление конической зуб­чатой пары регулируется подбором прокладок. Приводной вал ротора 10 монтируется на двух радиально-упорных сферических подшипниках или одном сферическом и другом радиальном роликовом, которые помещаются в общем, отдельном корпусе. Это позволяет рассматривать приводной вал как отдельный узел, заменяемый при ремонте ротора на буровой.

На консольном конце приводного вала насажаны сменные цепные колеса 11, привод которым передается от трансмиссионного вала лебедки. Цепные колеса устанавливаются на шпонке и удер­живаются от осевого смещения разрезной муфтой 12. В отверстие вкладыша 5 устанавливается зажим 4 для ведущей трубы. Зажим состоит из двух одинаковых половин.

Для удержания вкладыша и зажима при подъеме инструмента служат вмонт ированные в столе ротора защелки 17.

Таблица 1.1

Для удобства погрузочно-разгрузочных работ и монтажа на под роторных балках в станице предусмотрены специальные вы­резы для захвата крюками. При отвинчивании долота или визи­ровании инструмента стол ротора закрепляется защелкой 16. В столе имеется шесть фрезерованных окон. Кожух 7 закрывает часть вращающейся поверхности стола и служит площадкой для установки элеватора при спускоподъемных операциях.

Ротор УР-760 конструктивно аналогичен ротору Р-700. В нем увеличены диаметр проходного отверстия стола до 760 мм, раз­меры зубчатой передачи и подшипников. Соответственно возросли размеры станины и масса ротора. В результате достигнуто повы­шение статической нагрузки на стол ротора до 4000 кН, переда­ваемая мощность осталась без изменения при возросшем крутящем моменте.

Ротор У7-760 по технической характеристике почти не отли­чается от ротора УР-760. Однако конструктивные их отличия су­щественны. Так, основная его шаровая опора установлена в ниж­ней части стола, а вспомогательная смонтирована над зубчатый колесом конической передачи. В этой конструкции предусмотрена отдельная масляная ванна для подшипников приводного вала, что снижает вероятность выхода их из строя.

В случае попадания бу­рового раствора в основную масляную полость.

Установка вспомо­гательной подшипниковой опоры над зубчатым колесом потре­бовала принудительной смазки, что производится специальным плунжерным насосом с эксцентриковым приводом от приводного вала. Предусмотрено также нижнее лабиринтное уплотнение стола ротора.

Стол ротора закрепляется через приводной вал, на котором между подшипниками установлен специальный диск с выфрезерованными шестью пазами для стопора. Привод стола произво­дится фиксируемой в крайних положениях рукояткой. Конструк­ция вкладышей предусматривает установку обычного конического или роликового зажима ведущей трубы бурильной колонны.

Таблица 1.2

Ротор БУ-50БрД конструктивно аналогичен ротору Р-700. В нем установлены одинаковые верхняя и нижняя подшипниковые опоры стола, изменена конструкция фиксатора стола, приме­нены конические роликовые подшипники на приводном валу. В конической передаче для обеспечения плавности работы и увеличе­ния долговечности зацепления применены спиральные зубья. В комплект ротора входит встроенный пневматический клиновой захват с клиньями для труб диаметром 89 и 114 мм.

Ротор БУ-75Бр отличается от всех других конструкций до­полнительной зубчатой передачей. Это позволило производить привод стола с помощью цилиндрической зубчатой передачи, что снижает нагрузки на подшипниковые опоры стола и повышает их долговечность. Однако наличие промежуточного вала сущест­венно усложняет конструкцию ротора и увеличивает себестои­мость его изготовления. Этот ротор может эксплуатироваться с на­весным пневматическим клиновым захватом, который устанавли­вается на кронштейне ротора. При бурении клиновой захват отводится в сторону от ротора.

Таблица 1.3

1.3 Роторы зарубежного производства

Роторы компании «NATIONAL»

Основные характеристики роторов этой компании приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.4

Роторы типа «Т» фирмы “Energy Products Drilling Equipment Division”

Основные характеристики этих роторов приведены в табл. 1.5.

Модульная конструкция втулки ведущей шестерни и коробки шестерен обеспечивает удобство обслуживания,

1. Основные вкладыши —фирма "ЛТВ Энерджи продактс" выпускает в качестве стандартного оборудования разрезные вкладыши ротора для размеров столов Т-1750, Т-2050 и Т-2750 по нормативам API. Основные вкладыши для столов Т-3750 и Т-4950 получают от производителей, которые специализируются на этом оборудовании. Переводный вкладыш соответствует стандарту для стола Т-4950, что позволяет использовать осно-

ные вкладыши того же размера, что и для стола Т-3750.

Таблица 1.5

2. Смазка — циркулирующее из герметичной емкости масло смачивает все рабочие части, включая подшипники ведущего вала, Обслуживание состоит в обязательной ежедневной проверке уровня масла и периодической замене масла.

3. Ведущий вал — выполненный из термообработанной стали установлен на двух сферических роликоподшипниках, которые выдерживают более высокие нагрузки и обеспечивают самоцентровку. Вал и подшипники собраны в заменяемом блоке с втулкой.

4. Двойное масляное уплотнение — удерживает масло внутри, а воду и грязь вне ведущей шестерни. Ежедневное введение смазки удлиняет срок службы уплотнения.

5. Зубчатая передача — ведущая шестерня со спиральным зубом передает усилие на зубчатый венец стола. Точная механическая обработка обеспечивает хорошее зацепление и гладкую и бесшумную работу.

6. Конфигурация коренного и поддерживающего подшипника обеспечивает соответствующий зазор до установки узла зубчатой передачи в раму.

7. Лабиринтное уплотнение —эффективно предотвращает попадание воды и бурового раствора в рабочие детали и емкость с маслом.

8. Сварные корпус и крышка стола имеют прямоугольную форму и армированы для обеспечения высокой прочности и жесткости. Несколько дренажных пробок помогают промывке и очистке, необходимым для эффективной работы. Все рамы сконструированы так, что могут иметь одинарную или двойную блокировку. Система блокировки стола требует ежедневного введения смазки.

Роторы фирмы MR

Основные характеристики этих роторов приведены в табл. 1.6.

Предлагаемые роторы предназначены для работы с вклады­шами по стандарту API, цепным и карданным приводом, имеют удобный для монтажа корпус и радиально-упорные подшипники специальной конструкции, смазываемые разбрызгиванием. Ро­тор MR-130 М имеет снизу корпуса фланец для крепления к любому фланцу головки колонны и снабжен приводным валом с двухрядкой звездочкой для цепного привода от агрегатов А-50 и А-65 R для ремонта скважин.

Роторы выпускаемые фирмой «National» (США) С-175, С-205, С-275, С-375, С-495 имеют приблизительно одинаковую допустимую нагрузку на стол по сравнению с роторами Р-460, Р-560, Р-700, Р-950, Р-1260, которые производят заводы ВЗБТ и Уралмаш. Так же их отличает максимальная частота вращения стола, одинакова для всех моделей выпускаемых фирмой «National» равна 450 об/мин, в роторах производимых заводами ВЗБТ и Уралмаш она варьируется от 200 до 350 об/мин в зависимости от модели

Таблица 1.6

По диаметру отверстия в столе роторы фирмы «National» имеют незначительные отличия по сравнению с отечественными аналогами. Значительное отличие имеют роторы С-175 и Р-460 по условному диапазону бурения, так у ротора С-175 он составляет 1200-2300 метров, а у ротора Р-460 600-1250 метров. Существенно отличаются роторы С-205 и Р-560 по максимальной мощности,у ротора С-205 она составляет 380 кВт, а у ротора Р-560 - 280 кВт. Еще одно основное отличие состоит в том, что зарубежные роторы имеют большие габариты, чем их отечественные аналоги.

Роторы, выпускаемые фирмой «Energy products Drilling Equipment” имеют несущественные отличия по максимальной частоте вращения и по номинальной статической нагрузке на стол ротора, по сравнению с отечественными аналогами.

1.4 Патентная проработка

В процессе выполнения данного курсовой работы мною была проведена патентная проработка и исследованы авторские свидетельства, изданные с 1977 года, т.е. за последние 30 лет. Были рассмотрены 3 авторских свидетельства с различными предложениями по усовершенствованию работы ротора. Все рассмотренные усовершенствования различны по исполнению, принципу действия и особенностям обработки, но все они направлены на выполнение одной задачи – повышение надежности ротора.

Ниже описаны особенности каждого из рассмотренных авторских свидетельств.

В авторском свидетельстве № 595473 представлен ротор буровой установки, содержащий вал с шестернями, расположенными в масляной ванне, в которой установлен насос, станину, верхнюю и нижнюю опоры стола ротора, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и долговечности за счет обеспечения дополнительной смазки верхней опоры, он снабжен установленными на валу эксцентриковым диском, который кинематически соединен с насосом.

Рис. 1.3. Фиг.1 ротор ощий вид; фиг.2 разрез по А-А на фиг.1.: 1 – станина; 2 – вал; 3 – стол; 4,5 – вкладыши; 6 – плунжерный масляный насос; 7 – эксцентриковый диск; 8 – вал; 9 – зубчатая рейка; 10 – рукоятка; 11 – зубчатое колесо.

В авторском свидетельстве № 1006690 представлен ротор буровой установки, включающий связанные с вертикальным полым валом редуктора кронштейны с роликами, охватывающими буровую штангу, отличающийся тем, что, с целью повышения его надежности путем обеспечения симметричности нагружения штанги роликами, кронштейны выполнены в виде попарно соединенных подпружиненных стяжек и связаны с валом редуктора с возможностью линейного перемещения в горизонтальной плоскости.

Рис. 1.4. Ротор: 1 – редуктор; 2 – полый вал; 3 – направляющая; 4 – кронштейны; 5 – ролики; 6 – штанга; 7 – стяжки; 8 – пружины.

В авторском свидетельстве № 1006690 представлен буровой ротор, содержащий станину, стол опоры, ведущий вал, подшипниковые узлы, торцовые уплотнения и стопорное устройство, отличающийся тем, что, с целью обеспечения монтажа и демонтажа ротора, станина выполнена из основания и установочного кольца, которое расположено между опорами стола с возможностью фиксации стопорным устройством.

Рис. 1.5. Стол ротора: 1 – стол ротора; 2 – венец конической передачи; 3 – основная опора; 4 – вспомогательная опора; 5 – установочное кольцо; 6 – направляющие штифты; 7 – пружина; 8 – нажимное кольцо; 9 – резиновое уплотнение; 10 – подвижное кольцо; 11- болты; 12 – фигурная шайба.

1.5 Описание предлагаемой конструкции

Ротор представляет собой угловой редуктор с конической зубчатой передачей, служащей для передачи вращения под углом, изменяя его с горизонтального на вертикальное, и для снижения частоты вращения. Роторы эксплуатируются в тяжелых условиях. При вращении стола ротора, быстроходный вал испытывает перепады температур и тем самым расширяется или сжимается, в результате чего вал испытывает нагрузки. Для разгружения вала предусмотрены дополнительные опоры в виде радиально - упорных подшипников.

2. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РОТОРА

Исходные данные для расчета: Нагрузка на стол ротора Р₅ = 5200 кН. Крутящий момент на зубчатом колесе , передаточное число U=3,61, скорость вращения стола n₂=250 об/мин. Внешний диаметр колеса м, шестерни м, число зубьев: колеса z₂=65, шестерни z₁=18, расстояние между опорами: l₁ = 0,218 м, а = 0,156 м, l_ш = 0,180 м, l = 0,312 м, l_ц = 0,264 м. Средний диаметр цепного колеса D_ц=0,34 м, межосевое расстояние цепной передачи А = 1,353 м.

В качестве материала стола ротора, шестерни и зубчатого колеса принимаем Сталь 40ХН с закалкой ТВЧ, а для приводного вала Сталь 45.

2.1 Расчет нагрузок на опоры стола ротора

В процессе эксплуатации на стол ротора действует ряд на­грузок (рис. 2.1,а).

Рис. 2.1. Нагрузки действующие на опоры стола ротора.

1. Нагрузка от трения ведущей трубы квадратного сечения о стенки зажима при ее осевом перемещении вниз по мере углубления скважины. При вращении бурильной колонны ведущая труба прижимается к зажимам в четырех точках (рис. 2.1,б). Че­рез зажимы стол ротора передает бурильной колонне крутящий момент М_кр. Нагрузка по линии прилегания ведущей трубы к за­жиму:

Р₁ = М_КР/2*l₁ (2.1)

Р₁ = 80000 /2*0,218=183,5 кН

Сила трения

F = 2Mкр (2.2)

где m — коэффициент трения, при трении сухих поверхностей m =0,25—0,3, при трении смазанных поверхностей m=0,09—0,15.

F = 2*80000 =73,4 кН

На вращающийся стол ротора действует сила F, которая прямо пропорциональна коэффициенту трения. Регулярно смазы­вая ведущую трубу, можно в 2 раза снизить нагрузку от трения ведущей трубы о зажимы, что значительно повысит долговечность основной подшипниковой опоры. Еще лучших результатов дости­гают, применяя роликовый зажим, в котором трение скольжения заменено трением качения.

2. Окружное усилие на зубьях конической передачи

(2.3)

где D_ср—диаметр делительной окружности зубчатого колеса.

кН

3. Усилие Р₃ действует параллельно оси приводного вала ро­тора (осевая сила от конической передачи).

Р₃=Р₁*g_а (2.4)

Р₃=183,5*0,7779=142,7 кН

4. Усилие P₄=48,8 кН действует параллельно оси стола ротора (ради­альная сила от конической передачи).

Р₄=Р₁*g_r (2.5)

P₄=183,5*0,266=48,8 кН

Коэффициенты g_a и g_r определяют для угла bm=35°.

Полученные вычислением коэффициенты g_a и g_r подставляют в фор­мулы со своими знаками. Чтобы избежать заклинивания зубьев, надо, чтобы сила F_a1 была направлена к основанию делительного кону­са ведущей шестерни. Для этого направление вращения шестерни (смотреть со стороны вершины делительного конуса) и направление наклона зубьев выбирают одинаковыми.

Тогда

g_a = 0,44 sin d₁+ 0,7 cos d₁ (2.6)

g_r = 0,44 cosd₁ - 0,7 sind₁ (2.7)

g_a =0,44*0,22+0,7*0,97=0,7779

g_r =0,44*0,97-0,7*0,22=0,266

Сила Р₄ создает момент М₁, опрокидывающий стол ротора

(2.8)

кНм

5. Осевая нагрузка на основную опору от веса вращающихся деталей, связанных со столом ротора, Р₅=5200 кН.

Суммарная осевая нагрузка на основную опору

P₀ = F – P₄ + P₅ (2.9)

P₀ = 73,4 – 48,8 + 5200 =5224,6 кН

Силы, возникающие в зубчатом зацеплении P₂, Р₃ и P₄, вы­зывают реакции опор А и В. Определим величины реакции от указанных сил и их суммарные значения:

реакции опор от силы Р₂ (рис. 2.1,в)

А₁ = Р₂ (2.10)

B₁= P₂ (2.11)

А₁ = 123*0,156/0,218=88 кН

B₁= 123 =211 кН

реакции опор от силы Р₃ (рис. 2.1,г)

А₂= Р₃ *а/l (2.12)

В₂ = Р₃*(а+l)/1 (2.13)

А₂ = 142,7*0,156/0,218=102 кН

В₂ = 142,7*(0,156+0,218)/0,218=245 кН

момент от действия силы Р₄ вызывает реакции опор (рис. 2.1,д)

А₃=В₃=М₁/l (2.14)

кН

Силы Р₃ и P₄ вызывают реакции опор в одной плоскости. Зна­чит суммарные реакции

А_с=А₂+А₃ (2.15)

В_с=В₂+В₃ (2.16)

А_с=102+145=247 кН

В_с=245+145=390 кН

Сила P₂ вызывает реакции опор в перпендикулярной к реак­циям Аc и Bc плоскости. Следовательно, результирующие реак­ции будут равны

(2.17)

(2.18)

кН

кН

Для основного подшипника стола ротора в качестве расчет­ной радиальной нагрузки необходимо принимать реакцию опоры В, осевая нагрузка на подшипники будет равна Р₀. Хотя известны выражения для определения радиальной нагрузки на вспомога­тельную опору A, рассчитать вспомогательный подшипник невоз­можно из-за неизвестной случайной величины осевой нагрузки снизу вверх. Поэтому вспомогательную подшипниковую опору под­бирают конструктивно с учетом опыта эксплуатации роторов.

2.2 Расчет основной подшипниковой опоры

В современных роторах в качестве опор стола в основном применяются шаровые упорно-радиальные подшипники. В соот­ветствии с ГОСТ 18854—82 и ГОСТ 18855—82 подшипники рас­считывают по динамической грузоподъемности. Расчет ведут с целью определения номинальной долговечности (расчетного срока службы) подшипника.

Номинальную долговечность L в млн. оборотов или L_h в ча­сах вычисляют на основе эквивалентной нагрузки Р и динамиче­ской грузоподъемности С по формулам

L=(C/P)^p или L_h=10⁶*L /60*n, (2.19)

где Р=10/3—показатель степени для шарикоподшипников;

n— частота вращения стола ротора, об/мин.

Так как подшипник стандартный, то С=1060 кН

L=(1060000/321000)^10/3=53,6 млн. оборотов

L_h=10⁶*53,6 /60*250=3574 час

Эквивалентная нагрузка—это такая постоянная нагрузка при приложении которой к подшипнику с вращающимся внут­ренним кольцом обеспечивается такая же долговечность, какую подшипник будет иметь при действительных условиях нагружения. Эквивалентная нагрузка определяется по формуле

P=(XF_р+YF_а)*k₃, (2.20)

где Х — коэффициент радиальной нагрузки, для упорно-радиаль­ных подшипников Х=0,66;

F_p— радиальная нагрузка, действующая на главную опору стола;

F_p=Р₂=123 кН

Y — коэффициент осевой нагрузки;

Y=1;

k₃=2,54 — коэффициент запаса;

F_a— осевая нагрузка, действующая на главную опору стола.

P=(0,66*123+1*45,2)*2,54=321 кН

F_a=G+N_p, (2.21)

где G =20 кН — вес стола и вкладышей ротора;

N_p — осивое усилие, создаваемое трением ведущей трубы о вкладыши, Н.

F_a=20+25,2=45,2 кН

N_p=k_ЭM₂f_c/R, (2.22)

где k_Э=0,6 — коэффициент эквивалентной нагрузки;

f_c=0,25 ÷ 0,3 — коэффициент трения ведущей трубы о зажимы ротора;

R=0,1 — радиус приложения накгрузки между ведущей трубой и зажимами;

М₂ — крутящий момент на столе ротора

М₂=9,55*N/n, (2.23)

где N=370 кВт — максимальная передаваемая мощность;

n=250 об/мин. — частота вращения стола ротора.

М₂=9,55*370/250=14 кН*м

N_p=0,6*14*0,3/0,1=25,2 кН

Если полученное расчетное значение долговечности L_h не удов­летворяет, необходимо повысить С, что связано с увеличением раз­меров подшипника. Кроме того, основная опора ротора должна быть рассчитана на статическую грузоподъемность, под которой понимают нагрузку, вызывающую общую остаточную деформацию роликов и кольца в наиболее нагруженной точке контакта равную 0,0001 диаметра ролика. Статическая грузоподъемность упорно-радиальных шарикоподшипников определяется по формуле:

C₀ = 50*z* *sinb, (2.24)

где z=29 — число шариков;

D_ш=0,0762 м. — диаметр шарика.

C₀ = 50*29* *sin45=6 МН

Необходимо, чтобы статическая грузоподъемность главной опоры была больше нагрузки на стол ротора от веса наиболее тяжелой бурильной или обсадной колонны.