WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Методика расчета требуемых параметров системы привязки верхнего привода основана на определении частоты собственных колебаний.

Расчет для определения частоты и форм собственных колебаний проведен в среде инженерного анализа APM WinMachine в модуле конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния APM Structure3D. Данный модуль имеет сертификат соответствия Госстроя России № 03111087. Расчетная схема показана на рис. 1.

Конечно-элементная модель системы верхнего привода состоит из направляющей и разнесенных масс с моментом инерции, аналогичным моменту инерции верхнего привода.

Просчитывалось 26 положений СВП: от 5 метров до 31 метра с шагом 1 метр (за ноль принят уровень рабочей площадки).

По результатам расчета строится график зависимости собственной частоты колебаний системы от высоты нахождения СВП. Результатами исследований доказана необходимость применения в системе привязки верхнего привода двух дополнительных балок. При такой конструкции на любых высотах исключается появление резонансных явлений, сопровождающихся значительными колебаниями верхнего привода.

Вторым этапом при проектировании конструкции привязки является выполнение анализа влияния неподвижной части СВП на металлоконструкцию мачты.

Расчетами в модуле APM Structure3D определяются параметры напряженно-деформированного состояния элементов конструкции мачты. Для выполнения исследований разработана методика задания нагрузок. Исследовались варианты конструктивного исполнения СВП с одной, двумя и тремя балками.

Расчетами доказана возможность применения СВП для существующих вышек без дополнительного их упрочнения.

В четвертой главе разработана методика расчета параметров
спуско-подъемных комплексов буровых установок, включающая имитационные модели работы СПК. При расчете продолжительности подъема и опускания колонны на длину свечи применяется двухмассовая расчетная схема. Необходимость использования двухмассовой схемы вызвана особенностью торможения при подъеме крюкоблока в верхнее положение. Если ускорение торможения ротора двигателя с барабаном будет больше торможения под собственным весом крюкоблока, то после остановки барабана крюкоблок продолжит движение вверх под действием запасенной кинетической энергии, при этом возникнет слабина каната. После остановки крюкоблок начнет двигаться под действием силы тяжести вниз, выбирая слабину.

Для сведения параметров реальной системы к расчетной модели выведены зависимости приведения параметров. Для расчета приведенных ко крюкоблоку моментов инерции блоков рассмотрена схема талевой системы
(рис. 2)

На основе закона постоянства кинетической энергии до приведения и после приведения, а также с учетом того, что подвижный шкив изменяет скорость в 2 раза, получены следующие зависимости.

Приведенная ко крюкоблоку масса шкивов при n-подвижных блоках определится по выражению

, (1)

где Jш – момент инерции шкива; rш – радиус шкива; Uтс – кратность полиспаста талевой системы.

Приведенная масса талевого каната

+ m1к ( LД – Lo) U2тс + m1к Lкi U2тс, (2)

где m1к – масса 1 м каната; Lкi – текущая длина каната; LД – расстояние между неподвижными блоками талевой системы и барабаном лебедки; Lo – расстояние между осями подвижных и неподвижных шкивов.

Получены выражения для описания работы всех входящих в СПК элементов. Для привода рассмотрены три варианта исполнений: постоянного тока с отсечкой по току, с частотным регулированием по закону постоянства мощности, асинхронный с фазным ротором. При описании использованы выражения, составленные по теореме об изменении кинетической энергии. При реализации в программе дифференциальные выражения преобразованы в численный вид с использованием метода прямоугольников. Для модели рабочего процесса получены выражения, позволяющие рассчитывать сопротивление на колонну труб со стороны скважины через ее длину и параметры скважины. Включен раздел расчета КПД системы.

Разработан алгоритм для составления программы. В алгоритме при реализации операции подъема и спуска заложен поиск точки начала торможения, чтобы остановка крюка была в заданной точке. Эта точка будет зависеть от концевой нагрузки на крюке (при подъеме колонны точка выше, чем при подъеме только крюкоблока). Этот алгоритм может быть использован для разработки системы автоматического управления спуско-подъемными операциями.

В пятой главе проведены исследования влияния параметров на основные показатели спуско-подъемных комплексов.

Цель исследований – доказательство возможности повышения эффективности работы буровой установки за счет задания рациональных значений параметров СПК и выявление резервов повышения надежности системы. Исследования проводятся на примере установки Уралмашзавода «БУ 4500/2700 ЭК-БМ».

При проектировании новых установок и модернизации существующих необходимо:

  • подбирать наиболее подходящий двигатель для проектируемой буровой установки;
  • проводить исследования по выбору конструктивной схемы механизма, по влиянию значений параметров лебедки на основную функцию лебедки – продолжительность подъема и опускания бурильной колонны;
  • определять продолжительность подъема и опускания бурильной колонны с учетом конструктивного исполнения механизма, механической характеристики привода, изменения нагрузок на крюке по мере изменения длины бурильной колонны;
  • определять оптимальное передаточное отношение механизма по критерию продолжительности подъема и опускания бурильной колонны заданной длины;
  • определять загрузку двигателя в процессе работы.

Все эти задачи решаются в разработанной методике, а в главе представлены результаты исследований.

На основе полученных выражений для расчета приведенных параметров выполнен анализ массовых характеристик СПК. Получены следующие значения приведенных к валу двигателя моментов инерции: двигателя с быстроходным валом и муфтой 45,2 %, барабана 44 %, шкивов талевой системы 3 %, каната талевой системы 4 %, бурильной колонны с поступательно движущимися элементами 4,4 %. Таким образом, существенную долю в суммарном моменте инерции занимают муфты, валы и барабан. Малая составляющая бурильной колонны объясняется большим значением передаточного отношения. Таким образом, имеется резерв уменьшения времени цикла за счет снижения моментов инерции вращающихся элементов лебедки. При исключении излишних запасов прочности, при установке малоинерционных элементов можно уменьшить суммарный момент инерции и за счет этого сократить время спускоподъемных операций.

В процессе исследований выявлена еще одна важная информация. При расчете приведенной ко крюкоблоку суммарной массы всех элементов, расположенных за барабаном, получены следующие значения. Доля элементов в суммарной массе: бурильной колонны 39 %; шкивов талевой системы 28,4 %; каната талевой системы 32,6 %. Таким образом, шкивы и канат талевой системы обладают большой инерционностью, при движении запасают значительную кинетическую энергию. Большое значение кинетической энергии приводит к тому, что после остановки барабана, вращающиеся шкивы «протаскивают» крюкоблок дальше расчетной точки остановки. То есть происходит переподъем порожнего крюкоблока в процессе торможения, при этом появляется слабина каната. При наличии слабины после остановки происходит обратное движение крюкоблока, рывок каната, его смятие и преждевременный износ. Для исключения слабины каната в методику введены выражения, позволяющие определять такой тормозной момент двигателя, чтобы относительное ускорение торможения двигателя было меньше ускорения торможения крюкоблока. Это приведет к постоянному натяжению каната. Относительно большая доля моментов инерции шкивов талевой системы определяет дополнительное требование к их проектированию: обеспечение возможно большего снижения момента инерции, например, за счет дополнительных отверстий, использования легких сплавов, задания сечений без излишних запасов прочности. При уменьшении суммарного момента инерции шкивов можно будет обеспечить большие ускорения при торможении, что приведет к снижению времени цикла. В некоторых случаях можно будет уменьшать установочную мощность двигателей, а это приведет к существенному снижению эксплуатационных затрат. Исключение значительных переподъемов уменьшит динамические нагрузки на канат, что позволит повысить их долговечность и снизить затраты на проходку скважин.

С помощью программы для ЭВМ, в которой реализована составленная имитационная модель работы СПК, проведены исследования поведения системы в процессе подъема колонны из скважины и при ее спуске. Результаты оформляют в табличной форме и в виде графиков. На рис. 3 показан график

одного цикла при опускании крюкоблока без бурильной колонны и подъеме колонны (операции свинчивания - навинчивания, установка свечи на графике не показаны). В процессе исследований выявлено ступенчатое изменение скорости каната. Это объясняется переходом на новый слой навивки (в подъемной лебедке БУ используется многослойная навивка). Радиус барабана лебедки сравнительно небольшой по сравнению с диаметром каната (радиус - 0,345 м, а канат - 0,035 м), поэтому при переходе на новый слой происходит изменение линейной скорости навивки примерно на 10 %.

Такое ступенчатое изменение скорости неизбежно будет сопровождаться увеличением усилия в канате, что приводит к сминанию и износу каната. При создании новых БУ можно рекомендовать конструкторам обратить внимание на этот факт, и предусмотреть в конструкции барабана специальные элементы, которые обеспечивали бы плавное изменение скорости при переходе на новый слой, например, расположение спиральных выступов или углублений на торцевой поверхности.

Алгоритм методики предусматривает возможность просчета продолжительности полного подъема и спуска колонны труб. Результаты таких расчетов показаны на рис. 4, 5. Расчеты проводились для привода с механической характеристикой регулирования момента по закону постоянства мощности. Поэтому при длине колонны 1880...2000 м привод работает на участке регулирования («мягкий» участок), на котором скорость определяется нагрузкой, а время цикла меняется от 77 до 96 с (см. рис. 4). При спуске же колонны подобного не происходит, так как сила тяжести колонны действует в том же направлении, что и движущий момент привода. Скорость вала двигателя при совпадающей нагрузке несколько больше скорости холостого хода, двигатель переходит на работу во втором квадранте, ввиду большой «жесткости» участка характеристики, скорость и, соответственно, время цикла будут меняться незначительно (см. рис. 5).

Проведены исследования влияния передаточного отношения редуктора на продолжительность подъема и спуска колонны труб. Результаты представлены в табл. 1 и на рис. 6. Для поиска оптимального передаточного отношения использован алгоритм поисковой многомерной оптимизации покоординатного спуска.

Первый вариант расчетов (начальная точка оптимизации) был выполнен для базовой модели при передаточных отношениях 3,4 и 10,96.

Вначале, при постоянном передаточном отношении для «тихой» скорости, выполнялось изменение передаточного отношения для «быстрой» скорости. Изменение в сторону уменьшения до 3 привело к увеличению продолжительности рабочей операции, поэтому передаточное отношение стали изменять в сторону его увеличения. При увеличении до 4,6 продолжительность уменьшается, а затем происходит увеличение, т. е. график функции имеет экстремум.

При «лучшем» передаточном отношении для «быстрой» скорости изменялось передаточное отношение для «тихой» скорости. При увеличении передаточного отношения продолжительность увеличилась, поэтому выполнено уменьшение передаточного отношения. Уменьшение выполнялось до значения передаточного отношения, равного 7, далее вступает в действие ограничение по развиваемому приводом усилию на крюке. При меньшем передаточном отношении привод не обеспечивал требуемое усилие 2700 кН. При изменении передаточного отношения для «тихой» скорости экстремума не выявлено.

Таблица 1

Влияние значений передаточных отношений на продолжительность

подъема и спуска колонны труб

Передаточное отношение для работы на скорости

Продолжительность

Число свечей при переходе с быстрой скорости

Макси-мальное усилие на крюке, кН

быстрой

тихой

подъема, с

опускания, с

суммарная, с

суммар-ная, мин

3,00

10,96

10077

9375

19452

324,2

65

4080

3,40

10,96

9793

9102

18895

314,9

72

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»