Напряжение сжатия в стенке барабана буровой лебедки

После того, как определены основные размеры барабана, производится расчет напряжения сжатия в стенке барабана буровой лебедки. При навивке каната в стенках бочки барабана возникают напряжения сжатия, изгиба и кручения. В связи с тем, что осевой и полярный моменты сопротивления барабана больше, напряжениями изгиба и кручения, возникающими в стенке барабана можно пренебречь. Под действием сжимающих усилий каната оболочку рассматривают как трубу, нагруженную внешним равномерным давлением.

Виток каната, навитый на барабан, сжимает оболочку, уменьшая ее диаметр в зоне, прилегающей к витку. Диаметр барабана при навивке следующего витка еще более уменьшается, в результате чего натяжение каната в нем снижается. Каждый последующий виток изменяет натяжение в ранее навитых витках, поэтому при расчете напряжения в стенке барабана вводят коэффициент а_z, учитывающий уменьшение среднего давления оболочку.

где Р - расчетное натяжение каната; δ - толщина стенки барабана; t=(1,05÷1,1)d_к, - шаг навивки каната на барабан.

Пример. Определить напряжение сжатия в стенке бочки барабана, если известно: расчетное натяжение каната Р=2·10⁴; число слоев навивки z=3; d_к= 1,5·10гм; суммарное сечение проволок Σƒ_i= 10^-4м2; модуль упругости каната Е_к=1,3·10¹¹ Па; модуль упругости при поперечном сжатии Е_п=2,5·10⁸Па; радиус оболочки барабана r=0,15м; материал оболочки - стальное литье; модуль упругости E=2·10¹¹ Па.

Решение. Определяется отношение жесткостей каната и оболочки из выражения

               (12.69)

где . Для барабана стального литья ψ=0,8÷1,0; для сварных из листовой стали ψ=0,4÷0,5; для чугунных ψ=1÷1,5; примем ψ=0,9 и t=1,05d_к, по формуле (12.69) находим

Определястся безразмерный параметр

       (12.70)

Теперь можно определить коэффициент а_z по слоям навивки:

для первого слоя             (12.71)

для второго слоя                   (12.72)

Тогда     

для третьего слоя      μ₃=ζ(2+2β_к)=8(2+2·0,31)=21        (12.73)

           (12.74)

Далее находим

а_z=Σa_i=a_z=3=a₁+а₂+а₃=0,87+0,23+0,12=1,22          (12.75)

Напряжение сжатия в стенках барабана по формуле (12.68), приведенной выше

где δ=ψ·d_к=0,9·1,5·10^-2.

Допускаемое напряжение для стального литья [σ_сж]=120 МПа

Следовательно σ_сж<[σ_сж] для сварных из листовой стали [σ_сж]=l60 МПа; а для серого чугуна [σ_сж]=100 МПа.

Для торможения барабана (подъемного вала) при спускоподъемных операциях, а также при подаче инструмента на забой в процессе бурения служат тормозные устройства буровых лебедок.

В планетарных лебедках тормоза подъема служат для подъема инструмента, а тормоза спуска - регулирования скорости движения спускаемой колонны, полного ее торможения и удержания в подвешенном состоянии. В качестве тормозов подъема и спуска применяют фрикционные, колодочные и ленточные тормоза.

Тормоза спуска работают в более тяжелых условиях. Для облегчении их работы, для бурения скважин на нефть и газ, тормозные устройства оснащают регулирующими тормозами, ограничивающими скорость спуска бурильной колонны.

В лебедках буровых станков для геологоразведочного бурения наибольшее распространение получили двухколодочные тормоза.

Расчет тормоза спуска . Тормозной момент при спуске колонны:

                   (12.76)

где k_с= 1,5÷2,0 - коэффициент запаса тормозного момента; Q_н - вес бурового инструмента номинальной длины; η - к.п.д. шкива; u_т.с. - число струн талевой системы.

Эквивалентный радиус                  (12.77)

где R радиус тормозного шкива, м; β₁ - в радианах. Сила Р, сжимающая колодки

                (12.78)

Где М_р - расчетное значение тормозного момента, определяемое по формуле (12.76); а и с в м; μ₁ - коэффициент трения скольжения между обкладкой и тормозным шкивом.

Рис. 12.10. К расчету силы трения на элементарной площадке тормозного шкива
Рис.12.11. Схема сил, действующих на тормозные колодки.

Равнодействующая нормальных давлений на колодки                  (12.79)

Нагрузки, действующие на колодку 1, находят из следующих выражений

Т_х=N₁·μ₁                (12.80)
Т_у=N₁-T_x                (12.81)
T₁=√T²_x+T²_у          (12.82)

Максимальное давлении р₀ между обкладкой и шкивом                   (12.83)

где b - ширина обкладки.

Среднее давление на обкладке               (12.84)

Величина среднего допускаемого давления между обкладкой и шкивом зависит от материала фрикционной пары и назначения тормоза. Дня тормозов спуска, работающих в более тяжелых условиях, допускаемые давления меньше, чем для тормозов подъема.

Наиболее распространены обкладки из вальцованных материалов, а в тяжелонагруженных тормозах - из ретинакса. Обкладки из тканых материалов имеют меньшую износостойкость, особенно при напряженных режимах работы.

Расчет ленточного тормоза (рис. 12.12).

Рис.12.12. Расчетная схема ленточного тормоза: 1 - колодка, 2-шкив; 3-лента тормоза; 4-рычаг; α-угол охвата колодок; φ-угол поворота тормозного рычага Натяжение набегающего на барабан лебедки ведущей ветви каната при торможении (в МН)          (12.85) где ηт.с =0,83 - к.п.д талевой системы; kд=1,1 - коэффициент динамичности.

Вращающий момент на барабане                     (12.86)

Окружное тормозное усилие (в кН) определяется по формуле                    (12.87)

Натяжение S_н (в кН) набегающих концов лент с достаточной для практических расчетов точностью определяется по известной формуле Эйлера, устанавливающей соотношение между усилиями на концах гибкой нити

               (12.88)

где k=1,2 — коэффициент запаса; μ - коэффициент трения колодок; α - угол обхвата тормозного шкива. Значения μ для различных материалов фрикционной пары приведены в табл. 12.6

Натяжение сбегающих концов лент                  (12.89)

Таблица 12.6

Материалы фрикционной пары		Коэффициент трения μ при		Давление, кПа
фрик- ционный	металли- ческий	отсутствии смазки	случайном попадании смазки	для тормоза подъема	для тормоза спуска	предельно допустимое
Тканая тормозная лента типа А	Чугун Сталь	0,35-0,40 0,35-0,40	0,32-0,35 0,30-0,35	588,4	294,2	1176,9
Вальцованная лента типа Б	Чугун Сталь	0,42-0,48 0,42-0,48	0,35-0,4 0,35-0,4	784,6	392,3	-
Ретинакс	Чугун	0,3-0,38	-	1176,8	784,6	588,4

Максимальное давление колодок на тормозной шкив                         (12.90)

Минимальное давление колодок на тормозной шкив                          (12.91)

Среднее давление колодок на шкив           (12.92)

Средняя удельная нагрузка                  (12.93)

Момент на коленчатом валу тормозной лебедки определяется из выражения        М_к=S_cr       (12.94)

(r=0,03м - радиус рычажка коленчатого вала тормоза)

Необходимое для торможения усилие на тормозной рукоятке рычага                      (12.95)

где G_р - вес тормозного рычага (тормозной Ррукоятки); L - расстояние до центра тяжести тормозной рукоятки до оси вала (см.рис 12.12) a=l·cosψ, l-длина рукоятки тормоза, η=0,8-к.п.д.,учитывающий трение в опоpax, амортизаторе и др.

Для расчета тормозной ленты определим натяжение растяжения в сечении ленты по формуле

         (12.96)

где ƒ - площадь сечения ленты (м2), определяемая из выражения

ƒ=δb-zδd             (12.97)

Здесь δ - толщина ленты; b - ширина тормозной ленты; z -отверстий; d - диаметр отверстия.

Напряжение среза в заклепках число

                (12.98)

где S_н1=S_н/2 - натяжение набегающего конца одной ленты; n - число заклепок; d - диаметр заклепок.