Талевая система — это грузоподъёмное устройство состоящее из

Талевая система - это грузоподъёмное устройство, состоящее из кронблока, талевого блока и каната, служащее для увеличения грузоподъёмности на крюке при производстве СПО. Талевая система буровой установки преобразует вращательное движение барабана лебёдки в поступательное перемещение элеватора при подъёме и спуске бурильных или обсадных труб и даёт выигрыш в силе за счёт уменьшения скорости движения элеватора. Конструкция талевой системы определяется: числом скоростей лебёдки, абсолютным значением скоростей, мощностью силового привода лебёдки, диаметром каната, высотой вышки.

(Длину в процессе работы не изменяют) Qк – нагрузка на крюке 1 – лебёдка; 2 – кронблочная рама; 3 – ось кронблока; 4 – ролики кронблока; 5 – талевый блок; 6 – ролик талевого блока; 7 – канат; 8 – основание буровой установки; Рл – усилие в лебёдочном (ходовом) конце каната; Рн – усилие в неподвижном конце каната; Р 1–усилие в 1 -ой рабочей ветви; Р 2 …, Р 3 …,

Параметрами технической характеристики талевой системы являются: количество роликов в кронблоке- nк; количество роликов в талевом блоке- nт; количество рабочих ветвей – m; грузоподъёмность талевой системы – Qт; диаметр каната – dк. Эти параметры должны быть тесно увязаны с нагрузкой на крюке - Qкр, конструкцией буровой вышки или мачты, грузоподъёмностью лебёдки Qл, мощностью и типом силового привода. Число роликов, их размеры, количество ветвей каната в талевой системе зависит от нагрузки на крюке, прочности и диаметра каната, окружного усилия на барабане лебёдки. При расчёте и конструировании талевых систем все эти элементы должны быть увязаны между собой. Выбор конструкции талевой системы Исходными данными для определения конструкции талевой системы являются максимальная нагрузка на крюке и грузоподъёмность лебёдки бурового станка (установки). Число рабочих ветвей m талевой системы определяется по формуле: m = Qкр. Σ/Qл. η, где Qкр. Σ –нагрузка на крюке при подъёме колонны бурильных труб из скважины, к. Гс; Qл – грузоподъёмность лебёдки, к. Гс; η – ориентировочное значение коэффициента полезного действия талевой системы (выбирается из таблицы).

1 Qкр. Σ /Qл η 0, 966 1, 01 -2, 01 -3, 01 -4, 01 -5, 01 -6, 0 0, 950 0, 934 0, 918 0, 903 0, 888 Нагрузка на крюк определяется весом наиболее тяжёлой колонны бурильных или обсадных труб, весом подвижного (постоянного) груза, в состав которого входят вес талевого блока, элеватора, крюка и т. д. При определении Qкр. Σ –необходимо учитывать динамические силы, возникающие в начале подъёма снаряда, а также силы сопротивления движению колонны бурильных труб в скважине, обусловленные трением между трубами и стенками скважины, кривизной её ствола и возможностью прихвата бурового снаряда. Qкр. Σ = Qкр. д+ Gд, где Qкр. Σ - нагрузка на крюк от действия веса бурового снаряда с учётом динамических сил, к. Гс; Gд – вес подвижного груза с учётом динамических сил. Qкр. д = Qкр + Qд; Qд = Qкр. а/g; Qкр. д = Qкр(1 + а/g), где Qд – величина динамической силы при подъёме колонны бурильных труб, к. Гс; а – ускорение бурового снаряда в момент разгона при его подъёме, м/с2; g – ускорение свободного падения, м/с2. а = v/t

V – максимальная скорость подъёма крюка или элеватора, м/с; t – время разгона крюка, с; для геологоразведочных установок t = 1, 5 -2 с, для установок типа «Уралмаш» - t = 3 -4 с. Gд = G + G/ = G + G. а/g = G (1 + а/g) Qкр. д = Qкр(1 + V/gt); тогда Gд = G(1 +V/gt), Qкр. Σ = (Qкр + G)(1 + V/gt), Вес колонны бурильных труб определится по формуле: Qкр = α 1α 2 q. L(1 – γж/ γм) соsθср(1 + f tgθср) Скорость подъёма крюка или элеватора V определяется условиями безопасного выполнения спуско-подъёмных операций: для установок геологоразведочного бурения при длине свечи 4, 7 м V ≤ 1, 6 м/с, при большей длине свечи V ≤ 2 м/с. Полученное в результате вычислений число рабочих струн округляется в большую сторону, после чего выбирается конструкция талевой системы. Возможные схемы талевых систем буровых установок приведены на рис. 2.

Конструкцию талевой системы принято обозначать двумя цифрами , например, « 2 х 3» , « 6 х 7» и т. д. , где первая цифра указывает на количество роликов талевого блока, вторая – кронблока. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ В ВЕТВЯХ ТАЛЕВОЙ СИСТЕМЫ Натяжение в ветвях талевой системы определяется для трёх случаев: покоя (статического состояния), движения талевого блока вверх, движения талевого блока вниз. 1. В статическом состоянии все струны талевой системы равномерно нагружены силой Р = Qкр/m 2. При подъёме и спуске инструмента нагрузка между отдельными струнами будет распределяться неравномерно за счёт преодоления сопротивления в роликах при их вращении.

2. При подъёме инструмента. Рл –натяжение в лебёдо- Рл Р 1 Р 2 Р 3 …. …. Рm Рн чном конце каната; Рн – натяжение в неподвижном конце каната; Р 1, Р 2, Р 3…. , Рm - натяжения в рабочих струнах. Р 1 = Рл / β; Р 2 = Р 1 / β = Рл / β 2; Qкр. ∑ Тогда Рз = Рл / β 3 ……. . Рm= Рл /βm; Рн = Рл/βm+1 Qкр ∑ = Р 1 + Р 2 + Р 3 +. . . Рm = Рл(1/β + 1/β 2 + 1/β 3 +…. 1/βm). Выражение, заключенное в скобки, представляет собой убывающую геометрическую прогрессию, первый член которой 1/β и знаменатель также 1/β.

Решив эту прогрессию, получим: Подставив это выражение в приведенную выше формулу, получим: Анализируя полученные рабочие формулы по определению Рл и. Рн при подъёме снаряда , видим, что усилие в лебёдочном конце каната больше, чем в неподвижном.

3. При спуске инструмента происходит перераспределение усилий, при этом максимальное усилие будет иметь место в неподвижном конце каната, а минимальное – в лебёдочном конце каната, то есть: Коэффициент полезного действия талевой системы ηт определяется по формуле: ηт = Р/рл, где Р – натяжение в лебёдочном конце каната без учёта сил трения в роликах; Рл – действительное натяжение в лебёдочном конце каната при подъёме инструмента. Так как Р = Qкр. /m, ∑ то ηт определится как: а

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРУЗОПОДЪЁМНОСТИ ТАЛЕВОЙ СИСТЕМЫ Грузоподъёмность талевой системы на i-ой скорости при работе на прямом канате (без талевого блока) определяется по формуле: где Qi – грузоподъёмность талевой системы на i-ой скорости, к. Гс; N 0 – но- минальная мощность двигателя, к. Вт; Vi –линейная скорость навивки каната на барабан лебёдки на i-ой скорости, м/с; η – коэффициент полезного действия передач от вала двигателя до барабана лебёдки, η = 0, 80 - 0, 85; ηт – к. п. д. талевой системы. Грузоподъёмность многострунной талевой системы определяется по формуле: где. Vкр. i -скорость подъёма талевого блока на i-ой скорости лебёдки, м/с. Vкр. i = Vi /m, Тогда: где m –число рабочих струн талевой системы.

РАСЧЁТ ТАЛЕВОГО КАНАТА Расчёт и выбор талевого каната производится по статическому разрывному усилию Rк, определяемому по формуле: где k – запас прочности талевого каната, соответствующий требованиям техники безопасности. Для условий бурения геологоразведочных скважин на твёрдые полезные ископаемые k = 2, 5; Qл. мах – максимальное усилие, развиваемое лебёдкой на минимальной скорости навивки каната на барабан с учётом возможной перегрузки приводного двигателя, к. Гс. где N 0 – номинальная мощность силового двигателя бурового станка, к. Вт; λ – коэффициент перегрузки двигателя: для асинхронных электродвигателей λ = 1, 6 -2, 0; для ДВС λ = 1, 10 -1, 15; η – к. п. д. передач от приводного двигателя до барабана лебёдки, η = 0, 80 -0, 85; Vmin- минимальная скорость навивки каната на барабан лебёдки, м/с.

Для оснастки талевых систем выбирают канат грузового назначения марки I из светлой или оцинкованной проволоки с временным сопротивлением разрыву [σвр] = 160 – 180 к. Гс/см 2, нераскручивающиеся, крестовой свивки. Определив Rк, по таблице выбираем диаметр каната (Кирсанов А. Н. , Зиненко В. П. , Кардыш В. Г. Буровые машины и механизмы. - М. : Недра, 1981. Приложение 1, 2, стр. 445 -446). Необходимым условием нормальной эксплуатации каната является его периодическая смазка, упорядоченная навивка на барабан, отсутствие контактов с неподвижными элементами конструкции. Долговечность каната в значительной степени зависит от динамических нагрузок, поэтому разгон и, особенно, торможение инструмента должны быть плавными. На барабан лебёдки канат закрепляют с помощью устройств, предусмотренных конструкцией барабана, а с элеватором, крюком или фарштулем соединяют с помощью коуша не менее, чем тремя винтовыми зажимами. При крайнем нижнем положении элеватора на барабане лебёдки должно оставаться не менее трёх витков каната. Правилами безопасности запрещается эксплуатация канатов: с одной оборванной прядью; при числе оборванных проволок более 5 % на длине шага свивки каната диаметром до 20 мм, а каната диаметром более 20 мм – выше 10 %; вытянутых или сплющенных канатов, если их минимальный диаметр составляет 90 % и менее первоначального.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА СВЕЧЕЙ, ПОДНИМАЕМЫХ НА КАЖДОЙ СКОРОСТИ ЛЕБЁДКИ При подъёме из скважины вес колонны бурильных труб ступенчато уменьшается. Величина каждой ступени соответствует весу одной свечи. Спуск и подъём бурильной колонны в процессе сооружения скважин производится многократно, все операции повторяются систематически в строго определённой последовательности, а нагрузка на лебёдку при этом носит циклический характер. Для более полного использования установленной мощности во время подъёма колонны с переменной по величине нагрузкой привод лебёдки должен быть многоскоростным или плавнорегулируемым. При условии постоянных затрат мощности на подъём бурильных труб скорость подъёма должна повышаться после отсоединения каждой свечи. График, характеризующий такой процесс, приведен на рисунке.

Qкр, , Тс Mкр, к. Гс. м 12, 5 600 10 1 7, 5 400 5 200 2 2, 5 0 V, м/c Зависимость линейной скорости навивки каната на барабан лебёдки V от нагрузки на крюке. Qкр: 1 – теоретическая кривая при Qкр V = const; 2 – фактическая кривая при числе скоростей, равном числу свечей в колонне.

Анализ этого графика свидетельствует о том, что для обеспечения полного использования установленной мощности двигателя буровые станки со ступенчатым изменением скорости подъёма элеватора должны иметь число передач, равное числу свечей в буровом снаряде. Однако создание таких станков практически не реально. Современные буровые станки имеют, как правило, не более 6 -8 скоростей на барабан лебёдки. Поэтому силовые двигатели в промежутках между двумя соседними скоростями лебёдки работают с недогрузкой. Буровые станки с плавнорегулируемым приводом лишены этого недостатка, так как частоту вращения вала двигателя можно регулировать с точностью до 1 об/мин. Причём этот процесс можно осуществлять в автоматическом режиме. Однако и здесь могут быть ограничения, обусловленные требованиями техники безопасности (не более 1, 6 – 2 м/с для различных условий). Для определения количества свечей, поднимаемых на каждой скорости лебёдки станками с коробкой передач, необходимо знать: - скорость подъёма крюка для каждой скорости навивки каната на барабан лебёдки; - грузоподъёмность лебёдки для каждой скорости подъёма крюка; - условный вес одной свечи бурильных труб.

Скорость подъёма элеватора на i-ой скорости навивки каната на барабан лебёдки определяется по формуле: где Vкр. i – скорость подъёма крюка, м/с; Vi – скорость навивки каната на барабан лебёдки, м/с; m –число рабочих струн талевой системы. При m = 1, то есть для однострунной талевой оснастки, скорость подъёма крюка равна скорости навивки каната на барабан лебёдки Vкр. i = Vi, . Грузоподъёмность талевой системы на i-ой скорости при работе на прямом канате и для многострунных талевых систем определяется по формулам: На прямом канате Для многострунной тал. системы Условный вес одной свечи можно определить из выражения: где Qкр – нагрузка на крюке при подъёме бурильных труб из скважины, к. Гс; lсв –длина одной свечи, м; L – длина колонны бурильных труб, м.

Подъем колонны бурильных труб необходимо начинать с i-oй скорости вращения барабана лебедки, на которой грузоподъемность талевой системы Qi превышает нагрузку на крюке Qкр. , то есть должно выполняться следующее условие: Q i+1 < Q кр∑ < Q i. По мере подъема снаряда из скважины вес его ступенчато уменьшается. После того, как вес снаряда снизится до величины Qкр меньшей грузоподъемности талевой системы на следую-щей скорости лебедки Q i+1, подъем снаряда необходимо (мож-но) продолжить на скорости V i+1, то есть выполняется условие: Q i+2 < Q кр < Q i+1 и т. д. Для выбора i-ой скорости лебедки необходимо вначале определить скорости подъема элеватора и грузоподъемность выбранной талевой системы на всех скоростях вращения барабана лебедки конкретного бурового станка, то есть: V кр. 1, V кр. 2, V кр. 3, …. . V кр. n; Q 1, Q 2, Q 3 ……Qn. Здесь V кр. n и Qn соответственно скорость подъема крюка и грузоподъемность талевой системы на конечной скорости вращения барабана ∑

При расчете необходимо помнить, что для условий бурения геологоразведочных скважин согласно правилам техники безопасности скорость подъема снаряда при длине свечи до 4, 7 м не должна превышать 1, 6 м/с, а при большей длине свечи - 2, 0 м/с (ГОСТ 7959 -74). Выбрав необходимую скорость лебедки для начала подъема по грузоподъемности талевой системы (это может быть или I, или II, или Ш и т. д. скорость), определяем количество свечей, поднимаемых на этой и последующих скоростях лебедки по формулам: где zn - количество свечей, поднимаемых на очередной скорости лебедки, обеспечивающей полный подъем оставшегося в скважине снаряда с весом Qn. Завершить расчет необходимо проверкой, сравнив количество свечей, вычисленное по формулам, с фактическим количеством свечей. Zi + Z i+1 + Z i+2 + Z i+3 + ……. Z n = L/ℓсв , где L - полная длина бурового снаряда, м; ℓсв – длина одной свечи, м.