Содержание к диссертации
Введение
2. Современное состояние динамики вышечных подъемников .. 7
2.1. Основные методы монтажа буровых вышек 7
2.2. Обзор работ по динамике подъемных систем буровых установок, механизмов подъема вышек и вышечных подъемников 10
2.3. Обоснование постановки задачи исследования 15
3. Собственные колебания вышечных подъемников 18
3.1. Исходные положения 18
3.2. Собственные колебания подъемной системы без учета податливости стоек неподвижной части подъемника 25
3.3. Собственные колебания подъемной системы с учетом податливости стоек неподвижной части подъемника. 34
3.4. Собственные колебания подъемной системы с учетом продольных и поперечных колебаний вышки 52
4. Динамика пуска привода вышечных подъемников 55
4.1. Общие замечания 55
4.2. Исследование динамики подъемников при пуске приводного механизма 55
4.2.1. Подъем подвешенных секций собираемой вышки... 55
4.2.2. Подъем секций собираемой вышки с поверхности земли или основания 66
4.3. Исследование влияния перекоса вышки на динамику пуска привода 74
5. Экспериментальное определение влияния основных факторов на динамику вышечных подъемников 86
5.1. Краткое описание конструкции экспериментальной установки 86
5.2. Методика экспериментальных исследований, регистрирующая и измерительная аппаратура. 89
5.3. Влияние положения осей несущих труб на динамику вышечного подъемника при различных режимах наг-ружения 101
5.4. Влияние способов крепления неподвижных концов канатов на равномерность распределения нагрузки между полиспастами 116
5.5. Определение динамических нагрузок в подъемных канатах при упругом закреплении направляющих блоков полиспастной системы 119
5.6. Исследование динамики подъема при упругом опираний несущих балок 124
5.7. Исследование влияния скорости подъема на характер переходного процесса 134
5.8. Сравнение результатов экспериментальных и теоретических исследований 137
6. Совершенствование подъемников для сборки вышек 140
6.1. Разработка рациональных конструкций и способов монтажа подъемников 140
6.2. Разработка привода подъемника для сборки вышек.. 145
6.3. Разработка устройств, уменьшающих динамические нагрузки в элементах подъемников 151
7. Основные выводы 161
Литература 164
Приложения 176
- Обзор работ по динамике подъемных систем буровых установок, механизмов подъема вышек и вышечных подъемников
- Собственные колебания подъемной системы без учета податливости стоек неподвижной части подъемника
- Собственные колебания подъемной системы с учетом продольных и поперечных колебаний вышки
- Исследование динамики подъемников при пуске приводного механизма
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года", принятых на ХХП съезде КПСС, предусмотрено довести добычу нефти /с газовым конденсатом/ в 1985 году до 620-645 млн. т и природного газа - до 600-640 млрд. м3.
Для достижения намеченных рубежей необходимо постоянно совершенствовать техническую оснащенность геологоразведочных работ, создавать и внедрять в производство новое высокопроизводительное буровое оборудование.
Одним из путей сокращения сроков строительства нефтяных и газовых скважин является совершенствование методов сборки и монтажа буровых вышек. Для проводки глубоких и сверхглубоких скважин буровые установки комплектуются, как правило, башенными вышками. Трудоемкость монтажа этих сооружений требует создания высокопроизводительных вышечных подъемников.
К недостаткам существующих подъемных устройств указанного типа необходимо отнести их низкую монтаже способность, большие массу и габариты, использование во многих случаях тракторной тяги. Выполняемые в настоящее время расчеты подъемников учитывают только статические нагрузки. Невысокая точность таких расчетов препятствует рациональному проектированию несущих элементов и приводных механизмов, приводит к необоснованному завышению коэффициентов запаса прочности, увеличению металлоемкости конструкций.
Механические колебания, возникающие при работе вышечных подъемников, в значительной степени влияют на нагрузки в ответственных узлах, надежность и долговечность устройств. Это обусловливает необходимость учета динамики нагружения при проектировании и обосновании режимов эксплуатации подъемников. Поэтому разработка общей методики динамического расчета устройств для подъема и монтажа ба -5 шенных буровых вышек, позволяющей получить универсальные алгоритмы анализа колебательных процессов с достаточной для практических целей точностью, является актуальной задачей.
Целью работы является анализ динамики нагружения подъемников для сборки башенных вышек; разработка и обоснование практических рекомендаций, направленных на совершенствование конструкций подъемников и повышение эффективности вышкомонтажных работ.
В настоящей работе ставятся следующие основные задачи. Составление математических моделей для проведения анализа свободных и вынужденных колебаний вышечных подъемников.
Исследование влияния способов подъема сооружения, конструктивных, инерционных и жесткостных параметров элементов подъемника и поднимаемой вышки на колебательные явления в раосматриваемой механической системе.
Создание физической модели вышечного подъемника, экспериментальное исследование динамики пуска подъемного механизма, проверка достоверности результатов теоретических исследований.
Разработка и обоснование практических рекомендаций, направленных на совершенствование конструкций подъемников и улучшение условий их эксплуатации.
В диссертационной работе предложена методика определения собственных частот и форм колебаний вышечного подъемника и собираемой вышки с учетом особенностей используемого привода, упруго-диссипативных свойств податливых элементов системы, взаимосвязи продольных и поперечных колебаний рассматриваемого в виде звена с распределенными параметрами высотного сооружения.
Осуществлено математическое моделирование пусковых режимов работы подъемника при подъеме подвешенной конструкции вышки и установленной на поверхности земли или на основании. Анализ производится с учетом динамических характеристик приводных двигателей.
Определено влияние электромагнитных переходных процессов в приводе на динамику нагружения механической системы. Рассмотрены колебательные явления, обусловленные перекосом вышки.
Предложены и защищены авторскими свидетельствами новые конструкции вышечных подъемников и их узлов.
Предложенные методики анализа колебательных явлений дают возможность определять динамические нагрузки в конструктивных элементах подъемных устройств и вышек при монтаже буровых установок. Разработанные алгоритмы и программы расчета позволяют автоматизировать вычислительные процессы с помощью современных ЭВМ. На основе результатов исследований даны практические рекомендации по расчету и проектированию вышечных подъемников. Предложенные конструкции подъемников и их узлов, а также способы сборки вышек создают условия для механизации и существенного облегчения вышкомонтажных работ, значительного сокращения сроков сооружения буровых установок.
Работа выполнена на кафедре "Детали машин" Львовского ордена Ленина политехнического института имени Ленинского комсомола и в лаборатории вышкостроения и механизации буровых работ Полтавского отделения Украинского научно-исследовательского геологоразведочного института.
Обзор работ по динамике подъемных систем буровых установок, механизмов подъема вышек и вышечных подъемников
В процессе создания новых машин, а также совершенствования существующих возникает необходимость уточнения методов их расчета, что неразрывно связано с исследованиями динамических явлений.
Работа большинства машин сопровождается изменением движущих сил и сил сопротивления. Переменный характер нагрузок, действующих на упругую систему, приводит к колебаниям усилий и деформаций в её отдельных элементах. В настоящее время разработан общий подход к исследованиям динамики машин. В большинстве случаев при проведении исследований реальная машина рассматривается как механическая система, состоящая из сосредоточенных и распределенных масс, соединенных упругими звеньями [18,23,28,30,36,60,61,63,71,87,98, 109,117]. На основе теории механических колебаний развиваются исследования конкретных машин с учетом их конструктивных особенностей и режимов эксплуатации. Здесь необходимо отметить работы по динамике грузоподъемных и горных машин [25, 32, 33, 35, 38, 64, 81, 123, 124, 126, 127), шахтных подъемников [108, 118], машинных агрегатов [21, 22, 37], электромеханических систем [24,55,119] и др.
За последний период большое количество работ посвящено изучению динамики буровых установок, что связано с требованиями повышения их производительности, увеличением скоростей, как. при бурении, так и при монтаже и подъеме вышек, из которых необходимо отметить следующие [3,4,14,17,26,40,44,45,46,67,77, 94,103] .
Следует выделить работы [80,99,100] , связанные с расчетом на прочность канатов, бурильных и обсадных труб. Заслуживают внимания работы В.И.Тарасевича [110,111,112] по экспериментальному определению динамических усилий в талевом канате буровых установок. Автором в производственных условиях проведены исследования подъемной части буровых установок, целью которых являлось определение характера изменения нагрузки на талевую систему при подъеме бурового инструмента в нормальных и осложненных условиях. В частности установлено, что при подъеме бурильного инструмента в скважинах, где наблюдаются так называемые "затяжки", нагрузка на талевую систему возрастает на 50-60 % по сравнению со статической. Отмечено также некоторое увеличение нагрузки в момент начала подъема. Й.Г.Узумовым [115] предпринята попытка теоретической оценки динамической составляющей нагрузки на верхнем конце инструмента с учетом волновых явлений. Автор исходит из предпосылки, что максимальная нагрузка возникает в момент ускоренного подъема инструмента. Д.Н.Махмудовым и Ф.Ю.Зейналовым [77] выполнены экспериментальные исследования осевых усилий, возникающих на крюке, при подъеме бурильной колонны из глубокой наклонной скважины. Авторами изучались только статические нагрузки и сделан вывод, что возникающие в процессе подъема инструмента нагрузки могут достигать значительной величины. Из работ, посвященных изучению динамики буровых установок, следует также выделить работы Г.Н.Бержеца и С.И.Ефимченко [16] , А.Л.Ильского и И.Влада [39,40] , К.Н.Кулизаде, А.А.Саидова и П.Ф.Квокова [68] , И.Ф.Пономарева [86] , В.Г.Юртаева [122] , В.Л.Архангельского [і] , А.М.Ашавского и 0.А.Сотникова [5] , В.Н.Марченко [76] . Колебания вышек под нагрузкой изучались теоретически и экспериментально С.Г.Калининым [44,45,46,54] , В.И.Тарасовичем [110,111] , К.И.Архиповым [3,4] , Г.Н.Бержецем [15,17] , Ю.В.Мироновым [78,79] , А.Кристом [125] и рядом других. Всестороннее теоретическое рассмотрение динамики нагру-жения буровых вышек произведено С.Г.Калининым [44] . В цитируемой работе автором рассмотрена динамика нагружения буровой вышки при подъеме колонны постоянного сечения, определены деформации и нагрузки на вышку при подъеме многоступенчатой бурильной колонны, а также получены зависимости для определения собственных и вынужденных колебаний буровых вышек. С.Г.Калининым выполнены комплексные исследования динамики подъемной системы буровых установок. Получены зависимости для определения динамических деформаций и нагрузок в отдельных сечениях талевого каната, бурильной колонны и буровой вышки с учетом механических характеристик подъемных двигателей, масс привода и подъемного механизма. Работы Ф.М.Гаджиева [26] , И.М.Гаджиева [27] , Д.Н.Поляче-ка [85] посвящены исследованию поперечных колебаний буровых вышек в процессе бурения скважин. В первых двух работах авторы рассматривают колебания вышек на морских основаниях.
Собственные колебания подъемной системы без учета податливости стоек неподвижной части подъемника
В настоящее время при расчетах вышечных подъемников на статическую и усталостную прочность динамические характеристики конструкций не учитываются. Однако, несущую способность подъемников можно повысить, если при их проектировании выполнять динамические расчеты. Определение частот и форм собственных колебаний элементов конструкций подъемников позволяет избежать резонансных режимов работы сооружений, способствует всестороннему анализу вынужденных колебаний подъемной системы, является необходимым условием проведения расчетов на долговечность. Характеристики свободных колебаний могут быть использованы как в целях рационального проектирования, так и при обосновании эксплуатационных режимов вышечных подъемников.
Анализ частотного спектра и форм свободных колебаний механической системы создает определенные возможности рационального выбора допущений при разработке математической модели переходного процесса.
В [25,59,63,106,117] и др. установлено, что во многих задачах динамики сооружений главенствующее значение имеет частота основного тона собственных колебаний. Так несмотря на то, что реальная система подъемного устройства обладает бесконечным числом степеней свободы, для большинства инженерных задач существенное значение имеет основная частота колебаний. С увеличением порядковых номеров собственных частот роль соответствующих им гармоник колебательного процесса уменьшается.
Как уже отмечалось, современные вышечные подъемники представляют собой упругую многомассовую систему, обладающую бесконечным числом степеней свободы. В этой системе можно выделить наиболее характерные элементы. К ним относятся секции и кронблок вышки, подвижная часть подъемника /несущие балки и трубы/, канаты полиспастов, неподвижная часть подъемника /стойки, кронблоки полиспастов и пояса/и привод.
Если не учитывать податливость стоек неподвижной части подъемника, поскольку они обладают большой жесткостью по сравнению с канатами полиспастов, несущими трубами и балками, расчетную схему подъемника можно представить в виде пятимассовой упругой системы/рис32
На приведенной расчетной схеме /рис.3.2. а/ показан подъем секций вышки с помощью трактора-тягача. В этом случае мы имеем значительную сосредоточенную массу привода, которая связана с подъемником четырьмя канатами полиспастов. Поэтому с достаточной для практики точностью можно полагать, что масса привода движется только поступательно без колебаний в связи с чем принимаем канат в месте прикрепления к тяговому устройству защемленным.
Такое допущение можно принять еще и на основании того, что для реальных подъемников величина указанной приведенной массы привода значительно превышает суммарную массу поднимаемого груза. На рассмотренной схеме /рис.3.2 б/ показан подъем секций вышки с помощью электропривода. Секции вышки и канат, имеющие большие продольные размеры и незначительные жесткости, представлены на расчетных схемах, как звенья с распределенными массами, а элементы вращающихся частей привода, подвижной части подъемника и кронблока вышки, обладающие значительными жесткостями и небольшими длинами, - как звенья с сосредоточенными массами. На расчетных схемах /см.рис.3.2 а и б/ приняты следующие обозначения: /77/ - приведенная масса вращающихся частей привода; /772 " масса подвижной части вышечного подъемника; /77з - масса кронблока вышки; ҐПв и /У)к - распределенные массы собранных секций буровой вышки и канатов; CCi , ЗС& - координаты отсчета; // - приведенная длина талевых канатов; & - высота собранных секций буровой вышки. Решение сводится к рассмотрению колебаний упругой системы при определенных краевых условиях задачи.
Собственные колебания подъемной системы с учетом продольных и поперечных колебаний вышки
Проведенные расчеты позволили установить зависимость частоты продольных и поперечных колебаний системы с учетом распределенной массы вышки от ее высоты, На рис. 3.7 показана зависимость низших частот колебаний системы от высоты вышки. Из рисунка видно, что в этом случае также высота вышки существенно влияет на частоту продольных и поперечных колебаний. При уменьшении высоты интенсивность нарастания частот также увеличивается. Полученные частоты для систем, изображенных на рис. 3.6 /and приведены в табл. 3.10 и при разных углах наклона вышки в пределах 0-Ю практически не отличаются между собой. Этим объясняется то, что изменение угла наклона поднимаемой конструкции в пределах 0-10 не оказывает существенного влияния на собственную частоту при учете продольных и поперечных колебаний. Анализ расчетных схем /рис.3.2, 3.4, 3.6/ показал, что схема /рис.3.4/ предпочтительнее схемы /рис.3.2/, так как имеет меньшее число масс с распределенными параметрами и учитывает податливость несущих труб подъемника. Вычисленные значения собственных частот системы подъема вышки с учетом продольных и поперечных колебаний /рис.3.6/ показывают, что учет поперечных колебаний наряду с продольными дает возможность определить, по сравнению с первой расчетной схемой /рис. 3.2/, три низших частот /рис.3.7/ .
Полученные частоты собственных колебаний подъемников могут быть использованы при составлении уравнений динамики и определения динамических нагрузок в элементах их конструкций. Переходные процессы, имеющие место при работе приводных механизмов подъемников, в значительной степени определяют динамические нагрузки в элементах рассматриваемых систем. На динамику процессов пуска и остановки существенно влияют инерционные и жесткостные параметры элементов. Пуск и остановка привода вышечного подъемника могут производиться при подвешенных секциях собираемой вышки или при их расположении на поверхности земли (основании).
В первом случае с момента включения двигателя движение осуществляют все элементы приводного механизма (системы). Во втором случае процесс пуска может быть рассмотрен в три этапа: движение узлов привода, в результате чего происходит выборка слабины канатов; натяжение канатов полиспастных систем, при котором силы упругости канатов достигают величины уравновешивающей силы поднимаемых частей; отрыв несущих балок подъемника с установленными конструкциями от поверхности земли. При рассмотрении динамических явлений, возникающих во время пуска привода подъемника при подвешенных секциях собираемой вышки за основной случай условий нагружения подъемной системы примем пуск в сторону подъема секций. Расчетная схема представлена на рис. 4.1, где fTJf - приведенная масса ведущей части привода; /% - ведомая масса, состоящая из секций собираемой вышки и подвижной части вышечного подъемника /несущих труб и балок с талевыми блоками/; Сни -жесткость талевых канатов. Приведение всех масс подъемной системы, жесткостей упругих звеньев, а также сил производим к грузу /к секциям вышки/.
Исследование динамики подъемников при пуске приводного механизма
Проведенные расчеты позволили установить зависимость частоты продольных и поперечных колебаний системы с учетом распределенной массы вышки от ее высоты, На рис. 3.7 показана зависимость низших частот колебаний системы от высоты вышки. Из рисунка видно, что в этом случае также высота вышки существенно влияет на частоту продольных и поперечных колебаний.
При уменьшении высоты интенсивность нарастания частот также увеличивается. Полученные частоты для систем, изображенных на рис. 3.6 /and приведены в табл. 3.10 и при разных углах наклона вышки в пределах 0-Ю практически не отличаются между собой. Этим объясняется то, что изменение угла наклона поднимаемой конструкции в пределах 0-10 не оказывает существенного влияния на собственную частоту при учете продольных и поперечных колебаний. Анализ расчетных схем /рис.3.2, 3.4, 3.6/ показал, что схема /рис.3.4/ предпочтительнее схемы /рис.3.2/, так как имеет меньшее число масс с распределенными параметрами и учитывает податливость несущих труб подъемника. Вычисленные значения собственных частот системы подъема вышки с учетом продольных и поперечных колебаний /рис.3.6/ показывают, что учет поперечных колебаний наряду с продольными дает возможность определить, по сравнению с первой расчетной схемой /рис. 3.2/, три низших частот /рис.3.7/ . Полученные частоты собственных колебаний подъемников могут быть использованы при составлении уравнений динамики и определения динамических нагрузок в элементах их конструкций. Переходные процессы, имеющие место при работе приводных механизмов подъемников, в значительной степени определяют динамические нагрузки в элементах рассматриваемых систем.
На динамику процессов пуска и остановки существенно влияют инерционные и жесткостные параметры элементов. Пуск и остановка привода вышечного подъемника могут производиться при подвешенных секциях собираемой вышки или при их расположении на поверхности земли (основании). В первом случае с момента включения двигателя движение осуществляют все элементы приводного механизма (системы). Во втором случае процесс пуска может быть рассмотрен в три этапа: движение узлов привода, в результате чего происходит выборка слабины канатов; натяжение канатов полиспастных систем, при котором силы упругости канатов достигают величины уравновешивающей силы поднимаемых частей; отрыв несущих балок подъемника с установленными конструкциями от поверхности земли. При рассмотрении динамических явлений, возникающих во время пуска привода подъемника при подвешенных секциях собираемой вышки за основной случай условий нагружения подъемной системы примем пуск в сторону подъема секций. Расчетная схема представлена на рис. 4.1, где fTJf - приведенная масса ведущей части привода; /% - ведомая масса, состоящая из секций собираемой вышки и подвижной части вышечного подъемника /несущих труб и балок с талевыми блоками/; Сни -жесткость талевых канатов.
Приведение всех масс подъемной системы, жесткостей упругих звеньев, а также сил производим к грузу /к секциям вышки/. Уравнения движения запишем в следующем виде где Л1, Л2 - перемещения масс tiff и // в направле нии действия подъемной силы; 1 2 - вес секций собираемой вышки и подвижной части подъемника; Сп - приведенная жест кость канатов полиспастов; Сп Скни ; Скн - жесткость кана тов; I/ - кратность полиспаста; CL- "Тег ; Ир - переда точное число редуктора; - Радиус барабана привода; - коэффициент характеризующий затухания; До,п 1, пг. постоянные электродвигателя. Значения постоянных определяются выражениями: где " /тк - критический момент двигателя; fix - критичес- кое скольжение ротора; (J)Q - синхронная угловая скорость двигателя; t - время. Для аналитического описания реостатного пуска электродвигателя воспользуемся уравнением А.2/. Пределы использования уравнения А »2/ ограничиваются значениями момента [57] : Начальные условия представим в виде Для удобства решения на ЭЦВМ ВК СМ-2 системы уравнений методом Рунге-Кутта приводим ее к следующему виду: = % На алгоритмическом языке ФОРТРАН составлена программа "ПОДЪЕМ", текст которой приведен в приложении 12. Решение системы уравнений А.5/ производим для вышечного подъемника ПВ5-60 с электроприводом и буровой вышки ВБ53-300, имеющих параметры, приведенные в табл.4.I. лиспастов. Построенный по выполненным расчетам график угловой скорости барабана электролебедки в функции времени /рис.4.2/ показывает, что разгон привода длится около 1,5 с от момента его включения. Максимального значения угловая скорость барабана электролебедки достигает при =0,12 с от начала пуска. При достижении 1,4 с угловая скорость практически устанавливается постоянной. Угловая скорость барабана подъемной лебедки определяется по формуле Изменение скорости подъема секций вышки и подвижной части подъемника показано на рис. 4.3. Максимальное значение скорости подъема наступает через 0,14 с от начала пуска. Усилия в подъемных канатах по вычисленным параметрам определяются по формуле График изменения усилия в подъемном канате показан на рис.4.4. Максимального значения усилие достигает при t =0,25 с от начала пуска во второй полуволне колебаний системы. На рис.4.4 и 4.2 показаны перемещения секций вышки с подвижной частью подъемника и барабана электролебедки. Угловое перемещение барабана подъемной лебедки определяется по формуле Из приведенных графиков видно, что пуск привода сопровождается периодическим колебательным движением.
