Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задач исследования 8
1.1. Объект исследования - буровые установки 8
1.2. Системы верхнего привода 11
1.3. Конструкции лебедок и особенности рабочего процесса спуско-подъемного комплекса 13
1.4. Методики расчета параметров СПК 16
1.5. Постановка задач исследования 17
Глава 2. Исследование рабочего процесса системы верхнего привода 18
2.1. Описание объекта исследований 18
2.2. Разработка устройства для проведения исследований 19
2.3. Проведение измерений 21
Выводы 24
Глава 3. Разработка методики расчета основных параметров СВП и системы гашения динамических колебаний 25
3.1. Алгоритм подбора СВП к буровому станку 25
3.2. Расчет частоты собственных колебаний 2 8
3.3. Методика формирования конструктивного исполнения СВП 33
3.4. Анализ влияния неподвижной части СВП на металлоконструкцию мачты 42
Выводы 49
Глава 4. Разработка методики расчета параметров спуско-подъемных комплексов буровых установок
4.1. Назначение разрабатываемой методики 50
4.2. Особенности работы СПК и решение дифференциальных уравнений на ЭВМ
4.3 Допущения, примененные в разрабатываемой методике 51
4.4. Построение методики 52
4.5. Расчетная схема 55
4.6. Приведение параметров СПК для расчетной схемы 57
4.7. Методика расчета основных параметров СПК 66
4.8. Разработка модели для расчета продолжительности операции 66
4.9. Разработка модели расчета коэффициента загрузки привода и параметров статической характеристики 92
4.10. Модель рабочего процесса СПК 95
4.11. Модель процесса использования механических тормозов при спуске бурильной колонны 96
4.12. Алгоритм имитационной модели рабочего процесса СПК 98
Выводы 98
Глава 5. Исследования влияния параметров на основные показатели спуско-подъемных комплексов 100
5.1. Анализ массовых характеристик СПК 100
5.2. Исследования с помощью разработанной модели и анализ полученных результатов 102
5.3. Выводы и рекомендации по совершенствованию буровых установок 114
Заключение 116
Библиографический список 118
- Конструкции лебедок и особенности рабочего процесса спуско-подъемного комплекса
- Разработка устройства для проведения исследований
- Методика формирования конструктивного исполнения СВП
- Допущения, примененные в разрабатываемой методике
Введение к работе
Актуальность темы. В горной промышленности для водоотлива на карьерах и шахтах, для дегазации угольных пластов требуется бурить глубокие скважины. Для бурения таких скважин применяются тяжелые буровые установки (БУ), аналогичные тем, которые используются для проходки нефтяных и газовых скважин. При дегазации требуется создавать наклонные и горизонтальные скважины, эффективное проведение которых возможно только с использованием силового верхнего привода (СВП). По сравнению с установками, имеющими роторы, БУ с силовым верхним приводом обладают рядом преимуществ. Буровые установки для строительства скважин на горных предприятиях работают в условиях, существенно отличающихся от условий при строительстве нефтяных скважин. Так, глубины проходки скважин в условиях горных предприятий обычно меньше, поэтому и нагрузки на крюке меньше. Такие отличия должны учитываться при задании значений параметров основных систем БУ. В некоторых случаях для создания дегазационных скважин используются установки, которые были созданы для нефтяной промышленности и длительное время эксплуатировались там. Для таких случаев требуется оперативно определять настроечные параметры системы верхнего привода и спуско-подъемного комплекса. Таким образом, необходима методика, которая позволяла бы для конкретных условий эксплуатации определять требуемые параметры установки.
Установка предлагаемых фирмами - разработчиками систем верхнего привода на новых и на модернизированных существующих буровых установках выявила значительные колебания верхнего привода. Повышенные колебания приводят к преждевременному выходу из строя отдельных узлов, то есть понижается эффективность установок. В некоторых случаях приходилось останавливать работу и вносить дополнительные элементы в конструкцию СВП, причем параметры таких элементов зависят от БУ. Поэтому требуется проведение специальных исследований работы СВП, разработка методики проектирования конструкций СВП и расчета их параметров.
В процессе анализа работы действующих БУ выявилось еще несколько причин, приводящих к понижению эффективности. Так, в некоторых случаях не полностью используются возможности установленного привода, двигатели развивают меньший движущий момент, чем могли бы при точном определении возможных значений параметров. Это приводит к замедлению разгона и торможения, увеличению времени цикла и понижению производительности. Кроме того, возрастает износ канатов талевой системы, когда канат теряет первоначальную круглую форму поперечного сечения, принимая овальное сечение («сминается»). Исключив вышеуказанные недостатки, можно повысить надежность установки, уменьшить эксплуатационные затраты, то есть повысить эффективность работы БУ.
Повышение эффективности работы БУ является актуальной научно-технической задачей, отвечающей потребностям горного производства.
Объект исследования. Буровые установки для эксплуатационного и глубокого разведочного бурения.
Предмет исследования - обоснование конструктивных и режимных параметров оборудования для буровых установок эксплуатационного и глубокого разведочного бурения.
Цель работы. Повышение эффективности работы буровых установок за счет совершенствования систем верхнего привода и спуско-подъемного комплекса.
Идея работы, заключается в повышении надежности и производительности за счет улучшения конструкции СВП и СПК.
Увеличение надежности СВП достигается исключением повышенных колебаний в процессе работы верхнего привода. Появление значительных колебаний вызвано явлением резонанса - совпадением частот собственных колебаний с частотами вынужденных. При проектировании СВП прорабатывается несколько вариантов конструкций и несколько вариантов исполнения сечений элементов каждой конструкции. Для каждого варианта определяют ся частоты собственных колебаний, и выбирается рациональный вариант, обладающий наименьшей массой и частотами, отличающимися от вынужденных.
Повышение производительности и надежности спуско-подъемного комплекса достигается изменением конструкций отдельных элементов и заданием рациональных параметров приводу и элементам механизма.
Методы исследований включают обобщение и анализ литературных источников, теоретические и экспериментальные методы исследования, базирующиеся на законах физики и механики.
Научные положения, выносимые на защиту:
- при разработке конструкции устройства системы верхнего привода необходимо учитывать его динамические характеристики;
- методика расчета параметров спуско-подъемного комплекса буровой установки должна основываться на имитационных моделях рабочего процесса.
Научная новизна работы
Разработана и апробирована методика расчета основных параметров системы силового верхнего привода и системы гашения динамических колебаний.
Разработан алгоритм подбора системы силового верхнего привода с оптимальными соотношениями параметров к буровой установке.
Разработана методика расчета параметров спуско-подъемного комплекса буровой установки, основанная на использовании имитационной модели рабочего процесса.
Практическая ценность работы: разработаны методики проектирования и расчета параметров системы верхнего привода и спуско-подъемного комплекса.
Методика проектирования и расчета параметров системы верхнего привода позволяет получать конструкцию наименьшей массы и в то же время не приводящую к появлению значительных колебаний. Исключение колеба ний снижает нагрузку на металлоконструкции, за счет чего повышается надежность. Разработанная конструкция внедрена на буровой установке «Урал-маш 3900/225» (заводской № 14700).
Методика расчета параметров СПК позволяет проводить исследования влияния значений параметров электромеханической системы на его основную функцию - обеспечение спуска буровой колонны в скважину и ее подъема, определять время отдельной операции наращивания колонны в процессе бурения, а также полное время сборки и разборки колонны.
В результате проведенных исследований разработаны предложения по улучшению конструкций.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием апробированных методов теоретической механики; использованием для анализа сертифицированного пакета расчета напряженно-деформированного состояния трехмерных конструкций Structure-3D; достаточным и статистически обоснованным объемом и представительностью выполненных экспериментов; удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Реализация результатов работы. Разработанная конструкция системы верхнего привода с рациональными параметрами внедрена в 2006 году на установке «Уралмаш 3900/225 ЭК-БМ».
Апробация работы. Основные положения и содержание работы доложены и обсуждены: на международных научных симпозиумах «Неделя Горняка» - в 2006, 2007 гг. (г. Москва, МГТУ), на международной научно-технической конференции «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности. Чтения памяти В. Р. Кубачека» - в 2005, 2006, 2008 гг. (г. Екатеринбург, УГГУ).
Личный вклад автора заключается:
- в разработке методики расчета параметров системы гашения динамических колебаний силового верхнего привода; - в разработке методики расчета параметров спуско-подъемного комплекса буровой установки;
- в разработке алгоритма подбора системы силового верхнего привода с оптимальными соотношениями параметров к буровой установке.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 научных статей, в том числе 2 в ведущих рецензируемых научных журналах из Перечня рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений. Содержание работы изложено на 157 страницах машинописного текста, включает 40 рисунков и 16 таблиц. Библиографический список содержит 105 наименований.
Конструкции лебедок и особенности рабочего процесса спуско-подъемного комплекса
Буровая лебедка - основной агрегат спуско-подъёмного комплекса буровой установки /15-17, 89, 91, 93, 94/. Она выполняет следующие операции: спуск и подъем буровых и обсадных труб; удержание колонны труб на весу в процессе бурения; ликвидация аварий и осложнений; подъём и спуск буровой мачты при монтаже-демонтаже станка; различные вспомогательные работы.
Особенность рабочего процесса подъемного механизма заключается в существенном изменении концевой нагрузки по мере углубления скважины /32, 33, 66, 74-78, 98, 99/. Причем максимальная расчетная нагрузка, на которую рассчитывается мачта, реализуется только при аварийных режимах («прихват» колонны) или опускании обсадных труб. Обычная рабочая нагрузка, связанная с опусканием и подъемом бурильной колонны максимальной длины, обычно не превышает 0,6 максимальной нагрузки. Эта особенность изменения нагрузки должна учитываться при формировании конструктивной схемы механизма.
В процессе работы привод лебедки должен обеспечивать регулирование скорости. Скорость крюка при подъеме максимального веса составляет vK = 0,3..0,5 м/с, а ненагруженного элеватора — vK=l,5..1,7 м/с. Для плавного регулирования скорости начинают применяться приводы с частотным регулированием. При таком варианте стоимость преобразователя значительно превышает стоимость двигателя, поэтому стараются обеспечивать полное использование мощности преобразователя. Последнее обеспечивается регулированием скорости по закону постоянства мощности.
На большинстве установок для торможения при опускании труб и при удержании их в процессе бурения используются механические тормоза, но в последнее время на установках применяется также и торможение приводным электродвигателем. При торможении электродвигателем уменьшаются затраты энергии и расходы на обслуживание тормозных устройств.
Чем больше расчетная глубина бурения, тем в большей степени изменяется вес колонны в течение бурения скважины и в процессе каждого подъема и спуска. Поэтому лебедки должны быть многоскоростными.
При выборе двухскоростной (и более) лебедки для реализации максимальных нагрузок используют повышенное передаточное число, а при обычной нагрузке — пониженное передаточное отношение. При пониженном передаточном отношении обеспечивается требуемая «быстрая» скорость перемещения бурильной колонны (1,5...1,7 м/с). С учетом того, что обычная рабочая нагрузка существенно меньше максимальной, это позволяет уменьшить требуемую мощность привода и, соответственно, стоимость лебедки.
Привод подъемной лебедки должен обеспечивать: реверсирование скорости вращения вала двигателя; плавное регулирование скорости вращения вала двигателя от нуля до максимально допустимого; ограничение скорости при опускании бурильной колонны; защиту от перегрузок путем уменьшения скорости до нуля при превышении момента на валу выше допустимого.
Перечисленные требования реализуются применением в приводе: электродвигателей постоянного тока с преобразователями, обеспечивающими изменение напряжения; электродвигателей переменного тока с частотным регулированием; гидродвигателей с регулируемыми насосами. Эти требования в полной мере были реализованы фирмой «Уралмаш-НГО» («ОМЗ-МНП») в 1997-2002 годах в буровых лебедках серии ЭТ с быстроходным электроприводом для буровых установок «Уралмаш-3000 ЭУК-ЗМА». В этих лебедках впервые электропривод постоянного тока стал управляться в четырех квадрантах, обеспечивая помимо подъёма, регулируемый спуск до полной остановки, торможение при спуске и подъёме. Привод впервые стал выполнять функцию регулятора подачи долота и аварийного подъёма, работая от дизельной электростанции небольшой мощности. Электромагнитный тормоз и шинно-пневматические муфты были исключены. В лебедках впервые применена зубчатая двухскоростная трансмиссия, что в сравнении с применяемыми ранее цепными четырехскоростными трансмиссиями стало крупным шагом в упрощении механической части лебедки. Особенности рабочего процесса подъемной лебедки Рабочий процесс лебедки при подъеме бурильной колонны из скважины включает: подъем бурильной колонны на длину свечи; развинчивание и установка свечи в свечеприемник; опускание порожнего крюкоблока; завинчивание. Рабочий процесс при опускании бурильной колонны в скважину включает: опускание бурильной колонны на длину свечи; развинчивание; подъем порожнего крюкоблока; установка свечи из свечеприемника и завинчивание. При подъеме и опускании скорость двигателя и его движущий момент меняется в широких пределах от нуля до максимальных значений. Продолжительность подъема бурильной колонны на длину свечи составляет 25...30 с, а опускание порожнего крюкоблока 15... 18 с. Движущий момент на валу двигателя, соответствующий нагрузке, при подъеме колонны значительно больше момента при опускании порожнего крюкоблока и, наоборот, при опускании в скважину бурильной колонны момент больше. 1.4. Методики расчета параметров СПК
В большинстве случаев выполненные исследования в области создания методик расчета параметров спуско-подъемных комплексов (СПК) носят либо частный характер, т.е. по данным исследованиям анализируется влияние разрозненных факторов на процессы при спуско-подъемных операциях (СПО), либо рекомендуются упрощенные методы расчета процесса подъема бурильных труб, применение которых возможно при определенных допущениях. Исследованию различных факторов (вид и мощность привода, скорость подъема, длина свечи, нагрузка на крюке, КПД и инерционность системы в целом), влияющих в отдельности на машинное время tM и степень неполноты тахограммы при подъеме колонны бурильных труб, посвящены работы Архангельского В. Л., Моцехейна Б. И., Авакова А. В., Тарасевича В. И., Вир-новского А. С. и др. Недостатком этих работ является невозможность их использования на стадии проектирования с целью оптимизации параметров СПК и сравнительной оценки эффективности применяемых конструкторских решений.
Во всех случаях до настоящего времени отсутствует методика сравнительной оценки процессов СПК БУ при СПО, в которой были бы учтены динамические характеристики привода, инерционность элементов системы, КПД, совершенство кинематической схемы и т.п.
Разработка устройства для проведения исследований
Диагностический комплекс (рис. 2.2) состоит из трех основных частей: направляющая с датчиками, контроллер и запоминающее устройство. На направляющей закреплены датчики ускорения, предназначенные для измерения ускорений по одной оси. Достаточно проводить замеры только по одной оси, так как колебания по другой несущественны.
Диагностический комплекс крепится непосредственно на систему верхнего привода. Измерения проводились при работе бурового станка на период бурения одной свечой. Длина свечи (свеча - две трубы соединенные вместе) составляет 25 метров. Всего было проведено 20 замеров. В среднем одно измерение длилось 2100 секунд. На момент начала проведения измерений глубина забоя составляла 1749 м, усилие на крюке - 530 кН. В начальный момент измерения СВП находился на уровне 27 метров от буровой площадки. Скорость движения СВП была равномерной и составила 0,01 м/с. Дополнительно были проведены замеры при нахождении СВП на уровне балкона верхового рабочего. По результатам расшифровки полученных данных построены графики зависимости ускорения от времени. Типовой график представлен на рис. 2.3. Анализируя полученные графики можно сделать следующий вывод: на уровне 23...24 метров от уровня пола буровой площадки возникает резкий рост частоты колебаний (временной промежуток 21,5...25 минут). На рисунке 2.4 представлен график временного промежутка 21,5...25 минут. Если расширить данный графика, то можно определить частоту вынужденных колебаний, которая составляет 1... 1,2 Гц. 110 -90 -70
В результате измерений были зафиксированы резонансные зоны при работе СВП /14, 40, 101/. Максимальный положительный эффект применения верхнего привода достигается при корректном подборе, т.е. при оптимальном соотношении параметров /68, 71/. В противном случае совместная работа систем малоэффективна, а в некоторых случаях небезопасна.
При выполнении диссертационной работы проведен анализ и разработан алгоритм подбора системы к буровому станку.
Из полученных данных в результате анализа существующих верхних приводов можно сделать вывод, что СВП необходимо подбирать к конкретным буровым станкам и на конкретные условия бурения /73/.
Алгоритм подбора параметров силового верхнего привода к буровой установке обеспечивает выбор наиболее перспективного по технико-экономическим показателям варианта из имеющихся в базе данных. Подбор СВП осуществляется по требуемым для буровой установки основным характеристикам, задаваемым техническим заданием (ТЗ): - грузоподъемности; - крутящему моменту, передаваемому на буровую колонну; - диапазону диаметров используемых труб; - давлению бурового раствора, подаваемого в скважину; - длине компоновки.
Для осуществления выбора основные параметры поделены на следующие блоки: - технические характеристики; - геометрические характеристики; - весовые характеристики; - конструктивные особенности. На рис. 3.1 изображена блок-схема алгоритма подбора СВП к буровой установке. Задание параметров согласно ТЗ на проектирование СВП Нет Нет Цикл по перебору всех вариантов базы Параметры соответствуют заданному в ТЗ диапазону Расчет технико-экономических показателей СВП Сортировка по улучшению технико-экономических показателей СВП Вывод наиболее приемлемых вариантов СВП Рис. 3.1. Блок-схема подбора СВП для буровой установки Алгоритм подбора системы заключается в отборе всех возможных вариантов, отвечающих параметрам буровой установки, в расчете основных экономических показателей по каждому варианту, в выдаче нескольких наиболее перспективных вариантов. Алгоритм состоит из следующих этапов: 1. Выбор производителя. Существует достаточно много моделей силовых верхних приводов, выпускаемых как зарубежными машиностроительными компаниями, так и Российскими (если в задании не определен конкретный производитель, то рассматриваются все). 2. Подбор по типу буровой установки. Возможно два варианта: мобильная буровая установка или стационарная. 3. Подбор по типу привода. Для буровой установки могут применяться два варианта: электрический и гидравлический. Тип привода зависит от грузоподъемности буровой установки, но в мировой практике предпочтительным является электрический. 4. Подбор по техническим характеристикам. На данном этапе идет подбор по таким характеристикам как грузоподъемность, крутящий момент, давление бурового раствора и др. 5. Подбор по геометрическим характеристикам. Подбираются габариты системы, исходя из задаваемых ограничений.
Методика формирования конструктивного исполнения СВП
Выдвинем предположения: 1) включение в конструктивную схему привязки дополнительных элементов, в частности, балок, изменит частоту собственных колебаний; 2) частота колебаний зависит от положения балок по высоте и от параметров элементов, входящих в систему, в частности, сечений. Изменение собственных частот выведет систему из резонансных зон и, тем самым, позволит существенно снизить амплитуды колебаний. Для подтверждения выдвинутых предположений проводятся расчеты с различными комбинациями количества и высоты установки балок. Первый расчетный случай.
В расчетную модель СВП с одной существующей балкой крепления СВП добавлена одна дополнительная балка на высотной отметке 29 метров. Высота уровня установки дополнительных балок в этом и в последующих расчетных случаях принимается от рабочей площадки. Во всех расчетных случаях проводится расчет 26-и положений СВП. По результатам расчета строится график зависимости частоты собственных колебаний от высоты СВП (рис. 3.4.).
Из графика видно, что частота собственных колебаний увеличивается только на участке от 25 метров, а в диапазоне проявления резонанса частота собственных колебаний практически не изменилась. Ожидаемый результат по увеличению частоты собственных колебаний не достигнут. Второй расчетный случай В расчетную модель СВП с одной существующей балкой крепления СВП добавлена одна дополнительная балка на высотной отметке 25 метров. По результатам расчета строится график зависимости частоты собственных Рис. 3.5. Зависимость частоты собственных колебаний от высоты нахождения СВП при дополнительной балке на уровне 25 метров колебаний от высоты СВП (рис. 3.5.). Из графика видно, что частота собственных колебаний увеличивается только на участке выше 20 метров. Но при этом, на участке выше 20 метров частота становится кратной, либо близкой к частоте вынужденных колебаний. Ожидаемый результат по увеличению частоты собственных колебаний не достигнут. Третий расчетный случай В расчетную модель СВП с одной существующей балкой крепления СВП добавлена одна дополнительная балка на высотной отметке 19 метров. По результатам расчета строится график зависимости частоты собственных колебаний от высоты СВП (рис. 3.6). Из графика видно, что частота собственных колебаний увеличивается на уровне дополнительной балки (19 метров), но в диапазоне проявления резонанса (23...25 метров) собственная частота остается кратной к вынужденной частоте. Ожидаемый результат по увеличению частоты собственных колебаний не достигнут. Анализируя результаты проведенных расчетов, можно сделать выводы, что одной дополнительной балки крепления неподвижной части СВП недостаточно. Поэтому в дальнейших расчетах добавляется по две дополнительных балки крепления СВП. Четвертый расчетный случай В расчетную модель СВП с одной существующей балкой крепления СВП добавлены две дополнительные балки на высотных отметках 19 и 25 метров. По результатам расчета строится график зависимости частоты собственных колебаний от высоты СВП (рис. 3.7).
Из графика видно, что частота собственных колебаний в диапазоне с 19 до 28 метров увеличивается и не является кратной или близкой к частотам вынужденных колебаний. Но на участке ниже 19 метров, частота собственных колебаний близка или кратна частоте вынужденных колебаний. Рис. 3.6. Зависимость частоты собственных колебаний от высоты нахождения СВП при дополнительной балке на уровне 19 метров
Ожидаемый результат по увеличению частоты собственных колебаний в зоне проявления резонанса достигнут, но есть опасения, что зона резонансной работы системы сместится ниже уровня 19 метров. Рис. 3.7. Зависимость частоты собственных колебаний от высоты нахождения СВП при двух дополнительных балках на уровне 19 и 25 метров Пятый расчетный случай В расчетную модель СВП с одной существующей балкой крепления СВП добавлены две дополнительные балки на высотных отметках 16 и 23 метра. По результатам расчета строится график зависимости частоты собственных колебаний от высоты СВП (рис. 3.8).
Из графика видно, что частота собственных колебаний в диапазоне с 15 до 25 метров увеличивается и не является кратной или близкой к частотам вынужденных колебаний. Но на участке ниже 15 метров, частота собственных колебаний близка или кратна частоте вынужденных колебаний.
Зависимость частоты собственных колебаний от высоты нахождения СВП іти двух дополнительных балках на уловне 16 и 23 метров Ожидаемый результат по увеличению частоты собственных колебаний в зоне проявления резонанса достигнут, но есть опасения, что зона резонансной работы системы сместится ниже уровня 15 метров. Шестой расчетный случай В расчетную модель СВП с одной существующей балкой крепления СВП
Зависимость частоты собственных колебаний от высоты нахождения СВП при двух дополнительных балках на уровне 12 и 23 метров добавлены две дополнительные балки на высотных отметках 12 и 23 метра. По результатам расчета строится график зависимости частоты собственных колебаний от высоты СВП (рис. 3.9). Из графика видно, что частота собственных колебаний практически на всей длине неподвижной части СВП увеличивается и не является кратной или близкой к частотам вынужденных колебаний.
Проанализировав проведенные расчеты можно сделать вывод, что установка двух дополнительных балок на уровне 12 и 23 метров является оптимальным вариантом для работы СВП. Конструкция и вариант крепления дополнительных балок изображены на рис. ЗЛО. При изменении конструкции СВП вводятся дополнительные балки, которые оказывают влияние на мачту, поэтому необходимо выполнить проверочные расчеты.
В результате расчета определяются параметры напряженно-деформированного состояния элементов конструкции мачты. Результаты представлены в виде карт распределения эквивалентных напряжений и перемещений по осям координат.
Расчет произведен методом конечных элементов в программном комплексе инженерного анализа АРМ Win Machine в модуле расчета напряженно-деформированного состояния объемных конструкций АРМ Structure 3D /4, 26, 46, 48/.
Суть метода конечных элементов заключается в следующем: сплошная среда (модель конструкции) заменяется дискретной путем разбиения ее на области - конечные элементы (103-105). В каждой области поведение среды описывается с помощью отдельного набора функций, определяющих напряжения и перемещения в этой области. Конечные элементы между собой соединяются узлами. Взаимодействие конечных элементов друг с другом осуществляется только через узлы, расположенные в зависимости от конструкции объекта, и закрепленные в соответствии с граничными условиями. К конечному элементу могут быть приложены внешние нагрузки (сосредоточенные и распределенные силы и моменты), которые приводятся к узлам данного элемента и носят название узловых нагрузок.
При расчете методом конечных элементов /52-55, 85-86/ вначале определяются перемещения узлов модели. Величины внутренних усилий в элементе пропорциональны перемещениям в узлах элемента. Коэффициентом пропорциональности выступает квадратная матрица жесткости элемента, количество строк которой равно числу степеней свободы элемента (в общем случае это есть произведение числа степеней свободы в узле на число узлов элемента). Все остальные параметры конечного элемента, такие как внутренние усилия, напряжения, поле перемещений и т. п., вычисляются на основе его узловых перемещений.
Допущения, примененные в разрабатываемой методике
Разгон колонны при подъеме обусловлен превышением величины момента двигателя, приведенного к крюку (движущая сила) над величиной нагрузки от веса бурильной колонны и подвижных частей талевой системы. Особенность этого этапа состоит в том, что он начинается с некоторым запаздыванием t0 - от начала подачи бурильщиком управляющих воздействий до начала трогания бурильной колонны. Запаздывание трогания бурильной колонны обусловлено временем нарастания момента муфты (двигателя) и величиной зазоров в системе «ведомый вал муфты (двигателя) - бурильная колонна». Величина зазоров и продолжительность времени их выборки во многом зависят от квалификации и опыта бурильщика, от того, насколько точно был остановлен элеватор у замкового соединения бурильных труб.
В методике принимается, что до начала движения колонны система управления приводом должна обеспечить нарастание момента оперативной муфты включения (или двигателя) до максимального значения, таким образом, чтобы оно совпадало со временем выбора люфтов в системе от вала муфты (или двигателя) до бурильной колонны. Такое рассмотрение периода разгона колонны позволит исключить субъективный фактор, т.е. влияние бурильщика на параметры спуско-подьемного комплекса. Следует ожидать, что в этом случае длительность периода разгона будет минимальной.
В процессе проектирования подъемных лебедок буровых установок необходимо определять большое число параметров, в том числе: ? мощность привода и параметры его механической характеристики; ? передаточное отношение лебедки; ? продолжительность рабочего цикла; ? размеры элементов СПК (барабана, каната, блоков, редуктора, цепных передач и др.). Расчет параметров выполняется в два этапа. На первом этапе определяются, по заданной нагрузке на крюке и рекомендуемой скорости подъема колонны, основные параметры: - передаточное отношение привода лебедки, - скорость подъема при рассматриваемом двигателе. На втором этапе выполняются поверочные расчеты по определению: - максимальной скорости подъема и опускания колонны и порожнего крюка; - действительной продолжительность цикла и общего времени смены инструмента; - коэффициента загрузки привода.
В настоящее время практически все расчеты проводятся на ЭВМ с применением собственных разработанных программ или специальных пакетов программ. Из российских разработок для конструкторов, занятых созданием нового и модернизацией существующего механического оборудования уже 10 лет применяется система автоматизированного расчета и проектирования машин, механизмов и конструкций АРМ WinMachine. Система по большинству параметров не имеет мировых аналогов. С помощью АРМ WinMachine можно получать рациональные геометрические размеры элементов машин и строительных конструкций. АРМ WinMachine включает алгоритмы и программы расчета: энергетических и кинематических параметров; прочности, жесткости и устойчивости; выносливости; надежности и износостойкости; динамических характеристик. С ее помощью можно выполнить расчеты и. проектирование соединений, передач, подшипников, валов, балочных, рамных, ферменных конструкций и многое другое. Рассмотренная система и все другие {Design Space, Unigraphics и др.) для своих расчетов требуют задания исходных данных. Так для расчета механических передач необходимо задать нагрузочную диаграмму, частоту повторений и продолжительность действия нагрузок. Такие же данные нужны для выбора двигателя. Определение входных данных для систем инженерно го анализа представляет собой самостоятельную задачу и требует применения специальных методик при реализации их на ЭВМ. Для определения основного параметра лебедки — продолжительности цикла - также необходима соответствующая методика.
Используемые в настоящее время методики расчета параметров буровых установок имеют некоторые недостатки. Методики созданы с применением ряда допущений, поэтому результаты расчетов имеют определенные погрешности. В них не обеспечен поиск оптимальных конструктивных и режимных параметров подъемной лебедки. Исключение этих недостатков и выполнено в нашей методике. Методика основана на основе применения имитационных моделей и реализована в виде программы на ЭВМ.
Построение методики с использованием имитационных моделей наряду с получением необходимых численных значений параметров позволит на ЭВМ организовать исследование последующей работы проектируемой установки. Что произойдет, например, если изменить передаточное число, как влияет многослойность навивки каната на барабан и т. п. Приём использования имитационных моделей широко используется в практике проектирования приводов и систем управления. Наличие разработанных моделей для проектирования приводов подводит к выводу, что необходимо дополнить их соответствующими элементами и применять для исследования работы и определения параметров механической части системы СПК. Но не все так просто. Реализация математических моделей, включающих дифференциальные выражения, на цифровых вычислительных машинах требует использования численных методов. Для моделей имитирующих работу систем управления и привода, ввиду быстротечности процессов в системе управления, приходится задавать очень малый шаг интегрирования, поэтому время расчета одного переходного процесса, даже на современных компьютерах, занимает несколько минут. Поэтому нельзя применять такие модели для проведения исследований влияния параметров, для поиска оптимальных значений. В слу чае проектирования механической системы СПК необходимо разрабатывать собственные имитационные модели с упрощенным описанием работы системы управления и привода.
При разработке такой модели необходимо вначале создать имитационные модели всех элементов подъемной лебедки, а затем обеспечить их совместную работу. Последовательность создания моделей может быть любой, уровень же детализации модели определяется решаемой задачей. К примеру, при расчете продолжительности цикла лебедки модель редуктора будет представлена передаточным отношением и КПД, в случае расчета усилий в зубчатых передачах при выборе зазоров, модель будет включать закон Гука, уравнения движения каждого вала и зубчатой передачи. Ниже создается модель для расчета продолжительности цикла, оптимизации передаточного числа и проверки использования установленной мощности привода.
