Исследование нагруженности элементов редуктора системы верхнего привода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, кандидат наук Лобачев Александр Александрович

• Лобачев Александр Александрович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Лобачев Александр Александрович

Введение

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Особенности работы буровой установки глубокого бурения

1.2 Системы верхнего привода и особенности их работы

1.3 Проблемы проектирования и эксплуатации редукторов в СВП

1.4 Цель и задачи исследования

2 АНАЛИЗ НАГРУЗОК, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ПРИВОД СВП ПРИ УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ РАБОТЫ

2.1 Анализ данных расчета крутящего момента, фиксируемого непосредственно при бурении

2.2 Анализ средних величин параметров СВП при бурении

2.3 Многофакторный анализ данных в программе STATISTICA

2.4 Выводы по главе

3 АНАЛИЗ НАГРУЗОК ПРИ НЕУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ НА ПРИМЕРЕ ПУСКА СВП

3.1 Методика обработки данных пуска буровой колонны

3.2 Обработка данных пуска колонны во вращение

3.3 Разработка математической модели процесса разгона СВП

3.4 Выводы по главе

4 АНАЛИЗ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СВП

4.1 Вычисление частотного спектра функции крутящего момента от времени

4.2 Анализ частотных характеристик функции крутящего момента на валу верхнего привода

4.3 Выводы по главе

5 ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ДЕТАЛЕЙ РЕДУКТОРА ПРИВОДА СВП НА

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование нагруженности элементов редуктора системы верхнего привода»

Актуальность темы исследования.

В настоящее время для решения технологических задач проводки наклонно-направленных и горизонтальных скважин применяются системы верхнего привода (СВП), состоящие из двигателя и вертлюга-редуктора, приводящих во вращение буровую колонну.

Отечественные конструкции СВП создавались путем копирования иностранных решений и имеют меньший срок службы. Причина кроется в малоизученности режима работы БУ с СВП, мониторинга и анализа нагрузок, действующих на СВП.

Несмотря на достигнутые результаты в нефтегазопромысле в настоящее время еще нет соответствующих инженерных методов учета характера нагрузок для расчета деталей и узлов силового верхнего привода, работающего в режиме экстремальных перегрузок. Все вышеперечисленное заставляет инженеров-конструкторов либо закладывать избыточные коэффициенты запаса в процессе проектирования, либо выпускать продукцию, не соответствующую запросам эксплуатирующих организаций по показателям долговечности. Это приводит к большим финансовым затратам и значительным потерям рабочего времени. Сложность математического описания и моделирования изучаемого объекта (СВП) заключается, главным образом, в отсутствии приемлемых готовых математических моделей, способных комплексно описывать данный объект с учетом всех его эксплуатационно-конструкторских связей.

Диссертационная работа является продолжением и развитием исследований в области расчета и применения деталей и узлов СВП, характеризуемых ТН ВЭД 8431430000 части бурильных или проходческих машин и ОКП 366154 агрегатов и приводов буровых установок.

Исследование было проведено «в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы» по теме: «Создание экономичного верхнего электропривода для мобильных буровых

установок» сотрудниками АО "ПромТехИнвест" совместно с ФГАОУ ВО "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого". Заказчик работы -Минобрнауки России, (Соглашение № 14.577.21.0054 от 5.06.2014 г.). Уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта) КЕМБЕ157714Х0054» [17]. Данный проект проводится при финансовой поддержке - Минобрнауки России.

Диссертационная работа посвящена исследованию нагруженности элементов редуктора силового верхнего привода на основе данных телеметрии процесса бурения. Выявленные в работе данные явились научно-методической основой методов подборки расчетных нагрузок и метода уточнения методики расчета деталей редуктора исследуемой машины. Они позволяют:

- используя данные телеметрии процесса работы СВП, определять расчетную нагрузку, приходящуюся на узлы и детали редуктора в процессе эксплуатации;

- исследовать зависимость крутящего момента и времени работы буровой установки, как функцию Велера для определения циклов, влияющих на разрушение деталей редуктора;

- повысить долговечность бурового комплекса.

Низкая надежность отечественных СВП обуславливает зависимость нефтегазовой отрасли от аналогичного импортного оборудования, которое стоит значительно дороже отечественных СВП. В этой связи, исследование нагруженности элементов редуктора системы верхнего привода является актуальной темой.

Степень разработанности темы исследования. Вопросами в сфере нагрузок на рабочем органе, деталях и узлах СВП ранее занимались К.А. Башмур, А.К. Данилов, Р.Ф. Миниханов, Э.А. Петровский и др. [30], [31], [100]. Существенный вклад в исследования нагруженности и показателей надежности деталей и узлов машин был внесен такими отечественными учеными, как С.В. Серенсен, В.П. Когаев, Н.А. Махутов, А.П. Гусенков, Е.М. Морозов, Р.М. Шнейдерович, А.Н. Романов [72], [73], [74], [95], [96], [97], [98], [99], [105]. За

рубежом исследованиями нагрузки на рабочем органе СВП занимались S. Marius (Стэн Мариус), L. Avram (Лазар Аврам), N. Wouw, E. Detornay [112], [113].

В настоящее время проблема заключается в преждевременном выходе из строя исследуемого оборудования. Остается открытым вопрос - какой расчетный режим нагружения соответствует условиям работы одного из основных проектируемых узлов СВП - редуктора.

Целью данных исследований является определение режима нагружения деталей и узлов СВП буровой установки.

Задачи, решаемые в ходе работы.

1. Выполнить сбор и обработку данных телеметрии процесса бурения.

2. Провести анализ и построить математические модели нагрузок, действующих на привод СВП при установившихся режимах работы;

3. Провести анализ и построить математические модели нагрузок при неустановившихся режимах работы СВП;

4. Выполнить частотный анализ и расчет собственной частоты СВП.

5. Построить кривую выносливости выходного вала СВП и по ней определить режим нагружения деталей и узлов СВП.

Объектом исследования являются детали и узлы электрогидравлических СВП БУ БУ4200/250ЭЧК-БМ, находящиеся под воздействием эксплуатационных нагрузок в Ханты-Мансийском автономном округе-Югра.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации использовалась методология Ащеулова А.В. [20], в части использования данных систем мониторинга для этапа проектирования приводов машин. При обработке данных систем мониторинга использовались статистические методы математической обработки численных данных натурных экспериментов. При построении математических моделей нагрузок использовались методы аппроксимации численных значений. Теоретические исследования математической модели проведены с использованием аппарата частотного анализа. Для исследования нагруженности и показателей надежности

деталей и узлов СВП использовалась методика В.П. Когаева, Н.А. Махутова, А.П. Гусенкова.

Научная новизна:

1. Математическая зависимость крутящего момента на выходном валу СВП от глубины бурения при установившемся режиме работы.

2. Система уравнений по определению крутящего момента на выходном валу СВП в зависимости от частоты вращения привода, прочности грунта и времени, позволяющая установить предельные нагрузки на редуктор при страгиванье и разгоне.

3. Зона возникновения резонансных частот 5-10 рад/с на глубине бурения 1500-2500 метров.

4. Кривая выносливости выходного вала редуктора СВП при работе буровых установок грузоподъемностью 250-320 тонн в Ханты-Мансийском автономном округе-Югра, свидетельствующая не о среднем, как считалось ранее, а о тяжелом режиме нагружения.

Теоретическая и практическая значимость работы соискателя состоит в том, что:

1. Разработанная математическая модель зависимости крутящего момента от глубины бурения позволит делать проверочные расчеты при составлении плана строительства и ремонта скважин, что приведет к более рациональному использованию номенклатуры бурового оборудования.

2. Предложенная математическая модель разгона СВП позволяет на стадии проектирования достоверно рассчитать динамические нагрузки, приходящиеся на редуктор в момент пуска двигателя ротора в зависимости от устанавливаемой частоты вращения и прочности грунта.

3. Создана основа для дальнейших исследований специфических динамических процессов работы СВП при свинчивании и развинчивании буровых труб, для своевременного отключения и включения тормозов, для создания систем автоматического бурения и т.д. Полученные знания о нагрузках на основном механизме буровой установки при выполнении различных

технологических операций позволяют в дальнейшем построить более адекватные математические модели всей буровой установки.

4. Выявленная зона резонансных частот дает рекомендации буровому мастеру по выбору скорости вращения и режима подачи бурового инструмента. Получены исходные данные для создания демпфирующих устройств по снижению амплитуды колебаний нагрузки на выходном валу СВП и буровой колонне.

5. Выявленный и обоснованный тяжелый режим нагружения СВП в процессе работы позволяет на стадии расчетов деталей и узлов изделия на прочности заложить более высокую их долговечность и исключить их поломки в эксплуатации.

Положения, выносимые на защиту

1. Обоснование необходимости расчета редуктора СВП не по среднему, а по тяжелому режиму нагружения.

2. Зависимость крутящего момента на выходном валу СВП от глубины бурения при установившейся работе.

3. Зависимость крутящего момента от частоты вращения и категории прочности грунта при разгоне привода в начале работы.

Степень достоверности и апробация результатов проведенных исследований подтверждена в построении теории данных систем мониторинга процесса бурения натурных буровых установок, работающих на месторождениях восточной Сибири.

Выносимые на защиту положения диссертации опубликованы в рецензируемых журналах, относящихся к списку ВАК, доложены на семинарах, конференциях и рабочих совещаниях.

Основные этапы диссертации использованы в отчетах прикладных научных исследованиях СПБПУ в рамках выполнения федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы» по теме: «Создание экономичного верхнего электропривода для мобильных буровых установок»

Результаты диссертации, касающиеся режима нагружения, внедрены на предприятии АО «ПромТехИнвест» для выполнения прочностных расчетов редуктора СВП (Акт внедрения Приложение А).

Материалы диссертации соответствуют специальности 05.02.02 -Машиноведение, системы приводов и детали машин.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1 Особенности работы буровой установки глубокого бурения

Современная буровая установка - «это сложный комплекс различных по назначению машин, механизмов, сооружений, приборов, инструмента, с помощью которых осуществляются все процессы, связанные с бурением скважин» [7], [30], [85].

В соответствии с задачами исследования представляют интерес БУ для бурения средних по глубине (до 2000 м), глубоких (до 5000 м) и сверхглубоких (более 5000 м) скважин.

«Стационарные БУ применяют при длительном бурении скважин или в труднодоступных районах, куда не может быть доставлена передвижная установка или пройти самоходная. Стационарная установка перевозится по частям и монтируется на месте сооружения скважин. Такие установки, как правило, применяются при бурении глубоких геологоразведочных скважин (более 2000 м) на твёрдые полезные ископаемые или скважин на нефть и газ» [18]. Отличительной чертой стационарной установки также является общая устойчивость и жесткость металлоконструкции, которая оказывает непосредственное влияние на вращатель бурового инструмента. Общий вид стационарной буровой установки представлен на рисунке 1.1.

а) - общий вид; б) - скважина, в) - шарошечное буровое долото: Рисунок 1.1 - Оборудование буровой установки стационарного типа

1 - вышка; 2 - кран-блок, 3 - вертлюг; 4 - буровая лебёдка с коробкой передав 5 - буровой насос с электроприводом, 6 - вспомогательная лебёдка, 7 - ротор, 8 пневмоключ, 9 - приёмные мостки, 10 - пневмокомпрессор, 11 электрораспределительное устройство; 12 - циркуляционная система, 13 - бло приготовления раствора, 14 - подпорный насос; 15, 16 - обсадные и бур иль ны трубы, 17 - долото; 18 - талевая система.

Часто на буровых установках, как разборных, так и на колесном ходу, предусмотрена система штроп и растяжек (рисунок 1.2) для того, чтобы обеспечить жесткость конструкции во время бурения. Такое решение способствует также гашению некоторой части колебаний, приходящихся на металлоконструкцию.

Рисунок 1.2 - Общий вид буровой установки Состав буровой установки

«В зависимости от длины и диаметра ствола, вида бурения в состав БУ могут входить следующие узлы:

- буровые сооружения (Буровая вышка, основание, укрытие);

- буровые механизмы (Буровая лебёдка с талевой системой или подъёмник, вращательный или вращательно-подающий механизм);

- энергетическое оборудование (двигатели внутреннего сгорания, дизель-генераторная станция, преобразователи энергии, электро-, гидродвигатели);

- оборудование для работы с жидкими, газожидкостными и газообразными очистными агентами (Буровой насос, компрессор, резервуар, машины и механизмы для приготовления, очистки и обработки буровых агентов, трубопроводы, шланги и вертлюг);

- оборудование и буровой инструмент для механизации спуско-подъёмных операций (ключи, клиновые захваты, элеваторы, спайдеры);

- противовыбросовое оборудование;

- система управления БУ;

- контрольно-измерительная система» [7], [30], [60].

«Контрольно-измерительная система состоит из датчиков, устанавливаемых

в местах измерения параметров, в частности, в глубинном канале, в электрических и гидравлических системах управления, т.е. в местах, удобных для наблюдения. Применяют системы наземного контроля и глубинные измерительные системы.

Основные контролируемые параметры в процессе бурения - это нагрузка на крюк, крутящий момент на роторе, частота вращения ротора, механические скорости бурения, давление и расход промывочной жидкости, подача инструмента, нагрузка на долото. Число контролируемых параметров разное для каждого типа прокладываемой скважины (для каждого типа БУ набор контролируемых параметров определён заранее)» [15], [16], [17].

«Бурение скважин - это процесс сооружения направленной цилиндрической горной выработки в земле, диаметр ,гО" которой мал по сравнению с её длиной по стволу "Н", без доступа человека на забой. Начало скважины на поверхности земли называют устьем, дно - забоем, а стенки скважины образуют ее ствол» [15], [29], [103].

«Бурение — процесс разрушения горных пород с помощью специальной техники — бурового оборудования. Различают несколько видов бурения:

- вертикальное бурение;

- наклонно-направленное бурение;

- горизонтальное бурение.

Способы бурения выбираются в зависимости от различных условий производства и назначения скважины» [104]. Сам процесс бурения сопровождается колебаниями, вызванными неоднородностью разбуриваемой породы, типом рабочего ПРИ, жесткостью конструкции и других параметров.

В отечественной и мировой практике принято, что «выбор инструмента для разрушения породы определяется условиями производства и категориями породы по буримости» [108].

Так, например, для бурения в породах 1-1У категории по буримости используют шарошечное долото.

Для бурения пород У1-УШ категорий по буримости используют алмазную однослойную зубчатую коронку.

В последние годы широкое используются забойные двигатели [5], [63], [99], [95], позволяющие производить наклонное бурение.

Характер нагрузок на рабочем органе зависит от выбора режущего инструмента. Количество режущих кромок, конструкция, материалы долот и шарошек влияют на частоту колебаний и амплитуду нагрузки, воспринимаемой по цепочке всеми составляющими бурового комплекса. Это важно понимать при дальнейшем рассмотрении картины нагружения конструкции вращателя.

«Крепостью горной породы (/) принято характеризовать ее сопротивляемость разрушению. Профессор М.М. Протодьяконов в 1926 г. предложил классификацию всех горных пород по их крепости» [101].

«Крепость горной породы есть комплексная характеристика породы, определяемая целым рядом ее физико-механических свойств, оказывающих влияние на процесс ее разрушения при бурении. Крепость горной породы есть величина постоянная, не зависящая от способа бурения.

Буримость пород (она оценивается в м/ч, см/мин, мм/мин) устанавливается опытным путем для определенных горных пород и ПРИ при рациональных режимах бурения. Так как при различных способах бурения механизм разрушения горных пород различен, то и буримость одной и той же породы при различных способах бурения будет различной.

При бурении разрушается не только порода; одновременно происходит износ (затупление) резцов. Происходит это не только вследствие сил трения, возникающих на контакте лезвий с породой, но и из-за ударов рабочего органа о породу» [28], [37].

«Вращательное бурение характеризуется тем, что резец под воздействием осевого усилия подачи Fc и крутящего момента МКР движется поступательно на забой, отделяя по винтовой линии срез толщиной ^ Разрушение породы может осуществляться резанием, смятием и раздавливанием» [7]. «Удаление продуктов бурения из шпура или скважины производится с помощью витых штанг или шнеков, сжатого воздуха и воды.

Преимущества вращательного бурения: непрерывность процесса, обеспечивающая высокую производительность; разрушение породы крупным срезом, что уменьшает пылеобразование и др.» [2], [4].

Процесс вращательного бурения сопровождается колебаниями (рисунок 1.3), которые возникают в различных частях бурового комплекса, в том числе и на редукторе СВП (рисунок 1.7). Природа флуктуаций различна. В процессе бурения на пути следования долота могут встретиться слои горной породы, различные по буримости. Это ведет за собой резкое изменение крутящего момента и осевой нагрузки. Кроме того, в ряде работ [41], [46], [96] отмечается, что процесс резания горной породы сопровождается ещё и ударом режущей кромки о породу, ввиду возможных колебаний колонны и долота.

Рисунок 1.3 - Изменение крутящего момента в процессе бурения скважины

Для наглядности принципа распределения нагрузок по амплитуде результаты измерения крутящего момента в процессе бурения БУ с СВП отсортированы по возрастанию (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 - Отсортированные значения крутящего момента в процессе бурения область 1 - процесс установившегося бурения; область 2 - процесс

неустановившегося бурения

«Бурильная колонна представляет собой спущенную в скважину сборку из бурильных труб, скрепленных между собой бурильными замками, предназначенную для подачи гидравлической и механической энергии к долоту, для создания осевой нагрузки на долото, а также для управления траекторией БС.

Являясь совместно с долотом и забойным двигателем буровым инструментом, бурильная колонна выполняет следующие функции:

- передаёт вращение от ротора к долоту;

- воспринимает от забойных двигателей реактивные моменты;

- подаёт к забою промывочный агент;

- подводит гидравлическую мощность к долоту и погружному гидравлическому двигателю;

- вдавливает долото в горные породы на забое, действуя своей силой тяжести (осевую нагрузку на долото создает часть утяжеленных бурильных труб, включенных в состав КНБК).

Вращение колонны труб осуществляется вращателем - ротором. Вращатель представляет собой двигатель с редуктором, передающий вращение от вала в горизонтальной плоскости шпинделю или ведущей трубе, расположенных в вертикальной или наклонной плоскости. Крутящий момент должен передаваться вращателем со скоростями, обусловленными типоразмером бурового наконечника и режимом его работы» [2], [4].

Вращатели буровых станков для бурения геологоразведочных и геотехнологических скважин представляют собой, как правило, конические редукторы, зубчатые колёса которых имеют прямые, круговые или косые зубья.

Для обеспечения производительной работы бурового станка вращатель должен отвечать следующим требованиям:

- обеспечение крутящего момента, достаточного для бурения скважин во всём диапазоне глубин и диаметров, предусмотренных технической характеристикой станка;

- наличие достаточного диапазона частоты вращения и возможности её регулирования; подъём инструмента с вращением;

- возможность наращивания бурильной колонны без отрыва ПРИ от забоя скважины;

- применение различных типов ПРИ; возможность бурения наклонных скважин; наличие реверса; компактность и малый вес;

- малые трудозатраты при его обслуживании и т.д.

В зависимости от конструктивного исполнения вращатели разделяют на три типа: шпиндельные, роторные и подвижные [2], [4]. Шпиндельные применяются при разведке твердых полезных ископаемых и в данной работе не рассматриваются.

«Роторные вращатели (рисунок 1. 6) применяются обычно в буровых установках для бурения вертикальных скважин в преимущественно мягких и средней твердости породах, где имеет место высокая механическая скорость бурения. Их используют при бурении эксплуатационных и разведочных скважин на нефть, газ, воду, структурно-поисковых и геотехнологических скважин» [2], [75].

2 3 4 5

Рисунок 1.5- Конструкция ротора для роторного бурения («квадратом») 1 - корпус, 2 - шарикоподшипник, 3 -зубчатое колесо, 4 - стол, 5 - ведущий вал,

6 - шестерня, 7 - муфта

В роторной схеме бурения также присутствует вертлюг, выполняющий функции подъемника для вертикального перемещения бурильных труб. Крутящий момент на буровую колонну с использованием вертлюга передают роторные привода (или роторные вращатели), совмещенные с полом буровой установки. Такой способ бурения получил название «бурение квадратом» за квадратное сечение вспомогательной трубы, передающей крутящий момент на основную буровую колонну. В конструкции привода на столе используется спайдер -устройство, отвечающее за удержания буровой колонны во время операций сборки

и разборки. «Кроме того, при бурении с забойными двигателями ротор воспринимает реактивный крутящий момент.

Основными преимуществами вращателей роторного типа являются простота конструкции, большой ход подачи и возможность передачи больших крутящих моментов. Ведущие трубы обеспечивают возможность углубления скважины без перекрепления на длину ведущей трубы (4,5 м и более), что особенно эффективно при бурении мягких пород. Данный вид режима работы является относительно спокойным, характерным для стационарного привода ротора.

Однако роторные вращатели имеют и недостатки. Так, при наращивании инструмента необходимо поднимать над забоем снаряд, что при колонковом бурении отрицательно сказывается на сохранности керна. Затруднена регулировка осевой нагрузки на ПРИ, а также создание достаточной осевой нагрузки при небольшой глубине скважины и больших диаметрах бурения» [106]. До недавнего времени нефтяники и газовики работали с приводом буровой колонны расположенным стационарно на полу БУ. Он состоял из двигателя редуктора с квадратом и, несмотря на все его минусы, до сих пор используется в технологии бурения.

1.2 Системы верхнего привода и особенности их работы

В последние годы, тенденции развития бурового оборудования привели к разработке системы верхнего привода (СВП) буровой колонны. Главной особенностью этой системы вращения колонны заключается в том, что она является подвижным вращателем колонны. Другими словами, СВП и вращает колонну, и перемещается вместе с ней в вертикальной плоскости по направляющей. При этом система сил (рисунок 1.5), действующих на привод СВП (редуктор и двигатель) принципиально изменилась, что и явилось предметом наших исследований.

Для получения количественной оценки реактивных силовых воздействий на привод СВП, «необходимо исследовать динамическую модель механической системы СВП в условиях приложения, к ней, возмущающих и управляющих воздействий, отражающих реальную картину процесса бурения» [3]. Здесь можно

воспользоваться известными в технической литературе предложениями и решением задачи с привлечением соответствующего математического аппарата [4], [5], [7], [28], [36].

Известно, что на прочность и долговечность всех элементов привода бурильной колонны оказывают влияние осевые и моментные динамические нагрузки, порождаемые большим многообразием причин. Они же влияют на эффективную работу двигателя привода СВП. Так, низкочастотные продольные колебания большой амплитуды (до 5—10 мм) возникают из-за разной прочности породы забоя, колебаний давления промывочной жидкости, вида и состояния ПРИ, а высокочастотные колебания малой амплитуды (0,1 — 2 мм) из-за хрупкого разрушения забоя, ПРИ. При этом продольные колебания вызывают изменение осевой нагрузки на режущий инструмент, а, следовательно, и крутящего момента на нём, что дополнительно вызывает крутильные колебания колонны.

Изменение осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент (далее ПРИ) происходит также ввиду неравномерной подачи механизмом СПО. В связи с этим, переменное вертикальное усилие, действующее на инструмент, приводит к неравномерному изменению сечения срезаемой стружки и изменению крутящего момента в колонне. Кроме того, крутильные колебания возникают также из-за переменного сопротивления резанию ПРИ, обусловленные как разной прочностью породы, так и состоянием режущего инструмента. Не следует забывать и о пульсации давления промывочной жидкости, которое также оказывают влияние на вариативность процесса бурения.

Так, на рисунке 1.6 представлена общая схема сил, действующих на привод

СВП. Контур II взаимодействует с БУ через систему связей К (() С () , а также контакты в направляющих, определяемые силами трения ^(г).

Двигатель привода СВП развивает крутящий момент

МКР _ де\Ч , который

преодолевает реактивные моменты от сил резания на ПРИ - Мпри(г), момент крутильных колебаний колонны

Мр (г) , момент от сил трения колонны о стенки

трубы или скважины - Мтр ( ) , которые обусловлены как потерей устойчивости

колонны, так и изменением направления бурения от вертикали.

Как видно, все эти силы переменные во времени, что обусловлено различными, также изменяющимися во времени факторами, в том числе и суммарной вертикальной реакцией действующей на ПРИ и колонну в целом -

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лобачев Александр Александрович, 2018 год

- 24 с.

84 Кадыров, А. С. Разработка математической модели движения фрезерного рабочего органа / А. С. Кадыров, Р. Р. Хайбуллин // Юбилейный сборник академика Р. А. Кабашева. - Казахстан, Алматы, 1999. - С.28-31

85 Калинин, А. Г. Технология бурения разведочных скважин / А. Г. Калинин, В. И. Власюк [и др.]. - М. : изд-во. Техника, 2004. - 528 с.

86 Кантович, Л. И. Обоснование и выбор параметров вращательно - подающего механизма карьерного бурового станка / Л. И. Кантович // Горный информационно-аналитический бюллетень : научно-технич. журн. - 2011. - № 5. - С.225-229.

87 Кантович, Л. И. Обоснование и выбор жесткостных параметров виброзащитного вращательно - подающего механизма карьерного бурового станка / Л. И. Кантович, Р. О. Муминов // Сборник докладов 7 - й Международной научной школы молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в ХХ1 веке глазами молодых». - М. : Изд-во ИПКОН РАН, 2010. - С. 255-258.

88 Кантович, Л. И. Влияние параметров вращательно подающего механизма бурового станка на его производительность / Л. И. Кантович, Р. О. Муминов, Р. Ю. Подэрни // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. -№ 11. - С. 396-399.

89 Карнаухов, Н. Н. Приводы траншейных экскаваторов / Н. Н. Карнаухов, А. И. Тархов. - М. : Недра, 1999. - 381 с.

90 Катанов, Б. А. Буровой инструмент для мерзлых грунтов // Строительные и дорожные машины. - 2001. - № 1. - С.8-11.

91 Катанов, Б. А. Эффективные долота для бурения скважин // Строительные и дорожные машины. - 1998. - № 4. - С.10-13.

92 Катанов, Б. А. Режущий буровой инструмент: Расчет и проектирование / Б. А. Катанов, М. С. Сафохич. - М. : Машиностроение, 1976. - 167 с.

93 Каталог "Бурение". Техника и технологии [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.bur.oilru.ru/, свободный. - Загл. с экрана.

94 Керимов, 3. Г. К определению коэффициента нагрузки и долговечности для бурового подъемного механизма / З. Г. Керимов, Т. М. Кафаров, М. Желиховский : журн. Известия вузов. Нефть и газ, 1990. - № 2. - С.80-84.

95 Когаев В.П. Условия усталостной прочности при сложном нагруженном состоянии: в кн. прочность авиадвигателей. М., 1952. №7. - С. 7-12.

96 Когаев В.П. Усталость и неупругость металлов. Киев: Наукова думка, 1971.-С. 314.

97 Когаев, В.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность / В.П. Когаев, Н.А. Махутов, А.П. Гусенков. - М. : Машиностроение, 1985. - 224 с.

98 Когаев, В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени / В.П. Когаев. -М. : Недра, 1977. - 232 с.

99 Когаев В.П. Критерии малоциклового усталостного разрушения при двухосном напряженном состоянии: в кн. Теоретические основы инженерных расчетов: русский перевод. М.: Мир, 1981. № 1. - С. 1-6.

100 Миниханов, Р.Ф. Повышение надежности буровых станков // Горное оборудование и электромеханика. 2008. №11. С. 14 - 18

101 Протодьяконов, М. М. Паспорта прочности горных пород и методы их определения. - М. : Наука, 1964. - 158 с.

102 Рабинович, Е. З. Гидравлика. Издание второе, исправленное и дополненное. -М.: Недра, 1977. - с. 92-100

103 Рябчиков, С. Я. Буровые машины и механизмы. - Томск : изд. ТПУ, 1999. -108 с.

104 Рябчиков, С. Я. Повышение работоспособности породоразрушающего инструмента методами криогенной обработки и радиационного облучения / С. Я. Рябчиков, А. П. Мамонтов, В. И. Власюк. - М. : Геоинформмарк, 2001. - 92 с.

105 Серенсен C.B., Махутов H.A., Шнейдерович P.M. К основам расчета на прочность при малоцикловом нагружении // Машиноведение. 1972. №5. -С. 56-67.

106 Соловьёв, Н. В., Бурение разведочных скважин / Н. В. Соловьев, В. В. Кривошеев, Д. Н. Башкатов. - М. : Высш. школа, 2007. - 904 с.

107 Форрест П. Усталость металлов. - М.: Машиностроение, 1968. -352 с.

108 Шрейнер, Л. А. Твердость хрупких тел : Анализ методов измерения и количественной шкалы твердости / Л. А. Шрейнер. - М. : изд-во АН СССР, 1949. - 142 с.

109 Basquin O. H. The exponential law of endurance tests // Proc. ASTM.- 1910. - 10. - pp. 625-630.

110 Coffin L. F. A study of the effect of cyclic thermal stresses on a ductile metals // Trans. ASME. - 1954. - 76. - pp. 931-950.

111 Manson S. S. Fatigue: a complex subject - some simple approximation // Exp. Mech. - 1965. - 5. - pp. 193-226.

112 Marius S. Modeling dynamic motion of structures drilling rigs with topdrive // J Petrol Explor Prod Technol. - 2012. - 10. - pp.10.

113 Wouw N., E. Detournay. Nonlinear dynamics and control of deep drilling systems. - 2012. - 5. - pp. 63-98.

114 Wôhler A. Report on test of the Kônigl Niederschleesich-Mârkkischen Eisenbahn made with apparatus for the measurement of the bending and torsion ofrailway axles in service (in German) // Zeitsch.Bauwesen. - 1858, N8. - pp. 642-651.

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

АО «ПромТехИнвест»

194044, Санкт-Петербург, ул. Комиссара Смирнова, д. 11

лит. Д Тел.: [phone]; Факс: [phone] [e-mail]: www. promtehinvest ru Санкт-Петербург

об использовании результатов кандидатской диссертационной работы Лобачева Александра Александровича

Комиссия в составе:

председатель Хорошанский А.Е. - генеральный директор АО «ПромТехИнвест»;

члены комиссии: Колубалин А.К. - технический директор АО «ПромТехИнвест»;

Аппен А. Б. - начальник финансово-экономического отдела АО «ПромТехИнвест»,

составили настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы "Исследование нагруженности элементов редуктора системы верхнего привода" (СВП), представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук, использованы в виде рекомендаций техническому отделу АО «ПромТехИнвест» при разработке метода учета состояния режимов эксплуатации при расчете долговечности и сроков гарантийного ремонта выпускаемых СВП в следующем виде:

1. Методики проведения экспериментальных исследований по сбору и анализу информации о процессе работы СВП на буровой установке для определения остаточного ресурса.

2. Математической модели нагрузки деталей и узлов редуктора при пуске СВП для свинчивания/развинчивания, начала процесса бурения.

3. Базы данных для сбора, хранения и анализа данных мониторинга, поступающих с датчиков, установленных на СВП и других агрегатах бурового комплекса.

4. Рекомендаций по проведению оценки остаточного ресурса редуктора

Использование указанных результатов позволяет: повысить качество производимых изделий; сократить затраты на проведение натурных испытаний; повысить показатели долговечности изделий.

АКТ

СВП.

Председатель комиссии Члены комиссии

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Листинги программ, написаны в среде МайаЬ БтиНпк Я2014Ь. Данная работа позволила структурировать, первично обработать, визуализировать данные мониторинга процесса бурения с СВП и является важной частью исследования.

clear;

Mk_4713_1 = StP('VG_4713_1.mat'); Mk_4713_2 = StP('VG_4713_2.mat'); Mk_8033_1 = StP('VG_8033_1.mat'); Mk_8033_2 = StP('VG_8033_2.mat'); Mk_8036_1 = StP('VG_8036_1.mat'); Mk_8036_2 = StP('VG_8036_2.mat'); save('VG_Mk_Res.mat')

Листинг 3.1 - Основной скрипт программы определения параметров пуска буровой колонны во вращение.

function Mk = StP(fname) load(fname,'VM', 'GS', 'dp'); i=1;

n0=length(dp(:,5));

while ((dp(i,3)~=0)&&(dp(i,4)~=0)&& (i<n0)) i=i+1; end i=i-1;

Mk=zeros(5,i); for j=1:i

n0=find(VM(:, 1)>=dp(j,3) & VM(:,1)<=dp(j,4)); n1=find(GS(:,1)>=dp(j,3) & GS(:,1)<=dp(j,4)); if isempty(n1) n1= find(GS(:, 1 )<=dp(j ,3)); n1=[n1(end) n1(end)+1];

end

Mk(1:4j) = st(VM(n0,1)*86400, VM(n0,9), VM(n0,10)); Mk(5,j) = (GS(n1(1),2)+GS(n1 (end),2))/2; end end

Листинг 3.2 - Функция «Mk» выполняющая загрузку файла данных и обращение к функции расчета основных параметров пуска буровой колонны во вращение

function [Mk] = st ( t, M, n ) a=size(M); if a(1)>a(2) t0 = t'-t( 1,1); M0=M'; w0=n'; else t0=t-t(1,1); M0=M; w0=n; end clear a; n0=find(w0==0); j=n0(end);

dM0(2: length(M0))=M0(2: end)-M0(1: end-1); dM0(1)=dM0(2); Mmin=min(M0(1 :j)); Mmm=(max(M0(1 :j))-Mmin)/10; n0=find(M0<Mmm+Mmin); dMmin=max(abs(dM0(n0))); i=j -1;

while (i> 1 )&&((M0(i)>Mmin+Mmm) ||(dM0(i)>ab s(dMmin))) i=i-1;

end n1=i;

dw0=w0(2: end)-w0( 1 :end-1);

wmax=max(w0(j: end));

dw = abs(min([0,dw0(find(dw0<0))]));

dw = min([dw,dw0(find(dw0>0))]); i=j;

while (i<length(w0))&&((w0(i)<wmax-dw)| |(dw0(i)>abs(dw))) i=i+1; end n2=i;

Mk=[M0(j);max(M0(n1:n2));t0(j)-t0(n1);t0(n2)-t0(j)]; end

Листинг 3.3 - Функция «st» выполняющая расчет основных параметров пуска буровой колонны во вращение

function [ d ] = MData_SVEP( T, GS, VM ) d = zeros (1,21);%

n0=find(VM(:,1)>=T(1) & VM(:,1)<=T(2)); if ~isempty(n0)

st=n0(1); fin=n0(end); clear n0;

n0=find(GS(:,1)>=T(1) & GS(:,1)<=T(2)); if ~isempty(n0)%length(n0)>0 n1=n0(1); n2=n0(end); clear n0;

d = zeros (1,21);%

d(1,1) = VM(st,1); d(2) = VM(fin,1);%Начало и конец в сутках d(1,3) = (d(2)-d(1))*24*3600;%Продолжительность в сек d(1,4) = (GS(n1,2)+GS(n2,2))/2;%Средняя глубина, м

d(1,5) = GS(n2,2)-GS(n1,2);%npo6ypeHHoe расстояние d(1,6) =((n2-n1+1)*sum(GS(n1:n2,6).*GS(n1:n2,1))-... sum(GS(n1:n2,6)).*sum(GS(n1:n2,1)))/... (24*3600*((n2-n1+1)*sum(GS(n1:n2,1).A2)-sum(GS(n1:n2,1))A2));%Cp.3Ha4. скорости с/п операции

d(1,7) = GS(floor((n2+n1)/2),3);%количество свечей d(1,8) = mean(GS(n1 :n2,26));%d(1,8) = sum(GS(n1:n2,26)/(n2-п1+1));%Средний расход

d(1,9) = sqrt(sum((GS(n1:n2,26)-d(1,8)).A2)/(n2-n1));%Сред. кв. отклонение расхода

d(1,10) = mean(GS(n1:n2,13));%Среднее давление бур. раствора d( 1,11) = sqrt(sum((GS(n1:n2,13)-d(1,10)).A2)/(n2-n1));%Ср.кв.откл. давления бур.раствора

d(1,12) = max(GS(n1:n2,10));%Макс. вес на крюке d(1,13) = mean(GS(n1:n2,10));%Сред. вес на крюке d(1,14) = sqrt(sum((GS(n1:n2,10)-d(1,13)).A2)/(n2-n1));%Сред. кв.откл. веса на крюке

d(1,15) = max(VM(st:fin,8));%Макс.знач.кр.мом. d(1,16) = min(VM(st :fin,8)); %Мин. знач. кр. мом. d(1,17) = mean(VM(st:fin,8));%Ср.знач. кр.мом. d(1,18) = sqrt(sum((VM(st:fin,8)-d(1,17)).A2)/(fin-st)); %Ср. кв. откл. кр. мом.

d(1,19) = mean(VM(st:fin,7));%Ср.знач. част. вращ. рот., об-1 d(1,20) = sqrt(sum((VM(st:fin,7)-d(1,19)).A2)/(fin-st));%Ср.кв.откл.част. вращ. рот., об-1

d(1,21) = mean(GS(n1 :п2,27));%Сред. нагрузка на долото d(1,22) = sqrt(sum((GS(n1:n2,27)-d(1,21)).A2)/(n2-п1));%Ср.кв.откл.нагрузки на долото

d(1,23) = 2*pi/( (VM(fin,1)-VM(st,1))*24*3600 );%базовая частота else

d = zeros (1,21);%

d(1,1) = VM(st,1); d(2) = VM(fin,1);%Начало и конец в сутках d(1,3) = (d(2)-d(1))*24*3600;%Продолжительность в сек d(1,15) = max(VM(st:fin,8));%Макс.знач.кр.мом. d(1,16) = min(VM(st :fin,8)); %Мин. знач. кр. мом. d(1,17) = mean(VM(st:fin,8));%Ср.знач. кр.мом. d(1,18) = sqrt(sum((VM(st:fin,8)-d(1,17)).A2)/(fin-st)); %Ср. кв. откл. кр. мом.

d(1,19) = mean(VM(st:fin,7));%Ср.знач. кр.мом. d(1,20) = sqrt(sum((VM(st:fin,7)-d(1,19)).A2)/(fin-st)); %Ср. кв. откл. кр. мом.

d(1,23) = 2*pi/( (VM(fin,1)-VM(st,1))*24*3600 );%базовая частота end end end

Листинг 4.1 - Функция MData_SVEP рассчитывающая основные параметры бурения в указанном интервале времени по данным системы мониторинга СВЭП

clear;

frq=25;% Верхняя граница частоты расчета спектра fl=1;% Флаг, указывающий на необходимость фильтрации выходного спектра

% проведение расчета частотных спектров A_4713_1 = s_frq( 'VG_4713_1.mat', frq, fl ); A_4713_2 = s_frq( 'VG_4713_2.mat', frq, fl ); A_8033_1 = s_frq( 'VG_8033_1.mat', frq, fl ); A_8033_2 = s_frq( 'VG_8033_2.mat', frq, fl ); A_8036_1 = s_frq( 'VG_8036_1.mat', frq, fl );

A_8036_2 = s_frq( 'VG_8036_2.mat', frq, fl ); % Сохранение результатов частотного спектра save ('VG_fData.mat')

Листинг 4.2 - Основной скрипт программы вычисления частотного спектра функции крутящего момента

function [A] = s_frq( fname, fr, kt ) load(fname,'VM', 'GS', 'dp'); time=24*60*60; n1=length(dp( :,1)); for i=1:1:n1

n0=find(VM(:, 1)>=dp(i,5) & VM(:,1)<=dp(i,6)); [A1]= freq( VM(n0,1)*time, VM(n0,9), fr,kt, 0); A{i}=A1; i

end

n0=length(A); for i=1:1:n0;

lA(i)=length(A{i}); end

lA1=max(lA); A1=zeros(n0*3, lA1); for i=1:1:n0; n1=size(A{i});

A1((i-1)*3+1 :(i-1)*3+3,1 :n1(1,2))=A{i}; end

clear n0 n1 lA1 lA i A; A=A1; end

Листинг 4.3 - Листинг функции «s_frq»

function [A] = freq( t, y, frq, kt ,plt ) a=size(t); if a(1)>a(2)

t1 = t'-t(1,1); y1=y';

else

11=t-t( 1,1);

y1=y;

end clear a;

T=t1(1,end)-t1(1,1); om=2*pi/T; nf1=floor (frq/om); df=om;

fr=zeros(2,nf1+1);

fr(1,1)=sum( (y1(1,1:end-1)+y1(1,2:end)).*(t1(1,2:end)-t1(1,1:end-1))

)/T;

for i=1:1:nf1

fr(1,i+1)= sum( (y1(1,1:end-1).*cos(i*df*t1(1,1:end-1)) + y1(1,2:end).*cos(i*df*t1(1,2:end))).*(t1(1,2:end)-t1(1,1:end-1)) )/T;

fr(2,i+1)= sum( (y1(1,1:end-1).*sin(i*df*t1(1,1:end-1)) + y1(1,2:end).*sin(i*df*t1(1,2:end))).*(t1(1,2:end)-t1(1,1:end-1)) )/T; end; if (kt==0)

Ar=sqrt(fr( 1,2: end).A2+fr(2,2: end) .A2);

A=zeros(3,length(Ar)+1);

A(1:2,:)=fr;

A(3,2:end)=1: 1 :length(Ar); A(2,1)=T; A(3,1)=om;

elseif (kt==l) Ar=sqrt(fr( 1,2 : end). л2+&(2,2 : end) .л2); i=2; J =2;frl(l,l)=fr( 1,1); if (Ar(l,l)>Ar(l,2))

frl(l,2)=fr(l,2);frl(2,2)=fr(2,2);

frl(3,2)=l;

J=3;

end;

while(i<nfl-l)

if ((Ar(l,i)>Ar(l,i-l))&&(Ar(l,i)>Ar(l,i+l)))

frl(l,J)=fr(l,i+l);

frl(2,J)=fr(2,i+l);

frl(3,J)=i;

J=J+l;

end; i=i+l; end;

Ar1=sqrt(fr1(1,2:end).л2+fr1(2,2:end).л2); Arm=mean(Ar 1); nr l=find(Ar l>Arm) ; Arl=Arl(l,nrl); nrl=nrl+l; nrl=[l nrl]; frl=frl(:,nrl); frl(3,l)=om; frl(2,l)=T; A=frl; else

Ar=sqrt(fr( 1,2 : end).л2+fr(2,2 : end) .л2); i=2; J=2;frl(l,l)=fr(l,l); if (Ar(l,l)>Ar(l,2))

fr1(1,2)=fr(1,2);fr1(2,2)=fr(2,2);

fr1(3,2)=1;

J=3;

end;

while(i<nf1-1)

if ((Ar( 1,i)>Ar( 1,i-1 ))&&(Ar( 1,i)>Ar( 1,i+1))) fr1(1,J)=fr(1,i+1); fr1(2,J)=fr(2,i+1); fr1(3,J)=i; J=J+1;

end; i=i+1;

end;

Ar1=sqrt(fr1(1,2:end).л2+fr1(2,2:end).л2);

fr1(3,1)=om;

fr1(2,1)=T;

i=2; J=2;

fr2(1,1)=fr1(1,1);fr2(2,1)=fr1(2,1);fr2(3,1)=fr1(3,1);

if (Ar1(1,1)>Ar1(1,2))

fr2(1,2)=fr1(1,2);fr2(2,2)=fr1(2,2);

fr2(3,2)=fr1(3,2);

J=3;

end;

nf2=length(fr1(1,:));

while(i<nf2-1)

if ((Ar 1(1,i)>Ar 1(1,i-1 ))&&(Ar 1(1,i)>Ar 1(1,i+1))) fr2(1,J)=fr1(1,i+1); fr2(2,J )=fr 1(2,i+1); fr2(3,J )=fr 1(3,i+1);

j=j+i; end; i=i+1; end;

Ar2=sqrt(fr2(1,2: end). A2+fr2(2,2: end) A2); Arm=mean(Ar2); nr2=flnd(Ar2>Arm); Ar2=Ar2(1,nr2); nr2=nr2+1; nr2=[1 nr2]; fr2=fr2(:,nr2); A=fr2; end

%% Рисование графиков функций if (plt>0)

l=1:1:nf1;

y2=zeros( 1,length(t 1)); for j=1:1:length(t1) y2(1,j)=fr(1,1)/2;

y2(1,j)=y2(1,j)+sum( fr(1,2:end).*cos(l.*om*t1(j)) + fr(2,2:end).*sln(l.*om*t1(j)) ); end; lf (kt>=1) y3=zeros(1,length(t1)); for j=1:1:length(t1) y3(1,j)=fr1(1,1)/2;

y3(1,j)=y3(1,j)+sum( fr1(1,2:end).*cos(fr1(3,2:end).*om*t1(j)) + fr1(2,2:end).*sln(fr1(3,2:end).*om*t1(j)) ); end; end; lf (kt>=2)

y4=zeros(1,length(t1)); for J=1:1:length(t1) y4(1,J)=fr2( 1,1)/2 ;

y4(1,J)=y4(1,J)+sum( fr2(1,2: end). * cos(fr2(3,2 : end) .*om*t1(J)) + fr2(2,2:end).*sin(fr2(3,2:end).*om*t1(J)) ); end; end;

figure;

subplot(2,1,1); plot(t1,y1,'b');hold on; if (kt>=0)

plot(t1,y2,'r'); end; if (kt>=1)

plot(t1,y3,'g'); end; if (kt>=2)

plot(t1,y4,'y'); end;

grid on;hold off; xlim([t1(1,1) t1(1,end)]);

subplot(2,1,2); bar(Ar);hold on; grid on; if (kt>=1)

plot(fr 1(3,2: end), Ar 1,'r*'); end; if (kt>=2) plot(fr2(3,2:end),Ar2,'g*');

end;

hold off;

xllm([1 length(fr( 1,2:end))]); end end

Листинг 4.4 - Функция «freq» вычисляющая частотные коэффициенты разложения в ряд Фурье заданной векторами t и y функции

clear

load ('VG_Data.mat'); load ('VG_fData.mat');

f0=0; df=0.1; f1=25; dh=50;

n1=floor(mln(d_4713_1(:,4))/dh); n2=floor(max(d_4713_1(:,4))/dh)+1; Ad_4713_1=frq_dlap( A_4713_1, d_4713_1, [n1*dh dh n2*dh], [f0 df f1] ); n1=floor(mln(d_4713_2(:,4))/dh); n2=floor(max(d_4713_2(:,4))/dh)+1; Ad_4713_2=frq_dlap( A_4713_2, d_4713_2, [n1*dh dh n2*dh], [f0 df f1] ); n1=floor(mln(d_8033_1(:,4))/dh); n2=floor(max(d_8033_1(:,4))/dh)+1; Ad_8033_1=frq_dlap( A_8033_1, d_8033_1, [n1*dh dh n2*dh], [f0 df f1] ); n1=floor(mln(d_8033_2(:,4))/dh); n2=floor(max(d_8033_2(:,4))/dh)+1; Ad_8033_2=frq_dlap( A_8033_2, d_8033_2, [n1*dh dh n2*dh], [f0 df f1] ); n1=floor(mln(d_8036_1(:,4))/dh); n2=floor(max(d_8036_1(:,4))/dh)+1; Ad_8036_1=frq_dlap( A_8036_1, d_8036_1, [n1*dh dh n2*dh], [f0 df f1] ); n1=floor(mln(d_8036_2(:,4))/dh); n2=floor(max(d_8036_2(:,4))/dh)+1; Ad_8036_2=frq_dlap( A_8036_2, d_8036_2, [n1*dh dh n2*dh], [f0 df f1] ); save ('VG_lfData.mat', 'Ad_4713_1', 'Ad_4713_2', 'Ad_8033_1', 'Ad_8033_2', 'Ad_8036_1', 'Ad_8036_2');

Листинг 4.5 - Основной скрипт программы рассчитывающей интервальные оценки частотных спектров крутящего момента на валу СВП

function [ A ] = frq_diap( fr, d, d_h, d_f )

%d_h - массив [h0 dh hi]

%d_f - массив [f0 df fi]

dh=d_h( 1,1): d_h( 1,2): d_h( 1,3)-d_h( 1,2);

df=d_f( 1,1): d_f( 1,2): d_f( 1,3)-d_f( 1,2);

nh=length (dh);

nf=length (df);

A=zeros(nh,nf);

for i=1 :nh

n0=find(d(:,4)>=dh(i)&d(:,4)<dh(i)+d_h(1,2)); if ~isempty(n0)%length(n0)>1 for n=1:1 :length(n0)

n1=find(fr(n0(n) *3,2: end)>0)+1; if ~isempty(n1)%(length(n1)>0) n2=n1(end)-1; fr1=zeros(2,n2);

fr1(1,:)=fr(n0(n)*3-2,2:n2+1).A2+fr(n0(n)*3-1,2:n2+1).A2;

fr1(2,:)=fr(n0(n)*3,2:n2+1).*fr(n0(n)*3,1);

for j=1:nf

n2=find(fr 1(2, :)>=df(j)&fr 1(2,: )<df(j)+d_f( 1,2)); if ~isempty(n2)

A(ij)=max([A(ij) fr1(1,n2)]); end end

clear fr1; end

end

end% if length(n0)>1

end end

Листинг 4.6 - Функция frq_diap для расчета интервальных оценок частотных спектров данных крутящего момента на валу СВП

ПРИЛОЖЕНИЕ В Проверочный расчёт цилиндрической эвольвентной передачи внешнего зацепления по ГОСТ 21354-87 Исходные данные: Число зубьев шестерни 21: 45

Число зубьев колеса 22: 47

Нормальный модуль т, мм: 8

Ширина зубчатого венца 130

шестерни Ь1, мм:

Ширина зубчатого венца колеса 120

Ь2, мм:

Коэффициент смещения на 0

шестерне х1:

Коэффициент смещения на 0

колесе х2:

Угол наклона зубьев в, град: 11.43

Степень точности передач по 7

ГОСТ 1643-81:

Шероховатость поверхности 2

шестерни, Яа

Шероховатость поверхности 2

колеса, Яа

Отклонение положения 0

контактных линий 1кБ, мкм:

Наличие модификации головки Нет

зуба:

Крутящий момент на шестерне 20000

эквивалентный циклу нагружения Т1, Нм: (приходящийся на одно зацепление)

Частота вращения шестерни эквивалентная циклу нагружения п1, об/мин:

Максимальный крутящий момент на шестерне Т1т, Нм:

(приходящийся на одно зацепление)

Частота вращения шестерни при максимальном крутящем моменте п1т, об/мин:

Колличество контактов зубьев шестерни за один оборот, N01

Колличество контактов зубьев колеса за один оборот, N02

Неравномерность нагружения двигателя:

Неравномерность нагружения ведомой машины:

Требуемый ресурс ЬИ, ч: Средняя твёрдость поверхности зубьев шестерни Но1:

Средняя твёрдость поверхности зубьев колеса Но2:

Средняя твёрдость сердцевины зубьев шестерни Нк1:

Средняя твёрдость сердцевины зубьев колеса Нк2:

Предел текучести материала шестерни ой, МПа:

30000

10

1 1

равномерно равномерно 1000

58 НЯС (573 НВ, 695 НУ) 57 НЯС (560 НВ, 670 НУ) 471 НУ (440НВ, 48НЯС) 458 НУ (430НВ, 47НЯС) 980

Предел текучести материала 980

колеса о12, МПа:

Коэффициент Пуассона для 0.3

материала шестерни у1:

Коэффициент Пуассона для 0.3

материала колеса у2:

Модуль упругости материала 210000

шестерни Е1, МПа:

Модуль упругости материала 210000

колеса Е2, МПа:

Тип передачи Не реверсивная

Способ изготовления заготовки Поковка

шестерни

Способ изготовления заготовки Поковка

колеса

Шлифование рабочей Да

поверхности зубьев шестерни:

Шлифование рабочей Да

поверхности зубьев колеса:

Шлифование переходной Нет

поверхности зуба шестерни:

Шлифование переходной Нет

поверхности зуба колеса:

Деформационное упрочнение или Нет

электрохимическая обработка переходной поверхности зуба шестерни:

Деформационное упрочнение или Нет

электрохимическая обработка переходной поверхности зуба колеса:

Способ механической обработки рабочей поверхности зубьев шестерни: Долбяк.

Способ механической обработки рабочей поверхности зубьев колеса: Долбяк.

Способ термической и химико-термической обработки шестерни: Нитроцементация. Сталь не содержащая молибден, закаливаемая с нитроцементационного нагрева.

Способ термической и химико-термической обработки колеса: Нитроцементация. Сталь не содержащая молибден, закаливаемая с нитроцементационного нагрева.

Метод расчёта:

Расчёт произведён теоретическим методом в соответствии с ГОСТ 2135487.

Область применения расчёта:

Данная методика расчёта распространяется на передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные, внешнего зацепления общепромышленного применения с исходным контуром по ГОСТ 13755-81, модулем т > 1, работающих со смазкой маслом при окружных скоростях V < 25 м/ с.

Данная методика расчёта не распространяется на зубчатые цилиндрические эвольвентные передачи, для которых установлены особые правила расчёта.

Расчёт геометрических параметров, используемых в расчёте на прочность:

Рабочая ширина венца зубчатой передачи, принимаем равной меньшему значению из ширин зубчатых венцов шестерни и колеса:

Ь = 120 мм

Делительный угол профиля в торцевом сечении:

= tg 20° at = arctg cos ^ ^ = 20.37град

Угол зацепления находим из уравнения:

2( x1 + x2)tg 20°

inva =--+ inva a* = 2037град

Межосевое расстояние:

(z1 + z2)m cosa

a =----

w 2cosp cosa aw = 375.45мм

Делительные диаметры:

, mz1 d

1 cos p d = 367.28мм

7 mz2

a2 =-

cos p a = 383.61мм

Диаметры вершин зубьев: di = d + 2m(1 + x1) dfll = 383.28мм da2 = d2 + 2m(1+x2) dfl2 = 399.61мм Основные диаметры: di = d + cos a dM = 344.31мм ^ = d + cosa d2 = 359.61мм

Углы профиля зуба в точках на окружностях вершин:

dbL

dal aa1 = 26.06град

d__

a 2

Составляющие коэффициента торцевого перекрытия:

z1(tgaa1 ~ tgaw )

^ =-2T- = 0.84

_ _ Z 2(tga a 2 ~ gaw) ЛОС

^2 = 2T Ea 2 = °.85

Коэффициент торцевого перекрытия:

Ea = Eal + ^a2 Ea = 169

Осевой шаг:

Tim

Px

aal = arccos

ad2 arccos aa2 = 25.85град

sin p Px = 126.82мм

Коэффициент осевого перекрытия:

е ='w

С* р, е„ = °95

Суммарный коэффициент перекрытия:

ег=еа+ед sr = 2-64

Основной угол наклона:

Д - arcsin(sin cos 20°) Д - 10.73град

Эквивалентные числа зубьев: _ z1

Zv1 = cos3^ zvi = 47.79

_ z 2

Zv2 = cos3^ Zv2 = 49.91

Окружная скорость: 7vd,ri1

и =

60000 о = 1.15м / с Передаточное число:

г 2

и = —

г1 и = 1.04

Проверочный расчёт зубьев на контактную выносливость:

Коэффициент, учитывающий механические свойства сопряженных

зубчатых колес:

ZE =

1 -v12 1 -v22

7Г(--h-

Е1 Е 2 ^Е = 191.65 Коэффициент, учитывающий форму сопряженных поверхностей зубьев в полюсе зацепления: 1

^я =

cos а \

2 cos Д

ZН = 2.45

Коэффициент, учитывающий суммарную длину контактных линий. В случае когда ер < 1 определяем по формуле:

Z =

л

(4-0(1 sB) + е

3 "V Z = 0.78

1

Окружная сила на делительном диаметре: 2000T1

FHt = 108907.51H

FHt =

Коэффициент учитывающий внешнюю динамическую нагрузку. Для выбранных режимов нагружения двигателя и ведомой машины выбираем (ГОСТ 21354-87 приложение 4):

Ka = 1

Предел контактной выносливости, для зубьев подвергнутых цементации и нитроцементации, вычисляем по формуле (Hol выраженно в единицах HRC):

CJH llmi = 23Ho1 <Jh llmi = 1334.00МПа

Предел контактной выносливости, для зубьев подвергнутых цементации и нитроцементации, вычисляем по формуле (Но2 выраженно в единицах ИКС);

&H lim 2 = 23Ho2 <Гн lim 2 = 1311.00МПа

Предельные отклонения шага зацепления. По ГОСТ 1643-81 (Зависят от степени точности, модуля и делительного диаметра): / и = 21.00 мкм

fpb2 = 21.00 МКМ

Предельное отклонение шага зацепления передачи (среднее арифметическое от/рЪ Ь и/рЬ2): /рЪ = 21.00 мкм

Уменьшение погрешности шага зацепления в результате приработки зубьев шестерни для зубчатых колёс с поверхностным упрочнением, вычисляем по формуле (но не более 3 мкм):

= 0.0075/рь = 1.57 мкм

Уменьшение погрешности шага зацепления в результате приработки зубьев колеса для зубчатых колёс с поверхностным упрочнением, вычисляем по формуле (но не более 3 мкм):

Уа2 = 00075/[ры Уа2 = 1.57 мкм

Уменьшение погрешности шага зацепления в результате приработки зубьев (среднее арифметическое от Уа1 и Уа 2):

Уа = У"1 + Уа2 у = 1.57 мкм

Удельную нормальную жёсткость пары зубьев находим из уравнения:

1 0.1425 0.1860 _ , 0.1027x1

— = 0.05139 +-+--0.01x1--+

С 7 7 7

с 7 VI 7 "2 7 VI

+ 0.00455x2 + 0 3762Х2 + 0.00734х12 - 0.00054х22

7 v2

с = 17.21Н /(мм * мкм)

Коэффициент учитывающий влияние проявления погрешностей зацепления на динамическую нагрузку (ГОСТ 21354-87 табл 8):

8Н = 0.04

Коэффициент учитывающий влияние разности шагов зацепления зубьев

шестерни и колеса (ГОСТ 21354-87 табл 9): & = 5.3

Удельная окружная динамическая сила:

^=¿^0^1^ &Ну = 4.64Н / мм

Коэффициент, учитывающий динамическую нагрузку, возникающую в зацеплении, для косозубых передач, при выполнении условия ш1 <1400 определяют по формуле:

к

К„„ = 1 + ■

Ну w

ГнКА КН,= 101 Допуск на погрешность направления зуба. По ГОСТ 1643-81 (Зависит от степени точности и рабочей ширины венца):

Е = 20 мкм

Коэффициент, учитывающий статистическое распределение погрешностей зубьев, для передач с твёрдостью поверхностей зубьев обоих зубчатых колёс > 350 НУ:

a^ = 0.5

Отклонение положения контактных линий, вследствие погрешностей изготовления:

fkz = apFp fkz = Ю мкм

Фактическое отклонение положения контактных линий в начальный период работы передачи: