Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по дисциплине  «Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов» Тема 1. Введение Удовлетворение потребностей нашей страны в топливе, путем эффективной работы нефтегазовой промышленности во многом зависит от её оснащенности современными машинами и оборудованием. В нашей стране задачи создания новой техники успешно решались научно-исследовательскими и проектно-конструкторскими институтами, машиностроительными заводами,крупными промыслами. В настоящее время в нефтегазовой промышленности практически полностью осуществляется добыча нефти и газа на основе комплексной механизации с помощью современных технических средств и передовых технологий. Тем не менее перед учеными, конструкторами и машиностроителями в области создания новой техники стоят задачи разработки и постановки на производство высокопроизводительных, высокоэффективных, безопасных и надежных машин и оборудования, конкурентоспособных по отношению к зарубежным аналогам. Для удовлетворения потребностей нефтяного и газового машиностроения в инженерных кадрах вузами страны осуществляется подготовка инженеров по специальности «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов». Данная дисциплина является одной из профилирующих дисциплин для студентов, обучающихся по указанной специальности. Целью изучения этой дисциплины является приобретение студентами знаний о порядке создания новой техники, номенклатуре и содержании конструкторской документации, методах выбора и обоснования основных конструктивных и режимных параметров, кинематических и прочностных расчетов. Кроме того, данная дисциплина формирует инженерное мышление и развивает интеллект будущих инженеров-механиков, конструкторов-машиностроителей. Наряду с преподаванием конкретных вопросов студентам прививается общая методология проектирования. При этом вступают во взаимосвязь знания по фундаментальным и прикладным дисциплинам, что также формирует мировоззрение студента. Изучение данной дисциплины базируется на знаниях, полученных при изучении практически всех предшествующих дисциплин Сама дисциплина служит основой для дипломного проектирования. Тема 2 Методология, структура и этапы проектирования бурового и нефтепромыслового оборудования 2.1. Нефтегазопромысловые машины как объекты проектирования Сложность создания оборудования для бурения скважин и добычи нефти и газа состоит, главным образом, в необходимости учета широкого спектра факторов зачастую случайным образом влияющих на процесс функционирования машин. Нефтегазопромысловое оборудование работает в крайне тяжелых условиях, подвергаясь значительным знакопеременным и динамическим нагрузкам, интенсивному абразивному изнашиванию, коррозионно-механическому разрушению. Увеличение объемов добычи нефти и газа осуществляется за счет разработки новых месторождений, многие из которых расположены в отдаленных и труднодоступных районах, углубления скважин, применения вторичных методов добычи и др. Интенсификация процессов производства приводит к ужесточению условий эксплуатации оборудования и, как следствие, к частым отказам, увеличению количества ремонтов и замене разрушенных деталей. Многие виды оборудования работают под землей и их ремонт является очень трудоемкой и дорогостоящей операцией. В литературе приводится такой наглядный пример: на бурение одной скважины глубиной 3,0-3,5 тыс. м расходуется 100-150 буровых долот. В зависимости от свойств разбуриваемых пород этот показатель может быть ниже или выше. Следовательно, при бурении скважины буровики вынуждены выполнять 100-150 спуско-подъемных операций, продолжительность каждой из них 6-8 ч. Требуется 100-150 раз развинтить и навинтить «свечу» бурильных труб буровой колонны, на торце которой находится буровое долото. При этом многократно нужно размотать и смотать талевый стальной канат, на котором с помощью крюка опускается в скважину бурильная колонна труб. При спуско-подъемных операциях под высокой нагрузкой в присутствии абразива и влаги работают лебедка, втулочно-роликовые цепи, редуктор, талевая система, вследствие чего агрегаты буровой установки быстро изнашиваются и разрушаются. Ана-логичная ситуация создается при ремонте колонны насосно-компрессорных труб, насосных штанг и другого подземного оборудования. Газонефтепромысловое оборудование отличается большими габаритами, большой металлоемкостью, что требует для его изготовления значительного расхода металла Ужесточение режимов эксплуатации газонефтепромыслового оборудования, обусловленное стремлением к наращиванию темпов производства конечного продукта, а следовательно, увеличением мощностей, нагрузок, скоростей, температур, а также коррозионной агрессивностью добываемой продукции и технологических сред, приводит к сокращению сроков службы оборудования, а иногда и к созданию аварийных ситуаций. К такому положению в значительной мере ведет совместное воздействие механического нагружения, контактного взаимодействия и влияние коррозионных сред, вызывающих коррозионно-механическое разрушение и коррозионно-механическое изнашивание. Поэтому задача выбора параметров машины в целом является по постановке оптимизационной. Расчет параметров и выбор режима работы машины не может быть осуществлен путем однозначного решения. Необходимо рассматривать полную систему взаимосвязей и принимать алгоритм решения, обеспечивающий получение оптимальных показателей. В связи с этим существенно возрастает значение повышения основных показателей качества машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов на всех этапах их жизненного цикла (прежде всего на стадии проектирования) путем использования прогрессивных методов и принципов конструирования. К ним относятся современные методы обоснования рациональных структур и параметров машин на базе системного подхода и широкого использования систем автоматизированного проектирования (САПР), оптимизация типоразмерных рядов машин и оборудования, агрегатирование на основе унифицированных блочно-модульных и базовых конструкций, максимальная унификация узлов и деталей, увеличение в экономически оправданных пределах энерговооруженности машин, снижение их удельной массы и удельных энергозатрат и др. Для создания новых машин высокого технического уровня и качества необходимо также применение прогрессивных конструкционных материалов, передовой технологии изготовления машин, принципов специализации и. кооперирования, развития и укрепления интеграции науки и производства. Специфика производства предопределила создание собственной базы машиностроения для данной отрасли. Существуют специализированные заводы по производству оборудования для нефтегазовой отрасли. Многие заводы специализируются на выпуске отдельных групп продукции. В последнее время к выпуску нефтегазопромысловой техники приступили заводы оборонной промышленности. 2.2 Анализ понятий „проектирование„ и „конструирование„ Целью и результатом разработки новых изделий является само изделие. Изделие относится к сфере материальных объектов и служит для удовлетворения требований производства и потребностей человека. Сама разработка нового изделия - это особый этап, относящийся к сфере умственной деятельности. Изделия весьма разнообразны по видам и структуре, но в общем сводятся к четырем группам: детали; сборочные единицы; комплекты; комплексы (рис. 1.1). Разработка новых изделий осуществляется инженерно-техническим персоналом путем проектирования и конструирования. Проектирование и конструирование являются процессами взаимосвязанными, дополняющими друг друга. Конструктивная форма объекта уточняется применением методов проектирования - произведением расчетов параметров, прочностных расчетов, оптимизации и др. В свою очередь, проектирование возможно только при предварительно принятых вариантах конструктивного Рис. 1.1. Виды изделий и их структура исполнения. Часто эти два процесса не различают, так как они выполняются, как правило, специалистами одной профессии - инженерами-конструкторами. Однако проектирование и конструирование - процессы разные. П р о е к т и р о в а н и е предшествует конструированию и представляет собой поиск научно обоснованных, технически осуществимых и экономически целесообразных инженерных решений. Результатом проектирования является проект разрабатываемого объекта. Проектирование - это выбор некоторого способа действия, в частном случае - это создание системы как логической основы действия, способной решать при определенных условиях и ограничениях поставленную задачу. Проект анализируется, обсуждается, корректируется и принимается как основа для дальнейшей разработки. К о н с т р у и р о в а н и е м создается конкретная, однозначная конструкция изделия. Конструкция - это устройство, взаимное расположение частей и элементов какого-либо предмета, машины, прибора, определяющееся его назначением. Конструкция предусматривает способ соединения, взаимодействие частей, а также материал, из которого отдельные части (элементы) должны быть изготовлены. В процессе конструирования создается изображение и виды изделия, рассчитывается комплекс размеров с допускаемыми отклонениями, выбирается соответствующий материал, устанавливаются требования к шероховатости поверхностей, технические требования к изделию и его частям, создается техническая документация. Конструирование опирается на результаты проектирования и уточняет все инженерные решения, принятые при проектировании. Создаваемая в процессе конструирования техническая документация должна обеспечить перенос всей конструкторской информации на изготавливаемое изделие и его рациональную эксплуатацию. Проектирование и конструирование служат одной цели: разработке нового изделия, которое не существует или существует в другой форме и имеет иные размеры. Проектирование и конструирование - виды умственной деятельности, когда в уме разработчика создается конкретный мысленный образ. Мысленный образ подвергается мысленным экспериментам, включающим перестановку составных частей или замену их другими элементами. Одновременно оценивается эффект внесенных изменений, определяется, как эти изменения могли подействовать на окончательный результат. Мысленный образ создается в соответствии с общими правилами проектирования и конструирования и впоследствии принимает окончательный, технически обоснованный вид. Разработка, составными частями которой являются проектирование и конструирование, - термин, широко применяемый в технической литературе Нередко этот термин используется узко, как синоним проектно-кон-структорских или конструкторских работ. В действительности в разработку новых изделий входит ведение научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ. Разработка входит в комплекс мероприятий, направленных на выпуск изделий промышленностью. Наряду с такими работами, как разработка технологии изготовления, материально-техническое обеспечение, организация производства, разработка занимает основное место в технической подготовке производства. Будучи исходным этапом, разработка оказывает существенное влияние на все последующие стадии жизненного цикла продукции: изготовление, обращение и реализацию, эксплуатацию или потребление. 2.3 Развитие методов проектирования Создание изделий, даже довольно сложных, многие предшествующие века осуществлялось путем эволюции кустарных промыслов. Тысячи ремесленников из века в век передавали своим детям или подмастерьям те крупицы знаний, что им удалось собрать. Эти знания имеют особый характер, их не найти научно обоснованными ни в одной книге. Ремесленник при создании изделия не вычерчивает эскиз (часто он просто не может это сделать) и не в состоянии удовлетворительно объяснить, почему он принимает то или иное решение. Изменение форм кустарного изделия происходит в результате бесчисленных неудач и успехов в процессе многовекового поиска методом проб и ошибок. Этот медленный и дорогостоящий последовательный поиск «невидимых линий» конструкции может в конечном итоге привести к удивительно точно уравновешенному изделию, которое в очень высокой степени удовлетворяет потребителя. Однако, хранилищем всей важной информации, собранной в ходе эволюции промысла, является в первую очередь сама форма изделия, которая остается постоянной и изменяется только для исправления ошибок и при возникновении новых потребителей. Частично информация хранится в виде эталонов, а также в виде усваиваемых при обучении ремеслу фиксированных навыков, необходимых для воспроизведения традиционной формы изделия. Считается, что в этих традициях содержится «генетический код», необходимый для эволюции промысла. Два класса данных, наиболее важные для современного проектирования, - форма изделия в целом и её логические обоснования - не фиксируются в символической форме, поэтому их невозможно исследовать и изменять без грубого экспериментирования с самим изделием. К таким экспериментам прибегают лишь тогда , когда методами постепенной эволюции не удается удовлетворить новым требованиям. Ч е р т е ж н ы й с п о с о б п р о е к т и р о в а н и я - это проектирование путем создания чертежей в определенном масштабе. Принципиальная разница между этим общепринятым способом разработки формы для изделий машинного производства и предшествовавших ему эволюций форм в кустарных промыслах заключается в том, что здесь поиск методом проб и ошибок отделен от производства, что эксперименты и изменения проводятся на масштабном чертеже, а не на самом изделии. Это позволило задавать размеры изделия до его изготовления и тем самым разделить труд по изготовлению отдельных частей между многими работниками, что в свою очередь обеспечило увеличение не только сложности изделия, но темпа их изготовления. А в т о м а т и з и р о в а н н о е п р о е к т и р о в а н и е призвано решать сложные современные задачи, непосильные для традиционного процесса проектирования. Этот вид проектирования относительно молод и стал возможным с появлением мощных ЭВМ, развитием соответствующих математических методов и программного обеспечения, но уже получил широкое признание. На помощь конструкторам пришли мощные программные комплексы, в частности, SolidWorks, позволяющие вести трехмерное моделирование деталей, создание сборок и проектирование чертежей на их основе. Ниже рассматриваются его особенности. 2.4 Требования, предъявляемые к нефтегазопромысловым машинам и оборудованию. Создание нефтегазопромысловых машин и оборудования - сложная инженерная задача, базирующаяся на новейших достижениях науки и техники. Разработка новых конструкций бурового оборудования, изготовление опытных образцов, их испытание, освоение серийного производства иногда требуют длительных сроков (3-7 лет). Поэтому конструкторы и машиностроители должны ясно представлять пути развития соответствующей техники и максимально полно учитывать ее особенности и условия применения (см. П 2.1), а также требования к ней, которые подразделяются на общие и специальные. К общим требованиям следует отнести социальные, экономические, эксплуатационные и технологические. Для решения социальных задач при проектировании нефтегазопромысловых машинам и оборудования должны быть обеспечены: максимальная безопасность обслуживания; комфортность труда; минимальные затраты ручного и тяжелого физического труда; легкость и удобство управления; необходимые санитарно-гигиенические условия труда рабочих. Проектируемые машины и механизмы должны исключать возможность поражения током и травмирования обслуживающего персонала, а их конструкция удовлетворять требованиям, установленным правилами безопасности. Сведение к минимуму ручного труда должно достигаться за счет совершенствования технологических схем работы и конструкции машин, а также за счет автоматизации основных и вспомогательных рабочих процессов. При проектировании оборудования следует предусматривать меры защиты от загрязнения окружающей среды, шума и вибраций. К экономическим требованиям относится обеспечение минимальных трудовых и материальных затрат при изготовлении, эксплуатации, обслуживании и ремонтах машин. Высокие технико-экономические показатели работы машин могут быть достигнуты комплексом мероприятий, основные из которых: увеличение производительности машин; снижение стоимости оборудования; уменьшение эксплуатационных расходов; снижение энергозатрат рабочих процессов; повышение надежности оборудования; увеличение морального и физического срока службы машин и их элементов. Эксплуатационные требования к нефтегазопромысловым машинам и оборудованию заключаются в обеспечении безотказного их функционирования во время эксплуатации, а также поддержании работоспособного состояния проведением своевременных технического обслуживания и ремонтов. Создаваемые машины должны иметь высокую ремонтопригодность и быть приспособленными к использованию современных средств технической диагностики. При решении технологических задач конструктор при проектировании новых и модернизации существующих машин должен обеспечивать технологичность их изготовления, сборки и ремонта. Создаваемые изделия должны соответствовать производственным возможностям заводов-изготовителей при обеспечении минимальных затрат труда и материалов, всем требованиям соответствующих ГОСТов, ОСТов, стандартов предприятий и других нормативно-технических документов. При решении конкретных задач должны учитываться специфические условия эксплуатации машин: непостоянство рабочего места; широкое разнообразие горно-геологических условий; различные физико-механические свойства разрушаемых рабочими инструментами горных пород; колебание в широких пределах фракционного состава нефти; высокие динамические нагрузки на узлы машин; влажность, химическая активность среды; возможность внезапных выбросов нефти и газа, их самовоспламенение и другие опасные ситуации. Тяжелые эксплуатационные условия работы нефтегазопромысловых машин и оборудования обусловливают следующие специфические требования, предъявляемые к ним при проектировании: соответствие габаритов машин и элементов размерам рабочего пространства и возможность свободного их перемещения в скважине; возможность разборки машины на узлы, позволяющие их транспортирование и обеспечивающие удобство их монтажа и демонтажа в полевых условиях; достаточный запас прочности деталей машин и механизмов для восприятия высоких нагрузок, а также возможность нормальной смазки трущихся поверхностей; наличие в конструкциях машин устройств и средств, не допускающих самопроизвольного их движения вниз под действием веса; защита внутренних полостей машин от проникновения в них пыли и влаги; защита выдвижных обработанных поверхностей деталей от вредного влияния агрессивной среды; доступ ко всем узлам машин и удобные их техническое обслуживание и ремонт и другие. 2.5 Система разработки и постановки продукции на производство Порядок создания и модернизации продукции всех отраслей промышленности, в том числе и нефтегазопромыслового машиностроения, регламентируется ГОСТ Р15.201-2000 «Система разработки и постановки продукции на производство. Продукция производственно-технического назначения. Порядок разработки и постановки продукции на производство.» Продукция, подлежащая разработке и постановке на производство, должна соответствовать мировому уровню, обеспечивать эффективность ее применения в народном хозяйстве страны и конкурентоспособность на внешнем рынке. В зависимости от наличия целевых программ развития продукции, наличия или отсутствия заказчика, характера взаимоотношений между субъектами хозяйственной деятельности разработку и постановку продукции на производство осуществляют по следующим моделям организации работ: 1 - создание продукции по государственному и муниципальным заказам, а также другим заказам, финансируемым из федерального бюджета и бюджетов субъектов Российской Федерации (далее - по госзаказу); 2 - создание продукции по заказу конкретного потребителя (заинтересованных организаций, обществ, коммерческих структур); 3 - инициативные разработки продукции без конкретного заказчика при коммерческом риске разработчика и изготовителя. Модель организации работ выбирают, исходя из возможности при их реализации обеспечивать необходимое качество продукции, выполнение обязательных требований и конкурентоспособность продукции. Госзаказы размещают на конкурсной основе, с учетом данных о квалификации исполнителя, в соответствии с действующим порядком организации закупки товаров, работ и услуг для государственных нужд. При создании продукции по госзаказу и заказу конкретного потребителя заключают договор (контракт) на выполняемые работы, оформленный в установленном порядке, и разрабатывают ТЗ на выполняемые работы. В договоре и (или) ТЗ при необходимости указывают нормативные документы, регламентирующие порядок выполнения работ, и документы, определяющие обязательные правила и требования к продукции. При необходимости в договоре (контракте) указывают комплекс модулей организации работ, обеспечивающих выполнение и подтверждение обязательных требований, а также требований, установленных законами и нормативными документами органов государственного надзора. На основе исходных требований заказчика (при его наличии) разработчик продукции проводит необходимые научно-исследовательские, опытно-конструкторские и технологические работы, обращая особое внимание на обеспечение следующих требований: - безопасности, охраны здоровья и окружающей среды (в том числе их сохраняемости в процессе эксплуатации продукции); - ресурсосбережения; - установленных для условий использования продукции значений показателей, определяющих ее технический уровень; - устойчивости к внешним воздействиям; - взаимозаменяемости и совместимости составных частей и продукции в целом. Решение о разработке продукции в инициативном порядке принимают с учетом условий рынка сбыта. Разработка и постановка продукции на производство в общем случае предусматривает: 1) разработку ТЗ на опытно-конструкторскую работу (ОКР); 2) проведение ОКР, включающей: - разработку технической документации [конструкторской (КД) и технологической (ТД)], - изготовление опытных образцов, - испытания опытных образцов, - приемку результатов ОКР; 3) постановку на производство, включающую: - подготовку производства, - освоение производства: изготовление установочной серии, квалификационные испытания. Этапы конкретной ОКР (составной части ОКР), а также порядок их приемки должны быть определены в ТЗ на ОКР (составную часть ОКР) и договоре (контракте) на ее выполнение. На всех этапах ОКР (составной части ОКР) и при постановке продукции на производство исполнители обеспечивают выполнение обязательных требований. Достигнутые показатели, соответствие их требованиям ТЗ на ОКР (составную часть ОКР) оценивают при приемке этапов и отражают в протоколах (актах) испытаний опытных образцов продукции и актах приемки этапов ОКР и ОКР в целом. Взаимоотношения разработчика (изготовителя) с органами государственного надзора определяет действующее законодательство. В органы государственного надзора в соответствии с их правилами представляют документы подтверждения соответствия обязательным требованиям. Состав указанных документов устанавливает соответствующий орган государственного надзора. Продукты интеллектуального труда, полученные в процессе создания и постановки продукции на производство и являющиеся объектами охраны интеллектуальной собственности, используют в порядке, установленном законодательством Российской Федерации. 2.5.1 Разработка технического задания на ОКР Основанием для выполнения ОКР является ТЗ, утвержденное заказчиком, и договор (контракт) с ним. В качестве ТЗ может быть использован иной документ, содержащий необходимые и достаточные требования для разработки продукции и взаимопризнаваемый заказчиком и разработчиком. В случае инициативной разработки продукции основанием для выполнения ОКР является утвержденное руководством предприятия-разработчика ТЗ (или заменяющий его документ), базирующееся на результатах исследования рынка продукции, а также патентных исследований по ГОСТ Р 15.011. При разработке ТЗ разработчик учитывает информацию об аналогичной продукции, содержащуюся в базах данных (общероссийской и региональных), созданных в Госстандарте России на основе каталожных листов продукции. В ТЗ рекомендуется указывать технико-экономические требования к продукции, определяющие ее потребительские свойства и эффективность применения, перечень документов, требующих совместное рассмотрение, порядок сдачи и приемки результатов разработки. В ТЗ предусматривают реализацию всех обязательных требований, распространяющихся на данную продукцию. В ТЗ указывают предусмотренную законодательством форму подтверждения соответствия продукции обязательным требованиям. В ТЗ рекомендуется предусматривать учет интересов всех возможных потребителей. Конкретное содержание ТЗ определяют заказчик и разработчик, а при инициативной разработке - разработчик. Не допускается включать в ТЗ требования, которые противоречат законам Российской Федерации и обязательным требованиям. В ТЗ рекомендуется предусматривать следующие положения: - прогноз развития требований на данную продукцию на предполагаемый период ее выпуска; - рекомендуемые этапы модернизации продукции с учетом прогноза развития требований; - соответствие требованиям стран предполагаемого экспорта с учетом прогноза развития этих требований; - характеристики ремонтопригодности; - возможность замены запасных частей без применения промышленной технологии. ТЗ разрабатывают и утверждают в порядке, установленном заказчиком и разработчиком. К разработке ТЗ могут привлекаться другие заинтересованные организации (предприятия): изготовитель, торговая (посредническая) организация, страховая организация, организация-проектировщик, монтажная организация и др. Для подтверждения отдельных требований к продукции, в том числе требований безопасности, охраны здоровья и окружающей среды, а также оценки технического уровня продукции, ТЗ может быть направлено разработчиком или заказчиком на экспертизу (заключение) в сторонние организации. Решение по полученным заключениям принимают разработчик и заказчик до утверждения ТЗ. На любом этапе разработки продукции при согласии заказчика и разработчика в ТЗ или документ, его заменяющий, могут быть внесены изменения и дополнения, не нарушающие условия выполнения обязательных требований. 2.5.2 Разработка документации, изготовление и испытания опытных образцов продукции Разработку конструкторской и технологической, а при необходимости программной документации на продукцию проводят по правилам, установленным соответственно стандартами Единой системы конструкторской документации (ЕСКД), Единой системы технологической документации (ЕСТД) и Единой системы программной документации (ЕСПД). Общие требования по управлению проектированием - по 4.4 ГОСТ Р ИСО 9001. Правила разработки технической документации на материалы и вещества устанавливает разработчик с учетом действующих государственных стандартов, специфики продукции и организации ее производства. В процессе разработки документации по выбору и проверке новых технических решений, обеспечивающих достижение основных потребительских свойств продукции, могут быть проведены лабораторные исследовательские, стендовые и другие испытания, а также доводочные испытания экспериментальных и опытных образцов продукции в условиях, имитирующих реальные условия эксплуатации (потребления), при этом учитывают патентно-правовые аспекты хозяйственного использования этих технических решений. Для отдельных видов продукции или ее составных частей испытания опытных образцов могут быть проведены в условиях эксплуатации (в том числе на предприятиях-потребителях продукции). Объем и содержание испытаний, необходимых для предотвращения постановки на производство неотработанной, не соответствующей ТЗ продукции, определяет разработчик с учетом новизны, сложности, особенностей производства и применения продукции, требований заказчика. При этом обязательно должны быть проведены испытания на соответствие всем обязательным требованиям. Необходимость разработки, изготовления и испытания макетов (моделей), экспериментальных и опытных образцов продукции, их перечень и количество определяют в ТЗ и договоре (контракте) на ОКР (составную часть ОКР). Это не исключает возможности проведения таких работ разработчиком, если их необходимость выявится впоследствии, при этом в ТЗ и договор (контракт) при согласии заказчика вносят соответствующие изменения. Требования к процедурам контроля и испытаний устанавливают в соответствии с 4.10-4.12 ГОСТ Р ИСО 9001. Для ремонтопригодной продукции в договоре (контракте) и ТЗ на ОКР целесообразно предусматривать разработку ремонтной документации, предназначенной для подготовки производства, ремонта и контроля продукции после ремонта. Для подтверждения соответствия разработанной технической документации исходным требованиям и выбора лучшего решения (при наличии вариантов) изготавливают опытные образцы (опытные партии) продукции, если продукция предполагается к серийному изготовлению (при ожидаемой постоянной потребности). Для несерийного производства продукции так же изготавливают головные образцы. При создании единичной продукции головные образцы продукции, как правило, подлежат реализации их заказчику (если иное не оговорено в контракте и ТЗ на ОКР). 2.5.3 Испытания опытных образцов продукции Для оценки и контроля качества результатов, полученных на определенных этапах ОКР (составной части ОКР), опытные образцы (опытную партию) продукции (головные образцы* продукции) подвергают контрольным испытаниям по следующим категориям: - предварительные испытания, проводимые с целью предварительной оценки соответствия опытного образца продукции требованиям ТЗ, а также для определения готовности опытного образца к приемочным испытаниям; - приемочные испытания, проводимые с целью оценки всех определенных ТЗ характеристик продукции, проверки и подтверждения соответствия опытного образца продукции требованиям ТЗ в условиях, максимально приближенных к условиям реальной эксплуатации (применения, исполь­зования) продукции, а также для принятия решений о возможности промышленного производства и реализации продукции. Если к продукции предъявляются обязательные требования, подлежащие в дальнейшем обязательному подтверждению соответствия (сертификации), результаты приемочных испытаний продукции в части обязательных требований, проведенных в лабораториях (центрах), аккредитованных в установленном порядке, могут быть использованы для получения подтверждения соответствия по установленным правилам. Место проведения испытаний опытных образцов продукции определяет разработчик совместно с изготовителем серийной продукции (в случае, если функции разработчика и изготовителя выполняют разные предприятия и нет определенных условий проведения испытаний, установленных органами государственного надзора). Для составных частей продукции, разрабатываемых по ТЗ головного исполнителя ОКР, самостоятельные приемочные испытания проводят с участием заинтересованных организаций. Конечной целью этих испытаний является оценка соответствия требованиям ТЗ, по которому их разрабатывают, и определение возможности установки составных частей в опытный образец продукции, предназначающийся для проведения его предварительных испытаний. Приемочные испытания опытных образцов составных частей продукции (разрабатываемых по ТЗ головного исполнителя ОКР) с участием заинтересованных организаций организует головной разработчик по созданию продукции. В других случаях испытания опытных образцов составных частей продукции организует их разработчик. В случае выполнения ОКР при инициативной разработке (без конкретного заказчика) приемочные испытания организует разработчик. Ответственность за проведение испытаний несет их организатор. Предварительные и приемочные испытания проводят по соответствующим программам и методикам испытаний (далее—программам испытаний), разрабатываемым и утверждаемым стороной, несущей ответственность за проведение этих испытаний. Программы испытаний разрабатывают на основе требований ТЗ, конструкторской документации с использованием при необходимости типовых программ, типовых (стандартизованных) методик испытаний и других нормативных документов в части организации и проведения испытаний. В программу испытаний включают: - объект испытаний, - цель испытаний, - объем испытаний, - условия и порядок проведения испытаний, - материально-техническое обеспечение испытаний, - метрологическое обеспечение испытаний, - отчетность по испытаниям. В программы испытаний включают перечни конкретных проверок (решаемых задач, оценок), которые следует проводить при испытаниях для подтверждения выполнения требований ТЗ со ссылками на соответствующие методики испытаний. Программа и методика приемочных испытаний опытных образцов продукции должны, кроме того, содержать проверку качества рабочей конструкторской и эксплуатационной документации (включая проект технических условий для промышленного производства продукции) для принятия решения о пригодности документации в промышленном производстве. В методику испытаний включают: - оцениваемые характеристики (свойства, показатели) продукции; - условия и порядок проведения испытаний; - способы обработки, анализа и оценки результатов испытаний; - используемые средства испытаний, контроля и измерений; - отчетность. Методики испытаний, применяемые для определения соответствия продукции обязательным требованиям, если они не являются типовыми стандартизованными методиками, должны быть аттестованы в установленном порядке и согласованы с соответствующими органами государственного надзора. Испытания проводят после проверки готовности мест проведения испытаний (лабораторий, испытательных центров и т. п.) к обеспечению технических требований, требований безопасности и после назначения ответственных специалистов по всем работам при подготовке и проведении испытаний, оценке характеристик продукции с установленной точностью измерений, а также регистрации их результатов. Для проведения приемочных испытаний, как правило, назначается комиссия, которая контролирует полноту, достоверность и объективность результатов испытаний, а также полноту информации, соблюдение сроков испытаний и документальное оформление их результатов. При согласии заинтересованных организаций допускается проводить испытания без назначения комиссии, но с возложением ее функций и обязанностей на соответствующие службы организации, проводящей испытания, что должно быть отражено в ТЗ и (или) договоре (контракте) на выполнение ОКР. К началу проведения испытаний должны быть завершены мероприятия по их подготовке, предусматривающие: - наличие, годность и готовность на месте проведения испытаний средств материально-технического и метрологического обеспечения, гарантирующих создание условий и режимов испытаний, соответствующих указанным в программе испытаний; - обучение и при необходимости аттестацию персонала, допускаемого к испытаниям; - назначение комиссии либо соответствующих организаций (предприятий) и их служб (если комиссия не назначается); - своевременное представление к месту испытаний опытного образца продукции с комплектом конструкторской, нормативной, справочной и другой документации, предусмотренной программой испытаний. В процессе испытаний ход и результаты испытаний документально фиксируют по форме и в сроки, предусмотренные в программе испытаний. В обоснованных случаях испытания могут быть прерваны или прекращены, что документально оформляют. Заданные и фактические данные, полученные при испытаниях, отражают в протоколе (протоколах). Испытания считают законченными, если их результаты оформлены актом, подтверждающим выполнение программы испытаний и содержащим оценку результатов испытаний с конкретными точными формулировками, отражающими соответствие испытуемого опытного образца продукции требованиям ТЗ. По окончании приемочных испытаний опытные образцы или образцы опытной партии считаются выполнившими свои функции. Их дальнейшее использование (в качестве единиц несерийной продукции), утилизация или уничтожение определяются особым решением, отвечающим действующему законодательству. Органы государственного надзора определяют при приемочных испытаниях степень соответствия продукции обязательным требованиям и выдают по результатам испытаний окончательное заключение, что отражается в акте или в отдельном документально оформленном заключении. 2.5.4 Приемка результатов разработки продукции Результаты разработки продукции оценивает приемочная комиссия, в состав которой входят представители: заказчика, разработчика и изготовителя. В работе комиссии могут участвовать эксперты сторонних организаций, а по продукции, на которую установлены обязательные требования, - органы государственного надзора (или представлено заключение этих органов). При наличии заказчика назначают председателем комиссии его представителя. Состав комиссии формирует и утверждает заказчик или, при согласии заказчика, разработчик. Приемочная комиссия проводит приемочные испытания опытных образцов (опытных партий) продукции. Разработчик представляет приемочной комиссии ТЗ на выполнение ОКР, проект технических условий (ТУ) или стандарта технических условий (если их разработка предусмотре­на), конструкторские и (или) технологические документы, требующие совместное рассмотрение, отчет о патентных исследованиях, другие технические документы и материалы, требуемые по законодательству, подтверждающие соответствие разработанной продукции ТЗ и договору (контракту) и удостоверяющие ее технический уровень и конкурентоспособность. Приемочной комиссии, как правило, представляют также опытные образцы продукции, а если их изготовление не было предусмотрено - головной образец или единичную продукцию, созданную в рамках выполнения ОКР. По результатам проведения приемочных испытаний и рассмотрения представленных материалов комиссия составляет акт, в котором указывает: 1) соответствие образцов разработанной (изготовленной) продукции заданным в ТЗ требованиям, допустимость ее производства (сдачи потребителю); 2) результаты оценки технического уровня и конкурентоспособности продукции, в том числе в патентно-правовом аспекте; 3) результаты оценки разработанной технической документации (включая проект ТУ); 4) рекомендации о возможности дальнейшего использования опытных образцов продукции; 5) рекомендации по изготовлению установочной серии и ее объеме при выполнении работ по постановке продукции на производство; 6) замечания и предложения по доработке продукции и документации (при необходимости); 7) другие рекомендации, замечания и предложения приемочной комиссии. Акт приемочной комиссии утверждает заказчик. Утверждение акта приемочной комиссии означает окончание разработки, прекращение действия ТЗ (если оно не распространяется на дальнейшие работы), согласование представленных ТУ, технической документации. 2.5.5 Подготовка и освоение производства (постановка на производство) продукции Подготовку и освоение производства, которые представляют собой этапы постановки продукции на производство, осуществляют с целью обеспечения готовности производства к изготовлению и выпуску (поставке) вновь разработанной (модернизированной) либо выпускавшейся ранее другим предприятием продукции в заданном объеме, соответствующей требованиям конструкторской документации. Основанием для постановки на производство является заключенный с заказчиком договор (контракт) по закупке у поставщика (изготовителя) продукции, изготовляемой в течение установленного срока. При отсутствии конкретного заказчика основанием служит решение руководства поставщика под собственный коммерческий риск. Изготовитель принимает от разработчика продукции: - комплект КД и ТД литеры О1 или более высокой; - специальные средства контроля и испытаний; - опытный образец продукции (при необходимости) в соответствии с условиями использования научно-технической продукции, оговоренными в договоре (контракте) на ОКР; - документы о согласовании применения комплектующих изделий в соответствии с ГОСТ 2.124; - заключения по проведенным экспертизам (в том числе метрологической, экологической и др.); - копию акта приемочных испытаний; - документы, подтверждающие соответствие разработанной продукции обязательным требованиям. На этапе подготовки производства изготовитель должен выполнить работы, обеспечивающие технологическую готовность предприятия к изготовлению продукции в оговоренные контрактом (договором) сроки в заданных объемах, в соответствии с требованиями КД и законодательства Российской Федерации, а также следующие основные работы: - разработку ТД (или корректировку полученной ТД) на изготовление продукции для поставки, контроля и испытаний; - отработку конструкции на технологичность с учетом стандартов ЕСТД; - заключение договоров (контрактов) с поставщиками комплектующих изделий и материалов и лицензионных соглашений с правообладателями на использование объектов промышленной и интеллектуальной собственности; - подготовку и представление в территориальные органы Госстандарта России каталожного листа продукции в установленном порядке; - другие работы. Подготовку производства считают законченной, когда изготовителем продукции получена вся необходимая документация, разработана (отработана) ТД на изготовление продукции, опробованы и отлажены средства технологического оснащения и технологические процессы, подготовлен персонал, занятый при изготовлении, испытаниях и контроле продукции, и установлена готовность к освоению производства продукции. На этапе освоения производства выполняют: - изготовление установленного договором (контрактом) либо иным документом количества единиц продукции установочной серии (первой промышленной партии) в соответствии с требованиями КД (литеры О1 или более высокой), доработку разработанного технологического процесса для производства продукции по ТД (литеры О1} или более высокой); - квалификационные испытания; - дальнейшую отработку (при необходимости) конструкции на технологичность; - утверждение КД и ТД с присвоением литеры А. В период постановки на производство продукции изготовитель (поставщик) проводит все необходимые работы для последующей обязательной по законодательству сертификации продукции. При положительных результатах квалификационных испытаний освоение производства считается законченным. 2.6 Виды проектных работ, конструкторская документация. Поскольку проектные процедуры выполняются во времени, то в процессе проектирования выделяют стадии и этапы. К настоящему времени в методологии проектирования выработались и укоренились на практике определенные стереотипы выполняемых процедур. Существуют несколько видов процедурных моделей проектирования, одна из которых представлена на рис.2.2 СТАДИИ РАЗРАБОТКИ ПРОЦЕДУРА ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТРЕБНОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН ПОТРЕБНОСТИ РЫНКА, СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦЕЛЕЙ СЦЕНАРИЙ ГРАФИЧЕСКИХ ЦЕЛЕЙ ТЕХНИЧЕСКИЕ ЖУРНАЛЫ И ЛИТЕРАТУРА, ПАТЕНТНЫЕ ИСТОЧНИКИ, ЗАКОНЧЕННЫЕ ПРОЕКТЫ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПРИЗНАКОВ ПОИСК ВАРИАНТОВ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ МОЗГОВОЙ ШТУРМ. ТАБЛИЦЫ ПРИЕМЛЕМОСТИ И ДР ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЯ МАТРИЦА РЕШЕНИИ И ДР. ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ АНАЛИЗ ПРИНЯТОГО РЕШЕНИЯ КИНЕМАТИЧЕСКИЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ, МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭСКИЗНЫЙ ПРОЕКТ ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ МАШИНЫ ОБРАБОТКА СТАТИСТИЧЕСКИХ ДАННЫХ, МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ДОСТИЖЕНИЯ НАУКИ ОПЫТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОЕКТ КОНСТРУИРОВАНИЕ МАШИН ОТРАБОТКА НА ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ, НАДЕЖНОСТЬ, ЭКОНОМИЧНОСТЬ, ПРОЧНОСТЬ РАБОЧАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ КОНСТРУИРОВАНИЕ СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ И ДЕТАЛЕЙ Рис.2.2 Процедурная модель проектирования В различных отраслях инженерной деятельностй (предметных обласгях) эти стади и этапы обозначаются по-разному. Общим является выделение начальной, промежуточнуой и заключительной стадий. Заметим, что рамки, определяющйе перечень и содержание работ, выполняемых на этих стадиях, вообще гбворя, не являются строгими. Обычно к начальной стадии проектирования относят все те проектные процедуры, или, иначе говоря, весь тот объем работ, итоговым резуьтатом которых является техническое задание. Эту стадию называют стадией предпроектных исследований или стадией предварительного проектирования. Промежуточные стадии проектирования - это те стадии, в ходе которых разрабатывается техническое предложение, создаются эскизный и технический проекты. Заключительная стадия- это стадия рабочего проектирования и окончательного оформления рабочей проектной документации. Стадии разработки конструкторской документации, то есть документации, разрзбатываемой в соответствии с техническим заданием, определены государственным стандартом 2.103-68 (переиздан в декабре 1983 г.) следующим образом: Техническое предложение — совокупность конструкторских документов, которые должны содержать технические и технико-экономические обоснования целесообразности изделия на основании анализа; технического задания заказчика и различных вариантов возможных решений, сравнительной оценки решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей разрабатываемого и существующих изделий, а также патентные исследования. Техническое предложение после его согласования и утверждения в установленном порядке служит основанием для разработки эскизного проекта. Эскизный проект. Эскизным проектом выявляется принципиальная возможность технического решения поставленной в ТЗ задачи, определяются рациональная компоновка основных узлов, технологическая увязка составных частей, а также обоснованность экономической и технической целесообразности создания нового изделия. В эскизный проект входит следующая техническая документация: чертеж общего вида изделия; схемы; ведомость эскизного проекта; расчет экономического эффекта; справка о проведенном патентном исследовании; карта технического уровня и качества; пояснительная записка. В пояснительной записке приводятся: описание различных вариантов и технико-экономическое обоснование принятых решений, обзор существующих образцов изделия подобного назначения отечественного и зарубежного производства, вопросы технологии изготовления, эстетики и эргономики, техники безопасности и промышленной санитарии, основные расчеты уровня стандартизации, унификации и др. Технический проект - это совокупность конструкторской документации, которая содержит окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве разрабатываемого изделия, а также все исходные данные для разработки рабочей документации. Технический проект должен охватывать как базовые изделия, так и его возможные размерные и конструктивные модификации. Одновременно с разработкой технического проекта разрабатывают требования к созданию новых комплектующих изделий и материалов. Заявки на создание новых комплектующих изделий и материалов своевременно направляют соответствующим министерствам в установленном порядке. Технический проект разрабатывается ПКИ совместно с заводом-изготовителем или же одним заводом-изготовителем, если он разработчик ТЗ. В комплект технического проекта входят: чертежи общих видов; схемы; ведомость покупных изделий; пояснительная записка; расчет экономического эффекта; справка о проведенном патентном исследовании; карта технического уровня и качества. Законченный технический проект рассматривают на научно-техническом совете ведущего по данному типу изделия проектно-конструкторского института, после этого его утверждает организация-разработчик, которая несет ответственность за качество технического проекта. В рабочую документацию (рабочий проект) входят все технические документы, необходимые для изготовления, контроля, испытания, соблюдения правил эксплуатации, технического обслуживания и ремонта изделия. Рабочий проект разрабатывает организация-разработчик совместно с заводом-изготовителем. К рабочему проектированию изделий с большим объемом производства привлекают технологические институты. Рабочую документацию выполняют на основе технического проекта в соответствии с принятым порядком оформления технической документации, при этом выполняют все требования ГОСТов, ОСТов и других нормативных документов. Рабочий проект утверждается организацией-разработчиком, которая несет ответственность за сроки и качество выполнения технической документации. В рабочий проект входят следующие основные документы: чертежи (сборочные, деталей, монтажные и др.); схемы (кинематические, электрические, гидравлические и др.); спецификации; ведомости (покупных изделий, согласования применения дефицитных материалов, комплектующих изделий и др.); технические условия; программы и методики испытаний (предварительных, приемочных); расчеты (прочностные, размерных цепей, экономического эффекта, расхода дефицитных материалов, оптовой цены и др.); патентный формуляр; документы (эксплуатационные, ремонтные и пр.); карта технического уровня и качества. Прочностной расчет нового изделия в процессе рабочего проектирования выполняют не менее 2 раз. Первый проектировочный расчет конструктор осуществляет при разработке конструкции деталей и узлов. При этом устанавливают размеры деталей и выбирают материалы для их изготовления. После разработки рабочих чертежей и окончательной отработки конструкции выполняют поверочный расчет, при котором устанавливают фактические показатели прочности и долговечности деталей, узлов и изделия в целом. По результатам поверочного расчета при необходимости уточняют размеры и форму деталей. Законченный рабочий проект подвергают технологическому контролю и нормоконтролю. При технологическом контроле анализируют технологичность конструкции и устанавливают возможность изготовления, сборки и испытания изделия на конкретном заводе-изготовителе. Цель нормоконтроля - проверка соблюдения действующих ГОСТов, ОСТов, стандартов предприятия и других нормативных документов. Номенклатура конструкторских документов для разных стадий проектирования представлена в нижерасположенной таблице. Номенклатура конструкторских документов Шифр документа Наименование документа Техническое предложение Эскизный проект Технический проект Рабочая документация на Дополнительные указания детали сборочные единицы комплексы комплекты 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 — 1. Чертеж детали — — ○1 ●1 — — — Допускается не выпускать чертеж в случаях, оговоренных в ГОСТ 2.109-73 СБ 2. Сборочный чертеж — — — — ●2 — — — ВО 3. Чертеж общего вида ○ ○ ● — — — — — ТЧ 4. Теоретический чертеж — ○ ○ ○ ○ ○ — — ГЧ 5. Габаритный чертеж ○ ○ ○1 ○1 ○2 ○ — — МЭ 5а. Электромонтажный чертеж — — — — ○ — — — МЧ 6. Монтажный чертеж — — — — ○2 ○ ○ УЧ 6а. Упаковочный чертеж — — — ○ ○ ○ ○ по ГОСТ 2.701—86 7. Схемы ○ ○ ○ — ○ ○ ○ Номенклатура различных видов схем установлена ГОСТ 2.701—76 8. Спецификация — — — — ● ● ● Спецификация комплектов монтажных, сменных и запасных частей, инструмента, принадлежностей и материалов, укладок, тары допускается не составлять, если изделия и материалы, входящие в комплект, целесообразно записывать непосредственно в спецификацию изделия, для которого они предназначаются ВС 9. Ведомость спецификаций — — — — ○ ○ ○ Ведомость спецификаций рекомендуется составлять на комплексы и сборочные единицы, имеющие две и более ступени входимости составных частей и предназначенные для самостоятельной поставки. При передаче конструкторской документации предприятию-изготовителю составление ведомости спецификаций на эти изделия обязательно ВД 10. Ведомость ссылочных документов — — — — ○ ○ ○ Ведомость ссылочных документов составляют при передаче конструкторской документации предприятию-изготовителю, ее допускается выпускать к моменту передачи документации. При передаче документации на комплекс допускается составлять только одну (общую) ведомость на всю передаваемую документацию комплекса вп 11. Ведомость покупных изделий — ○ ○ — ○ ○ ○ Ведомость покупных изделий рекомендуется составлять на изделия, предназначенные для самостоятельной поставки ви 12. Ведомость согласования применения покупных изделий — ○ ○ — ○ ○ ○ Ведомость согласования применения покупных изделий составляют на изделия, предназначенные для самостоятельной поставки потребителю дп 13. Ведомость держателей подлинников — — — — ○ ○ ○ пт 14.Ведомость технического предложения ● — — — — — — Ведомость технического предложения, ведомость эскизного проекта, ведомость технического проекта и пояснительную записку для сборочных единиц и комплексов не составляют, если они входят в состав более сложного изделия (например в комплекс), на которое составлены эти документы, содержащие все необходимые сведения по входящим в них сборочным единицам и комплектам эп 15. Ведомость эскизного проекта — ● — — — — — тп 16. Ведомость технического проекта — — ● — — — — пз 17. Пояснительная записка ●3 ●3 ●3 — — — — ТУ 18. Технические условия — — ○ ○ ○ ○ ○ Технические условия составляют на изделия, предназначенные для самостоятельной поставки (реализации) потребителю. По согласованию потребителя (заказчика) и поставщика (разработчика) конструкторской документации технические условия могут быть составлены на отдельные составные части изделия ПМ 19. Программа и методика испытаний — ○ ○ ○ ○ ○ — - ТБ 20. Таблицы ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ Номенклатура необходимых таблиц, расчетов, инструкций и прочих документов устанавливается отраслевыми стандартами в зависимости от характера и условий производства изделии РР 21. Расчеты ○3 ○3 ○3 ○ ○ ○ ○ И... 21а Инструкции — — — ○ ○ ○ ○ д... 22. Документы прочие ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ПФ 23. Патентный формуляр ○ ○ ○ ○ ○ ○ — Обязательность составления патентных формуляров устанавливается в соответствии с требованиями ГОСТ 2.110—68 По ГОСТ 2.601-68 24. Документы эксплуатационные — — — ○ ○ ○ ○ Номенклатура и обязательность выполнения эксплуатационных документов установлена ГОСТ 2.601—68 По ГОСТ 2.602-68 25. Документы ремонтные — — — ○ ○ ○ ○ КУ 26. Карта технического уровня и качества продукции ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ Номенклатура и обязательность выполнения ремонтных документов установлена ГОСТ 2.602—68 Условные обозначения: ● - документ обязательный; ○ - документ составляют в зависимости от характера, назначения или условий производства изделия с учетом требований, изложенных в графе «Дополнительные указания»; — - документ не составляют. Примечание: Документы, для которых над условными обозначениями проставлены одинаковые цифры, могут быть по усмотрению разработчика совмещены. При этом совмещенному документу присваивается шифр и наименование документа, имеющего наименьший порядковый номер по табл. 3. 2.7 Нефтегазопромысловая машина с позиции проектирования как объект производства и эксплуатации При проектировании нефтегазопромысловой машины конструктор должен стремиться к достижению высоких показателей, характеризующих новую машину как объект производства. Основные критерии оценки изделия как объекта производства - технологичность, степень унификации и блочности конструкции. Технологичность конструкции - основное качество, обеспечивающее возможность изготовления изделия в конкретных условиях с минимальными затратами времени, труда и материалов. Технологичность конструкции - понятие относительное и зависит от вида и объема производства и др. Требования технологичности к деталям, сборочным единицам и к изделиям в целом различные, в результате чего собранная из технологичных деталей машина при сборке может оказаться нетехнологичной. Основные требования к машинам с точки зрения технологичности: минимальная трудоемкость сборочных работ; минимальное число пригоночных операций и регулировок; удобство сборки и разборки, а также простота их механизации; минимальная трудоемкость отделочных работ и заводских испытаний; минимальное число оригинальных и максимальное число стандартных, унифицированных и покупных деталей и сборочных единиц; удобство транспортирования, погрузочно-разгрузочных работ, согласованность габаритов изделия и его частей с размерами транспортных средств. К деталям предъявляются следующие требования технологичности: простота геометрической формы и механической обработки; минимальные число и площадь обрабатываемых поверхностей; минимальные точность и чистота обработки поверхностей без снижения эксплуатационных показателей; высокая повторяемость форм, размеров и конструктивных элементов; наиболее короткий маршрут механической и термической обработки; возможность изготовления на простых видах оборудования и оснастки; максимальный коэффициент использования материала для изготовления. Принцип унификации предусматривает использование в создаваемой конструкции освоенных производством узлов, деталей и отдельных элементов конструкции. Унификация узлов позволяет: повысить серийность и объемы выпуска деталей и сборочных единиц; снизить трудовые и материальные затраты на изготовление; применить более прогрессивные технологические процессы, специальное высокопроизводительное оборудование и оснастку; сократить сроки выполнения конструкторских работ и подготовки производства; существенно повысить качество изготовления и надежность работы изделий. Унификация может проводиться в масштабах отрасли, внутри одного или нескольких заводов, нескольких типов машин, в пределах одного типа машины или ее частей. В результате унификации могут быть созданы параметрические ряды и типажи машин, унифицированные узлы, сборочные единицы и элементы конструкций. Высшая форма унификации - стандартизация изделий, деталей, материалов, элементов конструкции и др. Принцип агрегатирования (блочности) предусматривает возможность создания машин и комплексов из обособленных узлов и механизмов, монтируемых на базовой детали или базовом узле. Агрегатирование позволяет создавать машины различного назначения с использованием унифицированных сборочных единиц. Метод агрегатирования обеспечивает возможность обособленного проектирования и изготовления отдельных блоков на специализированных предприятиях, что позволяет сократить сроки и повысить качество проектных работ, подготовку производства и изготовления изделий. Машины, созданные на принципе агрегатирования, отличаются высокой ремонтопригодностью. Для оценки машины как объекта производства используют различные показатели, основные из которых: общие и удельные значения трудоемкости, себестоимости и материалоемкости изготовления; коэффициенты унификации, стандартизации, конструктивной преемственности, применяемости материалов, блочности и др. В процессе проектирования конструктор постоянно сталкивается с необходимостью оценивать создаваемую машину как объект эксплуатации. Выбор оценочных показателей зависит от типа машины, условий эксплуатации, области ее применения и выполняемых функций. В общем случае машину как объект эксплуатации оценивают по следующим группам показателей: параметрические показатели, характеризующие технические возможности изделия, - производительность, скоростные данные, энерговооруженность и т. д.; экономические показатели - годовой экономический эффект, себестоимость единицы работы; эффективность капиталовложений, срок окупаемости и др.; показатели технического уровня, качества и надежности (комплексный показатель качества, коэффициент готовности, наработка на отказ и т. д.); ремонтно-эксплуатационные показатели - коэффициенты эксплуатационной трудоемкости, эксплуатационной материалоемкости, межремонтные сроки службы и т. д.; эргономические и ряд других. 2.8 Основные принципы и правила проектирования и конструирования нефтегазопромысловых машин и оборудования К основным принципам и правилам проектирования и конструирования нефтегазопромысловых машин и оборудования относятся: • системный подход при проектировании и конструировании; • формирование и использование перспективных компоновочных схем машин, обусловливающих повышение производительности и устранение или снижение трудоемкости ручных операций; • стремление к созданию наименьшего числа типоразмеров машин за счет рационального выбора их параметров; • обеспечение требуемой прочности, надежности и долговечности тяжело нагруженных узлов в основном способами, не требующими увеличения основных размеров и массы машин, - это выбор рациональных геометрических форм и размеров деталей, уменьшение концентрации напряжений, применение оптимальных силовых схем нагружения деталей, использование высокопрочных материалов и целесообразных способов и режимов их термоупрочняющей обработки и др.; • формирование простых и эстетически выразительных технических форм, содержащих минимальное число полостей, в которых могут скапливаться пыль и влага; • использование передового опыта проектирования и конструирования в отрасли нефтегазопромыслового машиностроения и смежных отраслях машиностроения (например, горного) в нашей стране и за рубежом; • создание нефтегазопромысловых машин со структурной основой, позволяющей дальнейшее их развитие, совершенствование и повышение уровня качества с целью замедления морального старения; • стремление к упрощению кинематических схем, конструкции узлов и машин в целом; • уменьшение стоимости изготовления машин на базе внедрения передовой технологии, унификации узлов, деталей и отдельных конструктивных элементов; • учет рекомендаций эргономистов при формировании органов управления и средств отображения информации, пультов, панелей управления и рабочего места оператора; • создание машин с эффективными системами автоматического и дистанционного управления и диагностики; создание машин с параметрами шума и вибрации на рабочем месте оператора, не превышающими санитарные нормы; • обеспечение удобства и безопасности обслуживания машин, технологичности их ремонта; • обеспечение эффективной смазки тяжело нагруженных зубчатых передач, подшипников, других элементов с трущимися поверхностями; • обеспечение применительно к нефтегазопромысловым машинам требований равно прочности, и надежного уплотнения от попадания в них пыли и влаги; • обеспечение в необходимых случаях самоустанавливаемости подвижных элементов с целью компенсации погрешностей изготовления и устранения повышенных кромочных давлений из-за перекосов под действием нагрузок (например, применением бочкообразных зубьев зубчатых колес) либо с целью равномерного распределения силового потока в многопоточных передачах (например, применением плавающих колес в планетарных передачах); -использование метода компромиссных решений при невозможности одновременной оптимизации частично антагонистичных критериев качества. Критериями качества могут быть: прочностные характеристики, основные размеры, параметры технологичности, металлоемкость, к.п.д., жесткость и др. 2.8 Основные положения системного подхода к проектированию нефтегазопромыхсловых машин Развитие нефтегазопромысловых машин и оборудования во многих случаях приводит к усложнению их конструкции и характера различных видов взаимосвязей в процессе функционирования, что обусловливает необходимость рассмотрения задач проектирования этих машин на современном этапе научно-технической революции с системных позиций. Системный подход - важное направление методологии научного познания, в основе которого лежит рассмотрение технических объектов как целостных систем, состоящих из взаимосвязанных элементов, взаимодействующих между собой и с окружающей средой, т. е. на основе принципа системности. Кредо системного проектирования состоит в том, что техническую задачу для части целого решают с учетом целого. Основное целевое назначение системного подхода к проектированию - это существенное повышение технико-экономического уровня и качества машин путем оптимизации рассматриваемого объекта в целом с учетом всех видов его взаимосвязей с другими совместно функционирующими машинами, горным массивом, буровым раствором, полезным ископаемым и оператором. Системный подход использует ряд категорий и понятий высокого уровня общности. Системой называется характеризующаяся существенными связями совокупность элементов, которая обладает интегративными качествами, т. е. качествами, присущими только системе в целом, но не свойственными ни одному из ее элементов в отдельности. Система считается сложной, если она состоит из большого числа взаимодействующих между собой элементов и выполняет сложные функции. Любая система допускает разделение ее на конечное число подсистем в зависимости от вида решаемых задач и внутренней сложности системы в целом. Следует отметить, что целесообразнее, как правило, выделение в подсистему не произвольной совокупности взаимосвязанных элементов рассматриваемой системы, а более или менее самостоятельно функционирующей части системы. Элементом называется объект, который при конкретном рассмотрении системы или подсистемы нецелесообразно далее расчленять на части. Изучаемая система в зависимости от вида решаемых задач может рассматриваться как подсистема или как один из элементов более сложной системы, а подсистема (или элемент) в случае необходимости может рассматриваться как система. Структура системы характеризует ее строение и совокупность связей. Связи обеспечивают целостность и сохранение основных свойств системы. Под окружающей (или внешней) средой применительно к рассматриваемой системе понимают совокупность не входящих в состав системы объектов, взаимодействие с которыми должно учитываться при изучении данной системы. Границы системы определяются совокупностью входов от окружающей среды. Рассмотрим особенности системного подхода на примере бурового оборудования. Системный подход при проектировании бурового комплекса как подсистемы, входящей в состав сложной системы энергомеханического оборудования промысла, обеспечивает учет всех внешних взаимосвязей с другими подсистемами (транспорта, энергоснабжения и др.), имеющих место в процессе функционирования рассматриваемого предприятия. При этом создание высокопроизводительных средств механизации буровых работ должно быть тесно увязано с разработкой новых или совершенствованием прогрессивных технологических схем ведения этих работ. В свою очередь, буровой комплекс представляет собой единую систему взаимодействующих функциональных машин и механизмов, объединенных совокупностью внутренних взаимосвязей. Подсистемы этого комплекса –буровая вышка и платформа, лебедка, буровые насосы, ротор, силовая установка- при проектировании должны быть строго увязаны по технологическим, техническим и конструктивным параметрам. Лебедка при проектировании может рассматриваться также как система, выполняющая рабочий процесс спуско-подъемных операций и предусматривающая в большинстве случаев следующие основные подсистемы: корпусной группы (корпусные узлы машины с опорами на базовый элемент); привода барабана (приводные двигатели, муфты, редукторы);тормозного механизма; авторегулятора нагрузки на долото и др.). В иерархической структуре лебедки указанные выше основные подсистемы, работа которых обеспечивает выполнение главных функций лебедки в целом, относят к подсистемам 1-го уровня. При этом кратковременный отказ любой из подсистем 1-го уровня приводит к прекращению или нарушению нормального функционирования полной системы. К подсистемам 2-го уровня можно отнести вспомогательные системы, которые обеспечивают нормальные условия функционирования подсистем 1-го уровня и обслуживающего персонала. В числе их подсистемы смазки, охлаждения электродвигателей , гидропривод (пневмопривод) и др. Ряд задач проектирования, связанных со свойствами отдельных подсистем, может быть решен при рассмотрении только этих подсистем, что во многих случаях существенно упрощает расчетно-конструкторскую работу. В данном случае каждая основная подсистема рассматривается как система. Элементами указанных подсистем служат отдельные сборочные единицы и детали - механические (валы, подшипники, зубчатые колеса и т. д.), гидравлические (насосы, гидромоторы, клапаны, трубопроводы и пр.), электрические (электродвигатели, реле, контакторы и др.). Внешней средой для буровой установки являются: горный массив, сеть электроснабжения, человек-оператор. Все взаимодействия в данной системе связаны с преобразованием и реализацией энергии, потребляемой двигателями из сети электроснабжения, и характеризуются определенными отношениями между входами от внешней среды и выходами, отражающими результат функционирования или состояние системы (производительность, процессы в силовых системах, характеризующие нагруженность их элементов и т. п.). Определение и увязка основных параметров буровых комплексов должны основываться на учете как внешних связей системы с окружающей средой, так и внутренних связей между подсистемами и элементами внутри каждой подсистемы. Выбор способа воздействия на горный массив, принципиальной схемы бурового инструмента и режимных параметров должен, прежде всего, определяться характеристиками этого массива как объекта разрушения. Формирование системы управления должно базироваться на рекомендациях эргономистов, обеспечивающих максимальное приспособление машины как объекта управления к человеку-оператору. Таким образом, взаимообусловленность и взаимодействие составных частей сложной системы «машина - окружающая среда» определяют при проектировании нефтегазопромысловых машин и бурового оборудования (или их узлов) требование учета взаимосвязей создаваемых объектов с другими машинами (узлами), горным массивом, буровым раствором, полезным ископаемым и человеком. 2.9 Системный подход при автоматизированном проектировании нефтегазопромысловых машин Существенное повышение технико-экономического уровня и качества нефтегазопромысловых машин, резкое сокращение сроков и уменьшение трудоемкости их проектирования могут быть достигнуты применением систем автоматизированного проектирования (САПР) этих машин. Способ проектирования, при котором все проектные операции и процедуры или их часть осуществляются взаимодействием человека и ЭВМ. САПР - это комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного с подразделениями проектной организации и выполняющего автоматизированное проектирование. САПР нефтегазопромысловых машин должна базироваться на подходе, предусматривающем рассмотрение объекта на основе принципа системности, построение математической модели для него и изучение его свойств методом моделирования. Системный подход позволяет рассматривать и решать задачу оптимизации проектируемой системы в целом. Использование ЭВМ при проектировании позволяет в короткие сроки осуществить перебор значительного числа конкурирующих вариантов. Сочетание системного подхода и многовариантного проектирования с помощью ЭВМ с выходом на оптимальное решение и есть мощное преимущество системного автоматизированного проектирования нефтегазопромысловых машин перед традиционным проектированием. При системном автоматизированном проектировании нефтегазопромысловых машин решаются два вида диалектически связанных задач - синтез и анализ. Синтез может быть структурным и параметрическим. Структурный синтез обеспечивает получение различных структур систем в виде тех или иных конструктивных элементов и связей между ними. В результате параметрического синтеза конструктор определяет численные значения параметров проектируемых систем. Решение задач синтеза на базе САПР в конечном итоге должно быть направлено на оптимизацию структур проектируемых нефтегазопромысловых машин и их параметров. В результате анализа рассматриваемых вариантов объекта изучаются их свойства, формируются оценки качества этих вариантов, что позволяет конструкторам принять обоснованные решения. Необходимые этапы при создании САПР - формализация проектных процедур и разработка соответствующих математических моделей в виде совокупности математических объектов (множества, векторы, переменные числа и т. д.) и отношений между теми, которые с требуемой степенью точности должны отражать интересующие конструктора свойства проектируемой машины. При формировании моделей необходимо решить задачу формализации структур подсистем, систем в целом и операций процесса их функционирования с учетом взаимодействий между подсистемами и с окружающей средой. Алгоритмизация моделей должна предусматривать максимальную приспособленность к оперативной перестройке структур и операций функциональных процессов при моделировании на ЭВМ. Конструктор, получив на основе моделирования результаты решения проектной задачи, выбирает наилучшие варианты на основе анализа критериев качества (функций цели), в качестве которых выступают оптимизирующие характеристики (производительность, показатели надежности, материалоемкость, основные размеры и др.). На начальной стадии проектирования с системных позиций выбирают варианты общей компоновки нефтегазопромысловых машины и структуры ее отдельных подсистем. Задачи синтеза на этом этапе целесообразно решать на базе известных методов активизации творческих решений («мозгового штурма», инверсии, аналогии, морфологического анализа и др.). В этом случае ведущими конструкторами разрабатывается несколько перспективных вариантов, для которых должны быть выполнены необходимые расчеты и решена задача параметрической оптимизации. При формализации основных задач на начальной стадии проектирования весьма перспективно использование автоматизированной системы поиска и синтеза технических решений с использованием эвристических приемов и системного подхода. В состав этой системы должны входить подсистемы поиска аналогов, синтеза компоновочных и конструктивных решений. При параметрической оптимизации на области изменения варьируемых параметров накладывают ограничения, обусловленные возможностью или целесообразностью их конструктивно-технической реализации. В большинстве случаев конструктор ориентируется на несколько критериев качества, т. е. задачи оптимизации при проектировании нефтегазопромысловых машин носят многокритериальный характер. Одновременная оптимизация выбранных критериев качества, как правило, невозможна из-за их частичной антагонистичности, поэтому во многих случаях необходимо использовать интегральный (глобальный) критерий качества, тем или иным способом объединяющий частные критерии (с учетом их приоритетности), а при анализе многомерной таблицы испытаний на ЭВМ осуществлять окончательный выбор параметров машин на основе компромиссного подхода к результатам оптимизации. В заключение следует отметить, что применение САПР нефтегазопромысловых машин позволяет осуществить автоматизацию трудоемких и нетворческих расчетно-графических работ и оформление технической документации с помощью средств машинной графики, эффективно использовать прогрессивные разработки, значительно повысить производительность ответственного труда конструкторов. 2.10 Оценка технического уровня и качества нефтегазопромысловых машин Для оценки технического уровня и качества (в дальнейшем уровня качества) разных видов нефтегазопромысловых машин разработаны и утверждены специальные методики. Уровень качества оценивается на всех этапах создания нефтегазопромысловых машин (от разработки технического задания до серийного производства) с использованием в общем случае следующих показателей: назначения; надежности; эргономики и безопасности; технологичности; стандартизации и унификации; патентно-правовых; экономических; эстетических. Для оценки уровня качества нефтегазопромысловых машин применяют абсолютные Р, относительные q и обобщенные Q показатели. Абсолютные показатели численно характеризуют конкретный параметр или свойство оцениваемого изделия. Относительные показатели определяют по отношению к показателям аналога Ра или эталона Рд нефтегазопромысловых машины по формулам q = (P/Pa)m; q = (P/Pэ)m, где т = 1, если увеличение Р ведет к повышению качества изделия и т = -1 в противном случае. Эталоном для оценки уровня качества служит гипотетическое изделие, обладающее совокупностью оптимальных показателей качества, достигнутых для аналогов - наилучших образцов нефтегазопромысловых машин. Обобщенные показатели определяются по формуле где  - определяемый методом экспертных оценок коэффициент весомости, учитывающий степень влияния i-го показателя на качество нефтегазопромысловых машины; п - число принятых для оценки показателей качества. Следует отметить, что  = 1. Ниже в качестве примера приведен комплекс основных абсолютных и относительных показателей, для которых установлены коэффициенты весомости, применительно к буровым установкам 1. Показатели назначения –глубина бурения, м; максимальное усилие на крюке, кН; мощность привода (расчетная), кВт; 2. Показатели надежности - ресурс оборудования до первого капитального ремонта (тыс. м); коэффициент готовности или неисправности; объединенная удельная оперативная трудоемкость технических обслуживании и текущих ремонтов (чел-ч/год). 3. Показатели эргономики и безопасности 4. Показатель технологичности - удельная трудоемкость изготовления (отношение трудоемкости изготовления (нормо-ч) к удельной энерговооруженности машины, которая равна расчетной мощности привода (кВт), отнесенной к массе машины (т)). 5. Показатель стандартизации и унификации - коэффициент применяемости (учитывает относительное число типоразмеров оригинальных составных частей изделия). 6. Патентно-правовой показатель - патентной защиты (наличие лицензий, патентов, авторских свидетельств, заявок на предполагаемые изобретения) и патентной чистоты (сумма коэффициентов значимости стран, по которым машина обладает патентной чистотой). Уровень качества буровых комплексов определяют как функцию уровней качества его составных механизмов (лебедка, забойный двигатель, буровые насосы и др.) с учетом их взаимодействия и увязки. При этом в качестве относительных показателей выступают обобщенные показатели качества Qr входящих в состав комплекса составных механизмов с установленными коэффициентами весомости тi. Обобщенный показатель качества комплекса . где l - число обобщенных показателей . При оценке уровня качества нефтегазопромысловых машин составляют карту технического уровня, предусматривающую основные и вспомогательные показатели качества рассматриваемого изделия, эталона и аналогов, и показатели, определяемые по стандартам или техническим условиям. Далее, анализируют результаты оценки и принимают решения о соответствии нефтегазопромысловых машины лучшим отечественным и зарубежным аналогам, перспективному мировому или народнох Тема 3 Структурообразование систем проектируемого оборудования Увязка конструктивных и режимных параметров бурового и нефтегазопромыслового оборудования. Определение рабочих скоростей, перемещений и продолжительности циклов основных механзмов машин. Функциональный анализ компоновочных, кинематических и конструктивных схем механизмов, машин, агрегатов и комплексов. 3.1 Анализ и синтез компоновочных схем бурового оборудования применительно к заданию на проектирование 3.1.1 Назначение и область применения бурового оборудования Выбор структуры и схемы машины, ее параметров, техники расчета и конструирования, умение анализировать функции, оценивать достоинства и недостатки проектируемого объекта – главные компоненты основ проектирования и конструирования. Рассмотрим эти вопросы на наиболее специфичных и характерных машинах технологического назначения, какими являются элементы буровой установки. Буровая установка - сложный комплекс агрегатов, машин и механизмов, выполняющих различные, но связанные между собой функции в процессе бурения скважины. Проектирование этого оборудования - специфичный сложный процесс, и от конструктора требуется не только умение конструировать машины и их элементы, но и знание техники и специфики бурения скважин на нефть и газ. Буровое оборудование, применяемое в нефтяной и газовой промышленности непрерывно совершенствуется. Появились установки для бурения скважин глубиной 7 - 12 тыс.м, установки для бурения на море при глубинах 20 - 1500 м и более, для бурения кустов скважин на болотах и др. Изменились технология бурения, конструкция скважин, усовершенствован породоразрушающий инструмент и увеличилась длительность его работы в скважине. Назначение и состав бурового оборудования. Буровое оборудование предназначено для бурения нефтяных и газовых скважин. Оно состоит из буровой установки, бурильной колонны и оборудования для герметизации устья скважины. Буровая установка — это комплекс машин, агрегатов и механизмов, предназначенных для выполнения определенных технологических функций при бурении различных по конструкции скважин. Скважиной называется цилиндрическая горная выработка в земной коре с большим отношением глубины Lк диаметру Dc, обсаженная металлическими трубами. В верхней части скважины, называемой устьем, обсадные трубы выступают над уровнем поверхности и оборудуются фланцами и устройствами для подвески обсадных колонн и крепления оборудования для герметизации. Дно скважины называется забоем. Призабойная часть обсадной колонны перфорируется для притока в скважину нефти или газа. Конструкция скважины характеризуется глубиной, начальным и конечным диаметрами бурения, числом, диаметрами и длиной спущенных обсадных колонн, толщиной их стенок, диаметром различных участков ствола, углом наклона скважины или отклонением ее от вертикали. Конструкция скважин зависит от целей бурения, геологических условий, глубины, техники бурения, метода разработки месторождения и других факторов. Скважины бурят с целью разведки полезных ископаемых, определения свойств пород, характера залегания пластов (разведочные) или для извлечения из недр земли нефти, газа, воды (эксплуатационные). Большинство эксплуатационных скважин на нефть и газ бурят вертикальными или наклонными глубиной 1000 - 4000 м. Диаметры Dc отдельных интервалов скважины и их число определяются назначением, конструкцией, глубиной скважины и экономичностью ее строительства. При бурении на нефть и газ конечный диаметр эксплуатационных скважин обычно 0,14 - 0,22 м, а глубина 1000 - 7000 м при числе обсадных колонн от двух до пяти. Скважины бурят в различных климатических и географических условиях: в многолетней мерзлоте, в районах с умеренным и жарким климатом, в пустынях, лишенных воды, в болотистых местах, на реках, озерах или море. Расстояние между скважинами может быть от нескольких метров (кустовое бурение, бурение сейсмических скважин) до нескольких километров (эксплуатационные), а иногда и сотен километров (опорные). Скважина обычно состоит из направления длиной 6 - 20 м, кондуктора длиной 50 - 200 м и более, одной или нескольких промежуточных и эксплуатационных колонн. Если кондуктор используют как промежуточную колонну для перекрытия верхних неустойчивых пород, то глубина его спуска достигает 600 - 800 м. В скважинах простых конструкций глубиной 3000 - 3500 м при отсутствии осложнений после кондуктора спускают только эксплуатационные колонны. В сложных геологических условиях во избежание осложнений при бурении спускают промежуточную колонну; глубина спуска зависит от геологических условий, допустимой длины выхода колонны из-под башмака предыдущей или кондуктора и обычно составляет 2000 м, а иногда достигает и более 3000 м. Современная технология позволяет бурить скважины с выходом обсадной колонны из предыдущей в 3500 м и более при диаметре 245 - 340 мм. Кондуктор или колонну после спуска цементируют, т. е. заполняют цементным раствором кольцевое пространство между стенками скважины и колонной на часть или на всю длину спущенной колонны. Размеры долот для бурения в различных интервалах выбирают в зависимости от диаметров труб d, которыми будет обсаживаться скважина. На рис. 3.1 приведены типовые конструкции скважин. Весь цикл строительства скважин состоит из следующих основных этапов: выбора точки бурения и подготовки площадки; транспортировки и монтажа оборудования буровой установки; опробования и испытания оборудования; проходки скважины (процесс бурения, т. е. образование ствола, а также спуск и подъем бурильных колонн для смены изношенного долота); спуска обсадных колонн и их цементирования, ликвидации осложнений и аварий; геофизических работ; опробования скважины. После завершения всего комплекса работ по строительству скважины буровая установка демонтируется и транспортируется на место бурения новой скважины. Продолжительность различных операций зависит от многих факторов, о чем будет сказано ниже. В настоящее время продолжительность цикла в нормальных условиях бурения составляет: при глубине 20 - 50 м - несколько скважин в день; 1500 - 3000 м - несколько дней, 3000 - 5000 м - несколько месяцев; 7000 - 8000 м - до нескольких лет. Разнообразие условий проходки и конструкций скважин определяет параметры и состав комплекта машин и оборудования, а также надежность, время работы и удобство обслуживания, компоновку, мобильность и ряд других показателей. 3.2 Исходные условия и данные к разработке структурной схемы буровой установки: По характеру воздействия на горные породы с целью их разрушения способы бурения подразделяют на механический, термический, электроискровой.. В настоящее время применяют только механический способ бурения скважин. В зависимости от типа и конструкции используемого породоразрушающего инструмента и технологии бурения различают ударный, вращательный и ударно-вращательный способы. Выбуренная порода удаляется из скважины путем промывки ее жидкостью, продувки газом или с помощью механических устройств (шнеков, желонок). Ударное бурение применяется в основном для проходки неглубоких скважин в твердых породах, а в некоторых случаях также при заканчивании скважины. Глубокие скважины на нефть и газ бурят только вращательным способом с применением породоразрушающего инструмента-долота. Его укрепляют в нижней части бурильной колонны, внутри которой прокачивают жидкость, газ или их смесь для удаления выбуренной породы через кольцевое пространство между бурильной колонной и стенками скважины. Долота могут получать вращение либо от двигателей, установленных на поверхности через колонну труб (роторное бурение), либо от забойных двигателей, расположенных над долотом в скважине турбинное или электробурение). Процесс вращательного бурения состоит из повторяющихся в строгой последовательности операций: спуска бурильной колонны в скважину; работы долота на забое (собственно процесс разрушения породы, вращение и углубление долота при циркуляции жидкости); наращивания колонны по мере углубления скважины; подъема колонны для смены изношенного долота и ее спуска (СПО); вспомогательных или аварийных работ (промывка скважины, очистка и приготовление раствора, ликвидация осложнений, аварий и т. д.). Бурильная колонна состоит из ведущей трубы квадратного или шестигранного сечения и отдельных бурильных труб (БТ) длиной 6, 9 или 12 м, имеющих на концах замки с конической резьбой, что обеспечивает быструю сборку и разборку колонны. Нижняя часть колонны состоит из утяжеленных бурильных труб (УБТ) для создания необходимых нагрузок на долото, из расширителей, центраторов, забойных двигателей (ЗД) и долота. Диаметр, масса, длина и прочность бурильной колонны, подача и давление, развиваемое насосами, определяют основные параметры буровой установки - максимально допустимую нагрузку на крюк, глубину бурения и мощность лебедки, насосов, ротора и двигателей. Для бурения разведочных скважин небольших диаметров применяют трубы диаметром 43 - 89 мм, для глубоких разведочных и эксплуатационных скважин на нефть и газ - трубы диаметром 102, 114, 127 и 140 мм. Выбор компоновки бурильной колонны зависит от конструкции скважины, ее глубины, технологии бурения и количества прокачиваемой жидкости. Допустимая глубина бурения трубами определенного размера зависит от свойств материала, из которого они изготовлены. На рис. 3.2 приведена структурная схема буровой установки для глубокого вращательного бурения с промывкой скважины жидкостью (буровым раствором), а на рис. 3.3 показан внешний вид установки. Буровая установка состоит из вышки или мачты, поддерживающей на весу бурильную колонну, силового привода, оборудования для вращения и подачи долота; насосного комплекса для прокачивания бурового раствора, устройств для его приготовления и очистки от выбуренной породы и восстановления качеств; комплекса оборудования для спуска и подъема колонн при смене изношенного долота; контрольно-измерительных приборов и других устройств. В комплекс буровой установки также входят основания, на которых монтируют, а иногда и перевозят оборудование, мостки, лестницы, резервуары для топлива, раствора, воды и др. Оборудование для герметизации устья скважины включает глухие и проходные плашечные превенторы, универсальные и вращающиеся превенторы и систему их управления. Независимо от способа вращательного бурения для выполнения всех операций основная схема буровой установки и состав ее оборудования почти во всех случаях одинаковые и различаются только параметрами и конструкцией. Рис. 3.2. Структурная схема буровой установки: 1 - переводник и центратор; 2 и 3 - переводники ведущей трубы и вертлюга; 4 - крюк; 5 - ведущая струна каната; 6, 7 и 9 - трансмиссии лебедки, насосов и ротора; 8 - трубопровод высокого давления; 10 — зажимы ротора Максимальная эффективная скорость проходки скважины достигается, когда характеристики применяемого оборудования наиболее полно удовлетворяют требованиям режима бурения. Физико-механические свойства горных пород, определяющие их буримость, изменяются в широких пределах, поэтому основные агрегаты буровой установки должны обеспечивать изменение в достаточно широком диапазоне параметров режима бурения. К факторам, от которых зависит режим бурения, можно отнести соответствие типа и размеров долота условиям бурения, осевую нагрузку на него, частоту его вращения, количество и качество прокачиваемой жидкости или газа, время работы долота на забое. Время работы долота на забое зависит от типа и конструкции долота, качества его изготовления, свойств разбуриваемых пород и режима эксплуатации долота. Средняя продолжительность пребывания долота на забое составляет: для шарошечных долот при турбинном бурении в твердых породах 1,5—3 ч, в мягких— 5—15 ч; при роторном бурении в твердых породах — 20— 100 ч, в мягких — 80—250 ч; для режущих и истирающих долот при турбинном бурении—10—200 ч, при роторном — 30—60 ч; для алмазных долот в твердых породах — 12—20 ч, в средних и мягких породах — до 200 ч. Все механизмы и агрегаты буровой установки должны обеспечивать бесперебойную работу в течение указанного времени. Рис. 3.3. Буровая установка для бурения глубоких скважин на суше; 1 - секции мачты; 2 - бурильная колонна; 3 - элеватор; 4 - талевый блок; 5 - балкон; 6 - талевый канат; 7 - верхняя площадка; 8 - кронблок; 9 - подсвечник; 10 - ротор; 11 - вспомогательная лебедка; 12 - главная лебедка; 13 - коробка передач; 14 - двигатели; 15 - трансмиссия двигателей; 16 - трансмиссия бурового насоса; 17 - буровые насосы; 18 - укрытие приводного и насосного комплексов; 19 - бытовые помещения; 20, 21 - приемный и промежуточный баки; 22, 23 - основания силового привода и подроторное; 24 - блок очистки раствора; 25 - стеллажи для труб; 26 - мостки Эти данные ориентировочные: следует учитывать, что по мере улучшения режимов бурения и при применении долот новых типов время пребывания долот на забое может увеличиваться. Для наращивания бурильной колонны процесс бурения прерывают через каждые 6, 9 или 12 м углубления скважины. Время, затрачиваемое на наращивание, составляет 3—10 мин в зависимости от длины и массы добавляемых труб и квалификации буровой бригады. Весь цикл работы буровой установки или рейс одного долота приведен на диаграмме (рис. 2.4). Как видно из диаграммы, рейс состоит из спуска С колонны с циклическим увеличением нагрузки на крюк Рк до наибольшей для данной глубины скважины, нескольких периодов бурения Б, наращиваний Hи подъема П колонны для смены долота Д с циклическим уменьшением нагрузки на крюк по мере извлечения каждой свечи. Скорость спуска бурильной колонны лимитируется технологическими условиями и состоянием ствола скважины и составляет 1—2 м/с в необсаженном стволе и до 3 м/с в обсаженной части. Рис. 3.4. Диаграмма одного цикла (рейса долота) работы буровой установки: С - спуск колонны; Пр - проходка; Ц - циркуляция и промывка скважины; П - подъем колонны; Д - смена долота; Б - бурение; Н - наращивание; t - время; Р'к, Р''к, Р'''к - нагрузка на крюке соответственно в начале, конце рейса и при бурении; Рд - нагрузка на долото; п - номер рейса; Hд - цикл нагружения долота; GТС - вес талевой системы При подходе к забою скважины спуск бурильной колонны замедляют, чтобы не заклинить новое долото, так как изношенное предыдущее долото изменяет диаметр и форму скважины. На некотором расстоянии от забоя долото останавливают и скважину промывают, после чего начинают вращать долото, осторожно подводят его к забою и с небольшой нагрузкой прирабатывают забой к форме нового долота. После этого нагрузку на долото плавно увеличивают, доводя до максимальной, установленной для данных условий бурения. Затем ее регулируют в зависимости от характера проходимых пород. Скорость бурения может меняться от 0,1 до 60 м/ч и более. После углубления скважины на всю длину ведущей трубы бурение приостанавливают, колонну приподнимают и скважину промывают для того, чтобы поднять выбуренную породу в затрубном пространстве на высоту, исключающую возможность оседания ее на забой во время наращивания. Промывка необходима также для выравнивания плотности раствора в затрубном пространстве и внутри колонны труб. После промывки скважины колонну поднимают на длину ведущей трубы, устанавливают на клиньях или элеваторе на столе ротора, отсоединяют ведущую трубу с вертлюгом от колонны и удлиняют (наращивают) ее на одну трубу (одиночку) или свечу, состоящую из двух-трех труб. Наращивание осуществляется различно. В одном случае трубу заранее укладывают на мостки, затем ведущую трубу с вертлюгом устанавливают в шурф, находящийся недалеко от ротора, и отсоединяют от крюка. Затем захватывают добавляемую трубу элеватором, висящим на крюке, поднимают трубу над ротором и свинчивают с колонной, подвешенной на столе ротора. После наращивания бурильную колонну приподнимают, освобождают от ротора, опускают на длину добавляемой трубы, вновь устанавливают на ротор, захватывают крюком стоящий в шурфе вертлюг с ведущей трубой, поднимают их и соединяют с бурильной колонной. В другом случае наращиваемую трубу устанавливают вертикально во втором шурфе, находящемся рядом с ротором, затем поднимают бурильную колонну из скважины, отвинчивают ведущую трубу от колонны и, не устанавливая ее в шурф, подводят к замку добавляемой трубы, свинчивают их и поднимают из шурфа, после чего свинчивают добавляемую трубу с колонной. Затем промывают скважину, опуская колонну до забоя, и продолжают бурение. При бурении забойными двигателями иногда не применяют ведущей трубы, и в этом случае наращивание осуществляется свечами для сокращения времени на эти операции. Число наращиваний колонны в процессе каждого рейса определяется проходкой на долото и длиной добавляемой трубы, а время работы долота на забое — скоростью углубления и проходкой на долото, которые зависят от конструкции и качества изготовления долота, соответствия его типа проходимым породам, факторов режима бурения, глубины скважины, физико-механических свойств буримых пород и свойств бурового раствора, квалификации буровой бригады и др. Однако во всех случаях по мере увеличения глубины скважины показатели работы долота снижаются. После срабатывания долота поднимают бурильную колонну для его замены. Скорость движения колонны при подъеме ее на длину одной свечи зависит от мощности подъемной системы, в среднем составляет около 1 м/с и меняется в пределах 0,4—1,8 м/с в зависимости от массы и длины колонны. 3.3 Выбор категории, класса, вида и основных параметров буровой установки Естественно, что для бурения разведочных, эксплуатационных, вертикальных или наклонных скважин различной глубины на суше, с поверхности воды и в других условиях не может существовать одна категория или один класс и вид буровой установки, хотя во всех случаях установка выполняет почти одинаковые функции. В то же время не представляется возможным для каждой конструкции скважин создавать специальную установку. Поэтому буровые установки должны обладать определенной универсальностью или допускать быструю модификацию и приспособляемость к конкретным словиям бурения непосредственно на промыслах. В связи с этим первой задачей проектирования буровой установки является выбор ее категории, класса, а затем вида. Буровые установки делятся на две категории: 1. для бурения глубоких эксплуатационных и разведочных скважин; 2. для бурения неглубоких структурных и поисковых скважин. Основные характеристики установок приведены в табл. 3.1. Установки первой категории отличаются от установок второй категории большей возможной глубиной бурения скважин, большим диаметром скважины, более тяжелыми бурильными трубами. Естественно, что мощность и максимально допустимая нагрузка на эти установки значительно выше, больше и их масса. Буровые установки первой категории (см. рис. 3.3) обычно перевозят с одной точки бурения на другую по частям (блоками) в зависимости от дорожных условий и транспортных средств. Установки второй категории выполняются мобильными, обычно все оборудование монтируется на одном шасси или нескольких самоходных или буксируемых гусеничных платформах. Каждая категория буровой установки имеет несколько классов, которые обеспечивают наибольшую эффективность бурения скважин определенной глубины и конструкции. Поскольку каждой буровой установкой при определенной мощности ее двигателей, максимально допустимой нагрузке на крюке можно пробурить скважины различной глубины и конструкции, то для сравнительной оценки мощности и класса буровой установки для глубокого бурения принимают допустимую нагрузку на крюке и номинальную глубину скважины конечного диаметра 215 мм, которые могут быть достигнуты при использовании бурильной колонны с бурильными трубами диаметром 114 мм и массой 1 м труб 30 кг. Таблица 3.1 Основная характеристика буровых установок различного назначения Параметры Установки для бурения эксплуатационного и глубокого разведочного структурного и поискового Глубина бурения, м Мощность привода, кВт Максимальная допустимая нагрузка на крюк, МН Диаметр скважины, м Диаметр бурильных труб, мм 1000—15 000 440—4000 1,2—8,0 0,14—0,9 89—140 25—3000 15—400 0,01—0,80 0,076—0,17 43—89 Рис. 3.5 Классификация буровых установок для эксплуатационного и глубокого разведочного бурения: Рк - максимально допустимая нагрузка на крюк; штриховая линия соответствует пределу минимальных глубин рационального использования установок; 1, 2,….., 11 – класс установки Таблица 3.2. Буровые установки для эксплуатационного и глубокого разведочного бурения Параметры Класс буровых установок 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Допускаемая нагрузка на крюке*, кН 800 1000 1250 1600; 1400** 2000; 1700 ** 2500; 2000 ** 3200; 2500 ** 4000; 3200 ** 5000 6300 8000 Условный диапазон глубин бурения ***, м 600— 1250 1000— 1600 1250— 2000 1600— 2500 2000— 3200 2500— 4000 3200— 5000 4000— 6500 5000— 8000 6500— 10 000 8000— 12 500 Наибольшая оснастка талевой системы 4Х5 5X6 6X7 7X8 Диаметр талевого каната, мм 22; 25 22; 25; 28 25; 28 28; 32 32; 35 35; 38 38; 42 42; 44 Скорость подъема крюка при расхаживании обсадных колонн и ликвидации аварий, м/с 0,1 - 0,2 Скорость установившегося движения при подъеме незагруженного элеватора, м/с, не менее 1,5 1.4 Мощность на приводном (входном) валу подъемного агрегата, кВт 200—240 240—300 300—440 440—550 550—670 670—900 1900—1100 1100— 1475 1475—2200 2200— 2950 2500—2950 Проходной диаметр стола ротора, мм 460; 560 320,7; 560 560 700 950 1260 Мощность на приводном валу ротора, кВт, не более 180 180—370 370 440 500 540 Допускаемая статическая нагрузка на стол ротора, кН 2000 3200 4000 5000 6300 8000 Момент, передаваемый столом ротора, кН·м, не более 30 50 80 120 180 Число основных буровых насосов, не менее 1 2 3 Мощность привода бурового насоса, кВт 300; 375 475 475;600; 750 600; 750; 950 950; 1180 1180 1180; 1840 Наибольшее давление на выходе насоса (в манифольде), МПа 20; 21 20 21; 25 25; 32 25; 32; 35 25; 32 25; 32; 35 32; 40 40 40; 105 Номинальная длина свечи, м 18 18; 25; 27 25; 27; 36 27; 36 Высота основания (отметка пола буровой), м, не менее 3 4 4,4; 5,5 5; 5,5 6 6,7; 8 6,9; 8 7,5; 8 8,5 * Допускаемая нагрузка на крюке определяется прочностью канатов в оснастке талевой системы. Коэффициент запаса прочности талевого каната при спуске обсадных колон и ликвидации аварий должен быть не менее 2, а при СПО и бурении — не менее 3. ** Для нового проектирования не применять; допускается изготовление до 1 января 1986 г *** Предельная глубина бурения указана для бурильных труб диаметром 114 мм и массой 1 м 30 кг. При работе с бурильными трубами других диаметров и массы глубина бурения этой же буровой установкой может значительно отличаться от ее условной глубины. Буровые установки для эксплуатационного и глубокого разведочного бурения стандартизованы. ГОСТ 16293—82 (СТСЭВ 2446—80) предусматривает 11 классов буровых установок для бурения скважин глубиной 1250—12500 м и более (табл. 3.2). На рис. 3.5 приведена схема 11 основных классов буровых установок. Максимально допустимую нагрузку на крюк буровой установки выбирают в соответствии со следующим рядом по ГОСТ 1575—81 (в МН): 0,8; 1,0; 1,25; 1,6; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0. При проектировании установки нового класса максимально допустимую нагрузку подъемного комплекса следует выбирать из приведенного ряда. Выбор параметров и пределов их изменения для отдельных агрегатов буровой установки рассмотрен в соответствующих разделах. Вид буровой установки для одного и того же класса определяется рядом факторов: условиями бурения (равнина, горы, леса, болота, море, температура окружающего воздуха и ее колебания, сила ветра и др.); целью бурения (разведочное или эксплуатационное); типом скважины (вертикальная или наклонная); способом бурения (роторный или забойными двигателями); технологией бурения (гидравлическая мощность на забое; типы и свойства бурового раствора; метод спуска и подъема колонн); геологическими условиями бурения (характер буримых пород, возможные осложнения, аномальное пластовое давление, температура на глубине, степень агрессивности подземных вод). Буровая установка должна обеспечивать наибольшую эффективность. Единицей продукции, производимой буровой установкой, является законченный куст скважин, скважина или каждый пробуренный метр. Мера производительности в определенных условиях бурения — коммерческая скорость, определяемая числом пробуренных установкой метров за месяц ее работы (м/ст.-мес), а мера производительности и эффективности установки— стоимость куста, скважины или 1 м в заданных условиях. Очевидно, что скважину глубиной 1000 м можно пробурить с использованием установки, предназначенной для бурения более глубоких скважин, например для скважин глубиной 6000— 7000 м, но заранее можно сказать, что это неэкономично, а пробурить скважину глубиной 6000—7000 м с применением установки, предназначенной для бурения скважин глубиной 1000 м, естественно, невозможно. Во многих случаях пределы экономической целесообразности применения той или иной установки теоретически найти довольно трудно без соответствующего анализа ее параметров (характеристик и данных эксплуатации). Различные виды буровых установок, даже одного класса, могут иметь отличающиеся друг от друга параметры и характеристики отдельных машин и агрегатов. Параметры каждого агрегата выбирают: 1) на основе анализа результатов бурения скважины; 2) по конструкции скважины и условиям бурения, близким к тем условиям, для которых проектируется новая установка. После этого выбирают типовую конструкцию скважины и типовую технологию ее проходки и строительства. 3.4 Принципы конструирования бурового оборудования, задачи и технические основы конструирования Основная задача конструирования — создание бурового оборудования, обеспечивающего наибольшую эффективность выполнения технологических функций в процессе строительства скважин на нефть и газ в зависимости от условий бурения, дающего наибольший экономический эффект, т. е. наименьшую стоимость 1 м скважины, и обладающего наиболее высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями. Весьма важным является автоматизация управления, т. е. превращение машины в саморегулирующийся и самонастраивающийся на оптимальный режим работы агрегат. Примером может служить гидравлический привод или привод от двигателей постоянного тока буровой лебедки или насосов. Такая система автоматически устанавливает скорость движения крюка в зависимости от изменения усилий на нем вследствие затяжек и прихватов бурильной колонны или осуществляет автоматическое снижение подачи насосов при изменении гидравлических сопротивлений в процессе бурения. Это повышает эффективность СПО и бурения, увеличивает ресурс механизмов и их надежность. Качество буровой установки определяется производственно-технологическими и эксплуатационными показателями. Производственно-технологические показатели — трудоемкость изготовления, металлоемкость, степень конструктивной унификации. Эксплуатационные показатели — производительность, надежность, мощность, относительная масса, размеры, ремонтопригодность, удельный расход энергии, сохраняемость, простота и безопасность обслуживания, удобство управления и быстрота монтажа, демонтажа и транспортировки с одной точки бурения на другую. В конструкции бурового оборудования необходимо соблюдать экологические требования, и, проектируя новое оборудование, конструктор должен осознавать свою ответственность за сохранение окружающей среды и недр и быть достаточно компетентен в вопросах их защиты. При проектировании оборудования следует предусматривать меры защиты от загрязнения окружающей среды, шума и вибраций. Производственные отходы при бурении, отработанный буровой раствор и воду, выбуренную породу, масла необходимо или полностью перерабатывать на буровой, или вывозить в места, исключающие загрязнение окружающей среды. Это относится не только к морским, но и к континентальным буровым установкам. В конструкторской и технической документации должны четко излагаться требования, которые обеспечили бы защиту природы при эксплуатации буровой установки. Конструкции также должны отвечать требованиям технической эстетики — буровые машины должны иметь красивый внешний вид. При конструировании следует строго соблюдать требования антропологических, психологических, санитарно-гигиенических, противопожарных и других норм. Важно также учитывать роль информативности цвета и форм элементов оборудования в зависимости от выполняемых ими функций и назначения. Разрабатывая конструкцию машины, инженер должен обеспечить более высокую экономическую эффективность ее в течение всего срока службы по сравнению с ранее существовавшей. Основными факторами, влияющими на решение этой задачи, являются повышение производительности, увеличение долговечности и уменьшение эксплуатационных расходов. Стоимость бурения скважин зависит от многих факторов: технологии бурения, организации работ, климатических и геологических условий и др. Технология бурения скважин быстро прогрессирует, и даже наилучшие конструкции бурового оборудования и породоразрушающего инструмента непрерывно морально стареют; их необходимо модернизировать или заменять новыми. Методы конструирования и расчета также непрерывно совершенствуются, что позволяет создавать новое более прочное и надежное оборудование. Разработка новых конструкций бурового оборудования, изготовление опытных образцов, их испытание, освоение серийного производства иногда требуют длительных сроков (3—7 лет). Поэтому машиностроители должны не только представлять себе пути развития технологии бурения, но и изыскивать методы ускорения создания нового оборудования, зависящие от многих причин. 3.5 Экономические основы проектирования Повышение экономической эффективности должно иметь первостепенное значение при конструировании. Конструирование бурового оборудования должно быть экономически направленным. Необходимо учитывать весь комплекс факторов, определяющих экономическую эффективность. Конструктор должен уметь правильно оценивать относительное значение различных факторов. Частичная экономия, не учитывающая всей совокупности факторов, ведет, как правило, к снижению экономичности бурового оборудования. Полезная отдача, или суммарный полезный эффект, от эксплуатации установки выражается стоимостью объема бурения в единицу времени или стоимостью бурения всех скважин за время работы установки. Величина полезной отдачи зависит от производительности бурового оборудования, т. е. от числа пробуренных метров в единицу времени и стоимости 1 м пробуренной скважины. Плановая стоимость бурения скважины или 1 м проходки задается планирующими организациями. Фактическая стоимость бурения и полезная отдача определяются многими факторами: технологией бурения, правильностью эксплуатации оборудования, техническими средствами, квалификацией буровой бригады и персонала по монтажу, демонтажу, перевозке оборудования и организацией работ. Сокращение времени на монтаж, демонтаж, перевозку, ожидание бурения и другие работы, не связанные с углублением ствола скважины, снижает непроизводительные расходы и резко повышает полезную отдачу установок. Однако надо иметь в виду, что низкая стоимость бурения скважины не является самоцелью. Конечная цель — стоимость 1 т добытой нефти или 1 м3 газа, известную долю которой составляет стоимость бурения. Поэтому если ускорение ввода в эксплуатацию скважины может привести к снижению стоимости добытой нефти или газа, то целесообразно пойти на увеличение стоимости бурения скважины. Задачу повышения полезной отдачи необходимо решать не только с помощью конструктивных и организационных мероприятий, но и путем применения передовой технологии бурения, для чего буровая установка должна обладать необходимой мощностью подъемного и насосного комплексов, должна иметь необходимые средства очистки и приготовления буровых растворов, должна быть оборудована средствами контроля параметров бурения и т. д. Главные факторы повышения производительности бурового оборудования: соответствие подачи и давления буровых насосов требованиям технологии бурения; соответствие мощности и скорости спуска и подъема бурильных колонн установленным нормам; использование автоматических средств контроля и управления технологией бурения и производством буровых работ; возможность реализации необходимых частот вращения и нагрузки на долото. Например, оптимизация режимов бурения, бурение при низком дифференциальном давлении на забое за счет использования более легких растворов, снижение количества твердой фазы в растворе и реализация на гидромониторном долоте большой гидравлической мощности могут дать большой экономический эффект без какой-либо модернизации буровой установки. Эти мероприятия могут повысить не только скорость бурения скважины, но и проходку на долото, за счет чего могут быть резко снижены объем спуско-подъемных операций и затраты времени на них. Параметры и технические средства буровой установки должны не только обеспечивать существующую технику бурения, но и быть рассчитаны на перспективу. Сокращение времени бурения скважин зависит от монтажеспособности и быстроты транспортировки установок. В настоящее время стремятся конструировать отдельные блоки установки и средства перевозки так, чтобы они составляли единое целое и обеспечивали быстрые транспортировку и монтаж установки без каких-либодополнительных грузоподъемных средств. 3.6 Выбор схемы и компоновка оборудования буровой установки Совершенствование бурового оборудования тесно связано с непрерывным развитием технологии бурения. Растут скорости бурения, упрощаются конструкции скважин и увеличиваются их глубины, изменяются методы монтажа, демонтажа и перевозки оборудования, непрерывно повышается уровень механизации и автоматизации. Некоторое оборудование с появлением новых технологических процессов становится ненужным. Так, с изобретением вращательного бурения отпала необходимость широкого использования установок ударного бурения; двигатели внутреннего сгорания и электродвигатели в буровых установках полностью вытеснили паровую машину, являвшуюся единственным видом привода в течение 70 лет. Конструктор должен знать специфику бурового оборудования, технологию бурения и функции каждого агрегата в процессе проходки скважины. После выбора основных параметров и прототипа буровой установки приступают к разработке ее схемы и компоновке оборудования. Разработка схемы и компоновка обычно состоят из двух этапов: эскизного и технического. При эскизной компоновке разрабатывают основную схему и общую компоновку бурового оборудования и агрегатов в большинстве случаев в нескольких вариантах, не детализируя конструктивного устройства отдельных элементов, а предполагая, что они известны, например, расположение лебедки и коробки перечтены передач (КПП), буровых насосов. Будут ли насосы приводиться от одного общего вала группового силового привода или от разных валов? При этом не решается вопрос, будет ли лебедка одновальной или двухвальной, будет ли насос двухпоршневой или трехпоршневой. На основании результатов анализа преимуществ и недостатков различных вариантов схем выбирают такую схему, которая наиболее удовлетворяет поставленным задачам, после чего разрабатывают техническую компоновку оборудования. Уточняют конструктивное решение каждого элемента, например, будет ли КПП цепной или зубчатый, будет ли вспомогательный регулирующий тормоз гидравлическим или электродинамическим, будут ли передачи цепные, зубчатые или клиноременные и т. д. После этого разрабатывают окончательный вариант кинематической схемы буровой установки. К основным факторам при анализе схемы и компоновки относятся: наилучшее выполнение основных функций, требуемых процессом проходки скважины при наиболее простой кинематической схеме установки; быстрота и легкость монтажа, демонтажа и транспортирования оборудования; стабильность в заданных пределах конструкции и параметров установки после многократных транспортировок с одной точки бурения на другую; сохранение соосности валов или быстрое ее восстановление после многократных перевозок и сохранность всего оборудования; наименьшая общая металлоемкость конструкции; доступность для монтажа и обслуживания агрегатов и управляющих органов установки; возможность установки всего комплекта свечей бурильных и утяжеленных труб и обсадных труб с 10 % -ным запасом на одну из колонн; достаточная высота оснований для обеспечения возможности размещения противовыбросового и другого оборудования и использования имеющихся транспортных средств для перевозки; наилучшее обеспечение требований техники безопасности ведения работ при наибольшем удобстве. При компоновке важно выделить главное, установить пара­метры и варианты отдельных агрегатов. Например, как будет осуществляться привод насосов или лебедки от одного двигателя мощностью 1000 кВт или от двух двигателей по 500 кВт. Попытки разрабатывать одновременно все элементы буровой установки ошибочны и обречены на неудачу. Компоновка основного оборудования в плане определяет расположение агрегатов относительно оси скважины О (рис.3.6), с которой должен совпадать центр отверстия ротора, определяющий положение лебедки. Лебедку располагают против приемного мостка и ворот в буровую, чтобы бурильщик, управляя лебедкой, имел хороший обзор при затаскивании в буровую труб и другого оборудования. Ось I-I барабана лебедки удалена на расстояние А от оси II- II, чтобы обеспечить необходимое для работы операторов расстояние В между ротором Dp и лебедкой. Лебедку следует располагать так, чтобы середина барабана лебедки (ось III-III) проходила также через ось скважины О. Если главная лебедка расположена ниже уровня пола буровой, то расстояние А выбирают из конструктивных соображений так, чтобы ведущая ветвь каната проходила к кронблоку, не цепляя вышку, и оператору был обеспечен обзор барабана при наматывании на него каната. Остальное оборудование можно располагать относительно лебедки в зависимости от назначения буровой установки и ее класса. На рис. 3.6 приведена классическая схема линейного расположения коробки перемены передач и трансмиссии за ротором и лебедкой. Преимущество такой компоновки - компактность размещения оборудования и возможность использовать буровую лебедку для монтажа и демонтажа мачты и другого оборудования, что позволяет осуществлять работы без применения специальных мощных грузоподъемных средств. В связи с увеличением глубины бурения и необходимостью применения сложного оборудования для герметизации устья скважины высота пола буровой увеличилась до 4 - 10 м, а масса отдельных агрегатов - до 25 - 30 т и более. Естественно, что монтаж такого тяжелого оборудования на большой высоте значительно усложнился. Прогресс технологии и сокращение времени на проходку ствола скважины также выдвинули проблему сокращения времени и затрат средств на монтаж и демонтаж буровой установки. Поэтому эти вопросы также должны решаться на ранних этапах проектирования и компоновки бурового оборудования с учетом условий эксплуатации. Линейная компоновка позволяет обеспечить более удобное параллельное расположение валов трансмиссии и вращение их в одном направлении, что особенно удобно, когда для привода используют нереверсивные двигатели внутреннего сгорания. На рис. 3.7 приведены различные схемы размещения оборудования, зависящие от назначения установки, высоты оснований, способа монтажа и транспортировки, типа силового привода и трансмиссии (рис.3.7, а—г — установки с электроприводом, рис. 3.7, д—к — с приводом от ДВС). На рис. 3.7, а, в, е, з, и приведены схемы компоновки с линейным расположением оборудования как с приводом от электродвигателей, так и от ДВС, с приводом ротора, как цепной передачей, так и карданным валом. При этих схемах уровень пола буровой может достигать 10 м. Компоновка оборудования с боковым расположением приводных двигателей основных агрегатов показана на рис. 3.7, г, д, ж, и, к. При боковом расположении двигателей с карданными валами в трансмиссиях все оборудование должно быть расположено почти на одном уровне, так как карданные валы не допускают больших углов наклона. Подобная схема вполне приемлема для легких самоходных буровых установок, не требующих оснований большой высоты. Для установок глубокого бурения при большой высоте оснований (4-10 м) располагать лебедку и силовой привод на одном уровне можно только в морских установках, не требующих демонтажа и монтажа при бурении новой скважины. Для наземных буровых установок, перевозимых блоками, подобная схема неудачна, так как требует подъема тяжелого оборудования на большую высоту. Сложность монтажа делает эти установки малоэффективными, так как время монтажа иногда больше времени бурения скважины. В таких установках буровую лебедку рациональнее располагать только на уровне земли, ниже пола буровой. На полу буровой устанавливают ротор и вспомогательную лебедку, которые должны в этом случае иметь индивидуальный привод. В этой схеме ротор и лебедка имеют отдельные коробки передач, что усложняет конструкцию (рис. 3.7, б). Компоновка основного оборудования буровой установки по вертикали зависит от ряда факторов: глубины бурения, назначения установки, типа привода, способа монтажа и демонтажа, высоты пола буровой. Когда глубина скважины большая и бурение ведут для разведки на глубинах с малоизвестным геологическим разрезом, установка должна иметь соответствующее оборудование для герметизации устья скважины, состоящее из плашечных превенторов, универсального и вращающегося превентора. Для установки этого оборудования между устьем скважины и ротором должно быть необходимое пространство. Тип привода также играет большую роль. Если установка имеет групповой дизельный привод, то основные исполнительные механизмы (лебедка, ротор и насосы) должны быть связаны единой трансмиссией. На рис. 3.8 приведены типичные схемы компоновки бурового оборудования по вертикали. На рис.3.8 , а показана компоновка лебедки, ротора и силового привода на уровне пола буровой. Такая компоновка приемлема при небольшой высоте пола буровой (Н<3 м). Для скважины глубиной 2— 2,5 тыс. м, когда не ожидается высоких пластовых давлений, не требуется применение всего комплекса оборудования для герметизации устья. Компоновка оборудования на одном уровне имеет то преимущество, что монтаж трансмиссий и их конструкция значительно упрощаются. При большой высоте пола буровой (3 м< Н <6 м) компоновка по этой схеме становится неэффективной и оборудование целесообразнее монтировать по схеме, приведенной на рис.3.8,б. Расположение лебедки и ротора на уровне пола буровой, а силового привода несколько ниже позволяет облегчить его металлическое основание. Однако разность уровней Н и hд определяется трансмиссией, соединяющей силовой привод и коробку передач, так как межосевые расстояния Ал (между валами двигателя и лебедки) и Ан (между валами двигателя и насоса) при цепном приводе должны быть не более 3 м, а при клиноременных передачах не более 4 м. Схема, приведенная на рис.3.8,в, позволяет поднять уровень пола буровой на любую необходимую высоту (Н = 6÷10 м), улучшает расположение и упрощает монтаж лебедки и силового привода. Недостаток такого конструктивного решения - необходимость привода ротора и вспомогательной лебедки или от индивидуальных двигателей, или от группового привода, расположенного ниже пола буровой, через угловые редукторы и вертикальный вал. Высоту основания силового привода hд в этом варианте выбирают равной высоте грузовой платформы транспортных средств для удобства погрузки и разгрузки; обычно hд = 1,8 ÷2 м. На рис.3.8,г приведена компоновка оборудования для герметизации устья скважины под полом роторно-вышечного блока. Важную роль для установок, используемых для бурения на суше, когда их перевозят по дорогам с ограниченными габаритами, играет их транспортабельность. В этом случае уже на начальной стадии проектирования должен быть решен вопрос о расчленении буровой установки на транспортабельные блоки. Габариты и масса каждого блока должны согласовываться с возможностями транспортных средств. Этому вопросу в настоящее время уделяется большое внимание, и специальные транспортные средства разрабатываются одновременно с проектированием буровой установки. Перед выбором той или иной схемы компоновки необходимо рассмотреть все эти факторы и принять вариант, обеспечивающий технико-экономический эффект в заданных условиях. Рабочее место - первичное звено установки, где находят отражение основные элементы производственного процесса и проявляются эффективность и качество труда. Рациональное расположение рабочего места и органов машины, на которые воздействует оператор, способствует достижению наиболее высокой производительности и созданию благоприятных психофизиологических условий труда. Прежде всего, необходимо проанализировать состав операций, очередность их выполнения, возможное совмещение по времени, распределение функций между членами буровой бригады. Каждый член бригады может работать поочередно в различных местах в зависимости от вида проводимых работ: на площадке вокруг ротора, приемном мостке, балконе вышки; в насосном и силовом отделениях, в зоне приготовления и очистки бурового раствора. Конструктор должен иметь в виду, что буровая бригада может работать на буровых установках различного класса и назначения. Поэтому необходимо, чтобы организация рабочего места была типовой, но отвечала требованиям, предъявляемым к проектируемой установке. Процесс проходки скважины включает большое число разнообразных операций, большая часть которых повторяется при бурении каждой скважины в строго определенной последовательности» а часть операций (работы по предупреждению поглощений, газопроявлений, обвалов, осложнений, ликвидации аварий и др.) проводится не всегда. Значительная часть операций, выполняемых буровой бригадой, требует использования различных приспособлений и механизмов, применяемых периодически. Многие из этих механизмов постоянно находятся на рабочем месте, что ухудшает условия работы операторов при выполнении других операций, не требующих их применения, поэтому в буровой установке следует предусматривать рациональную планировку оборудования на рабочем месте с таким расчетом, чтобы механизмы, не используемые в данной операции, не мешали ее выполнению. В проекте установки должны быть предусмотрены оснащение рабочих мест основным и вспомогательным оборудованием, приспособлениями и механизмами; планировка рабочего места; необходимые условия труда на рабочем месте; способы и средства связи между рабочими местами. На рис. 3.9 приведены примеры неудачной (рис.3.9, а) и удачной (рис.3.9, б) компоновок оборудования, приспособлений и инструментов на рабочем месте в вышечном отделении буровой. Хотя в этих компоновках комплект оборудования одинаковый, за исключением шурфа для наращивания труб, расположение лебедки и ротора также одинаково, но расположение оборудования по схеме на рис.3.9, а менее удобно. Например, ключ для свинчивания труб размещен между ротором и лебедкой, что затрудняет подход персонала, подсвечник находится слишком близко к лебедке и ротор привод осуществляется цепной передачей, закрывающей проход. Пульт управления ключом расположен слишком далеко от пульта управления лебедкой, что усложняет работу бурильщика. Приспособление для крепления неподвижного конца каната расположено так, что не уравновешивается горизонтальное усилие от натяжения ведущей и неподвижной струн талевого каната; это создает опрокидывающий момент вышки. Нет шурфа для наращивания труб, поэтому при наращивании необходимо каждый раз снимать с крюка ведущую трубу с вертлюгом и ставить ее в боковой шурф, на что затрачивают дополнительное время. При расположении оборудования по схеме на рис.3.9, б эти недостатки устранены. Ключ для свинчивания поставлен с другой стороны от ротора, привод ротора осуществляется карданным валом с кожухом, расположенным на уровне пола, что обеспечивает свободный проход вокруг ротора. Уменьшено расстояние между пультами управления ключом и лебедкой. Приспособление для крепления неподвижного конца каната установлено напротив барабана лебедки, что снижает горизонтальную составляющую от усилия в струнах каната. Пульт управления расположен удобнее для бурильщика. Предусмотрен шурф для трубы. Общую компоновку оборудования буровой установки осуществляют после выбора схем расположения основных агрегатов. На этой стадии окончательно уточняют расположение оборудования с учетом всех факторов, а не только выполняемых функций. При этом решают вопрос, в какой модификации должна быть выполнена установка. В ряде случаев, казалось бы, такие второстепенные факторы, как климатические условия или характер местности, не могут играть решающую роль, но это не так: на выбор схемы компоновки эти факторы иногда оказывают большое влияние. На рис.3.10, а показана компоновка установки для бурения в обычных условиях на суше скважин глубиной до 2500 м. В этой установке мачта и подъемное оборудование смонтированы на основании, прочно зафиксированном на точке бурения. Трансмиссии, коробка передач и групповой дизельный привод расположены за лебедкой ниже уровня пола буровой. Высота основания привода hд≈3м, что несколько усложняет монтаж, демонтаж и конструкцию оснований. Однако для бурения неглубоких скважин это может быть приемлемо, так как масса отдельных блоков не превышает грузоподъемность имеющихся кранов и монтажно-демонтажные работы можно вести при помощи нефтепромысловых грузоподъемных средств. Насосный комплекс, приемный мост и оборудование системы очистки и приготовления бурового раствора расположены компактно, так что площадь, занимаемая установкой, минимальна (это очень важно при бурении скважин в районах использования земель в сельскохозяйственных целях). Установка рассчитана на перевозку по дорогам без порчи сельскохозяйственных угодий. В то же время для бурения, например, в заболоченных местностях Восточной Сибири, где залежи нефти и газа находятся в малонаселенных районах, такая компоновка оказывается малоэффективной. Практика показала, что для этих условий более производительно разбуривание куста скважин, для чего необходима модификация установки. На рис.3.6, б показана буровая установка того же класса в исполнении для кустового бурения скважин в районах нефтегазовых промыслов Западной Сибири, где преобладают болота и тайга. В этой установке основание вышечного блока служит платформой, оборудованной тележками железнодорожного типа. На тележках установка перемещается от одной точки бурения к другой по рельсам на расстояние 5-16 м. Такой установкой разбуривают куст наклонных скважин (8— 24 скважины), после чего ее демонтируют и перетаскивают для бурения следующего куста скважин. Силовой привод и лебедка расположены не на уровне пола буровой, а внизу на подвижной платформе. На полу буровой установлена вспомогательная лебедка. Насосный комплекс иногда располагают на расстоянии до 50 м от устья наиболее удаленной от него скважины. В этом случае напорная и сливная линии должны быть выполнены разборными из секций и смонтированы на мостках, чтобы была возможность перемещать блок (вышка с основанием) от одной скважины к другой, не передвигая насосный комплекс во время бурения всех скважин Куста. Напорная и сливная линии при этом наращиваются секциями. Для защиты персонала от непогоды и холода недалеко от буровой располагают жилые помещения, связанные с буровой переходными мостками. Такое конструктивное решение весьма эффективно для районов с заболоченной местностью. Бурение куста скважин не только упрощает монтаж-демонтаж и пере­возку буровой установки, но и сокращает объем строительства дорог. С помощью установки для кустового бурения можно бурить в год в 2—4 раза больший объем, чем с применением обычной установки. Из рассмотренного видно, какую важную роль в выборе варианта компоновки оборудования буровой установки играет учет конструктором всех факторов. 3.6 Разработка кинематической схемы буровой установки В первоначальной стадии проектирования одновременно с компоновкой оборудования следует разработать несколько вариантов кинематических схем, проанализировать их и выбрать вариант, обеспечивающий наибольшую эффективность. При этом необходимо проанализировать кинематические схемы всех исполнительных и промежуточных звеньев. а). Движение исполнительных органов буровой установки Режущие элементы породоразрушающего инструмента (долота) при вращательном бурении должны перемещаться по винтовой линии, причем вращательное движение должно быть согласовано с поступательным. Поршни буровых насосов должны совершать возвратно-поступательное прямолинейное движение с переменной или постоянной скоростью. Для смены породоразрушающего инструмента бурильная колонна разбирается на свечи, которые извлекаются из скважины и спускаются в нее при поступательном движении. В соответствии с этим установка должна иметь механизмы, посредством которых осуществляются эти основные или главные рабочие движения. Скорость главных движений основных исполнительных механизмов буровой установки определяется: - для породоразрушающего инструмента - долота - допустимой частотой вращения и буримостью пород; - для поршней бурового насоса - допустимой средней скоростью перемещения поршня насоса в цилиндре; - для крюка подъемной системы - допустимыми скоростями движения бурильной колонны в скважине и мощностью подъемного механизма. Наряду с основными движениями осуществляются вспомогательные: свинчивание и развинчивание замковых соединений колонны, закрепление ее в роторе, установка извлеченных из скважины бурильных труб и подтаскивание и спуск их обратно в скважину. Для рационального использования буровой установки и определения ее технических показателей необходимо знать скорости движения основных элементов. Кинематические связи между основными исполнительными механизмами: приводными двигателями, крюком, столом ротора и поршнями насосов - важнейший элемент при разработке эскизного проекта буровой установки. Для наивыгоднейшего использования мощности и обеспечения эффективности бурения необходимо установить скорости движения, пределы их регулирования и величины путей перемещения при наиболее простых кинематической схеме и конструкции проектируемой установки. Сначала намечают кинематическую структуру буровой установки, т. е. совокупность устойчивых кинематических связей между источниками движения и исполнительными механизмами, обеспечивающих цельность и сохранение основных кинематических свойств при различных внутренних и внешних изменениях. Кинематические связи могут быть внутренними и внешними. Внутренняя кинематическая связь - это кинематическая связь исполнительных механизмов между собой, определяющая характер их движения (вращательное или поступательное). Скорость движения исполнительного механизма внутренняя кинематическая связь не определяет. Внешняя кинематическая связь - это кинематическая связь исполнительных механизмов с источником движения. Она определяет скорость и направление движения исполнительного механизма. Внешняя кинематическая цепь соединяется с внутренней через любое промежуточное звено внутренней кинематической цепи, называемое ведомым звеном цепи привода. Для того чтобы разработать кинематику буровой установки, сначала разрабатывают структурную, а затем конструктивную кинематические схемы. Кинематическая структурная схема - кинематическая модель буровой установки, в которой устанавливается взаимное расположение звеньев, органов настройки и их связей. Она не определяет, какими средствами должно быть реализовано то или иное движение и его скорость. Кинематическая конструктивная схема является кинематической моделью буровой установки, в которой указывается, какими средствами реализуется движение того или иного звена с соблюдением размеров и форм, при изменении которых изменяются положения, скорости и ускорения отдельных элементов системы. На кинематической схеме указывается все, что необходимо для изучения движения. Кинематическая конструктивная схема буровой установки показана на рис. 3.11, а. На рис. 3.11, б приведена структурная схема буровой установки с приводными двигателями, сблокированными между собой и образующими групповой силовой привод основных исполнительных механизмов - ротора, насосов и лебедки. На структурную схему наносят условные изображения ее отдельных звеньев и элементов в виде ромбов, квадратов, окружностей или других фигур, а их кинематические связи изображают пунктирными линиями. На структурной схеме (рис. 3.11, б) постоянные звенья кинематической системы изображены ромбами (с постоянным передаточным отношением un), подвижные звенья, называемые органами настройки (с переменным передаточным отношением uv), - также ромбами. Приведенная на схеме буровая установка имеет один источник движения, состоящий из трех двигателей 11, сблокированных общей трансмиссией 15, и три кинематические группы: ротор 2, лебедку 4 с талевой системой 3, на которой через крюк подвешена бурильная колонна с долотом 1. Эти группы составляют общую кинематическую группу. Талевая система также может служить органом настройки uvт - звеном, изменяющим вращательное движение каната при намотке на барабан на поступательное движение с крюком. Ротор и лебедка имеют свои постоянные звенья uпр 6 и uпл 5 и общий орган настройки uv пр 7, которым производится кинематическая настройка на заданную скорость и направление движения исполнительных механизмов (ротора и лебедки). Орган настройки 7 (коробка перемены передач) приводится во вращение от источника движения 11 общей кинематической связью, включающей: орган настройки uv тт - турботрансформатор 10 и постоянное звено un.пр - цепные передачи 8 и 9 с постоянными отношениями. Привод насосов 14 представляет собой раздельную кинематическую группу, которая приводится от общего источника движения 11 и органа настройки uv тт 10 через постоянные звенья un.п - цепные трансмиссии 12 и 13. В буровых установках с индивидуальным приводом исполнительных механизмов (ротор, лебедка, насосы) имеются только обособленные кинематические группы и общая их структура и кинематическая схема значительно проще, чем в установках с групповым приводом. Кинематическая настройка буровых установок осуществляется периодически в зависимости от изменения режимных условий бурения. Обычно в буровых установках применяют два-три органа настройки: коробку передач привода uv лр ротора и лебедки, талевую систему uvт и турботрансформатор uv тт привода насосов и лебедки. Кинематическая настройка установки в основном сводится к определению параметров органа настройки, при помощи которых удается достигнуть нужных скоростей перемещения конечных звеньев цепи. Эти перемещения называют расчетными перемещениями и определяют их в зависимости от различных факторов — массы поднимаемой бурильной колонны, требуемой частоты ее вращения, скорости подачи долота и др. После этого составляют формулу настройки каждою органа где uп - передаточные отношения соответственно постоянных звеньев кинематической цепи и органа настройки; п1 в п2 - частоты вращения источника движения и исполнительного звена. После установления законов основных движений, определения частот вращений и скоростей движения конечных звеньев кинематических цепей приступают к разработке кинематической схемы буровой установки. б). Общие требования к кинематической схеме буровой установки Разработка кинематической схемы - одна из начальных стадий проектирования буровой установки. Разрабатывают несколько вариантов кинематических схем. Разработанные варианты должны быть всесторонне рассмотрены и оценены их преимущества и недостатки, так как некоторые из вариантов могут привести к конструктивным решениям, неравноценным в эксплуатационном и технологическом отношениях, хотя сами кинематические схемы будут обеспечивать необходимые скорости и перемещения конечных звеньев. На выбор кинематической схемы влияют технологические возможности завода-изготовителя, унификация и использование имеющихся готовых механизмов. На основе анализа всех данных создают кинематическую схему, наиболее полно удовлетворяющую всем требованиям. В каждой буровой установке должны быть три основные кинематические цепи: подъемного механизма, привода ротора и привода насосов. В совокупности эти цепи образуют кинематическую схему всей установки. Одни цепи в зависимости от характера работ и назначения установки должны допускать временную (привод ротора от вала лебедки) или постоянную связь между собой, другие (насосы и лебедка) могут постоянно оставаться независимыми одна от другой. При оценке различных вариантов схем по признаку их сложности следует учитывать степень механизации и автоматизации процессов. Кинематическая схема буровой установки должна удовлетворять общим требованиям: 1) обеспечению необходимого диапазона регулирования и изменения скоростей движения ротора, подъемного комплекса и насосов; 2) обеспечению регулирования скоростей подъема и спуска колонны бурильных труб при наименьших затратах времени. Степень сложности кинематической схемы оценивается сопоставлением, причем в качестве критериев могут быть выбраны следующие: 1) число элементов, входящих в кинематическую схему установки (валы, клиноременные, цепные и зубчатые передачи, подшипники, муфты сцепления, блоки талевой системы), число слоев намотки каната на барабан лебедки; число трубопроводов, распределительных органов пневмосистемы управления, число органов управления; 2) число сравнительно сложных в изготовлении или сборке элементов (редукторы, коробки передач, фрикционные муфты); 3) расположение валов; предпочтительно такое расположение, при котором их оси параллельны и находятся по возможности в одной плоскости или с небольшими углами наклона передач; следует избегать применения вертикального расположения цепных и клиноременных передач; допускается также взаимно перпендикулярное расположение валов с коническими зубчатыми передачами. Для облегчения физического труда рабочих и сокращения времени проходки скважин необходимо рассматривать техническую и экономическую целесообразность степени механизации. Надежность работы отдельных агрегатов и элементов буровой установки следует оценивать с учетом не только возможности отказов, но и наличия дублирующих цепей, обеспечивающих бесперебойную работу. в). Разработка кинематических схем буровых установок Число факторов, влияющих на структурные схемы буровых установок, ограничено, поэтому при разработке их могут быть использованы некоторые общие рекомендации. 1. Выбор минимального числа передач. Кинематическая цепь содержит тем меньше передач, чем меньше отличаются частоты ее ведущего и ведомого звеньев. Для уменьшения редукции при механических трансмиссиях целесообразно в буровых установках применять приводные двигатели средних частот вращения. Наиболее подходящие, как установлено практикой, двигатели с частотами вращения 900 - 1200 об/мин, при использовании турботрансформаторов в передачах - двигатели с частотами до 1600 об/мин. Применение двигателей с более высокой частотой вращения усложняет кинематическую схему и конструкцию, с меньшей частотой вращения - значительно увеличивает массу силовой части установки и ухудшает ее динамику, надежность и долговечность. На рис. 3.12 приведены кинематические схемы двух буровых установок с разными силовыми приводами. В варианте на рис. 3.12, а применены двигатели с частотой вращения hд= 1150 об/мин и с редукторами, понижающими частоту вращения валов блокирующей передачи до 750 об/мин. Так как эти зубчатые редукторы изменяют направление вращения ведомых валов и оно не соответствует требуемому для лебедки и ротора, то в кинематическую цепь привода агрегатов для изменения направления вращения введен дополнительный вал еще с одной зубчатой передачей. В варианте на рис. 3.12, б применены двигатели с частотой вращения nд = 1600 об/мин с турботрансформаторами, снижающими рабочую частоту вращения валов блокирующей трансмиссии до 1000 об/мин, но не меняющие направления вращения и обеспечивающие ее регулирование в широком диапазоне. За счет регулирования частот вращения ДВС по схеме на рис. 3.12, а могут быть получены частоты вращения трансмиссий в 1,3—1,4 раза меньше указанных. При применении в приводе турботрансформатора (рис. 3.12, б) частоты вращения валов трансмиссий могут снижаться за счет как диапазона регулирования, так и изменения частот вращения двигателя. Допустимый диапазон регулирования зависит от к.п.д. турботрансформатора. Для длительной работы при к.п.д. = 0,7-0,8 передаточное отношение можно принимать итг= 1,6÷2,5. В табл. 3.3 приведен сравнительный анализ этих двух схем. Как видно из этой таблицы, в приводе барабана лебедки по схеме на рис. 3.12, а валов и передач на четыре больше, чем по схеме на рис. 3.12, б. В то же время по схеме на рис. 3.12, а обеспечиваются только четыре ступени частоты вращения барабана лебедки, а по схеме на рис. 3.12, б можно получить шесть частот вращения барабана при меньшем числе передач и валов, участвующих в работе. Аналогичная картина получается и с приводом ротора. При выборе двигателя следует считаться с наличием выпускаемых двигателей, их характеристикой, стоимостью, моторесурсом и учитывать, что габариты и масса двигателей тем больше, чем меньше при одной и той же мощности его частота вращения. Таблица 3.3 Сравнительный анализ двух схем приводов лебедок Кинематическая цепь привода Вариант схемы Число передач, участвующих в работе Число зубчатых клиноременных цепных валов ступеней частот вращения Барабана лебедки от двух двигателей Рис. III.8, а 3 1 7 8 4 Рис. III.8, б 1 — 7 7 6 Бурового насоса от двух двигателей Рис. III.8, а 3 2 — 6 1 Рис. III.8, б 1 2 — 4 1 Ротора от первого двигателя Рис. III.8, а 2 — 7 7 3 Рис. III.8, б 1 — 6 6 3 2. Рациональное разложение общего передаточного отношения на частные. Из всех возможных вариантов наиболее выгодным в конструктивном отношении является такое разложение передаточного отношения, при котором наибольшее замедление вращения приходится на конечные звенья кинематической цепи. Поскольку общее передаточное отношение  (3.1) то целесообразно соблюдать условие  (3.2) Это правило основано на том положении, что размеры деталей механизмов кинематической цепи, передающей мощность N, по мере уменьшения частоты вращения п (в об/мин) увеличиваются. Например, диаметры валов обратно пропорциональны , модули зубчатых колес при прочих равных условиях и габариты зубчатых колес обратно пропорциональны . Габариты клиноременных и цепных передач обратно пропорциональны п, диаметры рабочих колес турбомуфт и турботрансформаторов обратно пропорциональны . Влияние расположения передач в кинематической цепи на размеры деталей механизмов можно достаточно просто определить в каждом конкретном случае. Если различие в передаточных отношениях невелико, то порядок их расположения большой роли не играет и обусловливается конструктивными соображениями. При разработке кинематических схем буровых установок следует иметь в виду, что размеры конечных звеньев зависят от требований технологии бурения (диаметр отверстия ротора, канатоемкость барабана лебедки и др.), а также частоты вращения валов отдельных механизмов. 3. Распределение частот вращения исполнительных механизмов. При разработке кинематических схем коробок передач буровых установок разбивку передаточных отношений можно осуществлять различными способами, однако во всех случаях следует придерживаться определенной структуры. Наиболее рациональная закономерность - геометрическая прогрессия. г). Определение передаточных отношений механизмов При разработке кинематических схем необходимо предварительно установить величины передаточных отношений и взаимное расположение валов, затем произвести ориентировочный прочностной расчет передач, после чего следует откорректировать полученные результаты. Сначала задаются частотами вращения конечных звеньев кинематической цепи: буровых насосов, лебедки и ротора. Затем выбирают двигатели и устанавливают частоты вращения валов трансмиссии. Валы буровых насосов имеют одну или две ступени частоты вращения. При выборе кинематической цепи привода насоса сначала устанавливают общие передаточные отношения передач:  (3.3) Обычно выбирают две-три ступени передач. При двухступенчатой передаче в первой ступени обычно применяют цепную или клиноременную передачу с передаточным отношением u12≤4. Вторая ступень зубчатая, реже цепная, с передаточным отношением u34≤6, размещается в корпусе насоса. При трехступенчатой передаче первая ступень обычно гидравлическая, реже зубчатая, с передаточным отношением и12 ≈ l,3÷l,8; часто применяют и цепные передачи. Остальные ступени аналогичны двухступенчатой передаче. При разработке кинематической цепи привода лебедки сначала выбирают число и структуру частот вращения подъемного вала. Если лебедка и ротор приводятся от одной общей коробки передач, то структуру частот вращения выбирают такой, чтобы удовлетворить техническим требованиям лебедки и ротора. После этого устанавливают передаточные отношения между подъемным валом пл и ведущим валом пд. Пределы передаточных отношений для различных буровых установок довольно широкие: при низшей частоте вращения плн  (3.4) при высшей частоте вращения плв  (3.5) Меньшие значения соответствуют низкочастотным и мощным двигателям и высокочастотным лебедкам; большие значения соответствуют высокочастотным двигателям и низкочастотным лебедкам. Для установления предварительных значений передаточных отношений можно использовать аналитический или графоаналитический способ. Последний значительно проще и нагляднее, позволяет быстрее отыскивать возможные варианты решения и уменьшает вероятность ошибок по сравнению с аналитическим. Рассмотрим графоаналитический способ определения передаточных отношений. По этому способу последовательно используют графики частот вращения (рис. 3.13) и структурную сетку (рис. 3.14), например, четырехступенчатого пятивального привода буровой лебедки. Структурная сетка необходима для выявления возможных вариантов (последовательностей) переключений передач и выбора передаточных отношений; при помощи графика частот вращения устанавливают величины передаточных отношений. График частот вращения указывает, как осуществляются переключения коробки передач для получения всех частот вращения. График частот вращения состоит из ряда параллельных прямых I-V, наносимых на произвольных равных расстояниях; каждая прямая соответствует одному валу механизма, следовательно, число этих прямых равно числу валов механизма. На каждой прямой отмечаются точками частоты вращения п соответствующего вала при всех возможных переключениях передач. Положение каждой точки определяется ее абсциссой, откладываемой от произвольно выбранного начала координат. Любая перпендикулярная к прямым I-Vлиния пересекает их в точках, изображающих одну и ту же частоту вращения. Для геометрических рядов частот вращения будет справедливо равенство  (3.6) где пi,пi+1 - частоты вращения предыдущего и последующего валов; φ - знаменатель геометрической прогрессии ряда последовательностей частот вращения. Если на прямых графика откладывать частоты вращения в логарифмическом масштабе, то расстояния между соседними точками, обозначающими различные частоты вращения вала, соответствующего этой прямой, будут равны между собой. Если структурный ряд частот вращения образуется геометрическим рядом, то расстояние между соседними точками равно lg φ (точки на прямых графика частот вращения обозначены вместо lg пi просто пi. Луч, соединяющий какую-либо точку частоты вращения одной прямой графика с точкой другой прямой, символически изображает определенную передачу (зубчатую, цепную, клиноременную) между теми двумя валами установки, которым на графике отвечают эти две связанные лучом прямые, и одновременно величину передаточного отношения этой передачи. Действительно, если расстояние между точками п1и п2, отсчитываемое вдоль прямых графика, равно х делениям, то  (3.7) Очевидно, что х>0, если n2> п1,х<0, если п2< п1. Значения пiпринято откладывать слева направо, поэтому и21 = n2/п1= φх, если точка п2(для ведомого вала) лежит правее точки п1,и и22 — п2/п1 = φ–х, если точка п2лежит левее точки п1. График частот вращения позволяет установить ряд основных признаков, характеризующих кинематическую схему механизма, кроме того, передаточные отношения всех передач и частот вращения валов при всех возможных переключениях коробки передач. График указывает также на способ получения всех час тот вращения вала Vи на порядок переключений. Из графика видно, что (3.8) т. е. основными являются группы передач и1и и2между валами I, II, III; и3, и4 и и5 между валами III и IV. Структура частот вращения вала Vнесколько отличается от геометрического ряда, так как расстояния между n51 и n52, n53 и n54 и т. д. не равны между собой (см. рис. 3.9). Очевидно, что те же частоты вращения вала Vможно получить и при других значениях передаточных отношений. Составляют несколько таких вариантов и выбирают наилучший в конструктивном и кинематическом отношениях. Как видно, приведенный вариант не очень удачен, так как передаточные отношения между валами IIи III слишком большие, что вынудило применить между валами III и IVповышающую передачу, а это не всегда целесообразно. Структурная сетка используется при разработке или анализе кинематических схем, выявлении возможных вариантов переключения передач и выборе относительных величин передаточных отношений в механизмах с КПП. Структурная сетка внешне отличается от графика частот вращения (рис. 3.13) тем, что на нем наносятся знаменатели прогрессии ряда частот вращения валов. На рис. 3.14 приведена структурная сетка пятивального механизма того же, что и на рис. 3.13. Структурная сетка позволяет решить вопрос о возможности конструктивного осуществления механизма с кинематической схемой при намеченном порядке переключений передач и выбранном соотношении передаточных отношений иmах/итin. Например, если бы было нельзя осуществить конструктивно КПП по схеме рис. 3.13, то ее нельзя было бы осуществить и по другой схеме, так как отношение итах/итinпостоянно. Структурную сетку строят следующим образом: на график наносят на равных расстояниях параллельные линии I-V. Затем середины линий IиIIсоединяют прямой, так как валы IиIIимеют постоянные частоты вращений п1и п2. Между валами IIIи IVимеются три передачи, и на валу IVможет быть осуществлено три ступени частот вращения п41, п42, и п43со знаменателями прогрессии φ1=п42/п41. Величина φ1откладывается влево, точки п3и п42 соединяются вертикальным отрезком, а величина знаменателя прогрессии φ2=п43/п42 откладывается вправо от точки п42до точки п43. Валы IVи Vсоединены двумя передачами, и на валу Vможет быть получено шесть частот вращения. От перпендикуляров, опущенных из точек п41, п42и п43на линию вала V, откладываются влево и вправо величины знаменателей прогрессии φ3, φ4 иφ5. В результате на линии вала Vполучаем шесть точек п51, п52, …, п56, которые соединяются с точками п41, п42, и п43. Расстояния между точками п51, п52, …, п56, будут равны знаменателям прогрессии ступеней частот вращений вала V. Величины φ откладываются по горизонтали по логарифмической сетке. Если бы кинематическая схема рассматриваемой установки была выполнена по геометрическому ряду, то значения φ51= φ52=…=φ55=const. Из рассмотрения структурной сетки видно, что: механизм создает шесть ступеней частот вращения на последнем ведомом валу при постоянной частоте вращения первого ведущего вала; механизм - пятивальный с двумя постоянными передачами и двумя группами передач, причем первая из них, считая от на­правления передачи движения, состоит из трех ступеней, а вторая - из двух; для первой группы передач общее передаточное отношение u = φ1φ2, а для второй группы передач общее передаточное отношение и = φ51φ52 φ53φ54 φ55; для геометрического ряда было бы u = φ1k-1, где k- число ступеней. Из изложенного можно сделать заключение, что для определения передаточных отношений u1 установки следует: 1. построить варианты структурных сеток, соответствующих намеченной структурной формуле; 2. определить для каждой из сеток диапазон регулирования R=(nmax/nmin)max, установив, какой из них удовлетворяет требуемым условиям, т. е. для каких вариантов возможно осуществление проектируемого механизма; 3. построить график частот вращения для выбранного варианта, руководствуясь предельно допустимыми передаточными отношениями; этот график даст окончательные абсолютные значения передаточных отношений всех механизмов установки. 3.2 Анализ и синтез компоновочных схем оборудования скважинных штанговых насосных установок для добычи нефти применительно к заданию на проектирование 3.2.1 Назначение и область применения Из всех существующих механизированных способов добычи нефти в нефтедобывающей промышленности штанговый насосный способ является наиболее массовым. С помощью штанговых скважинных насосных установок (УШСН) эксплуатируется около 60 тысяч скважин, в т.ч. почти треть из них в Татарстане. Штанговая скважинная насосная установка состоит из трех принципиально различных частей - скважинного насоса, насосных штанг и наземного привода. Самая «консервативная» часть всей установки, находящаяся в эксплуатации наибольшее время, - наземный привод, в подавляющем большинстве установок представленный в виде станка-качалки. Фактический срок службы наземного оборудования, исходя из мирового опыта, составляет 20-30 лет. Этим объясняется одновременное наличие в эксплуатации оборудования, выпускавшегося по различным нормативным документам, естественно меняющимся за такой продолжительный период. До 1991 г. головной организацией по проектированию и разработке всей документации на станки-качалки являлся АзИН-МАШ (г.Баку) и все оборудование установок монопольно производилось только в Азербайджане. В 1987 г. указанной организацией был разработан последний стандарт на станки-качалки. В последние годы на производство станков-качалок были переклюю-чены российские предприятия, в числе которых и ранее входившие в военно-промышленный комплекс, - Ижевский механический завод (АО «Ижнефтемаш»), Ижевский завод «Редуктор» (ОАО «Редуктор»), завод Уралмаши ГПО «Уралтрансмаш» (г.Екатеринбург), АО Мотовилихинские заводы (торговый дом «Мотовилихинский», г.Пермь), предприятие «Вакууммаш» (г.Казань), а также Нефтепроммаш (г.Ахтырка Сумской области). Появление нескольких производителей однотипного оборудования способствует увеличению разнообразия конструктивных решений и улучшению качества изделий на конкурентной основе. За последние годы наблюдается тенденция пересмотра традиционных решений, что нашло отражение, в частности, во внедрении станков-качалок дезаксиального типа, в появлении отечественных станков-качалок с одноплечим балансиром, которые во времена монополии АзИНМАШа не изготовлялись. Можно предполагать, что в ближайшие годы более широко будут проводиться эксперименты по внедрению принципиально отличных от станков-качалок наземных приводов — тихоходных и длинноходовых безбалансирных и гидроприводных с различным видом уравновешивания. С точки зрения экономических возможностей СШНУ могут обеспечить высокий напор в ограниченном диапазоне подач от 5 до 50 м3/сут. В области подач от 1 до 40 м3/сут СШНУ имеет более высокий КПД по сравнению с другими способами добычи нефти и при подаче, равной 35 м3/сут, он может достигать максимального значения (37%). Таким образом, СШНУ хорошо приспособлена для работы в условиях малого и среднего дебита скважин. Однако, в некоторых случаях подача может достигать 200 м3/сут и глубины подвески насосов достигают 2500 м. Независимо от конструкций основных узлов, для всех СШНУ характерны следующие особенности: 1) значительное удаление гидравлической части насоса от механической, т.е. плунжера с цилиндром от кривошипно-шатунного механизма; 2) вертикальное расположение основных элементов установки; 3) малый поперечный (диаметральный) размер деталей, входящих в гидравлическую (подземную) часть установки. Все это в свою очередь обусловливает следующие явления, неблагоприятные для работы СШНУ. 1. Суммарная деформация колонны штанг и насосно-компрессорных труб достигает значительных величин и соизмерима с длиной хода плунжера. 2. Закон движения точки подвеса штанг отличается от закона движения плунжера, фактическая длина хода плунжера на 200— 500 мм меньше длины хода точки подвеса штанг. Поэтому при выборе режима работы установки стараются обеспечить максимальную длину хода плунжера. 3. Усилие в точке подвеса штанг постоянно направлено вниз и отличается при ходе вверх и вниз на 30—50%. Постоянство направления нагрузки в точке подвеса штанг, обусловленное весом колонны штанг и столба жидкости под плунжером глубинного насоса, обусловливает неравномерную загрузку приводного двигателя. За время полного оборота кривошипа, т.е. за время одного цикла работы глубинного насоса, происходит подъем и опускание штанг. При этом при ходе штанг вверх двигатель привода должен затратить дополнительную работу по подъему штанг — увеличению их потенциальной энергии. Полезная работа двигателя при ходе вверх расходуется на подъем жидкости. Для обеспечения хода штанг вниз не нужно совершать дополнительной работы - колонна опускается вниз силой собственного веса, а приводной двигатель при этом работает вхолостую. Для обеспечения равномерной нагрузки двигателя за время двойного хода и уменьшения его мощности привод СШНУ снабжают уравновешивающим устройством (в данном случае — грузы на правом плече балансира), назначение которого аккумулировать энергию, получаемую от приводного двигателя и штанг, при ходе плунжера вниз и отдавать ее при ходе штанг вверх. 3.2.1 Синтез компоновочных схем оборудования скважинных штанговых насосных установок для добычи нефти Наземный привод - наиболее сложная часть УШСН, которая должна выполнять следующие функции: - создавать возвратно-поступательное движение колонны насосных штанг с необходимым темпом; - обеспечивать силовое уравновешивание системы подъема продукции пласта; - допускать регулирование режима откачки продукции; - позволять осуществление технического диагностирования скважинного оборудования без остановки процесса отбора продукции. Из огромного разнообразия принципиально возможных технических средств, способных осуществлять указанные функции, наибольшее распространение во всем мире получил привод механического принципа действия, названный у нас балансирным станком-качалкой. Интересно отметить, что основная деталь - балансир, давшая название всему приводу, должна была бы в соответствии с теорией механизмов и машин правильно называться коромыслом, но это название не привилось. Балансиры выполняются либо в виде рычага первого рода и тогда станки-качалки считаются механизмами с двуплечим балансиром (рис. 1, а), либо в виде рычага второго рода и тогда станок-качалка будет с одноплечим балансиром (рис.1, б). В станках-качалках с двуплечим балансиром опора балансира С находится посредине - между точкой подвеса штанг D и точкой сочленения шатуна с балансиром В, тогда как в станках-качалках с одноплечим балансиром опора С расположена на конце балансира, а точка В - посредине. Механизмы с двуплечим балансиром и механической системой уравновешивания часто для отличия от всех остальных называют обычными. Рис.3.15. Балансирные станки-качалки: а-с двуплечим балансиром; б-с одноплечим балансиром Полную механическую схему любого обычного станка-качалки (рис.3.15) можно разделить на механическую трансмиссию и преобразующий механизм. Трансмиссия - совокупность деталей и механизмов, пере­дающих вращающее движение от двигателя к преобразующему механизму. В станках-качалках трансмиссией можно назвать ки­нематическую цепь между двигателем и осью вращения криво­шипа, служащую для снижения высокой частоты вращения, соз­даваемой двигателем, до требуемой небольшой частоты враще­ния кривошипа преобразующего механизма. В свою очередь по­следняя определяет число двойных ходов балансира станка-качалки в единицу времени. Трансмиссия может включить от од­ной до нескольких механических передач и возможных конструк­тивных комбинаций компоновки трансмиссий очень много. Прак­тически же наиболее типичная трансмиссия состоит из сочетания клиноременной передачи и зубчатого редуктора, как это показано на рис.3.16. Рис. 3.16 Кинематическая схема станка-качалки Преобразующий механизм служит для преобразования вращательного движения на валу кривошипа в возратно-поступательное движение точки подвеса штанг. В подавляющем большинстве установок преобразующий механизм представляет собой по точному определению сдвоенный шарнирный четырехзвенный кривошипно-коромысловый механизм с одностронним коромыслом. Как уже было сказано, механизм обычно называют кривошипно-шатунным балансирным. Четырсхзвснник ОАВС образуется подвижными звеньями в виде кривошипа ОА= г, шатуна АВ = 1, заднего плеча балансира ВС = k и неподвижным звеном ОС, представляющим собой рас- стояние между осями вращения кривошипа О и качания баланси­ра С. В расчетах неподвижное звено ОС обозначается через р и носит название полюсного расстояния или базы. Практически это расстояние определяется относительным расположением ре­дуктора и опоры балансира на стойке. Четырехзвенный механизм определяет закон движения ба­лансира. Переднее плечо балансира k1 на характере движения точки подвеса штанг не отражается, но влияет на длину ее хода. В станках-качалках применяют либо равноплечие балансиры с k1 = k, либо балансиры с удлиненным передним плечом k1 > k, по­зволяющим получить увеличенную длину хода при одинаковом четырехзвенном механизме. Рис.3. 17 Кинематическая схема преобразующего механизма станка-качалки в аксонометрии Из схемы видно, что каждое плечо балансира – коромысла может совершать качательные движения только по одну сторону от вертикали, проходящей через центр качания С, поэтому дан ный механизм считается односторонним. Механизм станка-качалки является сдвоенным, т.к. движение от редуктора к балансиру осуществляется двумя параллельно работающими кривошипно-шатунными механизмами, связанны­ми с балансиром посредством поперечной траверсы ВВ (рис.3.17). Это создает симметричное распределение нагрузки на весь механизм, делает установку более устойчивой и позволяет избежать неблагоприятное консольное приложение нагрузки к балансиру, кривошипу, редуктору. Станок-качалка представляет собой механизм с одной сте­пенью свободы, поэтому закон движения балансира и связанной с ним колонны насосных штанг определяется геометрическими и кинематическими параметрами преобразующего механизма: размерами, взаимным расположением подвижных и неподвижного звеньев, соотношением звеньев r /l, r/k, r/p, k1/k и скоростью вращения кривошипов. В зависимости от расположения центра вращения криво­шипов (точки О) относительно точки В сопряжения шатунов с балансиром механизм станков-качалок может быть аксиальным или дезаксиальным, что отражается на эксплуатационных показателях штанговой установки. 3.2.3 Анализ кинематики аксиальных и дезаксиальных станков-качалок Основное функциональное отличие станков-качалок аксиального и дезаксиального типов заключается в том, что аксиальные преобразующие механизмы обеспечивают примерное равенство продолжительности восходящего и нисходящего ходов балансира за счет равенства средних скоростей движения балансира станка-качалки вверх и вниз, тогда как у дезаксиальных механизмов это условие преднамеренно не соблюдается. Обе схемы механизмов имеют свои достоинства и недостатки, поэтому, выбирая один или другой тип механизма, стремятся получить наибольшие преимущества от применения штанговой установки в конкретных промысловых условиях. Для получения одинаковой средней скорости при ходе вверх и вниз требуется, чтобы в крайних мертвых положениях механизма кривошип и шатун лежали на одной вертикальной прямой, проходящей через центр вращения кривошипа. Таким образом, симметричное колебание балансира станка-качалки относительно горизонтального положения обеспечивается, если в крайних по­ложениях (точки В1 и В2 на рис 3.18, а) шарнирное сочленение шатуна 1 с задним плечом балансира к оказывается на одной вертикали с осью вращения кривошипа 0, т.е. с осью кривошипного вала редуктора. Точки А1 и А2 - крайние верхнее и нижнее положения кривошипа г. Из прямоугольных треугольников СОЕ и CB1E имеем (СЕ)2 = (СО)2 - (ОЕ)2 и (СЕ)2 = (СВ1)2 - (В1Е)2 или (СО)2-(ОЕ)2=(СВ1)2-(В1Е)2 Принимая общепринятые обозначения, указанные на рисунке, и имея в виду, что B1B2 = 2 r (т.к. B1E = r) и ОЕ = 1, получаемР2 + r 2 = k2 + I2 Найденное соотношение длин звеньев преобразующего механизма станка-качалки и обеспечивает симметричную работу механизма, т.е. отклонение точек B1 и В2 на одинаковое расстояние от горизонтали СЕ. При постоянной угловой скорости вращения кривошипа ω это приводит к равенству средних скоростей и продолжительности движения точки подвеса штанг D, а с ней и колонны штанг, вверх и вниз. Из приведенного выражения, однако, видно, что равенство соблюдается только для одного значения радиуса кривошипа r. При необходимости изменения длины хода точки подвеса штанг радиус r меняется и равенство нарушается. Следовательно, станки-качалки, выполненные на основе указанных условий, можно считать аксиальными с некоторой натяжкой. Обычно конструкция проектируется таким образом, чтобы полная симметрия обеспечивалась при предельной длине хода данного типа станка-качалки. В этом случае при уменьшении длины хода (радиуса кривошипа r) скорость хода вверх υB точки подвеса штанг получается несколько меньше скорости хода вниз υн. Рис.3.18. Кинематические схемы преобразующего механизма обычных станков-качалок: а - аксиальная; б - дезаксиальная с отрицательным дезаксиалом; в - дезаксиальная с положительным дезаксиальом. Многие годы отечественной промышленностью все станки-качалки выпускались исключительно в аксиальном исполнении. Проектировщики руководствовались при этом следующими соображениями. Применять кинематическую схему, при которой скорость движения колонны штанг вверх υв будет больше ее движения вниз υн явно нецелесообразно, т.к. статические нагрузки при ходе вверх значительно выше, чем при ходе вниз. Со скоростью возрастут ускорения, а вместе с ними и динамические нагрузки, что вызовет значительную перегруженность механизма станка-качалки, его двигателя, отразится на долговечности насосных штанг и т.д. С другой стороны, если выполнить кинематическую схему так, чтобы обеспечивалось противоположное условие υв < υн то появляются другие недостатки. Продолжительность восходящего хода увеличивается и вследствие этого возрастают утечки отбираемой жидкости из зазоров между плунжером и цилиндром штангового насоса, особенно при большой величине начального зазора (2м и 3м группы посадок) и изношенной трущейся паре. Кроме того, колонна штанг при быстром движении вниз может подвергаться продольному изгибу, особенно в наклонных скважинах, что вызовет преждевременные усталостные разрушения штанг, а изгиб штанг приведет к более интенсивному их контакту с трубами и повышенному износу как самих штанг, так и НКТ. Оценка воздействия описанных противостоящих факторов на эксплуатационные характеристики привела проектировщиков советских станков-качалок к желанию иметь оптимальные усло­вия работы штанговых установок за счет равенства υв = υн . В последние годы, начиная с разработки отраслевого стандарта ОСТ 26-16-08-87, все шире внедряются дезаксиальные станки-качалки, которые в конкретных промысловых условиях могут оказаться предпочтительнее аксиальных. Рассмотрим схему дезаксиального механизма с отрицательным дезаксиалом (рис 3.18, б), у которого ось вращения кривошипа О' смещена влево от вертикали В1В2 на величину дезаксиала (-е). При ходе точки подвеса штанг D вверх кривошип О'А проходит путь от точки А1 до точки А2, соответствующий углу поворота φв, а при обратном ходе точки D кривошип продолжает движение от точки А2 до точки А1, проходя расстояние, соответствующее углу поворота φн. Угол φв больше угла φн на величину угла дезаксиала θ, т.е. при ходе вверх φв = 180° + θ и, соответственно, при ходе вниз φн = 180° - θ. При постоянной скорости вращения кривошипа ω углы его поворота φв и φн соответствуют времени движения головки балансира вверх tв и вниз tн. Поскольку путь точки D балансира вверх и вниз одинаков и равен длине хода So, то средние скорости соответственно Так как φв > φн , то и tв > tн , поэтому υв <υн . Таким образом, данная схема обеспечивает замедленное движение колонны штанг вверх и ускоренное - вниз. Для получения механизма с положительным дезаксиалом необходимо точку 0 сместить вправо на величину +е в положение О" (рис 3.18, в). В этом случае скорость движения вверх будет превышать скорость движения вниз. Получили распространение станки-качалки с величиной дезаксиала θ = 9°, для которых при отрицательном дезаксиале Отношение Соответственно Следовательно, время движения головки балансира вверх примерно на 10 % больше времени движения вниз, а средняя скорость движения вверх, наоборот, меньше, чем вниз, на те же 10 %. В станках-качалках американской фирмы Lufkn типа Mark // с перенесенными вперед кривошипами (с одноплечим ба­лансиром) указанные соотношения значительно увеличены. Угол поворота кривошипа при подъеме штанг составляет в них 195°, а при спуске - 165°. Следовательно, разница в средних скоростях движения штанг вверх и вниз доведена до 18°, что по данным фирмы позволяет вдвое снизить потребную мощность и на 20 % -потребляемую энергию. Характер влияния дезаксиала (отрицательного или положи­тельного) проявляется только в сочетании кинематической схемы с направлением вращения кривошипа. Известно следующее правило. При отрицательном дезаксиале, если направления вращения кривошипа и балансира одинаковы (как показано на рис 3.18, б), то υв < υн если различны, то υв > υн . При положительном дезаксиале,если направления вращения кривошипа и балансира одинаковы (как показано на рис 3.18, в), то υв > υн , если различны, то υв < υн Поскольку любой станок-качалка имеет сдвоенный кривошипно-шатунный механизм, объединяемый вверху траверсой ВВ, а внизу ведомым валом редуктора 00 (рис 3.17), то механизм симметричен относительно оси балансира, т.е. продольной оси конструкции станка-качалки, но он не симметричен в поперечной плоскости. При виде на установку с одной стороны кривошипы вращаются по часовой стрелке, а при виде с другой - против часовой стрелки. Поэтому при анализе кинематики и динамики установки необходимо учитывать положение станка-качалки относительно скважины в совокупности с направлением вращения кривошипа. Как только что было отмечено, это имеет принципиальное значение для дезаксиальных механизмов. Установлено также, что направление вращения кривошипов отражается и на динамике штанговой установки с обычным аксиальным станком-качалкой. Известно, что динамические нагрузки, действующие на установ­ку, непосредственно связаны с величиной и законом изменения ускорений в точке подвеса штанг. Известно также, что ускорения за полный оборот кривошипов (один двойной ход балансира) изменяются несимметрично при ходе вверх и вниз. Это видно из диаграммы (рис 3.19, а). Еще отчетливей разница в ускорениях просматривается, если совместить правую часть диаграммы, соответствующую ходу вверх, с левой, соответствующей ходу вниз, как это сделано на рис 3.19, б. Следовательно, при симметричном положении кривошипа справа и слева от верхней мертвой точки ускорения различны. Более благоприятными будут условия, когда ходу вверх соответствуют меньшие по величине ускорения. На основании сказанного рекомендуется для станков-качалок аксиального типа вращение кривошипа выбирать по часовой стрелке при устье скважины, расположенном слева от наблюдателя. Промысловыми испытаниями подтверждено, что в этом случае динамические нагрузки на установку значительно меньше, чем при вращении в обратном направлении.   Рис. 3.19 Диаграмма изменения ускорений цикл в зависимости от угла поворота кривошипов: а - полная; б - совмещенная для хода вверх и вниз Примечание: пунктиром показана идеальная кривая при гармоническом законе движения. Для станков-качалок с одноплечим балансиром динамические нагрузки меньше при вращении кривошипа против часовой стрелки (устье скважины слева от наблюдателя). 3.2.3 Основные параметры Главные технические данные, характеризующие эксплуатационные качества станков-качалок и подлежащие учету при проектировании: 1. Максимальная допустимая нагрузка в точке подвеса штанг, которая определяет пределы применения установки по глубине скважины при разных диаметрах насосов. Нагрузка выражается в килоньютонах, а в старых конструкциях определялась в тоннах. В мировой практике известны приводы с допускаемой нагрузкой от 10 до 200 кН. Диапазон этого показателя для станков-качалок, применяемых в АО «Татнефть», составляет от 30 до 120 кН. 2. Максимальная длина хода устьевого штока в метрах. Этот параметр в значительной степени определяет производительность УШСН, а также, в первом приближении, габариты и массу привода. По наибольшей длине хода станки-качалки имеют диапазон от 0,4 до 7,6 м, а из применяемых на промыслах Татарстана - от 0,4 до 3,5 м. 3. Крутящий момент на ведомом валу редуктора в кНм (в старой системе единиц в кгсМ). Этот показатель определяет силовые возможности штанговой установки, а также габариты, массу и стоимость редуктора. Значение этого параметра подчеркивается, например, тем, что по стандарту АРИ (Американский нефтяной институт) он становится по важности на первое место в обозначениях приводов. В существующих в мировой практике приводах этот показатель имеет широкий диапазон - от 0,7 до 400 кН-м и более; в станках-качалках, применяемых в АО «Татнефть», - от 6,3 до 56 кН-м. Некоторые изготовители указывают максимальный допустимый крутящий момент, тогда как другие - номинальный. Указание номинального момента предполагает отработку редуктором некоторого среднестатистического срока службы при определенной частоте вращения входного вала и заданном коэффициенте полезного действия. 4. Максимальное число двойных ходов точки подвеса штанг в минуту. Этот показатель характеризует режим откачки и, наряду с длиной хода, производительность установки. Обычно максимальная частота качаний не превышает 15 в минуту. Сейчас четко просматривается тенденция снижения данного показателя до 1- 2 качаний в минуту и даже меньшего. Это объясняется, с одной стороны, снижением дебита скважин и, с другой стороны, стремлением повысить долговечность оборудования УШСН (в первую очередь насосных штанг), технический ресурс которого напрямую связан с цикличностью нагружения установки. 5. Тип балансира - двуплечий или одноплечий. 6. Система уравновешивания привода. 7. Характеристика приводного двигателя (тип, мощность, частота вращения, пусковая характеристика). 8. Вид механической трансмиссии (количество ступеней и передаточное число редуктора, количество клиновых ремней и пр.). 9. Габаритные размеры привода, мм (длина, ширина, высота). 10.Масса привода, кг. Наиболее важные параметры отражаются в условном обозначении приводов штанговых насосов. Как правило, это первые три показателя из числа перечисленных. Существует различие в условных обозначениях однотипной продукции, системе единиц, наличии или отсутствии признаков исполнения привода, что создает определенные трудности для предприятий, эксплуатирующих УШСН. Поэтому назрела необходимость унификации параметров и приведения системы обозначений штанговых приводов к единой. К числу важнейших эксплуатационных характеристик станков-качалок следует отнести также показатели надежности, которые обычно определяются в часах (с последующим укрупнением до суток и лет): это наработка на отказ, ресурс до первого капитального ремонта, полный срок службы. 3.2.4 Выбор схемы и компоновка станков-качалок Типовая конструкция обычных отечественных станков-качалок сложилась в пятидесятые годы с началом их серийного выпуска в соответствии с ГОСТ 5866-56 (рис. 3.20), хотя стандартом конструкция узлов не определялась. Все основные узлы станка-качалки составляют в совокупности единую взаимосвязанную функциональную схему, представленную на рис.3.21. Узел подвески устьевого штока связывает станок-качалку с колонной насосных штанг и включает собственно подвеску, головку балансира и соединяющий их канат. Сама подвеска состоит из верхней и нижней траверс, двух зажимов каната и зажима устьевого штока. В подвеске может устанавливаться гидравлический динамограф для проведения диагностирования состояния скважины и скважинного оборудования. Головка балансира имеет сварную конструкцию с дугообразной формой рабочей части. Сочетание гибкой связи подвески с дугообразной головкой балансира позволяет обеспечивать прямолинейность движения точки подвеса штанг, т.е. вертикальное, без отклонений, перемещение устьевого штока. Это условие является обязательным из-за необходимости герметизации устья скважины. Головка балансира должна соединяться с балансиром шарнирно для возможности освобождения пространства над скважиной в процессе проведения подземного ремонта. Другие теоретически возможные для этого пути, например, поворот целиком балансира или всего привода, перемещение привода от устья скважины практически слишком сложны и для балансирных приводов не применяются. Поэтому шарнирное соединение позволяет перемещать только головку балансира либо относительно горизонтальной оси откидыванием головки на тело балансира, как это производится в маломощных станках-качалках, либо поворотом ее в стороны в пределах 180°, что делается в подавляющем большинстве конструкций. В последнем случае шарнир располагается вертикально и представляет собой массивную ось в сочетании с шайбой головки балансира.   Рис.3.20 Типовая конструкция обычного станка-качалки (по ГОСТ 5866-56): 1 - канатная подвеска; 2 - головка балансира; 3 - опора балансира; 4 - балансир; 5 - балансирные противовесы; 6 - опора траверсы; 7 - верхняя голов­ка шатуна; 8 - шатун; 9 - нижняя головка шатуна; 10 - редуктор; 11 - клиноременная передача; 12 - ручка управления тормозом; 13 - электродвигатель; 14 - кривошип; 15 - кривошипные противовесы; 16-рама; 17 - стойка; 18 – траверса Для фиксации головки в рабочем положении в шайбе предусмотрен паз, в который входит клин защелки, прикрепленной к телу балансира. С целью упрощения поворота головки балансира в некоторых современных станках-качалках предусмотрен червячный механизм с ручным управлением. Более удачным считается новое конструктивное решение, когда головка балансира соединяется с телом балансира с помощью четырех вертикально расположенных штырей; при необходимости поворота головки два из них с одной стороны убираются и головка поворачивается в нужную сторону относительно двух других. Такой вариант не требует применения специальных фиксаторов. Балансир изготовляется из профильного проката, обычно из двутавров, устанавливается на стойке посредством промежуточной опоры, состоящей из оси, смонтированной на роликоподшипниках. Опорная часть балансира конструктивно выполнена так, что он может в некоторых пределах перемещаться по горизонтали для возможности центрирования станка-качалки относительно устья скважины при монтаже. К балансиру шарнирно при помощи сферического роликоподшипника крепится траверса. Наличие сферического подшипника позволяет компенсировать все отклонения в размерах и расположении двух шатунов, которые шарнирно присоединены к траверсе. Рис. 3.21 Функциональная схема станка-качалки: I - узел подвески устьевого штока; II - узел балансира; III- шатунно-кривошипныйузел; 1Y- опорная металлоконструкция; Y - силовой привод П - подвеса канатная; ГБ - головка балансира; Б - балансир; Т - траверса; С - стойка; Р - рама; Ш - шатуны; К - кривошипы; РД - редуктор; Д- двигатель I - канат подвески; 2 - соединение головки с балансиром; 3 - подшипник траверсы; 4 - опора балансира; 5 -соединение стойки и рамы; 6 - основание редуктора; 7 - верхняя головка шатуна; 8 - нижняя головка шатуна; 9 – ведомый вал редуктора; 10 - тормозная система; 11- клиноременная передача. Траверса является соединительным звеном между балансиром и двумя симметрично работающими шатунами. Конструкция траверсы в старых станках-качалках имела вид сложной рогообразной сварной балки, а в дальнейшем в связи с совершенствованием технологии изготовления, повышением точности сборки была упрощена и заменена на балку прямолинейной формы из профильного проката. В маломощных приводах траверса выполняются в виде оси из круглого проката. Средняя часть траверсы снабжена подшипником, корпус которого крепится к полкам балансира, а концы оси, проходящей через подшипник, фиксируются в отверстиях двух кронштейнов, которые крепятся к полкам траверсы. Принципиально возможны различные варианты расположения опоры балансира и траверсы относительно друг друга и тела балансира: 1) обе опоры расположены под балансиром; 2) обе поры расположены над балансиром; 3) опора балансира расположена над, а опора траверсы - под балансиром; 4) опора балансира расположена под, а опора траверсы - над балансиром. Практика эксплуатации показала наибольшую рациональность первого варианта данного узла. Шатунно-кривошипный узел состоит из парных шатунов и кривошипов, а также включает противовесы. Шатун изготовляется из трубного проката и оборудуется сверху и снизу так называемыми верхней и нижней головками. Верхняя головка приварена к телу шатуна и с помощью пальца шарнирно присоединена к траверсе. Нижняя головка состоит из башмака, приваренного к телу шатуна, и подшипника, корпус которого крепится к башмаку болтами. Ось подшипника вставляется в какое-либо отверстие кривошипа и затягивается гайками. Верхнее соединение шатуна с траверсой выполнено в виде опоры скольжения и сохраняется постоянно, а нижнее - в виде подшипника качения - может периодически менять свое положение относительно кривошипа. Кривошип может иметь различную фигурную форму (круглую, полукруглую, У-образную), но нормальная форма - в виде прямоугольного параллелепипеда или прямоугольной усеченной пирамиды, в которых выполняется от трех до восьми отверстий. При перестановке пальцев (осей) нижних головок шатунов в различные отверстия кривошипов изменяется рабочий радиус кривошипов и, следовательно, длина хода точки подвеса штанг (для равноплечего балансира S = 2r). Операция перестановки шатунов - сложная, трудоемкая и представляет собой одну из проблем, требующих практического решения, т.к. попытки отказа от ступенчатого изменения длины хода и перехода к плавному ее регулированию предпринимались давно, но оказывались неудачными. Кривошип посажен на ведомом валу редуктора с помощью клеммового соединения и стяжек на шпонке. В станках-качалках с механической системой уравновешения масса чугунных кривошипов принимается большой с целью уравновешивания установки. Однако только этой массы недостаточно, поэтому на каждом кривошипе дополнительно устанавливается от одного до четырех тяжелых противовесов. Противовесы могут при необходимости перемещаться вдоль кривошипов в расчетное положение. Перемещение противовесов осуществляется либо с помощью средств и устройств, не входящих в состав стан­ка-качалки (это характерно для устаревших конструкций), либо за счет специального конструктивного оформления кривошипов и противовесов, например, применения реечного механизма с ручным управлением. Для этого в кривошипе имеются Т-образные пазы, вдоль которых размещаются рейки, и предусмотрены шкалы отсчета. Перемещение противовесов осуществляется с помо­щью рукоятки с шестерней. Опорную часть станка-качалки составляет металлоконструкция из рамы и стойки. Рама изготовляется сваркой из профильного проката, обычно в виде двух параллельных полозьев, соединенных поперечными связями. С целью увеличения жесткости рамы связующие элементы со стороны расположения скважины могут быть удлинены и тогда вся рама становится Т-образной. Стойка также изготовлена из профильного проката, имеет 3 или 4 ноги, прикрепляется к раме сваркой или, чаще, болтами. При любом исполнении конструкция стойки должна быть не только прочной, но и жесткой, чтобы исключать расшатывание механизма станка-качалки. Сверху стойка оборудована плитой, на которой установлена опора балансира. На плите имеется четы­ре упора с установочными винтами, позволяющими перемещать балансир в продольном направлении. Стойка снабжается стре­мянкой, верхней площадкой и поручнями для возможности, удобства и безопасности обслуживания узлов, расположенных вверху привода. В современных конструкциях имеется также смотровая площадка, поднятая над рамой выше механической трансмиссии. Силовой привод станка-качалки включает двигатель, клино-ременную передачу, редуктор и тормозную систему Клиноременная передача в сочетании с редуктором обеспе­чивают замедленную частоту вращения ведомого вала редуктора с кривошипами nдв - частота вращения двигателя, мин"1; iрп - передаточное число клиноременной передачи; iред - передаточное число редуктора. Двигатели в отечественной практике исключительно электрические, обычно переменного тока, асинхронные, с короткозамкнутым ротором, с повышенным пусковым моментом, имеющие частоту вращения до 1500 мин"1. Двигатель устанавливается на поворотной раме, которая обеспечивает возможность смены и натяжения клиновых ремней, с помощью чего двигатель обычно соединяется с редуктором. Непосредственно двигатель крепится к салазкам, которые прикреплены к раме. Поворот рамы с салаз­ками обеспечивается вращением ходового винта или двух винтов в мощных установках. На валу двигателя устанавливаются быстросменные шкивы клиноременной передачи. Предпринимаются попытки применения универсальных шкивов, облегчающих переход с одного диаметра на другой. В некоторых станках-качалках применяются двигатели, объединенные с редуктором в единый агрегат - так называемый мотор-редуктор. Ограниченно применяются регулируемые многоскоростные асинхронные электродвигатели. Перспективным и имеющим уже практическое осуществление направлением считается использование в приводе электродвигателей постоянного тока, которые позволяют отказаться от ременной передачи и обеспечить плавное бесступенчатое регулирование частоты хода станков-качалок. Наряду с классическим местом расположения двигателя в конце рамы за редуктором возможен вариант расположения двигателя между редуктором и скважиной. По высоте расположения двигателя в тумбовом варианте имеются две разновидности: а) двигатель располагается на тумбе на одном уровне с редуктором; б) двигатель монтируется на раме станка-качалки, а редуктор - на тумбе. Клиноременная передача от двигателя на ведущий вал редуктора широко распространена в серийных станках-качалках и выполняет несколько важных функций, в числе которых дополнительное к редуктору понижение передаточного число трансмиссии и возможность регулирования числа качаний балансира. Последняя операция осуществляется при неизменном, как правило, диаметре большого шкива на валу редуктора, хотя имеются исключения, предполагающие замену и этого шкива. Передаточное число ременной передачи 2,5 - 5,0 в зависимости от диаметра быстросменных шкивов. Наличие ременной передачи в трансмиссии объясняется и более общими соображениями, связанными с определенными достоинствами самой передачи, а именно, плавностью работы, смягчением толчков, предохранением механизмов от перегрузок за счет проскальзывания. Поэтому по общим пра­вилам проектирования кинематических цепей рекомендуется включать в них при возможности в качества одного из звеньев ременную передачу, что и сделано в станках-качалках. Число ремней передачи - от трех до шести. Тормоз станка-качалки предназначен для оперативной остановки преобразующего механизма в заданном положении. Тормоз фрикционный, бывает барабанного (радиального) и дискового (аксиального) принципа действия; устанавливается на ведущем валу редуктора со стороны, противоположной установке ременного шкива. Тормоз барабанного типа может быть с наружными и внутренними колодками. Управление тормозом ручное с помо­щью винтовой, рычажной или рычажно-винтовой системы. В наиболее распространенных двухколодочных тормозах зажим и освобождение тормозного шкива колодками производится с помощью дифференциального винта с правой и левой нарезкой, вращение которого осуществляется посредством длинного стержня с рукояткой, вынесенной в безопасную зону за раму станка-качалки. В новых конструкциях приводов, например, в ПШГН, тормозные колодки стягиваются и освобождаются не с помощью винтов, а посредством рычажной системы и вертикального поворотного рычага управления, что позволяет более легко, оперативно и точно остановить механизм станка-качалки в требуемом положении. Станки-качалки СКР оснащаются быстродействующими дисковыми тормозами. Из своеобразных конструкций можно отметить применяемый за рубежом вариант размещения тормоза внутри ведомого шкива клиноременной передачи. Тормозная система может также быть ленточной. Редуктор является непременным элементом механизма станка-качалки и в сочетании с ременной передачей или самостоятельно обеспечивает снижение частоты вращения двигателя до необходимой на ведомом валу и, соответственно, определяет частоту качаний балансира. Надежность редукторов во многом определяет межремонтный период работы станка-качалки в целом, поэтому главный показатель редуктора - его крутящий момент - входит в число основных показателей привода. Чаще всего применяются двухступенчатые редукторы с передаточным числом около 40, с цилиндрическими зубчатыми передачами. С учетом симметричной схемы преобразующего механизма станка-качалки с двумя кривошипами передачи редуктора также компонуются симметрично относительно продольной оси редуктора. Исключения в этом отношении есть, но редки. Для получения симметричного расположения одна из пар передач вы­полняется в раздвоенном виде и монтируется по обе стороны от нераздвоенной передачи. Обычно раздвоенной делается быстроходная ступень. По форме зубьев зубчатые колеса бывают прямозубыми, косозубыми и шевронными, причем, в одном редукторе возможно сочетание различных вариантов. С видом зубчатой передачи связан тип подшипников, устанавливаемых на том или ином валу. Форма зацепления зубьев в редукторах - эвольвентная или системы Новикова. Оба вида зацепления были созданы в России: эвольвентная - в 1754 г. академиком Леонардом Эйлером, Новикова -в 1954 г. доктором технических наук М.Л.Новиковым. Система зацепления Новикова обладает повышенной нагрузочной способностью. С 1958 г. АзИНМАШем были начаты исследования по возможности применения этой передачи в редукторах станков-качалок, были доказаны ее преимущества по сравнению с эвольвентной в отношении получаемых габаритов, массы и долговечности редукторов. В 1959- 66 г.г. новая система зацепления стала внедряться в конструкциях редукторов сначала типа РДН, затем ЦЦН и, наконец Ц2Н, пошедшего в серию. В цилиндрических редукторах оси валов расположены в одной плоскости, что позволяет разъем крышки с корпусом выполнять в горизонтальной плоскости, проходящей через оси валов. Таким образом, по этому признаку стандартные редукторы относятся к горизонтально-разъемному типу. Симметричная конструкция редукторов позволяет поворачивать валы на 180° после износа зубьев колес с целью увеличения долговечности. Ведомый вал редуктора с этой же целью имеет на каждом конце два шпоночных паза, расположенных под углом 90°, что позволяет установить кривошипы в новые положения при износе шпоночных пазов вала. В мощных станках-качалках ведомый вал иногда монтируется на опорах скольжения, имеющих большую несущую способность по сравнению с подшипниками качения. Эти редукторы с учетом характера осуществления смазки допускают строго ориентированное направление вращения, указываемое стрелкой на корпусе редуктора. Корпус редуктора может быть выполнен из стали, чугуна, алюминия. Корпус снабжается всеми необходимыми атрибутами для обслуживания - горловиной для заливки масла, сливными отверстиями, маслоуказателями и др. Существенное эксплуатационное различие редукторов связано с системой смазки. В этом отношении редукторы можно подразделить на две группы: в одних система смазки общая, картерная, в других - зубчатые колеса смазываются залитым в картер маслом, а подшипники осей имеют индивидуальную изолированную от общей ванны консистентную смазку. Высота установки редуктора на раме станка-качалки имеет принципиальное значение для монтажа привода. Для вращения кривошипов необходимо пространство снизу, которое может быть обеспечено либо поднятием редуктора на раме станка-качалки, либо поднятием всего станка-качалки. В первых советских конструкциях редукторы располагались только непосредственно на раме станка-качалки, но уже следующее поколение приводов предусматривало возможность установки редукторов на высокой подставке - тумбе. В первом варианте станку-качалке требуется высокий фундамент для возможности вращения кривошипов, во втором - минимальный по высоте. Второй вариант впоследствии получил название «тумбового» и станки-качалки, выполненные по нему, должны получать в шифре литеру «Т». Выпуск станков-качалок в двух вариантах чрезвычайно удобен потребителям, т.к. позволяет принять наиболее рациональное и экономичное решение в зависимости от конкретных местных условий, связанных со строительством фундамента (его материалом, грунтом и др.). В последние годы в связи с падением дебита скважин остро появилась необходимость в тихоходных станках-качалках с числом качаний в минуту до двух-одного и менее. С этой целью в ПО «Татнефть» был разработан вариант с дополнительной клиноременной передачей. Решение отличалось простотой и возможностью переделки серийных станков-качалок силами нефтяников, однако было паллиативным, временным. Естественно, более целесообразным явилось комплектование станков-качалок трехступенчатыми цилиндрическими редукторами с повышенными передаточными числами (до 125), и такое оборудование сейчас выпускается серийно. В качестве исторической справедливости надо отметить, что впервые трехступенчатый редуктор был применен в станках-качалках СКН 15-6010 и СКП-4512 с пневматическим управлением несколько десятков лет назад. Тогда же пред­принималась попытка применения трехступенчатого цилиндрическо-конического редуктора с быстроходной конической передачей. В этом варианте коническая передача непосредственно соединялась с двигателем, без ременной передачи. Однако при таком присоединении к асинхронному электродвигателю, имеющему жесткую характеристику, станок-качалка может работать только при одном числе ходов, не допуская регулирования режима. По этой причине, а также из-за отсутствия особой необходимости в тот период такой редуктор внедрен не был. В последние годы созданы промышленные преобразующие устройства, позволяющие применять в качестве двигателя станка-качалки регулируемые электродвигатели, которые могут в определенном диапа­зоне изменять частоту вращения. Это позволяет отказаться от ременной передачи и, вернувшись к старой идее, применять в приводе цилиндрическо-конический редуктор. Такие редукторы уже существуют и применяются в некоторых типах станков-качалок. Создание трехступенчатых редукторов потребовало решения вопросов рационального разъема корпусов редукторов, поэтому появились такие варианты как наклонная плоскость разъема, проходящая через оси всех четырех валов. Тема 4. Расчеты на прочность и долговечность деталей нефтегазопромысловых машин и оборудования Прочность характеризует способность деталей, не разрушаясь, воспринимать нагрузки в определенных режимах и условиях нагружения. Большое влияние на прочность деталей оказывают материалы, способы упрочнения, размеры и геометрические формы их. Особое значение вопросы прочности деталей приобретают в связи с возрастающими требованиями к повышению надежности и долговечности буровых машин и оборудования и снижению их массы. В обеспечении прочности деталей машин важную роль играют методы прочностных расчетов, основанные на новейших достижениях теории прочности и опыте расчета, конструирования и эксплуатации машин. Современное состояние науки и техники позволяет на стадии расчета и проектирования придать деталям машин практически необходимый уровень прочности. 4.1 Классификация действующих нагрузок Нагрузкой называют силовое воздействие, вызывающее изменение напряженно-деформированного состояния деталей машин. По характеру действия нагрузки делятся на статические и динамические. Статические нагрузки характеризуются тем, что их значение, направление и место приложения постоянны либо изменяются так незначительно, что при расчете конструкций пренебрегают влиянием сил инерции. В свою очередь, они подразделяются на постоянные и временные. К постоянным относятся нагрузки, значения которых для данной конструкции принимаются неизменными. Примером постоянной статической нагрузки является собственный вес конструкции. Весовые нагрузки значительно влияют на напряженно-деформированное состояние буровой вышки и другого оборудования, состоящего из узлов и деталей, вес которых соизмерим с эксплуатационными нагрузками. Постоянные нагрузки могут вызвать в деталях конструкции переменные напряжения. Так, в результате изгиба с вращением в сечениях вала за один оборот происходит смена растягивающих и сжимающих напряжений. Аналогично в результате периодического входа в зацепление зубья зубчатых передач испытывают переменные напряжения при постоянной рабочей нагрузке, действующей на исполнительный орган машины. К временным статическим относятся нагрузки, действующие в течение длительного цикла работы (например, начальная затяжка резьбовых соединений, давление жидкости или газа в различных аппаратах, нагрузки от снега, гололеда и температурного воздействия, предварительное натяжение тяговых органов и др.). Динамические нагрузки характеризуются быстрым изменением значения, направления или точки приложения, вызывающим в элементах конструкции значительные силы инерции. Причины появления динамических нагрузок — неравномерность рабочего процесса; ускорение при пусках, торможениях и реверсирования; неуравновешенность быстровращающихся деталей; чрезмерный износ зубчатых и цепных передач; зазоры в подвижных соединениях и др. Динамические нагрузки, вызываемые неравномерностью рабочего процесса, характерны для поршневых машин (насосов и двигателей), и особенно для машин и инструмента ударного и вибрационного действия (молотов, копров, буровых долот, вибросит и др.). По характеру рабочих процессов различают стационарные и нестационарные нагружения. Стационарным называют нагружение с постоянными характеристиками рабочего процесса. Нагружение с изменяющимися характеристиками рабочего процесса относят к нестационарному. К машинам, испытывающим стационарное нагружение, относятся вентиляторы, машины центральных насосных станций и некоторые другие. Большинство машин испытывает нестационарное нагружение. Изменение характеристик рабочих процессов в буровых машинах обусловлено непрерывным увеличением глубины забоя в процессе бурения скважины, а также ступенчатым изменением веса бурильной и обсадной колонн труб при спуско-подъемных операциях. Изменение уровня нагрузок и частота повторения нагрузок определенного уровня зависят от технологического процесса, выполняемого машиной, и передаточного числа от исполнительного органа до рассматриваемой детали. Например, нагрузки на крюке подъемного механизма буровой установки равны весу подвешенной бурильной колонны. При подъеме последней число циклов нагружения крюка равно числу бурильных свечей в колонне труб. Нагрузки, испытываемые при этом подъемным валом лебедки, уменьшаются пропорционально кратности оснастки талевого механизма. За время подъема колонны на длину одной свечи, соответствующее одному циклу нагружения крюка, число циклов нагружения подъемного вала лебедки будет равно числу его оборотов, зависящему от длины наматываемого каната и диаметра барабана. Нагрузки во вращающихся деталях силовых передач привода лебедки уменьшаются, а число циклов нагружения возрастает пропорционально передаточному числу между рассматриваемой деталью и подъемным валом. 4.2 Виды отказов по критериям прочности Под действием эксплуатационных нагрузок возникают отказы деталей буровых машин и оборудования, которые по принятым критериям прочности относятся к усталостным и хрупким разрушениям, пластическим деформациям, ползучести и нарушениям сцепления. Усталостные разрушения возникают под действием переменных напряжений, уровень которых превышает конструкционный предел выносливости. При напряжениях, равных и ниже конструкционного предела выносливости, деталь может выдержать без нарушения сколько угодно повторных циклов. При одновременном воздействии коррозии, высоких температур, а также при контактных нагружениях деталей, закаленных до высокой твердости, предел выносливости в указанном понимании может отсутствовать. В этих и некоторых других случаях при расчете на прочность пользуются пределом ограниченной выносливости, равным максимальному напряжению цикла, соответствующему задаваемой циклической долговечности. Характерной особенностью усталостных разрушений является то, что они происходят от действия местных напряжений, создаваемых конструктивными, металлургическими и технологическими концентраторами напряжений. Усталостному разрушению предшествует постепенное развитие усталостных трещин, в результате которого оставшееся живое сечение не обеспечивает статической прочности детали. На поверхности усталостных изломов обнаруживается граница между гладко притертой зоной развития усталостной трещины и зоной окончательного разрушения волокнистого либо зернистого строения, которое характерно для вязких и хрупких изломов. Период развития усталостных трещин сокращается с уменьшением сечения детали. Общие усталостные разрушения характерны для резьбовых соединений бурильных труб, валов и осей, штоков буровых насосов, пружин, деталей буровой вышки и металлических оснований. Поверхностным усталостным разрушениям подвергаются зубья цепных и зубчатых передач, детали подшипников качения, ролики и втулки приводных цепей. Особо следует выделить разрушения от термической усталости, развивающейся под действием повторных температурных напряжений. Этот вид разрушения наблюдается в тормозных шкивах буровых лебедок. Пластическая деформация наблюдается при перегрузке деталей изготовленных из незакаленных и высокоотпущенных сталей. Наиболее распространенные виды этих отказов - искривление валов осей, деталей буровой вышки и других металлических конструкций; осадка пружин и удлинение (вытяжка) болтов при чрезмерных затяжках; смятие труб, шпонок, шпоночных канавок крепежных деталей, дорожек качения подшипников, направляющих и рабочих поверхностей зажимов и др. Длительное силовое воздействие в сочетании с нагревом вызывают медленное нарастание пластических деформаций при напряжениях, меньших предела текучести. Это явление, называемое ползучестью, особенно резко проявляется у пластмассовых деталей, что ограничивает температурный диапазон их применения. Хрупкие разрушения происходят в деталях из чугуна и низ-коотпущенных сталей под действием ударных и статических нагрузок, а также в результате чрезмерных напряжений, возникающих при посадках с натягом (ступицы колес и дисков, пластины втулочно-роликовых цепей и др.). Хрупкие разрушения деталей машин и сварных конструкций возрастают в условиях низких температур, теплового и радиационного воздействия, вызывающих охрупчивание металлических и пластмассовых деталей, а также резинотехнических изделий. Большое распространение имеют отказы, вызванные нарушениями сцепления. К их числу относятся провороты и осевые смещения в прессовых соединениях; относительное проскальзывание во фрикционных муфтах и ременных передачах; самоотвинчивание резьбовых соединений; расшплинтовка втулочно-роликовых цепей и др. 4.3 Выбор конструкционных материалов и способы упрочнения деталей Конструкционные материалы в общем случае выбирают исходя из требований к их механическим, физическим и технологическим свойствам, предъявляемых условиями работы и изготовления данной детали. Механические и физические свойства позволяют судить о служебной пригодности материала. По технологическим свойствам оценивается возможность обработки материала при изготовлении деталей. К основным механическим свойствам материала относятся: - прочность - способность сопротивляться нагрузкам без разрушения; - деформативность - способность изменять размеры и форму без разрушения; - упругость - способность восстанавливать первоначальные размеры и форму после снятия нагрузки; - пластичность - способность получать значительную деформацию, оставшуюся после снятия нагрузки; - хрупкость - способность материала разрушаться при механических воздействиях без заметной пластической деформации (свойство, противоположное пластичности); хрупкость материала, наблюдающуюся только при ударных нагрузках, называют ударной; хрупкость, проявляющуюся при низких температурах, называют хладноломкостью; - твердость - способность сопротивляться при местных контактных нагрузках пластической деформации или хрупкому разрушению в поверхностном слое; - сопротивление усталости - свойство материала противостоять усталости, т. е. процессу постепенного накопления повреждений под действием переменных напряжений, приводящих к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению. Механические свойства конструкционных материалов определяются путем испытаний стандартных образцов. Физические свойства материалов характеризуются плотностью (удельным весом), температурой плавления, коэффициентами теплопроводности, линейного расширения и трения. Затраты, связанные с обработкой материалов резанием, составляют значительную часть заводской себестоимости изготовления машин. Поэтому обрабатываемость резанием, характеризуемая пригодностью материалов к обработке всеми видами режущих инструментов при больших скоростях резания и подачах с получением необходимых параметров шероховатости поверхности, является важным технологическим свойством. К числу других технологических свойств, учитываемых при выборе металлических материалов, относятся: - литейные свойства - способность жидких металлов заполнять литейные формы и образовывать плотные отливки; - свариваемость - способность металлов свариваться при комнатных и низких температурах с образованием прочных сварных соединений; - обрабатываемость давлением в горячем и холодном состоянии, оцениваемая технологическими пробами (на осадку, загиб) и характеристиками пластичности, упрочнения и твердости при температуре обработки. Физико-механические свойства и примерное назначение машиностроительных материалов приводятся в технических справочниках и пособиях по расчету и конструированию деталей машин. Обоснованный выбор материала для заданной детали из обширного ассортимента машиностроительных материалов может быть сделан на основе сравнительной оценки возможных вариантов. Критериями сравнительной оценки материалов являются минимальная масса и стоимость материала при заданных прочности, выносливости, жесткости и других требованиях к рассматриваемой детали. Для конструкций, масса которых имеет особенно важное значение, критериями выбора материала могут служить удельная прочность, определяемая отношением предела прочности к плотности материала, либо удельная жесткость, определяемая отношением модуля упругости к плотности материала. Так как модуль продольной упругости сталей изменяется в узких пределах (2-2,2)∙105 МПа, то для изготовления деталей, у которых преобладающее значение имеет жесткость, не следует применять легированные стали. В этом случае более экономичны углеродистые стали. Для машин, эксплуатируемых в северных районах, важное значение имеет хладноломкость применяемых материалов. Она снижается очисткой металлов от вредных примесей (фосфора, серы, кремния, азота, мышьяка), термообработкой и легированием. Добавки никеля, алюминия, титана и других легирующих элементов, повышающих вязкость сталей, также способствуют снижению хладноломкости. При выборе материалов следует учитывать интересы заводов - изготовителей машин. Ограничение номенклатуры применяемых материалов дает заводам-изготовителям ряд важных преимуществ, связанных с укрупнением поставляемых партий материалов, упрощением их учета и хранения, снижением брака, благодаря более стабильной технологии в литейном, термическом и других участках производства. Поэтому без крайней необходимости не следует пользоваться нетрадиционными для данного завода материалами. На заводах бурового оборудования для ответственных деталей и несущих элементов применяют хромоникелевые, хромомолибденовые и хромоникельмолибденовые стали. Стали, содержащие вольфрам и ванадий, используются в исключительных случаях, когда другие стали вследствие недостаточных механических свойств не обеспечивают возможность изготовления деталей. В ассортимент материалов, применяемых в производстве буровых машин и оборудования, кроме легированных сталей, входят углеродистые общего назначения, цветные металлы, чугун, резина, полимерные и прочие материалы. Следует указать, что привычные для деталей буровых машин и оборудования марки материалов периодически заменяются новыми марками. Это объясняется закономерным процессом развития производства более качественных и экономичных материалов, применение которых способствует дальнейшему по­вышению прочности и надежности буровых машин и оборудования. Важный резерв повышения прочности деталей - выбор способов их упрочнения. Как известно, усталостные разрушения деталей в большинстве случаев происходят от действия повышенных местных напряжений, которые порождаются концентраторами напряжений металлургического, технологического и конструктивного происхождения. Переходные сечения, канавки, резьба, отверстия и прочие изменения формы деталей, а также соединения с натягом относятся к конструктивным концентраторам напряжений, в зоне которых местные напряжения значительно превосходят номинальные. Концентрация напряжений вызывает снижение сопротивляемости детали усталости. Отношение предела выносливости образца без концентрации напряжений к пределу выносливости образцов с концентрацией напряжений, имеющих такие же абсолютные размеры сечения, как и гладкие образцы, называют эффективным коэффициентом концентрации напряжений:  (1)­ где Кσ, Кτ - эффективные коэффициенты концентрации напряжений при действии соответственно переменных нормальных и касательных напряжений; σ-1, τ-1 - пределы выносливости образцов без концентрации напряжений; σ-1к, τ-1к - пределы выносливости образцов с концентрацией напряжений. Эффективные коэффициенты концентрации напряжений зависят не только от формы детали, но и от механических свойств материала. Значения эффективных коэффициентов концентрации обычно меньше коэффициентов концентрации напряжений, определяемых теоретически отношением наибольшего местного напряжения к номинальному:  (2) где (σmах, τmах - максимальные напряжения в зоне концентрации, вычисленные методами теории упругости или определенные экспериментально; σном, τном -номинальные напряжения, найденные без учета возмущения напряжения (обычно по формулам сопротивления материалов). Для оценки влияния материала пользуются коэффициентом чувствительности материала к концентрации напряжений:  (3) Зная коэффициенты чувствительности материала к концентрации напряжений и коэффициент концентрации напряжений, можно определить эффективные коэффициенты концентрации напряжений:  (4) Если материал не чувствителен к концентрации напряжений ­ (qσ=0 и qτ=0), то Кσ=1, Кτ=1. Если материал обладает полной чувствительностью к концентрации напряжений (qσ=1 и qτ=1), то Кσ = ασ; Кτ = ατ. Металлы и сплавы с неоднородной структурой (например, чугун) имеют пониженную чувствительность к концентрации напряжений (qσ≈0, Кσ≈0). Для конструкционных сталей чувствительность к концентрации напряжений возрастает с повышением предела прочности и в среднем q = 0,6- 0,8. Поэтому в расчетах значение эффективного коэффициента концентрации напряжений следует выбирать с учетом не только формы концентратора, но и прочности материала детали. Важно отметить, что вследствие повышенной чувствительности к концентрации напряжений высокопрочные стали при переменных напряжениях не всегда оказываются эффективными. Значение эффективных коэффициентов концентрации напряжений для наиболее распространенных в деталях бурового оборудования концентраторов напряжений приведены в литературе. При одинаковых концентраторах значение эффективного коэффициента концентрации напряжений при кручении меньше, чем при изгибе:  (5)­ Иногда в одном сечении детали имеется несколько концентраторов, например напрессовка, шпоночный паз и др. В таких случаях наблюдается усиление либо ослабление концентрации напряжений. Указанные явления недостаточно изучены, и поэтому в расчетах эффективного коэффициента концентрации напряжений учитывается влияние наиболее опасного понизителя прочности. Для повышения сопротивления усталостным разрушениям используются конструктивные и технологические способы упрочнения деталей. Конструктивные способы упрочнения основаны на снижении уровня местных напряжений путем придания деталям рациональной конструктивной формы. Технологическое упрочнение достигается специальными методами обработки деталей при их изготовлении. Наличие концентраторов напряжений в большинстве случаев обусловлено служебным назначением детали, и полное их устранение оказывается невозможным. В подобных деталях действие концентраторов напряжений можно ослабить разнообразными конструктивными способами, подробное описание которых приводится в технической литературе, посвященной основам конструирования и прочности деталей машин []. Значения эффективных коэффициентов концентрации существенно снижаются благодаря рациональным формам и принятым соотношениям размеров в сечениях детали, вызывающих концентрацию напряжений. Для повышения усталостной прочности концентраторы следует размещать на участках детали, испытывающих наименьшие напряжения, если это конструктивно возможно. В деталях буровых машин наиболее распространенными концентраторами напряжений являются входящие углы ступенчатых деталей, кольцевые выточки, отверстия для установки штифтов или подвода масла, шлицы и шпоночные пазы, наружные и внутренние резьбы, острые кромки и др. Для снижения концентрации напряжений во входящих углах ступенчатых деталей используются различные формы сопряжения ступеней, из которых наиболее просты и распространены галтели. Эффективный коэффициент концентраций напряжений снижается с уменьшением отношения D/d и увеличением относительного радиуса галтели r/d. Эффективный коэффициент концентрации напряжений возрастает при использовании высокопрочных сталей и увеличении длины бурта. Разгрузочные кольцевые выточки снижают нагруженность наружных перерезанных резьбой волокон, а также участков вала под ступицей. При этом эффективный коэффициент концентрации напряжений, так же как в предыдущем случае, снижается с уменьшением перепада диаметров и увеличением относительного радиуса выточки . Участки деталей, ослабленные отверстием, обычно упрочняют путем увеличения сечений в зоне отверстий. Эффективный коэффициент концентрации напряжения падает с увеличением соотношения диаметров отверстия и вала. Детали с отверстиями упрочняют также округленней и обжатием кромок и продавливанием отверстия шариком. В результате этого усталостная прочность возрастает на 30—50%. При кручении валы и оси с эвольвентными шлицами имеют эффективный коэффициент концентрации напряжений примерно в 1,5 раза меньший, чем валы с прямобочными шлицами. Эффективный коэффициент концентрации напряжений шпоночных канавок, выполненных дисковой фрезой, больше, чем шпоночных канавок, выполненных пальцевой фрезой . Прессовые посадки способны вызвать значительное (до 5 раз и более) снижение усталостной прочности сопрягаемых деталей. Это объясняется концентрацией напряжений и фреттинг-коррозией, вызываемой микросмещениями соединяемых деталей под воздействием внешних переменных нагрузок. Для повышения усталостной прочности соединений применяются различные конструктивные и технологические способы. Наиболее эффективным является снижение контактных давлений на посадочных поверхностях путем увеличения длины и диаметра соединения. Существенный эффект дают и некоторые другие конструктивные способы упрочнения: посадки повышенного класса точности; оптимальное соотношение сечений охватывающей и охватываемой деталей (увеличение толщины стенок одной из деталей снижает напряжения в ней, но одновременно увеличивает напряжения в другой детали); уменьшение сечений ступицы по направлению к торцам; разгружающие кольцевые канавки на валу и ступице [ ]. В зубчатых передачах местные напряжения снижаются путем скругления острых углов во впадинах, увеличения податливости зубьев за счет кольцевых проточен под их основанием, применения зубьев с бочкообразным поперечным сечением. Рассмотренные и другие конструктивные способы успешно используются для снижения местных напряжений в резьбовых соединениях, втулочно-роликовых цепях и других конструкциях. В производстве и ремонте буровых машин и оборудования пользуются разнообразными способами технологического упрочнения. Наиболее распространена объемная закалка, в результате которой прочность углеродистых сталей повышается в 1,5-2 раза, а легированных -в 2-3 раза. Однако, как уже отмечалось, с увеличением прочности существенно снижается ударная вязкость сталей и повышается их чувствительность к концентрациям напряжений. Поэтому повышение прочности сталей свыше некоторого предела малоэффективно для деталей, подвергаемых усталостным разрушениям. Таблица 4.1 Эффективные коэффициенты концентрации напряжений Кσ Диаметр вала, мм Посадка σв, МПа по ГОСТ 25346—82 (СТ СЭВ144-75) старое обозначение 500 600 700 800 900 1000 1200 30 Н7/r6 А Пр 2,50 2,75 3,00 3,25 2,50 3,75 4,25 Н7/k6 А Н 1,90 2,05 2,25 2,45 2,60 2,80 3,20 Н7/h6 А С 1,60 1,80 1,95 2,10 2,30 2,45 2,75 50 Н7/r6 А Пр 3,05 3,35 3,65 3,95 4,30 4,60 5,20 Н7/k6 А Н 2,30 2,50 2,75 3,00 3,20 3,45 3,90 Н7/h6 А С 2,00 2,20 2,40 2,60 2,80 3,00 3,40 100 и более Н7/r6 А Пр 3,30 3,60 3,95 4,25 4,60 4,90 5,60 Н7/k6 А Н 2,45 2,70 2,95 3,20 3,45 4,00 4,20 Н7/h6 А С 2,15 3,35 2,55 2,75 3,00 3,20 2,60 При недостаточной эффективности объемной закалки используется поверхностное упрочнение деталей, которое особенно благоприятно действует на усталостную прочность деталей из высокопрочных сталей с опасными концентраторами напряжений. Известны следующие методы поверхностного упрочнения: - механические - обкатка роликами или шариками, чеканка, ротационно-ударный наклеп шариками, дробеструйный, гидродробеструйный и гидроабразивный наклеп, дорнование, направленный наклеп и др.; - термические - поверхностная закалка с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ)—или кислородно-ацетиленовым пламенем; - химико-термические - цементация с закалкой, азотирование, цианирование, нитроцементация; - термомеханические - объемный или поверхностный наклеп в сочетании с поверхностной закалкой. Большая роль в развитии теории и внедрении методов поверхностного упрочнения принадлежит ЦНИИТмашу. Повышение усталостной прочности при поверхностном упрочнении главным образом обусловлено возникновением остаточных сжимающих напряжений вследствие пластической деформации (наклепа) либо структурных изменений в поверхностных слоях детали. В сердцевине детали под упрочненным слоем развиваются реактивные растягивающие напряжения, имеющие незначительную величину вследствие сравнительно большой разницы площадей сечения сердцевины и упрочненного слоя детали. Остаточные напряжения сжатия ослабляют действие рабочих растягивающих напряжений в наиболее опасных наружных участках и, следовательно, способствуют повышению сопротивления детали усталостному разрушению. Эффективность упрочняющей технологии может быть оценена экспериментально путем измерения остаточных напряжений или испытаний деталей в эксплуатационных условиях. Отношение предела выносливости упрочненных образцов к пределу выносливости неупрочненных называют коэффициентом влияния поверхностного упрочнения:  (6) где σ-1у, σ-1 — предел выносливости образцов соответственно упрочненных и неупрочненных. Коэффициенты влияния поверхностного упрочнения зависят от механических свойств материала деталей, наличия в них концентраторов напряжений, а также режимов упрочнения деталей. Предельные значения коэффициентов упрочнения для деталей гладких и с концентраторами напряжений приведены в технической литературе. В производстве буровых машин и оборудования наиболее распространенными методами упрочнения деталей являются поверхностная закалка с нагревом токами высокой частоты и обкатывание роликами. Этому способствуют технологические преимущества указанных методов, в числе которых следует выделить их высокую производительность, возможность получения чистой поверхности и удобство встраивания в поточную линию производства. Цементация требует большей длительности и поэтому является менее производительным способом упрочнения. Технологические способы упрочнения в сочетании с конструктивными — важный резерв повышения прочности и долговечности буровых машин и оборудования. Таблица 4.2 Значения коэффициента, учитывающего поверхностное упрочнение Способ поверхностного упрочнения Коэффициент упрочнения, Kυ для гладких деталей для деталей с концентрацией напряжений Поверхностная закалка с нагревом ТВЧ и газовым пламенем (поверхности зубьев зубчатых колес, цепных звездочек, муфт, шлицев, тормозных и канатных шкивов и других деталей из средне- и высокоуглеродистых и цементируемых сталей) 1,2—1,5 1,6—2,5 Химико-термическая обработка (цементация, азотирование, цианирование и т. д.) 1,1 — 1,3 1,3—2,5 Механическое упрочнение (наклеп обдувкой дробью, обкаткой роликами и т. д.) 4.4 Методы расчета на прочность Расчеты на прочность выполняются с целью определения размеров и формы деталей машин, исключающих возможность их поломок и недопустимых деформаций в условиях нормальной эксплуатации. Различают проектные и проверочные расчеты на прочность. Проектные расчеты служат для определения наиболее характерных размеров, необходимых для начала проектирования детали. Полученные в результате проектных расчетов размеры только в простейших случаях могут оказаться окончательными. В большинстве же случаев размеры и форма деталей изменяются при дальнейшем их согласовании с конструктивными требованиями проектируемой машины и действующими стандартами. Окончательные размеры, форма опасных сечений, шероховатость поверхности и другие факторы, влияющие на конструкционную прочность детали, определяются при деталировке проектируемой машины. Проверочные расчеты, позволяющие оценить конструкционную прочность детали путем сопоставления расчетных запасов прочности с допустимыми, выполняются при деталировке машины. Если расчетные запасы прочности оказываются меньше допустимых, вносятся необходимые конструктивные и технологические изменения, повышающие прочность рассчитываемой детали. За последние годы проделана большая работа по совершенствованию методов прочностных расчетов, в результате которой разработаны отраслевые нормы и правила расчета на прочность бурильных и обсадных труб, талевых канатов, втулочно-роликовых цепей, подшипников, валов и других деталей буровых машин и оборудования. Это позволило ускорить проектирование и одновременно устранить или повысить прочностные лимиты наиболее ответственных деталей и узлов буровых машин и оборудования. Применяемые методы прочностных расчетов имеют так называемый детерминистический характер, так как основаны на предположении, что расчетные нагрузки и параметры прочности имеют определенную (детерминированную) величину. Между тем нагрузки являются случайными функциями времени, а параметры прочности изменяются в определенных пределах, зависящих от однородности материала деталей, стабильности технологии изготовления и других факторов. Поэтому детерминистические методы прочностных расчетов в ряде случаев недостаточны. Более эффективны вероятностные методы расчета на прочность, распространенные в строительной механике и некоторых других областях техники. В этих расчетах нагрузки и прочностные свойства задаются законами их распределения, полученными на основе статистической информации, а запасы прочности устанавливаются в зависимости от планируемого уровня безотказной работы. Использование вероятностных методов прочностных расчетов затрудняется из-за отсутствия или недостаточного объема статистической информации, необходимой для выявления законов распределения нагрузок и прочности деталей буровых машин и оборудования. Дальнейшее развитие методов прочностных расчетов буровых машин и оборудования связано с разработкой программ для вычислительных машин. С целью успешного решения этой задачи необходимо постоянно совершенствовать применяемые методы расчета, исходные зависимости которых являются общими для ручных и машинных расчетов. Важно отметить значение табличных методов расчета, используемых при ручном расчете. Овладение табличным методом способствует развитию операционного мышления и является необходимой предпосылкой разработки программ для вычислительных машин. 4.5 Расчеты на статическую прочность На статическую прочность рассчитывают детали, испытывающие постоянные либо медленно возрастающие нагрузки. Условия статической прочности в проектных расчетах имеют вид:  (7) В проверочных расчетах прочность деталей определяется по условиям:  (8) Здесь σ, τ —максимальные нормальные и касательные напряжения; σпр, τпр - предельные напряжения [Sσ], [Sτ] - допускаемые (нормируемые) коэффициенты запаса прочности; [σ], [τ] - допускаемые напряжения; Sσ, Sτ - действительные коэффициенты запаса прочности. Расчетные напряжения определяются по наибольшим нагрузкам. Для деталей вертлюга и других устройств, расположенных между крюком и подъемным валом лебедки, расчетные нагрузки определяют, исходя из допускаемой паспортной нагрузки на крюке. Детали, расположенные между подъемным валом и двигателями буровой лебедки, рассчитываются по максимальным крутящим моментам и нагрузкам, создаваемым действием привода подъемного механизма. Детали ротора и его трансмиссии рассчитываются по наибольшим значениям статической нагрузки и крутящего момента, заданным для стола ротора. Детали механической части буровых насосов рассчитываются по величине максимального крутящего момента, создаваемого приводом насоса. Расчет деталей гидравлической части буровых насосов ведется по заданному максимальному давлению. Расчетные напряжения деталей насоса определяются с учетом коэффициента перегрузки, принимаемого равным 1,7—2,5 (см. гл. XIV). Максимальные расчетные напряжения в зависимости от напряженно-деформированного состояния детали определяются по известным формулам: при растяжении и сжатии где Pz — продольная (нормальная) сила растяжения ( + ) или сжатия (—), действующая в рассматриваемом сечении; F — расчетная площадь сечения; при сдвиге где Рх, Ру — поперечные силы; при смятии где Р — действующая сила; Fсм — площадь смятия; при изгибе где Мизг — изгибающий момент в рассматриваемом сечении; Wизг — осевой (экваториальный) момент сопротивления сечения; при кручении где Мк — крутящий момент в рассматриваемом сечении; Wк — полярный момент сопротивления сечения. Формулы для расчета площади и моментов сопротивления наиболее распространенных видов поперечного сечения валов и осей приведены в табл. 3. Для ответственных деталей обычно используются пластичные материалы и в качестве предельного напряжения принимается предел текучести. Для хрупких материалов предельное напряжение характеризуется пределом прочности. Конструкционные материалы делят на пластичные и хрупкие по результатам испытаний на разрыв и удар [7]: Таблица 4.3 Геометрические характеристики основных видов сечений валов и осей Коэффициент δ, % φ, % ан, 10 кДж/м2 Пластичные материалы ≥6 ≥10 ≥50 Хрупкие ≤3 ≤6 ≤30 Примечание: δ - относительное удлинение; φ - относительное сужение; ан - ударная вязкость. При действии постоянных нагрузок концентрация напряжений не снижает прочности деталей из пластичных материалов, так как местные пластические деформации способствуют перераспределению и выравниванию напряжений в сечениях детали. В результате пластического течения в зонах концентрации напряжений наблюдается некоторое упрочнение материала. В связи с этим детали из пластичных материалов рассчитывают на статическую прочность по номинальным напряжениям. Детали из малопластичных материалов однородной структуры (легированные стали, стали, работающие при низких температурах) рассчитывают с учетом концентрации напряжений, вызывающих снижение прочности детали. Условие прочности при этом принимает вид:  (9) где Kσs — эффективный коэффициент концентрации напряжений при статическом нагружении. В первом приближении значение Kσs принимается равным эффективному коэффициенту концентрации напряжений, используемому в расчетах на выносливость. Для хрупких материалов неоднородной структуры (чугун), обладающих пониженной чувствительностью к концентрации напряжений, расчет ведется по номинальным напряжениям. Коэффициенты запаса прочности, выражающие отношение предельных напряжений к действующим, определяют прочность и экономичность конструкции. Необоснованное завышение допускаемого коэффициента запаса прочности может привести к созданию неэкономичной конструкции и недостаточно прочной при заниженном его значении. Известны различные способы назначения коэффициента запаса прочности. Наиболее достоверные значения его могут быть определены на основе накопленного опыта проектирования и эксплуатации одинаковых либо подобных деталей. Согласно этому методу, разрабатываются нормы расчета и соответствующие им значения допускаемых коэффициентов запаса прочности. Для некоторых типовых элементов бурового оборудования (приводные роликовые цепи, талевые канаты, бурильные и обсадные трубы, валы и др.) нормативные коэффициенты запаса прочности приведены в табл. 1П приложения и последующих разделах, посвященных рассмотрению отдельных видов бурового оборудования. При отсутствии нормативных данных коэффициенты запаса прочности назначаются с учетом однородности материала ответственности детали и точности расчета. Согласно принятой в общем машиностроении методике, минимально допустимые значения запасов прочности определяются в зависимости от степени пластичности материала, характеризуемой отношением στ/σв. στ/σв 0,45—0,55 0,55—0,7 0,7—0,9 [ST] 1,2—1,5 1,4—1,7 1,7—2,6 Если действительные нагрузки и напряжения вычислены недостаточно точно, запасы прочности следует увеличить в 1,2— 1,5 раза [7]. Детали из малопластичных и хрупких материалов рассчитывают по пределу прочности, а минимально допустимые значения запаса прочности определяют в зависимости от однородности, степени хрупкости и остаточной напряженности используемых материалов. Для деталей из однородных хрупких материалов (ударная вязкость ан = 200÷300 кДж/м2) запас прочности [Sв] = 2÷3; для неоднородных хрупких материалов (ан = 50÷200 кДж/м2) при умеренных остаточных напряжениях запас прочности [Sв] = 3÷4 для весьма неоднородных и хрупких материалов (ан<50 кДж/м2) запас прочности [Sв]=4÷6. В случае недостаточной достоверности расчетов, и особенно при приближенной оценке уровня динамических нагрузок, указанные значения запасов прочности следует увеличить в 1,5-2 раза. При совместном действии нормальных и касательных напряжений (например, совместном изгибе и кручении) расчеты на прочность выполняются по эквивалентным напряжениям, определяемым согласно известным гипотезам прочности. В расчетах бурового оборудования обычно пользуются гипотезой наибольших касательных напряжений, согласно которой общий коэффициент запаса прочности  (10) На рис. 4.1 приведена номограмма для определения общего коэффициента запаса прочности в зависимости от частных его значений по нормальным и касательным напряжениям. Пример. Дано: Sσ = 2,2; Sτ=l,62. Ответ: по номограмме находим S = 1,3. 4.6 Расчет на прочность при переменных напряжениях Переменные напряжения в деталях машин различаются по виду циклов и характеру изменения цикла во времени. Циклом напряжений называют совокупность последовательных значений напряжений за один период их изменения при регулярном нагружении. На рис.4.2 показаны различные виды циклов переменных напряжений, характеризуемые следующими параметрами: среднее напряжение цикла, выражающее постоянную (положительную или отрицательную) составляющую цикла напряжения:  (11) амплитуда напряжений цикла, выражающая наибольшее положительное значение переменной составляющей цикла напряжений:  (12) где σmах и σmin — максимальное и минимальное напряжения цикла, соответствующие наибольшему и наименьшему напряжениям цикла. Отношение минимального напряжения цикла к максимальному называют коэффициентом асимметрии цикла напряжений:  (13) Симметричным называется цикл, когда максимальное и минимальное напряжения равны по абсолютному значению и противоположны по знаку. Симметричный цикл является знакопеременным и имеет следующие параметры: σа = σmах = σmin; σт = 0; R = - 1. Наиболее распространенный пример симметричного цикла напряжений - изгиб вращающегося вала (изгиб при вращении). Пределы выносливости, соответствующие симметричному циклу, имеют индекс «—1» (σ-1; τ-1). Асимметричным называется цикл, у которого максимальное и минимальное напряжения имеют разные абсолютные значения. Для асимметричного цикла напряжений σmax = σm + σa; σmin = σm - σa; R ≠ - 1 Асимметричные циклы напряжений относятся к знакопеременным, если напряжения изменяются по значению и по знаку. Цикл напряжений, изменяющихся только по абсолютному значению, называется знакопостоянным. Пределы выносливости, соответствующие асимметричному циклу, обозначаются индексом «R» (σR; τR). Характерным асимметричным циклом является отнулевой цикл напряжений, к которому относятся знакопостоянные циклы напряжений, изменяющиеся при растяжении от нуля до максимума (σmin = 0) или при сжатии - от нуля до минимума (σmax = 0). При растяжении отнулевой цикл напряжений характеризуется следующими параметрами: σm=σa = σmax/2; R = 0. Предел выносливости отнулевого цикла обозначается индексом «0» (σ0; τ0). Отнулевые циклы напряжений возникают в зубьях шестерен и цепных звездочек, которые в процессе работы нагружаются при входе в зацепление и полностью разгружаются при выходе из него. Сопротивление усталости зависит не только от вида действующих циклов напряжений, но и от характера изменения напряжений во времени. При стационарном нагружении значения амплитуды и среднего напряжения цикла остаются неизменными во времени. Буровые машины и оборудование, как уже отмечалось, преимущественно работают при нестационарном нагружении. Амплитуда и среднее напряжение циклов могут иметь ступенчатый либо непрерывный характер изменения (рис. 4.3). Количественные характеристики сопротивляемости материала действию переменных напряжений определяют путем испытания на усталость 15-20 одинаковых образцов диаметром 7-10 мм, имеющих полированную поверхность. Испытания проводят при разных уровнях напряжений. По полученным результатам строят график кривой усталости (рис. 4.4,а). По оси ординат графика откладывают максимальное напряжение или амплитуду напряжений цикла, при которых испытывался данный образец, а по оси абсцисс - число циклов N перемен напряжений, которое образец выдержал до разрушения. Полученная кривая характеризует зависимость между напряжениями и циклической долговечностью одинаковых образцов при постоянных среднем напряжении цикла либо коэффициенте асимметрии цикла. Для большинства сталей при испытаниях на воздухе кривая усталости, начиная с числа циклов N = 106÷107, становится горизонтальной и образцы, выдержавшие указанное число циклов, не разрушаются при дальнейшем практически неограниченном увеличении числа циклов нагружения. Поэтому испытания сталей прекращают при достижении 10 млн. циклов, составляющих базу испытаний Nб. Максимальное по абсолютному значению напряжение цикла, при котором еще не происходит усталостное разрушение до базы испытаний, называют пределом выносливости. Для надежной оценки предела выносливости число неразрушившихся образцов при данном уровне переменных напряжений должно быть не менее шести. Наиболее простыми и поэтому более распространенными являются испытания на усталость при симметричном цикле напряжений (круговой изгиб). Испытания на усталость при асимметричном цикле напряжений проводят на специальных испытательных машинах. Кривые усталости, построенные в логарифмических координатах (рис. 4.4,б), представляют собой наклонную и горизонтальную прямые. Для расчетов на прочность левую наклонную часть кривой усталости представляют в виде  (14) где σ - действующее напряжение; т - показатель наклона кривой усталости; N - число циклов напряжений, выдержанных до усталостного разрушения (циклическая долговечность); σ-1 - предел выносливости; N0 - число циклов, соответствующее точке перелома кривой усталости, представляемой двумя прямыми линиями. Величина N0 в большинстве случаев колеблется в пределах 106-3∙106 циклов. В расчетах на прочность при переменных напряжениях, когда отсутствуют данные усталостных испытаний, можно принять в среднем N=2∙106 циклов [33]. Показатель наклона кривой усталости  (15) для деталей изменяется от 3 до 20, причем с ростом эффективного коэффициента концентрации напряжений замечена тенденция к снижению т. Приближенно можно принять  (16) где с=12 - для сварных соединений; с= 12÷20- для деталей из углеродистых сталей; с = 20÷30 - для деталей из легированных сталей. Рекомендуемые значения показателя т и число циклов N0, соответствующее точке перелома кривой усталости, приведены в табл. 4.4. Таблица 4.4 Вид расчета или рассчитываемая деталь т N0 На изгиб, кручение, растяжение-сжатие 9 107 Цепи втулочно-роликовые для буровых установок 4 5∙106 Подшипники качения 3 106 На контактную прочность зубчатых колес 3 107 Из уравнения кривой усталости определяется циклическая долговечность N при действии напряжений σ, превышающих предел усталости σ-1  (17) Значения пределов выносливости, полученные в результате испытаний на усталость, даются в справочниках по машиностроительным материалам. Соотношения между пределами прочности и выносливости, установленные на основе статистических данных приведены в табл. 4.5. Таблица 4.5 Вид нагружения Стальные прокат и поковка Стальное литье Изгиб σ-1 = 0,47σв σ-1 = 0,38 σв Растяжение-сжатие σ-1p = 0,35σв σ-1 = 0,28 σв Кручение τ-1 = 0,27 σв τ-1 = 0,22σв Предел выносливости деталей ниже предела выносливости стандартных лабораторных образцов, используемых при испытании машиностроительных материалов на усталость. Снижение предела выносливости обусловлено влиянием концентрации напряжений, а также абсолютных размеров поперечного сечения и состояния поверхности деталей. Значения предела выносливости деталей определяются путем натурных испытаний либо по справочным расчетно-экспериментальным данным, устанавливающим влияние указанных факторов на сопротивление деталей усталости. Натурными испытаниями обычно пользуются для определения пределов выносливости широко распространенных стандартных изделий и отдельных наиболее ответственных узлов и деталей. Так, на основе натурных испытаний установлены пределы выносливости бурильных труб, втулочно-роликовых цепей буровых установок, талевых канатов, подшипников и некоторых других стандартных изделий, применяемых в буровых машинах и оборудовании. В связи со сложностью натурных испытаний на усталость в практических расчетах на прочность преимущественно пользуются расчетно-экспериментальными данными, на основе которых предел выносливости детали определяется из выражения  (18) где σ-1д — предел выносливости детали; σ-1 - предел выносливости стандартных лабораторных образцов из материала детали; К - коэффициент снижения предела выносливости:  (19) Здесь Кσ - эффективный коэффициент концентрации напряжений; КF- коэффициент влияния шероховатости поверхности; Кd- коэффициент влияния абсолютных размеров поперечного сечения: Kυ - коэффициент влияния поверхностного упрочнения. Значения эффективных коэффициентов концентрации напряжений и коэффициентов влияния поверхностного упрочнения, полученные по расчетно-экспериментальным данным, приведены в табл. 4.1 и 4.2. Коэффициент влияния абсолютных размеров поперечного сечения определяется отношением предела выносливости гладких образцов диаметром d к пределу выносливости гладких лабораторных образцов диаметром 7-10 мм:  (20) где σ-1d - предел выносливости гладкого образца (детали) диаметром d; σ-1 - предел выносливости материала, определяемый на стандартных гладких образцах диаметром 7-10 мм. Опытные данные показывают, что с увеличением поперечных размеров предел выносливости детали снижается. Это объясняется статистической теорией усталостных разрушений, согласно которой при увеличении размеров возрастает вероятность наличия в деталях внутренних дефектов в зонах повышенных напряжений - масштабный эффект. Проявлению масштабного эффекта способствуют ухудшение однородности материала, а также трудность контроля и обеспечения стабильности процессов изготовления деталей больших размеров. Масштабный эффект зависит главным образом от поперечных размеров и в меньшей мере от длины детали. В литых деталях и материалах, имеющих неметаллические включения, поры и другие внутренние и внешние дефекты, масштабный эффект проявляется больше. Легированные стали более чувствительны к внутренним и внешним дефектам, и поэтому для них влияние абсолютных размеров проявляется значительнее, чем для углеродистых сталей. В расчетах на прочность значения коэффициентов влияния абсолютных размеров поперечного сечения выбираются по графику (рис.4.5). Шероховатость поверхности, окалины и коррозия существенно влияют на сопротивление усталости. На рис. 4.6 показан экспериментальный график, характеризующий изменение предела выносливости деталей при различном качестве обработки и состоянии поверхности. Коэффициент влияния шероховатости определяется отношением предела выносливости гладких образцов с поверхностью не грубее Ra = 0,32 по ГОСТ 2789-73 к пределу выносливости образцов с данной шероховатостью поверхности:  (21) где σ-1 - предел выносливости тщательно полированных образцов; σ-1п - предел выносливости образцов с данной шероховатостью поверхности. Например, установлено, что при грубом шлифовании предел выносливости детали из стали с пределом прочности 1500 МПа оказывается таким же, как у стали с пределом прочности 750 МПа. Влияние состояния поверхности детали на сопротивление усталости обусловлено высоким уровнем напряжений от изгиба и кручения в наружных зонах детали и ослаблением поверхностного слоя вследствие его шероховатости и разрушения кристаллических зерен при резании. По аналогичным формулам определяются пределы выносливости деталей при действии касательных напряжений. Условия прочности при симметричном цикле переменных напряжений имеют вид: при действии нормальных напряжений  (22) при действии касательных напряжений  (23) где пσ, пτ - коэффициенты запаса прочности по нормальным и касательным напряжениям; σ-1д, τ-1д - пределы выносливости детали; σа, τа - амплитуды переменных напряжений; [пσ], [пτ] - минимально допустимое значение запаса прочности по нормальным и касательным напряжениям. При двухосном напряженном состоянии, возникающем в случае одновременного изгиба и кручения или растяжения-сжатия и кручения, запас прочности в расчетном сечении определяется из выражения  (24) Минимально допустимое значение запаса прочности зависит от точности выбора расчетных нагрузок и полноты учета конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, влияющих на предел выносливости детали. В расчетах буровых машин и оборудования на выносливость минимально допустимые значения запасов прочности регламентируются отраслевыми нормами, указанными в табл. 2П приложения. При отсутствии отраслевых норм принимают допустимые запасы прочности [п]= 1,3÷1,5. При действии асимметричных циклов детали рассчитывают на прочность на основе диаграммы предельных напряжений цикла (рис. 4.7), характеризующей зависимость между предельными напряжениями и средними напряжениями цикла для заданной долговечности. Диаграмма строится по экспериментальным значениям пределов выносливости, полученным для различных средних напряжений цикла. Это требует длительных испытаний по специальной программе. В практических расчетах используются более простые схематизированные диаграммы предельных напряжении, которые строят по экспериментальным значениям предела выносливости симметричного и отнулевого циклов и пределу текучести выбранного материала. На диаграмме предельных напряжений точка А (0, σ-1) соответствует пределу выносливости симметричного цикла, точка В (σ0/2; σ0) - пределу выносливости отнулевого цикла напряжений. Прямая, проходящая через эти точки, определяет максимальные предельные напряжения, циклов в зависимости от среднего напряжения. Напряжения ниже уровня ABC не вызывают разрушения при числе циклов N0, соответствующем базе испытаний. Точки, лежащие выше прямой ABC, характеризуют циклы напряжений, при которых разрушение происходит при числе циклов N 350 изгибную для деталей с твердостью поверхности НВ < 350 2. Для расчета валов: на изгибную выносливость на усталостную прочность при кручении 3. Для расчета долговечности шарико - и роликоподшипников: Здесь  - расчетное число циклов нагружений элементов трансмиссии; п - частота вращения детали, об/мин; Тр — расчетное время работы детали, ч (обычно принимают 5000 ч); Nо - базовое число циклов нагружения, принимаемое в соответствии с рекомендациями (см. выше)  - соответствующие коэффициенты эквивалентности, принимаемые в зависимости от v. При расчетах на выносливость зубьев колес по ГОСТ 21354—87, при определении расчетных напряжений в качестве нагрузки принимают Mдл, а при определении: эквивалентных допускаемых контактных напряжений предел контактной выносливости поверхности зубьев, соответствующий базовому числу циклов, умножают на ; эквивалентных допускаемых изгибных напряжений предел выносливости зубьев при изгибе, соответствующий базовому числу циклов, умножают на .