книги из ГПНТБ / Антонов А.А. Пневматические фрикционные муфты в нефтяной промышленности

А. А Антонов ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ФРИКЦИОННЫЕ МУФТЫ В НЕФТЯНОЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ИЗДАТЕЛЬСТВО „НЕДРА" М о с к в а 1973

В В Е Д Е Н И Е

Пневматические фрикционные муфты, работающие в условиях сухого трения, широко применяются в нефтяной промышленности. Современные буровые установки для эксплуатационного и глубокого разведочного бурения, станки для геологопоисковых работ, различ­ ные насосные установки, электростанции — это далеко не полный перечень комплексов машин и механизмов, в которых они являются важнейшими узлами передач. В этих машинах муфты используются для передачи крутящего момента, дистанционного управления агре­ гатами, плавного включения и быстрого разъединения привода ма­ шин, переключения скоростей в коробках передач, соединения ма­ шин и механизмов буровых установок в одну кинематическую цепь н для других целей.

Мощности, передаваемые муфтами нефтяных машин, достигают 2500 л. с. при скоростях вращения валов от 100 до 1500 об/мин.

Различные технические требования к конструктивному исполне­ нию, тяжелые условия работы, необходимость совершенствования — все это привело к большому многообразию конструкций пневмати­ ческих фрикционных муфт. Классификация этих муфт приведена в главе I . В книге рассматриваются муфты, только наиболее распро­ страненные в нефтяной промышленности.

На выбор типа пневматической фрикционной муфты для машины большое влияние оказывают условия монтажа и режим ее эксплу­ атации. При выборе муфты необходимо учитывать:

— основное назначение муфты, предусматривающее использова­ ние ее, например, для оперативного включения передач на ходу и передачи крутящего момента, для соединения соосных валов раз­ личных агрегатов, для дистанционного переключения передач во время остановки работы машины, в качестве предохранительного устройства;

—условия работы машины, тип двигателя, передаваемую мощ­ ность, частоту включений, угловую скорость вращения валов и ма­ ховые массы ведущей и ведомой систем;

—взаимное расположение валов, соединенных муфтой, вероятную неточность монтажа агрегатов, возможные нарушения точности монтажа в процессе эксплуатации.

При преждевременном выходе пневматической фрикционной муфты из строя машина, в которой она является составным эвеном, практически прекращает работу. В ряде случаев, особенно при буре­ нии в осложненных условиях, это может вызвать прихват буриль­ ной колонны и потерю дорогостоящей скважины. Поэтому выбор типа муфты при конструировании нефтяных машин является делом исклю­ чительно ответственным.

Необходимая надежность и долговечность пневматической фрик­ ционной муфты могут быть обеспечены только, если ее конструкция и параметры обоснованы расчетом. При этом должен быть учтен режим эксплуатации машины. В книге рассмотрены следующие расчеты муфт:

работоспособности при включении привода машины; необходимого запаса по крутящему моменту; долговечности; компенсирующей способности;

коэффициента полезного действия; определения сил, возбуждающих вибрации.

Вкниге дана методика выбора муфт для различных узлов машин

имеханизмов с учетом необходимого запаса по крутящему моменту.

Основным рабочим элементом муфты является фрикционная пара трения. Достоверность расчетного коэффициента трения фрикцион­ ной пары и его стабильность, теплостойкость и износостойкость материалов значительно влияют на работоспособность как самой муфты, так и машины, в которую она входит составным звеном. В книге приведены краткие сведения и сравнительная оценка мате­ риалов, применяемых для изготовления пневматических фрикци­ онных муфт.

Цилиндрические муфты (муфты с цилиндрическими фрикцион­ ными устройствами), в том числе простые по конструкции шиннопневматические и более сложные, но достаточно надежные пневмокамерные (вентилируемые), в послевоенные годы наиболее широко применяются в нефтяной промышленности главным образом в буро­ вых установках.

За последние годы получили распространение многокамерные цилиндрические муфты. В главе I I приведен обзор конструкций цилиндрических фрикционных муфт различных типов, даны методика их расчета и рекомендации для конструирования. Особое внимание обращено на компенсирующую способность муфт, имеющую большое значение для буровых установок, состоящих из комплексов различ­ ных машин, механизмов и других устройств, соединенных между собой с помощью муфт в одну кинематическую цепь как при дизель­ ном, так и при электрическом приводе.

В главе I I I дан краткий обзор конструкций и основные сведения для расчета дисковых муфт (муфт с дисковыми фрикционными устройствами), оснащенных различными пневматическими нажимными устройствами. Несмотря на сложность конструкции и большие ма­ ховые массы, эти муфты имеют ряд преимуществ перед муфтами

цилиндрического типа. Они более компактны и способны передавать значительно большие крутящие моменты при тех же габаритных размерах. Дисковые фрикционные муфты наряду с пневмокамерными (вентилируемыми) в установках для бурения скважин глубиной от 3000 до 5000 м применяют в качестве оперативных муфт с дистан­ ционным управлением. В установках для бурения на глубину свыше 5000 м применяют преимущественно дисковые муфты для включения привода барабанных валов буровых лебедок.

без изменения направления крутящего момента. Муфты входят в кон­ струкцию буровых лебедок, коробок перемены передач буровых уста­ новок, трансмиссий приводов буровых насосов, устройств для соеди­ нения дизельгидравлических агрегатов и цепных редукторов, дизе­ лей и электрических генераторов и других машин и механизмов. В этой же главе книги дана методика расчета валов, соединенных шиннопневматическон муфтой, с учетом вероятной неточности мон­ тажа агрегатов.

В связи с большим значением, которое имеет оборудование для дистанционного включения и выключения муфт, в главе V даны крат­ кие сведения о системах управления пневматическими фрикцион­ ными муфтами.

Книга является результатом обобщения многочисленных мате­ риалов о пневматических фрикционных муфтах, широко применяе­ мых в нефтяной промышленности. В ней частично отражены резуль­ таты исследовательских работ ВНИИнефтемаша, направленных на увеличение надежности и долговечности узлов буровых установок, оснащенных этими муфтами.

Г л а в а I

У С Т Р О Й С Т В О И Р А Б О Т А П Н Е В М А Т И Ч Е С К И Х Ф Р И К Ц И О Н Н Ы Х М У Ф Т

Принципиальные схемы и к л а с с и ф и к а ц и я муфт

Пневматическая фрикционная муфта представляет собой устрой­ ство, передающее крутящий момент от ведущей системы машины к ведомой посредством сил трения между поверхностями фрикцион­ ной пары, образованных давлением сжатого воздуха. Муфта состоит из сцепляющихся между собой ведущей и ведомой частей. Ее пневма­ тическое нажимное устройство, обеспечивающее прижатие трущихся поверхностей друг к другу, может быть смонтировано на ведущей или на ведомой части муфты. Плавное включение привода машины достигается постепенным увеличением крутящего момента на фрикционной муфте в процессе сцепления.

По форме сцепляющихся элементов пневматические фрикционные муфты делятся на два основных вида: цилиндрические и дисковые. Принципиальные схемы этих муфт приведены на рис. 1.

В цилиндрической муфте, показанной на рис. 1, а во включенном положении, одна часть ее выполнена в виде стального шкива с ци­ линдрической поверхностью трения, а вторая состоит из пневмати­ ческого нажимного устройства со смонтированными на нем фрик­

кшкиву, цилиндрические фрикционные муфты делятся на три типа: шиннопневматические, пневмокамерные (вентилируемые) и много­ камерные. Ведущая и ведомая части цилиндрической муфты могут быть смонтированы на одном валу или на разных валах, соединенных этой муфтой.

Вдисковой муфте, показанной на рис. 1, б в выключенном поло­ жении, трущиеся поверхности фрикционной пары выполнены в виде стальных дисков. Одна часть этих дисков облицована плоскими фрикционными накладками, а вторая имеет плоские, термически обработанные и шлифованные поверхности. По конструкции пнев­ матического устройства, прижимающего трущиеся поверхности друг

кдругу, дисковые фрикционные муфты делятся на три типа: дисковые пневмокамерные, с поршневым нажимным устройством и с диафрагменным нажимным устройством. Ведущая и ведомая части дисковой муфты могут быть смонтированы только на одном валу.

— временем, в течение которого происходит сцепление (буксова­ ние) фрикционной пары гс ц .

Для вычисления этих параметров необходимо знать параметры муфты и характеристику машины, в том числе:

предельный крутящий момент муфты по трению, т. е. наибольший момент, который она может передать после заполнения камеры воздухом и при соответствующей угловой скорости вращения; момент сопротивления на ведомой части муфты после окончания периода включения при установившейся угловой скорости вращения; время наполнения камеры муфты воздухом до расчетного давле­

ния, равного давлению в пневматической системе управления; начальную (максимальную) угловую скорость буксования; удельное давление трущихся поверхностей в период буксования; стабильность коэффициента трения фрикционной пары; моменты инерции ведущей и ведомой систем, приведенные к оси

муфты; угловую скорость установившегося вращения муфты после окон­

ведомой системы, а также наличие зазоров между ее звеньями. Когда ведомая система машины имеет большую жесткость и за­

зоры между ее звеньями отсутствуют, то при включении она приходит в движение одновременно с ведомой частью муфты. Примером может служить включение агрегата, состоящего из двигателя внутреннего сгорания и электрического генератора, валы которых соединены пневматической фрикционной муфтой.

Когда же между штропами подъемного механизма буровой уста­ новки и элеватором, поддерживающим колонну бурильных труб на роторе, имеются зазоры, звенья ведомой системы начинают дви­ жение не одновременно. Это, конечно, влияет на период включения.

Для иллюстрации рассмотрим осциллограмму периода включения оперативной шиннопневматической муфты ШПМ-700 буровой ле­ бедки У2-4-5 с приводом от асинхронного электродвигателя, показан­ ную на рис. 2.

Как видно из осцилограммы, через 2,8 с после начала подачи воздуха в баллон прекращается рост угловой скорости со2 (t) в мо­ мент подхвата бурильной колонны с задержкой на 0,2 с. Это, соот­ ветствует завершению выборки зазоров в подъемном механизме уста­ новки.

На рис. 3, а изображен график угловых скоростей ведущей и ведомой со2 частей муфты при ее включении. График составлен

на основании данных осциллограммы на рис. 2, но для случая, когда зазоры между звеньями ведомой системы машины отсутствуют.