Файл: Антонов А.А. Пневматические фрикционные муфты в нефтяной промышленности.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 70
Скачиваний: 0
А. А Антонов ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ФРИКЦИОННЫЕ МУФТЫ В НЕФТЯНОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
ИЗДАТЕЛЬСТВО „НЕДРА" М о с к в а 1973
УДК 622.2'i.05.5
Антонов А. А. Пневматические фрикционные
.муфты в нефтяной промышленности. М., «Нед ра», 1973. 160 с.
В книге рассмотрены конструкция и работа пневматических фрикционных муфт буровых установок и других машин, применяемых в нефтяной промышленности. Приведены ме тоды расчета цилиндрических и дисковых фрикционных муфт с различными пневмати ческими нажимными устройствами. Показаны основные результаты исследований работы муфт, проведенных во ВНИИнефтемаше. Даны реко мендации по применению муфт в различных узлах машин и механизмов.
Книга предназначена для инженерно-тех нических работников, занимающихся констру ированием и эксплуатацией машин и механиз мов, используемых в нефтяной промышлен ности, а также для преподавателей и студентов технических учебных заведений.
Таблиц 21, иллюстраций 83, список лите ратуры — 12 назв.
Гос. Пу&Ф'ЧН' каучиоте. библиотек.- >
ЭНЗЕМГ-.Г ' ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА \
0382-235 2 1 6 _ 7 3 043(01)—73
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.
В |
главе I V приведен краткий |
обзор конструкций машин и их |
узлов, |
оснащенных муфтами для |
включения различных передач |
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
ционными колодками. По способу передачи крутящего |
момента |
и конструкции пневматического устройства, прижимающего |
колодки |
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.
По характеру работы муфты делятся на три группы: оперативные с тяжелым и оперативные с легким тепловым режимом эксплуатации,
и |
неоперативные. |
|
||
|
К |
первой группе |
относятся муфты, включаемые более 40 раз |
|
в |
1 ч |
и |
передающие |
большие мощности, например муфты привода |
буровых |
лебедок и роторов. Для этих целей в основном используют |
Рис. I . Принципиаль ные схемы пневмати ческих фрикционных муфт:
а — с цилиндрическим
фрикционным устрой ством;
б — с дисковым фрик ционным устройством.
пневмокамерные (вентилируемые) муфты с цилиндрической поверх ностью трения и дисковые с различными пневматическими нажим ными устройствами. Как те, так и другие оснащаются вентиляцион ными каналами для охлаждения и теплоизоляцией для предотвра щения перегрева резиновых деталей.
Шиннопневматические муфты, так же как и дисковые без венти ляции, не рекомендуется применять в качестве оперативных для
Муфты
С цилиндрическим фрикционным |
С дисковым фрикционным |
устройством |
устройством |
Шиннопневма |
Пневмокамер |
Пневмокамер |
Диафрагмен- |
тические |
ные |
ные |
ные |
Многокамерные |
Поршневые |
включения привода барабанных валов, так как из-за отсутствия системы охлаждения и необходимой теплоизоляции они быстро перегреваются и выходят из строя в несколько раз быстрее, чем вен тилируемые.
Ко |
второй группе относятся муфты, включаемые от 5 до 40 раз |
в і ч , |
например муфты коробок передач и муфты привода компрес |
соров. В третью группу входят муфты, включаемые менее 5 раз в і ч , например муфты привода буровых насосов, муфты, соединяющие силовые агрегаты с цепными редукторами, и др.
Для второй и третьей групп можно использовать все типы пнев матических фрикционных муфт, но более целесообразно применять шиннопневматические, простые по конструкции и удобные в эксплу атации.
Выше показана схема классификации пневматических фрикцион ных муфт, применяемых в нефтяной промышленности.
П а р а м е т р ы п е р и о д а включения муфты
К одному из наиболее ответственных этапов работы муфты отно сится период ее включения. Это касается в первую очередь оператив ных муфт, работающих в тяжелом тепловом режиме. При включении муфты более 40 раз в 1 ч в результате работы трения в фрикционной паре выделяется большое количество тепла, которое может привести к перегреву ее деталей. Уровень температуры и частота нагружений резино-кордных камер и баллонов, а также фрикционных колодок являются главными факторами, от которых зависит долговечность пневматической фрикционной муфты. Работу трения, а следова тельно, и долговечность муфты можно рассчитать после того, как будут определены параметры процесса сцепления фрикционной пары.
Для анализа процесса п составления расчетных зависимостей период включения муфты можно разделить на три части:
1)буксование фрикционной пары при неподвижной ведомой части муфты;
2)буксование фрикционной пары от начала движения ведомой системы до момента, когда угловые скорости ведущей и ведомой частей муфты становятся одинаковыми;
3)разгон ведомой системы машины до угловой скорости устано вившегося движения без буксования фрикционной пары.
Процесс сцепления фрикционной пары при включении муфты характеризуется следующими параметрами:
—крутящим моментом на фрикционном устройстве при буксова нии Мф\
—угловой скоростью буксования ведомой части муфты относи тельно ведущей (об ;
—угловой скоростью муфты в момент окончания процесса сце
пления (ос ц ;
— 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
чания периода включения. |
|
В з а и м о д е й с т в и е ведущей и ведомой частей |
муфты |
в п р о ц е с с е сцепления фрикционной |
пары |
На длительность и характер периода включения влияет не только |
|
величина параметров муфты и машины, но и податливость элементов |
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.