СИСТЕМА ТОРМОЖЕНИЯ БУРОВОЙ ЛЕБЕДКИ

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к тормозным механизмам буровой лебедки, предназначенным для вспомогательного торможения при спуске в скважину буровой колонны.
Известен гидродинамический тормоз буровой лебедки, описанный в авторском свидетельстве СССР №1171618, МПК F16D 65/813, F16D 57/00, опубл. 07.08.1985 г. Гидродинамический тормоз содержит двуполостный ротор, статоры, вал и охлаждающее устройство, выполненное в виде тепловых труб. Наличие эффективной системы охлаждения обеспечивает надежную работу гидродинамического тормоза, но вместе с тем он имеет следующий недостаток: гидродинамический тормоз не развивает тормозной момент, достаточный для удержания буровой колонны, имеющей большой вес.
Техническим решением, выбранным в качестве ближайшего аналога, является система торможения буровых лебедок У2-5-5 и ЛБУ-1700, включающая гидродинамический тормоз УТГ-1450. Гидродинамический тормоз УТГ-1450 описан в книге Г.В. Алексеевского «Буровые установки Уралмашзавода», изд. Москва «Недра», 1981 г., стр. 127, 129. Известный гидродинамический тормоз содержит установленный на вал ротор, заключенный в корпус, образованный двумя частями статора, элемент муфтового соединения, выполненный в виде ведомой кулачковой полумуфты, установленный на валу ротора, входящий в зацепление с элементом муфтового соединения, выполненным в виде ведущей кулачковой полумуфты, установленным на подъемном валу буровой лебедки. Включение гидродинамического тормоза осуществляют при выполнении операций спуска в скважину бурового инструмента. При включении гидродинамического тормоза ведущая кулачковая полумуфта входит в зацепление с ведомой кулачковой полумуфтой.
Скорости спуска бурового инструмента ограничены технологией проходки скважины. Например, гидродинамический тормоз УТГ-1450 имеет следующие технические характеристики: при 213 об/мин подъемного вала буровой лебедки позволяет спускать буровую колонну весом 42 т, при 145 об/мин - буровую колонну весом 72 т. При 213 об/мин и 145 об/мин подъемного вала буровой лебедки гидродинамический тормоз УТГ-1450 развивает тормозной момент 3 тм, что превышает тормозной момент, равный 1,7 и 2,9 тм, требуемый для спуска буровой колонны весом 42-72 т. При 85 об/мин и 38 об/мин подъемного вала буровой лебедки гидродинамический тормоз УТГ-1450 развивает тормозной момент, равный 1,5 и 0 тм при требуемых 5,08 и 8,06 тм.
Технические характеристики гидродинамического тормоза УТГ-1450 приведены в таблице 1.
Таблица 1
Технические характеристики гидродинамического тормоза УТГ-1450
Номер скорости подъемного вала
Нагрузка на крюке, тс
Число оборотов подъемного вала, об/мин
Требуемый тормозной момент, тм
Развиваемый тормозной момент, тм
1
200
38
8,06
0
2
131
85
5,08
1,5
3
72
145
2,9
3
4
42
213
1,7
3
5
26
318
-
-
Недостаток известного гидродинамического тормоза состоит в том, что при увеличении веса буровой колонны и малых числах оборотов подъемного вала буровой лебедки устройство не развивает тормозной момент, достаточный для поддержания заданной скорости спуска буровой колонны.
Технический результат заявляемой полезной модели состоит в повышении тормозного момента, передаваемого гидродинамическим тормозом на подъемный вал буровой лебедки при спуске буровой колонны, имеющей большой вес.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемой системе торможения буровой лебедки, включающей гидродинамический тормоз, на валу которого установлен ротор, заключенный в корпус, образованный двумя частями статора, барабан буровой лебедки, установленный на подъемном валу, элемент муфтового соединения, установленный на подъемном валу, входящий в зацепление с элементом муфтового соединения, установленным на валу ротора, согласно полезной модели гидродинамический тормоз снабжен планетарным или цилиндрическим мультипликатором, элементы которого с одной стороны установлены между барабаном лебедки и элементом муфтового соединения, установленным на подъемном валу, с другой стороны - между ротором и элементом муфтового соединения, установленным на валу ротора.
В частном случае выполнения элемент муфтового соединения, установленный на подъемном валу, выполнен в виде ведущей кулачковой полумуфты, элемент муфтового соединения, установленный на валу ротора, выполнен в виде ведомой кулачковой полумуфты, планетарный мультипликатор выполнен в виде водила с сателлитами, неподвижно закрепленного на подъемном валу, коронной шестерни, имеющей внутреннее зацепление с сателлитами, солнечной шестерни, образующей с ведомой кулачковой полумуфтой блок-звездочку, установленный на шлицах на валу ротора.
В частном случае выполнения элемент муфтового соединения, установленный на подъемном валу, выполнен в виде двухсторонней кулачковой полумуфты, закрепленной на шлицах, элемент муфтового соединения, установленный на валу ротора, выполнен в виде ведомой кулачковой полумуфты, цилиндрический мультипликатор выполнен в виде зубчатого колеса, кулачковой полумуфты, образующих блок-звездочку, установленный на подшипниках на подъемном валу между двухсторонней кулачковой полумуфтой и барабаном буровой лебедки, контрвала, на противоположных концах которого установлены шестерня и зубчатое колесо, и шестерни, установленной на валу ротора, образующей с ведомой кулачковой полумуфтой блок-звездочку.
Снабжение гидродинамического тормоза планетарным или цилиндрическим мультипликатором, элементы которого с одной стороны установлены между барабаном буровой лебедки и элементом муфтового соединения, установленным на подъемном валу, с другой стороны - между ротором и элементом муфтового соединения, установленным на валу ротора, обеспечивает увеличение числа оборотов ротора в число раз, равное заданному передаточному числу, и передачу на подъемный вал буровой лебедки тормозного момента, увеличенного в число раз, равное заданному передаточному числу, то есть повышение тормозного момента, передаваемого на подъемный вал буровой лебедки гидродинамическим тормозом, входящим в систему торможения буровой лебедки.
Заявляемая полезная модель поясняется иллюстрациями.
На фиг. 1 представлена кинематическая схема системы торможения буровой лебедки с включенным планетарным мультипликатором, где:
1 - гидродинамический тормоз;
2 - вал;
3 - ротор;
4 - корпус;
5 - барабан;
6 - подъемный вал;
7 - мультипликатор;
8 - ведущая кулачковая полумуфта;
9 - ведомая кулачковая полумуфта;
10 - водило;
11 - сателлиты;
12 - коронная шестерня;
13 - солнечная шестерня;
14 - блок-звездочка.
На фиг. 2 представлена кинематическая схема системы торможения буровой лебедки с цилиндрическим мультипликатором, где:
1 - гидродинамический тормоз;
2 - вал;
3 - ротор;
4 - корпус;
5 - барабан;
6 - подъемный вал;
7 - мультипликатор;
15 - двухсторонней кулачковая полумуфта;
16 - ведомая кулачковая полумуфта;
17 - зубчатое колесо;
18 - кулачковая полумуфта;
19 - блок-звездочка;
20 - контрвал;
21 - шестерня;
22 - зубчатое колесо;
23 - шестерня;
24 - блок-звездочка.
Система торможения буровой лебедки включает гидродинамический тормоз 1, на валу 2 которого установлен ротор 3, заключенный в корпус 4, образованный двумя частями статора, барабан 5 буровой лебедки, установленный на подъемном валу 6, элемент муфтового соединения, установленный на подъемном валу 6, входящий в зацепление с элементом муфтового соединения, установленным на валу 2 ротора 3, мультипликатор 7, элементы которого с одной стороны установлены между барабаном 5 буровой лебедки и элементом муфтового соединения, установленным на подъемном валу 6, с другой стороны - между ротором 3 и элементом муфтового соединения, установленным на валу 2 ротора 3.
При снабжении гидродинамического тормоза 1 планетарным мультипликатором 7 элемент муфтового соединения, установленный на подъемном валу 6, выполнен в виде ведущей кулачковой полумуфты 8, элемент муфтового соединения, установленный на валу 2 ротора 3, выполнен в виде ведомой кулачковой полумуфты 9. Планетарный мультипликатор 7 выполнен в виде водила 10 с сателлитами 11, неподвижно закрепленного на подъемном валу 6 буровой лебедки, коронной шестерни 12, имеющей внутреннее зацепление с сателлитами 11, солнечной шестерни 13, образующей с ведомой кулачковой полумуфтой 9 блок-звездочку 14, установленный на шлицах на валу 2 ротора 3 (фиг. 1).
При снабжении гидродинамического тормоза 1 цилиндрическим мультипликатором 7 элемент муфтового соединения, установленный на подъемном валу 6, выполнен в виде двухсторонней кулачковой полумуфты 15, закрепленной на шлицах, элемент муфтового соединения, установленный на валу 2 ротора 3, выполнен в виде ведомой кулачковой полумуфты 16. Цилиндрический мультипликатор 7 выполнен в виде зубчатого колеса 17, кулачковой полумуфты 18, образующих блок-звездочку 19, установленный на подшипниках на подъемном валу 6 между двухсторонней кулачковой полумуфтой 15 и барабаном 5 буровой лебедки, контрвала 20, на противоположных концах которого установлены шестерня 21 и зубчатое колесо 22, и шестерни 23, установленной на валу 2 ротора 3, образующей с ведомой кулачковой полумуфтой 16 блок-звездочку 24 (фиг. 2).
Рассмотрим работу заявляемой системы торможения буровой лебедки, содержащей гидродинамический тормоз 1, снабженный мультипликатором 7.
Перед началом работы оператор, управляющий системой торможения буровой лебедки, определяет объем рабочей жидкости, необходимый для создания гидродинамическим тормозом 1 тормозного момента, достаточного для поддержания заданной скорости спуска буровой колонны. В качестве рабочей жидкости используют воду. Полости гидродинамического тормоза 1 заполняют водой через патрубки подвода рабочей жидкости (не показаны на фиг. 1, фиг. 2), подведенные к корпусу 4 гидродинамического тормоза 1.
Принцип работы гидродинамического тормоза 1, входящего в состав системы торможения буровой лебедки, состоит в следующем. При включении гидродинамического тормоза 1 элемент муфтового соединения, установленный на подъемном валу 6, входит в зацепление с элементом муфтового соединения, установленным на валу 2 ротора 3. Между неподвижными частями статора и вращающимся ротором 3 создается циркуляция рабочей жидкости. Благодаря высоким скоростям циркуляции рабочей жидкости и встречному наклону лопаток статора и лопаток ротора создается значительный тормозной момент, который, возрастая по мере увеличения скорости вращения ротора 3, препятствует вращению подъемного вала 6 буровой лебедки.
В качестве гидродинамического тормоза 1 может быть использован, например, гидродинамический тормоз УТГ-1450. Работа заявляемого устройства рассмотрена на примере системы торможения буровой лебедки, включающей гидродинамический тормоз УТГ-1450.
Гидродинамический тормоз с планетарным или цилиндрическим мультипликатором 7, входящий в состав системы торможения буровой лебедки, может работать в 2-х режимах:
- режим 1: мультипликатор 7 выключен;
- режим 2: мультипликатор 7 включен.
В начале операции спуска, когда буровая колонна имеет минимальный вес, гидродинамический тормоз 1, входящий в состав системы торможения буровой лебедки, развивает тормозной момент, достаточный для поддержания заданной скорости спуска буровой колонны, гидродинамический тормоз 1 работает в режиме 1: мультипликатор 7 выключен. Режим 1 используют при спуске буровой колонны, имеющей вес до 72 т. При работе в режиме 1 гидродинамический тормоз 1 имеет технические характеристики аналогичные техническим характеристикам гидродинамического тормоза УТГ-1450 до 85 об/мин подъемного вала 5 (см. таблицу 1). При весе буровой колонны превышающем 72 т возникает необходимость в увеличении тормозного момента, гидродинамический тормоз 1 переключают в режим 2: мультипликатор 7 включен.
Гидродинамический тормоз 1 буровой лебедки, снабженный планетарным мультипликатором 7 (фиг. 1), работает следующим образом.
При весе буровой колонны не превышающем 72 т гидродинамический тормоз 1 работает в режиме 1: планетарный мультипликатор 7 выключен. Для включения режима 1 блок-звездочку 14, установленный на шлицах на валу 2 ротора 3, перемещают вправо, ведущая кулачковая полумуфта 8 и ведомая кулачковая полумуфта 9 входят в зацепление и передают вращение от подъемного вала 6 буровой лебедки к валу 2 гидродинамического тормоза 1. При этом число оборотов подъемного вала 6 буровой лебедки равно числу оборотов вала 2 гидродинамического тормоза 1. Гидродинамический тормоз 1 развивает тормозной момент, противодействующий вращению подъемного вала 6 буровой лебедки, достаточный для поддержания заданной скорости спуска буровой колонны весом до 72 т.
При весе буровой колонны превышающем 72 т возникает необходимость в увеличении тормозного момента, передаваемого на подъемный вал 6 буровой лебедки гидродинамическим тормозом 1, входящим в систему торможения буровой лебедки. Блок-звездочку 14 перемещают влево, происходит включение режима 2: планетарный мультипликатор 7 включен. Ведущая кулачковая полумуфта 8 и ведомая кулачковая полумуфта 9 разъединяются. Солнечная шестерня 13 входит в зацепление с сателлитами 11 водила 10. Вращение от подъемного вала 6 буровой лебедки за счет планетарной передачи, например, имеющей передаточное число 3, ускоряет вращение вала 2 гидродинамического тормоза 1 до 38∗3=114 об/мин. При 114 об/мин вала 2 гидродинамический тормоз 1 буровой лебедки развивает тормозной момент равный 3 тм, а через планетарный мультипликатор 7 передает на подъемный вал 6 буровой лебедки тормозной момент равный 3∗3=9 тм, который является достаточным для поддержания заданной скорости спуска буровой колонны весом 200 т.
Гидродинамический тормоз 1 буровой лебедки, снабженный цилиндрическим мультипликатором 7 (фиг. 2), работает следующим образом.
При весе буровой колонны не превышающем 72 т гидродинамический тормоз 1 работает в режиме 1: цилиндрический мультипликатор 7 выключен. Для включения режима 1 двухстороннюю кулачковую полумуфту 15, закрепленную на шлицах, перемещают влево. Двухсторонняя кулачковая полумуфта 15 и ведомая кулачковая полумуфта 16 входят в зацепление и передают вращение от подъемного вала 6 буровой лебедки к валу 2 гидродинамического тормоза 1. При этом число оборотов подъемного вала 6 буровой лебедки равно числу оборотов вала 2 гидродинамического тормоза 1, блок-звездочка 19, установленный на подшипниках на подъемном валу 6, вращается на холостом ходу. Гидродинамический тормоз 1 развивает тормозной момент, противодействующий вращению подъемного вала 6 буровой лебедки, достаточный для поддержания заданной скорости спуска буровой колонны весом до 72 т.
При весе буровой колонны превышающем 72 т возникает необходимость в увеличении тормозного момента, передаваемого на подъемный вал 6 буровой лебедки гидродинамическим тормозом 1, входящим в систему торможения буровой лебедки. Двухстороннюю кулачковую полумуфту 15 перемещают вправо. Двухсторонняя кулачковая полумуфта 15 и кулачковая полумуфта 18 входят в зацепление. Происходит включение режима 2: цилиндрический мультипликатор 7 включен. При этом зубчатое колесо 17 передает вращение шестерне 21, установленной на контрвал 20, и зубчатому колесу 22, установленному на противоположном конце контрвала 20. Зубчатое колесо 22 передает вращение шестерне 23, образующей с ведомой кулачковой полумуфтой 16 блок-звездочку 24. Вращение от подъемного вала 6 буровой лебедки за счет цилиндрической передачи, например, имеющей передаточное число 3, ускоряет вращение вала 2 гидродинамического тормоза 1 до 38∗3=114 об/мин. При 114 об/мин вала 2 гидродинамический тормоз 1 буровой лебедки развивает тормозной момент, равный 3 тм, а через планетарный мультипликатор 7 передает на подъемный вал 6 буровой лебедки тормозной момент равный 3∗3=9 тм, который является достаточным для поддержания заданной скорости спуска буровой колонны весом 200 т.
Таким образом, входящий в заявляемую систему торможения буровой лебедки гидродинамический тормоз при работе в режиме 1: мультипликатор выключен развивает тормозной момент, достаточный для поддержания заданной скорости спуска буровой колонны, имеющей небольшой вес, при работе в режиме 2: мультипликатор включен развивает тормозной момент, достаточный для поддержания заданной скорости спуска буровой колонны, имеющей большой вес.