БУРОВАЯ ЛЕБЕДКА

Полезная модель относится к грузоподъемным механизмам, а именно к буровым лебедкам, используемым в буровых установках во время проведения спуско-подъемных операций на нефтяных и газовых скважинах.
Основная функция буровой лебедки - наматывание на барабан, сматывание с барабана и стопорение ведущей струны талевого каната при выполнении операций технологического процесса строительства скважин.
Из описания к патенту RU №2254287 (МПК B66D 1/12) известен подъемный механизм, называемый в данной области техники буровой лебедкой, который включает раму - сварную металлическую конструкцию с установленным на ней оборудованием, а именно: гибким тяговым органом (канатом), наматываемым или разматываемым с помощью барабана, закрепленного на валу, выполняющего функцию подъемного вала. Конец подъемного вала жестко соединен с диском дискового тормозного устройства (механического тормоза), которое со смещением в направлении оси подъемного вала на 180 градусов включает двое тормозных клещей. С другой стороны подъемный вал соединен с суммирующим зубчатым колесом редукторного узла (редукторного механизма) и индукционным тормозом (механический тормоз). На раме установлены также два привода вращения. Каждый из приводов вращения включает в себя электродвигатель постоянного тока, выходной вал указанного электродвигателя жестко соединен с входным валом механизма переключения. Механизмы переключения выполнены в виде коробок передач.
Приводы вращения пространственно расположены так, что выходные валы механизмов переключения обращены друг к другу, а оси вращения выходных валов электродвигателей лежат на одной прямой, т.е. оба выходных вала указанных электродвигателей соединены с одним ведущим валом редукторного механизма.
Данное устройство позволяет работать в так называемом четырехквадрантном режиме, под которым подразумевается тот факт, что при подъеме и опускании груза на гибком тяговом органе вращение барабана может быть как ускорено, так и приторможено.
Решая задачу торможения при работе в четырехквадрантном режиме, данное устройство обладает рядом недостатков.
Применение электродвигателей с коробкой передач усложняет устройство буровой лебедки, поскольку данный элемент как дополнительный усложняет механизм передачи крутящего момента из-за наличия большого числа передаточных элементов, следовательно, приводит к снижению надежности работы буровой лебедки.
Расположение электродвигателей с одной стороны относительно оси подъемного вала приводит к несбалансированной передаче крутящего момента на подъемный вал, следовательно, для уменьшения влияния данного фактора - подъемный вал (и другие элементы редукторного механизма) выполнены с большим запасом прочности.
Все оборудование буровой лебедки, установленное на раме, характеризуется компактным расположением, но из-за большого количества элементов оборудования (узлов) массогабаритные характеристики буровой лебедки значительны.
При работе устройства возможности электропривода не используются полностью с точки зрения выполнения им функции торможения при подъеме и спуске груза. Для целей торможения применяются два вида средств для торможения: дисковый тормоз и индукционный тормоз, включаемых в работу от отдельных приводов.
Таким образом, электродвигатели и тормозные средства включаются в зависимую работу от разных приводов, что приводит к несогласованной работе данных механизмов при нештатной ситуации, когда из строя может быть выведен один из механизмов. При этом дисковый тормоз включен в работу и в оперативном режиме, т.е. с его помощью скорость вращения барабана замедляется при разматывании каната или полностью блокируется.
Индукционный тормоз предназначен для совместной работы с дисковым тормозом. Так, приведение в действие обоих тормозных средств обеспечивает высокий тормозной момент без возникновения односторонних скручивающих усилий вала барабана. Однако применение дополнительного тормоза приводит к увеличению массогабаритных характеристик буровой лебедки, к усложнению устройства.
Кроме того, при выполнении функции оперативного торможения (в режиме спуско-подъемных операций) длительное использование дискового тормоза приводит к неисправностям в работе ввиду быстрого износа его элементов.
Задача, решаемая с помощью заявляемой полезной модели, заключается в упрощении конструкции буровой лебедки и повышении надежности ее работы за счет исключения дополнительных звеньев кинематической схемы при сохранении компактности расположения элементов оборудования.
Указанная задача решается тем, что в буровой лебедке, содержащей установленные на раме подъемный вал с барабаном, редукторный механизм с суммирующим зубчатым колесом, установленным на одном из концов подъемного вала, два электродвигателя регулируемого привода буровой лебедки, обеспечивающие двигательный и тормозной режимы при подъеме и спуске груза, выходной вал каждого электродвигателя связан с ведущим валом редукторного механизма через соответствующее средство для передачи крутящего момента, при этом механический тормоз соединен с концом подъемного вала, согласно полезной модели - редукторный механизм выполнен с двумя ведущими валами, расположенными на противолежащих относительно оси подъемного вала сторонах редукторного механизма, суммирующее зубчатое колесо установлено на конце подъемного вала со стороны механического тормоза и с этой же стороны расположены электродвигатели с соответствующими средствами для передачи крутящего момента, причем механический тормоз установлен на поверхности корпуса редукторного механизма или на раме.
В заявляемой полезной модели средство для передачи крутящего момента выполнено в виде карданного вала.
В заявляемой полезной модели механический тормоз выполнен в виде многодискового тормоза.
В заявляемой полезной модели в качестве электродвигателей используются асинхронные электродвигатели переменного тока с частотным регулированием.
Заявляемая полезная модель содержит дополнительный приводной механизм, связанный с входной стороной редукторного механизма через дополнительный карданный вал.
Сущность полезной модели поясняется следующим.
Выполнение редукторного механизма с двумя ведущими валами, расположенными на противолежащих относительно оси подъемного вала сторонах приводит к тому, что передача нагрузки от электродвигателей на элементы редукторного механизма, распределяется равномерно, т.е. с двух противоположных сторон. При выполнении редукторного механизма с расположением ведущих валов на противолежащих относительно оси подъемного вала сторонах нагрузка на элементы редукторного узла распределяется равномерно.
При равномерной передаче нагрузки нет необходимости в изготовлении такого мощного зубчатого зацепления как в техническом решении - прототипе, поэтому в заявляемой буровой лебедке при меньших размерах редукторного механизма возможно сохранить характеристики работы буровой лебедки (скорость подъема груза, грузоподъемность, ликвидация аварий и др.).
Расположение редукторного механизма в общей компоновке оборудования буровой лебедки определяется тем, что суммирующее зубчатое колесо установлено на конце подъемного вала, который расположен со стороны механического тормоза.
Расположение механического тормоза и редукторного механизма со стороны одного конца подъемного вала дает возможность применения двух вариантов установки механического тормоза.
В соответствии с одним вариантом - механический тормоз установлен на раме.
В соответствии с другим вариантом - механический тормоз установлен на поверхности корпуса редукторного механизма.
Для сохранения компактности устройства электродвигатели с соответствующими средствами для передачи крутящего момента расположены также со стороны механического тормоза.
Средство для передачи крутящего момента целесообразно выполнять в виде карданного вала, т.к. такая конструкция позволяет увеличить расстояние между корпусом соответствующего электродвигателя и корпусом редукторного механизма для расположения механического тормоза на минимально возможном расстоянии от электродвигателей.
Таким образом, компоновка оборудования буровой лебедки характеризуется компактным взаимным расположением элементов оборудования, а кинематическая схема буровой лебедки - более простой симметричной схемой, не содержащей дополнительные ступени (коробки передач).
Использование электродвигателей привода лебедки, обеспечивающих двигательный и тормозной режимы работы в 4-х квадрантах механической характеристики, исключает работу механического тормоза в динамическом режиме работы электродвигателей. Однако наличие самого устройства - механического тормоза объясняется необходимостью наложения тормоза в статическом состоянии электродвигателей. Так, в статическом состоянии электродвигателей тормоз необходим, например, при технологических паузах при регулируемом спуске/подъеме колонны бурильных или обсадных труб или в нештатных (аварийных) ситуациях.
Возможность останова электродвигателей до момента включения механического тормоза осуществляется с применением автоматизированной системы управления приводом буровой установки (в том числе управления приводом буровой лебедки), в качестве которой используется аналоговая или цифровая система (книга «Буровые комплексы. Современные технологии и оборудование», под ред. А.М.Гусмана и К.П.Порожского. научное издание, Екатеринбург, УГГГА, 2002 г., стр.339-442).
Кроме того, из описания к полезной модели RU 65037 известен электропривод, обеспечивающий останов электродвигателей при динамическом режиме работы до момента наложения (включения) механического тормоза.
В качестве электродвигателей возможно использовать регулируемые электродвигатели как постоянного, так и переменного тока.
Предпочтительно использовать электродвигатели переменного тока с частотно-регулируемым приводом, т.к. его преимуществами являются простота в обслуживании и надежность приводов.
Для буровых лебедок в качестве механического тормоза предпочтительно использовать многодисковый тормоз, т.к. он более компактен и имеет более высокий тормозной момент по сравнению с ленточным тормозом, традиционно применяемым в данной области техники.
Таким образом, при использовании заявляемой буровой лебедки обеспечивается компактность расположения элементов оборудования, исключается необходимость в дополнительном электромагнитном тормозе, упрощается кинематическая схема лебедки за счет исключения дополнительных кинематических звеньев (коробки передач), что приводит к повышению надежности работы устройства и уменьшению массогабаритных характеристик.
При сохранении компактного размещения основных рабочих механизмов буровая лебедка может быть оснащена дополнительным приводным механизмом, работающим независимо от автоматизированной системы управления буровой лебедкой.
Преимущества заявляемой полезной модели заключаются также в том, что для увеличения грузоподъемности ее конструкция может содержать два дополнительных электродвигателя, связанных с подъемным валом барабана. В этом случае для выполнения полезной модели с противоположных сторон подъемного вала буровой лебедки идентично скомпонованы две группы механизмов, каждая из которых содержит два приводных электродвигателя с карданными валами, редукторный механизм, многодисковый тормоз. В этом случае с помощью автоматизированной системы включаются или четыре электродвигателя или два средства для торможения.
Эти и другие особенности заявляемого устройства поясняются с помощью чертежей.
На фигуре 1 представлена кинематическая схема буровой лебедки с двумя электродвигателями, на фигуре 2 - кинематическая схема буровой лебедки с четырьмя электродвигателями.
Буровая лебедка содержит основные рабочие механизмы: подъемный вал 1 с барабаном 2, редукторный механизм 3, механический тормоз в виде многодискового тормоза 4, приводные асинхронные электродвигатели 5 с короткозамкнутым ротором, дополнительный привод 6. Перечисленные рабочие механизмы установлены на сварной металлической раме 7. Подъемный вал 1 с барабаном 2 на подшипниках 8 установлен в подшипниковых корпусах 9.
Редукторный механизм 3 содержит два ведущих вала 10 с ведущими шестернями 11, передающими крутящий момент от электродвигателей 5 через соответствующие карданные валы 12 к суммирующему зубчатому колесу 13, установленному на конце подъемного вала 1 со стороны многодискового тормоза 4.
При этом многодисковый тормоз 4 установлен на поверхности корпуса редукторного механизма 3 (иначе называя - многодисковый тормоз 4 установлен на консоли подъемного вала 1).
При другом варианте (чертеж не приведен) установки механического тормоза, а именно на раме необходимо устанавливать дополнительную металлическую опору для размещения на ней данного тормоза.
Оба варианта расположения многодискового тормоза обеспечивают компактность заявляемого устройства.
Валы двух электродвигателей 5, соответственно и карданные валы 12 установлены параллельно и расположены со стороны многодискового тормоза 4.
Устройство содержит дополнительный приводной механизм 6, соединенный посредством муфты включения 14 карданного вала 15 с ведущим валом 10 редукторного механизма 3.
Механизм включения (на чертеже не показан) дополнительного приводного механизма 6 - цилиндр пневматический с рычагами установлен на раме за карданным валом 15.
Применение автоматизированной система управления приводом буровой лебедки обеспечивает интегрирование функции тормоза в работу электродвигателей привода лебедки, что приводит к упрощению конструкции буровой лебедки и уменьшению ее массогабаритных характеристик за счет исключения дополнительного индукционного (электромагнитного) тормоза.
Работа буровой лебедки осуществляется следующим образом.
Электродвигатели 5 привода буровой лебедки передают вращение и крутящий момент посредством карданных валов 12 на ведущие валы 10 редукторного механизма 3. Ведущие шестерни 11 передают вращение и крутящий момент на суммирующее зубчатое колесо 13. В результате подъемный вал, вращаясь, производит посредством талевого каната и талевой системы (не показан) спуск и подъем бурильной колонны и другие работы, связанные с бурением и строительством скважин.
Управление работой буровой лебедки осуществляется оператором с пульта бурильщика (на чертеже не показано) в соответствии с заданной программой.
Так, при поступлении сигнала о необходимости остановить спуск бурильной колонны (например, при технологической паузе, когда происходит навинчивание труб бурильной колонны), электродвигатели 5 выполняют функцию тормоза и затормаживают движение груза до нуля. В статическом состоянии электродвигателей 5 в работу включается многодисковый тормоз 4, затем для продолжения спуска бурильной колонны многодисковый тормоз 4 отключается и электродвигатели 5 приводятся во вращение.
При аварийной ситуации возможна работа от дополнительного привода 6 буровой лебедки.
Автоматизированная система управления может быть адаптирована для работы буровой лебедки с тремя или четырьмя электродвигателями.
Заявляемая конструкция буровой лебедки обеспечивает рациональное расположение отдельных сборок и комплектующих изделий и приводит к уменьшению ее массогабаритных характеристик.