Перспективные направления развития конструкций систем верхнего привода
Р.С. ПРИВАЛИХИН,
инженер, заведующий лабораторией компьютерного проектирования
globalSDS@bk.ru
А.К. ДАНИЛОВ,
к.т.н., доцент
Danilov_ak@mail.ru
Е.А. СОЛОВЬЕВ,
к.т.н., доцент
Э.А. ПЕТРОВСКИЙ,
д.т.н., заведующий кафедрой
В.В. БУХТОЯРОВ,
к.т.н., доцент
кафедра «Технологические машины и оборудование нефтегазового комплекса»
Институт нефти и газа Сибирский федеральный университет, г. Красноярск
Разработка систем СВП на основе рядных, планетарных и блочно-модульных передач создает определенные трудности при проектировании, поскольку конструкции имеют значительные массы и габариты.
Предлагаемые системы с эксцентриковым приводом позволяют не только существенно снизить массу и габариты привода СВП, но и увеличить обороты приводного двигателя. Создание комплексной системы, включая применение регулируемых асинхронных электроприводов, позволит создать надежные и эффективные СВП, отвечающие требованиям глубокого бурения.
DEVELOPMENT OF STRUCTURES OVER-HEAD SHAFT SYSTEMS PERSPECTIVE DIRECTIONS
R. PRIVALIKHIN, A. DANILOV, E. SOLOVIEV, E. PETROVSKIY, V. BUKHTOYAROV, «Technological machines and equipment for oil and gas complex», Institute of oil and gas SFD, Krasnoyarsk
SVP Systems development based on row, planetary and block-modular gear creates classed difficulties when designing, of constructions have a considerable weight and dimensions. The proposed system with eccentric drive can not only significantly reduce the weight and dimensions of the actuator SVP, but also to increase the speed of a drive motor.
Keywords: SVP, gear drive, planetary gear, modular drive, eccentric reducer, adjustable asynchronous electric drives
Развитие современных приводных систем связано с рядом технических проблем применения современных конструкционных и композитных материалов, поиска оптимальных конструктивных решений передачи крутящего момента, создания износостойких поверхностных слоев и смазочных материалов, новых принципов решения опорных узлов вращения.
В основе предлагаемого подхода к кинематическим передачам в составе системы верхнего привода (далее - СВП) лежит разработка соосных редукторов на основе планетарных и эксцентриковых передач. Создание соосных систем позволяет существенно изменить архитектуру устройств, уменьшающих габаритные размеры с высокими показателями к.п.д. и передачей значительных крутящих моментов.
Перспективы развития со-осных кинематических систем связаны с оптимизацией параметров зубчатого зацепления, упрощением кинематического ряда приводных систем, равномерным распределением нагрузки и созданием систем управления суммарной мощности при стабильном крутящем моменте на приводном механизме.
Для оценки технических решений приводных систем были
проведены сравнительные исследования компоновочных решений на основании расчетных моделей: вертикального цилиндрического Приводного механизма (далее - ПМ); использования блочно-модульной компоновки приводных электродвигателей; компоновки планетарного и эксцентрикового привода [1].
Рассчитанный и построенный компоновочный вариант ПМ (рис.1) использует один асинхронный электродвигатель общепромышленного типа.
Косозубые передачи приводятся во вращение от двигателя мощностью 355 КВт с частотой вращения 1488 об/мин. Угол наклона зубьев - 15 градусов. Передаточное отношение ПМ - 9,95. Все валы устанавливаются на радиально-упорные роликоподшипники. Ширина зубчатого колеса на буровой колонне составляет 170 мм. Габаритные характеристики ПМ составляют
Рис. 1. ПМ в исполнении 2-ступенчатой передачи
Рис. 2. Компоновка ПМ с 4 электродвигателями
930x500x405 мм без электродвигателя. Изготовление зубчатых передач усложняется за счет большой ширины колес в совокупности с исполнением косозубого зацепления. Ориентировочная масса ПМ 600 - 800 кг, полная масса с асинхронным электродвигателем составляет 2250 - 2500 кг. Оптимизация зубчатого профиля колес произведена по минимальному значению относительного скольжения зубьев. Центр масс ПМ смещен в сторону электрического двигателя.
Блочно-модульное решение (рис.2) с внешней корончатой шестерней приводится во вращение при помощи сателлитов, установленных на двигателе 90 кВт. Четыре двигателя расположены по периферии корончатой шестерни, общая мощность составляет 360 кВт Все двигатели синхронизируются частотными преобразователями через общую схему соединения.
Использование многопарности зацепления позволяет уйти от больших значений модуля зубчатой передачи, создавая большое передаточное отношение на одной ступени редуктора. Модуль корончатой шестерни и зубчатых сателлитов равен 3. Угол наклона зубчатой передачи составляет 15 градусов. Передаточное отношение ПМ - 10,18.
Рис. 3. 2-ступенчатый планетарный механизм по схеме АА
Рис. 4. 2-ступенчатый планетарный механизм по схеме В
Использование внутреннего зацепления позволяет увеличить надежность зубчатой передачи в сравнении с внешним зацеплением. Масса приводной части ПМ увеличивается и составляет 505 кг, общая масса ПМ с 4 электродвигателями - 2495 кг. Масса редукторной части ПМ - 340 кг. Общий диаметр вращательного механизма составляет 1050 мм с шириной 327 мм.
Рис. 5. Компоновка ПМ в исполнении с эксцентриковым редуктором
Для компоновочного варианта планетарного исполнения были выбраны и проработаны две схемы исполнения (рис. 3,4) с использованием асинхронного двигателя с системой проходного вала.
В первом варианте представлена классическая схема совмещения ступеней планетарного редуктора по принципу передачи мощности от водила 1-й ступени к солнечной шестерне 2-й ступени; выходной вал связан с водилом 2-й ступени планетарного редуктора.
В планетарном механизме АА [2] используются две корончатые шестерни, что в свою очередь усложняет процесс изготовления ПМ и приводит к дополнительным трудностям при их центрации на этапе сборки.
Компоновочное решение по схеме В [2] планетарного ПМ (рис. 4) позволяет существенно упростить конструкцию.
Электрический двигатель 355 кВт приводит во вращение солнечную шестерню, которая, в свою очередь, передает силовой момент на первый венец сателлита. Второй венец сателлита соединен с жест-
Рис. 6. Визуальное сравнительное представление всех компоновочных вариантов ПМ
Конструкция эксцентрикового привода позволяет стабилизировать мощность и варьировать скорость вращения выходного вала при стабилизации крутящего момента и оборотов приводного двигателя. Создание гибких систем управления оборотами и варьирование балансом мощности - одно из перспективных направлений развития приводной техники.
ко закрепленной на корпусе корончатой шестерней, осуществляя вращение водила, на котором находится буровая колонна. Передаточное отношение редуктора растет по мере увеличения диаметральной разности венцов сателлита и составляет 10,038. Все зацепления выполнены прямозубыми. Условия соседства позволяют разместить на зубчатом водиле 3 сателлита. Учтено влияние погрешности изготовления, введен коэффициент распределения нагрузки между сателлитами.
Масса редукторной части ПМ 350 кг, общая масса ПМ составляет 1700 кг. Диаметр ПМ - 1000 мм, высота -250 мм.
Разработка редукторов на основе эксцентрикового привода основана на передаче внутреннего зацепления. Основным преимуществом внутреннего зацепления по сравнению с внешним являются его надежность и величина перекрытия, которая увеличивается с величиной передаточного числа ПМ.
При использовании эксцентрикового привода создаются условия волнового перемещения шестерен относительно эксцентрикового вала, что минимизирует маховые моменты и позволяет применять электрические двигатели с высокими частотами вращения.
Компоновка ПМ (рис. 5) в эксцентриковом исполнении с использованием двигателя по системе проходного вала позволяет свести к минимуму количество рабочих колес в зацеплении.
Двигатель с проходным валом и частотой вращения 3000 об/мин с мощностью 355 КВт приводит во вращение эксцентриковый вал, приводящий в движение сателлиты в неподвижной корончатой шестерне, передающей момент на водило, вращающее буровую колонну. Общее передаточное отношение составляет 20. Общая масса ПМ - 1470 кг, масса редукторной части ПМ составляет 320 кг Диаметр ПМ - 600 мм, ширина - 350 мм. Одно из направлений совершенствования приводных
Табл. 1. Сравнительные параметры
Характеристика/тип компоновки 2-ступенчатая косозубая Блочно-модульная 2-ступенчатая Планетарная Эксцентриковая
Габариты ПМ без Эл./Дв., мм 930х500х405 Ш1050х327 Ш1000х250 Ш600х350
Передаточное отношение 9,95 10,18 10,038 20
Скорость входного вала двигателя, об/мин. 1488 1480 1500 3000
Передаваемая мощность, КВт 355 360 355 355
Скорость вращения буровой колонны при номинальной частоте работы двигателя, об/мин. 149,55 145,38 149,43 150
Масса ПМ без Э/Д, кг 600-800 340 350 320
Масса приводной части (электродвигателей), кг 1650 2155 1350 1150
Общая масса, кг 2250-2450 2495 1700 1470
систем верхнего привода - это применение нескольких скоростей в ПМ, имеющих разные передаточные отношения для обеспечения работы электрического двигателя, не выходя за область его номинальных значений механической характеристики, что позволит также снизить весовые и габаритные характеристики привода.
Одним из перспективных направлений развития приводной техники является создание систем управления оборотами и варьирование балансом мощности. В связи с этим одним из наиболее важных условий проектирования новых ПМ является создание гибких приводных трансмиссий, обеспечивающих выбор наиболее оптимальных силовых параметров для обеспечения рабочих режимов бурения.
Расчетная характеристика предполагаемого ступенчатого привода (рис. 5) на первой ступени обеспечит количество выходных оборотов от 200 до 60 об/мин; на второй ступени от 80 до 5 об /мин, соответственно крутящий момент на выходном валу будет определяться приводной мощностью основного электро-
привода. При максимальных оборотах приводного электродвигателя 3000 об/мин передаточное число на первой передачи равно 18 - 20, а передаточное число на вт
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.