ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА. Тема: Проект трансмиссии с гидродинамической передачей для бурового агрегата 1БА-15В с мощностью привода 154 кВт.

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

По дисциплине Буровые машины и механизмы

 

^{(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)}

 

 

Тема: Проект трансмиссии с гидродинамической передачей для бурового агрегата 1БА-15В с мощностью привода 154 кВт.

 

Автор: студент гр. РТ-09 /Семко Е.В./

^{(подпись) (Ф.И.О.)}

ОЦЕНКА: _____________

 

Дата: ___________________

 

 

ПРОВЕРИЛ

 

Руководитель проекта: проф./Шелковников И.Г./

^{(должность) (подпись) (Ф.И.О.)}

 

Санкт-Петербург

Аннотация

В данном курсовом проекте была разработана трансмиссия с гидродинамической передачей для бурового агрегата 1БА-15В с мощностью привода 154 кВт. В нашем случае гидродинамическая передача представляет собой гидротрансформатор и в соответствии с этим выбран гидротрансформатор для проектирования гидродинамической трансмиссии. Оценивается соответствие выбранного гидротрансформатора двигателя.

Данная работа содержит 15 страниц, 5 таблиц и 3 рисунка.

 

 

The summary

In this course project was developed transmission with hydrodynamic transmission for the drilling unit 1BA-15V with power outputs of 154 kW. In this case, the transmission is a hydrodynamic torque converter in accordance with the selected design of the hydrodynamic torque converter transmission. Evaluates the relevance of the selected torque converter engine. This project contains 15 pages, 5 tables and 3 pictures.

 

 

Оглавление

Аннотация. 2

Введение. 4

1. Схема действия гидротрансформатора. 7

2. Расчет и построение внешней скоростной характеристики для двигателя ЯМЗ-236НД.. 8

3. Оценочные параметры гидротрансформатора двигателю.. 9

4. Скорость подъема бурового инструмента на примере скважины глубиной 2300м.. 13

Заключение. 14

Список литературы.. 15

Введение

Одной из важных задач на этапе проектиро­вания гидродинамической трансмиссии является выбор гидротрансформатора. Это связа­но с тем, что устанавливаемый гидротрансформатор между двигателем и коробкой передач должен обес­печить:

-использование номинальной мощности двигателя, а также его работу на экономич­ных режимах расхода топлива;

-устойчивую работу двигателя на «стопо­вом» режиме гидротрансформатора, т.е. при полностью оста­новленном вале турбинного колеса;

-расширение скоростного диапазона на вы­ходе гидротрансформатора и, как следствие, уменьшить число передач в коробке;

-возможность длительной работы в тя­желых условиях без перегрева масла в гидротрансформаторе.

Таким образом, для рационального использо­вания мощности двигателя необходимо, чтобы внешняя характери­стика двигателя была согласована с безраз­мерной характеристикой гидротрансформатора.

Самоходный буровой агрегат 1БА-15В предназначен для геологоразведочного и эксплуатационного бурения скважин на воду роторным способом в породах мягкой и средней твердости с прямой промывкой забоя. Буровой агрегат 1БА-15В для бурения скважин (рис. 1) состоит из следующего оборудования:

а) бурового блока, включающего мачту с ярусами растяжек, привод от двигателя автомобиля МАЗ-5334 через пятискоростную коробку передач, коробку отбора мощности и трехскоростную коробку передач агрегата, лебедку, ротор Р-410, буровой насос, генератор, компрессор пневмосистемы, гидрораскрепитель, пульты управления (все эти узлы смонтированы на раме автошасси); талевого блока, вертлюга, квадратной штанги, бурового рукава со штуцерами, откидных мостков, глиномешалки емкостью 0,75 м;

б) компрессорно-силового блока;

в) прицепа для бурильных труб;

г) бурового инструмента.

Рис. 1. Буровая установка 1БА-15В

Основное оборудование агрегата смонтировано на автоприцепах, что обеспечивает высокую маневренность и сокращает затраты времени на транспортировку и монтажно-демонтажные работы. Запас мощности и возможность привода любых механизмов от каждого из двух двигателей повышает надежность ведения буровых работ и сокращает аварийные простои. Широкий диапазон скоростей на лебедке и роторе позволяет успешно вести различные работы. Конструкция агрегата позволяет без затруднений применять бурильные и обсадные трубы длиной 12 м и обсаживать скважины без снятия ротора трубами диаметром до 360 мм. Пневматическое управление основными механизмами значительно повышает оперативность и облегчает труд бурильщика, наличие также ручного управления обеспечивает надежность управления.

Мощный компрессор, входящий в состав агрегата, позволяет без потерь времени производить с помощью эрлифтов строительную и опытную откачку воды. Применение гидрораскрепителя и устройства для развинчивания бурильных труб диаметром 73 мм с помощью ротора облегчает и ускоряет выполнение спуско-подъемных операций.

Создают удобства в работе и повышают безопасность труда: ограничитель подъема талевого блока, обустройство буровой площадки; приспособления для выноса квадратной штанги, ведения ремонтных и монтажных работ, подтаскивания грузов, подвески бурового рукава, продувки напорного манифольда воздухом; аварийное освещение 24 В; ручной насос для заправки; слесарные тиски и т. д.

Основные характеристики агрегата 1БА-15В, необходимые для расчета гидротрансформатора, приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Основные характеристики бурового агрегата 1БА-15В

Параметры	Значения параметров
Двигатель ЯМЗ-236НД:
Номинальная мощность, кВт (л.с.)	154 (210)
Номинальная частота вращения, об/мин
Рабочий диапазон оборотов	1,556
Коэффициент приспособляемости	1,10
Лебедка буровая:
Тяговое усилие на буровом барабане, кН
Ротор Р-410:
Крутящий момент, Н∙м (кГс∙м)	7840 (800)
Частота вращения, об/мин	65 - 245

 

1. Схема действия гидротрансформатора

В 1903 г. проф. Г. Феттингер, проектируя схему дифференци­альной электрической передачи, осуществляющей передачу кру­тящего момента от двигателя к гребному винту, решил заменить дифференциальную электропередачу гидродинамической уста­новкой, соединив центробежный насос и турбину одним общим вихреобразным круговым потоком жидкости.

На рис. 2 показана схема действия турботрансформатора. Вал двигателя 1 соединен с колесом 2 насоса и нагнетает жид­кость по каналу 3 в направляющий аппарат 4 (реактор), расположенный в неподвижном корпусе 5. Из направляющего аппарата жид­кость поступает на турбинное колесо 6, закрепленное на выход­ном валу 7. Жидкость, выходя из колеса турбины по каналу 8, поступает в полость 9 корпуса, а оттуда по каналу 10 снова попадает на колесо насоса. Таким образом, жидкость совершает движение по замкнутому контуру: по спирали от вращающегося насосного колеса через направляющий реактор и вращающееся с меньшей частотой турбинное колесо. При этом и происходит трансформация частоты вращения и крутящего момента на вы­ходном валу.

Рис. 2. Схема действия гидротрансформатора

Вначале при небольших числах оборотов турбина создает большой крутящий момент, больше, чем на насосе, в несколько раз. По мере того, как нагрузка на турбине уменьшается, число ее оборотов увеличивается. Таким образом, гидротрансформатор выполняет автоматиче­ски и плавно работу коробки скоростей с бесконечным числом ступеней.

2. Расчет и построение внешней скоростной характеристики для двигателя ЯМЗ-236НД

Изменение мощности двигателя и его крутящего момента в зависимости от вращения коленчатого вала называется внешней характеристикой двигателя.

Мощность двигателя вычисляется по формуле Лейдермана:

(2.1)

где N_e.max - максимальная мощность двигателя (N_e.max = 154 кВт); n_ex - некоторые выбранные значения частоты вращения двигателя в минуту (для точности вычислений разобьем максимальное значение на интервалы по 200 об/мин); n_N - максимальное значение частоты вращения двигателя (n_N = 1900 об/мин).

Крутящий момент двигателя рассчитаем по формуле:

(2.2)

где N_ex - значения мощности; n_ex - выбранные значения частоты вращения двигателя.

Результаты вычислений представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Внешняя скоростная характеристика двигателя

nex, об/мин	Nex, кВт	Mex, кГс∙м
	101,26	96,70
	110,89	96,27
	128,14	94,13
	141,79	90,27
	150,77	84,70
		77,41

 

 

3. Оценочные параметры гидротрансформатора двигателю

После того, как выбран двигатель и принято решение о применении гидродинамической трансмиссии определяем коэффициент прозрачности гидротрансформатора:

(3.1)

где к_Д - коэффициент приспособляемости двигателя; d_Д - рабочий диапазон оборотов двигателя. Таким образом:

Из числа существующих выбираем гидротрансформатор ГТК-XV-380, который по коэффициенту прозрачности (П = 2,395) наиболее близко подходит к характеристике двигателя.

Преобразующее свойство гидротрансформатора оценивается коэффициентом трансформации (силовым передаточным числом):

(3.2)

где М_Т, M_H - крутящий момент на турбинном и насосном колесе гидротрансформатора.

Для ГТ ГТК-XV при оптимальном режиме k_ГТ = 1,38, а при полном торможении вала турбины k_ГТ = 1,93.

КПД, оценивающий энергетические потери в ГТ:

(3.3)

где u_НТ - кинематическое передаточное число ГТ, равное отношению частоты вращения n_Н насосного колеса к частоте вращения n_T турбинного колеса ГТ:

(3.4)

В расчетах удобно использовать обратную ему величину:

(3.5)

Для ГТ ГТК-XV i_ГТ = 0,6. Получаем:

.

При работе ГТ на расчетном режиме (i_ГТ = i_ГТ.Р) двигатель должен работать на режиме максимальной мощности, т.е. М_Д = М_Д.N и n_Д = n_N. За расчетный режим ГТ принимаем его работу на режиме гидромуфты. Обычно принимают i_ГТ = 1/ u_НТ.Р = 0,9-0,92. Принимаем i_ГТ = 0,9.

Момент, развиваемый насосным колесом ГТ, определяется по формуле:

(3.6)

где γ; - удельный вес рабочей жидкости, кГс/м³ (для ГТ ГТК-XV-380 γ = 840 кГс/м³); λ_Н - коэффициент момента лопастного колеса, мин²/м; n_Н - частота вращения насосного колеса, об/мин; D_a - активный диаметр ГТ, м (D_a = 0,38 м).

Очень часто при определении момента на насосном колесе М_Н используют не сам коэффициент λ_Н, а произведение γ∙λ_Н. Поскольку ГТ ГТК-XV является прозрачным (П > 1), то необходимо учесть, что величина γ∙λ_Н будет изменяться с изменением кинематического передаточного числа 1/ i_ГТ. Для ГТК-XV коэффициент γ∙λ_Н на «стоповом» режиме работы ГТ (1/ i_ГТ = 0) равен 0,0057 (кГс∙мин²)/(об∙м⁴), при максимальном значении КПД ГТ равен 0,0018 (кГс∙мин²)/(об∙м⁴).

Результаты вычислений момента на насосном колесе при «стоповом» режиме работы ГТ и при максимальном значении КПД ГТ приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Результаты вычислений момента на насосном колесе ГТ

nН, об/мин	МН, кГс∙м при γ∙λН = 0,0057	МН, кГс∙м при γ∙λН = 0,0018
	45,16	14,26
	54,65	17,26
	76,33	24,10
	101,62	32,09
	130,52	41,22
	163,04	51,49

 

На рис. 3 получаем графики внешних характеристик двигателя и двух парабол нагружения от ГТ. Одна парабола соответствует «стоповому» режиму работы ГТ, а вторая - величине 1/i_ГТ, которая соответствует максимальному значению КПД ГТ. Любая точка, расположенная между этими параболами на внешней характеристике двигателя, означает вполне определенный режим работы двигателя и гидропередачи. Каждая точка этой области представляет собой точку пересечения некоторой частичной характеристики двигателя и параболы нагружения, соответствующей вполне определенному и постоянному передаточному отношению ГТ.

Рис. 3. Характеристика совместной работы ГТК-XV с двигателем ЯМЗ-236НД

На рис. 3 видно, что парабола нагружения ГТК-XV, соответствующая «стоповому» режиму работы, пересекается с внешней характеристикой двигателя ЯМЗ-236НД правее точки M_дв.max (n_дв = 1000 об/мин). Из этого следует, что при полной остановке бурового агрегата 1БА-15В под нагрузкой работа двигателя на внешней характеристике останется устойчивой. Положение параболы нагружения при максимальном значении КПД ГТК-XV говорит о том, что буровая установка 1БА-15В не сможет использовать максимальную мощность двигателя ЯМЗ-236НД при максимальном значении КПД ГТ. Это приводит к дополнительным потерям мощности, передаваемой от двигателя в трансмиссию. Но поскольку ГТК-XV является блокируемым ГТ, то при наличии системы управления блокировкой ГТ этот недостаток устраняется.

Частота вращения на турбинном колесе:

(3.7)

Результаты вычислений приведены в таблице 4.

 

 

Таблица 4.

Частота вращения на турбинном колесе ГТ

nT, об/мин

 

Момент, развиваемый турбинным колесом ГТ, определяется по формуле:

(3.8)

где η_ДН - КПД согласующей передачи между двигателем и насосным колесом (η_ДН = 0,83). Результаты вычислений представлены в таблице 5.

Таблица 5.

Момент на турбинном колесе ГТ

МТ, кГс∙м при γ∙λН = 0,0057	МТ, кГс∙м при γ∙λН = 0,0018
51,73	16,3
62,6	19,77
87,43	27,6
116,4	36,76
149,5	47,21
186,74	58,98

 

4. Скорость подъема бурового инструмента на примере скважины глубиной 2300м

Пусть нам дана скважина глубиной 2300м. Диаметр бурильных труб 63,5 мм. Примем бурильные трубы ТБСУ-63,5. Масса 1 м трубы составляет 8,82 кг.

Максимальная скорость подъема бурового инструмента:

(4.1)

где N - мощность двигателя, необходимая на подъем бурового инструмента, кВт; n_Т.С - количество рабочих струн талевой системы; η_ГТ - КПД передачи мощности от двигателя до барабана лебедки через ГТ; Q_кр - нагрузка на крюк, Н.

(4.2)

(4.3)

Таким образом:

Из расчетов видно, что скорость подъема превышает допустимую (v_ДОП < 3 м/с), поэтому мощности двигателя хватит, чтобы поднять колонну бурильных труб с глубины 2300м.

 

 

Заключение

В результате выше изложенного материала можно сделать следующие выводы. При выборе гидротрансформатора для новой проектируемой гидродинамической трансмиссии необходимо, чтобы внешняя характеристика двигателя согласовывалась с безразмерной характеристикой ГТ.

Выполнение курсового проекта позволило закрепить знания, полученные в курсе Буровые машины и механизмы и более подробно разобраться в принципе работы гидродинамической передачи.

В заключение работы был выполнен чертеж гидротрансформатора, в котором наглядно отображены основные узлы.

 

 

Список литературы

1. Шелковников И.Г. Прикладная буровая механика: часть 1. - Санкт-Петербургский горный ин-т. СПб, 1997. – 157с.

2. Гавриленко Б.А., Минин В.А., Рождественский С.Н. Гидравлический привод. М., «Машиностроение», 1968, 502 с.

3. Ильский А.Л., Шмидт А.П. Буровые машины и механизмы: Учебник для техникумов. − М.: Недра, 1989 - 396 с.: ил.

4. http://www.drillings.ru/raschety