Методика инженерного расчета конструктивных и рабочих параметров привода погружной гидровращательной установки

The technique of engineering calculation of constructive and working parameters of a immersed hydro-rotary is developed.

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
Date:2007
Main Authors: Зыбинский, П.В., Рязанов, А.Н.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України 2007
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134253
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Методика инженерного расчета конструктивных и рабочих параметров привода погружной гидровращательной установки / П.В. Зыбинский, А.Н. Рязанов // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2007. — Вип. 10. — С. 102-109. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860066309632425984
author Зыбинский, П.В.
Рязанов, А.Н.
author_facet Зыбинский, П.В.
Рязанов, А.Н.
citation_txt Методика инженерного расчета конструктивных и рабочих параметров привода погружной гидровращательной установки / П.В. Зыбинский, А.Н. Рязанов // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2007. — Вип. 10. — С. 102-109. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
description The technique of engineering calculation of constructive and working parameters of a immersed hydro-rotary is developed.
first_indexed 2025-12-07T17:08:13Z
format Article
fulltext Выпуск 10. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 102 Рис. 1. Расчетная схема гид- ровращательного бурового снаряда. УДК 622.24.85 П. В. Зыбинский, канд. техн. наук1, А. Н. Рязанов, канд. техн. наук2 1 ЗАО «Компания «Юговостокгаз», г. Донецк, Украина 2 Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, Украина МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА КОНСТРУКТИВНЫХ И РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИВОДА ПОГРУЖНОЙ ГИДРОВРАЩАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ The technique of engineering calculation of constructive and working parameters of a im- mersed hydro-rotary is developed. Широкое применение легких технических средств, при проведении геологоразведоч- ных и инженерно-геологических изысканий на континентальном шельфе, в том числе реали- зующих вращательный способ бурения в породах VI – VII категорий, обуславливает необходимость их дальнейшего совершенствования применительно к конкретным условиям эксплуатации. В этой связи определяющим фактором является правильный выбор основных конструктивных и рабочих параметров гидровращательного бурового снаряда [1]. Параметром, определяющим качественную сторону разработанного гидравлического механизма, является отношение n M (где М – момент, развиваемый механизмом, n – частота вращения коронки), которое зависит от степени использования энергетической мощности двигателя. Величина момента ( )M , развиваемого ме- ханизмом, определяется потребным крутящим мо- ментом (Мтр) для эффективного разрушения породы на забое, преодоления силы трения бурового снаряда о стенки скважины с учетом запаса в случае аварийных ситуаций. Таким образом, должно соблюдаться усло- вие М ≥ Мтр. Согласно [2], потребный крутящий момент определяется из выражения 2 ср тр d M =1,2Кθ (1) где 1,2 – коэффициент, учитывающий силы трения бурового снаряда о стенки скважины и запас момента в случае аварийных ситуаций; К – безразмерный силовой критерий эффективности разрушения породы (0,4−0,6); θ – осевая нагрузка на забой; dср – средний диаметр коронки. РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ 103 Для забойных гидродвигателей поршневого типа с винтовым преобразователем вра- щающий момент на выходном валу определяется по формуле ( )ϕ′−α= tgWdM в5,0 . (2) где вd – средний диаметр винта преобразователя; α – угол подъема винтовой линии; ϕ′ – угол трения. Осевое усилие W находится из уравнения статического равновесия поршня гидродви- гателя во время установившегося движения (рис. 1). Для хода вверх: ( ) ( ) 02 =−−−−−−+− GWRffPPfPfffP вштппппрштштп в c . (3) Для хода вниз: 02 =+−−−− GWRPfPffP нштпрштшт н c . (4) где с вР и н сР – средний напор жидкости соответственно при ходе поршня вверх и вниз; пf , штf – площадь поршня и штока гидродвигателя; прР – давление жидкости в полости преобразователя; пP – давление жидкости со стороны выхлопного окна гидродвигателя; 2Р – потери давления жидкости в гидродвигателе; R – силы механического трения в гидродвигателе; G – вес подвижных узлов механизма. Решая уравнения (3) и (4) относительно с вР и н сР , получим ( )2 пп п шт пр шт вв с штп f P f P P f f R W G Р f f − + − + + + = − (5) 2н шт ншт пр с шт f P P f R W GР f −+ + + = (6) Для уравновешенной работы гидродвигателя следует выполнить условие в н с с сР Р Р== (7) Его соблюдение обеспечивает ритмичное действие подвижных узлов, отсутствие до- полнительных колебаний столба жидкости за счет ее упругих свойств при изменении давле- ния, что в итоге повышает надежность механизма в целом. Совместное решение уравнений (5) и (6) с учетом условия (7) относительно штf при допу- щении прп РР = дает нв н пшт WWR GWRff ++ −+ = 2 (8) Частное решение уравнения (8) при нв WW = и пшт ff 5,0= без учета веса подвижных узлов fп − fшт = fшт = f (9) Выпуск 10. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 104 Общая площадь поршня гидродвигателя задается конструктивно, исходя из диаметра проек- тируемого механизма. Тогда площадь штока согласно решениям уравнения (8) находится в пределах ( ) пшт ff 5,048,0 −= (10) Таблица 1. Размеры поршня и штока гидродвигателя в зависимости от наружного ди- метра механизма привода Диаметр механизма, мм Наименование и обозначение параметра 73 89 108 127 Диаметр поршня )( пd , м 0,055 0,065 0,080 0,0100 Диаметр штока )( штd , м 0,038 0,045 0,055 0,070 Площадь поршня )( пf , м2 0,00238 0,00332 0,00502 0,00785 Площадь штока )( штf , м2 0,00113 0,00159 0,0238 0,00385 Рабочая площадь )( штffп − , м2 0,00125 0,00173 0,0264 0,00405 Давление жидкости со стороны выхлопного окна гидродвигателя 2 пНп а жP P Pγ += + (11) где aP – атмосферное давление; жγ – удельный вес морской воды; Н – глубина моря; 2 пР – потери давления жидкости в выхлопном канале. Давление жидкости в полости преобразователя ( )2 12 првпр а ж п п пр пр пр RР Р H P Z S S f f γ= + − + + − (12) где 2 вP – гидравлические потери давления жидкости при прохождении ее между наружной трубой и стенкой скважины, керном и внутренней стенкой колонковой трубы; прS – рабочий ход поршня преобразователя: пр шт пр f fSS = (13) прR – сила трения поршня преобразователя. Учитывая полученные выражения и решая уравнение (3) и (4) относительно W , получим для хода вверх ( ) RGfPPPPW ппрcв −−−−+= 2 (14) для хода вниз ( ) RGfPPPW прcн −+−= − 2 (15) Исходя из потребного крутящего момента и допустимого перепада давления на гидродвига- теле, определяется угол подъема винтовой линии винта преобразователя ϕ′+     ≤α Wd Marctg в тр2 (16) По углу подъема рассчитывается шаг винтовой линии РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ 105 скорект tвt StgdS ≤απ= (17) Подставляя выражения (15; 16; 17) в уравнение (2), после преобразований получим прибли- женную формулу для расчета вращающего момента мtс KSDPМ 2 8 1 = (18) где D – диаметр, соответствующий рабочей площади гидродвигателя; мК – коэффициент механических и гидравлических сопротивлений. Повышение давления жидкости при отрыве клапана от седла kP∆ происходит за счет из- менения действующих в этот момент сил. Уравнение действия сил в момент перестановки клапанов без учета веса подвижных узлов имеет вид для хода вверх ( ) ( ) 02 =−−−−+′−−⋅∆+ WRfPfPfPfffPP штппштпрkштп в kс (19) для хода вниз: ( ) ( ) 02 =−−−−′′−⋅∆+ WRfPfPffPP штштпрkшт н kс (20) где ′ kf , ″ kf – соответственно площади впускного и выхлопного клапанов. В результате решения уравнений (19) и (20) относительно к вР∆ и к нР∆ получим ( ) kштп штkштcпрштппв k fff WRfPffпfPPfPfР ′− +++′−−−−=∆ − 2 , (21) ( ) kшт штkштcрпштн k ff WRfPffPPfР ′′− +++′′−=∆ − 2 . (22) Для обеспечения уравновешенной работы механизма согласно (7) следует выполнить условие к н к в k РРP ∆=∆=∆ . (23) Исходя из равенства kk ff ′′=′ , получаем выражение ( ) ( )кштшт штштпрппk k fff WRfРfРfPfР − +++− =∆ 2 . (24) Его анализ показывает, что работоспособность клапанной системы зависит от пра- вильности выбора соотношения площади прилегания клапанов kf и штf , так как при штk ff → ∞∆ →kР . Для дифференциальных поршневых гидродвигателей с двухклапанным распределением [3] пk ff 25,0≤ . (25) Требования к жесткости клапанной пружины и условиям ее работы определяются не- обходимостью обеспечения запуска механизма. В связи с этим рассмотрим уравнение сил, действующих на поршень во время запуска, учитывая перестановку клапанов в верхнее по- ложение ( ) ( ) 2 0 шт уд п пkk kс с пр шт шт P P f R Р Р f Р f P f P f R G W + ∆ = + + ∆ + − − + + + + = (26) Поскольку в начальный момент запуска скорость поршня близка к нулю, то без осо- бых погрешностей уравнение (26) можно записать в виде ( ) ( ) 0шт к кkс сP P f Р Р f R G W+ ∆ = + ∆ + + + = . (27) Тогда давление рабочей жидкости в момент запуска с шт к R G WP P f f + + + ∆ = − . (28) Выпуск 10. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 106 При перестановке клапанов пружина должна преодолеть давление жидкости на выпу- скной клапан, вес клапанной системы КG и силу трения КR , т.е. будет соблюдаться усло- вие ( ) ( )0 2к к ксР Р f G R Z S S+ ∆ + + ≤ + , (29) где Z – жесткость клапанной пружины; S0 – предварительный натяг; S2 – рабочий ход клапанной пружины. Пренебрегая из-за малости величин весом клапанов КG и силой механического со- противления КR , получим ( ) 0 2 k kсP P f Z S S + ∆ ≥ + . (30) Задаваясь определенными значениями величины рабочего хода и наружным диамет- ром, по известным формулам рассчитываются рабочие параметры клапанной пружины [4]. На сжатие пружины расходуется часть энергии потока рабочей жидкости, поэтому ( ) k 202 пр fS4 SS2ZSР + =∆ . (31) Общий перепад давления рабочей жидкости на гидродвигателе равен прcр PPP ∆+= . (32) Количество оборотов выходного вала определяется по формуле t д S Smn 2= , (33) где S – рабочий ход поршня гидродвигателя; дm – количество двойных ходов поршня в единицу времени. Пренебрегая сжимаемостью жидкости, количество двойных ходов поршня получим из выражения рд K q Qm = , (34) где Q – расход жидкости; q – объем жидкости, приходящийся на один двойной ход поршня; рK – коэффициент использования жидкости. Расход рабочей жидкости зависит от скорости возвратно-поступательного движения поршня гидродвигателя, которая в свою очередь определяется из условия достижения допус- тимых динамических нагрузок в точках реверса и надежной работы уплотнительных уст- ройств. По опытным данным эта величина не должна превышать 4 м/с. р ср К fVQ 1 = . (35) В течение рабочего цикла скорость движения поршня и соответственно жидкости в подводящем трубопроводе принята постоянной из условия уравновешенной загрузки (7) и (9), а также допущения, что гидравлические удары не оказывают существенного влияния на среднюю скорость движения потока. Объем рабочей жидкости, приходящийся на один двойной ход поршня равен кнв qqqq ∆++= , (36) где нв qq , – соответственно объем рабочей жидкости при ходе поршня вверх и вниз; кq∆ – дополнительный объем жидкости, протекающей через клапана в момент их пере- РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ 107 становки             ρ ∆+ ++= c PPK f Q S QSfq kc р k 2 2 . (37) Учитывая найденное значение дm и обозначив             ρ ∆+ ++ = c PPK f Q S QSf КК kc р k р пр 2 2 , (38) получим QiКn пр= . (39) где i–передаточное отношение винтового преобразователя 2 t Si S = . (40) Помимо вращения, механизм привода установки создает еще призабойную обратную промывку скважины. Объем жидкости для промывки, приходящейся на один двойной ход, рассчитывается следующим образом: 0КSfq прпрм = , (41) где 0К – коэффициент наполнения цилиндра насоса. Принимая во внимание выражение (12), получим 0КSfq прм шт= . (42) Интенсивность промывки при работе механизма с количеством двойных ходов в ми- нуту дm составит дмм mqQ = . (43) Эффективная мощность механизма, приводная мощность и коэффициент полезного действия определяются по известным формулам [5]. При работе механизм за счет обратной промывки в полости колонковой трубы создает разряжение, что способствует образованию дополнительной нагрузки на забой. В целом осе- вое усилие подачи, развиваемое установкой, определяется из следующего выражения: ( )n сн в аG K G G G= + + , (44) где снG – вес гидравлического механизма с колонковым набором; вG – вес присоединенного столба жидкости жкнв HKG γ= , (45) кнK – площадь колонковой трубы; аG – вес столба атмосферы а а кнG Р K= . (46) Давление силового насоса, необходимое для работы привода установки, с учетом ско- ростного напора на преодоление сопротивлений в нагнетательном трубопроводе можно оп- ределить по известным формулам [6]: ( )1 2 22 −⋅      γ+γ−−= с нт жжарн К f f g VHPPP , (47) где g – ускорение силы тяжести; Выпуск 10. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 108 с нт ж К f f g V 22 2       γ – приведенные суммарные потери напора в нагнетательной линии от силового насоса до поршня гидродвигателя; 22 2       γ нт ж f f g V – приведенный скоростной напор. 1 1 n n i с i i ii i lК d λ ϕ = = = +∑ ∑ , (48) где iλ – коэффициент гидравлических сопротивлений отдельного участка нагнетательной линии с постоянным сечением; il и id – соответственно длина и диаметр участков; iϕ – коэффициент местных сопротивлений. Производительность силового насоса определяется по формуле ( )31нQ Q K= + , (49) где 3K – коэффициент утечек рабочего момента в нагнетательной линии. Мощность, затрачиваемая на привод силового насоса, составит н н н н Q РN η = , (50) где нη – КПД силового насоса. Общий коэффициент полезного действия погружной установки эф у н N N η = . (51) Последовательность выбора конструктивных размеров и расчета рабочих параметров привода установки представлен в табл. 2. Таблица 2. Методика определения конструктивных и рабочих параметров гидравличе- ского механизма Наименование расчетного параметра Способ определения параметра Примечание Потребный вращающий момент ( трM ) Согласно принятым методикам расчета (1) – Наружный диаметр механизма привода (D) Соответствует диа- метру колонкового снаряда Определяется возмож- ным диаметром керна Площадь поршня гидродвигателя ( пf ) Определяется конст- руктивно с учетом рекоменда- ций табл. 1 – Площадь штока гидродвигателя ( штf ) Условие (10 ), табл.1 – Площади впускного и выхлопно- го клапанов ,k kf f′ ′′ Условие (25) – РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ 109 Окончание таблицы 2 Рабочий ход поршня (S ) и кла- панной пружины ( 2S ) Выбирается конст- руктивно Ограничивается линей- ными размерами меха- низма Жесткость клапанной пружины ( Z ) Формула (30) – Средний перепад давления рабо- чей жидкости на гидродвигателе ( сР ) Выбирается исходя из возможности си- лового насоса Ограничивается прочно- стью нагнетательной линии Расход рабочей жидкости (Q ) Формула (35) Сравнивается с произво- дительностью силового насоса Шаг винта преобразователя ( tS ) Формула (17) с учетом выражения (16) – Вращающий момент (М ) Формула (18) – Общий перепад давления рабочей жидкости на гидродвигателе (Рр) Формула (32) – Количество оборотов выходного вала (n ) Формула (33) Сравнивается c требуе- мой частотой вращения Интенсивность промывки забоя (Qм) Формула (41) – Осевое усилие подачи (G) Формула (44) – Давление силового насоса (Pн) Формула (47) – Производительность силового насоса (Qн) Формула (49) – Мощность на привод силового насоса (Nн) Формула (50) Сравнивается с мощно- стью для привода насоса КПД погружной установки ( уη ) Формула (51) – Литература 1. Погружная установка для бурения морских скважин в крепких породах на шельфе морей Дальнего Востока: обзорная информация / Неудачин Г. И., Коломоец А. В., Зыбинский П. В и др. – М.:ВИЭМС. Техн. и технолог. геол. развед. работ, организация производст- ва.−Вып 13.−1980. – 80 с. 2. Кожевников А. А., Гошовский С. В., Мартыненко И. И. и др. Забойные факторы алмазно- го бурения геологоразведочных скважин. – Д., ЧП «Лира», 2006. – 264 с. 3. Калиниченко О. И. Оценка энергетических характеристик гидроударных машин двойного действия // Междунар. сб. науч. тр. «Прогрессивные технологии и системы машино- строения». – Донецк, 2000. Вып.12. –С. 80–83. 4. Анурьев В. И. Справочник конструктора машиностроителя. В 3-х т.–М.: Машинострое- ние, 1979.–Т. 1.–728 с.; Т. 2.–559 с.; Т. 3.–557 с. 5. Зыбинский П. В., Калиниченко О. И. Методика инженерного расчета параметров пробо- отборников с гидровращательным приводом. // Зб. наук. пр. ДонНТУ. –Сер. гірн.-геолог.. – Донецьк: ДонНТУ, 2003. – № 63 – С. 67–73. 6. Элияшевский Н. В. Типовые задачи и расчеты в бурении. – М.: Недра, 1982. – 295 с. Поступила 02.07.07.
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-134253
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 2223-3938
language Russian
last_indexed 2025-12-07T17:08:13Z
publishDate 2007
publisher Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
record_format dspace
spelling Зыбинский, П.В.
Рязанов, А.Н.
2018-06-13T04:33:38Z
2018-06-13T04:33:38Z
2007
Методика инженерного расчета конструктивных и рабочих параметров привода погружной гидровращательной установки / П.В. Зыбинский, А.Н. Рязанов // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2007. — Вип. 10. — С. 102-109. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
2223-3938
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134253
622.24.85
The technique of engineering calculation of constructive and working parameters of a immersed hydro-rotary is developed.
ru
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения
Методика инженерного расчета конструктивных и рабочих параметров привода погружной гидровращательной установки
Article
published earlier
spellingShingle Методика инженерного расчета конструктивных и рабочих параметров привода погружной гидровращательной установки
Зыбинский, П.В.
Рязанов, А.Н.
Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения
title Методика инженерного расчета конструктивных и рабочих параметров привода погружной гидровращательной установки
title_full Методика инженерного расчета конструктивных и рабочих параметров привода погружной гидровращательной установки
title_fullStr Методика инженерного расчета конструктивных и рабочих параметров привода погружной гидровращательной установки
title_full_unstemmed Методика инженерного расчета конструктивных и рабочих параметров привода погружной гидровращательной установки
title_short Методика инженерного расчета конструктивных и рабочих параметров привода погружной гидровращательной установки
title_sort методика инженерного расчета конструктивных и рабочих параметров привода погружной гидровращательной установки
topic Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения
topic_facet Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134253
work_keys_str_mv AT zybinskiipv metodikainženernogorasčetakonstruktivnyhirabočihparametrovprivodapogružnoigidrovraŝatelʹnoiustanovki
AT râzanovan metodikainženernogorasčetakonstruktivnyhirabočihparametrovprivodapogružnoigidrovraŝatelʹnoiustanovki