Лебедка буровой установки

Изобретение относится к технике бурения глубоких нефтегазовых скважин и может быть использовано в подъемных комплексах и лебедках электрифицированных буровых установок. Лебедка содержит барабан, коробку передач, ленточный и вспомогательный тормозы, основной и аварийный приводы. Коробка передач выполнена в виде вариатора, включающего сферический преобразующий механизм с качающейся обоймой. Цапфы обоймы имеют муфты свободного хода и зубчатые конические шестерни. Эти шестерни находятся в зацеплении с зубчатым коническим колесом. Продолжением этого колеса является ведомый вал вариатора. Внутреннее кольцо преобразующего механизма посредством поводка шарнирно соединено с подвижно установленной на ведущем валу втулкой. На втулку посажен радиально-упорный подшипник с дополнительной наружной втулкой, снабженной выведенным наружу рычагом. Ведомый вал вариатора и вал барабана расположены параллельно и кинематически связаны между собой цепной передачей. Ведомый вал посредством пневматической муфты дополнительно соединен с аварийным приводом. В результате достигается упрощение конструкции, обеспечивается бесступенчатое регулирование частоты вращения барабана, при этом исключается сложный, громоздкий, дорогостоящий и недостаточно надежный регулируемый электропривод с тиристорными регуляторами управления. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится преимущественно к технике бурения глубоких - разведочных и эксплуатационных - нефтегазовых скважин и может быть использована в подъемных комплексах и лебедках электрифицированных буровых установок.

Известна буровая лебедка подъемного комплекса буровой установки, содержащая расположенные на одной раме барабан, четырехскоростную цепную коробку передач, куда входят быстроходная и тихоходная передачи и подъемный вал, ленточный тормоз, электромагнитный тормоз, работающий совместно с регулятором подачи долота, и другие устройства (см. книгу: Протасов В.Н. и др. Эксплуатация оборудования для бурения скважин и нефтегазодобычи. - М.: Недра, 2004, с.481-483, рис.14.1 и 14.2). На рис.14.1 показана собственно лебедка - без основного и аварийного приводов, которые размещены на отдельной раме.

Технический недостаток подобных буровых лебедок с указанными приводами: сложность конструкции и эксплуатации, повышенные габариты и масса, усложненная монтаже- и ремонтопригодность и, как следствие, недостаточная надежность.

Известна также лебедка буровой установки, содержащая барабан, коробку передач, ленточный и вспомогательный тормозы, основной и аварийный приводы (SU 1458549 А1, МПК⁴ Е 21 В 15/00, 1989). В этой лебедке цепная коробка передач - двухскоростная, лебедка и приводы скомпонованы на одной раме, но, как отмечается в абзаце 4 описания, "Лебедка предназначается для работы в сочетании с регулируемым приводом..."

Технический недостаток данной лебедки: повышенная сложность (с учетом наличия исключительно сложного и громоздкого регулируемого электропривода с тиристорными регуляторами управления - расположены в отдельном утепленном и обогреваемом "домике"). Несмотря на это лебедка имеет относительно сложную цепную коробку передач с двумя пневматическими муфтами и не обеспечивает бесступенчатое регулирование частоты вращения барабана во всем диапазоне передаточных отношений, следствием чего является коробка передач.

Техническая задача: упрощение конструкции и обеспечение бесступенчатого регулирования частоты вращения барабана путем замены двухскоростной цепной коробки передач специальным малогабаритным механическим вариатором.

Технический результат: исключение сложного, громоздкого, дорогостоящего и недостаточно надежного регулируемого электропривода с тиристорными регуляторами управления, который, к тому же, не обеспечивает бесступенчатое регулирование во всем диапазоне.

Согласно изобретению в лебедке буровой установки, содержащей барабан, коробку передач, ленточный и вспомогательный тормозы, основной и аварийный приводы, коробка передач выполнена в виде вариатора, включающего сферический преобразующий механизм с качающейся обоймой, цапфы которой имеют муфты свободного хода и зубчатые конические шестерни, находящиеся в зацеплении с зубчатым коническим колесом, продолжением которого является ведомый вал вариатора, внутреннее кольцо преобразующего механизма посредством поводка шарнирно соединено с подвижно установленной на ведущем валу втулкой, на которой посажен радиально-упорный подшипник с дополнительной наружной втулкой, снабженной выведенным наружу рычагом, при этом ведомый вал вариатора и вал барабана расположены параллельно и кинематически связаны между собой цепной передачей, ведомый вал посредством пневматической муфты дополнительно соединен с аварийным приводом; цепная передача выполнена понижающей.

На чертежах на фиг.1 изображена лебедка буровой установки в виде конструктивно-кинематической схемы; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 (по сферическому преобразующему механизму).

Лебедка буровой установки содержит барабан 1, коробку передач 2, ленточный 3 и вспомогательный 4 тормозы, основной 5 и аварийный 6 приводы. Коробка передач 2 выполнена в виде вариатора, включающего сферический преобразующий механизм 7 с качающейся обоймой 8, цапфы 9 которой имеют муфты свободного хода 10. Последние встроены в зубчатые конические шестерни 11, находящиеся в зацеплении с зубчатым коническим колесом 12. Продолжением этого колеса является ведомый вал 13 вариатора.

Коробка передач - вариатор 2 содержит также ведущий вал 14, соединенный посредством муфты 15 с основным приводом 5 - это электродвигатель преимущественно переменного тока напряжением 6000...10000 вольт, мощностью 300...350 кВт. Для регулирования частоты вращения двигателя в прототипе применяется упомянутый громоздкий электропривод с тиристорными регуляторами управления, который, кроме всего прочего, преобразует указанное напряжение переменного тока в постоянное напряжение 440 вольт. В предлагаемой лебедке электропривод и преобразование напряжения не требуются; эти функции берет на себя компактный вариатор 2, который, к тому же, обеспечивает бесступенчатое регулирование в требуемом диапазоне.

Сферический преобразующий механизм 7 имеет в своем составе внутреннее кольцо 16, соединенное с ведущим валом 14 осями 17. На этом кольце посажен подшипник качения 18, на котором, в свою очередь, посажено наружное кольцо 19. Последнее осями 20 соединено с упоминавшейся наружной качающейся обоймой 8. Ведомый вал 13 вариатора 2 и вал 21 барабана 1 расположены параллельно и посредством понижающей цепной передачи 22 кинематически связаны между собой. Ведомый вал 13 посредством пневматической муфты 23 (периодического действия) дополнительно соединен с аварийным приводом 6. Последний включает электродвигатель 24 (мощностью 40...45 кВт и напряжением 380 вольт переменного тока), свою соединительную муфту 25 и зубчатый редуктор 26.

Внутреннее кольцо 16 преобразующего механизма 7 посредством поводка 27 шарнирно соединено с подвижной установленной (на шлицах) на ведущем валу 14 втулкой 28. На ней посажен радиально-упорный подшипник 29 с дополнительной наружной втулкой 30, снабженной выведенным наружу рычагом 31. С его помощью производится воздействие на преобразующий механизм, для чего предусмотрена тяга 32 для ручного или автоматического управления.

Лебедка буровой установки работает следующим образом.

При включении привода - электродвигателя 5 приводится во вращение ведущий вал 14 коробки передач - вариатора 2. Если сферический преобразующий механизм 7 расположен перпендикулярно ведущему валу 14 (угол наклона механизма θ=0), то механизм не совершает качательного движения (кольцо 16 вращается за одно целое с валом 14) и не передает крутящий момент на ведомый вал 13, т.е. механизм 7 несет функции муфты включения и в данном случае находится в нейтральном положении. Воздействием на рычаг 31 (посредством тяги 32) перемещается втулка 30, а вместе с ней подшипник 29 и втулка 28, посаженная на шлицах ведущего вала 14. Это воздействует на поводок 27 и приводит к отклонению на определенный угол внутреннее кольцо 16 и весь сферический преобразующий механизм 7.

Вне зависимости от величины угла отклонения θ механизма в нем происходят сложные движения: внутреннее кольцо 16 совершает вращательное и качательное движения; подшипник 18, покачиваясь, совершает и свою основную функцию; наружное кольцо 19 совершает сложное движение, а обойма 8 совершает только качательное движение на цапфах 9. Чем меньше выставленный угол θ отклонения механизма 7, тем больше передаточное отношение вариатора 2 и тем меньше амплитуда колебаний механизма 7. Это соответствует включению вариатора - коробки передач 2. По мере увеличения угла θ амплитуда колебаний возрастает, а передаточное отношение уменьшается - происходит плавный разгон и выход на рабочий режим всей системы. Максимальное значение угла θ отклонения механизма 7 составляет ±30° (суммарно 60°).

Разгон системы происходит за счет перемещения втулки 28 по шлицам ведущего вала 14. Поскольку на втулке посажен радиально-упорный подшипник 29, а наружная втулка 30 за счет рычага 31 удерживается от проворота, то изменение угла θ и, следовательно, амплитуды качания механизма и обоймы 8 может производиться как при неподвижном ведущем вале 14, так и в процессе его вращения. Благодаря этому изменение передаточного отношения вариатора 2 и частота вращения барабана 1 может осуществляться как в статике, так и в динамике. Вследствие этого имеется возможность варьирования частотой вращения барабана 1 без остановки и электродвигателя 5, и коробки передач - вариатора 2.

При качательном движении наружной обоймы 8 на цапфах 9 одна из муфт свободного хода 10 передает вращение на "свою" зубчатую коническую шестерню 11, в это время другая муфта свободного хода не передает крутящий момент на "свою" шестерню (муфты направлены в противоположные стороны). От одной из шестерен 11 момент передается на зубчатое коническое колесо 12 и жестко связанный с ним ведомый вал 13. При изменении направления качания обоймы 8 другая коническая шестерня 11 передает крутящий момент на коническое колесо 12, а противоположная шестерня 11 благодаря муфте свободного хода проворачивается вхолостую. Таким образом, наличие двух противолежащих зубчатых конических шестерен 11, в каждую из которых встроена муфта свободного хода 10, обеспечивает непрерывное вращение зубчатого конического колеса 12 и ведомого вала 13. Некоторая неравномерность вращения колеса 12 и вала 13 компенсируется за счет инерционности системы, маховичного эффекта, в том числе ротора электродвигателя 5, упругости элементов системы, внешнего крутящего момента на барабане 1 и валу 21.

Последний посредством цепной передачи 22 вращается с заданной скоростью и приводит во вращение вспомогательный тормоз 4. Опускание крюка на буровой установке происходит, как известно, за счет силы тяжести. Для этого достаточно с помощью рычага 31 установить сферический механизм 7 в нейтральное положение и отпустить ленточный тормоз 3 на барабане 1. Торможение и остановка крюка производится ленточным 3 и вспомогательным 4 тормозами. Последний несет также известные функции регулятора подачи долота при бурении. При опускании крюка и барабан 1, и цепная передача 22 изменяют направление движения, которое прекращается на механизме 7 вариатора 2 и на внутреннем шкиве пневматической муфты 23. В редких аварийных и непредвиденных ситуациях с помощью муфты 23 включают аварийный привод 6 (при нейтральном положении механизма 7), который на ограниченной скорости посредством цепной передачи 22 передает крутящий момент на вал 21 и барабан 1 и через канатно-полиспастную систему поднимает, например, незакрепленную, но собранную обсадную колонну.

Следует отметить, что наличие понижающей конической передачи в вариаторе 2, понижающей цепной передачи 22 и аварийного, тоже понижающего, привода 6 способствуют расширению функциональных возможностей, грузоподъемности и надежности в работе предлагаемой лебедки. Описанные конструктивные, кинематические и функциональные особенности лебедки направлены на упрощение конструкции, снижение ее габаритов и массы, обеспечивают простыми средствами глубокое бесступенчатое регулирование частоты вращения барабана, в том числе в процессе работы. Это достигается при простейшем электроприводе переменного тока - без преобразования тока и тиристорного управления.

1. Лебедка буровой установки, содержащая барабан, коробку передач, ленточный и вспомогательный тормозы, основной и аварийный приводы, отличающаяся тем, что коробка передач выполнена в виде вариатора, включающего сферический преобразующий механизм с качающейся обоймой, цапфы которой имеют муфты свободного хода и зубчатые конические шестерни, находящиеся в зацеплении с зубчатым коническим колесом, продолжением которого является ведомый вал вариатора, внутреннее кольцо преобразующего механизма посредством поводка шарнирно соединено с подвижно установленной на ведущем валу втулкой, на которой посажен радиально-упорный подшипник с дополнительной наружной втулкой, снабженной выведенным наружу рычагом, при этом ведомый вал вариатора и вал барабана расположены параллельно и кинематически связаны между собой цепной передачей, ведомый вал посредством пневматической муфты дополнительно соединен с аварийным приводом.

2. Лебедка по п.1, отличающаяся тем, что цепная передача выполнена понижающей.