Вказівки до розрахунку основних деталей бурових гаків

Розглянемо схему розрахунку трирогого гака пластинчастої конструкції, представленого на рис. 5.1.

Центральний ріг під штроп вертлюга розраховують на максимально допустиме навантаження, що, а бічні роги під штропи елеватора - на половину цього навантаження кожну. При цьому вважають, що навантаження розподіляється на обидва роги рівномірно, чому сприяє гнучкість підвіски штропів і елеватора талевої системи.

Рисунок 5.1 - Трирогий гак пластинчастої конструкції.

Ствол гака. Матеріалом гака є леговані сталі (34ХН1М, 40ХН і ін.) з межею текучості не нижче 600 МПа.

Верхній кінець ствола може бути різьбової або безрізьбової конструкції. В стволах першого типу різьба трапецеїдальна з закругленими западинами (див. рис. 5.2). Ствол в різьбовій частині розраховують на розтяг з урахуванням коефіцієнта концентрації напруги.

, (5.3)

де - напруження в небезпечному перерізі нарізаної частини ствола [МПа];

F - площа поперечного перерізу ствола по внутрішньому діаметру різьби, м²;

d₁ - внутрішній діаметр різьби, м;

k - коефіцієнт концентрації напружень.

Різьба розраховується на згин, зріз і зминання. Мета розрахунку - визначення числа витків різьби, тобто висоти гайки Н.

Н=zs,

де z - число витків різьби;

s - крок нарізки.

Матеріал гайки, як правило, сталь 38ХГН з межею текучості 450МПа.

Рисунок 5.2 - Ствол гака

Розрахунок на згин витків різьби здійснюють за формулою:

, (5.4)

, (5.5)

де - згинаючий момент в небезпечному перерізі одного витка різьби, що розглядається як консоль з рівномірно розподіленим навантаженням;

W - момент опору небезпечного перерізу одного витка різьби;

d₀ - зовнішній діаметр різьби;

- коефіцієнт, що враховує нерівномірність розподілу зусилля по витках, що умовно приймається рівним 0,4;

- коефіцієнт, що залежить від профілю різьби. Для трапецеїдальної різьби приймають =0,630,68;

s - крок різьби.

На зріз витки розраховують:

, (5.6)

, (5.7)

Розрахунок на зминання:

, (5.8)

У формулах (5.4) - (5.8) не враховані конструктивні зазори по вершинах і западинах різьби; формули (5.5) і (5.7) - для різьби гайки.

Окрім висоти гайки, звичайно розраховують розміри її опорного бурту (поясочка). Конструкція варіанту посадки гайки на стакан представлена на рис. 5.3.

При навантаженні гака пружина стискається, ствол гака переміщається вниз, гайка своїм буртом (поясочком) сідає на стакан, через який навантаження передається на траверсу і далі на штроп. Опорний поясочок працює на згин як консоль з рівномірно розподіленим навантаженням. Розрахункова формула може бути знайдена з виразів:

, , (5.9)

де ; ; .

Звідси взаємозв'язок між максимально допустимим навантаженням, діючим на гак, допустимими напруженнями і розмірами бурту гайки має вигляд:

, (5.10)

де А - зовнішній діаметр поясочка гайки;

С - внутрішній діаметр стакана;

В - діаметр небезпечного переріз у поясочка гайки;

b - ширина вирізу в поясочку гайки під напрям;

h - висота небезпечного переріз у поясочка гайки.

Рисунок 5.3 - Вузол посадки гайки ствола на стакан гака:

1 - гайка ствола; 2 – стакан

Вилка ствола(нижня частина ствола). Переріз І-І працює на розтяг:

, (5. 11)

Переріз II-II перевіряється за формулою Ляме:

, (5.12)

де Р_u - інтенсивність тиску

Р_u, (5.13)

Палець, що сполучає зігнуту частину гака із стволом виготовляється із сталі 38ХГН і розраховується на згин (див. рис.5.4.)

Рисунок 5.4 - Розрахункова схема пальця закріплення гака

оскільки А = ; l=L-C; W=0.1d³;

де d - діаметр пальця.

Звідки

=0.1d³ ,

aбо

, (5.14)

Пластинчастий гак (див. рис. 5.5.). Пластини центрального гака виготовляють з склепаних разом пластин завтовшки до 30 мм, матеріал яких звично сталь 30ХГС з межею текучості _т =700 МПа.

Звичайно при розрахунку гака визначають необхідні розміри зігнутої частини гака і рогів з урахуванням діючих в них напружень. Початковими даними при цьому є зів гака і бічні роги. Зів гака повинен забезпечити підвіску штропа вертлюга, а бічні роги - підвіску елеватора з бурильними або обсадними трубами.

Діаметр бічного рогу визначають з розрахунку на згин по схемі, представленій на рис. 5.6. Матеріалом рогу звичайно приймають сталь 38ХГН, 38Х2Н2МА, 40ХН.

, (5.15)

Зігнута частина гака (див. рис. 5.5) є кривим брусом, розрахунок якого проводять по найхарактерніших небезпечних перерізах.

Рисунок 5.5 - Пластинчастий гак

Рисунок 5.6 - Схема приєднання бічних рогів

На початковій стадії проектування приймають попередні розміри зігнутої частини гака і після розраховують діючі в них напруження.

Розглянемо переріз І-І. В перерізі прийняті наступні позначення:

h - висота перерізу, м;

b - ширина перерізу, м;

D - діаметр отвору під бічні роги, м;

R₁ - радіус кривизни зовнішніх (найбільш стиснутих) волокон, м;

R₂ - радіус кривизни внутрішніх (найбільш розтягнутих) волокон, м;

R₀ - радіус кривизни стержня (відстань від центру кривизни до центру ваги даного перерізу), м;

r - радіус кривизни нейтрального шару, м;

z₀ - відстань від центру ваги даного перерізу до нейтральної осі, м.

Сумарні напруження в перерізі визначаються за формулою:

, (5.116)

N = - нормальна сила, що діє в перерізі І-І;

F - площа даного переріз у, м²;

М - згинаючий момент, що діє в даному переріз і, Нм²;

M= R₀ (5.17)

S - статичний момент площі даного перерізу щодо нейтральної осі, м³;

z - відстань від нейтральної осі до точки, в якій визначається напруження, м;

- радіус кривизни в точці, що розглядається, м.

Для внутрішніх точок перерізу:

, (5.18)

Для зовнішніх точок перерізу:

, (5.19)

Площа даного перерізу:

F=b(h-D), (5.20)

Радіус кривизни нейтрального шару:

, (5.21)

Відстань від центру ваги даного перерізу до нейтральної осі:

z₀=R₀-r, (5.22)

Статичний момент площі даного перерізу відносно нейтральної осі:

S = Fz₀, (5.23)

Переріз II-II розраховують за формулою Ляме за навантаженням Q_max.

Інтенсивність тиску:

, (5.24)

Максимальне напруження:

, (5.25)

Переріз III-III розраховують як працюючий на розтяг під навантаженням Q_max:

, (5.26)

Переріз IV-IV розраховують за формулою Ляме при навантаженні Q_max:

, (5.27)

де інтенсивність тиску .

Траверса гака. Корпусна деталь складної форми, що виготовляється литтям із сталі 35Л з межею текучості =280МПа. Схематична розрахункова схема траверси представлена на рис. 5.7.

На траверсу діє вертикально максимально допустиме навантаження, що передається через стакан і що рівномірно розподіляється по кільцевій опорній поверхні підшипника.

Траверса під дією максимального навантаження Q працює на згин, як балка, вільно оперта на дві опори. Діюче навантаження може бути представлено зосередженим навантаженням по середині прольоту (рис.5.7. а), де проліт балки буде L - відстань між середніми площинами виїмок для провушин штропа гака, або максимальне навантаження Q можна прийняти рівномірно розподіленим на ділянці довжиною, рівною діаметру підшипника (рис. 5.7,б).

Рисунок 5.7 - Розрахункова схема траверси гака

Тоді максимально діючі розтягуючі і стискаючі напруження в перерізі І-І будуть рівні:

та ,

де W₁ і W₂ - моменти опору перерізу.

W₁ = ; W₂=,

де - момент інерції перерізу I-I;

- відстань від нижніх розтягнутих волокон траверси до головної центральної осі перерізу.

Згинаючий момент в перерізі буде знайдений:

за схемою рис. 5.7, а:

за схемою рис. 5.7, б:

, (5.28)

Пружина гака. Призначена для забезпечення збереження замкової різьби бурильних труб, яку часто згвинчують і розгвинчують при спуско-підйомних операціях. Пружина повинна повністю вивести конусну частину різби замкового з'єднання з муфтової половини замка при відгвинчуванні свічки.

Пружини виготовляють з легованих сталей 60С2 і 65Г з межею текучості відповідно =1200 і 700МПа і розраховують на зусилля, рівне півторакратній вазі свічки найбільшої маси. Прогин пружини в кінці ходу при виведенні ніпельної частини труби з замка повинен бути на 20-60% більшим довжини замкової різьби бурильних труб. В стисненому стані витки пружини не повинні дотикатись один з одним, щоб виключити перевантаження витків пружини від повної ваги колон. Зазор між витками в стислому стані вибирають 3-5мм. Число витків пружини вибирають по можливості меншим, але не менше 10. Розрахункова схема пружини представлена на рис. 5.8, де прийняті позначення:

S - робочий хід пружини;

l - вільна довжина пружини;

l₁ - довжина пружини при затягнутій гайці;

l₂ - довжина пружини при навантаженому гаку;

- деформація пружини після затягування гайки;