2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Рассчитать ствол вертлюга на прочность
Детали, передающие вес бурильной колонны (штроп, пальцы, корпуса и др.), рассчитывают на статическую прочность аналогично деталям талевой системы. Ствол вертлюга рассчитывают на статическую прочность и выносливость, как элемент, подверженный действию циклических нагрузок.
Главная опора вертлюга рассчитывается по динамической грузоподъемности подшипника при действии приведенной эквивалентной нагрузки, под которой понимается условная постоянная нагрузка, обеспечивающая ту же долговечность, какую имеет подшипник при действии переменных во времени нагрузок.
Рассчитать ствол вертлюга на прочность, если максимальная нагрузка на крюке составляет Qкр = 150 тс, материал для ствола - сталь 40ХН.
Решение. Ствол вертлюга изготовлен из высоколегированной и термообработанной стальной поковки высокого качества и является основной вращающейся деталью, воспринимающей на себя вес колонны бурильных труб во время бурения скважины. Для прохода жидкости ствол имеет внутреннюю расточку. Снаружи ствола находится грибовидный фланец, которым он опирается на основной упорный подшипник, воспринимающий нагрузку от веса бурильной колонны. Ha нижнем конце ствола выполнена внутренняя коническая резьба(левая). Для соединения вертлюга с колонной бурильных труб на нижнем конце ствола установлен переводник. Ствол вертлюга рассчитывается на прочность при деформации растяжения, изгиба и среза. Для расчета ствола вертлюга имеем следующие данные:
D = 395 мм; D1 = 210 мм; D2 = 195 мм; do = 100 мм; h = 87,5 мм.
Определяем напряжение среза
Предел выносливости на срез
=0,7о=0,7•37,5=26,2 кгс/мм.
Коэффициент запаса прочности на срез
К=.
Рассмотрим сечение III-III.В этом сечение ствол вертлюга подвергается напряжениям растяжения
где D=195мм; d- внутренний диаметр резьбы в плоскости торца. В нижней части ствола вертлюга имеется левая замковая резьба типа З-171 (168-ЗШЛ), внутренний диаметр который в плоскости торца d= 164,95 мм. Имея все расчетные данные, определяем напряжения
Действительный коэффициента запаса прочности по отношению к приделу выносливости при пульсирующем цикле нагрузок составит
К =
2.2 Рассчитать штроп вертлюга на прочность
Рассчитать штроп вертлюга на прочность, если максимальная нагрузка на крюке составляет Q= 150 тс, материал штропа - сталь 35Л, предел прочности которой = 50-60 кгс/мм.
с = 120 мм; R= 15мм; d = 130 мм; d= 115 мм; b = 100 мм; = 240 мм.
Наиболее опасными являются сечение I-I и II-II, которые и будем рассчитывать на прочность.
Рассмотрим сечение I-I. В этом сечение штроп вертлюга подвергается напряжением изгиба от силы N и растяжения от силы Т.
Напряжения изгиба определяем по формуле
,
где М- момент изгибы
М= N
N=
где a = 830
N= =75 000•0,1495=11250 кгс;
- плечо изгиба, = 24 см; W = 0,1 d; d- диаметр сечения, d = 13 см.
Имея все значения, определяем
= кгс/см.
Напряжение растяжения
где
T=кгс.
F=.
Таким образом,
кгс/см
Результирующие напряжения в этом сечении
Определяем предел усталости при растяжении и изгибе.
Так как предел усталости при растяжения меньше предела усталости при изгибе то и для определения коэффициента запаса прочности К принимает во внимание
К=
что вполне допустимо.
Рассмотрим сечение II-II .Это сечение рассчитывать по формуле Ляме. Максимальное растягивающие напряжение на внутренней поверхности штропа равно.
=
Где q- интенсивность давления,
q=
q=кгс/см.
кгс/см
Коэффициент запаса прочности равен
K=
Максимально растягивающее напряжение на наружной поверхности определяем по формуле
кгс/см
K=
Рассматриваем проушину штропа. Рассчитывать проушину штропа также по формуле Ляме
где
q=
Здесь d- диаметр проушины, d= 115мм;b-ширина проушины, b=100 мм
q= кгс/см
кгс/см.
K=
кгс/см
К=
2.3 Рассчитывать палец штропа вертлюга на прочность
Палец штропа работает на реформацию изгиба и среза. Более опасной является деформация изгиба. Рассчитывать палец штропа на прочность при деформации изгиба. Данные для расчета: b = 100мм; й= 88мм; й=72 мм; = 75 кгс/мм; = 45 кгс/мм.
Реакция Rи R неодинаковы, так й<й. Определяем реакций Rи R. Взяв сумму моментов всех сил относительно опоры А, определяем реакцию R.
R.( й+ й)- й=0.
R.= кгс.
R+ R=
отсюда
R=кгс.
Определяем максимальный изгибающий момент
M=кгс/см
Находим напряжение изгиба
кгс/см
Определяем коэффициент запаса прочности
K=