РОЗДІЛ 2
ТЕОРЕТИЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ ДОЦІЛЬНОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ МЕТОДІВ І ЗАСОБІВ ПОКРАЩЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ПАРАМЕТРІВ ФРИКЦІЙНИХ ВУЗЛІВ СТРІЧКОВО-КОЛОДКОВИХ ГАЛЬМ БУРОВИХ ЛЕБІДОК
2.1 Обгрунтування придатності фізичних моделей тертя стрічково-колодкового гальма з рухомими фрикційними накладками
Необхідного техніко-економічного рівня нафтогазопромислового, бурового, геолого-розвідувального обладнання із забезпеченням його конкуретноспроможності на міжнародному ринку можна досягти тільки за умов прийняття максимально досконалих розрахунково-конструкторських і технологічних рішень. Останні формулюють і перевіряють на різних етапах створення устаткування. Рівень досконалості конструкції фрикційного вузла, а також її відповідності певним умовам експлуатації обладнання в значній мірі визначають його якість і надійність. Аналіз відповідних статистичних даних показує, що майже 85% обладнання та машин загального призначення виходить з ладу через зношування елементів тертя, що порушує нормальну роботу рухомих спряжень. В буровому ж обладнанні цей показник досягає 90%. Непередбачуваний вихід з ладу гальмівного механізму може стати причиною аварії, яка на буровій супроводжується тяжкими наслідками. На ліквідацію останніх витрачаються значні кошти, що призводить до збільшення собівартості видобутої сировини і зниження рентабельності нафтогазовидобувної галузі в цілому. В зв'язку з цим існує нагальна необхідність забезпечення необхідного рівня працездатності гальмівних вузлів обладнання будь-якого призначення.
Важливе місце в цій проблемі відводиться питанням розробки методів та засобів покращення експлуатаційних параметрів фрикційних вузлів стрічково-колодкових гальм бурових лебідок. При цьому для існуючих і запропонованих нами конструкцій стрічково-колодкових гальм бурових лебідок має виконуватися одна з основних вимог: поверхневі температури їхніх фрикційних вузлів не повинні перевищувати допустимої температури для матеріалу фрикційних накладок. В противному разі відбувається їхнє швидке зношування, а в окремих випадках і теплове розтріскування гальмівних шківів. Для запобігання цьому необхідно мати можливість прогнозування теплових режимів гальмівних механізмів для певних умов експлуатації обладнання.
Експериментальні дослідження зносо-фрикційних властивостей фрикційних вузлів нетрадиційних стрічково-колодкових гальм можна проводити як в промислових, так і в лабораторних умовах на гальмівному стенді. При цьому необхідно зауважити, що в зв'язку з надзвичайно високим рівнем відповідальності бурової лебідки в комплексі бурової установки дослідження її гальм в експлуатаційних умовах є вкрай небажаними і пов'язані з великим ризиком. Особливо це стосується нових конструкцій і схем гальмівних механізмів. Окрім того, повний цикл дослідження нетрадиційного гальма вимагає довготривалих випробувань з метою докладного вивчення закономірностей зміни теплонавантаженості його зовнішніх та внутрішніх фрикційних вузлів. В зв'язку з цим зазначені експериментальні дослідження доцільно проводити в лабораторних умовах, що дозволить встановити закономірності зміни поверхневих і об'ємних температур елементів тертя гальма, вивчити процес теплоутворення і теплорозсіювання в ньому, а також визначити інтенсивність природного і примусового охолодження його пар тертя. Необхідно зауважити, що працездатність зовнішніх і внутрішніх фрикційних вузлів на другому етапі експериментальних досліджень нетрадиційного стрічково-колодкового гальма оцінювалася за одним з найважливіших критеріїв ? за рівнем його теплонавантаженості. Такі дослідження потребують проведення великої кількості випробувань, виконуваних послідовно, де кожний наступний етап являє собою все реальніше наближення до дійсних умов роботи фрикційних вузлів досліджуваного нетрадиційного гальма.
В основу теоретичних досліджень покладена молекулярно-механічна модель тертя, яка враховує вплив на процеси тертя і зношування режимів роботи нетрадиційного гальма, а також зміни, які відбуваються в матеріалах робочих елементів пари тертя.
З урахуванням вищевикладеного, а також основних положень методик [49] і результатів статистичного аналізу експериментальних даних з динамічної і теплової навантаженості серійного і нетрадиційного стрічково-колодкового гальма (рис.2.1 а, б, в, г, д, е, ж) перейдемо до математичного опису явищ, що відбуваються у фрикційних вузлах останнього.
На рис.2.1 а для зовнішніх і внутрішніх фрикційних вузлів гальма використані наступні позначення основних геометричних характеристик елементів тертя (гальмівної стрічки, бандажа, набраного з фрикційних накладок, і гальмівного шківа): V1,2,3 ? об'єми; Аа1,2,3 ? номінальні площі взаємодії; А?1, А?2, А?3 ? поверхні тепловіддачі; е ? зазор між зовнішніми поверхнями фрикційних накладок і внутрішньою поверхнею гальмівної стрічки в розімкненому гальмі; kвз 1,2 ? коефіцієнти взаємного перекриття у зовнішніх і внутрішніх фрикційних вузлах, а також динамічних параметрів при роботі розглядуваного нетрадиційного гальма (G1,2,3 ? вага зазначених вище елементів тертя; Sн, Sз ? натяги набігаючої та збігаючої гілок гальмівної стрічки; р1,2 ? питомі навантаження у фрикційних вузлах; М1,2 ? гальмівні моменти; t ? час гальмування; ?1,2 ? кутові швидкості; LТ 1,2 ? робота тертя; WМ 1,2 ? механічні деформації).
На рис.2.1 б, д представлені моделі процесів макротеплоутворення, теплопровідності та тепловіддачі в довкілля при роботі зовнішніх і внутрішніх фрикційних вузлів нетрадиційного гальма. Апріорі встановлено, що кількість теплоти, генерованої внутрішніми фрикційними вузлами, майже вдвічі перевищує цей показник для зовнішніх фрикційних вузлів гальма [66].
Розподілення теплових потоків qТП 1,2 зумовлене наступними теплофізичними властивостями матеріалів робочих елементів фрикційних вузлів: ?1,2,3 ? коефіцієнтами теплопровідності; с1,2,3 ? питомими теплоємностями; ?1,2,3 ? густинами; а1,2,3 ? коефіцієнтами температуропровідності. Інтенсивність теплообміну м