Обґрунтування раціональних режимів пуску насосних агрегатів бурових установок - Ковальчук, Роман Анатолійович (Національний університет "Львівська політехніка", 2008)
Дисертація присвячена удосконаленню методології розрахунку динамічних процесів у насосних агрегатах бурових установок та підвищенню ефективності їх експлуатації за рахунок обгрунтування раціональних режимів пуску. Розроблено математичні моделі динамічних явищ у насосних агрегатах з урахуванням електромагнітних процесів в асинхронному двигуні і механічних коливань у привідній системі, а також несталості зведеного моменту інерції кривошипно-повзунних механізмів насоса. Обґрунтовано раціональні експлуатаційні параметри шинопневматичної муфти, які дозволяють зменшити динамічні зусилля у деталях і вузлах під час пуску агрегата, розроблено та запатентовано конструкцію самокерованої фрикційної муфти. Розроблено математичну модель динамічних явищ у насосних агрегатах із пневмокомпенсатором. Із застосуванням методу скінченних елементів з урахуванням динамічних навантажень здійснено розрахунок фланцевого з’єднання трійника з пневмокомпенсатором насосного агрегату бурової установки. Обґрунтовано практичний захід, спрямований на зменшення напружень в місцях переходу від фланця до стінки корпусної деталі за рахунок застосування двох фасонних кілець. Проведено експериментальну перевірку теоретично одержаних часових залежностей швидкостей двигуна і трансмісійного вала насоса, а також моментів сил пружності муфти. The dissertation deals with the improvement of the accounting methodology of dynamic processes in drilling pumps drive systems and raising the operating efficiency to application of rational startup procedures. There have been developed mathematical models of dynamic phenomena in pumping units, being built with the account of electromagnetic processes in asynchronous engine and mechanical vibrations in a drive system as well as product of inertia instability in pump slider-crank mechanisms. There are justified rational parameters of bus-pneumatic coupling that allow to reduce dynamic efforts in units while starting the aggregate. There was developed and patented the design of a self-controlled frictional coupling. There have been developed mathematical model of dynamic phenomena in pumping units with pneumatic compensator. The method of final elements with taking account of dynamic loading was used to perform calculation of T-joint flange connection with pneumatic compensator of drilling rig pumping unit. There were developed practical recommendations concerning reduction of strains in the points of transition from the flange to the wall of the case detail due to application of two shaped rings. There was carried out experimental testing of theoretically obtained time dependencies of engine speeds and pump working shaft as well as moments of forces of coupling elasticity. Диссертация посвящена усовершенствованию методологии расчета динамических процессов в насосных агрегатах буровых установок за счет учета взаимосвязи механических колебаний в системе и электромеханических явлений в асинхронном двигателе, а также особенностей структуры и функционирования элементов агрегатов. Исследования направлены на повышение эффективности эксплуатации насосных агрегатов буровых установок за счет использования рациональных режимов пуска. Разработаны математическая модель и алгоритм расчета динамических процессов в насосном агрегате буровых установок. Модель содержит уравнения движения элементов приводной системы, записанные с учетом непостоянства приведеного момента инерции звеньев, электромагнитных процессов в асинхронном двигателе и механических колебательных явлений. Расчеты переходных и установившихся режимов работы насосных агрегатов выполняются путем численного интегрирования дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта. Общий вид математической модели дает возможность учесть произвольное число поршней насоса как одностороннего, так и двустороннего действия. Предложен обобщенный алгоритм вычисления приведенных моментов инерции исполнительных механизмов насосных агрегатов с детальным учетом геометрических и инерционных характеристик ланок. Определено влияние эксплуатационных параметров на усилие в упругих звеньях приводного механизма насоса. Предложена математическая модель нестационарных процессов в насосном агрегате с фрикционной муфтой, которая содержит уравнение движения упругой механической системы агрегата с переменным приведенным моментом инерции поршневого насоса, а также уравнение электромагнитных явлений в асинхронном двигателе. Обосновано рациональные режимы пуска насосного агрегата с учетом шинопневматической муфты. Исследовано влияние параметров муфты на динамические нагрузки элементов приводной системы насоса и обоснованы рациональные значения этих параметров. С целью повышения работоспособности насосных агрегатов буровых установок разработана и запатентована конструкция упругой муфты, в которой обеспечивается плавное изменение жесткости в некотором рабочем диапазоне нагрузок, что способствует существенному уменьшению динамических нагрузок на элементы приводных механизмов. Построена математическая модель динамических явлений в насосном агрегате буровой установки с учетом пневмокомпенсатора. Решение данной задачи позволило определить коэффициент динамичности пульсаций давления жидкости и максимальное значение динамических нагрузок, действующих на гидравлическую корпусную часть бурового насоса. Проведено исследование фланцевого соединения тройника с пневмокомпенсатором насосного агрегата буровой установки с учетом динамических нагрузок и разработаны практические рекомендации по уменьшению напряжений в местах перехода от фланца к стенке корпусной детали за счет применения двух фасонных колец. Расчет напряженно-деформированного состояния осуществлен методом конечных элементов с учетом усилий внутреннего давления промывочной жидкости, усилий затяжки болтов, веса пневмокомпенсатора. Осуществлен сравнительный анализ результатов теоретических и експериментальных исследований динамики бурового насоса, установлена адекватность результатов математического моделирования динамических процессов данным, полученным во время проведения эксперимента. Разработанная в диссертационной работе методика расчета на прочность фланцевых соединений используется для проведения технической диагностики наземного оборудования скважин подземных хранилищ газа.
Justification of drilling rigs pumping units rational start-up procedures
Обоснование рациональных режимов пуска насосных агрегатов буровых установок
Keywords: динаміка машин; нестаціонарні режими роботи; процеси пуску; насосний агрегат бурової установки; динамічні навантаження; міцність елементів конструкцій; car performance; non-stationary operating variables; start process; pumping unit of drilling rig; dynamic load; densiti of framework details; динамика машин; нестационарные режимы работы; процессы пуска; насосный агрегат буровой установки; динамические нагрузки; прочность элементов конструкций