Общие сведения
В буровых установках преимущественно используются цепные передачи. В однорядном исчислении общая длина цепей, используемых в современных буровых установках, достигает 6-7 тыс. звеньев. Цепная передача состоит из ведущей и ведомой звездочек и огибающей их цепи. В зависимости от направления вращения звездочки ведущей ветвью цепи может быть как верхняя, так и нижняя. Предпочтительны передачи с верхней ведущей ветвью.
По конструктивному исполнению различают открытые и закрытые передачи с горизонтальным и наклонным расположением оси, соединяющей центры звездочек. Передачи с углом наклона к горизонту до 30 относятся к горизонтальным, с 30-60 к наклонным. Вертикальные передачи имеют угол наклона оси к горизонту 60- 90 и требуют установки дополнительных устройств для предварительного натяжения цепи.
Различают одноконтурные и многоконтурные цепные передачи. В многоконтурных между соединяемыми валами установлено несколько параллельно расположенных цепных передач с одинаковыми и разными передаточными числами.
Рис. 17.1. Приводная роликовая цепь: а- однорядная; б-трехрядная.
Наружные 1 и внутренние 5 пластины по контуру напоминают восьмерку.
17.2. Типы, основные параметры и размеры цепей
Цепь представляет собой гибкую конструкцию, собранную из последовательно соединенных жестких звеньев. Цепи, используемые для передачи механической энергии от одного вала другому, называются приводными. По конструктивным признакам приводные цепи (17.1) относятся к роликовыми состоят из чередующихся наружных и внутренних звеньев, каждое из которых собирается из двух пластин, напрессованных на валики 2 со шплинтом 3 или на втулки 6. Втулки снабжены роликами 7, которые при входе зацепление со звездочкой проворачиваются относительно втулок. Благодаря этому уменьшается трение и снижается износ поверхностей контакта зубьев звездочки и роликов.
Площадь поперечного сечения по проушинам примерно равна площади сечения пластины в средней ее части (шейке). Однако, вследствие больших местных напряжений в зоне отверстий, являющихся концентратором напряжений, усталостная прочность в поперечном сечении отверстий меньше, чем в шейке пластины. Отверстия внутренних пластин растачивают по диаметру сопрягаемых с ними втулок и больше диаметра отверстий наружных пластин обеспечивается за счет соответствующего увеличения ширины внутренних пластин.
Валики цепи раскатывают либо развальцовывают с одного конца, и они имеют отверстия для шплинта на другом конце. Соединительное звено является составной частью цепи и состоит из наружной пластины с неподвижно закрепленными валиками (вилки), соединительной пластины и шплинтов. При нечетном числе звеньев цепь соединяется переходным звеном, состоящим из переходных пластин 8, валика, втулки, ролика 9.
В буровых установках вследствие больших нагрузок и скоростей преимущественно используется многорядная цепь (17.1), которая отличается от однорядной длиной В валиков и наличием промежуточных пластин 4, отличающихся от наружных диаметром отверстий. Наружные пластины соединяются с валиком с натягом, а промежуточные – с зазором 0.02мм, облегчающим сборку многорядной цепи. Следует отметить, что номинальный шаг внутренних пластин равен шагу цепи. У наружных пластин номинальный шаг меньше шага цепи на величину зазора между втулкой и валиком, а у промежуточных пластин – на величину зазора между отверстием пластины и валиком. При натяжении цепи зазоры выбирают, а шаги внутренних и внешних звеньев выравнивают. В результате этого обеспечивается равномерное нагружение наружных и промежуточных пластин. В отличие от наружных и внутренних пластин промежуточные изготавливают без фаски на внешнем контуре. Ниже приведены основные размеры пластин (в мм) для цепи с шагом t=50,8 мм.
Пластины цепи изготавливают из холоднокатаного проката повышенной точности, получаемого из стали марки30ХНЗА. При вырубке продольная ось пластин должна быть расположена вдоль волокон метала. Как показали сравнительные испытания, принятая марка стали обладает достаточным сопротивлением усталости, хорошей обрабатываемостью и стабильными механическими свойствами после термообработки. Толщина пластины – расчетный параметр цепи, определяющей ее прочность.
Валик, неподвижно закрепляемый в отверстиях пластин наружного звена, представляет собой цилиндрический стержень с коническими торцами, облегчающими сборку цепи. В собранной цепи конические торцы валиков раскатывают либо развальцовывают. Валики должны обладать достаточной прочностью, износостойкостью и сопротивлением ударным нагрузкам. От диаметра валика зависят прочность цепи и контактное давления в шарнире цепи. Изготовляют валики из стали марки 12ХНЗА по ГОСТ 4543-71 либо из стали марки 25НЗ по ЧМТУ/ЦНИИЧМ 377-60, цементируют на глубину 0,05 – 0,08 от их диаметра, и после термообработки они имеют твердость поверхности HRC 54-61 и сердцевины HRC 43-48. Концы валиков перед раскаткой подвергают отжигу. Втулки цепи изготовляют из стали марки 12ХНЗА или 12ХН2 и подвергают цементации на глубину 0.3-0.7 мм для цепей с шагом 31.75 и 38.1 мм 0.4-0.8 мм - с шагом 44.45 – 63.5 мм. Твердость после термообработки HRC 54-61. Втулки входят в отверстия пластины с натягом и для устранения среза металла торцы их по наружному диаметру скругляют. Часть поверхности втулки, контактирующая с отверстием пластины, желательно полировать.
Ролики цепи непосредственно контактируют с зубьями звездочек и подвергаются ударам и износу. Диаметр ролика выбирают в зависимости от шага цепи. Он является исходным параметром для построения профиля звездочки. Изготовляют их из стали марки 30ХНЗА и закаливают до твердости HRC 45-52.
Соединения валик – пластина и втулка – пластина, собираемые с натягом, проверяют на проворачивание. Крутящие моменты, необходимые для проворачивания втулок и валиков относительно пластины, возрастают с увеличением шага цепи и должны быть в пределах, регламентированных техническими требованиями ГОСТ 21834-76.
Число деталей, используемых для сборки цепи, зависит от рядности
и числа шагов (звеньев):
наружных пластин ZH=Lt;
промежуточных пластин ZBH=aLt;
валиков Zвал = Lt;
втулок и роликов ZBH=Zp = aLt(Lt – длина цепи в шагах; а – число рядов цепи).
Число шплинтов равно числу соединительных звеньев.
Роликовые цепи характеризуются следующими геометрическими параметрами (см. рис. 17.1.1): шаг t, диаметр ролика d, расстояние между внутренними пластинами bBH, ширина цепи В. Шаг цепи измеряется расстоянием между осями двух роликов внутренних и наружных звеньев при натянутом состоянии цепи под нагрузкой, равной 0,01 от разрушающей нагрузки. Различают Действительный шаг, измеряемый между смежными звеньями, и средний шаг, определяемый между смежными звеньями, и средний шаг определяемый как частное отделение длины некоторого отрезка цепи на число звеньев, входящих в данный отрезок: t=tц/mt
Число звеньев в измеряемом отрезке зависит от шага:
. 
В изношенной цепи шаг внутренних и наружных звеньев неодинаков, поэтому необходимо определять средний шаг tср на отрезке цепи, содержащем не менее десяти четных чисел звеньев. Удлинение цепи (вытяжка) вследствие износа шарниров
Диаметр ролика d определяет радиусы впадин сопряжения и головки зуба звездочек. Отношение шага к диаметру ролика принимается за геометрическую характеристику зацепления цепи ^=t/d. Расстояние между внутренними пластинами bBH и между осями рядов А цепи определяют размеры поперечного профиля звездочки.
Разрушающая нагрузка Рр цепи соответствует минимальной статической нагрузке, при которой начинается разрушение цепи, и определяется путем растяжения цепи на универсальных разрывных машинах.
Технические условия на приводные роликовые цепи буровых установок регламентируется ГОСТ 21834-76, которым также предусматривается изготовление цепей двух типов: нормальных Н и тяжелых Т (с утолщенными пластинами). Нормальные цепи легче тяжелых и могут работать при более высоких (на 10-15 %) скоростях движения цепи Однако при малых и средних скоростях они имеют меньший срок службы (на 10-15%)
Типоразмеры и основные параметры цепей (в мм) для буровых установок приведены в табл. 17.1 (ГОСТ 21834-76).
Цепи для буровых установок должны удовлетворять следующим техническим требованиям:
Крутящие моменты при испытании на проворачивание валика в пластине должны быть в пределах 18-160 Н.м и втулок в пластине – 11 – 100 Н.м зависимости от шага и типа цепи;
Предельные отклонения длины измеряемого отрезка цепи, состоящего из 11 звеньев, от номинального значения должны быть только положительными и составлять 0.15%;
Предельное отклонение действительного шага от его номинального
Значения по длине цепи, а также разность действительных шагов в каждом ряду по ширине цепи должны строго соответствовать принятым нормам;
Разность посадочных размеров промежуточных пластин одного наружного звена не должна быть более 0.02мм для цепей с шагом от 25.4 до 38.1 мм и не более 0.03мм для цепей с шагом от 44.45 до 63.5мм; предельная амплитуда напряжений промежуточных пластин должна быть не менее 50 МПа при базе испытаний 5 *10в6 циклов, для чего рекомендуется упрочнять их путем дорнования и обжатия краев отверстий;
Каждая собранная цепь должна быть обтянута в течение не менее 1 мин на стенде при нагрузках 0.25 – 0.33 от соответствующей разрушающей нагрузки;
Ресурс цепи до списания должен быть не менее 3000 ч при коэффициенте запаса по сопротивлению усталости, равном 1,1;
Собранная цепь должна иметь легкую (без заедания) подвижность в шарнирных соединениях, проверяемую поворотом звеньев цепи рукой на 90
Цепи не должны иметь пропеллерности и серповидности, препятствующих замыканию цепи в контур усилием руки;
Детали цепи не должны иметь окалины, трещины, заусенцев и коррозии;
Для защиты от коррозии пластины цепей подвергаются фосфартированию,
Длина цепи устанавливается по согласованию с потребителем. Примеры условных обозначений. Цепь однорядная нормальная с шагом 38.1мм: 1Н-38.1 ГОСТ 21834 – 76. Цепь трехрядная тяжелая с шагом 44.45 мм: 3Т-44.45 ГОСТ 21834 -76. Переходное звено однорядной цепи нормального типа с шагом 50.8мм: П-1Н-50.8 ГОСТ 21834-76. Переходное звено двухрядной цепи тяжелого типа с шагом 50.8мм: П-2Т-50.8 ГОСТ 21834-76.
Продолжение таблицы 17.1
Звездочки к цепи
Колеса цепных передач в отличие от зубчатых называются звездочками. Долговечность и надежность цепной передачи значительно зависят от правильного выбора формы зуба, материала, термообработки и точности изготовления звездочек. Форма зуба определяется продольным профилем, являющимся основным поперечным профилем и профилем и профилем сечений зуба в плане.
Рис.17.2 Профиль зубьев звездочек:
а- без смещения центров дуг впадин; б – со смещением центров дуг впадин
Для нормального взаимодействия с цепью форма зуба звездочек должна обеспечить плавное зацепление со звеньями цепи, минимальные контактные давления и устранить возможность соскакивания изношенной цепи со звездочки при увеличении шага цепи в пределах установленной нормы. Наряду с этим форма зуба должна быть простой в изготовлении.
Наиболее полно указанным требованиям отвечает форма зуба с вогнуто – выпуклым основным профилем (рис.17.2), параметры которого регламентируются ГОСТ 591-69. Стандарт устанавливает два профиля зубьев звездочек: без смещения центров дуг впадин и со смещением центров дуг впадин рекомендуется применять в особо точных передачах. В буровых установках применяются звездочки со смещенными центрами дуг впадин, отличающиеся тем, что впадина зуба очерчивается из двух центров, смещённых на величину е=0,03t.
Расчёт и построение теоретического (исходного) профиля зубьев выполняются в соответствии с рис.17.2 и табл. 17.2. Диаметр окружности выступов следует вычислять с точностью до 0,1 мм, остальные линейные размеры – до 0,01 мм, а угловые – до 1. Расчет и построение основных размеров зубьев и венцов однорядной, двухрядной и многорядной звездочек в поперечном сечение следует выполнять в соответствии с рис. 17.3 и табл. 17.3.
Наиболее распространены звёздочки, у которых сечение зуба в плане представляет собой прямоугольник (рис. 17.4, а). Для устранения перекосов при контакте роликов цепи с зубьями звёздочки необходимо обеспечить перпендикулярность образующей зуба к торцу венца и параллельность с осью отверстия ступицы. Выпуклая форма сечений зуба (рис. 17.4,в), обеспечивающая нормальную работу передачи в случае относительного смещения звёздочек, более сложная в изготовлении.
Искажение профиля зубьев звёздочек ухудшает работу передач и проводит к преждевременным разрушениям цепи. Поэтому материал и термообработка должны обеспечить прочность и изностойкость зубьев. В цепных передачах буровых установок
Рис.17.3. Профиль зубьев и венцов звёздочек в поперечном сечении:
а - однорядные; б – двухрядные; в – трёхрядные.
Рис. 17.4. Профиль зубьев звёздочек в сечении (плане):
А– прямолинейный; б – вогнутый; в – выпуклый.
Звёздочки изготавливают из сталей марок 40Х, 40г2, 50Г2, 35ГС, 40ХНЛ9ф с поверхностной закалкой до твёрдости HRC 42 – 52. Предельные отклонения и допуски на шаг, диаметр окружности выступов, впадин и другие конструктивные размеры зубьев в зависимости от шага и числа зубьев звёздочки регламентируются ГОСТ 591 – 69.
Таблица 17.3.
