НАФТОГАЗОВА МЕХАНІКА

1. Удельный эффективный расход топлива двигателя равен 270 г/кВт×ч. Определить эффективную мощность двигателя, если часовой расход топлива составляет 17,4 кг.

Решение.Динамические и экономические показатели работы двигателя связаны между собой соотношением

, г/кВт ч.

где g _е – эффективный расход топлива, г/кВт ч;

G _Т – часовой расход топлива, кг/ч;

N _е – эффективная мощность двигателя, кВт.

Отсюда эффективная мощность двигателя, по условию задачи, будет равна

кВт.

2. Радиус качения пневматической шины равен 0,62 м, а высота профиля шины 0,146 м. Определить коэффициент усадки шины, если радиус стального обода 0,5 м.

Решение.Радиус качения колеса определяется по формуле

r_к = r₀ + λh, м

где r₀ – радиус стального ободаколеса, м;

λ – коэффициент усадки шины;

h – высота профиля шины, м.

Тогда

0,822.

3. Определить номинальную касательную силу тяги трактора при работе его в составе тягового агрегата, если номинальная мощность двигателя 56 кВт, номинальная частота вращения коленвала 34 с^-1, радиус качения ведущих колес 0,6 м, механический КПД трансмиссии 0,9, а передаточное число трансмиссии 42,6.

Решение.Номинальная касательная сила яги трактора определяется по формуле

, кН

где N _ен – номинальная мощность двигателя, кВт;

i _т – передаточное число трансмиссии;

ή _мг – механический КПД трансмиссии;

r _к – радиус качения ведущих колёс, м;

n _н – номинальная частота вращения коленвала, с^-1.

Подставляя численные значения, получим

кВт.

4. Сцепной вес трактора 56 кН, а максимальная сила сцепления ходового аппарата с почвой 40 кН. Чему равен коэффициент сцепления?

Решение.Максимальная сила сцепления ходового аппарата с почвой определяется по формуле

Р_сц = μG_сц, кН

где Р_сц – сила сцепления ходового аппарата с почвой, кН;

μ – коэффициент сцепления ходового аппарата с почвой;

G_сц – сцепной вес трактора, кН.

Отсюда коэффициент сцепления будет равен

μ = Р_сц / G_сц = 40 / 56 = 0,714.

5. Движущая сила трактора равна 30 кН. Определить силу сопротивления перекатыванию трактора на горизонтальном участке пути, если тяговое усилие равно 25 кН.

Решение.Движущая сила трактора на горизонтальном участке пути определяется по формуле

Р_дв = Р_кр + Р_f, кН

где Р_дв – движущая сила трактора, кН;

Р_кр – тяговое усилие трактора, кН;

Р_f– сопротивление перекатыванию трактора, кН.

Тогда сопротивление перекатыванию трактора на горизонтальном участке пути будет равно

Р_f = Р_дв – Р_кр = 30 – 25 = 5 кН.

6. Максимальная допустимая по пропускной способности скорость движения комбайна GS-12 (фактическая пропускная способность – 10 кг/с) составляет 6 км/ч. Определить коэффициент использования конструктивной ширины захвата семиметровой жатки, если коэффициент соломистости убираемой культуры составляет 1,2, а ее урожайность – 50 ц/га.

Решение.Максимальная допустимая по пропускной способности скорость движения зерноуборочного комбайна определяется по формуле

где q_Н – допустимая (номинальная) пропускная способность машины, кг/с;

В – конструктивная ширина захвата машины, м;

β – коэффициент использования конструктивной ширины захвата;

Н – биологическая урожайность культуры, т/га.

Биологическая урожайность культуры определяется по зависимости

Н = h _з(1 + δ _с), т/га

где h _з – урожайность зерна, т/га;

δ _с – коэффициент соломистости.

Тогда

Н = 5,0 (1 + 1,2) = 11,0 т/га.

С учётом этого, коэффициент использования конструктивной ширины захвата комбайна GS-12 будет равен

7. Определить кинематическую длину культиваторного агрегата «Беларус»-1522+ СП-11А+2КПН-4, если кинематическая длина трактора 1,7 м, сцепки СП-11А-6,7 м, а культиватор КПН-4 имеет следующие габариты: длина - 3,2 м, ширина - 4.1 м и высота – 0,8 м.

Решение.Кинематическая длина агрегата определяется по формуле

l _а = l _тр + l _сц + l _м, м

где l _тр – кинематическая длина трактора, м;

l _сц – кинематическая длина сцепки, м;

l _м – кинематическая длина рабочей машины, м;

Подставляя численные значения, получим

l _а = 1,7 + 6,7 + 3,2 = 11,6 м

8. Какой будет расход топлива на 1 усл.эт.га при обработке почвы агрегатом «Беларус»-1522+АКШ-7,2, если выработка агрегата 28 га за смену, гектарный расход топлива 6 кг/га, принятая в хозяйстве техническая норма на данном виде работ составляет 4 га/ч, а эталонная часовая выработка трактора - 1,56 усл.эт.га.

Решение.Определим расход топлива агрегатом за смену по формуле

G _см = Θ Ω_ф, кг/см

где Θ – расход топлива на 1 гектар, кг/га;

Ω_ф – выработка агрегата за смену в физических единицах, га/см.

Тогда

G _см = 6·28 = 168 кг/см.

Расход топлива на 1 условный эталонный гектар определим по зависимости

где Ώ_у.эт.га– выработка агрегата за смену в условных эталонных гектарах.

Ω_эт.га = (Ω_ф / W_{ч н})W_ч^э,

где W_{ч н} – принятая в хозяйстве техническая норма на данном виде работ, га/ч;

W_ч^э – эталонная часовая выработка трактора, усл.эт.га.

Тогда

кг/усл.эт.га

9. Определить выработку в усл. эт. га за 5 дней посевного агрегата «Беларус»-82.01+СПУ-4, если он работает на скорости 10 км/ч. Непроизводительные затраты времени составляют 20% за смену, а принятая в хозяйстве техническая норма составляет 6,5 га/ч. Часовая нормативная выработка – 0,8 усл.эт.га/ч.

Решение.Определим объём работы данного агрегата за 5 дней в физических единицах по формуле

W_см = 0,1 В_Р V_Р Т_Р Д_р, га/см

где В_Р, V_Р ,Т_Р и Д_р – соответственно рабочая ширина захвата (м), рабочая скорость движения (км/ч), чистое рабочее время смены (ч) и количество рабочих дней (дн.).

Чистое рабочее время найдём по зависимости

Т_р = Т_см – Т_н.з., ч

где Т_см = 7 часов – время смены;

Т_н.з. – непроизводительные затраты времени смены, ч.

Т_н.з.= аТ_см, ч

где а – непроизводительные затраты времени смены в сотых долях.

Тогда

Т_н.з. = 0,2·7 = 1,4 ч

С учётом этого

Т_р = 7 – 1,4 = 5,6 ч.

Следовательно

W_см = 0,1·4·10·5,6·5 = 112,0 га

Для получения объёма работ в условных эталонных гектарах необходимо:

- определить количество выполненных нормо-часов

N_ч = Ω_ф / W_{ч н}

где Ω_ф – объём работы в физических единицах, выполненный трактором (га, т, ткм, м³ и т.д.);

W_{ч н}, –часовая технически обоснованная норма выработки, установленная в хозяйстве на данном виде работ (в тех же единицах).

N_ч = 112,0 / 6,5 = 17,23 н·ч

- количество нормо-часов умножить на часовую эталонную выработку

Ω_эт.га = N_чW_ч^э

где W_ч^э – эталонная часовая выработка трактора, усл.эт.га.

Ω_эт.га = 17,23·0,8 = 13,78 усл.эт.га

10. Вывозку и внесение минеральных удобрений осуществляет агрегат «Беларус»-1522 с прицепным разбрасывателем грузоподъёмностью 10 т. Погрузка осуществляется погрузчиком П-10 производительностью 20 т/ч. Расстояние до поля 4 км, транспортная скорость разбрасывателя 20 км/ч, время разбрасывания удобрений в поле 2,0 ч за один рейс. Определить количество разбрасывателей для согласованной работы с погрузчиком.

Решение.Количество транспортно-технологических средств для согласованной работы с погрузчиком определяется по выражению

n_тр = t_об / t_ц ,

где t_об – время оборота транспортно-технологического средства, ч;

t_ц – время цикла работы погрузчика, ч.

t_ц = Q_тр / W_ч^п, ч

где Q_тр – грузовместимость транспортного средства, т;

W_ч^п – часовая производительность погрузчика, т/ч.

t_ц = 10 / 20 = 0,5 ч

Время оборота транспортного средства складывается

t_об = t_зт + t_дв + t_вт , ч

где t_зт – время загрузки транспортно-технологического агрегата, равное цикловому времени работы погрузчика, ч;

t_дв – время движения транспортно-технологического агрегата на поле и обратно, ч;

t_вт – время выгрузки транспортного агрегата, ч;

Время движения с грузом и без груза определяется

t_дв = 2S / V_тр , ч

где S расстояние до поля, км;

V_тр – транспортная скорость арегата, км/ч.

t_дв = 2·4 / 20 = 0,4 ч

Тогда

t_об = 0,5+ 0,4 + 2,0 = 2,9 ч.

С учётом этого

n_тр = 2,9 / 0,5 = 5,8.

Принимаем 6 разбрасывателей.

НАФТОГАЗОВА МЕХАНІКА

Кожна область сучасної техніки і технології повинна мати відповідні науково-теоретичні основи. Гірнича наука є теоретичними основами гірничої справи.

Згідно визначення академіка М.В. Мельникова “під гірничою наукою розуміється сукупність знань про:

а) природні умови залягання родовищ корисних копалин і фізичні явища, що відбуваються в товщі гірських порід при спорудженні гірничих виробок;

б) технологічні способи видобутку і збагачення корисних копалин;

в) організацію виробництва, котра забезпечить економічну і безпечну розробку родовищ ”.

Однією з фундаментальних частин гірничої науки як системи знань, на якій базується технологія гірничого виробництва, є нафтогазова механіка. Вона вивчає елементи механіки суцільного середовища, умови залягання і властивості пластових флюїдів, а також властивості гірських порід.

Складовою і базовою частиною нафтогазової механіки є механіка гірських порід.

Виходячи з того, що поділ усіх галузей науки на фундаментальні і прикладні є відносним, механіку гірських порід слід розглядати як один з фундаментальних розділів гірничої науки; одночасно вона є прикладним розділом механіки взагалі.

Механіка гірських порід – це наука про міцність, стійкість і деформування гірських порід, гірничотехнічних об’єктів і споруд в полі природних і спричинених гірничими роботами сил гірського тиску а також про процеси механічного руйнування гірських порід.

Є і таке визначення наукової дисципліни “Механіка гірських порід ”: Це наука про механічні властивості гірських порід, закономірності їх зміни при дії тих чи інших факторів.

Основним об’єктом вивчення механіки гірських порід є гірська порода, а точніше – механічні процеси, що відбуваються в масиві гірських порід.

За геологічним словником гірські породи – це природні мінеральні агрегати певного складу і будови, котрі утворюють в земній корі самостійні тіла.

В літературі зустрічається ще і таке визначення:гірські породи – це багатокомпонентні гетерогенні системи, котрі містять тверду, рідку і газоподібну фази..

В свою чергу, мінерали– це природні речовини приблизно однорідні за хімічним складом і фізичними властивостями, що є продуктами фізико-хімічних процесів у земній корі.

Слід відзначити, що мінеральні зерна, з яких складаються породи мають неправильну форму через стіснені умови їх зростання. Такі мінеральні частини називають кристалітами на відміну від кристалів, форма яких правильна. Переважна більшість мінералів – тверді кристалічні тіла. Рідше вони можуть бути аморфними.

Нафтогазова механіка досить специфічна наука і відрізняється від інших розділів класичної механіки.

Це зумовлено, по-перше, особливостями гірських порід, механічні властивості яких неоднорідні.

По-друге, механічні і геометричні схеми задач нафтогазової механіки суттєво відрізняються від схем класичних задач теорій пружності, пластичності, типових задач будівельної механіки, машинобудування та інших суміжних областей науки.

Як правило, в нафтогазовій механіці доводиться розглядати тримірні задачі, котрі не завжди можна звести до плоских задач теорії пружності. Крім того, деформації гірських порід лише в обмеженому діапазоні відповідають закономірностям теорії пружності. Суттєву роль в ряді задач, що стоять перед механікою гірських порід, відіграють реологічні процеси, тобто процеси, пов’язані з деформаціями порід в часі.

На кінець, нафтогазова механіка стикається з широким класом задач, що вивчають деформування масивів порід не лише за межами пружних і пластичних деформацій, але і після розриву суцільності порід, що не зустрічається в інших розділах механіки.

В зв’язку з цим, загальна методологія нафтогазової механіки полягає в широкому використанні і аналізі натурних спостережень з одночасним залученням методів і прийомів моделювання і аналітичних досліджень на базі теоретичних положень з основних розділів сучасної механіки, математичних і фізичних аналогій.

2 ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО БУДОВУ ЗЕМЛІ

На сьогодні гірничі роботи проводять на глибинах до 1000÷1500 м. В Європі є деякі копальні, глибина яких сягає близько 2000 м, в ПАР та Індії на окремих рудниках розробку провадять на глибинах понад 3000÷3500 м. Нафту і газ добувають з глибин до 6000÷7000 м. Найглибші опорні свердловини досягають глибини 9000 м. Реалізовано кілька проектів буріння до глибини 15 000 м.

Наведені факти дають уяву про глибини експлуатації земних надр, яких людство досягло сьогодні і зможе досягнути в найближчі десятиліття. Ці глибини знаходяться в межах верхньої частини земної кори, грубизна якої мізерна порівняно з розмірами Землі (нагадаємо, що екваторіальний радіус Землі 6378 км, полярний радіус – 6358 км). Однак, напружений стан земної кори в цілому і у верхній її частині, котра є предметом вивчення механіки гірських порід, тісно пов’язаний з глибинною будовою і розвитком Землі, вивченням яких займається геотектоніка.

За сучасними уявленнями Земля складається з концентричних оболонок, або геосфер (рис. 1). Зовнішніми оболонками є газова (атмосфера) й водна (гідросфера). З цими оболонками межує земна кора, грубизна якої змінюється від 5 до 15км під океанами і до 60÷80 км під гірськими районами. Розрізняють континентальну кору (складається з осадового, “гранітно-метаморфіч­ного ” і “базальтового ” шарів) і океанічну кору (гранітний шар відсутній або має незначну грубизну). Земна кора складається з кисню (47,2 % за вагою), кремнію (27,6 %), алюмінію, заліза, кальцію, натрію, калію, магнію й водню, які разом становлять близько 99% її ваги. В земній корі зосереджена переважна частина корисних копалин.

Земна кора відділена поверхнею Мохоровичича від мантії Землі, яка простягається до глибини 2900км. В межах останньої виділяють верхню і нижню мантію. Верхня частина мантії називається субстратом. Субстрат разом з земною корою утворює літосферу.

Нижня частина верхньої мантії – астеносфера, або шар порід з пониженою швидкістю розповсюдження сейсмічних хвиль. Блоки літосфери плавають у в’язко-пластичній речовині астеносфери.

За сучасними уявленнями склад мантії близький до складу кам’яних метеоритів – у ній переважають кисень, кремній, магній, залізо.

На глибині 2900 км міститься ядро Землі, радіус якого становить близько 3500 км. у його складі виділяють суб’ядро (тверде ядро) радіусом 1300 км та зовнішнє рідкеядро.

Глибинні шари Землі нагріті більше, ніж поверхневі. Головним джерелом внутрішнього тепла Землі є розпад радіоактивних елементів у її надрах.

Тектонічна будова літосфери досить складна. Літосфера складається із структурних елементів різних порядків – так званих глибинних і корових тектонічних структур.

Глибинними структурами першого порядку є континенти і океанічні області кори.

Глибинні структури другого порядку – це рухомі геосинклінальні пояси і відносно нерухомі платформи.

Перераховані вище структури називають планетарними.

Тектонічні структури нижчих порядків – третього і четвертого – називають регіональними.

Особливе значення в тектонічній будові і розвитку земної кори мають глибинні розломи, які є первинними елементами будови земної кори. Глибинні розломи і розриви земної кори є тими природними швами, по яких протягом усієї геологічної історії Землі безперервно відбуваються тектонічні рухи. Останні поділяють на такі типи:

а) пульсації або загальні коливання;

б) загальні підняття і опускання;

в) хвильові рухи;

г) складчасті і блокові рухи.

Причинами тектонічних рухів і деформацій земної кори і пов’язаними з цим тектонічними силами за уявленнями академіка Пейве можуть бути речовинна, теплова, густинна і механічна неоднорідність земної кори і верхньої мантії, непостійність швидкості обертання Землі, нутація і прецесія її осі.

Отже, головна концепція сучасної механіки гірських порід полягає в тому, що напружений стан земної кори в цілому і у верхній її частині зокрема визначається дією двох незалежних силових полів. Одне з них – гравітаційне поле – зумовлене дією земного тяжіння. Друге – тектонічне поле – зумовлене нерівномірним розподілом в просторі швидкості тектонічних рухів і швидкості деформації земної кори, тобто наявністю градієнта тектонічних рухів.