Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Шигин А. О., Гилев А. В., Шигина А. А.,
2.1. Анализ и пути совершенствования исполнительных органов станков для бурения сложноструктурных породных массивов
Поиск путей совершенствования исполнительных органов станков вращательного бурения для сложноструктурных породных массивов требует изучения научных публикаций, анализа информации, а также применения математического аппарата и методов математического моделирования.
Изучение научных публикаций и патентный обзор необходимы для получения достоверной информации, которую можно использовать для дальнейших исследований. Анализ является основным инструментом научного исследования и необходим для вычленения искомой информации и формулирования выводов. С помощью математического аппарата и математического моделирования возможно получить наиболее полную картину напряженно-деформированного состояния (НДС) рабочего инструмента при использовании различных систем подачи и разработать рекомендации.
Разработанные способы управления режимами бурения позволяют разработать конструкцию линейного двигателя и механизма подачи с заданным принципом действия. Результаты анализа НДС необходимы для разработки рабочих органов и механизма управления режимами бурения технологических скважин буровыми станками. Рекомендации по разработке рабочих органов и механизма управления режимами бурения необходимы для подачи заявки на патент.
Разработка линейного двигателя для системы подачи бурового станка, механизма управления режимами бурения технологических скважин буровыми станками, а также использование теории и критериев подобия и теории физического моделирования необходимы для изготовления лабораторного стенда и исследования характеристик двигателя и способов управления режимами бурения.
Лабораторный стенд для исследования характеристик двигателя и способов управления режимами бурения необходим для построения характеристик механизма подачи, а также разработки и исследования способов управления режимами бурения технологических скважин буровыми станками. В результате применения перечисленных инструментариев, методов и оборудования проведенные исследования позволят разработать комплекс мероприятий и технических решений, которые дадут возможность увеличить ресурс рабочего инструмента при бурении различных пород.
Сравнительная оценка вариантов возможных решений исследуемой проблемы
В настоящее время в горной промышленности используется большое многообразие буровых станков. Одним из наиболее важных узлов любого станка является система подачи рабочего органа.
Современной промышленности известны следующие типы подачи: гидравлическая подача (патронная, применяется на станках СБШ-200); канатная подача (применяется на станках СБШ 250/270-60); совмещенная подача (канатная с гидравлической, применяется на станках СБШ-250); цепная подача (применяется на станках СБУ-125).
Кроме того, перспективным направлением в настоящее время является разработка и внедрение электромагнитных систем подачи, исключающих редукторы, блоки, шестерни, канатно-полиспастные системы и другие промежуточные механические связи, создающие дополнительные механические реакции при переходных процессах, возникающих в процессе прохождения долотом трещин, нарушений однородности, сплошности и слоев с различной крепостью.
Особенностями гидравлической подачи является высокая надежность в нормальных климатических условиях, жесткое стабильное усилие, развиваемое гидравлическим цилиндром, возможность создания больших подающих усилий. К существенным недостаткам можно отнести отсутствие адаптивности, большую инерцию при регулировании режимов подачи, низкую надежность гидравлических агрегатов в сложных климатических условиях, необходимость сложного технического обслуживания и ремонта, громоздкость гидросистемы, включающей маслобак, насосы, гидравлическую арматуру и др.
Особенностями канатной подачи является высокая надежность в различных климатических условиях, адаптивность канатной системы к толчкам и ударам в процессе бурения. К недостаткам можно отнести: значительные ограничения в величине подающего усилия; большую инерцию при регулировании технологических параметров процесса бурения; громоздкость и значительную массу канатной системы; сложность технического обслуживания и ремонта системы; необходимость отслеживания технического состояния канатов, их своевременной отбраковки.
При использовании совмещенной подачи компенсируются некоторые недостатки одной системы, но добавляются недостатки другой. Например, в этом случае возможны большие усилия подачи, но усложняются условия регулировки параметров системы. Главное преимущество такой системы заключается в том, что сохраняется свойство адаптивности канатной системы, но в меньшей степени по сравнению с канатной. К существенному недостатку такой системы можно отнести большую громоздкость, сложность конструкции, необходимость технического обслуживания и гидравлической, и канатной системы.
Особенностью цепной системы является наличие цепного тягового органа. Эта система не имеет большинства преимуществ канатной системы, но не требует системы отбраковки, поскольку элементы цепи можно заменить. К существенным недостаткам цепной системы относятся значительная масса цепных тяговых органов, отсутствие адаптивности, низкая регулируемость параметров процесса.
Обоснование низкой адаптивности гидропривода в процессе бурения сложноструктурных породных массивов
При бурении сложноструктурных горных массивов работа бурового инструмента и рабочего органа бурового станка сопровождается ударными нагрузками. Частые ударные нагрузки и вибрация вызывает изменение прочностных и других физико-механических характеристик породы в горном массиве. Данные процессы негативно сказываются на стойкости бурового инструмента и эффективности процесса бурения в целом. В связи с прогрессом в оснащении различных систем буровых станков гидросистемами особенно актуальной становится проблема работы гидропривода в условиях ударных нагрузок. Резкое изменение физико-механических характеристик породы в забое при бурении скважины влечет за собой переходной процесс, сопровождающийся скачком давления и последующим изменением линейной скорости штока гидроцилиндра.
Адаптивностью системы называют ее способность изменять собственные характеристик под действием внешних нагрузок. Для гидропривода – это свойство определяется изменением линейной скорости штока гидроцилиндра под действием ударных нагрузок. Гидравлический механизм подачи рабочего органа бурового станка состоит из гидроцилиндров подачи (рис. 1.16), маслонасосной станции (рис. 2.1) и рукавов высокого давления.
В связи с большой величиной давления в гидросистеме демпфирующее влияние трения штоков о манжеты и уплотнители гидроцилиндра не является значительным. Уровень изменения давления в гидроцилиндре зависит в основном от мощности гидронасосов и скорости истечения жидкости. В свою очередь соотношение диаметров гидроцилиндра и входного патрубка является определяющим фактором быстрого изменения линейной скорости штока при возникновении ударных волн в гидроцилиндре в результате прохождения долотом элементов сложноструктурного породного массива. Для изменения линейной скорости штока, ударная волна, образованная при взаимодействии поршня с жидкостью в гидроцилиндре, должна пройти через гидроцилиндр, входной патрубок, рукав высокого давления, гидрораспределитель и оказать дополнительную механическую нагрузку для насоса. Дополнительная нагрузка выражается в увеличении момента сопротивления для электрического и дизельного двигателя. На рис. 2.1 наглядно можно убедиться в сложности каналов гидросистемы, что не позволяет энергии удара свободно преобразовываться в изменение кинетической энергии, мгновенно уменьшая линейную скорость рабочего органа и снижая ударные нагрузки.
Рис. 2.1. Маслостанция 091-02.78.0000 бурового станка СБШ-250 МНА32:1 – электронагреватель; 2, 3, 4 – насосные установки; 5 – фильтр;
6 – фильтр магнитный; 7, 8 – фильтры напорные; 9 – гидропанель; 10 – клапанный распределитель; 11 – бак; 12 – заливной фильтр; 13 – температурное реле; 14 – крышка; 15 – гидроблок
Таким образом для обеспечения свойства адаптивности гидропривода линейная скорость штока гидроцилиндра под действием нагрузки должна резко измениться путем передачи ударной волны через большое количество гидравлических сопротивлений к насосу и передачи изменения механической нагрузки через вал насоса к двигателю.
В действительности большая часть ударной волны согласно соотношению диаметров гидроцилиндра Dц и входного патрубка dп отражается от стенки гидроцилиндра. Энергия ударной волны снижается в Dц /dп раз. Отраженная волна отражается многократно от стенок гидроцилиндра и не доходит до насоса (рис. 2.2). В опытах Жуковского было зарегистрировано по 12 полных циклов. При этом величина ударного давления ∆p постепенно уменьшалась.
Рис. 2.2. Диаграмма процесса гидравлического удара
Уменьшение давления вызвано трением в трубе и рассеиванием энергии в резервуаре, обеспечивающем исходный напор. На графике сплошной заштрихованной областью показано теоретическое изменение давления при гидроударе. Прерывистой линией показан примерный вид действительной картины изменения давления.
Оставшаяся часть энергии ударной волны большей частью отражается от рабочего колеса насоса. Незначительная энергия ударной волны и существенный момент инерции рабочего колеса насоса приводит к тому, что механическая нагрузка на валу двигателя практически остается неизменной в пределах статистической погрешности. Гашение ударной волны в гидроприводе приводит к жесткому восприятию ударных нагрузок и отсутствию изменения линейной скорости штока гидроцилиндра при бурении сложноструктурных породных массивов.
Таким образом доказано, что гидропривод не обладает существенной адаптивностью, позволяющей быстро изменять линейную скорость
подачи рабочего органа под действием изменяющихся внешних ударных нагрузок, вызванных прохождением бурового инструмента через элементы сложноструктурного породного массива в процессе его бурения. Гидропривод способствует наиболее жесткому восприятию ударных нагрузок буровым инструментом при прохождении им границ в породном массиве с увеличением прочностных характеристик, трещин, несплошностей, неоднородностей.
Значительные возможности при бурении сложноструктурных породных массивов, бурении на высоких скоростях и на большую глубину заключаются в разработке электромагнитных систем подачи рабочего органа бурового станка.
К основным достоинствам электромагнитной системы можно отнести следующие:
1. Электромагнитные линейные машины не имеют громоздких гидросистем, канатных и цепных элементов и устройств для их обслуживания.
2. Электромагнитная система подачи на основе запатентованного двигателя будет обладать высокой адаптивностью, наличием обратной связи, позволяющей своевременно в автоматическом режиме реагировать путем изменения того или иного параметра.
3. Линейные электромагнитные машины отмечаются высокой плотностью передаваемой энергии и возможностью высокого поступательного усилия с минимальными затратами электроэнергии. Они имеют минимальное количество трущихся деталей.
4. Электромагнитная система подачи обладает возможностью реверса.
5. Буровые станки, оснащенные электромагнитной системой подачи, имеют более простую кинематическую схему, обеспечивающую более простые конструкцию и обслуживание.
6. Буровые станки, оснащенные электромагнитной системой подачи, имеют более высокую надежность, срок службы и точность работы при регулировании режимов работы.
7. Буровые станки, оснащенные электромагнитной системой подачи, имеют более широкий диапазон линейной скорости подачи рабочего органа (от 0,01 до 5 м/с).
8. Буровые станки, оснащенные электромагнитной системой подачи, требуют меньше времени на передачу обратного сигнала и изменение режима работы.
9. Буровые станки, оснащенные электромагнитной системой подачи, в сочетании с бесконтактным датчиком линейного перемещения имеют высокую точность линейного перемещения рабочего органа (до 10 нм).