Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Методология проектирования адаптивных вращательно-подающих органов буровых станков и технологий их применения в сложноструктурных породных массивах

Шигин А. О., Гилев А. В., Шигина А. А.,

4.2. Разработка адаптивного электромагнитного механизма подачи рабочего органа бурового станка на основе линейного асинхронного двигателя

С использованием линейного асинхронного двигателя возможно применение различных конструктивных исполнений адаптивных вращательно-подающих механизмов. Их можно объединить в следующие основные группы:

1. Вращательно-подающий механизм с системой подачи, включающей канатно-полиспастную систему по характеру кинематической схемы вращательно-подающего механизма станка СБШ-250МН-32 (рис. 4.1). При этом гидроцилиндры должны быть заменены линейными электродвигателями.

Такое конструктивное исполнение позволит использовать адаптивный привод вращательно-подающего механизма с минимальной модернизацией общей конструктивной схемы бурового станка. Также при использовании такой схемы есть возможность максимально проработать конструкцию электрической машины и получить максимальный КПД. К преимуществу такой схемы кроме адаптивности подачи можно отнести меньшие требования к синхронности работы двигателей, что объясняется компенсирующим действием канатной системы. Кроме того, в данном случае возможно применять секции бурового става без изменения их конструкции;

2. Вращательно-подающий механизм с системой подачи, по характеру кинематической схемы вращательно-подающего механизма станка 2СБШ-200Н с системой подачи патронного типа (рис. 4.2). При этом гидроцилиндры заменяются на 2 линейных трехфазных асинхронных двигателя. В случае минимальной модернизации данной конструктивной схемы, возможно применение секций бурового става без изменений. При этом роторы будут иметь соответствующую длину (2 м) и иметь максимальную проработку конструкции с целью получения максимального КПД. Применение специальных конструктивных решений может позволить увеличить длину секций бурового става.

3. Вращательно-подающий механизм, в котором статор линейного двигателя охватывает буровой став (рис. 4.3). При этом буровой став является массивным ротором. Такая конструктивная схема имеет ряд преимуществ:

1) возможность безостановочного бурения на всю глубину скважины;

2) отсутствие необходимости синхронной работы двух двигателей;

3) наибольшую эффективность и своевременность адаптации работы вращательно-подающего механизма к изменениям физико-механических свойств горной породы;

4) максимальное снижение непрогнозируемых нагрузок при бурении сложноструктурных пород;

5) возможность безостановочного бурения при использовании фрикционного захвата механизма вращения бурового става и навинчивания секций выше двигательной системы;

6) возможность безостановочного подъема бурового става;

7) отсутствие необходимости изготовления ротора линейного двигателя по причине использования в этом качестве секций бурового става.

К недостаткам можно отнести:

1) необходимость существенной модернизации конструктивной схемы бурового станка;

2) невысокий КПД линейного двигателя с массивным ротором при использовании в качестве ротора секций бурового става.

4. Вращательно-подающий механизм, конструктивная схема которого схожа с предыдущей (рис. 4.3). При этом в качестве ротора линейного двигателя будет использоваться специальная секция длиной 8 м с конической резьбой на конце, на которую будут навинчиваться стандартные секции бурового става. Указанный ротор двигателя будет иметь необходимую обработку и изготавливаться из электротехнической стали для создания максимального КПД. При этом буровой станок будет бурить скважину по частям, соответственно длине секции бурового става. После чего ротор двигателя будет подниматься, на него навинчиваться следующая секция, и процесс бурения будет продолжаться.

К преимуществам данной схемы можно отнести следующее:

1) возможность максимальной проработки конструкции ротора двигателя подачи с целью получения максимального КПД;

2) отсутствие необходимости синхронной работы двух двигателей;

3) наибольшая эффективность и своевременность адаптации работы вращательно-подающего механизма к изменениям физико-механических свойств горной породы;

4) максимальное снижение непрогнозируемых нагрузок при бурении сложноструктурных пород;

5) возможность безостановочного бурения при использовании фрикционного захвата механизма вращения бурового става и навинчивания секций выше двигательной системы.

К недостаткам можно отнести:

1) необходимость существенной модернизации конструктивной схемы бурового станка;

2) стоимость изготовления ротора двигателя несколько больше, чем в остальных вариантах.

Общей особенностью различных конструкций адаптивного вращательно-подающего механизма является своевременное изменение режима работы двигателя подачи. Данный процесс происходит естественным образом, путем перемещения точки рабочего режима двигателя по ниспадающей ветви его механической характеристики в случае изменения физико-механических свойств породы. Данный процесс крайне короток во времени и способен максимально снизить непрогнозируемые ударные нагрузки. С данной задачей может справиться только электромагнитный двигатель линейного исполнения, поскольку добавление любых промежуточных элементов в конструктивную схему неизбежно повлечет увеличение времени реагирования двигательной системы на изменение свойств породы. Увеличение времени реагирования может снизить эффект гашения ударных нагрузок. Применение же пассивных гасящих устройств требует детального изучения процессов возникновения резонанса в колебательном процессе, что значительно сужает область их применения. Конструкция электромагнитного двигателя не ограничивает степени свободы вращения бурового става. Возможно сохранение применяющихся в соответствующих буровых станках механизмов вращения.

В процессе бурения адаптивный электромагнитный привод будет без задержки (время задержки приближается к половине периода колебания переменного напряжения электрической сети) реагировать на увеличение или уменьшение показателя буримости соответственным изменением величины тока в обмотке статора. Изменение тока будет фиксироваться напрямую с обмотки двигателя. В автоматическом режиме, согласно заложенной в контроллере функции будет изменен режим бурения. Соответственно должны быть изменены усилие и скорость подачи, а также момент на валу вращательного механизма и частота вращения бурового става. Регулировка режимов возможна тремя способами:

1) при помощи преобразователя частоты;

2) понижением напряжения для экстренного снижения величины ударных нагрузок;

3) комплексное использование обоих способов для получения оптимальных режимов.

В ходе разработки адаптивного механизма подачи рабочего органа бурового станка на основе линейного асинхронного двигателя для привода подачи рабочего органа бурового станка был проведен патентный поиск и анализ существующих устройств. Известно устройство для бурения скважин, содержащее вращательно-подающий механизм, состоящий из вращателя, гидропатрона и гидроцилиндров подачи [77]. К числу недостатков таких механизмов относятся: жесткая связь гидроцилиндр – буровой став – буровой инструмент, а также инерционность и сложная управляемость работы гидроцилиндра. При изменении крепости пород или при необходимости быстро изменить режим работы вращательно-подающего механизма гидроцилиндр не позволяет быстро оперировать рабочими характеристиками из-за большого количества элементов в технологической цепи. Это двигатель, генератор, насос, рабочая жидкость, шток в гидроцилиндре, буровой став и буровой инструмент. В связи с этим процесс изменения подачи бурового става является медленным и недостаточно точным, а также усложняется ремонт и техническое обслуживание механизма и станка в целом. Кроме того, раздельные механизмы вращения и подачи усложняют конструкцию станка. Отмеченные недостатки ограничивают применение указанных вращательно-подающих механизмов при бурении сложноструктурных пород по причине быстрого износа бурового инструмента.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для бурения скважин [78], содержащее корпус, соосно расположенный статор с витками и установленный внутри статора ротор. Основной его недостаток заключается в том, что неравномерное прилегающие к ротору витков статора приводит к потерям энергии в воздушном зазоре. Также не позволяет передавать достаточно большое подающее усилие.

Основными задачами разработки являются: повышение эффективности работы бурового станка при бурении взрывных и технологических скважин, в том числе при проходке сложноструктурных пород с различными физико-механическими свойствами, а также увеличения срока службы бурового инструмента за счет повышения эффективности и увеличения скорости регулирования рабочих режимов в процессе бурения. Поставленные задачи достигаются тем, что кольцевые секции магнитопровода с уложенными в них витками статорной обмотки, огибают цилиндрическую поверхность ротора бурового става так, что их оси совпадают, образуя минимальный рабочий воздушный зазор.

Устройство поясняет кинематическая схема устройства для бурения скважин (рис. 4.4), содержащее электродвигатель 1, редуктор 2, шинно-зубчатую муфту 3, опорный узел 4, ротор бурового става 5, корпус 6, храповый механизм 7, статорную обмотку 8, буровой инструмент 9, находящийся в скважине 10.

Устройство статорной обмотки поясняет схема (рис. 4.5). Кольцевые секции магнитопровода 11 с уложенными в них витками статорной обмотки 8, огибают цилиндрическую поверхность ротора бурового става 5, образуя минимальный рабочий воздушный зазор так, что их оси совпадают. Количество секций магнитопровода 11 с уложенными в них витками статорной обмотки 8 и подключенными с чередованием фаз к сети трехфазного напряжения, прямо пропорционально усилию подачи и обратно пропорционально рабочей скорости подачи ротора бурового става 5.

Общий вид линейного электродвигателя механизма подачи рабочего органа бурового станка показан на рис. 4.6–4.8.

Устройство храпового механизма поясняет схема (рис. 4.9). Храповый механизм 7, содержит прижимные валики на своих валах 12, оси которых перпендикулярны оси ротора, имеют одностороннее вращение в опорах 13 для возможности удержания ротора бурового става в верхнем положении при отключении электропитания.

Устройство для бурения скважин работает следующим образом. Электродвигатель 1, через редуктор 2 и шинно-зубчатую муфту 3, вращает буровой став 5, закрепленный при помощи опорного узла 4 в корпусе 6 (рис. 4.4). Бегущее магнитное поле статора, наведенное трехфазным переменным током в витках статорной обмотки 8 индуктирует вторичный трехфазный переменный ток в поверхностном слое ротора, которое наводит вторичное бегущее поле ротора, за счет чего создается подающее усилие посредством ротора бурового става 5 на буровой инструмент 9 и осуществляется бурение скважины 10.

Рис. 4.6. Общий вид линейного электродвигателя механизма подачи рабочего органа бурового станка

а б

Рис. 4.7. Монтажные модули: а – стальные шайбы, б – каркасы

Рис. 4.8. Монтажные модули в сборе

Рис. 4.9. Схема храпового механизма

При отключении электропитания храповый механизм 7, содержащий прижимные валики на своих валах 12, оси которых перпендикулярны оси ротора, и имеющие одностороннее вращение в опорах 13, стопорится, удерживая в верхнем положении буровой став 5.

Таким образом, в случае возникновения ударной нагрузки или вибрации, энергия механических колебаний, посредством взаимодействия магнитных полей ротора бурового става 5 и статора 8, наводимых трехфазным переменных током, вызывает увеличение тока в обмотках статора 8. Тем самым, величина ударной нагрузки на буровой инструмент 9 и буровой став 5, снижается. При этом увеличение или снижение тока в обмотках статора 8 сигнализирует об изменении физико-механических характеристик горной породы и может использоваться в качестве сигнала для автоматизации процесса бурения. От количества кольцевых секций магнитопровода с уложенными в них витками статорной обмотки, подключенными с чередованием фаз к сети трехфазного напряжения, в прямой зависимости находится усилие подачи и в обратной зависимости находится рабочая скорость подачи ротора бурового става 5.