Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Шигин А. О., Гилев А. В., Шигина А. А.,
4.3. Разработка адаптивной электромагнитной зубчатой муфты станка шарошечного бурения
В ходе разработки адаптивной электромагнитной зубчатой муфты был проведен патентный поиск и анализ существующих устройств. Известен станок шарошечного бурения, содержащий 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 техническим решением является станок шарошечного бурения [79], включающий мачту, буровую головку с буровым снарядом, канатно-полиспастную систему с гидроцилиндром привода подачи, гидрораспределитель гидроцилиндров привода подачи с управляющими камерами подъема и опускания бурового снаряда, связанный воздушной магистралью с буровым снарядом компрессор, сообщенную с гидроцилиндром привода подачи канатно-полиспастной системы маслонасосную станцию с секциями подачи бурового става и спуско-подъемных операций, датчики осевого усилия и давления воздуха, соединенные соответственно с гидроцилиндром привода подачи и воздушной магистралью, датчики вибрации и силы тока. Станок шарошечного бурения снабжен блоками сравнения с задатчиками максимального и минимального осевых усилий, блоком сравнения силы тока, блоком сравнения вибрации, блоком сравнения осевого усилия и блоком управления.
Основной недостаток данного устройства заключается в том, что подача буровой головки с буровым снарядом осуществляется жестко при помощи канатно-полиспастной системы с гидроцилиндром привода подачи, что приводит к возникновению существенных ударных нагрузок на буровую головку, буровой снаряд, канатно-полиспастную систему и гидроцилиндр привода подачи. Также блок управления в совокупности с блоками сравнения с задатчиками максимального и минимального осевых усилий, блоком сравнения силы тока, блоком сравнения вибрации, блоком сравнения осевого усилия длительно обрабатывают сигналы при возникновении ударных нагрузок и не успевают своевременно снизить пиковые нагрузки.
Полученный результат обеспечивает повышение эффективности работы бурового станка при бурении взрывных и технологических скважин, в том числе при проходке сложноструктурных породных массивов 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. Технический результат достигает тем, что в станке шарошечного бурения, включающем мачту, буровую головку с буровым снарядом, канатно-полиспастную систему с гидроцилиндром привода подачи, гидрораспределитель гидроцилиндров привода подачи с управляющими камерами подъема и опускания бурового снаряда, связанный воздушной магистралью с буровым снарядом компрессор, сообщенную с гидроцилиндром привода подачи канатно-полиспастной системы маслонасосную станцию с секциями подачи бурового става, датчики осевого усилия и давления воздуха, соединенные соответственно с гидроцилиндром привода подачи и воздушной магистралью, датчики вибрации и силы тока, новым является то, что буровая головка снабжена электромагнитной зубчатой муфтой, содержащей кольцевые секции магнитопровода с уложенными в них витками статорной обмотки, которые огибают конусную поверхность ротора бурового става так, что их оси совпадают, образуя минимальный рабочий воздушный зазор, при том, что ротор имеет зубчатое зацепление с корпусом статора.
Устройство бурового станка с электромагнитной зубчатой муфтой поясняет схема станка шарошечного бурения (рис 4.10), включающего мачту 1, буровую головку 2 с электромагнитной зубчатой муфтой 3 и буровым снарядом 4, канатно-полиспастную систему 5 с гидроцилиндром привода подачи 6, гидрораспределитель 7 гидроцилиндров привода подачи с управляющими камерами подъема и опускания бурового снаряда, связанный воздушной магистралью 8 с буровым снарядом компрессор 9, сообщенную с гидроцилиндром привода подачи 6 канатно-полиспастной системы 5 маслонасосную станцию 10 с секциями подачи бурового става 11, датчики осевого усилия 12 и давления воздуха 13, соединенные соответственно с гидроцилиндром привода подачи 6 и воздушной магистралью 8, датчики вибрации 14 и силы тока 15.
Рис. 4.10. Схема бурового станка с электромагнитной зубчатой муфтой
Устройство электромагнитной зубчатой муфты поясняет схема (рис. 4.11). Внешний конус 16 с уложенными витками статорной обмотки 17, огибает конусную поверхность ротора 18 бурового става с витками роторной обмотки 19 так, что оси внешнего конуса и статора совпадают, образуя рабочий воздушный зазор 21, при том, что ротор 18 имеет зубчатое зацепление 20 с внешним конусом 16.
Рис. 4.11. Схема электромагнитной зубчатой муфты
Станок шарошечного бурения работает следующим образом.
Буровой снаряд 4 (рис. 4.10) с секциями подачи бурового става 11, буровая головка 2 с электромагнитной зубчатой муфтой 3 в мачте 1, посредством канатно-полиспастной системы 5, при помощи гидроцилиндра привода подачи 6, маслонасосной станции 10, гидрораспределителя 7 гидроцилиндров привода подачи с управляющими камерами опускается в буровую скважину для осуществления шарошечного бурения. В процессе бурения компрессор 9 через воздушную магистраль 8 осуществляет подачу сжатого воздуха для удаления буровой мелочи. При этом датчики усилия 12, давления воздуха 13, датчики вибрации 14 и силы тока 15 позволяют в автоматическом режиме регулировать усилие подачи, частоту вращения бурового снаряда 4 с секциями подачи бурового става 11, давление воздуха от компрессора 9. В процессе шарошечного бурения, при прохождении буровым снарядом 4 трещин, несплошностей, слоев горной породы с разными физико-механическими характеристиками возникают удары и изменение скорости подачи бурового снаряда 4 с секциями подачи бурового става 11. При этом электрический ток, протекающий в витках статорной обмотки 17 (рис. 4.11) во внешнем конусе 16 электромагнитной зубчатой муфты 3, индуктирует магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем, индуктируемым электрическим током, протекающим в витках роторной обмотки 19 ротора 18. В результате возникает сила, отталкивающая внешний конус 16 электромагнитной зубчатой муфты 3 от ротора вдоль их оси. В результате отталкивания внешнего конуса 16 со статорной обмоткой 17 электромагнитной зубчатой муфты 3 от ротора 18 с роторной обмоткой 19 вдоль их оси между ними возникает воздушный зазор 21. В процессе шарошечного бурения, при прохождении буровым снарядом 4 трещин, несплошностей, слоев горной породы с разными физико-механическими характеристиками, изменение скорости подачи бурового снаряда 4 с секциями подачи бурового става 11 сопровождается ударами, в результате чего изменяется воздушный зазор 21. При уменьшении воздушного зазора 21, увеличивается взаимодействие магнитных полей, возрастает величина тока в обмотках 17 и 19, что приводит к увеличению силы, отталкивающая внешний конус 16 электромагнитной зубчатой муфты 3 от ротора вдоль их оси. В результате увеличения данной силы воздушный зазор 21 увеличивается и возвращает исходный размер. Уменьшение воздушного зазора при возникновении ударов снижает нагрузку на буровой снаряд 4 (рис. 4.10) с секциями подачи бурового става 11. Вращающий момент передается буровому снаряду 4 с секциями подачи бурового става 11 посредством зубчатого зацепления 20.
В случае возникновения ударной нагрузки при прохождении буровым снарядом 4 трещин, несплошностей, слоев горной породы с разными физико-механическими характеристиками и изменении скорости подачи бурового снаряда 4 с секциями подачи бурового става 11 уменьшается воздушный зазор 21 в электромагнитной зубчатой муфте, снижая нагрузку на буровой снаряд 4 с секциями подачи бурового става 11.