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.,

3.1. Экспериментальное исследование ударных нагрузок во вращательно-подающем органе с гидроприводом и их влияние на стойкость бурового инструмента

Из анализа наработок на отказ шарошечных долот следует вывод о значительном снижении их стойкости (до 2-х раз) в случае бурения породы со сложной структурой. Проблема снижения стойкости долот при частых изменениях свойств породы может быть решена применением адаптивного вращательно-подающего механизма, способного своевременно определять различные изменения свойств породы и реагировать на них, корректируя режим бурения. Для своевременного определения изменений свойств горной породы необходимо использовать изменения различных технологических показателей, возникающие по этой причине. Величина, которая изменяется явно и с малой задержкой во времени – это линейная скорость забуривания долота в породу и скорость вращения бурового става. Проблема заключается в том, что линейная скорость подачи бурового става не соответствует полностью мгновенной скорости подачи бурового долота по различным причинам. Особенно это проявляется в случае применения в качестве системы подачи нерегулируемых гидроцилиндров [2]. Несжимаемая жидкость не позволяет буровому ставу изменять линейную скорость независимо от давления и подачи, создаваемых насосами. Удар бурового долота о слой породы, имеющей более высокий показатель буримости, стремится уменьшить линейную скорость бурового инструмента. Ударное усилие, возникающее по причине перехода кинетической энергии в потенциальную, передается по буровому ставу в гидроцилиндр системы подачи. Поскольку жидкость является несжимаемой, возникает гидроудар, сопровождающийся скачком давления. Скачок давления вызывает обратную волну, проходящую через буровой став к буровому инструменту. Ударные нагрузки и колебательный процесс неблагоприятно отражаются как на стойкости бурового инструмента, так и на состоянии бурового става и вращательно-подающего механизма.

Для своевременного регулирования подающего усилия возможно применение адаптивной системы подачи [56]. Принцип адаптивного вращательно-подающего механизма основан на минимальном количестве звеньев в системе «вращательно-подающий механизм – буровой став – буровой инструмент». Кроме того, адаптивный подающий привод должен максимально быстро реагировать на изменения скорости подачи, вызванные различными перепадами свойств породы. Это условие выполняется в случае применения в качестве привода подачи линейного электромагнитного двигателя, обеспечивающего все необходимые технологические параметры. Тогда ударные нагрузки можно будет фиксировать по скачкам тока в обмотке двигателя. Для оценки адаптивной способности линейного электромагнитного привода подачи рабочего органа бурового станка необходимо осуществить моделирование процесса возникновения ударных нагрузок при бурении породы с использованием указанного привода подачи.

а б

Рис. 3.1. Исследовательский стенд для моделирования ударных нагрузок при бурении сложноструктурных горных массивов:а – схема; б – общий вид; 1 – насос шестеренчатый Г11-22; 2 – трехфазный асинхронный электродвигатель; 3 – осциллограф; 4 – амперметр; 5 – масляный бак; 6 – манометр; 7 – кран игольчатый; 8 – краны шаровые; 9 – гидроцилиндр измерительный; 10 – гидроцилиндр рабочий; 11 – золотник

метод моделирования ударных нагрузок при бурении сложноструктурных горных массивов заключается в измерении скачков давления в гидроцилиндре и тока в обмотке двигателя, вызываемых искусственно созданными скачками давления. Для исследования данного процесса был разработан и изготовлен лабораторный исследовательский стенд (рис. 3.1), позволяющий моделировать скачки давления, возникающие при изменении показателя буримости на различную величину при различных относительных значениях данного показателя до и после удара.

В лабораторном стенде имеется рабочий гидроцилиндр 10, в который подается рабочая жидкость при помощи насоса 1 объемного действия, исключающего обратное перетекание жидкости в камере насоса в случае гидроудара. Это необходимо для обеспечения жесткой связи между создаваемыми скачками давления в измерительном гидроцилиндре 9 и скачками тока в обмотке двигателя 2, вращающего вал насоса 1. Моделируемые в стенде ударные нагрузки фиксируются в виде скачков тока в обмотке двигателя 2 при помощи осциллографа 3 и амперметра 4.

Для создания регулируемой нагрузки в стенде предусмотрен измерительный гидроцилиндр 9, имеющий перепускной патрубок. По перепускному патрубку рабочая жидкость перетекает из одной полости измерительного гидроцилиндра в другую под действием поршня. Штоки измерительного и рабочего гидроцилиндров жестко связаны между собой. Для создания гидроудара в перепускном патрубке предусмотрена запорная арматура быстрого закрывания 8. Для имитации изменения на различную величину показателя буримости и его относительных значений до и после удара, предусмотрен кран медленного закрывания 7, регулирующий пропускную способность гидросистемы, устанавливающуюся при закрывании кранов 8. В гидросистеме предусмотрено два крана быстрого закрывания для возможности моделирования последовательных ударов. Такие удары могут иметь место, например, при последовательном увеличении показателя буримости горной породы.

Основными узлами стенда являются: электродвигатель, шестеренчатый насос и два гидроцилиндра. Их основные характеристики приведены в табл. 3.1, 3.2.

Проведение эксперимента заключается в следующем. Стенд имеет один регулировочный кран и три крана сброса давления в гидросистеме. На штоке гидроцилиндра через каждый сантиметр нанесены риски необходимые для определения величины, на которую опускается шток гидроцилиндра. Регулировочный кран так же имеет шкалу деления в процентах от угла открытия и закрытия крана, который составляет 90 градусов.

Таблица 3.1

Основные характеристики электродвигателя

Таблица 3.2

Основные характеристики шестеренчатого насоса

Степень открытия регулировочного крана характеризует жесткость удара рабочего органа бурового става о поверхность забоя. Таким образом, полностью закрытый регулировочный кран (положение 0°) моделирует абсолютно жесткий удар, который смягчается только упругим сжатием жидкости в гидроцилиндре системы подачи. Такой режим работы бурового станка соответствует резкому изменению линейной скорости движения бурового става, например, в результате заклинивания. Частично открытый регулировочный кран моделирует определенную крепость горной породы, характеризующую уменьшение скорости бурения в результате увеличения показателя буримости горной породы. Полностью открытый регулировочный кран (положение 90°) характеризует отсутствие сопротивления движению бурового става.

Первый эксперимент проводился при полностью закрытом регулировочном кране и полностью закрытых кранах сброса давления. На штоке гидроцилиндра было нанесено несколько рисок (2, 4, 5, 6, и 7 см), обозначающих контрольный уровень хода штока. Рычагом опускания гидроцилиндра шток доводится до первой назначенной точки (риска 2 см) и останавливается. Манометр сначала показывает максимальное давление в гидросистеме, затем оно опускается до минимального значения, полученные данные заносятся в табл. 3. Далее эксперимент повторяется, доводя шток до следующих рисок. Разница давлений определяется по формуле (3.1)

Δp = pmax – pmin, МПа. (3.1)

Второй эксперимент проводится при открытом регулировочном кране на 5° с отметками хода поршня L: 2, 4, 5, 6, 7 см. Порядок проведения, как и в первом эксперименте, полученные данные заносятся в табл. 3.3

Третий эксперимент проводится аналогично при открытом регулировочном кране на 10° и полностью закрытых кранах сброса давления, с отметками хода поршня L 2, 4, 5, 6, 7 см, полученные данные заносятся в табл. 2.21.

Таблица 3.3

Результаты эксперимента при полностью закрытом регулировочном кране

В результате проведения экспериментов было выявлено, что при открывании регулировочного крана более 10°, давление повышалось незначительно. А после открывания регулировочного крана более 15°, давление не повышалось. Поэтому условно степень открывания регулировочного крана можно соотнести с показателем буримости Пб в следующем соотношении. Показатель буримости изменяется от 0 до 25. Породы с показателем буримости более 25 относятся к внекатегорным, поэтому в данной методике они не учитываются. В связи с этим максимальному показателю буримости будет соответствовать степень открывания регулировочного крана 0°, а минимальному будет соответствовать угол открывания регулировочного крана 15°. При данной степени открывания регулировочного крана изменение давления при любом перемещении поршня условно принимается равным нулю. Тогда степень открывания регулировочного крана 5° при исследовании ударных нагрузок будет соответствовать показателю буримости Пб = 16,7, а степень открывания регулировочного крана 10° будет соответствовать показателю буримости Пб = 8,3 (табл. 3.3). При этом указанные значения показателя буримости соответствуют максимальному значению после перехода бурового инструмента на породу с большим показателем буримости.

Относительная величина в табл. 1, 2 и 3 фактически равняется отношению увеличения нагрузки, возникающей в результате удара при увеличении показателя буримости. Согласно работе [2] в 80 % случаев шарошечный буровой инструмент отказывает в работе по причине разрушения подшипниковых узлов. При этом максимальное напряжение в ролике подшипника качения находится из следующего выражения

(3.2)

где Fr – радиальное усилие, прилагаемое к подшипнику, Н; z – количество тел качения в подшипнике; Dр – диаметр ролика, мм; Lр – длина ролика, мм

Напряжение в опорах качения, возникающее при ударе через показатель буримости для роликовых тел качения [6]:

(3.3)

Тогда

(3.4)

Здесь Пб – показатель буримости [4]; ΔПб – увеличение показателя буримости.

Отсюда изменение показателя буримости определяется

(3.5)

Расчетные значения изменения показателя буримости ΔПб вносятся в табл. 3.4.

Таблица 3.4

Расчетные значения изменения показателя буримости ΔПб, соответствующие результатам экспериментов

Для оценки скачков тока в обмотке линейного электромагнитного привода подачи рабочего органа бурового станка, необходимо определить следующие параметры: изменение момента на валу насоса, изменение потребляемой мощности электродвигателя и изменение тока электродвигателя в результате скачка давления в гидроцилиндре исследовательского стенда.

Момент на валу насоса определяем по формуле (3.6)

(3.6)

где qT – теоретический расход насоса определяемый по формуле (3.7)

(3.7)

При известном моменте на валу насоса, мощность двигателя определяется по формуле (3.8)

(3.8)

Полученные данные представлены в виде графиков (рис. 3.2, 3.3).

Зависимость относительных величин изменения мощности двигателя и давления в гидросистеме от перемещения штока гидроцилиндра представлена на рис. 3.2.

В результате расчетов получены зависимости относительной энергетической характеристики электродвигателя от изменения показателя буримости, полученные в ходе лабораторных исследований.

Рис. 3.2. Зависимость относительных величин изменения мощности двигателя и давления в гидросистеме от перемещения штока гидроцилиндра:
1 – зависимость при закрытом регулировочном кране; 2 – зависимость при открытом на 5° регулировочном кране; 3 – зависимость при открытом на 10° регулировочном кране

Рис. 3.3. Зависимости относительной энергетической характеристики электродвигателя от изменения показателя буримости

Здесь показатель буримости, соответствующий максимальному значению после перехода бурового инструмента на породу с большим показателем буримости: 1 – зависимость при Пб = 25; 2 – зависимость при Пб = 16,7; 3 – зависимость при Пб = 8,3.

Расчет тока электродвигателя осуществляем по формуле (3.9)

(3.9)

В результате расчетов были получены зависимости токовой перегрузки (рис. 3.4) линейного электромагнитного привода подачи бурового станка от величины изменения показателя буримости ΔПб.

Рис. 3.4. Зависимость токовой перегрузки линейного электромагнитного привода подачи бурового станка от величины изменения показателя буримости ΔПб после возникновения ударной нагрузки

Здесь кривая 1 соответствует значению показателя буримости после возникновения ударной нагрузки Пб = 25; кривая 2 соответствует значению Пб = 16,7; кривая 3 соответствует значению Пб = 8,3.

Показатель буримости горных пород при бурении шарошечными долотами при открытых разработках месторождений, как правило составляет 6–18. В связи с этим наибольший интерес представляют кривые 2, 3.

В результате опытно-промышленных исследований при проведении замеров режимных параметров бурового станка СБШ-250 МНА32 в условиях Черногорского угольного разреза (Хакасия) были получены опытные данные об изменении давления в гидроцилиндрах механизма подачи в процессе прохождения буровым долотом элементов сложноструктурного породного массива (табл. 3.5).

При помощи выражения (3.5) можно оценить сходимость результатов экспериментальных исследований и опытно-промышленных замеров режимных параметров (табл. 3.6).

С помощью полученных результатов экспериментальных исследований ударных нагрузок на исследовательском стенде (рис. 3.1) можно оценить сходимость с расчетными значениями увеличения напряжения в опорах, полученными с использованием разработанной методики для определения нагрузок, действующих на буровой инструмент при бурении сложноструктурных породных массивов, представленной во второй главе.

Таблица 3.5

Результаты замеров режимных параметров станка СБШ-250 МНА32 при бурении взрывных скважин в условиях Черногорского угольного разреза

Таблица 3.6

Проверка на сходимость результатов экспериментальных исследований и опытно-промышленных замеров режимных параметров

Посредством изменения показателя буримости, найденного при моделировании ударных нагрузок соотнесем относительное изменение давления в гидроприводе к относительному изменению напряжения в опорах качения шарошечных долот (табл. 3.7).

Таблица 3.7

Проверка на сходимость результатов экспериментальных исследований и расчетных значений изменения напряжения в опорах качения шарошечных долот в результате увеличения показателя буримости при бурении сложноструктурных породных массивов

Таким образом, сходимость результатов показывает адекватность математической модели, на основе которой разработана расчетная методика для определения напряжения в опорах качения шарошечных долот, представленная в главе 2.

Определение времени изменения давления в гидросистеме при увеличении прочностных характеристик породного массива

В связи с тем, что гидравлический механизм подачи рабочего органа имеет жесткую механическую характеристику и не меняет режимные параметры, как то скорость, усилие подачи, данный механизм не имеет адаптивных свойств и не позволяет устранять ударные нагрузки при бурении сложноструктурных породных массивов.

При этом необходимо оценить возможность применения автоматического регулирования режимных параметров для оптимизации механической скорости бурения. Для получения информации об изменении свойств буримой породы необходимо получить информационный сигнал. В гидроприводе это может быть сигнал об увеличении давления в гидроцилиндре. Минимальное время, за которое давление в гидроцилиндре увеличится в результате удара определяется из выражения ,где l – расстояние, которое необходимо пройти ударной волне от забоя до поршня гидроцилиндра. Время увеличения давления в гидроцилиндре зависит главным образом от количества стыков, содержащих воздушную прослойку и длины бурового става. Оно составляет от 0,03 до 0,1 с и более. В результате скачка давления в гидросистеме возникают отраженные
волны и скачки давления, искажающие информацию об изменении свойств породы. Использование искаженного сигнала не позволяет создать систему с точным регулированием режимных параметров.

Для осуществления автоматического регулирования режимных параметров и одновременного адаптивного устранения критических нагрузок необходимо оценить адаптивные свойства и время переходных процессов электромагнитных устройств. Также необходимо проанализировать поведение и режимы работы электромагнитного устройства, включенного во вращательно-подающий орган бурового станка при бурении сложноструктурных породных массивов.