/
Автор: Гилев А.В. Шигин А.О. Буткин В.Д.
Теги: горные работы при разработке месторождений полезных ископаемых общие вопросы горного дела монография горное дело бурение скважин горные машины месторождения горная промышленность
ISBN: 978-5-7638-2569-5
Год: 2012
Текст
Министерство образования и науки Российской Федерации
Сибирский федеральный университет
А. В. Гилев, А. О. Шигин, В. Д. Буткин
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
РАБОЧИХ ОРГАНОВ
И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ
БУРОВЫХ СТАНКОВ
ДЛЯ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ
ГОРНЫХ МАССИВОВ
Монография
Красноярск
СФУ
2012
Министерство образования и науки Российской Федерации
Сибирский федеральный университет
А. В. Гилев, А. О. Шигин, В. Д. Буткин
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
РАБОЧИХ ОРГАНОВ
И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ
БУРОВЫХ СТАНКОВ
ДЛЯ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ
ГОРНЫХ МАССИВОВ
Монография
Красноярск
СФУ
2012
УДК 622.242
ББК 33.131.5
Г471
Рецензенты:
А. Г. Михайлов, д-р техн, наук, проф, гл. науч, сотрудник ИХХТ СО
РАН;
И. В. Зырянов, д-р техн, наук, заместитель директора по научной
работе Научно-нсследовательского и проектного института алмазодобы-
вающей промышленности «ЯКУТНИПРОАЛМАЗ»
Гилев, А. В.
Г471 Проектирование рабочих органов и режимных параметров бу-
ровых станков для сложноструктурных горных массивов : моногра-
фия / А. В. Гилев, А. О Шигнн. В. Д. Буткнн. - Красноярск : Сиб.
федер. ун-т, 2012. - 320 с.
ISBN 978-5-7638-2569-5
В работе рассматривается современное состояние буровой техники раз-
личных типов для бурения взрывных скважин на карьерах. Исследуются осо-
бенности работы буровых ствиков вращательного бурения и их исполнительных
органов при бурении сложноструктурных породных массивов. Анализируются
проблемы разрушения и низкого ресурса рабочего инструмента, а также нагруз-
ки, действующие на него при бурении технологических скважин. Оценивается
напряженное состояние рабочего инструмента при использовании различных
систем подачи, шарошек при возникновении ударных нагрузок и шарошечного
долота разборной конструкции, а также элементов вращательно-подающего ме-
ханизма. Разработаны принципы и механизм управления режимами бурения
технологических скважин буровыми станками. Исследуются характеристики
электрических машин с целью применения в качестве привода подачи и привода
вращения. Разработан адаптивный электромагнитный механизм подачи рабочего
органа бурового станка на основе линейного двигателя постоянного тока и ли-
нейного асиихрониого двигателя. Исследованы режимы рабочего процесса адап-
тивного электромагнитного привода вращательно-подающего механизма буро-
вого станка.
Предназначено для студентов направления 130100 «Горное дело», спе-
циализации 130400.65.00.09 «Горные машниы и оборудование».
УДК 622.242
ББК 33.131.5
ISBN 978-5-7638-2569-5 © Сибирский федеральный
университет, 2012
ПРЕДИСЛОВИЕ
Базисом всего промышленного производства является горная от-
расль, осуществляющая добычу полезных ископаемых и обеспечивающая
сырьевые потребности не только России, но и других стран. Основные
объемы горной массы подготавливаются к выемке буровзрывным спосо-
бом, одним из главных производственных процессов которого является
бурение взрывных скважин.
Бурение скважин производят не только в горной отрасли. Большие
буровые работы ведут нефтегазовые и строительные предприятия.
В ближайшее десятилетие в России ожидаемые годовые объемы бу-
рения на открытых горных, земляных и строительных работах превысят
60-70 млн м, освоение которых при устаревших существующих способах
бурения потребует списочного состава буровых станков более 2 тыс. ед. и
годового расходования 160-200 тыс. бурового инструмента. Ежегодные
эксплуатационные затраты могут достигнуть более 6 млрд руб., из которых
примерно 60-65 % составят буровые долота.
Самым ответственным, дорогостоящим, высоконагружаемым и из-
нашиваемым звеном бурового станка является буровой орган с вращатель-
но-подающим механизмом. Система «буровой орган — вращательно-
подающий механизм» за последние десятилетия практически не изменяется и
не совершенствуется. В связи с этим рост производительности бурового обо-
рудования практически прекратился и происходит непрерывное значитель-
ное увеличение затрат на буровые работы, приходящиеся на одну скважину.
Буровой орган, состоящий из буровых штанг и бурового инструмен-
та, определяет способ бурения скважин в соответствии со свойствами гор-
ных пород, которые изменяются в широком диапазоне даже в пределах
обуреваемого блока. Производительность станка и стойкость бурового ин-
струмента в этом случае в огромной степени зависит от режима бурения.
Однако режим бурения, прежде всего, определяется типом и харак-
теристикой вращательно-подающего механизма, обеспечивающего и свое-
временно регулирующего скорость вращения и усилие подачи.
Современные буровые станки имеют следующие типы механизма
подачи бурового органа на забой скважины: гидравлический, канатный,
канатно-гидравлический, цепной. В подавляющих случаях указанные ме-
ханизмы усилия подачи на буровой инструмент, при изменяющихся физи-
ко-механических свойствах горных пород (в первую очередь крепости),
регулируют ступенчато. Часто значения этого усилия не соответствуют
требуемым параметрам, что приводит к резкому снижению стойкости бу-
рового инструмента и преждевременному выходу его из строя.
3
Предисловие
Выявленная проблема поставила задачу создания адаптивных меха-
низмов подачи бурового става на забой скважины, обеспечивающих своевре-
менное и плавное регулирование режимов процесса бурения, что создаст
наиболее эффективную работу бурового инструмента, повысит его стойкость
и снизит удельные затраты на процесс бурения технологических скважин.
Объектом исследований в данной работе являются техника и техно-
логия бурения скважин на горных, земляных и строительных работах.
Предметом исследований выступают рабочие буровые органы (буро-
вой став и породоразрушающий инструмент) и механизмы управления ре-
жимами бурения - исполнительные механизмы (вращательно-подающий
и шламоудаления).
Работа имеет прикладной характер в области таких научно-
технических исследований, горное машиностроение, машины и оборудо-
вание для открытых горных работ, горное машиностроение, рабочий инст-
румент горных машин.
Целью научного исследования является разработка адаптивной сис-
темы подачи рабочих органов буровых станков, обеспечивающих повыше-
ние производительности буровых работ и стойкости бурового инструмента
за счет управления режимами бурения в зависимости от изменяющихся
физико-механических свойств горных пород.
К задачам научного исследования относятся следующие:
• анализ проблем прн использовании существующих систем подачн
рабочих органов буровых станков;
• разработка линейного электромагнитного двигателя для системы
подачи рабочего органа бурового станка;
• разработка лабораторного стенда для испытания и снятия характе-
ристик линейного электромагнитного двигателя, предлагаемого для подачи
бурового органа;
• сравнение технических характеристик и технико-экономических
показателей линейного электромагнитного двигателя с показателями су-
ществующих систем подачи рабочих органов буровых станков;
• оценка ресурса рабочего инструмента при использовании электро-
магнитной системы подачи бурового органа в сравнении с существующи-
ми системами на буровом станке;
• разработка системы управления режимами бурения применительно
к изменяющимся физико-механическим свойствам горных пород при ис-
пользовании электромагнитной системы подачи бурового става.
Расчеты напряженно-деформированного состояния бурового инст-
румента осуществлялись совместно с канд. гехн. наук, доцентом С. В. До-
рониным (ИВМ СО РАН).
4
1. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ
БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ДЛЯ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ
1.1. Объемы и способы бурения на карьерах
Соотношение различных способов бурения зависит от многих фак-
торов (горнотехнических, экономических), но главным образом от горно-
геологических условий и коэффициента крепости горных пород, значения
которого (по шкале М. М. Протодьяконова) для вскрышных массивов на
разрезах угольной промышленности России представлены в табл. 1.
В табл. 2 приведены ориентировочные данные ИГД им. А. А. Ско-
чи некого о распределении обуриваемой горной массы по крепости горных
пород на карьерах СССР в доперестроечный период.
Таблица 1
Соотношение вскрышных породе различными прочностными свойствами
на разрезах угольной промышленности России
Характеристика горных пород Коэф- фици- ент крепо- сти/ Соотношение вскрышных пород различной крепости на основных угольных разрезах Востока России, %
Куз- басс Канско-Ачинский и Минусинский бассейны Южно- Якутский бассейн Восточно- Сибирский бассейн
Четвертичные отло- жения 16 6,3 7 32
Алевролиты и аргил- литы 3-6 15 57,4 10,5 25
Песчаники: крупнозернистые 3-5 5 3,8 18,1 20
среднезернистые 6-8 11 11,2 22,8 2
мелкозернистые 8-12 31 21 38,6 18
Конгломераты, галеч- ники, крепкие извест- няки 8- 16 22 0,3 3 3
Всего: 100 100 100 100
5
1. Совершенствование бурового оборудования для открытых горных работ
Таблица 2
Распределение обуриваемой юрной массы по крепосш юрных пород, %
Отрасль промышленности Коэффициент крепости горных пород/
до 5 5-10 10-15 15-20
Угольная промышленность 54-66 24-34 10-15 2 3
Железорудная промышленность 5-13 30-36 37-54 10 16
Цветная металлургия 5-16 44-51 20-5 14 19
Промышленность нерудных по-
лезных ископаемых 6-10 33-35 48-51 8-9
Из табл. 1, 2 следует, что на угольных разрезах более 60 % объема
буримых пород характеризуются коэффициентом крепости f < 7, при бу-
рении которых наиболее высокие технико-экономические показатели
имеют долота режущего действия (РД). Однако практически на угольных
разрезах долотами РД выполняется лишь 30-35 % объема буровых работ, а
остальные 65 70 % - шарошечными долотами. В других отраслях про-
мышленности, где применяют буровые работы, доля использования РД
еще меньше.
Устранение диспропорции между соотношением применяемых долот
по типам (ШД, РД, и др.) и соотношением объемов разрабатываемых пород
по крепости только по разрезам угольной промышленности позволяет по-
высить среднюю производительность буровых станков со 182 до 280 м/см
(рис. 1) и снизить стоимость бурения 1м скважины более чем в 1,5 раза,
что характеризуется экономией материальных и энергетических ресурсов
по отрасли на несколько миллиардов рублей.
Эти данные показывают возможность значительного расширения
объема бурения резанием и повышения технико-экономических показате-
лей буровых работ при более высоком уровне качества долот режушего
действия.
В настоящее время определить объемы бурения на карьерах России
можно лишь приближенно. После распада СССР и перехода к рыночной
экономике масштабы добычи угля и других полезных ископаемых откры-
тым способом существенно снизились, но в настоящее время достаточно
быстро восстанавливаются. Значительные объемы добычи цветных ме-
таллов, железных руд и угля остались в Казахстане (ССГОК, Экибастуз-
ский бассейн и др.), Средней Азии и Украине (Криворожский и другие
бассейны).
Вместе с тем основные районы угледобычи находятся на Востоке
России и в них происходит наращивание объемов, особенно в Кузбассе,
где в ближайшие 5-7 лет объемы бурения на разрезах превысят 12-13 млн м.
6
1.1. Объемы и способы бурения на карьерах
В Канско-Ачинском и Минусинском бассейнах, кроме разрезов «Бо-
родинский» и «Изыхский», на которые приходились основные объемы бу-
ровых работ, возникли 27 новых развивающихся малых разрезов. С учетом
Кайерканского разреза (Норильский ГМК), Каа-Хемского (Республика Тыва)
и других в этом регионе Центральной Сибири объемы бурения приближа-
ются к доперестроечному периоду. В этом же регионе значительное разви-
тие получили карьеры по добыче золота из коренных месторождений
(Олимпиадинское и др.), магнезитов, свинцово-цинковых, молибденовых и
других руд, а также сырья для алюминиевых заводов.
Рис. 1. Графики повышения производительности и сни-
жения стоимости буровых работ на разрезах, при уве-
личении объемов бурения долотами режущего действия
Практически не уменьшились и в настоящее время увеличиваются
объемы бурения на алмазодобывающих карьерах Якутии.
В ближайшее десятилетие в России ожидаемые годовые объемы бу-
рения на открытых горных, земляных и строительных работах превысят
60 млн м скважин, освоение которых при существующих устаревших сред-
ствах бурения потребует списочного состава буровых станков (БС) более
1500 ед. и расходования в год 160 200 тыс. буровых инструментов (БИ).
Ежегодные эксплуатационные затраты могут достигнуть 6 млрд руб., из
них примерно 60-65 % составят затраты на БИ.
При этом в последнее время преобладает использование долот диа-
метром 244,5 мм, в меньшей степени - диаметрами 269,9; 320 и 190-215,9 мм
(угольные разрезы). Шарошечные долота диаметром 140-161 мм не имеют
7
1. Совершенствование бурового оборудования для открытых горных работ
больших перспектив из-за малой стойкости опор и неконкурентоспособно-
сти по сравнению с режуще-ударным инструментом ГРУИ) в крепких по-
родах и режущими долотами в некрепких породах.
Соотношение различных способов бурения будет изменяться, их вы-
бор будет определяться горнотехническими факторами и экономическими
показателями. Решающее значение при этом имеет не только крепость по-
род, но и требуемый диаметр скважин, зависящий от блочности (трещино-
ватости) взрываемых горных массивов и рациональности вида используе-
мого взрывчатого вещества.
До перестроечного периода в СССР объем бурения на карьерах со-
ставлял около 60 млн м скважин в год, из них на угольных разрезах около
27-28 млн м в год. на карьерах по добыче нерудных полезных ископаемых
(горно-химическое и горно-металлургическое сырье, строительные мате-
риалы и др.) около 15-17 млн м [4]. В 1987 г. на угольных разрезах
18,5 млн м скважин было пробурено станками шарошечного бурения
и 9,5 млн м — станками шнекового бурения [1]. В Кузбассе в 1990 г. объем
бурения составлял 11,445 млн м. Примерное распределение объемов буре-
ния по крепости горных пород, по опытным и расчетным данным, приве-
денным к условному диаметру скважин 220 мм, приведено в табл. 3.
Таблица 3
Динамика изменении объемов бурения на карьерах
Годы Объем бурения, млн м
Всего В том числе породы с коэффициентом крепости/
до 5 5-10 10-15 15-20
1970 44,8 7,7 15,0 15,5 6,5
1980 57,7 Н,9 20,2 18,2 7,4
1985 60,0 12,0 22,0 18,5 7,5
Характерно, что объемы бурения (табл. 3) по породам с коэффициен-
том крепости f = 5-20 составляют около 80 %, что соответствует доле ша-
рошечного бурения на карьерах в тот период.
С учетом отмеченных изменений ориентировочные расчетные дан-
ные об ожидаемых (к 2005-2010 гг.) на карьерах России объемах бурения,
расходах шарошечных долот и затратах на них приведены в табл. 4.
Как следует из табл. 4, на карьерах расходуется ежегодно около
80 тыс. шарошечных долот с годовыми затратами более 2 млрд руб.
В угольной промышленности в свое время наряду с бурением реза-
нием и шарошечным использовался ударно-вращательный способ бурения
станками Урал-61 (Южный Кузбасс, Минусинский бассейн и др.).
8
1.1. Объемы и способы бурения на карьерах
Таблица 4
Показатели бурении на карьерах России в 2005-2010 и.
Группы карьеров Объемы буре- ния, млн. м Средняя стой- мость шаро- шечного долота, тыс. руб. Средняя стой- кость шаро- шечного долота, м Средний годовой расход шаро- шечных долот, тыс. шт. Годовые затраты на шаро- шечные долота, млрд руб.
Все- го В том числе ша- рошечны- ми доло- тами
Угольные карьеры Карьеры цветных металлов, железорудные и алмазодо- бывающие Карьеры по добыче неруд- ных полезных ископаемых (горно-химическое и ме- таллургическое сырье, строительные материалы 17 11 12 9 10,8 7,5 20 34 20 800 200 500 11 54 15 0,22 1,83 0,3
Всего 40 27,3 - - 80 2,35
В настоящее время на разрезах применяется только вращательное
бурение шарошечными и режущими долотами благодаря совершенство-
ванию технологии взрывных работ, причем увеличиваются масштабы бу-
рения резанием. Этому способствовала выдвинутая в 1961 г. учеными
НИИОГР в работе идея о применении режущих долот на шарошечных
станках с очисткой скважин сжатым воздухом вместо шнековой. Начатые
в этом направлении первые опыты НИИОГР в промышленных условиях
подтвердили плодотворность данной идеи, поскольку шарошечные станки
позволяли изменять осевые нагрузки и скорости вращения режущего доло-
та в более широких диапазонах, чем это возможно на существующих стан-
ках СВБ-2М со шнековой очисткой скважин.
Ударно-вращательный способ бурения в значительных объемах
сохранится на малых карьерах строительных материалов при проходке
скважин диаметром 105 160 мм в породах высокой крепости при по-
вышенных требованиях к кусковатости взорванной горной массы. На
этих карьерах будет расширяться бурение резанием в слабых породах,
а также режуще-ударный способ при проходке скважин в перемежаю-
щихся по крепости породах. На крупных рудных карьерах преобладаю-
щим останется шарошечный способ проходки скважин увеличенного
диаметра (250-320 мм).
S
1. Совершенствование бурового оборудования для открытых горных работ
1.2. Буровые станки. Развитие
и современное состояние
На карьерах России применяют буровые станки типа СБШ (станок
буровой шарошечный), СБР (станок бурения резанием), СБУ (станок буро-
вой ударио-вращательиого действия) и комбинированные (в типаже обо-
значенные СБУШ), рассчитанные на использование шарошечных, режу-
щих, пневмоударных и других буровых инструментов. Есть также станки
СБШ-250 МНР, предназначенные для шарошечного бурения взрывных
скважин с последующим расширением их заряжаемой части термическим
расширителем с мощной высокотемпературной огнеструйной горелкой
воздушно-керосинового и других типов.
Станки шарошечного бурения
Начиная с 60-х гг. прошедшего столетия наибольшее развитие на
отечественных карьерах получили станки шарошечного бурения. На основе
исследований ИГД им. А. А. Скочинского, МГТУ и Челябинского филиала
ВУГИ (преобразованного затем в ЧНИИГД и НИИОГР) и на базе испытаний
целого ряда экспериментальных моделей шарошечных станков были созданы
опытно-промышлеиные образцы двух характерных типов: БСШ-1 (институт
Гипроуглеавтоматизация) и СВБК-150 (Коркинский экскаваторовагоноре-
монтный завод совместно с Челябинским филиалом ВУГИ, 1957 г.).
Станок БСШ-1 лег в основу серийного стайка СБШ-200. На основе
станка СВБК-150 была выпущена крупная партия станков СВБК-200, ко-
торые успешно эксплуатировались иа угольных разрезах более 15 лет.
Примененная на станках СВБК-150 и СВБК-200 канатно-полиспастиая схе-
ма механизма подачи была принята в буровом станке СБШ-250, а затем иа
станке СБШ-320. Так образовались две базовые модели станков шарошечно-
го бурения СБШ-200 и СБШ-250, которые проходят длительный этап эво-
люционного развития до сих пор. Эти станки отличаются принципом по-
строения вращательио-подающих механизмов (ВПМ), определяющим кон-
структивный облик и технологические особенности (возможности) станка.
Станки группы СБШ-200 имеют роторио-патронную схему ВПМ с
иижиим стационарным расположением вращателя, передачей осевого уси-
лия и крутящего момента на образующую бурильной штанги через за-
жимной патрон (рис. 2).
Усилие подачи создается двумя гидроцилиндрами, питающимися от
одного или даух насосов нерегулируемой производительности с предохрани-
тельным клапаном. К преимуществам такой схемы относятся стационар-
ность привода вращателя, возможность значительного облегчения мачты,
10
1.2. Буровые станки. Развитие и современное состояние
большая устойчивость станка при передвижении. К недостаткам можно отне-
сти ограниченность величины осевой нагрузки и крутящего момента из-за
проскальзываемых кулачков патрона (особенно в зимних условиях); большие
затраты времени на вспомогательные машинные операции; невозможность
применения штанг различных диаметров и тем более шнековых штанг.
Станки группы СБШ-250 имеют схему передачи осевого усилия и
крутящего момента иа торец штанги от шпинделя (с гидромуфтой) редук-
тором вращателя, который перемещается вдоль мачты канатным полиспа-
стом. Усилие подачи создается от двух гидроцилиидров (рис. 3).
Рис. 2. Кинематическая схема вра-
щательно-подающего механизма
станка 2СБШ-200Н: 1 зажимные
кулачки; 2 зажимной патрон, 3
штанга; 4 шток гидроцилиндра
подачи: 5 - пустотелый шпиндель
гидропатрона; 6 — вращатель (ре-
дуктор); 7 - электродвигатель по-
стоянного тока ДПВ-52; 8 травер-
са; 9 — лебедка с трехкратным поли-
спастом для подъема бурового става
Рис 3. Кинематическая схема
вращательно-подающего меха-
низма станка СБШ-250МН-32:
1 электродвигатель постоянно-
го тока; 2 - редуктор вращателя;
3 шинно-шлицевая муфта: 4 —
опорный узел; 5 четырехкратная
канатно-полиспастная система
подачи; 6 колонна вращаю-
щихся штанг; 7 - гидроцилиндр
подачи: 8 - механизм свинчива-
ния-развинчивания штанг
К преимуществам торцевой (шпиндельной) схемы относятся: про-
стота. надежность, возможность создания больших осевых усилий и кру-
тящих моментов, а также благоприятность применения штанг (трубчатых и
11
1. Совершенствование бурового оборудования для открытых горных работ
шнековых) и долот различного диаметра. Недостаток схемы — необходи-
мость утяжеления мачты, по которой должен перемещаться тяжелый круп-
ный вращатель, что обусловливает значительную массу станков, периоди-
ческие перемещения на большую высоту пневматических, гидравлических
шлангов и электрических кабелей и др.
Применяемые на станках типоразмеров СБШ -200 и СБШ-250 гид-
роприводы подачи, состоящие из маслонасоса нерегулируемой производи-
тельности с предохранительным клапаном и гидроцилиндров с дросселем
на сливе, имеют жесткие (неэластичные) характеристики, что необходимо
учитывать при разработке и оценке режимов бурения пород средней кре-
пости и слабых в особенности режущими долотами. Более благоприятны
системы подачи с тяговой лебедкой, как это имеет место на станках
СБШ-250/270 (РД-10) и СБШ 320. Стойкость буровых долот при системе
подачи с тяговой лебедкой оказывается более высокой.
Создание и совершенствование отечественных буровых станков
осуществлялось на основе их типоразмерного ряда для механического бу-
рения взрывных скважин на открытых горных разработках (табл. 5).
По мере освоения конструкции СБШ типаж был расширен по нор-
мативным показателям и моделям станков (табл. 6), в соответствии с ко-
торым был издан ряд модификаций станков двух указанных групп.
Совершенствование станков осуществляется в следующих направле-
ниях: увеличение длины штанг до 12-20 м (в том числе возможность буре-
ния одной щтангой длиной 20 м); переход на питание приводов станка на
высокое напряжение, широкое применение гидроприводов механизмов,
совершенствование приводов вращателя и систем автоматического управ-
ления, применение кабельных барабанов; увеличение производительности
компрессорных станций и т. д.
По станкам типоразмера СБШ-200 были изготовлены модернизации
2СБШ-200Н (2СБШ-200-32), ЗСБШ-200-60, 4СБШ-200-40, 5СБШ-200-55.
Из них наилучшие результаты имеют станки 2СБШ-200Н и ЗСБШ-200-60,
среднемесячная производительность которых на разрезах Кузбасса почти в
два раза превышает производительность более мощных станков СБШ-
250МНА и СБШ-250-55 в тех же условиях [1]. Остальные модернизации
станков этого типоразмера не получили развития.
По станкам второй группы (типоразмер СБШ-250) самой отработан-
ной является модель СБШ-250МНА-32, имеющая наибольшее распростра-
нение. Другие модификации этого станка (СБШ-250-36, СБШ-250-20,
СБШ-250-55) пока не нашли широкого применения либо были сняты с
производства (СБШ-250-55). Перечень станков, выпускаемых ОАО Руд-
гормаш (г. Воронеж) в настоящее время, показан в табл. 7.
12
Таблица 5
Типы н основные параметры станков дли бурении скважин на открытых работах
Наименование параметра Норма для типоразмеров
СБШ- 160|СБШ-200|СБШ-250 СБШ-320 СБШ-400 СБР-125 СБР-160 |СБР-100 СБУ-125 СБУ-160|СБУ-200
Условный диаметр скважины, мм 160 200 250 320 400 125 160 100 125 160 200
Глубина бурения, м 35 55 75 110 150 10 25 4 10 30 40
Частота вращения долота (максималь- ная), об/мин 200 150 150 150 150 150 200 76 75 60 60
Нагрузка на долото (максимальная), кН 150 300 300 600 600 40 65-80 7 20 25 30
Энергия удара пневмоуд арн ика, Дж 90 150 280 420
Масса станка, т 35 55 75 ПО 150 10 25 4 10 30 40
1. Совершенствование бурового оборудования для открытых горных работ
Типаж c iaiiKOB СБШ для бурения взрывных скважин
па О1Крьпых горных pa6oiax
Таблица 6
Модель базового станка Д, мм я, м а, град f п, м/ч М, кг/м3 э, МДж/м3
Типоразмер СБШ-160
СБШ-160-46 160 48 0;15;30 9000 8-10 20 14,2 1 1080
Типоразмер СБШ-200
2СБШ-220-32 200 32 0 11000 8-10 20 7,2 936
4СБШ-200-40 200 40 0;15;30 11000 8-10 18 8,8 1026
2СБШ-200Н-40 200 40 0;15;30 11000 8-10 18 8,8 1026
ЗСБШ-200-60 200 60 0;15;30 12000 8-10 23 6,9 846
СБШ-200-55 200 55 0;15;30 15000 8-10 24 6,7 972
Типоразмер СБШ-250
СБШ-250-МНА-32 250 32 О;15;30 11500 12-14 15 7,7 1044
СБШ-250-20* 250 20 0;15;30 16500 12-14 22 4,3 828
СБШ-250-55 250 55 0;15;30 16500 8-10 22 3,28 745
Типоразмер СБШ-320
СБШ-320-36 (СБШ-320М) 320 36 0;15;30 20000 16-18 13 5,3 1548
Типоразмер СБШ-400
СБШ-400-55 (СБШ-320/380НС) 400 55 0;15;30 22500 10-12 25 2,3 1002
СБШ-400-20* 400 20 0;15;30 22500 10-12 29 2,6 864
Примечание. Д условный диаметр скважины, И - глубина бурения, а — угол
наклона скважины. ресурс до первого капитального ремонта, / - крепость горной
породы, П техническая производительность, М - удельная масса, Э удельный рас-
ход электроэнергии при бурении, * станки для бурения одной штангой длиной 20 м.
Таблица 7
CianKii, выпускаемые ОАО Рудюрмаш
Тип станка Цена, долларов США
СБШ-250МНА-32124 исполнение) 349394
СБШ-250МНА-32 (с сухим пылеулавливанием) 369085
СБШ-250МНА-32 (высоковольтное питание) 386254
СБШ-190/250-60 378672
СБШ-РД-10-00 625964
СБШ-РД-10-02 821192
СБШ-РД-10-04 661411
СБШ-РД-10-08 625062
14
1.2. Буровые станки. Развитие и современное состояние
Для бурения глубоких контурных скважин и технологических
взрывных скважин, а также скважин специального назначения указанным
выше предприятием выпущен станок СБШ-190/250-60 [8].
Для бурения на уступах, представленных крепкими породами круп-
ноблочного строения, а также на объектах транспортного, гидротехниче-
ского строительства и на карьерах небольшой производственной мощности
нужен легкий станок типа СБШ-160. Существуют легкие станки этого
класса, типов БТС-2, БТС-150, БТС-150М, смонтированные на тракторе и
имеющие прицепной компрессор. Был создан опытный образец двух-
шпнндельного станка 2СБШ-160, не получивший развития. На некоторых
карьерах для глубокого бурения скважин диаметром 110-125 мм использо-
вали станки СБУ-125 с погружными пневмоударниками, но их производи-
тельность была в два-три раза ниже, чем у шарошечных.
Фирмой Транстехновация и Московским университетом путей со-
общения созданы опытные образцы станков СБШ-160 и БТС-150К с уста-
новленными на платформе компрессором и мачтой с механизированной
сборкой-разборкой бурового става. Эти станки при использовании проти-
вовибрационных буровых ставов могут бурить с высокими скоростями
вращения долот (табл. 8).
Таблица 8
Технические характеристики панков шарошечною бурения
с повышенной скоропыо крашения jiojioia
Технические данные БТС-150М СБШ-160 БТС-160К
Диаметр скважины, мм Глубина бурения, м Максимальное усилие подачи, кН Частота вращения бурового става, мин База станка Масса, т 150 32 120 130; 360 Трактор Т170М01 21 160 32 150 0-200 Трактор Т170М01 25 160; 190 32 180 0-350 Тележка экскаватора ЭО-4225 35
В 2002 г. ОАО Рудгормаш изготовил и поставил на испытания буро-
вой станок СБШ-160 Доломит.
До настоящего времени окончательно не решена проблема создания
конструкций станков тяжелого типа. На отдельных карьерах находятся в
эксплуатации тяжелые станки для бурения скважин диаметром 320 мм с
роторной схемой БАШ-250 (320), с торцовой схемой - СБШ-320, опыт-
ные модели станков Руслан на пневмоколесном ходу, СБШ-400 для долот
диаметром 395 мм.
15
1. Совершенствование бурового оборудования для открытых горных работ
Кинематическая схема ВПМ станка СБШ-320 показана на рис. 4. Та-
кую же систему подачи имеет станок РД-10. В станке СБШ-320 усилие по-
дачи создается лебедками 10 и предается на опорный узел 4 через канат 14,
огибающий последовательно несколько раз приводные барабаны лебедки 10.
В период бурения усилие подачи создается гидромотором 7.
Рис. 4. Кинематическая схема вращательно-подающего
механизма станка СБШ-320: 1 »лектродвигатель; 2
редуктор; 3 шинно-шлицевая муфта; 4 опорный
узел: 5 блоки натяжных устройств; 6 штанга; 7 —
гидромотор; 8 - электродвигатель; 9 приводной ба-
рабан; 10 - цебедка; 11 натяжное устройство; 12
рычаг; 13 блоки натяжных устройств; 14 канат;
15 верхние блоки
Потребности отечественных карьеров в мощных буровых станках
удовлетворялись приобретением зарубежных машин. На ряде угольных
16
1.2. Буровые станки. Развитие и современное состояние
разрезов Кузбасса и Якутии станки 60R фирмы Бюсайрус Ири и М-4 фир-
мы Марион успешно работали более 15 лет, а на некоторых разрезах нахо-
дятся в эксплуатации и сейчас. Сменная и месячная производительность
этих станков была в 3 5 раз выше, чем отечественных СБШ-250МН и
СБШ-320. Более высокая производительность зарубежных машин достига-
ется, прежде всего, за счет качества изготовления, надежности, эффектив-
ности технического обслуживания и эксплуатации, применения электрон-
ных систем управления и диагностики.
Фирма Бюсайрус Ири (США) выполняет в основном мощные элек-
троприводные шарошечные станки 47-R, 60-R, 65-R, 67-R и другие для до-
лот диаметром, главным образом, 273, 311, 381, 405 мм, массой 140 180 т,
мощностью 600-770 кВт. Длина штанг составляет 15 19.8 м. Тип ВПМ
шпиндельный (торцовый) с перемещением каретки вращателя вдоль мачты
с помощью зубчато-реечного механизма. Станки 60/61-R имеют реечно-
цепную подачу.
Станки шарошечные фирмы Марион (США) имеют верхний элек-
трический вращатель, цепную подачу, действующую от гидромоторов. На
разрезе Нерюнгринский эксплуатировались станки М4-СС (диаметр долота
311 мм, три штанги длиной по 16,7 м, общая мощность 410 кВт, масса 120 т).
На этом же разрезе в 1997 г. введен в эксплуатацию станок шарошечного
бурения типа ДМ-Н фирмы Ингерсол-Ранд (США). Технические характе-
ристики ДМ-Н показаны в табл. 9.
Таблица 9
Сравнение показателем ряда станков фирмы Ингерсол-Ранд
со станком СБШ-250
Показатели СЫН-250 ДМ-М2 ДМ-Н
Диаметр скважины, мм Глубина бурения, м Угол наклона скважины, град. Осевое давление на забой, кН Частота вращения долота, мин 1 Момент на долоте, кН-м Скорость вращения бурового снаряда, м/мин: подъем спуск Производительность, км/г Установленная мощность, кВт Длина штанг, м Масса,т 244,5; 270 32 0; 15; 30 300 0-150 6 7 8 50 398 8 66-71 229; 270 53,4 0.5; 10; 20: 30 340 0-150 Н,7 25,6 25,6 120 130 10,7 56,7 229-381 76 0.5: 10: 20; 25; 30 497 0-150 17,6 до 20 до 20 102- 140 373 9; 13,7; 16,8; 19,8; 111
17
1. Совершенствование бурового оборудования для открытых горных работ
Данные машины рассчитаны на возможность бурения скважин раз-
личного диаметра от 229 до 381 мм. Они могут комплектоваться как ди-
зельным, так и электрическим приводом, штангами длиной 13,7; 15,24; 16,7
и 19,8 м, компрессорами производительностью 29,7; 39,6 и 73,6 м3/мин. Вра-
щение долота осуществляется от двух аксиальных поршневых гидравличе-
ских двигателей переменной производительности мощностью по 231 кВт
каждый. Скорость вращения плавно изменяется от 0 до 150 об/мин при
максимальном моменте 17890 Н м.
Имеются системы мокрого и сухого пылеподавления, центральной
смазки и пожаротушения, дистанционного управления перемещением ус-
тановки, автоматического горизонтирования и бурения. Машинист работа-
ет с двумя системами управления: с экраном дисплея на жидких кристал-
лах и ручным терминалом. Системы легко переключаются с автоматиче-
ского на ручное управление.
Тяжелые зарубежные станки имеют высокую стоимость (от 1,5
до 2,5 млн дол. США и более). Стоимость отечественного станка РД-10 со-
ставляет 370 тыс. дол. США, а опытный тяжелый станок СБШ-320 произ-
водства Ижорского завода имеет стоимость 625 тыс. дол. США. Однако,
по мнению специалистов в работе [5], несмотря на более высокую произ-
водительность и надежность в эксплуатации зарубежных машин (не менее
чем в 4 5 раз) по сравнению с отечественными станками, расходы на обу-
ривание 1 м3 пород будут примерно одинаковыми.
Таблица 10
Технико-эксплуатационная характерно!ика панков типа СБШ
Показатели Типы станков
СБШ-200Н (СБШ-200-32) ЗСБШ-200-60 СБШ-250- МНА СБШ-320М (опытный)
Диаметр скважин, мм 215,9;244.5 215.9;244.5 244,5;269.9 320
Глубина бурения, м 32 60 32 36
Длина штанги, м 8 12 8/12 17,5
Ход непрерывной подачи, м 1 1 8 17,5
Усилие подачи, кН 250 300 300 500
Частота вращения, с Мощность привода, кВт: 0,2-4 0,2-2,5 0,2-2,5 0-2,1
врашателя 52 68 68 100
компрессора Расход сжатого воздуха, м3/с 150 200 200 400
Масса станка, т 0,41 0,53 0,53 0,83
Среднемесячная производи- 50 62 71,5 ПО
тельность {на разрезах, тыс. м 2,6 5,3 3,8 2,5
Годовой объем работ, тыс. км 2,28 2,44 0,73 0,03
18
1.2. Буровые станки. Развитие и современное состояние
Подводя итог рассмотренных отечественных станков типа СБШ,
следует отметить, что в эксплуатации находятся наиболее отработанные и
серийные станки средней массы СБШ-200Н, ЗСБШ-200-60 и СБШ-250
МН А. Их основные параметры и характеристики даны в табл. 10. Станки
СБШ-320 и СБШ-160 находятся в стадии освоения, имеется несколько
опытных переходных моделей, работа над которыми не завершена.
Станки вращательного бурения резанием
Обратимся к рассмотрению станков вращательного бурения резанием
(СБР). Среди станков вращательного бурения резанием со шнековой очисткой
скважин длительное время (даже к началу 80-х гг.) основным являлся станок
СВБ-2М, созданный на основе станка СВБ-2 и имеющий весьма низкую сте-
пень механизации. Станок СВБ-2М имеет короткие шнеки (1,85 м), наращи-
ваемые и разбираемые вручную. Осевое усилие на долото у первых моделей
составляло всего 18 кН (СВБ-2), затем 50 кН, число оборотов долота 120 и
200 об/мин по условиям обеспечения шнековой очистки скважины.
Взамен станка СВБ-2М был создан станок СБР-160, а затем его мо-
дификация СБР-160А-24, которая была в 3 раза тяжелее и 5 раз дороже
своего предшественника (табл. 11). Длина штанги была увеличена до 8,25 м,
усилие подачи - до 80 кН. Трудоемкие операции по сборке-разборке бурового
става облегчились, но не исключили ручных операций из-за сохранения паль-
цевого соединения штанг. Производительность выросла незначительно, а се-
бестоимость бурения возросла в 1,5—2 раза. Модернизированный вариант
станка СБР-160А-24, выпускаемый под маркой СБР-160Б-32, имеет глубину
бурения до 32 м и оснащен кабельным барабаном.
Таблица 11
Техническая характерипика с i анков вращательною бурения резанием
Показатель СБР-160А-24 СБР-160Б-32 2СБР 160-24 СВБ-2М
Диаметр скважины, мм 160 160 160 160
Глубина скважины, м 24 32 24 25
Направление бурения к вертикали, град 0;15;30 0;15;30 0;15;30 0
Частота вращения долота, с-1 1,7; 2,2; 3,3 1,7; 2,2; 3,3 0,7; 1,4; 2,1; 3 2; 3,3
Длина штанги, м 8 8 4 1,85
Установленная мощность, кВт 184 184 112 72
Мощность вращателя, кВт 36/40/50 36/40/50 — 40
Крутящий момент, кН-м 12 12 — 10
Усилие подачи, кН 80 80 70 50
Скорость подъема става, м/с 0-0,05 0,05 0,09 0-0,16
Скорость опускания става, м/с 0,5 0,5 0,37-0,53 —
Масса, г 25 35 18 9,25
19
1. Совершенствование бурового оборудования для открытых горных работ
Более совершенным является станок 2СБР-160-24, рассчитанный на
применение высокомоментного гидродвнгателя вращателя. Используются
укороченные шнековые штанги длиной 4 м с резьбовым соединением, что
позволяет полностью механизировать процесс сборки-разборки бурового
става, как и в станках типа СБШ. Эти станки могут переоборудоваться для
использования шнекопневматической очистки скважнн с подачей сжатого
воздуха на забой скважины через внутренний канал штанг от компрессора.
Совершенствование станков СБР продолжается. Конкуренцию им составля-
ют рассмотренные выше станки типа БТС и осваиваемый станок СБШ-160.
Станки комбинированного бурения
Практические работы по созданию станков комбинированного буре-
ния начали интенсивно развиваться в угольной промышленности в связи с
освоением Канско-Ачинского угольного бассейна. Принципы комбиниро-
ванное™ заключаются в применении на одном станке не только различных
способов бурения (шарошечного, режущего и ударно-вращательного), но и
различных способов очистки скважин (шнекового, пневматического и
шнекопневматического). Новый подход к созданию буровых станков обу-
словлен необходимостью повышения эффективности бурения скважин в
сложноструктурных массивах горных пород, который в настоящее время
становится одним из перспективных направлений развития буровой техни-
ки для карьеров.
В Канско-Ачинском угольном бассейне, где во многих вскрышных
уступах, в толще водонасыщенных, вязких глинистых фракций залегают
линзы и прослон крепких песчаников (мощностью от 0.3 до 6 м) с f= 6 12,
шарошечное бурение даже с многократным увеличением крутящего мо-
мента и повышенным расходом сжатого воздуха не дает хороших резуль-
татов. Вынос из скважины влажных и липких пород при глубине скважины
2 3 м не происходит и бурение прекращается. Бурение станками СВБ-2М
и СВБ-2 в этих условиях также не эффективно (низка их производитель-
ность, высок расход бурового инструмента и интенсивный рост мощности
вращателя с увеличением глубины скважины). Производительность этих
шнековых станков прн наличии включений крепких песчаников (f= 10) 75,
50 и 25 % составляла соответственно 14, 30 и 50 м/см.
В 1966 г. НИИОГРом на разрезе «Ирша-Бородннский» были прове-
дены первые промышленные эксперименты по бурению скважнн на слож-
ноструктурных уступах с шнекопневматической (шнековоздушной) очист-
кой скважин [2, 26]. Для экспериментов использовали станок СВБК-200,
переоборудованный для бурения как со шнековыми штангами с каналами
для подачи сжатого воздуха, так и с гладкоствольными.
20
1.2. Буровые станки. Развитие и современное состояние
Бурение велось шарошечными и режущими долотами (типа ДР и
ДРВ) диаметром 190-214 мм при различных комбинациях способов очист-
ки скважин и производительности компрессоров -9, 12 и 17 м3/мин. Осе-
вая нагрузка на долото изменялась от 20 до 120 кН, а частота вращения -
от 80 до 124 мин-1. Величины режимных параметров, скорость проходки
и мощность вращателя фиксировались в процессе бурения на самопи-
шущих приборах. Результаты экспериментального бурения представле-
ны на рис. 5.
Наиболее рациональным по скорости бурения и удельной энергоем-
кости оказался шнекопневматический способ очистки скважин с помощью
специальных шнеков диаметром 190 мм, имеющих центральный проду-
вочный канал и герметически соединенных между собой. При бурении ус-
танавливались силовые режимы бурения (высокие осевые нагрузки и уме-
ренные числа оборотов долота). Режущие долота образовывали крупные
частицы породы пластинчатой формы, а шарошечные (типа ТК) - частицы
меньших размеров, форма которых приближается к изометрической. В ис-
следованных условиях по скорости бурения и мощности шнекопневмати-
ческая очистка намного эффективнее пневматической в слабых и влажных
породах, при переходе в крепкие породы разница по мере роста глубины
бурения уменьшается.
На базе выполненных исследований были созданы и приняты к про-
изводству новые станки комбинированного бурения СБШК-200 (рис. 6) и
2СБР-125 (рис. 7), параметры и показатели которых даны в табл. 12. Стан-
ки СБШК-200 и 2СБР-125 имеют гидравлические вращатели с увеличен-
ными величинами мощности и крутящего момента и рассчитаны на сило-
вое резание горных пород. У станка СБШК-200 удельная нагрузка на доло-
то составляет 9,3 кН/см против 1,2 кН/см у станка СВБ-2М. Впоследствии
принцип комбинированности способов бурения, а затем и способов очист-
ки скважин, нашел отражение в станках БТС-150, БТС-500 и других, при-
менявшихся на горных работах при строительстве БАМа.
Исследования Н. Н. Мотыля (1978) показали, что шнекопневма-
тическая очистка скважин имеет ряд преимуществ при бурении и в не-
осложненных условиях. Он предложил применять шнекопневматиче-
скую очистку в режиме псевдоожижения бурового шлама в забойном
пространстве скважины, что существенно повысило скорость бурения и
снизило энергоемкость шнековой очистки. Этот способ привлекателен
и тем, что при поддержании режима псевдоожижения (в отличие от ре-
жима пневмотранспорта) буровой мелочи в пределах скважины можно
исключить необходимость установки на станке громоздкой системы
пылеулавливания.
21
1. Совершенствование бурового оборудования для открытых горных работ
Бурение резанием /суглинок, едина!
Рис, 5, Сравнение способов бурения на разрезе «Ирша-
Бородинский» при пневматическом (воздушном) В, шне-
ковом Ш и шнекопневматическом ШВО способах очист-
ки скважины (промышленные эксперименты на станке
СБШК-200): а - шарошечное бурение; б - бурение резанием
(в суглинках и глинах)
22
1.2. Буровые станки. Развитие и современное состояние
Рис. 6. Комбинированный буровой станок
СБШК-200
Рис. 7. Комбинированный буровой станок
2СБР-125
23
1. Совершенствование бурового оборудования для открытых горных работ
Таблица 12
Основные парные 1ры и показа гели панков комбинированною бурении
Показатели Новые станки Прежний станок
СВБК-200 2СБР-125 СВБ-2М
Диаметр долота, мм Глубина бурения, м Длина штанги, м Осевая нагрузка. кН Частота вращения долота, мин-1 Расход сжатого воздуха, м3/с Номинальный крутящий момент на долоте, кН.м Установленная мощность, кВт Диаметр штанг, м: гладкой шнековой Способ очистки скважины * Тип бурового инструмента ** Масса станка, т Производительность, м/см Стоимость бурения, % 190; 214 до 50 12 до 200 до 180 0,416 4,4-9,7 337 168 208 ш, п,шп Р,Ш,К 48,2 140-270 68 118; 125 до 30 4,2 до 45 до 340 0,11 1,6 98 95 120 Ш, П, ШП Р, Ш, К 12 135-260 31 160 до 25 1,85 12U-200 10 72 155 Ш Р 9,85 50,2 *** 100
Примечание. * — Ш шнековый, П пневматический, ШП - шнекопневматиче-
ский; ** Р режущий, Ш шарошечный, К - комбинированный; *** при 60 %
включений.
Большой объем исследований по бурению скважин со шнеко-
пневматической очисткой проведен под руководством проф. Б. А. Кагано-
ва. Известны работы в этой области Ю. Е. Воронова, Е. М. Каракулова,
В. И. Кузнецова, М. П. Латышенко. Обобщая результаты этих работ, сле-
дует отметить, что шнекопневматическая очистка скважин по сравнению
со шнековой повышает стойкость бурового инструмента и скорость буре-
ния, снижает потребляемую мощность, а по сравнению с пневматической
очисткой (при трубчатых штангах) требует меньшего расхода сжатого воз-
духа и снижает энергоемкость бурения.
В осложненных горно-геологических условиях шнекопневматиче-
ская очистка скважин особенно эффективна, а иногда является незамени-
мой. Вместе с тем шнекопневматическая очистка скважин еще не нашла
широкого применения. Это объясняется не только известным консерва-
тизмом и организационной нестабильностью перехода к рыночной эконо-
мике, но и незавершенностью исследований в этом направлении с эконо-
мической стороны, особенно в области скважин большого диаметра (250-
320 мм) в крепких породах.
24
2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ
СТАНКОВ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ
ДЛЯ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ
ПОРОДНЫХ МАССИВОВ
2.1. Буровой инструмент
для вращательного бурения
Буровой инструмент для вращательного бурения на карьерах пред-
ставлен шарошечными долотами, режуще-шарошечными долотами РШИ,
режущими долотами для шнековых станков, режущими долотами для
станков СБШ и различными комбинированными снарядами.
Шарошечные долота
Рассмотрение шарошечных долот необходимо для установления об-
ласти рационального применения бурения резанием и для корректировки
конструкций и параметров вращательио-подающих органов станков вра-
щательного бурения.
В связи с большим разнообразием механических и абразивных
свойств горных пород и руд изготавливается большой набор типов шаро-
шечных долот, отличающихся по диаметру, виду породоразрущаюшего
вооружения, опор и продувочных устройств. В зависимости от условий
проходки скважин изготавливаются более десятка (по вооружению) типов
шарошечных долот для бурения как глубоких, так и взрывных скважии
(табл. 13).
Основное применение на отечественных карьерах находят шарошеч-
ные долота типов Т, ТЗ, К, ОК и реже М, М3 и другие, диаметром 215,9;
244,5; 269,9; 320 мм и реже 146, 151,161 и 190,5 мм.
Номенклатура большинства трехшарошечных долот для горноруд-
ных предприятий с указанием стоимости (в ценах 2000 г.) представлена
в табл. 14, 15. Подобные технические характеристики шарошечных долот
даиы в работе [2].
На карьерах используют почти исключительно трехшарошечиые до-
лота (рис. 8), состоящие из трех секций, соединенных сваркой. Каждая сек-
ция состоит из лапы 2, на которой касательно на цапфе смонтирована ша-
рошка 1 конусной формы на опоре, состоящей из трех подшипников качения:
большого роликового 6, малого роликового 8 и шарикового ряда-замка 7.
25
2. Совершенствование исполнительных органов станков вращательного бурения
для сяожноструктурных породных массивов
Таблица 13
Типы шарошечных доло> и область их применении
Тип Породы ( / коэффициент крепости) Исполнение шарошек
М Мягкие (/ < 4-5) С фрезерованными зубьями
М3 Мягкие абразивные (/ < 4-5) Со вставными зубьями
с Средней твердости (/ = 5—6) С фрезерованными зубьями
сз Абразивные средней твердости Со вставными зубьями
ст Средней твердости с пропластками твердых (/=5-8) С фрезерованными зубьями
т Твердые малоабразивные (/ = 6 -10) С фрезерованными зубьями
тк Крепкие с пропластками крепких (/ = 8-10) Комбинация фрезерованных и вставных зубьев
тз Твердые вязкие абразивные (/ = 8-14) Со вставными зубьями
ткз Твердые абразивные с пропластками крепких Тоже
к Крепкие породы (/ = 12-14) То же
ок Очень крепкие хрупкие абразивные (/ > 12—14) Тоже
Существуют другие схемы опор шарошек, в том числе с подшипни-
ками скольжения, которые еще мало распространены. Рабочими элемента-
ми шарошки служат фрезерованные (наплавленные твердым сплавом) или
вставные твердосплавные зубья (штыри) с различной формой и вылетом
головок. В лапах и цапфах сверлят каналы для направления части потока
сжатого воздуха в опоры шарошек для охлаждения, смазки и предотвра-
щения зашламовывания. Долота выпускаются с центральной (рис. 8, 6} и
периферийной (рис. 8. а) продувкой для пневматической очистки скважи-
ны от буровой мелочи.
Кроме ОАО «Волгабурмаш» и «Уралбурмаш», шарошечные долота
выпускает Дрогобычский долотный завод (Украина) и ряд новых заводов.
Шарошечные долота, как это можно видеть на рис. 8, являются дос-
таточно сложными механизмами одноразового использования и поэтому
имеют высокую цену (табл. 14, 15), не считая дополнительных устройств к
ним (лубрикаторов, обратных клапанов и т. д.)
В условиях карьеров редко удается достигнуть соответствия типа
вооружения шарошечного долота свойствам буримых пород, которые час-
то меняются в широком диапазоне, особенно на угольных разрезах. Не
обеспечивается также равностойкость вооружения и опор Отказ послед-
них является основной причиной неработоспособности долота, так как су-
ществующими конструктивными решениями не устраняется проникнове-
ние буровой мелочи в подшипники качения опор.
26
2.1. Буровой инструмент для вращательного бурения
Таблица 14
Трехшарошечные долша для юрнорудной промышленное! и произведший
ОАО «Волгабурмаш» (основные шпоразмеры)
Типоразмер долота Цена без НДС, тыс. руб. Цена с НДС, ТЫС. руб-
III 149,2 ТЗ-ПН 15,72 20,46
III 215,9 К-ПВ-1 14,52 18,9
III 215,9 ОК-ПВ 19,02 24,6
III 215,9 М-ПГВ 11,94 15,6
III 215,9 Т-ПВ И,1 14,52
III 215,9 ТЗ-ПВ 18,9 24,5
III 244,5 ОК-ПГН 20,01 26,07
III 244,5 К-ПГВ 23,19 30,24
III 244,5 Т-ПГВ 11,94 15,6
III 244,5 ОК-ПГВ 26,16 33,99
III 250,8 ТКЗ-ПГВ 26,28 34,05
III 250,8 ОК-ПГВ 26,4 34,32
III 269,9 СЗ-ПГВ 28,56 37,14
III 269,9 ОК-ПГВ 28,56 37,14
III 311,1 ТКЗ-ПГВ 39,81 51,69
III 314,3 МЗ-ПГВ 38,7 50,82
III 320 Т-ПГВ 24,3 31,68
III 320 ТЗ-ПГВ — —
III320 ОК-ПВ — —
Примечание. Римская цифра III обозначает число шарошек, арабские цифры
обозначают диаметр долота, мм, первая буква (буквы) обозначает тип вооружения до-
лота, П - наличие продувочных каналов в лапах и их цапфах, предназначенных для ох-
лаждения подшипников опор шарошек и предотвращения их зашламления, Г пери-
ферийная схемы очистки забоя, В опоры шарошек на подшипниках качения.
В применяемые на карьерах шарошечные долота по существу зало-
жены принципы (условия) глубокого бурения, где нельзя допустить высо-
кой степени риска по фактору отказа долота. Применяются только долота од-
норазового использования. Надежные разборные конструкции для этих усло-
вий создать пока не удалось, так как сохранялась традиционная форма лап.
Для карьеров целесообразно создавать специализированные шаро-
шечные долота, учитывая, что при проходке мелких взрывных скважин за-
траты времени на замену неработоспособного долота и степень риска при
его отказе ничтожны, исходя из этого в Университете цветных металлов и
золота (ГУЦМиЗ) был разработан ряд новых конструкций специализиро-
ванных шарошечных долот для карьеров, которые являются разборными,
имеют принципиально новые опоры и корпус многократного использова-
ния на нем шарошек различного вооружения [2, 23-24, 26 и др.].
27
2. Совершенствование исполнительных органов станков вращательного бурения
для сяожноструктурных породных массивов
Таблица 15
Трехшарошечные долей а произволе1ва ОАО «Уралбурмаш»
(основные и норазмеры)
№ п/п Типоразмер долота Цена, усл. ед. № п/п Типоразмер долота Цена, усл. ед.
1 III 151 С-ЦВ 310 18 111215,9 М-ЦВ (ПВ) 500
2 III151 Т-ЦВ 310 19 111215,9 М-ГВ(ПГВ) 500
3 III 151 К-ЦВ 370 20 111215,9 МЗ-ПВ 812
4 III 151 М-ЦВ 310 21 III 215,9 МЗ-ГВ (ПГВ) 880
5 III 161 сз-н 480 22 III 215,9 С-ГВ 500
6 III 161 Т-ЦВ 320 23 Ш215,9СЗ-ГВ 880
7 III 161 к-пв 420 24 III 244,5 С-ЦВ 663
8 III 161 М-ЦВ 320 25 III 244,5 Т-ПВ 663
9 III 190,5 М-ГВ 630 26 III 244,5 ТЗ-ПВ 901
10 III 190,5 МЗ-ГВ 800 27 III 244,5 ТКЗ-ПВ 901
11 III 190,5 Т-ЦВ 590 28 III 244,5 К-ПВ 901
12 III 190,5 ТКЗ-ЦВ 630 29 III 244,5 ОК-ПВ 1051
13 III 215,9 СТ-ПВ 500 30 III 244,5 ОК-ПВ-W 17 1152
14 III 215,9 Т-ПВ 500 31 III 269,9 С-ЦВ 870
15 III 215,9ТЗ-ПВ 728 32 III 269,9 ОК-ПВ 1100
16 III 215,9 К-ПВ 728 33 III 269,9 К-ПВ 1000
17 III 215,9 ОК-ПВ 728
В специализированном разборном шарошечном долоте конструкции
ГУЦМиЗ (рис. 9) опоры снабжаются подшипниками скольжения вместо
многорядных подшипников качения. При этом опоры выполняются масло-
наполненными, герметизированными, с оригинальными замковыми соеди-
нениями (без замкового шарикового подшипника) и устройствами цирку-
ляции смазки между трущимися поверхностями. В опоре применена пла-
вающая втулка, использование которой позволяет четырем опорным по-
верхностям разделить скоростные нагрузки и износ, снизить скорость тре-
ния между шарошкой и цапфой. Втулки выполняются из более мягких ма-
териалов (бронзы, синтетических материалов), чем части, между которыми
они устанавливаются, и снабжены канавками для смазки. Кроме того,
втулки функционируют как свободно вращающиеся и благодаря своей эла-
стичности постоянно соответствуют поверхности противолежащей опоры
без повреждения. Вместо лап традиционной формы цапфы закреплены в
хвостовиках, прочно закрепляемых в корпусе сплошной конструкции.
Значительный резерв повышения производительности и экономичности
бурения взрывных скважин кроется в создании разборных двухшарошечных
долот с более мощными опорами и корпусом многократного использования.
28
2-1- Буровой инструмент для вращательного бурения
На рис. 10 представлена схема разборного двухшарошечного долота,
состоящего из корпуса 1 в виде сплошной несварной конструкции с нип-
пелем 2 и продувочными каналами 3, шарошки 4 смонтированы на цапфах
5 сменных хвостовиков 6, которые имеют круглое или прямоугольное се-
чение, входят в ответные отверстия внутри корпуса и закрепляются в нем
горизонтальным стержнем 7 с помощью отверстий 8 и 10 и крепежной
гайки 9, имеющей выемку 11 под торцевой ключ. Цапфы, шарошки и зам-
ковые соединения могут выполняться по существующим типовым схемам
или подобно специализированному долоту, показанному на рис. 9.
a б
Рис. 8. Конструктивные схемы трехшарошечных долот: a — зубчатого с фрезеро-
ванным вооружением шарошек и периферийной продувкой: 1 - шарошка; 2—лапа
долота; 3 — ниппель с резьбой; 4 периферийный продувочный канал; 5 ка-
нал для подачи шариков замка; 6 — роликовый подшипник опоры; 7 - замковый
шариковый подшипник; Л роликовый подшипник опоры: 9 фрезерованные
зубья шарошки; 10 корпус шарошки; 11 опорная пята опоры шарошки; б -
штыревого (твердосплавные вставки) и центральной продувкой: 1 шарошка;
2 — лапа долота; 3 ниппель с резьбой; 4 - центральный продувочный канал; 5 -
канал для подачи шариков замка; 6 роликовый подшипник опоры; 7 - замко-
вый шариковый подшипник; Л роликовый подшипник опоры; 9 твердо-
сплавные штыри; 10- корпус шарошки; 11 опорная пята опоры шарошки
При разработке специализированных шарошечных долот для карье-
ров приняты во внимание достижения в области создания долот для глубо-
кого бурения [8, 27].
29
2. Совершенствование исполнительных органов станков вращательного бурения
для сяожноструктурных породных массивов
Рис. 9. Схема разборного шарошечного долота с корпусом многократного
использования, опорами скольжения и фланцевым замковым соединением
(конструкции ГУЦМиЗ): 1 корпус; 2 хвостовик; 3 - цапфа; 4 - шарошка;
5 плавающая втулка; 6 - упорный подшипник скольжения; 7 - уплотни-
тельные элементы; 8 кольцевые канавки; 9 неразрезной накидной фланец;
10 упорный бурт цапфы; 11 крепежные элементы; 12 цилиндрический
выступ фланца; 13 шайба; 14 резервуар для масла; 15 гибкий шнек; 16
резьбовая пробка; 17 - крепежный болт; 18 — крепежное отверстие; 19 вы-
точка под ключ; 20 — крепежное отверстие; 21 - выточка под болт; 21 — болт
30
2-1- Буровой инструмент для вращательного бурения
Рис. 10. Схема двухшарошечного разборного долота со сменными шарошками: 1 -
корпус; 2 ниппель; 3 каналы; 4 шарошка; 5 - цапфа; 6 хвостовик; 7 — кре-
пежный стержень; 8,10 отверстие; 9 крепежная гайка; 11 — выемка в гайке; 12 —
замковый подшипник; 13 - продувочные каналы; 14 прокладочная шайба; 15 —
технологический вырез; 16 — цилиндрический канал; 17 — периферийная зона забоя
31
2. Совершенствование исполнительных органов станков вращательного бурения
для сяожноструктурных породных массивов
Зарубежные конструкции шарошечных долот более разнообразны по
ассортименту и отличаются, как правило, хорошим качеством и высокой
стоимостью [5]. Данные о результатах их использования на отечественных
карьерах противоречивы. По одним сведениям [9] трехкратное увеличение
стойкости сопровождается трехкратным увеличением стоимости долот (по
сравнению с отечественными) и не дает экономического эффекта, а по
другим данным [27] использование более дорогих зарубежных долот ока-
залось экономически выгодным. Для окончательной оценки, по-видимому,
необходимо учитывать условия бурения и много других факторов.
В горных породах высокой крепости на карьерах для интенсифика-
ции процесса бурения применяли пневмоударники, располагая их под ша-
рошечными долотами [2. 26]. Такой ударно-шарошечный снаряд (УШС)
обеспечивал рост скорости бурения в 1,5-2 раза, но широкого распростра-
нения не получил так же, как и магнитострикционные вибраторы.
Шарошечные механизмы используют в комбинированных режуще-
шарошечных инструментах (РШИ) различных видов, располагая между
двумя шарошками режущее лезвие, которое в мягких породах выдвигается
на забой скважины впереди шарошек и, наоборот, утапливается (вровень
или выше поверхности контакта шарошек с забоем скважины) в крепких
породах. Предложенные рядом институтов конструкции РШИ сложнее
шарошечных долот, многодетальны и также пока не получили широкого
применения.
В отдельных случаях для придания шарошечному долоту режущих
свойств используют метод смещения осей вращения шарошек (в плане)
относительно диаметральной плоскости долота.
Все эти комбинированные и видоизмененные инструменты для вра-
щательного бурения имеют свою рациональную область применения, оп-
ределяемую критерием стоимости проходки 1 м скважины.
Режущие долота для бурения
со шнековой очисткой скважины
Режущие долота (коронки) со шнековой очисткой используются для
бурения скважин преимущественно диаметром 160 мм (реже 125 мм) в
слабых и средней крепости породах с f < 5-6. обеспечивая в этих условиях
в 2—2,5 раза большую производительность, чем шарошечное бурение. Их
конструктивные особенности, применяемые режимы бурения и работоспо-
собность существенно зависят не только от крепости буримых пород, но и
в значительной степени от параметров и транспортирующей способности
става шнековых штанг.
32
2-1- Буровой инструмент для вращательного бурения
При шнековой очистке режущие долота в процессе работы на забое
скважины погружены в буровой шлам, поэтому армируются твердым
сплавом, как правило, на всю высоту корпуса, который выполняют как
можно короче, чтобы облегчить поступление разрушенной породы на пер-
вый виток шнека.
Наиболее распространены режущие коронки двух типов:
СБВ-2-23-03Н2 (НПИ-2) и НПИ-6/160 (рис. 11, а), серийно выпускаемые
Карпинским машиностроительным заводом. Первое из них (НПИ-2) имеет
плоскую форму рабочей части, сплошную режущую кромку и наиболее
эффективно при бурении слабых пород с f = 1-4, когда скорость бурения
(подачи) имеет большие величины (до 4 м/мин), которые ограничиваются
лишь транспортирующей способностью шнека мощностью вращателя В
более крепких породах долота НПИ-2 быстро изнашиваются и имеют
стойкость 150-200 м.
Долото НПИ-6/160 (рис. 11, б) предназначено для проходки скважи-
ны в породах с / = 2—5 с прослоями песчаника (/ = б-г-8) в малоаброзивных
породах крепостью до f = 8. В пазы трехперого корпуса вставляются не-
сколько резцов неодинаковой конструкции, фиксируемые пальцами и
шплинтами. Комплект из 60 опережающих, 45 боковых и 90 калибрующих
сменных резцов рассчитан на пробуривание до 5000 м скважин. Это доло-
то в 3 с лишним раза дороже долота НПИ-2. Оно имеет большой коэффи-
циент перекрытия скважины, обусловливающий повышенное сопротивле-
ние со стороны буровой мелочи.
В табл. 16 даны показатели шнекового бурения скважин в породах
крепостью f = 1-4 с включениями (5 10 %) песчаника с f = 6-8 на разрезе
Ирша-Бородинский (данные 1999 г.). Характерно (табл. 16), что затраты на
шнеки превышают затраты на буровые долота. Затраты на бурение 1 м
скважины станками БТС-150 и СБР-160 примерно равноценны.
Близкими к долоту НПИ-2 по конструкции и характеристике являют-
ся долота типов РК-4м и 1РДМ-160Ш (Иркутского технического универ-
ситета) [7], а также ДЛ-160Ш, разработанные в НИИОГР [2, 11]. В абра-
зивных и хрупких горных породах, например песчаниках, а также при бу-
рении конгломератных залежей хорошие результаты показывают долота
7РД-160Ш и 8РД-160Ш (рис. 11, в, г), имеющие съемный корпус и ком-
байновые резцы РК-8Б.
Большое количество различных буровых долот со сменными ком-
байновыми резцами разработано в Кузбасском техническом университете.
Для них (рис. 11, О, ё) характерно симметричное дублированное располо-
жение резцов.
33
2. Совершенствование исполнительных органов станков вращательного бурения
для сяожноструктурных породных массивов
Рис. 11. Режущие буровые долота для бурения со шнековой очисткой сква-
жин: а СВБ2-23-03М2 (НПИ-2); б НПИ-6/160 (оба Новочеркасского
технического университета и Карпинского машиностроительного завода);
в 7РД-160Ш; г - 8РД-160Ш (оба Иркутского технического университета);
д - КБЛ-160Е; е - КБ-160А (оба Кузбасского технического университета)
34
2-1- Буровой инструмент для вращательного бурения
Средние показа гели бурения долотами НПИ-2 и НПИ-6/160
па разрезе «Ирша-Бородипский»
Таблица 16
Показатели Всего По типам долот По типам станков
НПИ-2 НПИ-6/160 БТС-150 СБР-160
Годовой объем бурения, м 478340 162806 316034 162806 316034
Затраты на буровые долота, млн руб. 0,846 0.678 0.168 - —
Затраты на шнеки, млн руб. 1,4 - — 0,3 1,1
Стоимость долота, руб. — 746 2583 — —
Затраты по буровому инструменту на 1 м скважины, руб/м Средняя производительность (12 ч.) в смену, м Стоимость бурения 1 м, руб. 300 6 4 270 11,7 330 10,2
Стоимость машино-часа работы станка, руб. Стойкость долот, м 156-200 4000-5000 131,2 176,3
Долота для бурения со шнековой очисткой типов ДР-160Ш и
ДР-160ШЭ, разработанные НИИОГР, отличаются использованием съем-
ных резцов специальной конструкции, позволяющей экономить твердый
сплав [1]. Эти преимущества видны исходя из данных, представленных в
табл. 17.
Таблица 17
Показатели применения режущих доло г при шнековой очистке
Показатели Типы долот
СВБ-2-23-03М2 ДР-160Ш [комплект] ДЛ-160Ш (комплект) НПИ-6/160 РК-4м
Коэффициент крепо- сти пород, / Скорость бурения, м/ч Стойкость долота, м Удельный расход сплава, г/м Затраты на инстру- мент, на 1 м скважины <4 120-160 250—400 0,5-0,8 0,034-0,022 3-7 12-40 30-50 6,67-4,0 0,29-0,17 1-5 60-170 2000 0,475 0.495 1-5 90 155 3000 0,7 0,017 2 5 68-130 5000 1,47 0,092 4 до 150 2500
Примечание В комплект долота входят: у ДР-160Ш - 32 резца, у НПИ-6/160
195 резцов, у ДЛ-160Ш 10 лопастей.
35
2. Совершенствование исполнительных органов станков вращательного бурения
для сяожноструктурных породных массивов
Общая оценка рассматриваемого бурового инструмента сводится к
следующему. Бурение режущими долотами со шнековой очисткой отлича-
ется простотой и надежностью, но ограничено породами большей крепости
по условию стойкости вооружения долот и шнеков. При шнековой очистке
режущее долото работает в заполненной буровой мелочью призабойной
зоне скважины. Образуется тело волочения и буровая мелочь поступает на
шнек за счет ее выдавливания из забоя. В таких условиях происходит ин-
тенсивный нагрев режущих элементов из-за плохого теплоотвода и, как
следствие, повышенный износ долота, особенно при встрече с пропластка-
ми твердых пород.
Удовлетворительная транспортирующая способность шнека при буре-
нии некрепких пород обеспечивается при скоростях вращения 120,200 об/мин
и более, которые излишни с точки зрения стойкости долота. Происходят
большие затраты энергии на вращение заполненного шламом бурового
става и преодоление трения вращающегося тела о стенки скважины. По
этой причине затраты мощности сильно возрастают с глубиной скважины.
И при бурении влажных и вязких пород мощность вращателя (обычно 40-
50 кВт) становится недостаточной для бурения скважины глубиной более
15-18 м.
Новые большие возможности бурения резанием открываются при
использовании пневматической и шнекопневматической очистки. В этом
случае конструкции режущих долот претерпевают значительные изменения.
Режущие долота для бурения с пневматической
и шиекопиевматической очисткой скважины
Применение режущих долот на шарошечных станках СБШ, начатое
на основе исследований, выполненных в период 1961—1965 гг., знаменова-
ло новый важный этап в прогрессивном развитии не только технологии
силового бурения резанием, но и характеристик карьерных буровых стан-
ков, придавая им универсальность по способам бурения. Подача сжатого
воздуха на забой скважины устраняет многие ранее отмеченные негатив-
ные явления в забойном процессе, присущие шнековой очистке, а также
позволяет устанавливать рациональные скорости резания, которые не мог-
ли достигаться из-за вынужденно высоких скоростей вращения шнеков.
Одними из первых на шарошечных станках СБШ-200 применялись
режущие долота диаметром 214 мм и 243 мм типов ДР214В, ДР214ВЭ и
ДР243ВЭ (рис. 12), разработанные НИИОГР и внедренные в широком
масштабе на Экибастузских разрезах [2].
По сравнению со шнековым бурением на режущие долота типа ДР
удельная осевая нагрузка на 1 см диаметра долота была увеличена в 2,2 раза, а
36
2.1. Буровой инструмент для вращательного бурения
скорость резания крепких пород уменьшена в 1,3 раза. Такой силовой ре-
жим резания в сочетании с немедленным удалением буровой мелочи из за-
боя скважины и охлаждающим влиянием потока сжатого воздуха обеспе-
чивает снижение интенсивности изнашивания резцов и удельного их изно-
са. Тем самым, при переходе на силовое резание с продувкой достигается
главное: существенно расширяется область эффективного использования
режущих долот, становится экономически целесообразным применять бу-
рение резанием в массивах, содержащих достаточно мощные слои крепких
пород. При этом исключаются большие затраты на шнеки, стойкость кото-
рых в несколько раз ниже стойкости зубчатых штанг. Основные показате-
ли бурения перечисленными долотами приведены в табл. 18.
a б в
Рис. 12. Режущие долота для бурения с пневматической
и шнекопневматической очисткой: a - ДР214В; б - ДР214ВЭ; в — ДР243ВЭ
Таблица 18
Основные показатели бурения режущими долотами
Показатели Типы ДОЛОТ
ДР-214В ДР214ВЭ ДР243В ДР243ВЭ
Диаметр долота, мм 214 214 243 243
Масса долота (сборки), кг 10,3 9,6 12,1 11,4
Комплектность, шт:
корпус 1 1 1 1
резцы 48 45 48 45
Механическая скорость бурения в породах
с / = 1 5 с прослоями с / = 6-8, м/ч 90-150 00-150 90-150 95 150
Стойкость комплекта долота, м 3000 3000 3000 3000
Масса твердого сплава (на комплект), кг 2,05 1,89 2,05 1,89
Удельный расход твердого сплава, г/м 0.667 0,63 0.667 0.63
Затраты на инструмент, отнесенные к 1 м
скважины (в доперестроечных ценах), руб. 0,077 0,073 0,079 0,078
37
2. Совершенствование исполнительных органов станков вращательного бурения
для сяожноструктурных породных массивов
3
Рис. 13. Режущий буровой инструмент
ДР-160-244 конструкции НИИОГР:
1 ниппель; 2 корпус; 3 - центральные
резцы; 4 боковые резцы; 5 — шплинт
Оригинальной и перспективной является конструкция режущего до-
лота типа ДР-160-244 (рис. 13), разработанного НИИОГР и предназначен-
ного для бурения скважин в малоабразивиых породах крепостью f = 1 6,
которые перемежаются со средиеабразивиыми породами (песчаника-
ми и т. п.) с /< 8 общей мощностью до 10 % от глубины скважины.
В таких условиях бурения на
станках ЗСБШ-200-60 инструмен-
том ДР-160-244 диаметрами 216 и
244 мм обеспечивается увеличение
скорости на 44-45 % по сравнению
с трехшарошечными долотами типа
215,9МПГВ2. Этот инструмент мо-
жет перестраиваться иа бурение
скважии различного диаметра и осу-
ществлять разрушение горных пород
крупным сколом, обеспечивая высо-
кие эксплуатационные показатели.
Так. в породах с < 60 МПа ско-
рость бурения достигает 3 м/мии,
крупность штыба в отдельных слу-
чаях превышает 5-6 см. При этом
осевое усилие бывает в 4-6 раз
меньше, чем при бурении шаро-
шечным инструментом (30-50 кН
против 180-200
Большой комплекс исследова-
тельских и проектио-конструктор-
ских работ по созданию режущих
долот для бурения с продувкой и внедрению их на карьерах промышленных
объединений «Востсибуголь», «Якутзолото», «Северовостокзолото» и на ал-
мазодобывающих карьерах выполнен в Иркутском государственном техни-
ческом университете. Основные конструкции созданных долот представлены
иа рис. 14, а их характеристики и показатели - в табл. 19. Как было установ-
лено, применение разработанных долот взамен шарошечных в соответст-
вующих условиях позволяет сменить загрузку двигателя в 2 раза, увеличить
сменную производительность в 2,2 раза и снизить в несколько раз расход бу-
рового инструмента. При бурении по песчаникам с коэффициентом крепости
f< 7 переход на режущие долота дает увеличение скорости бурения не меиее
чем в 1,5 раза и снижение энергоемкости пропесса в 2-2.5 раза. При этом вы-
ход крупных фракции буровой мелочи (+3 мм) увеличивается в 1,9 раза [7].
38
2-1- Буровой инструмент для вращательного бурения
В Кузбасском государственном техническом университете под руко-
водством проф. Б. А. Каганова разработано н исследовано несколько об-
разцов режущих долот для бурения с пневматической очисткой скважнн с
использованием их главным образом на станках СБР-160, оборудованных
для шнекопневматической очистки скважин. Выполнены глубокие иссле-
дования в области бурения резанием с различными способами эвакуации
буровой мелочи из скважины.
Рис. 14. Режущие долота для бурения с продувкой (конструкции Иркутского
ГТУ): а ЗРД215,9; б 1РД244,5; в - ЗРД244,5; I хвостовик; 2 съемный
корпус; 3 — сменный комбайновый резец; 4 замковый палец; 5 корпус долота
В странах дальнего зарубежья режущие долота используются в го-
раздо меньшей степени, чем шарошечные. Режущие долота выпускаются
со съемными и несъемными режущими элементами, армированными пла-
стинками или зубками из твердого сплава нли (в долотах специального на-
значения) искусственными монокристаллами и натуральными алмазами.
Сменные элементы долот режущего типа и зубки для шарошечных долот
изготавливаются фирмами США и Швеции. Основные типоразмеры долот
режущего типа находятся в диапазоне 149-444 мм по диаметру.
39
2. Совершенствование исполнительных органов станков вращательного бурения
для сяожноструктурных породных массивов
Таблица 19
Характеристики и показатели режущих долез для бурения с продувкой
Показатели Типы долот
ЗРД-215,9 ЗРД-244,5 4РД-244,5
Диаметр скважины, мм 216 245 245
Расположение резцов по диаметру четырехлучевое четырехлучевое трехлучевое
Тип резцов РК-8Б РК-8Б ШБМ2С
Число резцов 8 10 8
Число линий резания 6 8 8
Механическая скорость бурения, м/мин ДО 2,5 До 1,5 До 2,0
Коэффициент крепости пород, / До 7 До 7 До 7
Стойкость корпуса, м До 3000 До 2000 До 2000
Расход резцов, шт/м 0,03 0,035 0,03
Масса, кг 15 20 19
Особым видом режущего бурового инструмента являются буровые
долота типа ДЗДШ (долота режущие с вращающимися резцами), оснащае-
мые зубчато-дисковыми шарошками, сочетающие принцип работы режу-
щего бурового инструмента и шарошечных долот. Они существенно отли-
чаются по конструкции, характеру забойного процесса в области возмож-
ного использования, поэтому их целесообразно рассмотреть отдельно.
2.2. Пути совершенствования
исполнительных органов станков вращательного бурения
для сложноструктурных породных массивов
Для поиска путей совершенствования исполнительных органов стан-
ков вращательного бурения для сложноструктурных породных массивов
необходимо применять следующие методы.
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 вы-
водов.
С помощью математического аппарата и математического моделиро-
вания возможно получить наиболее полную картину напряженно-
деформированного состояния рабочего инструмента при использовании
различных систем подачи и разработки рекомендаций.
40
2.2. Пути совершенствования исполнительных оргенов станков вращательного бурения
для сложноструктурных породных массивов
Разработанные способы управления режимами бурения позволят
разработать конструкцию линейного двигателя и механизма подачи с за-
данным принципом действия. Результаты анализа НДС необходимы для
разработки рабочих органов и механизма управления режимами бурения
технологических скважин буровыми станками. Рекомендации по разработ-
ке рабочих органов и механизма управления режимами бурения необходи-
мы для подачи заявки на патент.
Разработка линейного двигателя для системы подачи бурового стан-
ка, механизма управления режимами бурения технологических скважин
буровыми станками, а также использование теории и критериев подобия и
теории физического моделирования необходимы для разработки и изго-
товления лабораторного стенда для исследования характеристик двигателя
и способов управления режимами бурения.
Лабораторный стенд для исследования характеристик двигателя и
способов управления режимами бурения необходим для построения харак-
теристик механизма подачи, а также разработки и исследования способов
управления режимами бурения технологических скважин буровыми стан-
ками. В результате применения перечисленных инструментариев, методов
и оборудования проведенные исследования позволят разработать комплекс
мероприятий и технических решений, которые дадут возможность увели-
чить ресурс рабочего инструмента при бурении различных пород.
Сравнительная опенка 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-250);
канатная подача (применяется на станках РД-10);
совмещенная подача (канатная с гидравлической). Станки СБШ-250;
цепная подача (применяется на станках СБУ-125).
Кроме того, перспективным направлением в настоящее время счита-
ется разработка и внедрение электромагнитных систем подачи.
Особенностями гидравлической подачи является высокая надежность в
нормальных климатических условиях, жесткое стабильное усилие, развивае-
мое гидравлическим цилиндром, возможность создания больших подающих
усилий. К существенным недостаткам можно отнести отсутствие адаптивно-
сти, большую инерцию при регулировании режимов подачи, низкую надеж-
ность гидравлических агрегатов в сложных климатических условиях, необхо-
41
2. Совершенствование исполнительных органов станков вращательного бурения
для сяожноструктурных породных массивов
димость сложного технического обслуживания и ремонта, громоздкость гид-
росистемы, включающей маслобак, насосы, гидравлическую арматуру и др.
Особенностями канатной подачи являются высокая надежность в раз-
личных климатических условиях, адаптивность канатной системы к толч-
кам и ударам в процессе бурения. К недостаткам можно отнести: значи-
тельные ограничения в величине подающего усилия; большую инерцию
при регулировании технологических параметров процесса бурения; гро-
моздкость и значительную массу канатной системы; сложность техниче-
ского обслуживания и ремонта системы; необходимость отслеживания за
техническим состоянием канатов, их своевременной отбраковки.
При использовании совмещенной подачи компенсируются некото-
рые недостатки одной системы, но добавляются недостатки другой. На-
пример, в этом случае возможны большие усилия подачи, но усложняются
условия регулировки параметров системы. Главное преимущество такой
системы заключается в том, что сохраняется свойство адаптивности канат-
ной системы, но в меньшей степени по сравнению с канатной. К сущест-
венному 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 систе-
мы, но не требует системы отбраковки, поскольку элементы цепи возмож-
но заменить. К существенным недостаткам цепной системы относятся зна-
чительная масса цепных тяговых органов, отсутствие адаптивности, низкая
регулируемость параметров процесса.
Значительные возможности при бурении сложных пород и бурении
на высоких скоростях и на большую глубину заключаются в разработке
электромагнитных систем подачи рабочего органа бурового станка.
К основным достоинствам электромагнитной системы можно отне-
сти следующие:
1. Электромагнитные линейные машины не имеют громоздких гид-
росистем, канатных и цепных элементов и устройств для их обслуживания.
2. Электромагнитная система подачи на основе запатентованного
двигателя будет обладать высокой адаптивностью, наличием обратной свя-
зи, позволяющей своевременно в автоматическом режиме реагировать пу-
тем изменения того или иного параметра.
3. Линейные электромагнитные машины отмечаются высокой плот-
ностью передаваемой энергии и возможностью высокого поступательного
усилия с минимальными затратами электроэнергии. Они имеют мини-
мальное количество трущихся деталей.
42
2.2. Пути совершенствования исполнительных оргенов станков вращательного бурения
для сложноструктурных породных массивов
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 ре-
гулировании режимов работы.
7. Буровые станки, оснащенные электромагнитной системой подачи,
имеют более широкий диапазон линейной скорости подачи рабочего орга-
на (от 0,01 м/с до 5 м/с).
8. Буровые станки, оснащенные электромагнитной системой подачи,
требуют меньше времени на передачу обратного сигнала и изменение ре-
жима 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).
43
3. НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ,
ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ И СОЗДАНИЕ
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ
БУРОВЫХ СТАНКОВ ДЛЯ КАРЬЕРОВ
3.1. Анализ проблемы разрушения
и низкого ресурса рабочего инструмента
при бурении технологических скважин
Из трех применяемых на карьерах России основных способов буре-
ния - шарошечного, вращательного резанием и ударно-вращательного -
преобладает шарошечный способ, на долю которого приходится до 83 %
всех объемов бурения.
Затраты на буровые работы составляют от 25-30 % (угольные разре-
зы) до 45-50 % (рудные карьеры) от затрат на горные работы. До пере-
строечного периода в СССР объем бурения взрывных скважин превышал
60 млн м в год. Из них на угольных разрезах около 27 млн м, в промыш-
ленности строительных материалов до 15-17 млн м. В ближайшие годы
объем бурения на карьерах России составит ориентировочно 40-45 млн м,
в том числе в угольной промышленности 15 18 млн м, а на рудных и карь-
ерах нерудных полезных ископаемых до 25 млн м.
Расход шарошечных долот составит 80 100 тыс. штук с годовыми
затратами на них более 2,3 млрд руб. При этом преобладает использование
долот диаметром 244,5 мм, в меньшей степени - диаметром 269,9 мм, 320 мм
и 190 215,9 мм (уголь). Шарошечные долота (ШД) диаметром 146—161 мм и
менее имеют низкую стойкость опор, но при конструктивных доработках
перспективны в специальных целях, например, для бурения контурных
скважин и обуривания приконтурных блоков при постановке уступов в ко-
нечное положение.
Создание и освоение отечественных станков типа СБШ сыграло ог-
ромную роль в развитии теории, техники н технологии бурения на карье-
рах. Эти станки, обладая в определенной степени признаками универсаль-
ности (по виду бурового инструмента и диаметру скважины) и способно-
стью изменять в широком диапазоне режимные параметры, позволили ис-
пытать и применить ряд перспективных буровых инструментов режущего
и комбинированного типов при различных способах очистки скважин
(пневматическом, шнековом и шнекопневматическом).
44
3.1. Анализ проблемы разрушения и низкого ресурса рабочего инструмента
при бурении технологических скважин
Накопленные опытные данные и теоретические разработки показали
следующее:
• возможность значительного расширения области бурения режу-
щими долотами скважин диаметром 160-270 мм на силовых режимах и
при замене шнековой очистки пневматической и шнекопневматической;
• перспективность комбинированных буровых инструментов: режу-
ще-шарошечных (РШИ), ударно-шарошечных (УШИ), режуще-ударных
(РУИ) и др.;
• необходимость пересмотра рациональных границ использования
различных способов и средств бурения с учетом изменений в экономике
горной промышленности, конструкциях и качестве буровых инструментов
и станков, появления новых твердых сплавов, конструкционных материа-
лов, средств электроники ит. д.;
• условность деления буровых станков по способу бурения на СБР, СБУ
и СБШ и целесообразность их классификации прежде всего по технологиче-
скому назначению при строго обоснованной типизации условий применения.
При выборе базовых моделей буровых станков и их модификаций необ-
ходимо учесть ряд изменений в технологии и горно-геологических и экономи-
ческих условиях ведения горных работ и технологических требований:
1. Увеличение диаметра взрывных скважин, объясняемое стремлени-
ем использовать на карьерах простые гранулированные и комбинирован-
ные (смесь эмульсионных и гранулированных) ВВ как наиболее дешевые
и позволяющие полностью механизировать процесс их приготовления и
заряжания ими скважин. Необходимый уровень работоспособности заря-
дов таких ВВ (скорость детонации, удельная концентрация энергии и др.)
достигается увеличением диаметра скважин.
2. Рост числа глубоких карьеров (Н > 1 50-300 м) и в связи с этим
увеличение крепости горных пород и вероятный рост потребности в мо-
бильных буровых станках с диаметром бурения скважин 200-220 мм из-за
стесненных условий и сейсмических ограничений.
3. Вероятный рост объемов бурения глубоких (до 35^40 м) наклонных
скважин в связи с расширенным освоением кранлайнов и другой экскавацион-
ной техники, позволяюшей разрабатывать карьеры высокими уступами.
4. Увеличение объемов бурения на угольных разрезах режущими, дис-
ковыми и комбинированными долотами на повышенных скоростях подачи в
связи с намеченным ростом добычи угля от 260-280 млн т в 2005 г. до 450-
500 млн т в 2020 г. преимущественно открытым способом на Востоке страны.
5. В ближайшие 10-15 лет с учетом увеличения коэффициента
вскрыши ожидается рост объемов бурения на карьерах до 50-55 млн м.
скважин, в том числе на угольных разрезах до 25 млн м.
45
3. Научное обоснование, выбор параметров
и создание исполнительных органов буровых станков для карьеров
Основные принципы построения типоразмерного ряда карьерных
буровых станков [2], заложенные в исследованиях институтов ИПКОН,
ИГД им. Скочинского, НИИОГР, МГГУ, ИГД УрО РАН и др., не-
видимому, не претерпят значительных изменений. Оптимизации по кри-
терию стоимости бурения подлежат диапазоны изменения диаметра буре-
ния на базовых моделях. При этом одним из основных факторов, опреде-
ляющих стоимость бурового станка той или иной модификации, остается
его масса, зависящая не только от диаметра бурения, но и от типа бурового
Рис. 15. Изменение массы буровых станков G и проектируемых макси-
мальных осевых нагрузок Р на долото в зависимости от диаметра сква-
жин d и типа долота: ТПД шарошечные долота; РД—долота режущего типа
Учитывая вышеизложенное, один из возможных ориентировочных
вариантов типизации условий бурения и формирования типоразмерного
ряда буровых станков на модульном принципе их построения представлен
в табл. 20. Наряду со специализированными станками предусматривается
расширенный ряд комбинированных модификаций станков, позволяющих
применять различные буровые инструменты, т. е. реализовать все способы
механического бурения и два способа очистки скважин — пневматический
и шнекопневматический.
46
Таблица 20
Ориентировочная типизация условий бурения для основных модификаций буровых станков
Характеристи ка станков по массе и диаметру d (мм) долот Преимущественная область применения Модификации буровых станков Прототипы для базовых моделей
Индекс модели Диа- метр долот, мм Способ очистки забоя Буровой инстру- мент Макси- мальная осевая нагруз- ка, кН Масса, г Буровые штанги
Тяжелого типа <7 = 244,5-320 Крупные рудные карьеры с преоб- ладанием крепких пород (/> 10-12), частично угольные разрезы I 320 Пневма- тический шд 500 100-120 Г ладко- стволь- ные СБШ-320 РД-10
II 244,5 269,9 Пневма- тический, шнеко- пневма- тический шд. УШИ, дл. РШИ, дзлш 320 70-80 Гладко- стволь- ные, комби- ниро- ванные СБШ-250МНА
Продолжение табл, 20
Характеристи ка станков по массе и диаметру d (мм) долот Преи муще ствен ная область применения Модификации буровых станков Прототипы для базовых моделей
Индекс модели Диа- метр долот, мм Способ очистки забоя Буровой инстру- мент Макси- мальная осевая нагруз- ка, кН Масса. г Буровые штанги
Среднего типа d = 190-215,9 Глуоокие карьеры, вскрышные породы угольных разрезов, карьеры строитель- ных материалов III 190- 215,9 Пневма- тический, шнеко- пневма- тический ШД, РД, ДДРШИ, РУИ, ДЗДШ 200 40-45 Гладкост- вольные, комбини- рованные СБШК-200 НВМ230
Легкого типа d = 125-160 Угольные уступы, некрепкие породы вскрыши (/< 5) IV 160 Шнеко- вый РД, ДД 70 12-15 Шнеко- вые СБР- 160-24
Вскрыша угольных разрезов, извержен- ные и метаморфиче- ские породы круп- ноблочного строения V 160 Пневма- тический, шнеко- пневма- тический ПУ, РД, ШД. ДД. РУИ, ДЗДШ 120 32-35 Гладкост- вольные, комбини- рованные СБШ -160, СБУ-125А НВМ- 185
Малые карьеры с крепкими поро- дами; повышенная кусковатость взо- рванных пород VI 125 Пневма- тический ПУ. РУИ 80-90 13-15 Г ладкост- вольные СБУ-125А, 2СБР-125
Примечание. Сокращенные обозначения: ШД шарошечные долота; РД режущие долота; ДД дисковые долота,
УШС - ударно-шарошечные инструменты; РУ И режуще-ударные инструменты; РШИ режуще-шарошечные инструмен-
ты; ПУ - пневмоударные инструменты, ДЗДШ долота с зубчато-дисковыми шарошками.
3.1. Анализ проблемы разрушения и низкого ресурса рабочего инструмента
при бурении технологических скважин
Кроме основных модификаций нужны станки специального типа для
проходки контурных скважин, наклонного бурения высоких уступов при
сейсмических ограничениях, а также скважин с большим расширением их
нижней части. Дискуссионным являются два вопроса: о целесообразности
сохранения узкоспециализированного шнекового бурового стайка СБР-160
и о диапазоне изменения диаметра бурения на комбинированных модифи-
кациях станков.
Проектирование и создание буровых станков по модульному прин-
ципу (различные модификации на основе базовых моделей) широко рас-
пространены на зарубежных фирмах развитых стран. Наиболее четко это
проявляется в конструкциях станков типа НВМ немецкой фирмы «Ха-
усхерр». Ряд моделей станков этой фирмы рассчитан на применение ша-
рошечных, режущих и пиевмоударных инструментов. Основной произво-
дитель шарошечных станков в России ОАО «Рудгормаш» наряду со стан-
ками СБШ-250МНА-32 в различных исполнениях изготавливает модели
СБШ-190/250-60, ряд новых модификаций СБШ-РД-10 (00, 02, 04, 08) и
другие по заявкам предприятий. Однако прогрессивные разработки и ре-
комендации институтов используются далеко ие полностью.
В отличие от зарубежных фирм в России предложено оснащать ряд
типоразмеров буровых станков шнекопневматической очисткой (ШЛО)
скважин в связи с распространенностью сложноструктурных горных пород
(преимущественно на угольных разрезах) и осложненными условиями
(закарстоваиные зоны, слои вязких влажных глин и т. д.). ШПО значитель-
но повышает скорость бурения и стойкость долот, улучшает энергетиче-
ские и экономические показатели бурения при лучшем соотношении ре-
жимных параметров, снижает расход шиеков. Этот способ очистки наибо-
лее изучен при бурении скважин диаметром 125 мм (станки 2СБР-125), 160 мм
(станки СБР-160, БТС-150), 190 мм (станки СВБК-200 и СБШК-200) и в
меньшей степени (эпизодически) 244,5 мм (станки СБШ-250 МНА).
Заслуживает внимания предложение КузГТУ [1] о создании для
угольных разрезов двух универсальных станков типа СВБ-200/250 для бу-
рения скважин глубиной до 60 м диаметрами 215,9; 244,5 и 269,9 мм
(с осевой нагрузкой до 320 кН. массой 60 т) и СВБ-125/160/190 для бурения
скважин глубиной до 45 м (с осевой нагрузкой до 175 кН и массой 30 т).
Так как для каждого диаметра долота требуются отдельные утяжеленные
буровые ставы шиекопиевматического типа (диаметром до 265 мм и шагом
спирали 300 мм), разные и достаточно громоздкие кассеты для штаиг и
мощные вращатели, то выпускаться могут лишь отдельные типоразмеры
этих универсальных станков, которые по существу представляют собой
виртуальные базовые модели для четырех-шести модификаций. Следова-
49
3. Научное обоснование, выбор параметров
и создание исполнительных органов буровых станков для карьеров
тельно, значительных противоречий по сравнению с модификациями
станков, предложенными в табл. 20. не возникает.
В то же время предлагаемые диапазоны изменения диаметра бурения
(216-270 мм и 125-190 мм) для базовых моделей нуждаются в дополни-
тельной конструкторской проработке с уточнением экономически выгод-
ной области применения. Необходимо также получить представительные
опытные данные о бурении глубоких скважин (до 60 м) с использованием
ставов шнекопневматического типа диаметром 240 и 265 мм в различных
породах.
Задачи оптимизации конструкций и параметров базовых моделей
буровых станков и повышения их надежности являются сложными и ждут
своего решения.
Преждевременно отказываться от ряда узкоспециализированных
станков, как наиболее простых, дешевых и надежных. Особенно это каса-
ется станков типа СБР-160 с обычной шнековой очисткой скважин, кото-
рые в большом количестве используются для бурения по углю и некреп-
ким вскрышным породам. Перевод этого типа станка на шнекопневмати-
ческую очистку скважины от бурового шлама почти вдвое увеличивает его
массу и повышает расход мощности на выработку сжатого воздуха. Устра-
нение этих недостатков, однако, может быть осуществлено при решении
вопросов совершенствования способов шламоудаления, например, за счет
применения шнековых забурннков-эвакуаторов длиной до 8-10 диамет-
ров скважины с применением управляемых эжекционных воздушных
потоков.
Основная проблема в бурении на карьерах - буровой инструмент, по-
скольку именно сочетание типа инструмента и параметров режима бурения
определяет способ бурения, реализуемый буровыми станками, имеющими
одинаковую конструктивно-технологическую схему построения.
На рис. 16 показаны рекомендуемые в литературе ориентировочные
области эффективного использования механического инструмента в зави-
симости от крепости горных пород [3]. Из диаграммы видно, что каждая в
отдельности модель инструмента имеет довольно ограниченные границы
эффективной работы.
Особенно это касается шарошечных долот. В силу специфичности
условий на карьерах (мелкие скважины с чередованием пород разной кре-
пости) буровое долото часто работает в области, не соответствующей ус-
ловиям его применения. Это приводит к снижению технических и, как
следствие, экономических показателей бурения.
Комбинированные инструменты с дискретным или одновременным
воздействием на горную породу различных породоразрушающих элемен-
50
3.1. Анализ проблемы разрушения и низкого ресурса рабочего инструмента
при бурении технологических скважин
тов (шарошечных, резцовых, дисковых, ударных и др.) существенно рас-
ширяют эффективную зону бурения. Среди них (рис. 16) по области при-
менения выделяется созданный в НИИОГР режуще-ударный инструмент
(РУИ) с регулируемым интенсификатором, который, как показали испыта-
ния РУИ-160 и РУИ-216, может реализовать режимы вращательно-
ударного, ударно-вращательного и бурения резанием в диапазоне измене-
ния крепости горных пород от/ = 1 до/ = 12.
Рис. 16. Область эффективной работы бурового инструмента: РД режущие
долота с неподвижными резцами, ДЗДШ - долота с зубчато-дисковыми шарошка-
ми, РШИ режуще-шарошечный инструмент, РУИ режуще-ударный инстру-
мент, УДС - ударно-дисковый снаряд, УШИ- ударно-шарошечный инструмент
Буровой инструмент, особенно шарошечный, является самым высокона-
гружаемым и ответственным элементом буровой машины, за жизненный цикл
которой (практически 10 лет) затраты на израсходованные долота, как прави-
ло, в несколько раз превышают стоимость самой машины (табл. 21).
51
3. Научное обоснование, выбор параметров
и создание исполнительных органов буровых станков для карьеров
Таблица 21
Ориеншровочное сравнение стоимости буровых панков ина СБШ
с суммарными загра1ами на шарошечные долеiа диаме1ром 245—320 мм
за срок службы панка
Условия и средства бурения Показатели
Коэффициент крепости гор- ных пород/ Типоразмер станка Тип и диаметр долота, мм Стоимость бу- рового станка, Сет, млн руб. Суммарные затраты на ШДСд, млн руб. Отношение Сд/Сст
/= 6-8 СБШ -250 245-270 Т 8-9 12 1,3-1,5
f= 10-12 СБШ -250 245 270 Т, ТЗ 8-9 40 4,4-5,0
12 15 СБШ -250 СБШ -230 245-320 К, ОК 12-13 60-65 5,0-5,4
f= 15-18 СБШ -250 СБШ -320 245-320 ОК 12-13 70- 100 5,4- 8,0
Особенно велика эта разница (в 5—8 раз) для тяжелых станков СБШ,
применяемых в породах высокой крепости. Это объясняется высокой
стоимостью неразборных шарошечных долот, которая за последние годы
возросла в сотнн раз не пропорционально стоимости станков. Прочие за-
траты на бурение (стоимость машиносмены станка, включая расход элек-
троэнергии) увеличились в десятки раз, но в меньшей степени по сравне-
нию с затратами на долота. Это обстоятельство изменяет роль скоростных
качеств буровых инструментов по отношению к их стойкости при оценке
результатов бурения по стоимости проходки 1 м скважины.
Как российские, так и зарубежные долотные заводы изготавливают
ШД в основном для бурения глубоких скважин на нефть и газ, где их исто-
рически начали применять и применяют в настоящее время. На карьерах
ШД начали использовать с 60-х гг. прошлого века. При этом в горной про-
мышленности применяются ШД, принципы создания которых определены
в основном условиями проходки глубоких скважин, где решающим факто-
ром эффективности инструмента является снижение потерь времени на за-
мену изношенного долота на большой глубине. Здесь потери производи-
тельности от длительности подъемно-спусковых операций, сильно завися-
щей от износостойкости долота, не удается компенсировать увеличением
скорости бурения. Это вынуждает нефтяников создавать опоры и воору-
жение ШД высокой стойкости, применяя сложную и затратную техноло-
гию изготовления. Такой подход по инерции сохраняется при изготовле-
нии долот горнорудного назначения с небольшой корректировкой конст-
рукции. связанной с очисткой скважины сжатым воздухом вместо промы-
вочной жидкости. Экономически это не всегда оправдывается, так как по
52
3.1. Анализ проблемы разрушения и низкого ресурса рабочего инструмента
при бурении технологических скважин
сравнению с нефтяными и газовыми взрывные скважины имеют в десятки
и сотни раз меньшую глубину, поэтому затраты времени на замену долота
и степень риска при их отказе ничтожны. При этом наблюдаются сущест-
венно меньшие потери энергии в буровом ставе и затраты её на эвакуацию
буровой мелочи из скважины. Однако в себестоимости 1 м взрывных
скважин затраты на шарошечные долота в крепких породах в 2 6 раз и бо-
лее (в зависимости от диаметра и крепости пород) превышают остальные
затраты из-за высокой стоимости ШД, которая не компенсируется дости-
гаемой стойкостью долот и их скоростными качествами. Более того, по-
вышение долговечности ШД, всегда связанное с большим ростом их цены,
не всегда приводит, как показывают наблюдения, к уменьшению удельных
затрат на бурение. В этом отношении характерны опытные данные Р. И.
Сухова, полученные в условиях Главного карьера АО «Качканарский
ГОК» при испытании на станках СБШ-250 МН-32 шарошечных долот
диаметром 244,5 мм фирмы «Смит» в сравнении с дешевыми отечествен-
ными долотами.
Буровой блок был представлен породами с коэффициентом крепости
/= 14. Долота выходили из строя по причине износа подшипников опор.
Испытания показали, что трехкратное увеличение стойкости (проходки на до-
лото) сопровождается трехкратным увеличением стоимости долот и не дает
экономического эффекта, так как скоростные качества долот пракпиески рав-
ноценны, а затраты времени на замену долота незначительны. Удельные за-
траты на буровой инструмент на 1 метр бурения оказываются одинаковыми.
Аналогичные результаты получены при испытаниях отечественных и
зарубежных шарошечных долот на карьерах «Удачный» и «Юбилейный»
АК «АЛРОСА» [5]. Анализ стоимости бурения одного метра скважины
долотами ВН-50 и MAG 43СА (изготовитель фирма «Бейкер Хьюз»),
250,8ТКЗ-ПГВ и 244,5 Т-ПГВ -Р221 (изготовитель ОАО «Волгабурмаш»),
244,5 ТКЗ-ПВ W2 и 244,5 ТПВ W3 (АО «Уралбурмаш») показал, что этот
показатель по долотной составляющей для отечественных и импортных
долот при существенно различающихся показателях проходки отличается
незначительно и находится в пределах 15 18 руб./м (карьер «Удачный»),
причем на карьере «Юбилейный» самые лучшие стоимостные показатели
(7-8 руб./м) получены для отечественных долот производства «Волгабурмаш».
Отрицательные результаты получены на Мазульском карьере из-
вестняка (ОАО «Ачинский глиноземный комбинат») при испытаниях ша-
рошечных долот Тегга-5 и Тегга-6 фирмы «Sandvic» в сравнении с отечест-
венными долотами ТПВ-244,5 и ТКЗ-244,5, цена которых ниже зарубеж-
ных в 7-9 раз [4]. Не исключено, что в ряде условий могут быть получены
положительные результаты, особенно в глубоком бурении.
53
3. Научное обоснование, выбор параметров
и создание исполнительных органов буровых станков для карьеров
Технологические и технические недостатки применяемых ШД наи-
более рельефно проявляются на угольных разрезах, где преобладают
сложноструктурные уступы с частым чередованием пород с коэффициен-
том крепости в диапазоне f= 1 12. В таких условиях скоростные качества
шарошечного бурения могут проявляться только при соответствующем че-
редовании долот типов М, М3, Т и ТЗ. Однако в пределах мелкой скважи-
ны менять долота нецелесообразно из-за больших потерь производитель-
ности. Поэтому, как правило, используют долота типа Т, рассчитанные на
слои более крепких пород (f~ 8-10). В итоге потенциальные возможности
шарошечного способа не используются. В связи с этим разработаны более
сложные многодетальные и дорогие комбинированные инструменты ре-
жуше-шарошечного. ударно-шарошечного и режуше-ударного типов, ко-
торые используются в небольшом количестве и не лишены недостатков,
особенно при переходе на большие диаметры скважин.
Применяемый в настоящее время отечественный и зарубежный ша-
рошечный буровой инструмент является неразборным. Он состоит (рис. 17)
из секций, соединенных между собой сварочным швом 3. Каждая секция
состоит из лапы /, на цапфе которой смонтирована шарошка 2, свободно
вращающаяся на опоре. Опоры шарошек собраны по схеме Р-Ш-Р: боль-
шой роликовый подшипник 5, шариковый ряд - замок 7, малый роликовый
подшипник 6.
Шарики замкового подшипника закладываются при сборке через от-
верстие в цапфе лапы 8, которые потом заваривают. Соединенные сваркой
секции долота образуют корпус, верхняя часть которого заканчивается
резьбовым конусным ниппелем 4, с помощью которого долото присоеди-
няют к конечной штанге бурового става.
При изнашивании опор и вооружения (что составляет примерно 80 %
всех причин выхода из строя конусных шарошечных долот) корпус долота
с ниппелем остаются вполне пригодными для дальнейшей эксплуатации.
Однако при выбраковке этих долот в металлолом уходят все его детали и
узлы. Ресурс корпуса долота при этом остается невыработанным.
С учетом изложенных обстоятельств возникает целесообразность
разработки таких конструкций бурового инструмента, которые, имея вы-
сокую ремонтопригодность и разборность, позволяют эксплуатацию от-
дельных узлов и деталей (корпус, ниппель, опоры, породоразрушающие
элементы, вооружение) с равным ресурсом, обеспечивающим повышение
его надежности, снижение затрат на изготовление и себестоимость буре-
ния единицы длины скважины.
Попытки создания разборных ШД предпринимались давно, но в
предшествующих работах не смогли отойти от традиционной формы лап
54
3.1. Анализ проблемы разрушения и низкого ресурса рабочего инструмента
при бурении технологических скважин
секций, несущих шарошкн. В большинстве конструкций корпуса (банда-
жи) скрепляли лишь ограниченную верхнюю часть секций, а сильно на-
груженная прнцапфовая нижняя часть лапы оставалась вне корпуса. По-
этому не обеспечивалось восприятие больших крутящих моментов, пре-
вышающих у тяжелых станков 10 15 кН-м. При этом тонкие козырьки лап
были слабо защищены от износа.
Предложенная для глубокого бурения конструкция долота большого
диаметра со сменными породоразрушающими секциями [2, 34] содержит
(рис. 18) корпус 1, в котором закреплены породоразрушающие секции 2
посредством стопорных и крепежных узлов. Секции 2 имеют хвостовики с
конической резьбой 3. Стопорный узел представляет собой ступень 4 с
граненой наружной поверхностью, расположенной под резьбой 3 и разме-
щенной в корпусе / в граненом отверстии 5. Грани ступени 4 и отверстия 5
взаимодействуют между собой. Гайка 6 крепежного узла выполнена с гра-
неным хвостовиком 7. Резьба 8 гайки 6 выполнена конической. Хвостовик 7
расположен над верхним торцом гайки 6.
Рис. 17. Современная конструкция
серийных шарошечных
буровых долот
Рис. 18. Долото для бурения скважин
со сменными породоразрушающими
секциями
Достоинством рассмотренной конструкции является эффективность
шламоудаления за счет адресного направления промывочных струй буро-
55
3. Научное обоснование, выбор параметров
и создание исполнительных органов буровых станков для карьеров
вого раствора. Однако конструкция приведенного долота со сменными по-
родоразрушаюшими секциями предусматривает применение только двух-
шарошечного варианта исполнения, что далеко не всегда соответствует
горнотехническим условиям бурения скважин. Кроме того, долото рассчи-
тано для бурения скважин при удалении бурового шлама с промывкой рас-
твором, что не приемлемо в современных условиях очистки взрывных
скважин на горнодобывающих предприятиях.
Одной из основных причин
выхода из строя опор шарошек се-
рийных долот является неравномер-
ность нагрузок на шарошки, возни-
кающая при неодинаковой крепости
пород в забое, а также разновысот-
ность вооружения шарошек и сек-
ций, допускаемая соответствующим
ГОСТом при их изготовлении. В оп-
ределенной степени указанные не-
достатки позволяет устранить раз-
борная конструкция бурового доло-
та, снабженного устройством, обес-
печивающим передачу осевой на-
грузки на секции долота таким обра-
зом. что она регулируется за счет пе-
ремещения этих секций в осевом на-
правлении.
Долото состоит из корпуса 1
(рис. 19) с замковой резьбой для со-
единения с бурильной колонной в
верхней части и пазами на ннжнем
конце, по форме, соответствующей
бобышкам, на секции 2 долота. На
Рис. 19. Разборное долото с регулируемой внутренней цилиндрической поверх-
разновысотностью шарошек ности корпуса 1 выполнена кольце-
вая канавка для размещения в ней
запорного устройства 3. В верхней
части корпуса 1 размещен подпятник 4, имеющий сферическую поверхность,
на которую опирается пята 5 с такой же поверхностью, имеющая возможность
поворачиваться относительно центра сферы в любом направлении.
Нижняя полость пяты 5 имеет плоскую форму и размещена в гори-
зонтальной диаметральной плоскости этой сферы. На плоской части пяты 5
56
3.1. Анализ проблемы разрушения и низкого ресурса рабочего инструмента
при бурении технологических скважин
равномерно расположены сферические гнезда с юбками 6, имеющими
внутренний диаметр больше диаметра сферической опоры. Юбка 6 и уп-
лотненные сферические гнезда в секциях служат направляющими для сфе-
рических опор 7, не допуская их выпадения при отсутствии нагрузки на
долото и поворота пяты 5 в плоскости, перпендикулярной оси долота.
В нижней внутренней части втулки 8 установлена стандартная промывоч-
ная насадка 9. Каждая секция долота имеет возможность осевого возврат-
но-поступательного перемещения. Это обеспечивает равномерность рас-
пределения веса бурового става на секции долота при неровности забоя в
пределах 20 мм и углах падения в пределах до 150.
Однако рассмотренное долото не предусматривает раздельное при-
менение опор и породоразрушаюших элементов. Параметры затрубного
пространства и призабойной зоны при этом не отличаются от указанных
параметров традиционных шарощечных долот. Затрудненные условия
очистки скважины от бурового шлама при этом также сохраняются. Ус-
ложнение конструкции приводит к снижению надежности работы долота, а
при больших скоростях вращения бурового става не исключена вероят-
ность возникновения вибраций. Кроме того, сложная конструкция долота
не защищена от проникновения в нее воды и продуктов разрушения поро-
ды, что может негативно отразиться на работоспособности долота.
Большое значение в обеспечении надежности бурового инструмента
имеет конструкция опоры долота и величина затрубного пространства, об-
разованного стенками скважины н внешними поверхностями лап долота,
которая в значительной степени определяет эффективность шламоудале-
ния. Одним из существенных недостатков конусных шарощечных долот
являются низкая стойкость опор и незначительная величина затрубного
пространства, не в полной мере обеспечивающая эффективную очистку
скважины от бурового шлама. В этом отношении в положительную сторо-
ну выделяются некоторые конструкции одношарощечных долот, имеющих
мощную опору и возможность создания затрубного пространства большой
величины.
Известные одношарощечные долота со сферической шарошкой име-
ют опору, расположенную к вертикальной оси под острым углом (рнс. 20).
Их конструкции позволяют создавать высокие осевые нагрузки на долота,
что обеспечивает повышение скорости бурения. Однако эти долота явля-
ются неразборными. Так же, как и в конусном шарощечном долоте, при
выходе из строя опоры и вооружения выбраковке подлежат все детали и
узлы долота, в том числе пригодные к дальнейшей эксплуатации.
Кроме того, наличие лишь одной сферической шарошки может при-
водить к отклонению направления буримых скважин, особенно глубоких
57
3. Научное обоснование, выбор параметров
и создание исполнительных органов буровых станков для карьеров
и в сложноструктурных породах, а наличие вязких, глинистых пород при-
водит к существенному снижению скорости бурения.
Рис. 20. Одношарошечное буровое доло-
то со сферической шарошкой: 1 корпус;
2 - ниппель; 3 продувочный канал; 4 -
канал для шарикового замка; 5 цапфа;
6 шарошка; 7 — подпятник; 8 упорный
шариковый подшипник; 9 шариковый
ряд замка; 10 твердосплавный зубок
В определенной степени недостатки рассмотренных одношарошеч-
ных сферических долот позволяет избежать одношарошечное долото с ко-
нусной шарошкой [2, 34]. При бурении корпус 1 долота (рис. 21). жестко
соединенный с буровым ставом 2 и контактирующий по плоскости опоры 4 с
конусной шарошкой 3, осевым усилием прижимает последнюю к забою
образующими конуса, несущего вооружение. Вращающий корпус долота
вращает одновременно и шарошку 3 с цапфой, которая вследствие разницы
сил трения на плоскости опоры 4 и поверхности цапфы 5, с одной стороны, и
сил трения на конической поверхности шарошки 3 с забоем, с другой стороны,
поворачивается относительно оси цапфы 5, обкатываясь по забою скважины
образующими конической поверхности. Ось цапфы шарошки описывает ко-
ническую поверхность с вершиной конуса по оси корпуса долота.
58
3.1. Анализ проблемы разрушения и низкого ресурса рабочего инструмента
при бурении технологических скважин
Несмотря на заметные преимущества, одношарошечное долото с ко-
нусной шарошкой имеет ряд недостатков: во-первых, неразбориость кон-
струкции; во-вторых, интенсивный износ периферийных зубков и услож-
ненные условия разрушения центральной части забоя скважины.
Таким образом, назрела необходимость принципиально изменить
подход к конструкциям и технологии изготовления ШД для карьеров, т. е.
создавать специализированные долота горнорудного назначения. Ряд та-
ких долот разработан в Государственном университете цветных металлов
и золота на основе теоретических и экспериментальных исследований и
опытных работ в промышленных условиях на карьерах России.
Основные принципы и новые технические решения, положенные в
основу разработанных в СФУ специализированных ШД. заключаются в
следующем.
1. Проектные значения стойкости долота как основного показателя
его надежности принимаются по критерию минимальных затрат на буре-
ние 1 м скважины с учетом повышенных скоростей бурения и малых за-
трат времени на замену долота.
2. Долота выполняются разборными (вместо выпускаемых долот од-
норазового применения) с корпусом многократного использования сроком
службы до 20-40 тыс. м вместо 100-4000 м, а также со сменными породо-
разрушающими элементами, позволяющими иа одном корпусе устанавли-
вать различные диаметры долота.
3. На одном корпусе долота возможно применять сменные шарошки
(конусные или дисковые) с различным вооружением для широкого диапа-
зона условий бурения.
4. Учитывая применение иа карьерах низкооборотиых силовых ре-
жимов бурения, опоры долот снабжаются подшипниками скольжения вме-
сто миогорядных подшипников качения. При этом опоры выполняются
маслонаполненными, герметизированными с оригинальными замковыми
соединениями и устройствами циркуляции смазки между трущимися по-
верхностями.
5. Конструкции деталей долота рассчитываются иа поточное автома-
тизированное изготовление (штамповка, непрерывное литье и др.).
6. Проектирование специализированных долот производится с помо-
щью компьютерных программ с учетом новых принципов их построения.
Возможность и целесообразность создания долотных корпусов
многократного использования была проверена испытаниями разборных
буровых долот диаметром 244,5 мм с зубчато-дисковыми шарошками
при бурении песчаников и алевролитов иа станке РД—10 в условиях
карьера «Черногорский». После проходки одним сменным комплектом
59
3. Научное обоснование, выбор параметров
и создание исполнительных органов буровых станков для карьеров
шарошек более 6 тыс. м скважин значительного износа корпуса ие было
отмечено (полностью сохранилась окраска корпуса), и прогнозируемая
стойкость корпуса составляет 20-40 тыс. м в зависимости от свойств
горных пород.
Ключевое значение в повышении срока службы бурового инстру-
мента приобретают следующие факторы:
• разработка и внедрение комбинированных буровых органов с
плавной регулируемой подачей его в забой;
• создание механизмов управления рабочим процессом бурения с
возможностью адаптации режимов бурения к изменяющимся физико-
механическим свойствам горных пород.
3.2. Нагрузки на породоразрушающий инструмент
при бурении сложноструктурных горных пород
В процессе работы буровой инструмент сталкивается с пластами
горной породы, имеющими разные мощность и физико-механические
свойства. Так, структура горных пород Черногорского угольного разреза
состоит из пластов мощностью от 0,45 м до 6 м, имеющих диапазон крепо-
сти от 2 до 10 по шкале проф. М. М. Прото дьякоиова (рис. 22).
Крепость по данной шкале находится в прямой зависимости от пре-
дела прочности горной породы при одноосном сжатии осж [36]:
где f — коэффициент крепости по шкале Протодьякоиова; осж - предел
прочности горной породы при одноосном сжатии, МПа.
При разрушении горной породы шарошечным долотом кроме одно-
осного сжатия присутствуют сдвиговые напряжения. Кроме того, иа про-
цесс бурения влияет также плотность горной породы. В связи с этим более
полно сопротивление горной породы разрушению отражает показатель бу-
римости [37]:
П6 = 0,07 (асж +асдв ) + 0,7у,
где Пб - показатель буримости; осж - предел прочности горной породы при
одноосном сжатии, МПа; осдв — предел прочности горной породы при сдви-
ге, МПа; у - плотность горной породы, т/м3.
60
3.2. Нагрузки на породоразрушающий инструмент
при бурении сложноструктурных горных пород
Предел прочности горной породы при сдвиге приблизительно опре-
деляется из выражения:
С„., =o.5 ja„ -ap, МПа,
Рис. 22. Структура горных пород Черногорского угольного разреза: 1 -
слоистые алевролиты, песчаники (за счет многочисленных прослоев алевро-
лита тон всего слоя темно-серый),/ = 6-8; 2 - песчаник массивный, средне-
зернистый, /= 8 10; 3 — аргиллит черный, слабоуглистый,/ = 2 3; 4 алев-
ропесчаник невыдержанного состава, на отдельных участках переходящий
в песчаник,/ = 6-8; 5 — алевролит черный слоистый, с прослоями песчаника,
/ = 4-6; 6 песчаник желто-серый, массивный, мелкозернистый,/’= 8-10; 7 —
аргиллит слабоожелезнениый,/ = 4-6; 8 — песчаник неоднородный, ожелез-
нениый,/ = 8 10; 9 — пласт двухаршинный, /'= 3; 10 слоистый алевропес-
чаник,/= 6—8; 11 - пласт-спутник двухаршинный,/'= 3; 12 песчаник неод-
нородный по составу, переслаивающийся с алевропесчаником, / = 6-8, от-
дельные слои которого ожелезнены, / = 8 10; 13 аргиллит темно-серый,
плотный. /= 3-4; 14 — песчаник мелкозернистый, массивный,/= 6-10:15 -
слоистый темно-серый алевролит, / = 4-6
Бурение горной породы с чередующимися слоями, имеющими раз-
ную крепость, характеризуется возникновением ударной нагрузки. Удар,
как правило, вызывает повышение напряжения в зонах контакта бурового
61
3. Научное обоснование, выбор параметров
и создание исполнительных органов буровых станков для карьеров
инструмента с породой, в подшипниковых узлах и соединительных эле-
ментах всего рабочего органа бурового стайка. Буровой инструмент выхо-
дит из строя при разрушении различных его элементов. Однако в КО %
случаев шарошечный буровой инструмент отказывает в работе по причине
разрушения подшипниковых узлов [38].
Средние нагрузки, как показывает практика, с достаточной точно-
стью соответствуют расчетным значениям усилий и мощности машины.
Однако для эффективной эксплуатации горных машин необходимо зиатъ
зависимость их мгновенной нагрузки от определяющих факторов. Нерав-
номерность мгновенной нагрузки определяется как случайная функция
времени. Предугадать колебания нагрузки полностью невозможно даже
при наличии подробного анализа структуры породы. Так или иначе, но
возникают случайные включения породы разной крепости, которые незна-
чительно влияют на теоретическую скорость проходки. Но на практике
данные включения обязательно влияют не только на скорость бурения, но
и иа напряженное состояние бурового инструмента. В частности, периоди-
ческое возникновение ударов создает циклическую нагрузку, что приводит
к усталостному разрушению элементов инструмента.
Для оценки опасности ударных нагрузок необходимо определить
уровень напряжения, возникающего при ударе. Ударная нагрузка, с одной
стороны, характеризуется уровнем энергии, которая обеспечивает продви-
жение бурового инструмента через горную породу, а с другой стороны,
изменением физико-мехаиических свойств породы. Таким образом, уро-
вень энергии, которая обеспечивает продвижение бурового инструмента
через горную породу, характеризуется мощностью, передаваемой от при-
вода подачи к рабочему органу и буровому инструменту:
A,_^_A£_mG’2-Vl2) (1)
t t I t ’
где N - мощность, передаваемая от привода подачи к буровому инструмен-
ту бурового станка с учетом КПД привода подачи, Вт; ЛЕ - изменение ки-
нетической энергии при продвижении бурового инструмента через породу,
Дж; т — эквивалентная масса, характеризующая массу рабочего органа и
энергию подающего привода, кг; vb v2 - скорости равномерного продви-
жения бурового инструмента при бурении породы 1 и 2 с соответствую-
щими физико-мехаиическими свойствами, м/с (здесь порода 2 имеет пока-
затель буримости больше чем порода 1); t - время переходного процесса,
т. е. период, за который скорость подачи бурового инструмента изменяется
от значения 1 до значения 2 (рис. 23).
62
3.2. Нагрузки на породоразрушающий инструмент
при бурении сложноструктурных горных пород
Изменение скорости продвижения бурового ииструмеита через гор-
ную породу при переходе иа породу с большим показателем буримости
характеризует дополнительное напряжение, возникающее при ударе
_F_m(v2-v,)
уд S St'
(2)
где Суд — напряжение, возникающее в металле при ударе, МПа; 5 - площадь
контактной поверхности в подшипниковых узлах или других элементах,
воспринимающих полностью нагрузку удара, мм2.
Рис. 23. Схема бурения трехшарошечным доло-
том при переходе бурового инструмента на слой
горной породы с большим показателем буримо-
сти Пб2> Пб*: Рос — осевое усилие; V| — скорость
бурения породы с показателем буримости Пе
Выразив эквивалентную массу из уравнений (1) и (2), приравняем их
и определим напряжение, возникающее при переходе бурового инструмен-
та на породу с более высоким показателем буримости:
63
3- Научное обоснование, выбор параметров
и создание исполнительных органов буровых станков для карьеров
_(v2-v,) 2N-t
ИЛИ
2N
S'('г 1
С учетом выражения N = Pvc г,, предложенного проф. Р. Ю. Подэр-
ни [37], получим
ул
—----7-------?->м-
S-(2v,-Av)
(3)
где Рос - осевое усилие, Н; А г - изменение скорости при переходе бурового
инструмента на более крепкую породу, м/мин; vf - скорость бурения до
перехода бурового инструмента на более крепкую породу.
Согласно работе [39] максимальное напряжение в ролике подшипни-
ка качения
Максимальное напряжение в шарике подшипника качения
где F, — радиальное усилие, прилагаемое к подшипнику, Н; z - количество
тел качения в подшипнике; Dp — диаметр ролика, мм; Lp — длина ролика,
мм; /Д,, - диаметр шарика, мм.
Тогда напряжение в ролике подшипника качения шарошки, возни-
кающее при ударе с учетом выражения (3),
р-уд-
бОО-з
2г,
2г, - Аг ‘
(4)
Напряжение в шарике подшипника качения шарошки, возникающее
при ударе,
2г,
2г, - Аг ‘
(5)
64
3.2. Нагрузки на породоразрушающий инструмент
при бурении сложноструктурных горных пород
Скорость бурения находим из выражения [37]:
V =------Ч-, м/мин,
5П6£>,2
где Рос — осевое усилие, МН; ивр - частота вращения бурового става, с
D]2 - диаметр долота, м.
Если необходимо иайти скорость бурения до удара гь то в расчете
необходимо использовать показатель буримости породы, расположеииой
до перехода бурового инструмента иа более крепкую породу.
Для дальнейших расчетов, с учетом справочных материалов [36, 40],
необходимо найти скорости бурения при различных технологических па-
раметрах и оснащении бурового стайка.
Для шарошечного долота диаметром 215,9 мм рассчитанные скоро-
сти бурения в зависимости от показателя буримости породы и величины
осевого усилия представлены в табл. 22
Таблица 22
Скорое 1ь бурения vj, м/мин, шарошечным долотом диаметром 215,9 мм
в зависимое!и oi осевою усилия и иоказазеля буримое i и Пс породы
П6 Рое,КН 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20
140 0,300 0,200 0,150 0,120 0,100 0,086 0,075
160 0,261 0,174 0,130 0,104 0,087 0,075 0,065
180 0,201 0,134 0,100 0,080 0,067 0,057 0,050
Для шарошечного долота диаметром 244,5 мм рассчитанные скоро-
сти бурения в зависимости от показателя буримости породы и величины
осевого усилия представлены в табл. 23
Таблица 23
Скорое 1ь бурения vj, м/мин, шарошечным дилигом диамезром 244,5 мм
в зависимое!и oi осевого усилия и иоказазеля буримоеiи По породы
Пб Рос,кН 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20
180 0,301 0,201 0,151 0,120 0,100 0,086 0,075
200 0,254 0,169 0,127 0,102 0,085 0,073 0,064
220 0,191 0,127 0,096 0,077 0,064 0,055 0,048
65
3. Научное обоснование, выбор параметров
и создание исполнительных органов буровых станков для карьеров
Для шарошечного долота диаметром 269,9 мм рассчитанные скоро-
сти бурения в зависимости от показателя буримости породы и величины
осевого усилия представлены в табл. 24
Таблица 24
Скорое ю бурения vj, м/мин, шарошечным дилигим диаме>ром 269,9 мм
в зависимое।и oi осевою усилия и показателя буримоши Щ породы
п6 Рос,кН 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20
200 0,274 0,183 0,137 0,110 0,092 0,078 0,069
235 0,245 0,163 0,123 0,098 0,082 0,070 0,061
270 0,193 0,128 0,096 0,077 0,064 0,055 0,048
В табл. 22—24 наблюдается снижение скорости бурения при увеличе-
нии осевого усилия, поскольку в расчетах использовались рекомендуемые
средние значения осевого усилия и скорости вращения рабочего органа.
Согласно рекомендациям, представленным в работе [4], при увеличении
осевого усилия в разрешенном заводом-изготовителем интервале частота
вращения должна уменьшаться также в допустимом интервале. В расчетах
скоростей бурения при увеличении осевого усилия частота вращения
уменьшалась.
Затем с учетом полученных выражений (4) и (5) были построены за-
висимости напряжения, возникающего в роликах опор качения трехшаро-
шечиого долота от удара, вызванного изменением физико-мехаиических
свойств породы и характеризуемого разностью скорости бурения соответ-
ствующих слоев породы (рис. 24).
Скорость бурения находится в обратной зависимости от показателя
буримости [37]
5П6.Д2
, м/мин.
где Рос - осевое усилие, МН; лвр - частота вращения бурового става, с-1;
D2 - диаметр долота, м.
Выразим напряжение в опорах качения, возникающее при ударе че-
рез показатель буримости для роликовых тел качения:
оп,ах
р.уд
2П^+2АП6
2П^+АПб ’
(6)
66
3.2. Нагрузки на породоразрушающий инструмент
при бурении сложноструктурных горных пород
для шариковых тел качения
<“=1800-,p^-
2ll'-l2AII-
2П^+АП6 ’
где Пб - показатель буримости.
С использованием выражения (6) построены зависимости напряже-
ния в роликах опор качения трехшарошечного долота, возникающего при
ударе от величины изменения показателя буримости (рис. 25, 26).
Рис. 24. Напряжение в роликах опор качения шарошек: / напряжения, возни-
кающие в опорах шарошечного долота диаметром 215,9 мм при осевом усилии
160 кН; 2 напряжения, возникающие в опорах шарошечного долота диамет-
ром 244.5 мм при осевом усилии 200 кН; 3 напряжения, возникающие в опо-
рах шарошечного долота диаметром 269,9 мм при осевом усилии 235 кН (ми-
нимальное напряжение соответствует бурению породы без ударов; кривые
строились с показателем буримости 7,5; горизонтальные прямые показывают
величину предела прочности при сжатии сталей 55СМ5ФА, 55СМА-1, 55СМА)
Минимальное напряжение (рис. 25) соответствует бурению породы
без ударов. Кривые построены с показателем буримости Пб = 5. Горизон-
тальные прямые показывают величину предела прочности при сжатии ста-
лей 55СМ5ФА, 55СМА-1, 55СМА.
67
3. Научное обоснование, выбор параметров
и создание исполнительных органов буровых станков для карьеров
Минимальное напряжение (рис. 26) соответствует бурению породы
без ударов. Кривые построены с показателем буримости Пб = 7,5. Горизон-
тальные прямые показывают величину предела прочности при сжатии ста-
лей 55СМ5ФА, 55СМА-1, 55СМА.
й
2500 ->
2400
2300
2200 ------
Ов 55СМА-1
2100
2000 - —
1900
1800
1700
1500
1400
1600
Изменение показателя буримости
Ов 55СМА
Ов 55СМ5ФА
Рис. 25. Напряжения в роликах опор качения шарошек: кривые 1-3 напряжения, воз-
никающие в опорах шарошечного долота диаметром 215,9 мм при осевом усилии 140,
160 и 180 кН; 4—6 - напряжения, возникающие в опорах шарошечного долота диамет-
ром 244,5 мм при осевом усилии 180, 200, 220 кН; 7-9 — напряжения, возникающие
в опорах шарошечного долота диаметром 269.9 мм при осевом усилии 200.235.270 кН
При нагружении шарошечного долота с тремя шарошками основную
нагрузку воспринимают роликовые подшипники. Шариковые подшипники
выполняют роль запирающего механизма. Тела качения в шарошечных до-
лотах изготавливают из высокопрочных конструкционных сталей, как пра-
вило, содержащих кремний и молибден. Их предел прочности находится в
диапазоне 1900-2300 МПа. Механические свойства данных сталей значи-
тельно зависят от режимов термической обработки. На рис. 24-26 показа-
ны пределы прочности сталей, из которых изготавливаются тела качения
шарошечных долот.
68
3.2. Нагрузки на породоразрушающий инструмент
при бурении сложноструктурных горных пород
При условии бурения горной породы с показателем буримости IL = 5
(рис. 25) и среднем подающем усилии максимально допустимая величина
изменения показателя буримости породы [АПб] для сталей 55СМ5ФА;
55СМА-1; 55СМА будет следующей: для долот диаметром 215,9 мм [АПб] =
= 2,5; 5; 7,5; для долот диаметром 244,5 мм [АПб] = 3,3; 6,2; 9,2; для долот
Изменение показателя буримости ДПб
Рис. 26. Напряжения в роликах опор качения шарошек: кривые 1—3 - напряжения,
возникающие в опорах шарошечного долота диаметром 215,9 мм при осевом
усилии 140, 160 и 180 кН; 4-6 — напряжения, возникающие в опорах шарошечного
долота диаметром 244,5 мм при осевом усилии 180, 200, 220 кН; 7-9 напряже-
ния, возникающие в опорах шарошечного долота диаметром 269.9 мм при осевом
усилии 200,235,270 кН.
Прн условии бурения горной породы с показателем буримости Пб = 7,5
(рис. 26) и среднем подающем усилии максимально допустимая величина
изменения показателя буримости породы [АП6] для сталей 55СМ5ФА;
55СМА-1; 55СМА будет следующей: для долот диаметром 215,9 мм
[АПб] = 4; 8; >10; для долот диаметром 244,5 мм [АПб] = 5; 9,2; >10; для
долот диаметром 269,9 мм [АП6] - 6,2; >10; >10.
69
3. Научное обоснование, выбор параметров
и создание исполнительных органов буровых станков для карьеров
В связи с представленными результатами можно сделать следующие
выводы:
1. При бурении сложноструктурных пород, имеющих слои с разными
показателями буримости, напряжение в различных элементах бурового ин-
струмента зависит от первоначального уровня показателя буримости и ве-
личины прироста показателя буримости. Увеличение напряжения возника-
ет при переходе на более крепкую породу и доходит до 50 % и более.
2. Увеличение напряжения зависит от отношения прироста показате-
ля буримости к первоначальному значению показателя буримости. При ус-
ловии одинакового прироста показателя буримости напряжение будет
больше в том случае, если первоначальное значение показателя буримости
было меньше.
3. Предел прочности материала тел качения шарошечных долот при
бурении сложноструктурных пород должен быть на 50 % больше напря-
жения, возникающего в телах качения шарошечных долот при бурении по-
роды с неизменным значением показателя буримости 5—7,5.
3.3. Методика расчета усталостной прочности
как основного фактора стойкости шарошечных долот
При бурении горных пород буровой инструмент и буровой став ис-
пытывают спектр сложных нагрузок. Наиболее сложным механическим
узлом бурового става является буровой инструмент. С одной стороны, его
детали испытывают сложнейшие по структуре и величине нагрузки, а с
другой он имеет ресурс, в основе которого лежат механические свойства
материалов. В 80 % случаев шарошечный буровой инструмент (ШД) отка-
зывает в работе по причине разрушения подшипниковых узлов [41]. Под-
шипники качения шарошек испытывают сложную циклическую нагрузку:
1) циклическую нагрузку на тело качения подшипника при качении ша-
рошки по забою; 2) циклическую нагрузку при перекатывании шарошки с
зубка на зубок; 3) циклическую нагрузку, характеризующуюся изменением
физико-механических свойств горной породы.
1. Циклическая нагрузка на тело качения подшипника при качении
шарошки по забою описывается уравнениями расчетного ресурса подшип-
ника [42]
L = 106 а, «2 a3
(1)
70
3.3. Методика расчета усталости прочности
как основного фактора стойкости шаротечных долот
где L - расчетный ресурс подшипника, об.; at — коэффициент, корректи-
рующий ресурс в зависимости от надежности: а2 - коэффициент, коррек-
тирующий ресурс в зависимости от особых свойств подшипника; а3 - ко-
эффициент, корректирующий ресурс в зависимости от условий работы
подшипника; С — грузоподъемность подшипника, Н; Р — нагрузка, Н; к -
показатель степени, равный в соответствии с результатами экспериментов
к — З для шариковых и к= 10/3 для роликовых подшипников.
Для подшипника шарошки расчетный ресурс следует измерять чис-
лом циклов нагружения.
Согласно [43] максимальное напряжение в ролике подшипника качения
(2)
Максимальное напряжение в шарике подшипника качения
(3)
где Fr - радиальное усилие, прилагаемое к подшипнику, Н; z - количество
тел качения в подшипнике; Dp — диаметр ролика, мм; Lp — длина ролика,
мм; Ош — диаметр шарика, мм.
В связи с особенностями конструкции опор качения шарошки Р-Ш-
Р роликовые подшипники несут основную нагрузку, а шариковый под-
шипник служит замковым механизмом. Поэтому при учете осевых нагру-
зок особое внимание следует уделять расчету ресурса роликовых под-
шипников.
Указанные уравнения учитывают только циклическую нагрузку на
тела качения подшипника за счет изменения геометрического положения
тел качения. Ресурс опоры качения (1) не учитывает ударные нагрузки,
возникающие при перекатывании зубьев шарошки по забою, и нагрузки,
возникающие при переходе при бурении на горные породы с более высо-
ким показателем буримости. Периодически возникающая ударная нагрузка
требует оценки усталостной прочности. Достаточно надежной характери-
стикой усталостной прочности деталей машин является коэффициент запа-
са усталостной прочности п, [44]. Эта величина также характеризует
уменьшение количества циклов опоры качения в зависимости от дополни-
тельной циклической нагрузки. Отсюда ресурс подшипника с учетом до-
полнительной циклической нагрузки
71
3- Научное обоснование, выбор параметров
и создание исполнительных органов буровых станков для карьеров
(4)
где о_| — предел выносливости материала, МПа: са амплитуда перемен-
ных напряжений цикла, МПа; ов— предел прочности материала, МПа;
(Ут - среднее напряжение цикла. МПа.
___ ^тах ^гов .
2
_ __ ^тах ^ir.gi
«- 2
где отах. omjn - максимальное и минимальное напряжение, возникающее
при ударах при увеличении крепости горной породы, либо при перекаты-
вании зубьев шарошки, МПа.
2. Циклическая нагрузка при перекатывании шарошки с зубка на зу-
бок характеризуется ударными нагрузками, возникающими при ударе оче-
редного зубка о поверхность забоя. Данный процесс характеризуется из-
менениями кинетической энергии и переходом последней в энергию меха-
нического удара. Изменения кинетической энергии бурового органа харак-
теризуется изменением скорости. Средняя скорость движения бурового
инструмента равна скорости бурения. Но при перекатывании шарошки в
поверхность забоя поочередно ударяются зубки А, Б и В, и шарошка вра-
щается согласно направлению стрелки (рис. 27).
При перекатывании с зубка А на зубок Б в первый полупериод высо-
та hi растет от 0 до х/2, а высота h2 убывает от х до х/2. В данный полупе-
риод долото и буровой став относительно поверхности забоя перемещаются
вверх, и нагрузка на все узлы является пиковой. Во второй полупериод вы-
сота hi растет от х/2 до х. а высота h2 убывает от х/2 до 0. В данный полу-
период нагрузка снижается и мощность подающего привода преобразуется
в кинетическую энергию. В конце второго полупериода кинетическая
энергия преобразуется в энергию удара и нагрузка также является пиковой
В первый полупериод пиковая нагрузка передается плавно в течение всего
полупериода. В конце второго полупериода кинетическая энергия преобра-
зуется в энергию удара мгновенно и время передачи энергии равняется
времени внедрения зубка в поверхность забоя. Отсюда нагрузка, возни-
кающая в конце второго полупериода, является максимальной за весь пе-
риод перекатывания с одного зубка на другой.
72
3.3. Методика расчета усталости прочности
как основного фактора стойкости шарошечных долот
Ударное напряжение, возникающее при перекатывании зубьев ша-
рошки по забою, характеризуется уровнем энергии, которая обеспечивает
поочередное опускание зубьев шарошки на забой.
Б
Рис. 27. Схема перекатывания шарошки по забою
Ударное напряжение, возникающее при увеличении крепости горной
породы, характеризуется уровнем энергии, которая обеспечивает продви-
жение бурового инструмента через горную породу. А также ударная на-
грузка характеризуется изменением физико-механических свойств породы.
Уровень энергии, которая обеспечивает продвижение бурового инст-
румента через горную породу, характеризуется мощностью, передаваемой
от привода подачи к рабочему органу и буровому инструменту. Уровень
энергии, с которой зубья шарошки опускаются на забой, характеризуется
мощностью, передаваемой от привода подачи и привода вращения к рабо-
чему органу:
7у = ^ = ^£='Я(У2-^)> (5)
где N- мощность, передаваемая от привода подачи к буровому инструмен-
ту бурового станка с учетом КПД подачи, Вт; АЕ - изменение кинетиче-
ской энергии при продвижении бурового инструмента через породу, Дж;
73
3. Научное обоснование, выбор параметров
и создание исполнительных органов буровых станков для карьеров
т — исвивалентная масса, характеризующая массу рабочего органа и энер-
гию подающего привода, кг; vi} v-i - скорость равномерного продвижения
бурового инструмента при бурении породы 1 и 2 с соответствующими фи-
зико-механическими свойствами, м/с (здесь порода 2 имеет показатель бу-
римости больше чем порода 1); t - время переходного процесса, т. е. период,
за который скорость подачи бурового инструмента изменяется от значения
1 до значения 2. (В случае с перекатыванием зубьев шарошки Vi - скорость
отдельного зубца шарошки при /?2 = л72, a = 0).
Изменение скорости продвижения бурового инструмента через гор-
ную породу характеризует дополнительное напряжение, поэтому напряже-
ние нагрузки (Т„ равно напряжению, возникающему при ударе оуд:
уд S' St
(6)
где оУд - напряжение, возникающее в металле при ударе, МПа, 5 - площадь
контактной поверхности в подшипниковых узлах или других элементах,
воспринимающих полностью нагрузку удара, мм2.
Выразив эквивалентную массу из уравнений (5) и (6), приравняем
эти уравнения через эквивалентную массу и определим напряжение, воз-
никающее при переходе бурового инструмента на породу с более высоким
показателем буримости:
уд
или
2N
уд
С учетом выражения N = Рос vj, предложенного проф. Р. Ю. По-
дэрни [37], получим
уд
:,М ,
(7)
где Рос - осевое усилие, Н; Дг — изменение скорости при переходе бурового
инструмента на более крепкую породу, м/мин; Vi -скорость бурения до пе-
рехода бурового инструмента на более крепкую породу.
С учетом выражений (2) и (3) напряжение в ролике подшипника ка-
чения шарошки, возникающее при ударе, получим из выражения
74
3.3. Методика расчета усталости прочности
как основного фактора стойкости шарошечных долот
2v, - Av
(8)
Напряжение в шарике подшипника качения шарошки, возникающее
при ударе,
При оценке максимального напряжения, возникающего при опуска-
нии зубьев шарошки на забой, необходимо определить максимальную ли-
нейную скорость зубка, развиваемую при вращении шарошки. Данная ско-
рость зависит от скорости вращения бурового става, от соотношения диа-
метра долота и диаметра окружности шарошки, на которой располагается
г-й зубец. Сущность процесса движения шарошки в момент перекатывания
заключается во вращении шарошки вокруг мгновенного центра вращения О
(рис. 28).
Рис. 28. Схема определения скорости опускания
зубца шарошки на забой: точка О - мгновенный
центр вращения; п частота вращения шарошки,
об/с; - скорость опускания зубца шарошки на
забой, м/с; S расстояние между зубцами, м;
/?ш - средний радиус шарошки до конца зубцов, м
Точкой О является крайняя точка зубпа. на который опирается в дан-
ный момент шарошка и вокруг которой осуществляется вращение. Ско-
рость вращения вокруг точки О, согласно законам теоретической механи-
ки, равна скорости вращения шарошки относительно центра шарошки п.
75
3- Научное обоснование, выбор параметров
и создание исполнительных органов буровых станков для карьеров
При большом числе зубцов справедливо выражение
Ч = 30л —= 15л Л, —.
s ,р 2D D ч1)
ш ш ш
где ивр - частота вращения шарошечного долота, об/мин; - диаметр ша-
рошечного долота, м.
S = ^.
к
где £)ш - средний диаметр шарошки по всем окружностям зубцов, м; к -
количество зубцов всех рядов шарошки.
Поскольку в процессе перекатывания участвуют все ряды зубцов
шарошки, то в расчетах величина S является расстоянием между остриями
всех зубцов шарошки к в плоскости проекции, перпендикулярной линии
касания шарошки с поверхностью забоя.
Отсюда
Ч =15лврД (10)
Конечная скорость зубца в момент удара о поверхность забоя равна
нулю. Максимальное изменение скорости перемещения подшипника ша-
рошки, вызванное перекатыванием с зубца на зубец, равно половине ок-
ружной скорости зубца vs. Поэтому величина Av в выражениях (8) и (9)
Av = vT/2
Скорость по уравнениям (8) и (9) при оценке ударных нагрузок от
перекатывания зубцов по забою
v = v6 + vr / 2,
где - скорость бурения при имеющихся свойствах горной породы уси-
лием подачи и скоростью вращения бурового органа [37].
Тогда напряжение в роликах опор качения, с учетом ударных нагру-
зок, возникающих при перекатывании зубцов шарошки по забою
'р-уд
= 600-
I Д 2(ч+Ч 2)
z'Dr’Lr 2(ч + Ч ,'2) - Ч /2
(П)
76
3.3. Методика расчета усталости прочности
как основного фактора стойкости шаротечных долот
Напряжение в шарике подшипника качения шарошки, возникающее
при ударе,
2(v6+v,/2)
2(v6 + у,/2)-у, '2
(12)
Для определения ресурса справедливо выражение (4).
При этом с>„ = с>™х или с>н = .
3. Циклическая нагрузка, характеризующаяся изменением физико-
механических свойств горной породы, имеет схожий механизм. Возни-
кающее при этом напряжение связано с переходом кинетической энергии
бурового органа в энергию удара при увеличении показателя буримости
горной породы Различие заключается в источнике и механизме образова-
ния ударов
При оценке максимального напряжения, возникающего при увеличе-
нии показателя буримости горной породы, скорость в выражениях (8) и (9)
40Р„г-%
п . г»2
Поэтому напряжение в опорах качения, возникающее при изменении
свойств породы, выразим через показатель буримости: для роликовых тел
качения
2П^+2АПб
2П^+АП6 ’
(13)
для шариковых тел качения
2П^ + 2АП6
2П1+АП6 ’
(14)
где Пб - показатель буримости.
Для определения ресурса справедливо выражение (4).
При этом с>„ = с>И или с>„ = <т™х .
При наложении 2 или нескольких циклических процессов периоди-
чески возникают моменты, когда максимальные нагрузки складываются.
Поэтому оценивать циклическую прочность следует именно по макси-
мальным суммарным циклическим нагрузкам.
77
3. Научное обоснование, выбор параметров
и создание исполнительных органов буровых станков для карьеров
Напряжение в роликах опор качения с учетом ударных нагрузок,
возникающих при перекатывании зубпов шарошки по забою, а также при
изменении свойств породы
I Л 2(v6+v, 2) 2П^+2АП6
z • Ч £р 2(Г6 + ' - /2) ~ 2 2ns + ЛП6
(15)
Напряжение в шарике подшипника качения шарошки, возникающее
при ударе,
I Fr 2(v6+v„2) 2ПБ+2ДПБ
\z-Dl 2(vB + v,/2)-v, 2 211' + ЛИ,
(16)
При работе долота также важную роль играет форма зубца шарошки.
Внедрение зубца шарошки способствует снижению величины ударных на-
грузок. Форма зубца влияет на его проникающую способность в породу.
Однако математически представить зависимость проникающей способно-
сти зубца шарошки в породу от его формы сложно. В работе [6] представ-
лено численное моделирование процесса смятия инденторов различной
формы. В частности, получены относительные значения упруго-
пластической деформации 5 (б = 1 было присвоено индентору в форме за-
остренного цилиндра). Поскольку получены относительные значения, то
их можно интерпретировать в качестве коэффициента способности вне-
дрения индентора той или иной формы в породу. Такой величиной будет
Так, для индентора, имеющего форму закругленного цилиндра.
kma = 0,79. С учетом формы индентора выражения (15) и (16) будут выгля-
деть следующим образом.
Напряжение в ролике опор качения
°р-уд
2(v6 + v,/2) 2Пв+2ДПб k
2(v6+v.,,'2)-v,/2 2Пб + ЛГ1б '
напряжение в шарике опор качения
2(у6+у, 2) 2П‘ +2АП6 д
2(v6 + v,;2)-vs/2 2Пб+ЛПб ’
(18)
где кИ11Д - коэффициент формы индентора (АиНД = 0,79 для индентора,
имеющего форму закругленного цилиндра; Линд = 0,47 для индентора,
78
3.3. Методика расчета усталости прочности
как основного фактора стойкости шаротечных долот
имеющего форму правильного конуса; к11ИЯ = 0,7 для индентора, имеющего
форму выпуклого конуса).
С учетом представленных уравнений определения ресурса опор ка-
чения шарошек можно определить расчетную стойкость буровых долот с
коническими шарошками:
Dmax
ш - максимальный диаметр шарошки.
Для трехшарошечных долот
_ £
7 =--------Ч,,м.
2-«.р'М
За один цикл следует считать нагружение тела качения подшипника
шарошки, вызывающее напряжение ие ниже минимального, учтенного в
расчете. За один оборот подшипника качения каждое тело качения нагру-
жается 2 раза. Более наглядной характеристикой является стойкость буро-
вых долот, которая, как правило, определяется из опытных данных. Таким
образом, при пересчете иа стойкость буровых долот диаметром 244.5 мм
получим теоретические расчетные результаты.
На рис. 29 представлены расчетные зависимости стойкости буровых
долот от осевого усилия, прикладываемого к буровому ставу.
Здесь маркером обозначены зависимости стойкости буровых долот
от осевого усилия при показателе буримости Пб = 5; маркером ▲ - зави-
симости стойкости буровых долот от осевого усилия при показателе бури-
мости П6 = 7,5; маркером О зависимости стойкости буровых долот от
осевого усилия при показателе буримости Пб = 10. При каждом значении
показателя буримости П,-> принималось колебание показателя буримости
ДПб сверху вниз в размере 0: 1:2: 3; 4.
На основании вышеизложенного можно сделать определенные выво-
ды и дать некоторые рекомендации:
1. Разработанная методика позволяет оценить ресурс шарошечных
долот различной конфигурации.
2. Разработанная методика позволяет рассчитывать стойкость шаро-
шечных долот в зависимости от физико-мехаиических свойств и их изме-
нения.
3. Разработанная методика помогает назначать режимы бурения в за-
висимости от физико-мехаиических свойств породы и их изменения.
79
3- Научное обоснование, выбор параметров
и создание исполнительных органов буровых станков для карьеров
4. Значения ресурса опор качения шарошечных долот, полученные
расчетным путем по разработанной методике, соответствуют практиче-
ским значениям по стойкости буровых долот.
Рис. 29. Стойкость буровых долот в зависимости от осевого усилия,
прикладываемого к буровому ставу
5. Представленные расчетные зависимости наглядно показывают, что
при бурении сложноструктурных пород с неизменными параметрами ре-
жима бурения снижается стойкость буровых долот в 2 и более раз.
80
3.3. Методика расчета усталости прочности
как основного фактора стойкости шарошечных долот
6. При бурении сложноструктурных горных пород необходимо кон-
тролировать в постоянном режиме физнко-механическне свойства породы
и регулировать параметры режима бурения.
7. С использованием разработанной методики и компьютерной тех-
ники возможно определение в постоянном режиме ресурса и стойкости бу-
рового инструмента при соответствующих свойствах породы и имеющемся
режиме бурения, а также возможно определение параметров режимов с
учетом максимальной производительности, максимального ресурса и
стойкости бурового инструмента, а также параметров, создающих опти-
мальные параметры как для бурового инструмента, так и производитель-
ности.
8. При использовании технологической или механической системы,
сглаживающей ударные нагрузки, возникающие при изменении физико-
механических свойств горных пород, характеристики по рис. 3 будут стре-
миться к верхней для каждого значения показателя буримости, т. е. рас-
четное АПб будет стремиться к нулю.
81
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
СОЗДАНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ
ДЛЯ БУРЕНИЯ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ
ПОРОДНЫХ МАССИВОВ
4.1. Напряженно-деформированное состояние
рабочего инструмента при использовании
различных систем подачи и разработка рекомендаций
Анализ литературы, обобщающей опыт проектирования и эксплуа-
тации бурового инструмента [45-54] показывает, что создание и работа
бурового инструмента имеют ряд особенностей. Проектирование бурового
инструмента является преимущественно эмпирическим процессом, так как
отсутствуют методики расчетного обоснования, за некоторым исключени-
ем, комплекса геометрических и физических характеристик оборудования
для бурения. При проектировании бурового инструмента в первую очередь
исходят из физики процесса разрушения инструментом породы. При этом
рассматривается напряженное состояние разрушаемого массива и в редких
случаях упоминается о напряженном состоянии породоразрушающего ин-
струмента. Понимание взаимосвязи напряженного состояния бурового ин-
струмента и породы встречается далеко не всегда и ограничивается каче-
ственным ее описанием. Среди комплекса параметров бурового инстру-
мента наибольшее внимание уделяется форме и размерам элементов инст-
румента, непосредственно взаимодействующих с породой и выполняющих
ее разрушение. Практически отсутствует понимание взаимосвязи напря-
женного состояния системы «буровой станок - буровой став - долото - ре-
зец (зуб) - порода» и характера разрушения горной породы. При проекти-
ровании не всегда учитывается тот факт, что предварительный анализ на-
пряженного состояния позволяет более целенаправленно формировать
структуру и свойства проектируемого объекта, в данном случае - бурового
инструмента. Кроме того, не рассматривается влияние системы подачи бу-
рового става в забой на стойкость буровых штанг и бурового инструмента.
Система подачи бурового става в забой скважины является главенствующим
механизмом бурового станка, создающим и регулирующим одно из главных
параметров процесса бурения осевое усилие на буровой инструмент.
Одной из причин такого состояния проектирования бурового инст-
румента, возможно, является то, что разработка конструкций этого класса
изделий осуществляется преимущественно специалистами в области буре-
82
4.1. Напряженно-деформированное состояние рабочего инструмента
при использовании различных систем подачи и разработка рекомендаций
ния, а не машиностроителями широкого профиля. Прн этом слабо учиты-
ваются передовые методы проектирования и расчета в наиболее прогрес-
сивных отраслях машиностроения, отсутствуют попытки использования
новых идей и подходов, развитых в машиноведении применительно к ши-
рокому классу технических систем с целью повышения их прочности, на-
дежности и безопасности.
При рассмотрении возможных путей совершенствования конструк-
ций и методов расчета бурового инструмента в настоящей работе преиму-
щественное внимание уделено анализу расчетных случаев проектирования,
методам оценки надежности и комплексу вопросов, связанных с влиянием
напряженного состояния инструмента как на его прочность и долговеч-
ность, так и на эффективность процесса бурения.
Буровой инструмент по сравнению с конструкциями других техниче-
ских систем не отличается большими габаритами и сложными пространст-
венными формами. Однако в силу специфики рабочего процесса бурения
возможные режимы эксплуатации изучены не полностью. Можно конста-
тировать тот факт, что в литературе отсутствуют четко сформулированные
комбинации нагрузок и условий опирания, которые можно было бы рас-
сматривать в качестве общепринятых расчетных случаев.
Не вполне определены условия подачи и нагружения бурового
става [49]. Несмотря на долголетние и многочисленные исследования, до
сих пор полностью не установлены фактические величины усилий, дейст-
вующих в процессе работы на основные элементы узлов долота (корпус,
подшипники, вооружение). При аналитическом решении задачи определе-
ния усилий, действующих на подшипники шарошки, сложно учесть мно-
гообразие и изменчивость условий взаимодействия вооружения долота с
забоем, а именно: форму забоя и связанное с ней число одновременно
взаимодействующих с забоем зубьев; углы взаимодействия; глубину вне-
дрения зубьев в породу, влияющую на распределение усилий между под-
шипниками; динамичность нагрузки и влияние ее на распределение усилий
между подшипниками, динамичность нагрузки; проскальзывание шарошек
и тел качения подшипников; трение между вооружением и породой, а так-
же трение в подшипниках и пр. [54].
Применительно к расчету труб бурильных колонн следует рассмат-
ривать номинальный режим нагружения, в том числе растягивающие на-
грузки от собственного веса и рабочий крутящий момент. Кроме того, в
качестве расчетных случаев нарушения нормальных режимов эксплуата-
ции необходимо учитывать затяжки и прихваты бурильной колонны (при-
липание труб к фильтрационной корке), а также прихваты и посадки инст-
румента, вызванные сужением ствола скважины [71].
83
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
В значительной степени эксплуатационные характеристики любой
конструкции зависят от того, насколько на этапе проектирования удалось
спрогнозировать все возможные ситуации и режимы работы на протяже-
нии всего периода ее эксплуатации. Полный учет всех возможных комби-
наций нагрузок и условий работы прн проектировании гарантирует надеж-
ную и долговечную работу, отсутствие нештатных ситуаций и нерасчет-
ных режимов, поведение конструкции в которых не рассматривалось и яв-
ляется непредсказуемым.
Таким образом, обоснование перечня расчетных случаев проектиро-
вания считается важной и ответственной предпроектной задачей. Накоп-
ление опыта проектирования и эксплуатации технических систем (ТС) раз-
личного назначения позволило в последние два десятилетия в некоторой
степени пересмотреть подходы к определению расчетных случаев, связать
их с вопросами не только прочности и надежности, но и сравнительно но-
выми понятиями живучести и безопасности ТС.
Рассмотрим некоторые общие аспекты обеспечения надежности, жи-
вучести и безопасности ТС [72-78], конкретизировав их применительно к
конструкциям бурового инструмента.
Надежность бурового инструмента: классические представления
и новые подходы
В настоящее время в теоретических исследованиях и технических
приложениях наиболее широкое применение получила математическая
теория надежности, основанная на статистических методах обработки экс-
плуатационных данных [62. 63] В результате этой обработки получают
вероятностные распределения наработки на отказ элементов технической
системы, что позволяет дать вероятностные оценки достижения того или
иного уровня наработки. Далее по вероятностным характеристикам надеж-
ности элементов определяют надежность системы, представляя ее структу-
ру в виде набора последовательно или параллельно соединенных элементов,
а также комбинации последовательных и параллельных соединений.
Такие подходы получили в технике чрезвычайно широкое распро-
странение, что, на наш взгляд, обусловлено преимущественно достаточной
простотой сбора и обработки статистической информации и возможностью
получения в перспективе эффективных методов и приемов построения на-
учно обоснованных систем эксплуатации [64,65].
Вместе с тем, будучи в свое время разработанной для оценки надеж-
ности компонент и изделий радиоэлектронной промышленности, матема-
тическая теория надежности может быть применена к объектам и системам
другой природы с большой осторожностью. При этом формальный аппарат
84
4.1. Напряженно-деформированное состояние рабочего инструмента
при использовании различных систем подачи и разработка рекомендаций
теории надежности таков, что не возникает никаких затруднений в приме-
нении его к любым системам. Получаемые при этом результаты и про-
гнозные оценки надежности, выглядя правдоподобными, в значительной
степени расходятся с действительными значениями, однако выявляется это
гораздо позднее, после длительных сроков эксплуатации и накопления ста-
тистики по отказам.
Не касаясь объектов и систем другой природы применительно к ме-
ханическим конструкциям, основная причина такого положения заключа-
ется в следующем. К механическим конструкциям, как и к другим техни-
ческим объектам, вполне применимы системные подходы, однако специ-
фика этих конструкций заключается в чрезвычайно тесном взаимодейст-
вии элементов таких систем. Это взаимодействие настолько сильно, что.
хотя формально и можно разделить конструкцию на подсистемы, работает
она всегда как единое целое, объединенное общими силовыми потоками,
полями напряжений и деформаций. Практически не выполняется допуще-
ние математической теории надежности о независимости отказов отдель-
ных элементов. Отказ или снижение работоспособности элемента механи-
ческой конструкции приводит к перераспределению силовых потоков, из-
менению интенсивности деградационных процессов, изменению показате-
лей надежности всех остальных элементов.
Понимание ограниченных возможностей математической теории на-
дежности применительно к механическим конструкциям сформировалось
достаточно давно. Так, в работе [56] отмечается, что при анализе надежно-
сти механической системы необходимо учитывать следующее.
1. Расчет надежности механической системы по схемам с параллель-
ным и последовательным соединением элементов - необходимое (дает за-
висимость надежности системы от надежности входящих в нее элементов),
но недостаточное условие для правильного суждения о ее надежности, по-
скольку результат расчета по этим формулам не учитывает разницу в про-
текании физико-химических процессов в деталях и отдельных звеньях ме-
ханической системы под влиянием действующих нагрузок и окружающей
среды.
2. Для окончательного заключения о надежности механической сис-
темы необходимо определить ведущий вид разрушения в наиболее слабом
элементе системы и исследовать его вероятностные закономерности.
В работе [67] отмечается, что последовательное и параллельное со-
единение подсистем правомерно только в том случае, когда все процессы
механического и физико-химического взаимодействия локализованы в
пределах каждой подсистемы, так что с точки зрения надежности их взаи-
модействие является чисто логическим.
85
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
В течение нескольких десятилетий разрабатывались подходы, со-
вмещающие математическую теорию надежности и физику процессов де-
градации элементов механических конструкций [66 и др.]. Наиболее по-
следовательное развитие теории приводит практически к отказу от фор-
мального аппарата теории надежности и построение методов оценки веро-
ятности отказа и ресурса в рамках чисто механических представлений о
процессах в деталях и элементах конструкций [67]. Вместе с тем, продол-
жается и развитие более сложных структурно-логических схем, которые,
однако, имеют в своей основе те же схемы параллельного и последова-
тельного соединения элементов.
В наиболее полном виде эти схемы рассмотрены в работе [55]. В на-
стоящее время в теории надежности известен ряд логических схем, демон-
стрирующих структуру и механизм формирования показателей надежно-
сти систем произвольной природы. При этом в качестве основного показа-
теля обычно рассматривается вероятность безотказной работы.
1. Схема с последовательным соединением элементов. Вероятность
безотказной работы системы определяется произведением вероятностей
безотказной работы элементов :
*,=ГИ
Л=1
2. Схема с параллельным соединением элементов. В данном случае
вероятность безотказной работы системы определяется по формуле
К. =1-П(1-г,).
*=1
3. Мажоритарная схема. Это вариант системы с параллельным со-
единением, отказ которой произойдет, если из п элементов, соединенных
параллельно, работоспособными окажутся менее т элементов. Мажори-
тарные системы часто встречаются в электрических и радиосхемах, систе-
мах управления, технологических линиях, гидро- и пневмосистемах и др.,
а также при структурном резервировании.
Для расчета надежности мажоритарных систем могут применяться
различные метода, в частности, методы прямого перебора, комбинатор-
ный, логических схем (логико-вероятностный).
При небольшом количестве элементов можно воспользоваться мето-
дом прямого перебора, который заключается в определении работоспособ-
ности каждого из всех возможных состояний системы при различных со-
четаниях работоспособных и неработоспособных элементов.
86
4.1. Напряженно-деформированное состояние рабочего инструмента
при использовании различных систем подачи и разработка рекомендаций
В комбинаторном методе вероятность события, при котором из об-
щего количества элементов п работоспособность сохраняют к элементов в
случае их равной надежности, составляет
где С„к - биномиальный коэффициент,
к\(п - k)l
Если для сохранения работоспособности системы необходимо, что-
бы работоспособность сохраняли не менее т элементов из п (т. е. к > т), то
по теореме сложения вероятность безотказной работы равна сумме вероят-
ностей работоспособных состояний :
^, = EAt=Ec,y(i-rr‘.
к—т к—т
При использовании логико-вероятностного метода математическая
модель системы составляется в терминах алгебры логики. Метод приме-
ним к широкому классу систем с разнообразными связями и сочетаниями
элементов. Применение метода сводится к составлению формализованной
модели в виде формулы алгебры логики, которая определяет условие рабо-
тоспособности (или, наоборот, отказа) системы — функцию работоспособ-
ности (или неработоспособности). При ее составлении для каждого эле-
мента рассматриваются два не совместные события - работоспособное со-
стояние и отказ. Функции составляются с использованием знаков операций
логического сложения и умножения.
Логико-вероятностный метод можно использовать для расчета веро-
ятности безотказной работы любых структурных схем надежности. Однако
при его использовании не всегда удается составить логическую функцию
работоспособности, достаточно точно соответствующую структуре систе-
мы. Кроме того, для сложных систем с большим числом элементов преоб-
разования логических функций становятся очень громоздкими, и трудоем-
кость метода становится практически соизмерима с методом прямого пе-
ребора.
4. Мостиковые схемы. Работоспособность мостиковой системы оп-
ределяется не только количеством отказавших элементов, но и их положе-
нием в структурной схеме. Например, потеря работоспособности системы,
схема которой показана на рнс. 30. обусловлена одновременным отказом
элементов 1 и 2 или 4 и 5, или 1, 3 и 5 и т. д. В то же время отказ элементов
1 и 5 или 2 и 4 и т.д. к отказу системы не приводит.
87
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
Для расчета надежности мостиковых систем можно воспользоваться
методами прямого перебора, логико-вероятностным, дедуктивным.
Дедуктивный метод предполагает анализ неработоспособного со-
стояния системы и его причин, т.е. отказов элементов. Условия, при кото-
рых возникает отказ системы (завершающее событие), сводятся в логиче-
скую схему причинно-следственных связей отказов в виде ориентирован-
ного графа с ветвящейся структурой — дерево отказов (рис. 31). Структур-
ными элементами дерева являются события, связанные между собой логи-
ческими операциями (связками).
Рис. 30. Мостиковая схема
Рис. 31. Дерево отказов
Дерево отказов позволяет проводить качественный и количествен-
ный анализ надежности системы. При качественном анализе определяются
виды и причины отказов, степень защищенности системы от конкретных
отказов, причины возникновения двух и более отказов разных видов, про-
водится ранжирование причин отказов по важности и т.д. Количественный
анализ заключается в определении вероятностных количественных харак-
теристик надежности системы по вероятностным характеристикам элементов.
5. Комбинированные схемы. Данные схемы соответствуют большин-
ству реальных систем со сложной структурой, одни из элементов которой
образуют последовательное соединение, другие параллельное, некоторые -
мажоритарные или мостиковые подсистемы. Для расчета надежности та-
ких систем целесообразно предварительно произвести декомпозицию сис-
темы, разбив ее на блоки (подсистемы), методика расчета надежности ко-
торых известна.
6, Многофункциональные схемы. Они используются для оценки на-
дежности систем, предназначенных для выполнения нескольких функций.
В этом случае определяется вероятность безотказной работы систем по
каждой функции. При этом для каждой функции часто приходится состав-
лять свою структурную схему надежности.
88
4.1. Напряженно-деформированное состояние рабочего инструмента
при использовании различных систем подачи и разработка рекомендаций
Если техническая система содержит элементы, выход из строя которых
изменяет показатели надежности других элементов, то расчет ее надежности
существенно усложняется. В общем случае задача об определении надежности
таких систем не решена из-за сложности и громоздкости формул и из-за неоп-
ределенности условных вероятностей отказа элементов, так как их определе-
ние требует проведения обширных экспериментальных исследований. Это ут-
верждение в полной мере относится к механическим системам.
Что касается бурового инструмента, в частности шарошечных долот,
общепринятые подходы к оценке надежности наиболее полно выражены в
работе [54]. С одной стороны, есть понимание силового взаимодействия
элементов долота и невыполнения допущения о независимости отказов. В
частности, отмечается, что вооружение каждой шарошки состоит из зубьев
нескольких венцов, расположенных на основном и дополнительном кону-
сах шарошки. Отказ зубьев какого-либо венца может не вызывать отказа
вооружения шарошки, так как во многих случаях зубья соседних венцов,
особенно периферийных, других шарошек возьмут на себя часть работы.
Но это приведет к ухудшению параметров, характеризующих эффектив-
ность разрушения горных пород.
С другой стороны, простота и привлекательность методов теории на-
дежности таковы, что делается ряд допущений, позволяющих все же исполь-
зовать схемы последовательного и параллельного соединения элементов ша-
рошечного долота. Предполагается, что можно считать, что зубья одноимен-
ных венцов на различных шарошках образуют параллельные соединения. Но
отказ зубьев одноименных венцов на всех шарошках приведет к отказу воо-
ружения всего долота, так как прекратится разрушение значительного участ-
ка забоя, и, следовательно, блоки одноименных венцов на шарошках будут
образовывать между собой последовательные соединения.
Следует подчеркнуть, что вопросы расчленения вооружения на бло-
ки и выборка вида их соединения должны решаться применительно к кон-
кретному типу долота с учетом характеристики его вооружения и, особен-
но, с учетом коэффициента перекрытия.
В конечном счете, используется схема последовательного и парал-
лельного соединения. Если отказ подшипников опоры любой шарошки при-
водит к отказу всего долота, то отказ вооружения какой-либо шарошки вы-
зывает только ухудшение служебных качеств долота. Следовательно, опоры
нескольких шарошек долота представляют собой последовательно соеди-
ненные блоки, а вооружение шарошек параллельно соединенные блоки.
Исходя из вышесказанного перспективным представляется разви-
ваемый в настоящее время подход, характеризующийся следующими ос-
новными положениями.
89
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
1. При необходимости опенки вклада надежности отдельных элемен-
тов долота в общую надежность возможно использование комбинирован-
ной схемы, при этом необходимо понимание условности оценок показате-
лей надежности элементов долота и того, что вычисленные характеристики
его надежности не будут соответствовать фактическим, а представляют
просто материал для сравнительного анализа.
2. Преимущественное применение имеют алгоритмы оценки надеж-
ности бурового инструмента как целостного объекта. Они предполагают
максимальное расширение перечня расчетных случаев проектирования,
численный анализ напряженного состояния, моделирование полей запасов
прочности н представление структуры инструмента не как системы взаи-
модействующих металлических узлов и деталей, а как объем сплошной
среды с распределенными параметрами надежности. Интегрирование по
всему объему инструмента в принципе позволяет получить прогнозные
оценки его надежности как единого целого.
3. В основе оценки показателей надежности лежат деградационные
модели двух типов: модель деградации элементов вооружения, непосред-
ственно взаимодействующих с забоем, и модель деградации инструмента
как несущей силовой конструкции. В основу разработки первой модели
положены известные теории резания и механика разрушения горных пород
[24]. Вторая модель основана на представлениях механики хрупкого и уп-
ругопластического разрушения [25. 26]. Обе модели предполагают наличие
детальной информации о распределении напряжений и деформаций как в
теле бурового инструмента, так и на границе взаимодействия бурового ин-
струмента и разрушаемой породы.
Влияние напряженного состояния
иа надежность бурового инструмента
Рассмотрим имеющиеся в литературе данные о связи показателей
надежности, долговечности и эффективности бурения в связи с напряжен-
ным состоянием бурового инструмента. Это позволит оценить степень
осознания того факта, что напряженное состояние инструмента является
одним из наиболее важных его характеристик, хотя традиционно не рас-
сматривается как проектный параметр для конструкций данного класса.
Прочность инструмента и разрушаемость породы неразрывно связа-
ны с напряженным состоянием, возникающим от сил взаимодействия ин-
струмента и породы. Действием этих сил объясняется преждевременный
выход из строя бурового инструмента из-за раскалывания пластинок твер-
дого сплава, поломок штанг, корпусов коронок и долот, элементов соеди-
90
4.1. Напряженно-деформированное состояние рабочего инструмента
при использовании различных систем подачи и разработка рекомендаций
неннй. Напряженное состояние связано не только с прочностью, но и с из-
носостойкостью, так как изнашивание инструмента есть результат взаимо-
действия лезвия с породой при больших контактных напряжениях в мик-
розонах. Поэтому исследование напряженного состояния буровых долот,
коронок и пород является одним из важнейших этапов повышения прочно-
сти, надежности и износостойкости, что в значительной степени обеспечи-
вает эффективность бурового процесса в целом [47].
Существенное влияние на работоспособность узлов и элементов до-
лота оказывают возникающие при их перемещении силы трения, которые в
зонах контакта зубьев с породой и тел качения с беговыми дорожками вы-
зывают дополнительные растягивающие напряжения, способствующие об-
разованию преждевременных поверхностных разрывов и трешин. значи-
тельно ускоряющих изнашивание [54]. В данном случае речь идет об осо-
бенностях локального напряженного состояния, вызванного контактным
взаимодействием инструмента с породой.
В различных литературных источниках неоднократно отмечается нерав-
номерный износ разных зон и участков инструмента. Что касается периферий-
ных частей лезвия режущего бурового инструмента, го причина их ускоренно-
го износа объясняется в работе [45] следующим образом. При внедрении ко-
ронки в забой наиболее нагруженными оказываются периферийные участки
лезвия, а так как износ пропорционален работе сил, то эти участки и должны
разрушаться интенсивнее. Кроме того, энергоемкость разрушения угловой зо-
ны шпура значительно выше, чем центральных участков забоя. Это также
очень влияет на ускоренный износ периферийных отрезков породоразрушаю-
щего лезвия. При зависании коронки существенно растут удельные нагрузки
на контактирующих с забоем участках лезвия. Это ведет к увеличению глуби-
ны внедрения их в породу. Следовательно, на своем пути рабочее лезвие ко-
ронки будет встречать центральные участки забоя, которые еще не разруше-
ны. Таким образом, главными причинами формирования участков сфериче-
ских трапеций являются высокий уровень напряжений в крайних участках
лезвий, приводящий к интенсификации усталостного микровыкрашивания
твердого сплава, и специфические условия разрушения угловой зоны шпура.
Практически аналогичная характеристика особенностей работы ин-
струмента вращательного бурения и их связи с разрушением и долговечно-
стью инструмента рассматривается в [47].
Таким образом, и в данном случае очевидна связь между износо-
стойкостью и долговечностью долота и особенностями напряженного со-
стояния в локальных зонах инструмента.
В зависимости от условий и режимов бурения возможны весьма раз-
личные виды напряженного состояния. В некоторых случаях они приводят
91
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
к возникновению пластических деформаций бурового инструмента. С пла-
стической текучестью пластины твердого сплава в направлении движения
резца связывают своеобразное явление «микрочешуйчагого» износа инст-
румента [48]. Этот необычный вид износа внешне проявляется в откалыва-
ниях небольших кусочков пластины твердого сплава с режущей кромки
инструмента. Исследование, выполненное иа новом резце, показало, что
откалыванию кусочков предшествует пластическая текучесть пластины
твердого сплава в направлении движения резца - текучесть, которая может
быть объяснена только высокими температурами и давлениями в соответ-
ствующем участке материала.
Интерес представляют особенности режимов работы, приводящие к
возникновению всесторонне сжатых объемов материала бурового инструмен-
та [49]. Характерной особенностью нагружения породоразрушающих элемен-
тов бурового инструмента, воспршшмающих контактные нагрузки, является
ограниченность контактирующих поверхностей, через которые передается
импульс сил от инструмента к буримой породе. Как правило, напряжения,
возникающие в месте соприкосновения инструмента с породой, отличаются от
общих напряжений в инструменте. Контактные напряжения часто превышают
предел прочности материала при одноосном нагружении. Это объясняется
тем, что материал вблизи контактирующих поверхностей находится в состоя-
нии, близком к всестороннему сжатию. Кроме того, величина контактных на-
пряжений очень быстро убывает по мере удаления от зоны соприкосновения.
В процессе нагружения инструмента породоразрушающие элементы
несколько расширяются, а участок породы в контакте с инструментом де-
формируется, приближаясь к поверхности породоразрушающих граней.
Особенно это проявляется при бурении инструментом с площадками пред-
варительного притупления лезвий или с твердосплавной армировкой ци-
линдрическими вставками. Иначе говоря, при бурении крепких пород име-
ет место упругое перемещение породоразрушающих поверхностей, а кон-
тактирование происходит по плавно очерченному профилю.
Важный аспект взаимодействия породы и бурового инструмента за-
ключается в том, что в зависимости от приложенных нагрузок формирует-
ся не только картина напряженного состояния, но и температурных полей,
что оказывает существенное влияние на характер формирующихся пре-
дельных состояний.
Анализ повреждений изношенных поверхностей подтверждает нали-
чие двух видов изнашивания: при удельных нагрузках до 100 кгс/см2 - аб-
разивного, свыше 150 кгс/см2 - теплового [50].
Для каждого вида изнашивания характерна своя топография поверх-
ности в зоне трения образца по абразиву. При абразивном изнашивании
92
4.1. Напряженно-деформированное состояние рабочего инструмента
при использовании различных систем подачи и разработка рекомендаций
поверхности образцов имеют следы микрорезания, царапания и вдавлива-
ния, хорошо прослеживается направленная шероховатость, совпадающая с
направлением движения образца по абразивному кругу. Дно царапин вы-
тянуто в сторону направления движения, а края вспучены.
Тепловой износ характеризуется наличием оплавленного пятна тем-
но-синего цвета с образованием на кромке образца наплыва металла, раз-
мер которого пропорционален удельной нагрузке. С ростом нагрузки объ-
ем поверхностных слоев материала, подверженных деформации в резуль-
тате разогрева, увеличивается. Образовавшаяся тепловая энергия вызывает
значительный нагрев поверхностных слоев, изменяет их состояние и пер-
воначальную микроструктуру. Под действием высоких напряжений возни-
кает местный сдвиг с последуюшнм отрывом и переносом материала, что
приводит к изменению формы и размера поверхности образца.
Значительное влияние на долговечность оказывает не только напря-
женное состояние вследствие взаимодействия бурового инструмента и по-
роды, но и внутренние напряжения в инструменте, обусловленные техно-
логией изготовления и конструкцией инструмента.
Стойкость штыревых долот в значительной степени определяется
качеством запрессовки штырей [52]. При слабой запрессовке штыри выпа-
дают на забой, разрушают долото и приводят к выходу его из строя. Если
штыри запрессованы очень туго, то остаточные напряжения в комплекте с
динамическими нагрузками, возникающими при разрушении забоя, приво-
дят к поломкам штырей и резкому снижению производительности долота.
Комбинированные шарошечные долота содержат в себе элементы
зубчатых и штыревых долот. Вследствие различной износостойкости шты-
рей и легированных зубьев последние разрушаются значительно быстрее.
После этого вся нагрузка ложится на оставшуюся часть штырей, долото
начинает работать с большими вибрациями и часто выходит из строя из-за
динамических перегрузок.
Большое внимание вопросам прочности, долговечности и напряжен-
ного состояния бурового инструмента уделено в работе [54]. Отмечается,
что существенный недостаток долот со вставными зубками - напряженное
состояние их. возникаюшее при запрессовке в отверстия. В верхней части
заделки зубка создается концентрация напряжений. В процессе взаимодей-
ствия с породой зубки воспринимают сложные нагрузки, сумма напряже-
ний от которых приводит к интенсивному их разрушению.
Действующие на зубок нагрузки вызывают в нем значительные по
величине и изменяющиеся по знаку напряжения, которые в итоге вызыва-
ют усталостные явления в твердосплавном зубке.
93
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
Прочность прессового соединения зубок - шарошка определяется
точностью сборки и величиной натяга. Аналитический расчет прочности
этого соединения существенно затруднен вследствие разной прочности
поверхности отверстия по глубине, разности прочностных характеристик
сопрягаемых деталей и сложной схемы приложения рабочих нагрузок.
Долговечность твердосплавного вооружения шарошек определяется
в основном напряженным состоянием соединения. Изменение рабочей
формы зубка, прочностных характеристик материалов, величины натяга
приводит к увеличению или уменьшению напряженного состояния, ресур-
са работы долота.
При приложении рабочих нагрузок в клиновой рабочей зоне зубка об-
разуются области напряжений, приводящие к возникновению плоскостей
скалывания. Профиль плоскости скалывания в большинстве случаев образует
кривую экспоненциальной формы, замыкающуюся на боковую поверхность
зубка в месте входа его в тело шарошки. В этой зоне формируется значитель-
ная концентрация напряжений, величина которых зависит от величины дей-
ствующих нагрузок и исходной концентрации напряжений, обусловленной
запрессовкой зубка в тело шарошки. В зоне наибольших напряжений зарож-
даются трещины в твердом сплаве. При возникновении зон концентрации
напряжений снижается усталостная прочность детали, причем с увеличением
твердости материала чувствительность детали к концентрации напряжений
возрастает. Наличие цементированного слоя существенно повышает концен-
трацию напряжений в зоне запрессовки твердосплавных зубков.
В работе [79] отмечается, что в процессе работы вооружение шаро-
шечного долота претерпевает значительные изменения: происходит изна-
шивание и разрушение твердосплавных штырей шарошек (сколы, выкра-
шивание и излом), изнашивание и разрушение опор и тыльной части ша-
рошек. Разрушение твердосплавных штырей происходит постепенно и,
главным образом, в результате преждевременной усталости и циклической
перегрузки. После поломки одного штыря следующим может разрушиться
как соседний с ним, так и любой другой штырь венца в результате увели-
чения шага нагружения.
При бурении крепких горных пород выкрашивание и сколы зубьев
появляются в первоначальный период работы долота вследствие чрезмер-
ной нагрузки на долото и других причин. Поломки зубьев у основания
происходят от перенапряжений, возникающих при взаимодействии их с
поверхностью забоя, имеющей впадины и гребешки.
Рассмотрев приведенные в литературе данные по напряженному со-
стоянию бурового инструмента в связи с его надежностью и долговечно-
стью, можно сделать следующие выводы.
94
4.1. Напряженно-деформированное состояние рабочего инструмента
при использовании различных систем подачи и разработка рекомендаций
1. Напряженное состояние элементов бурового инструмента является
фактически основным фактором формирования показателей надежности н
долговечности инструмента. Сама картина напряженного состояния опре-
деляется формой и размерами инструмента, параметрами забоя и внешни-
ми воздействиями (осевым усилием подачи и вращающим моментом). Та-
ким образом, напряженное состояние является центральным звеном в при-
чинно-следственной цепочке формирования отказов и разрушений инст-
румента.
2. Влияние напряженного состояния на надежность и долговечность
бурового инструмента признается практически всеми исследователями
Однако в большинстве случаев речь идет о построении качественной кар-
тины, количественные зависимости показателей надежности от параметров
напряженного состояния отсутствуют. Это обусловлено тем, что для экс-
периментального построения этих зависимостей отсутствует необходимый
статистический материал, а для теоретического построения в настоящее
время нет адекватной физической и математической модели.
Исследования иагруженности и напряженного состояния
бурового инструмента при различных условиях работы,
обусловленных системой подачи рабочих органов
Напряженное состояние бурового инструмента определяется сле-
дующими факторами: его конструкцией, комплексом внешних воздейст-
вий и системой подачи рабочего органа на забой, обеспечивающей способ
разрушения породы инструментом. Поэтому исследование иагруженности
оказывается таким же важным, как и непосредственный анализ напряжен-
ного состояния
Однако, несмотря на долголетние и многочисленные исследования,
до сих пор полностью не установлены фактические величины усилий, дей-
ствующих в процессе работы на основные элементы узлов долота (под-
шипники, вооружение). Усилия в значительной степени определяются фи-
зико-механическими свойствами горных пород и системой подачи рабоче-
го органа на забой скважины. Как было отмечено, системы подачи обу-
словливают способ разрушения породы инструментом. Так, пневмо-
(гидро-)ударная система подачи (ударно-поворотное, ударно-вращательное
и врашательно-ударное бурение) создает режим ударного разрушения;
гидропатронная (СБШ-200), канатно-гидравлическая (СБШ-250), канатная
(РД-10) системы подачи (вращательное бурение) создают режим силово-
го разрушения скалывающе-сдавливающего характера; цепная система
подачи (СБР-125, СБР-160) (вращательное бурение резанием) создает
режим резания горной породы. Поэтому отсутствуют не только расчеты
95
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
на надежность и долговечность ряда узлов долота, но и расчеты на их
прочность.
При аналитическом решении задачи определения усилий, действую-
щих на подшипники шарошки, сложно учесть многообразие и изменчи-
вость условий взаимодействия вооружения долота с забоем, а именно:
форму забоя и связанное с ней число одновременно взаимодействующих с
забоем зубьев; углы взаимодействия; глубину внедрения зубьев в породу;
влияющую на распределение усилий между подшипниками динамичность
нагрузки и влияние ее на распределение усилий между подшипниками;
проскальзывание шарошек и гел качения подшипников; трение между
вооружением и породой, а также трение в подшипниках и т. д. Следова-
тельно. аналитическое решение можно использовать лишь для качествен-
ной оценки в статике влияния того или иного конструктивного изменения,
вносимого при проектировании в опору или вооружение долота [54]. Вы-
ход заключается в постановке экспериментальных исследований.
Как показали исследования [80], большая часть общей нагрузки на
трехшарошечное долото, особенно в начальный период его работы, может
передаваться через три, две, а в некоторых случаях и через одну шарошку.
Возможны случаи, когда вся нагрузка может передаваться через два-три и
даже один венец или зуб шарошки. В результате этого возникает крайне
неравномерное распределение нагрузки по инструменту.
Характер распределения и восприятия нагрузки во многом зависит
от формы элементов вооружения, непосредственно контактирующих с за-
боем горных пород. Рассмотрим некоторые типовые формы вооружений,
определяющих нагруженность бурового инструмента.
В зависимости от технологического назначения вооружение бурово-
го инструмента, применяемого для разрушения горных пород, может быть
подразделено на несколько видов. Важным элементом вооружения (зуба,
штыря, резца) является его режущая кромка, формы которой показаны на
рис. 32 [48].
Рис. 32. Формы режушей кромки
Д. И. Федоровым в работе [81] был исследован характер деформации
грунта при внедрении рабочих инструментов различной формы и разме-
ров. Экспериментально установлены усилия на рабочий инструмент в за-
96
. Напряженно-деформированное состояние рабочего инструмента
при использовании различных систем подачи и разработка рекомендаций
висимости от его параметров, а также угла резания, физико-механических
свойств грунта, скорости и траектории движения инструмента
Подавляющее число экспериментальных исследований нагруженно-
сти и напряженного состояния бурового инструмента и породы выполнено
методами фотоупругости и тензометрирования.
Исследования НДС инструмента при ударио-поворотиой,
ударио-вращательной и вращательно-ударной системах
подачи бурового става
В работе [46] приведен обзор исследований механизма разрушения
горных пород при вдавливании инструмента. Это создается ударио-
поворотным, ударно-вращательным и вращательно-ударным механизмами
подачи бурового става. Авторами подчеркивается тот факт, что лезвие да-
же нового бура никогда ие бывает абсолютно острым и имеет площадку
притупления. В процессе бурения ширина этой площадки постепенно уве-
личивается. В породе выкалывается треугольная призма, которая действу-
ет как клии иа другие участки породы. В книге рассмотрены теоретические
модели и схемы разрушения породы при внедрении клинового лезвия, ко-
нусного штампа для пластичной, малопластичной и хрупкой породы.
Поставлены две задачи: 1) исследование напряженно-деформирован-
ного состояния (НДС) призабойной части шпура, нагруженной лезвием со
сплошной породоразрушающей кромкой; 2) исследование НДС призабой-
ной части шпура, нагруженной лезвием, имеющим в средней части разрыв
сплошности.
Эксперименты проводились на плоских моделях и были посвящены
изучению поля напряжений в плоскости, параллельной рабочему лезвию
коронки, проходящей через середину контактной площади инструмента с
забоем. При динамическом нагружении был исследован характер возни-
кающих трещин, а также выполнено теизометрироваиие корпуса буровой
короики.
Экспериментальные исследования методом фотоупругости и теоре-
тическая оценка характера НДС полупространства под штампом показы-
вают, что формирующаяся в массиве область возмущения исходного со-
стояния по своим размерам на одни-два порядка больше объема воронки
разрушения. Следовательно, при определенном расстоянии между сосед-
ними внедряющимися породоразрушающими элементами будут взаимо-
действовать их области напряженного состояния. В этой связи вопрос
взаимодействия зои разрушения очень важен, так как при выборе рацио-
нального расстояния между инденторами можно получить положительный
эффект от взаимодействия полей напряжений. Изучению этого вопроса по-
97
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
священо много теоретических и экспериментальных работ, в том числе ра-
бота [45].
Значительное количество экспериментальных результатов представ-
лено в работе [47] (рис. 33). Как известно, буровые коронки являются
сложными объемными конструкциями, которые могут дифференцировать-
ся на упрощенные элементы. Так, буровой инструмент в первом прибли-
жении представляет собой плоский клин, воздействующий вершиной на
полупространство (полуплоскость). В связи с этим на первом этапе иссле-
дований для ударного бурения оценивалось на упрощенных конструкциях
распределение напряжений в лезвиях коронок при различных углах заточ-
ки — 75,90, 110 и 120° и различных радиусах затупления.
98
4.1. Напряженно-деформированное состояние рабочего инструмента
при использовании различных систем подачи и разработка рекомендаций
Кроме того, для лезвий с углом а = 110° изучалось напряженное со-
стояние при заглублении в породу на величину АЛ, равную 1, 3 и 5 мм, при
расположении лезвия на поверхности и в заглублении рядом с предвари-
тельным выколом (на расстоянии к). Далее было рассмотрено влияние
диаметра коронки на распределение напряжений при ширине лезвия D,
равной 10, 20 и 40 мм, и напряженное состояние лезвий, скошенных в
плоскости режущей кромки под углом у, равным 10, 15 и 20°.
Для вращательно-ударного и вращательного бурения оценивались
распределения напряжений в упрощенных конструкциях лезвий коронок
прн различных углах резания р, равных 90° для вращательного бурения и
125, 135° для вращательно-ударного бурения. Угол приострения а изме-
нялся в этих случаях от 65 до 75° для вращательного и от 80 до 110° для
вращательно-ударного бурения. Одновременно с изучением распределения
напряжений в различных лезвиях было исследовано напряженное состоя-
ние породы.
Так как наиболее эффективными способами шпурового бурения при-
знаны ударное и вращательно-ударное бурение, то было исследовано рас-
пределение напряжений в некоторых объемных коронках, получивших
широкое распространение.
Наиболее полный обзор результатов экспериментальных исследова-
ний напряженного состояния и иагруженности бурового инструмента при-
веден в работе [49].
Большинство экспериментальных работ, касающихся прочности ко-
ронок, представляет собой испытания по определению стойкости, эффек-
тивности работы и технологии изготовления инструмента. Можно назвать
некоторые исследования, в которых экспериментально определялись уси-
лия и напряжения в штангах для ударного бурения. Так, Н. И. Пригоров-
ским, В. И. Борткевичем и др. в пике перфоратора найдено усилие Р 33,8 кН.
В. И. Ивановым, М. С. Варич и др. приводится значение динамического
усилия (Р= 73,53 кН), действующего между лезвием коронки и буримой
породой. Это значение получено при разрушении гематито-магнетитового
роговика долотчатой коронкой со штангой длиной 475 мм, начальный им-
пульс в которой создавался ударом бойка одинакового с ней поперечного
сечення при скорости удара 4,15 м/с и энергии удара 16 Дж. Наиболее зна-
чительные исследования напряжений в пиках отбойных молотков и в
штангах при ударном бурении проведены Е. В. Александровым, В. Д. Ан-
дреевым, К. И. Ивановым, Н. С. Фишером и др.
Достаточно полное исследование напряженного состояния коронок
для пневмоударного бурения скважин было выполнено в ИГД СО АН
СССР и ИГД МЧМ СССР. Для изучения распределения напряжений в раз-
99
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
личных конструкциях коронок использовались результаты анализа напря-
женного состояния упругих моделей и натурной коронки.
Исследования корпусов коронок на упругих моделях были проведены
также в Московском геолого-разведочном институте, а пластин твёрдого
сплава в Новочеркасском политехническом институте. Изучение натурных
коронок с регистрацией ударных импульсов выполнены В. Д. Андреевым
и А. М. Бочковским в Московском строительном институте и во ВНИИТС
упругие модели использовались для изучения распределения напряжений в
коронках для перфораторного и пневмоударного бурения скважин.
В литературных источниках насчитываются единичные исследова-
ния, посвященные анализу напряженного состояния инструмента для бу-
ровых машин ударного действия или соударению коротких массивных тел
(к числу которых можно отнести ударник и буровую коронку). Наиболее
детальные исследования соударения массивных свободно движущихся ко-
ротких тел выполнено в МВТУ им. Баумана. Г. С. Батуевым и др. установ-
лено, что волновыми явлениями можно пренебречь, если длительность
удара в 8—10 раз превышает наибольший период собственных колебаний
тел. В. Голдсмит отмечает, что при соударении тел, продольные линейные
размеры которых в 5-10 раз меньше длины ударного импульса, в них реа-
лизуется квазистатическое напряженное состояние. Ш. С. Мазитов, сопос-
тавляя величины напряжений по зонам концентраций в пике отбойного
молотка, пришел к выводу, что величина концентрации напряжений при
динамическом нагружении пики может быть определена так же. как и при
статическом осевом нагружении.
В результате исследований напряженного состояния деталей ударно-
го узла и пики отбойного молотка, выполненных в ИГД им. А. А. Скочин-
ского, установлено, что в деталях, подверженных действию динамических
нагрузок, возникает квазистатическое напряженное состояние. И. С. Ба-
бенков и др. при изучении перфораторных коронок на упругих моделях
получили подобие в распределении напряжений как в корпусах коронок,
так и пластинах твердого сплава, имеющих место в условиях динамическо-
го и аналогичного статического нагружения.
Анализ напряженного состояния экспериментальных конструкций
коронок выполняли при различных схемах взаимодействия инструмента с
буримой породой в условиях статического нагружения. Для оценки соот-
ветствия результатов, полученных на моделях при статическом нагруже-
нии, действительному характеру распределения напряжений, имеющему
место в реальных условиях при действии ударных нагрузок, было выпол-
нено исследование натурной коронки методом тензометрирования при на-
гружении, близком к условиям эксплуатации коронок.
100
4.1. Напряженно-деформированное состояние рабочего инструмента
при использовании различных систем подачи и разработка рекомендаций
Исследование НДС инструмента при вращательной системе
подачи бурового става
Исследование НДС корпусов породоразрушающего инструмента с
твердосплавной армировкой и узла крепления бурового инструмента было
выполнено авторами работы [53]. В задачу исследования входили оценка
напряженного состояния соединения и определение зон концентрации на-
пряжений для наиболее распространенной формы зубка размером 12x18 мм.
Характер распределения напряжений исследовали иа моделях из по-
лимерных оптически активных материалов с применением метода фотоуп-
ругости. Было выбрано сечеиие прессового соединения, проходящее через
ось зубка параллельно направлению действующих со стороны забоя сил.
В этой плоскости локализуются максимальные напряжения от действую-
щих нагрузок, которые и определяют усталостную прочность твердо-
сплавных зубков.
Силовое подобие обеспечивалось воспроизведением характера на-
гружения и распределения нагрузок. Для исследования было выбрано мо-
делирование напряженного состояния в плоскости максимальных нагрузок
при статическом нагружении.
В результате просвечивания нагруженных моделей были получены кар-
тины полос интерфереищш напряженного состояния соединения зубок - ша-
рошка. При этом было установлено, что контактное давление на сопрягаемые
поверхности распределяется неравномерно; вызванные им напряжения кон-
центрируются в основном в зоне входа зубка в шарошку и в доииой части со-
единения, при этом средняя часть соединения нагружена значительно слабее.
При повышении контактного давления, что соответствует увеличе-
нию натяга при запрессовке, напряжения по линии сопряжения пропор-
ционально возрастают, сохраняя прежнее расположение зои концентраций.
Величина концентрации напряжений с ростом контактного давления уве-
личивается. Следует отметить, что распространение напряжений в зоне
входа зубка в тело шарошки происходит параллельно поверхности модели
шарошки. С повышением контактного давления линии равных напряжений
выгибаются в сторону неиагружениой клиновой части зубка, что свиде-
тельствует о возникновении осевых растягивающих напряжений. Послед-
ние постепенно распространяются и на клиновую часть зубка.
При моделировании рабочих нагрузок на зубок область растяжения в
клиновой части зубка сменяется областью сжатия, причем со стороны дейст-
вия рабочей нагрузки напряжения сжатия оказываются значительно меньше,
чем со свободной стороны зубка. Концентрация напряжений в месте входа
зубка в тело шарошки со стороны действия рабочей нагрузки уменьшается, а
со стороны свободной нагрузки - увеличивается. В ходе исследования было
101
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
установлено, что величина изменения концентрации напряжений зависит от
рабочей нагрузки н угла ее приложения При постоянной рабочей нагрузке ве-
личина концентрации напряжений в месте входа зубка в шарошку может воз-
расти до 1,5 раза за счет изменения угла ее приложения от 20° до 60°.
Перекатывание шарошки по забою приводит к изменению направле-
ния действия рабочих нагрузок, зависящих от геометрических размеров
долота. Изменение направления действия рабочей нагрузки приводит к пе-
риодическому изменению величины концентрации напряжений в зоне
входа зубка в тело шарошки и созданию переменных напряжений во всей
клиновой рабочей части зубка. Наличие переменных по значению напря-
жений вызывает усталостный износ твердосплавного вооружения, приво-
дит к зарождению и раскрытию усталостных трешин. возникновение кото-
рых определяется величиной концентрации напряжений в зоне входа зубка
в шарошку. При циклических нагрузках с ростом твердости изнашиваемой
детали увеличивается ее чувствительность к концентрациям напряжений,
определяющим их усталостную прочность.
Нейтральные линии относительного растяжения - сжатия на клино-
вой рабочей поверхности зубка образуют возможные плоскости скольже-
ния, по которым происходит разрушение твердого сплава. Эти плоскости
начинаются в месте приложения рабочей нагрузки и заканчиваются в зоне
концентрации напряжений в месте входа зубка в шарошку, описывая ги-
перболическую вогнутую кривую.
Исходя из изложенного можно сделать вывод, что долговечность
твердосплавного вооружения в основном определяется величиной концен-
трации напряжений в зоне входа зубка в тело шарошки. С увеличением на-
тяга при запрессовке возрастает концентрация напряжений, что приводит к
уменьшению долговечности вооружения.
За время экспериментального изучения иагруженности и напряжен-
ного состояния бурового инструмента различными исследователями нако-
плен весьма обширный экспериментальный материал, обобщение которого
представляет большой практический интерес, поскольку связывает геомет-
рические параметры бурового инструмента с параметрами напряженного
состояния, как инструмента, так и разрушаемой породы. Вместе с тем
большинство практических рекомендаций носит частный характер, отсут-
ствуют методические подходы, позволяющие однозначно связать геомет-
рию и напряженное состояние бурового инструмента с его эксплуатацион-
ными характеристиками. При этом большинство экспериментальных ис-
следований выполнено на плоских моделях, что не позволяет проанализи-
ровать пространственную неоднородность параметров напряженного со-
стояния и ее влияние на эффективность инструмента.
102
4.1. Напряженно-деформированное состояние рабочего инструмента
при использовании различных систем подачи и разработка рекомендаций
Аналитические и численные методы расчета прочности
при проектировании бурового инструмента
Рассмотрим возможности классических аналитических подходов и
перспективы применения современных численных методов анализа иссле-
дования напряженного состояния нагруженных элементов и расчета их на
прочность. Необходимо отметить, что именно численные методы оказы-
ваются наиболее гибкими и приспособленными к постановке нетрадици-
онных задач, их решению и интерпретации. Основная задача инженера и
исследователя в этом случае заключается в построении алгоритмов формо-
образования конструкций бурового инструмента на основе результатов
этих решений.
Аналитические методы механики
деформируемого твердого тела
В механике деформируемого твердого тела (МДТТ), в частности
в теории упругости, разработаны расчетные схемы и методы, позволяющие
выполнить оценку распределения напряжений и деформаций при заданной
системе внешних воздействий. При этом наблюдается существенная раз-
ница в развитии расчетных схем для линейных, плоских и объемных объ-
ектов.
Наиболее разработанными являются расчеты линейных объектов.
При этом используются модели стержней, балок, нитей. В зависимости от
особенностей конфигурации и опирания могут также рассматриваться мо-
дели криволинейных, тонкостенных, составных, полупространственных
стержней (брусьев), балок на упругом основании, арок, ферм и т. д. При
этом один размер (длина) бывает гораздо больше двух других.
Широко распространены модели и методы расчета двумерных объ-
ектов - пластинок и оболочек, которые могут быть как плоскими, так и ис-
кривленными. В отдельный класс расчетных моделей выделяются кольца
как один из распространенных элементов машиностроительных конструк-
ций [58, 60]. Общим для этих объектов является то, что один из размеров
(толщина) бывает гораздо меньше двух других.
Намного сложнее обстоит дело в случае трехмерных задач, когда
объект имеет сопоставимые размеры по всем трем осям глобальной декарто-
вой системы координат. Как отмечается в работе [57], в лучших книгах по
теории упругости изложение теории трехмерных граничных задач до сих пор
ограничивается рассмотрением лишь тел специальной конфигурации (полу-
пространство. сфера, некоторые другие случаи тел вращения и т. д.). При
этом наибольшее внимание уделяется вопросам статики, значительно меньше
вопросам колебаний и еще меньше вопросам общей динамики.
103
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
В данном обстоятельстве находит отражение исторический ход раз-
вития теории упругости, которая в течение всего предшествуюшего перио-
да была занята главным образом изучением тел частных профилей и инте-
ресовалась, прежде всего, проблемами статического равновесия. Было бы
неверно приписывать такое положение одной лишь важности указанных
задач для целей технической теории упругости. Истинная причина состоит
в том, что методы классической теории упругости были недостаточны для
построения строгой и достаточно полной общей теории трехмерных гра-
ничных задач.
За более чем четвертьвековой период, прошедший с момента изда-
ния работы [57], можно отметить существенный прогресс в этой области.
Однако, что касается расчетных схем и моделей, пригодных к применению
на инженерном уровне, приходится констатировать их отсутствие и в на-
стоящее время. В качестве компромиссных решений рассматриваются ме-
тоды расчета толстостенных цилиндров, дисков [59,60] и плит.
Наиболее полный перечень моделей массивных тел, которые могут
быть применены в проектных расчетах в машиностроении, представлен в
работе [61]: толстостенная труба и сферический сосуд, нагруженные внут-
ренним давлением; круговой диск, испытывающий центробежные силы
при вращении; плоский, выпуклый и цилиндрический штампы, вдавливае-
мые в полуплоскость или полупространство; полоса, сжимаемая двумя ше-
роховатыми плитами; цилиндрическая заготовка, осаждаемая плоскопа-
раллельными плитами.
Выполненный краткий обзор моделей МДТТ дает основание утвер-
ждать, что в настоящее время отсутствуют расчетные схемы и аналитиче-
ские методы расчета трехмерных тел, близких по форме к конструкциям
бурового инструмента.
Численные методы анализа
напряженно-деформированного состояния
Под численными методами понимают приближенные способы и ал-
горитмы решения задач вычислительной математики и математической
физики, аналитические подходы к которым оказываются чрезмерно слож-
ными, громоздкими, трудоемкими, а то и совсем не разработанными. При
разработке и использовании приближенных методов решения прибегают к
упрощению геометрии элементов, условий нагружения и закрепления,
принимают ряд допущений, позволяющих получить достаточную точность
результатов за приемлемое время. Что касается точности приближенных
методов, то грамотное их применение позволяет снизить погрешность вы-
числений до процентов и долей процентов, достичь точности, сравнимой
104
. Напряженно-деформированное состояние рабочего инструмента
при использовании различных систем подачи и разработка рекомендаций
с аналитическими методами и, во всяком случае, удовлетворительной при
решении прикладных инженерных задач.
В настоящее время можно выделить три группы численных методов
исследования НДС, позволяющих решать различные задачи моделирова-
ния сплошных сред: метод конечных разностей (МКР), метод конечных
элементов (МКЭ), метод граничных элементов (МГЭ) (граничных инте-
гральных уравнений). Несмотря на различие в подходах, эти методы объе-
диняет единая математическая основа - методы и уравнения математиче-
ской физики. Это стало возможным потому, что большие классы физиче-
ских явлений описываются одинаковыми или весьма схожими математиче-
скими моделями и системами уравнений. В частности, со второй половины
XIX в. методы математической физики использовались для изучения ма-
тематических моделей физических явлений, связанных с различными фи-
зическими полями и волновыми функциями в электродинамике, акустике,
теории упругости, гидродинамике, термодинамике и ряде других направ-
лений исследования физических явлений в сплошных средах. Математиче-
ские модели этих явлений, как правило, описываются при помощи диффе-
ренциальных уравнений с частными производными, называемых уравне-
ниями математической физики.
Многообразие уравнений в частных производных, описывающих фи-
зические явления, включает большое число частных случаев. Если ограни-
читься рассмотрением линейных уравнений второго порядка с двумя неза-
висимыми переменными, то все они относятся к одному из трех типов: па-
раболическому, гиперболическому или эллиптическому. Для полного и
однозначного описания протекания физического процесса помимо уравне-
ний необходимо задать начальные условия (состояние процесса в некото-
рый фиксированный момент времени) и, кроме того, граничные условия -
режим протекания процесса на границе рассматриваемой среды. Совокуп-
ность начальных и граничных условий называется краевыми условиями.
Дифференциальные уравнения вместе с соответствующими краевыми ус-
ловиями образуют краевые задачи математической физики.
Основные трудности при решении задач математической физики
связаны с тем, что точному решению сушествуюшими математическими
методами поддаются лишь уравнения самого простого вида внутри гео-
метрически тривиальных границ. Чтобы преодолеть эти трудности, необ-
ходимо преобразовать задачу к чисто алгебраической форме, включающей
только основные арифметические операции. Для достижения этой цели
могут быть использованы различные виды дискретизации непрерывной за-
дачи, определенной дифференциальными уравнениями. При такой дискре-
тизации бесконечное множество чисел, представляющих неизвестную
105
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
функцию или функции, заменяется конечным числом неизвестных пара-
метров, и для этого процесса требуется некоторая форма аппроксимации.
Именно в этом и состоит основное различие между МКР, МКЭ и МГЭ.
Среди различных возможных видов дискретизации одним из про-
стейших является процесс перехода к конечным разностям. Идеология
МКР состоит в следующем. Область непрерывного изменения аргументов
заменяется дискретным множеством точек, называемых сеткой. Функция
непрерывного изменения аргументов заменяется на функцию дискретных
аргументов, определенную в узлах сетки. Производные, входящие в диф-
ференциальное уравнение, аппроксимируются соответствующими разно-
стными отношениями. Начальные и граничные условия также заменяются
разностными уравнениями. В результате получается система алгебраиче-
ских уравнений, называемых разностной схемой.
Метод конечных разностей успешно используется для решения задач
теории упругости, теплопроводности и моделирования других процессов в
сплошных средах. При этом трудности графической интерпретации исход-
ных данных и результатов, большой объем работ по подготовке задачи к
решению привели к тому, что МКР в инженерной практике и в научных
исследованиях вытесняется МКЭ и МГЭ.
Метод конечных элементов реализует альтернативный по отноше-
нию к МКР подход, состоящий в разбиении исследуемой области сплош-
ной среды на ряд неперекрывающихся подобластей или элементов и по-
строении затем аппроксимации кусочным образом, т.е. отдельно для каж-
дой подобласти. Если подобласти имеют сравнительно простую форму, то
весьма просто оперировать указанным способом в случае областей слож-
ной формы, составленных из таких подобластей. МКЭ явился тем высоко-
эффективным методом, с помощью которого удалось решить большое ко-
личество сложных задач, связанных с расчетом и проектированием конст-
рукций. Появление этого метода обусловлено широким внедрением ЭВМ,
а теперь наблюдается обратная картина: МКЭ способствует более интенсив-
ному внедрению ЭВМ в инженерную и исследовательскую деятельность.
Круг задач, решаемых МКЭ, оказался чрезвычайно велик и включает
в себя кроме классических статических задач теории упругости моделиро-
вание сложных нелинейных нестационарных задач. Идеи метода имеют
прямые механические аналогии, вследствие чего он легко алгоритмизиру-
ется и визуализируется. В настоящее время широко распространен ряд
мощных коммерческих пакетов (ANSYS, NASTRAN, COSMOS...) и разра-
ботано большое количество исследовательских программ. Наиболее инте-
ресными являются приложения МКЭ в области конструкционной прочно-
сти и механики разрушения.
106
4.1. Напряженно-деформированное состояние рабочего инструмента
при использовании различных систем подачи и разработка рекомендаций
Метод граничных элементов является дальнейшим развитием идей
аппроксимации и приближенного решения систем дифференциальных
уравнений. Характерная особенность МГЭ — возможность решения задачи
с использованием дискретизации лишь границы области. При этом преду-
сматривается предварительный переход от исходной краевой задачи для
дифференциальных уравнений к соотношениям, связывающим неизвест-
ные функции на границе области. Эти соотношения либо представляют со-
бой граничные интегральные уравнения, либо выражаются некоторыми
функционалами. В первом случае МГЭ сводится к методам граничных ин-
тегральных уравнений, во втором к вариационным методам.
Метод развивается чрезвычайно быстро и в настоящее время обще-
признанными областями применения МГЭ являются двух- и трехмерные
статические задачи теории упругости, нестационарные задачи теории уп-
ругости (вязкоупругость, термоупругость, упругопластичность, распро-
странение волн), задачи термодинамики (теплопроводность), задачи меха-
ники жидкости, задачи, сводящиеся к механике разрушения (задачи о реб-
рах и углах). Существенным недостатком в области инженерных приложе-
ний является слабая визуализация, а также значительные в настоящее вре-
мя ограничения иа сложность формы исследуемой области.
Численное моделирование НДС
элементов конструкций
В настоящее время накоплен значительный опыт конечно-элементного
моделирования крупногабаритных конструкций, в том числе крановых,
экскаваторных, трубопроводных, аэрокосмических систем, а также сосу-
дов давления, атомных реакторов и других технических систем. Этот опыт
обобщен в рамках ряда конференций пользователей соответствующих па-
кетов программного обеспечения.
В зависимости от предъявляемых к конструкциям требований и по-
становки цели исследований используются различные по сложности зада-
чи коиечно-элементиого моделирования. Для технических систем повы-
шенной опасности, как правило, решаются комплексные задачи, направ-
ленные на недопущение крупных аварий, минимизацию риска и оптимиза-
цию конструктивных схем.
Так, к примеру, для опенки ресурса трубопроводов по критерию
хрупкого разрушения в случае водородной хрупкости стали необходимо
решение связной задачи диффузии - упругопластичности в изначально по-
врежденной среде. Расчет сосудов давления и корпусов ядерных реакторов
предполагает постановку и решение нелинейных задач упругопластично-
сти и ползучести в условиях термического и силового иагружеиия.
107
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
Творческое применение конечно-элементного моделирования позво-
ляет решать уникальные по постановке и получаемым результатам задачи.
Рассмотрим некоторые примеры.
В настоящее время успешно решена задача сочленения деталей с по-
мощью большого количества шпилек. Поскольку неочевидны номера кон-
тактирующих шпилек и вследствие вибрации они меняются, использован
алгоритм, который случайным образом включал и выключал бы шарниры-
шпильки.
Была разработана также вычислительная технология комплексной
оценки состояния магистральных трубопроводов, позволяющая моделиро-
вать взаимодействие подземных участков трубопроводов с окружающим
грунтом.
При решении контактной задачи между вкладышами и шатунной
шейкой коленчатого вала возникла необходимость в выполнении предва-
рительного моделирования особенностей технологии сборки узла. Так, бы-
ло смоделировано неравномерное сжатие посадочной поверхности после
затяжки шатунных болтов и определены возникающие при этом натяги и
зазоры.
Имеется опыт моделирования наиболее тяжелого случая деформиро-
вания железнодорожных колес при их температурном нагреве в результате
длительного торможения.
Следует сказать, что моделирование аварийных ситуаций относится
к наиболее сложным комплексным задачам. В некоторых случаях возника-
ет необходимость моделировать весь процесс, начиная со взрыва, распро-
странения акустических волн в атмосфере и по конструкции и кончая по-
терей несущей способности конструкции. Моделирование разрушения
трубопровода позволило рассмотреть во времени все фазы развития ава-
рийной ситуации. Кроме того, известен опыт анализа разрушения участка
трубопровода с разлетом осколков, проникновением их сквозь грунт и по-
вреждением соседних участков трубопровода. Моделирование хрупкого
разрушения двуногой стойки карьерного экскаватора дало возможность
проанализировать возможные сценарии развития аварийной ситуации.
Несколько более простыми оказываются задачи оценки несушей
способности элементов конструкций с накопленными в процессе эксплуа-
тации повреждениями.
Особую актуальность представляют задачи по непосредственному мо-
делированию геометрии трещиноподобных дефектов элементов конструкций.
Непосредственное моделирование трещины представляет интерес не
только с точки зрения исследования напряженного состояния, но и влия-
ния ее наличия на собственные частоты элемента конструкции.
108
4.1. Напряженно-деформированное состояние рабочего инструмента
при использовании различных систем подачи и разработка рекомендаций
Известны вероятностные постановки и решения задач конструкци-
онной прочности с использованием конечно-элементных технологий.
Рассмотренные результаты демонстрируют спектр возможных по-
становок задач и характеризуются тем, что большинство из них были по-
лучены в академических, учебных и отраслевых институтах и научно-
исследовательских подразделениях наиболее передовых промышленных
предприятии и организаций. Что касается ситуации на большинстве маши-
ностроительных заводов, то для технических систем общего назначения
обычно ограничиваются нестрогой минимизацией массы при рассмотре-
нии нескольких альтернативных конструктивных вариантов.
Рассмотрим опыт решения задач конструкционной прочности несу-
щих конструкпий подъемно-транспортного и горнодобывающего оборудо-
вания.
Преимущественное развитие получил статический конечно-
элементный анализ крана, представленного стержневой пространственной
моделью. Известен опыт расчета крановых конструкций с использованием
пространственных пластинчатых и объемных моделей. В последнее время
выполнены исследования, дающие возможность использовать конечно-
элементный анализ для многокритериальных расчетов конструкций на
прочность, трещиностойкость и живучесть, учета коррозионного износа, а
также расчетов на сейсмические воздействия.
Что касается пространственных несущих конструкций карьерных
экскаваторов, то расчет основных узлов и деталей показал, что номиналь-
ные напряжения в них, как правило, гораздо ниже допускаемых и что фак-
тически обеспечен значительный запас прочности по статическим напря-
жениям. Аналогичные результаты получены и другими исследователями.
Рассмотрение всего арсенала возможностей численных методов ис-
следования НДС и опыта их применения в инженерном проектировании
позволяет сделать следующий вывод. В реальной инженерной практике,
как правило, используется лишь незначительная часть возможностей ма-
тематического, программного и аппаратного обеспечения задач механики
деформируемого твердого тела и конструкционной прочности. В частно-
сти. все расчеты выполняются, как и в аналитической постановке, в пред-
положении сплошности среды. При этом следует отметить, что крайне ма-
лочисленными являются исследования, посвященные непосредственному
учету технологической и эксплуатационной дефектности при решении за-
дач ресурсного проектирования.
Вместе с тем внедрение в инженерную практику только статического
анализа НДС позволяет резко повысить качество и технический уровень
изделий машиностроения.
109
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
Что касается бурового инструмента, то в литературе не удалось об-
наружить примеров и описаний численного решения задач оценки напря-
женного состояния конструкций этого класса изделий.
Разработка рекомендаций для современных задач
расчетов напряженно-деформированного состояния
бурового инструмента
Современное состояние численных методов анализа напряженного и
деформированного состояния, наличие мощных пакетов конечно-
элементного анализа и высокопроизводительных средств вычислительной
техники открывает перспективы как решения традиционных задач проек-
тирования бурового инструмента на более высоком качественном уровне,
так и постановки новых задач, которые не могли быть решены на старой
технической и методической базе. Рассмотрим ряд задач, решение которых
связано с использованием информации о распределении полей напряжений
и деформаций в элементах бурового инструмента.
1. Оценка напряженного и деформированного состояния при стати-
ческом приложении комплекса рабочих нагрузок. При этом возможно и не-
обходимо проведение серии вычислительных экспериментов с варьирова-
нием в широких пределах формы, размеров инструмента и вооружения,
условий закрепления н приложения нагрузки. На этом этапе возможно рас-
смотрение всех известных расчетных случаев и выявление нежелательных
комбинаций нагрузок и условий взаимодействия инструмента с породой.
2. Оптимизация формы и размеров бурового инструмента и воору-
жения. Здесь возможна практически строгая постановка задачи оптимиза-
ции, что невозможно для подавляющего большинства изделий машино-
строения при использовании аналитических методов решения. Наиболь-
ший научный и практический интерес представляет формулировка новых
критериев оптимизации, которые применительно к породоразрушающему
инструменту должны отражать связь напряженного состояния элементов
вооружения и эффективности разрушения породы в забое.
3. Оценка свойств бурового инструмента как аккумулятора упругой
энергии. Идея о связи процессов разрушения с уровнем накопленной упру-
гой энергии развита в трудах Я. Б. Фридмана [82 и др.]. Эта связь приме-
нительно к пропессам взаимодействия бурового инструмента и породы
может быть представлена следующим образом Постоянное осевое усилие,
развиваемое приводом бурового станка, передается через буровой став на
инструмент и далее на породу. При этом деформируются все элементы
става и инструмента, накапливая в себе упругую энергию деформирования.
Количественная оценка этой энергии представляет собой сумму произве-
110
4.1. Напряженно-деформированное состояние рабочего инструмента
при использовании различных систем подачи и разработка рекомендаций
дений напряжений на деформации по всем элементарным объемам дефор-
мируемой конструкции.
При первоначальном внедрении инструмента в породу он деформи-
руется и накапливает в себе энергию до тех пор, пока не начнется разру-
шение породы. В гипотетическом случае забоя идеальной формы и одно-
родной по свойствам породы деформации инструмента постоянны и на-
грузка на забой соответствует осевому усилию подачи. В реальной ситуа-
ции при изменяющемся сопротивлении разрушаемой породы деформиро-
ванное состояние инструмента изменяется и происходит периодическое
накопление и выделение им упругой энергии. В последнем случае воздей-
ствие на забой суммируется из двух составляющих осевого усилия пода-
чи и выделяющейся накопленной упругой энергии. Можно сделать пред-
положение, что чем больше упругой энергии в состоянии накопить буро-
вой инструмент, тем в большей степени он в состоянии преодолевать твер-
дые включения и тем лучше приспособлен для бурения пород с резко не-
однородными свойствами.
4. Анализ упругопластического поведения материала бурового инст-
румента. При перегрузках и контактном взаимодействии породы с буро-
вым инструментом в корпусе и элементах вооружения последнего возмож-
но возникновение зон и объемов пластической деформации. В этих местах
нарушаются формы поверхностей породоразрушающих элементов, что,
как правило, снижает эффективность бурения. В связи с этим одним из по-
казателей качества инструмента можно считать отсутствие либо мини-
мальное количество пластически деформированного материала.
5. Оценка напряженного и деформированного состояния при динамиче-
ском внедрении инструмента в забой. Здесь интерес представляют три момен-
та: во-первых, уровень напряжений и деформаций непосредственно в буровом
инструменте; во-вторых, анализ распространения возникшей в инструменте
волны деформации, влияния ее на поведения бурового става и станка; в-
третьих, влияние ударной нагрузки на забой скважины, величина и характер
возникающей при ударе инструмента зоны предразрушения.
6. Анализ взаимодействия бурового инструмента и породы. Здесь
речь идет о взаимодействии конструктивно не связанных элементов, при
взаимодействии которых первоначально возникает площадка контакта, за-
тем, возможно, внедрение одного тела в другое. Кроме того, возможен
анализ процессов при трении породы о разные элементы инструмента и
вооружения. Задачи такого типа называются контактными. Применительно
к буровому инструменту наиболее близкими по постановке оказывается ряд
решенных разными исследователями экспериментальных задач по вдавли-
ванию штампа или инденторов различных форм и размеров в породу.
111
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
4.2. Напряженно-деформированное состояние шарошек
при возникновении ударных нагрузок
Рассмотрим результаты решения серии задач по оценке напряженно-
го состояния бурового инструмента и элементов его вооружения. Некото-
рые из них решены на этапе инженерного проектирования инструментов
новой конструкции, остальные носят более теоретический характер. Пред-
метом анализа являлись как абсолютные значения параметров напряжен-
ного состояния инструмента, так и сравнительные характеристики элемен-
тов вооружения различной формы и размеров.
Напряженное состояние корпуса долота
Оригинальное шарошечное долото представляет собой массивную
деталь, воспринимающую большие усилия (0,3 МН) и крутящие моменты
(4,2 кН-м). С точки зрения прочности и деформирования лапы долота, на
которых укреплены шарошки, представляют собой короткие балки пере-
менного поперечного сечения, воспринимающие сжимаюшие усилия, из-
гибающие и крутящие моменты, при этом несущая способность обеспече-
на большой площадью поперечного сечения лапы. При переходе к конст-
руктивному варианту с приваренными лапами возникает вопрос о несущей
способности сварного шва, так как вся нагрузка, передававшаяся ранее че-
рез все сечение лапы, теперь передается только через сварной шов.
Расчетные случаи. Рассмотрены два расчетных случая. Первый -
долото опирается на ровную поверхность забоя, при этом и вертикальное
усилие подачи и крутящий момент равномерно распределяются на три ша-
рошки. Второй - в силу неровности поверхности забоя и наличия включе-
ния повышенной твердости вся нагрузка приходится на одну шарошку.
Моделирование оригинальной конструкции шарошечного долота.
Разработана объемная конечно-элементная модель долота, виды которой с
различных точек зрения показаны на рис. 34.
Выполнен расчет для вышеуказанных двух расчетных случаев на-
гружения. Результаты, представляющие распределение эквивалентных на-
пряжений, показаны на рис. 35, 36.
Как видим, при распределении нагрузки на три шарошки эквива-
лентные напряжения находятся преимущественно в диапазоне от 0 до 60
МПа, достигая в незначительных по протяженности локальных зонах зна-
чений в 90 МПа. При нагрузке на одну шарошку напряжения со стороны
этой шарошки находятся преимущественно в диапазоне от 0 до 130 МПа.
достигая в незначительных по протяженности локальных зонах значений в
210 и 240 МПа. Такие достаточно высокие напряжения могут быть призна-
112
4.2. Напряженно-деформированное состояние шарошек
при возникновении ударных нагрузок
ны безопасными в силу малости перегруженных локальных зон и. очевид-
но, незначительного времени восприятия всей нагрузки одной шарошкой.
Рис. 34. Конечно-элементная модель шарошечного долота
Рис. 35. Эквивалентные напряжения при нагрузке на три и одну шарошки
Полученные непротиворечивые и правдоподобные оценки напря-
женного состояния оригинального шарошечного долота свидетельствуют
об адекватности разработанной модели, а также условий закрепления и на-
гружения.
Моделирование шарошечного долота с приваренными лапами.
Для оценки несущей способности сварного шва конечно-элементная мо-
дель составлена из трех групп конечных элементов (показаны не в мас-
штабе): тело долота (рис. 36, а), лапы (рис. 36, б), сварной шов (рис. 36, в).
Сварной шов смоделирован слоем конечных элементов таким обра-
зом, что отражают деформирование шва с шириной и глубиной провара 5 мм.
Лапа присоединена к телу долота посредством шва и вся нагрузка, воспри-
нимающаяся лапой, передается на тело долота через сварной шов.
113
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
Рассмотрим напряженное состояние в первом расчетном случае, а
именно при равномерном распределении нагрузки на три шарошки (рис. 37).
Как видно, преобладающие напряжения по телу и лапам долота не превы-
шают 40 МПа (вид а), в зоне перехода к резьбовой части долота (вид а), а
также в вонах крепления лап (виды а, б) преобладают напряжения до
80 МПа, непосредственно в сварном шве напряжения достигают 200 МПа
(вид в).
Рис. 36. Элементы модели долота с приваренными лапами
Рис. 37. Эквивалентные напряжения при нагрузке на три шарошки
Указанные уровни напряжений в сварном шве являются формально
допустимыми (особенно с учетом небольшой длины перегруженной зоны),
но нежелательными в силу практической неизбежности дефектов и гео-
метрических несовершенств сварного шва.
Рассмотрим напряженное состояние во втором случае, а именно при
восприятии всей нагрузки одной шарошкой (рис. 38). Здесь, как видно,
основная часть долота напряжена до уровня 40...80 МПа (вид а). Со сто-
роны воспринимающей нагрузку лапы шарошки преобладающие напряже-
ния достигают 120...200 МПа (вид б), а в зоне сварного шва - 320 МПа.
Непосредственно в сварном шве (вид в) напряжения изменяются в широ-
ком диапазоне - от 50 до 400 МПа и выше (серые участки), при этом вели-
114
4.2. Напряженно-деформированное состояние шарошек
при возникновении ударных нагрузок
ки градиенты напряжений. Такой уровень нагружеииости является недо-
пустимым.
Рис. 38. Эквивалентные напряжения при нагрузке на одну шарошку
Для принятых параметров сварного шва (ширина и глубина провара
5 мм) необходимы экспертная оценка возможности и частоты возникнове-
ния ситуации восприятия всей нагрузки одной шарошкой. Если такие си-
туации маловероятны, то такой шов может быть признан работоспособным
при повышенных требованиях к квалификации сварщика и качества шва.
Если такие перегрузки возможны и периодически повторяются, то шов не
может быть рекомендован с точки зрения несущей способности.
115
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
Моделирование шарошечного долота
с приваренными лапами и усиленными швами
В качестве усовершенствованного варианта рассмотрена возмож-
ность выполнения усиленного шва шириной 5 и глубиной провара 10 мм
(рис. 39).
Рис. 39. Модель усиленного сварного шва
Рассмотрим первый расчетный случай (рис. 40).
Рис. 40. Эквивалентные напряжения при нагрузке на три шарошки
Как видим (вид а, о), по телу долота и лапе имеются значительные
запасы прочности, и напряжения не превышают 80 МПа. Непосредственно
в сварном шве (вид в) на незначительных его участках напряжения дости-
гают 200 МПа.
Результаты расчета для второго расчетного случая представлены на
рис. 41.
116
4.2. Напряженно-деформированное состояние шарошек
при возникновении ударных нагрузок
Как видам, за пределами сварного шва эквивалентные напряжения
не превышают допустимых пределов (виды а. б). Что касается напряжен-
ного состояния сварного шва (вид в)у напряжения по-прежнему чрезмерны
и достигают 400 МПа, хотя и не превышают этого уровня.
в
Рис. 41. Эквивалентные напряжения при нагрузке на одну шарошку
Для усиленного сварного шва при восприятии нагрузки тремя ша-
рошками можно считать сварной шов работоспособным. При восприятии
нагрузки одной шарошкой прочность и несущая способность не обеспечены.
Анализ номинального напряженного состояния шарошечного буро-
вого инструмента при возникновении ударных нагрузок позволяет сделать
следующие выводы.
1. Необходимо более четкое обоснование расчетных случаев. При
восприятии нагрузки всеми тремя шарошками в принципе можно обеспе-
чить несущую способность за счет увеличения геометрических параметров
117
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
шва (глубины провара). При восприятии всей нагрузки одной шарошкой
формально можно достичь снижения напряжений в шве до допустимых
значений за счет еще большего увеличения глубины провара и выполнения
многослойного шва. Однако, по-видимому, при этом трудно добиться при-
емлемого уровня бездефектности и требуемых механических свойств.
2. При рассмотрении в качестве единственного варианта нагружения
равномерного распределения нагрузки между тремя шарошками возможно
обеспечение несущей способности сварного шва за счет изменения глуби-
ны провара в разумных пределах. Однако при этом напряжения, хотя и до-
пустимы, все же достаточно высоки, и необходимо принимать во внимание
возможность развития усталостных повреждений. Для выполнения таких
расчетов необходима более подробная информация о режимах эксплуата-
ции шарошечного долота.
3. В любом случае, независимо от рассматриваемого случая нагру-
жения, общепринятым положением рационального конструирования свар-
ных соединений является требование разгрузки сварного шва. Другими
словами, сварной шов должен выполнять только функции фиксации свари-
ваемых деталей, а силовой поток должен передаваться через основной ме-
талл. В качестве простейших конструктивных схем можно рассмотреть
следующие (могут быть предложены и более сложные и качественные ва-
рианты).
Усиление вертикальными вставками. В теле долота и лапы выпол-
няются два отверстия диаметром 10-15 мм (можно дополнительно рассчи-
тать и обосновать). Заготавливаются два прутка соответствующих диамет-
ра и длины. После механической сборки (рис. 42) выполняется обварива-
ние контура зоны контакта лапы и тела долота. При этом основная нагруз-
ка при работе будет восприниматься вертикальными вставками, а сварной
шов будет разгружен.
Возможно развитие этого варианта для создания предварительного
напряжения. В этом случае длина прутка выполняется несколько большей,
чем суммарная глубина отверстий в теле долота и лапе (несложно рассчи-
тать). Перед сборкой прутки охлаждаются до низких температур, умень-
шаясь в длине, и выполняется сварка. При повышении температуры прутка
и его удлинении в лапе и соединительном сварном шве будут присутство-
вать предварительные напряжения растяжения, противоположные по на-
правлению тем, которые возникнут прн работе долота. При этом обеспечи-
вается более значительный эффект разгрузки сварного шва.
Усиление горизонтальными радиальными вставками. В теле долота
и лапы выполняются отверстия таким образом, чтобы одна половина объ-
ема отверстия находилась в теле долота, а вторая - в лапе (рис, 43). После
118
4.2. Напряженно-деформированное состояние шарошек
при возникновении ударных нагрузок
механической сборки выполняется обваривание по контуру, после чего
вставки начинают передавать через себя силовой поток. В данном варианте
обеспечивается более значительная разгрузка шва, чем в варианте с верти-
кальными вставками, за счет большей площади металла вставок, участ-
вующих в работе. Достоинством этого варианта является и то, что это уси-
ление может быть выполнено позднее, после того, как вариант без усиле-
ний (только со сварным швом) начнет давать трещины.
Выполнение таких вставок не требует разборки и может быть вы-
полнено в эксплуатационных условиях.
119
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
Конструктивный вариант с вертикальными вставками
Рассмотрим напряженное состояние конструктивного варианта, уси-
ленного двумя вертикальными вставками диаметром 15 мм и длиной 45 мм.
Функция этих вставок заключается в восприятии части нагрузки и пере-
распределении напряжений для разгрузки сварного шва. Работают вставки
в основном той своей частью, которая находится на стыке тела долота и
лапы. Сварной шов принят с шириной 5 мм и глубиной провара 10 мм. На-
грузка на одну шарошку представлена на рис. 44.
Рис. 44. Напряженное состояние конструктивного варианта
с вертикальными вставками при нагрузке на одну шарошку
Как видно на рис. 44, напряжения в большей части конструкции до-
лота не превышают 25 МПа. Со стороны нагруженной лапы напряжения и
120
4.2. Напряженно-деформированное состояние шарошек
при возникновении ударных нагрузок
в теле долота и в самой лапе находятся в диапазоне 25... 175 МПа. В свар-
ном шве напряжения достигают максимума в 200 МПа на очень неболь-
шом промежутке длины шва. В наиболее нагруженной части вставок на-
пряжения достигают на незначительном по протяженности участке 150 МПа.
Нагрузка на три шарошки показана на рис. 45.
Рис. 45. Напряженное состояние конструктивного варианта
с вертикальными вставками при нагрузке на три шарошки
Как видно на рис. 45, напряжения в большей части конструкции до-
лота не превышают 15 МПа. Со стороны лап напряжения и в теле долота и
в самих лапах находятся преимущественно в диапазоне 15...30 МПа, дос-
тигая в локальных зонах уровня в 60 МПа. В сварном шве напряжения дос-
тигают максимума в 75 МПа на очень небольшом промежутке длины шва.
121
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
В наиболее нагруженной части вставок напряжения достигают на незначи-
тельном по протяженности участке 60 МПа.
С точки зрения прочности и несущей способности данный конструк-
тивный вариант вполне работоспособен в нормальных эксплуатационных
условиях (при распределении нагрузки иа три шарошки). При восприятии
всей нагрузки одной шарошкой напряжения в 200 МПа с учетом кратко-
временности таких ситуаций перегруженности и малой величины пере-
груженной зоны вполне могут быть признаны безопасными для основного
металла практически всех конструкционных сталей. В данном же случае
эта перегруженная зона локализована в сварном шве, что в сочетании с
возможными технологическими дефектами и не до конца снятыми оста-
точными напряжениями может оказаться опасным.
Необходимо также отметить, что рассмотренное напряженное со-
стояние реализуется в том случае, когда вертикальные вставки работают
как одно целое с металлом лапы и тела долота. Это обеспечивается соот-
ветствующим выбором посадки, так как недопустимы как зазоры между
вставками и металлом долота и лапы (возможно кратковременное выклю-
чение вставок из зазоров и передача всей нагрузки на сварной шов), так и
слишком плотная посадка (появляются дополнительные внутренние на-
пряжения).
Конструктивный вариант с горизонтальными вставками
Рассмотрим напряженное состояние конструктивного варианта, уси-
ленного горизонтальными вставками диаметром 15 мм и длиной 30 мм.
Сварной шов принят с шириной 5 мм и глубиной провара 10 мм. Вставки
расположены таким образом, чтобы нижняя их часть располагалась в ме-
талле лапы, верхняя в металле тела долота, а середина находилась в зоне
сварного шва. При таком расположении вставок достигается гораздо
большая включенность в работу металла вставок в сравнении с рассмот-
ренным выше конструктивным вариантом с вертикальными вставками. На-
грузка иа одну шарошку показана на рис. 46.
Как видно иа рис. 46, напряжения в большей части конструкции до-
лота не превышают 25 МПа. Со стороны нагруженной лапы напряжения и
в теле долота и в самой лапе достигают 125 МПа. В сварном шве и во
вставках напряжения достигают максимума в 200 МПа в локальных зонах.
Нагрузка иа три шарошки показана на рис. 47.
При распределении всей нагрузки равномерно иа три шарошки на-
пряжения и в сварном шве и во вставках падают до максимальных значе-
ний в 65 МПа (рис. 47) и не представляют опасности с точки зрения раз-
рушения.
122
4.2. Напряженно-деформированное состояние шарошек
при возникновении ударных нагрузок
Рис. 46. Напряженное состояние конструктивного варианта
с горизонтальными вставками при нагрузке на одну шарошку
Рис. 47. Напряженное состояние конструктивного варианта
с горизонтальными вставками при нагрузке на три шарошки
123
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
Полученные результаты аналогичны результатам для конструктив-
ного варианта с вертикальными вставками.
Конструктивный вариант с вертикальными швами
Данный конструктивный вариант наиболее близок к оригинальной
конструкции шарошечного долота, сваренного из трех одинаковых секций.
В зоне расположения сварного шва выполнено измельчение сетки конечных
элементов для повышения точности результатов. Сварной шов шириной 10 мм
и глубиной провара 5 мм смоделирован объемом прямоугольного поперечного
сечения с соответствующими геометрическими параметрами (рис. 48).
Рис. 48. Модель долота с вертикальными сварными швами
На рнс. 49 представлено напряженное состояние долота в целом, а
также вертикальных сварных швов. При этом для наглядности удалены все
элементы долота, оставлены только сварные швы, «парящие» в том поло-
жении, в котором они находятся в конструкции.
Как видно на рисунке, при общем напряженном состоянии, находя-
щемся в допустимом диапазоне, в средней и нижней частях сварного шва
имеются небольшие зоны, перегруженные до 400 МПа.
При нагрузке на три шарошки (рис. 50) исчезает перегруженная зона
в центральной части шва, в нижней части шва она уменьшается в размерах,
и напряжения в ней падают до максимальных значений в 320 МПа.
В данном случае небольшие перегруженные зоны в сварном шве
обусловлены недостаточными геометрическими параметрами шва, приня-
тыми в данном расчете. В реальном долоте швы являются несущими, име-
ют большую ширину и глубину провара. Для обеспечения безопасного
уровня напряженного состояния, как показывает расчет, достаточно уве-
личить глубину провара, принятую в данном расчете (5 мм), до 10 мм.
124
4.2. Напряженно-деформированное состояние шарошек
при возникновении ударных нагрузок
Рис. 49. Напряженное состояние конструктивного варианта
с вертикальными швами при нагрузке на одну шарошку
Рис. 50. Напряженное состояние конструктивного варианта
с вертикальными швами при нагрузке на три шарошки
125
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
По выполненным расчетам можно сделать следующие общие выводы.
1. Во всех конструктивных вариантах при нагрузке, приходящейся иа
одну шарошку, имеются локальные зоны, нагруженные до довольно высо-
ких напряжений. В связи с этим ие мешало бы получить информацию о тех
расчетных случаях и комбинациях нагрузок, которые учитываются при
проектировании на заводах-изготовителях. Возможно, в качестве наиболее
тяжелого варианта рассматривается более щадящий по сравнению с приня-
тым нами в расчетах.
2. Силовой поток при любых условиях нагружения проходит от ша-
рошек через лапы в тело долота и в верхнюю часть, навинчиваемую иа бу-
ровую штангу. Зоны долота, расположенные между лапами, находятся в
стороне от силового потока и напряжения в них значительно ниже. Поэто-
му недопустимо расположение сварных швов без усиления между телом
долота и лапами (иа пути распространения силового потока) и, возможно
между секциями долота (в зонах, удаленных от силового потока).
3. Возможны сварные швы и на пути силового потока при условии
конструктивного усиления (к примеру, вертикальными или горизонталь-
ными вставками) и передачи части силового потока не через металл шва.
Но здесь необходимо очень тщательно подойти к выбору технологии изго-
товления и сборки отреставрированного долота. Возможно, необходима
экспериментальная проверка полученных результатов именно вариантов
со вставками. так как здесь ие удается точно смоделировать условия рабо-
ты ставок (возможные ослабления посадки, проворачивания и т. д.).
4.3. Напряженное состояние шарошечного долота
разборной конструкции
Логический анализ характера деформирования шарошечного долота
новой конструкции показывает, что новая конструкция отличается в луч-
шую сторону от рассмотренных ранее конструктивных вариантов. С точки
зрения прочности и несущей способности в новой конструкции нет эле-
ментов, которые были бы слабыми местами и находились в невыгодных
условиях деформирования.
В самом деле, традиционным для конструкций шарошечных долот
считается наличие лап, являющихся фактически короткими балками, воспри-
нимающими значительные изгибающие и крутящие моменты, а также сжи-
мающие усилия. При этом передача силового потока из лап в тело долота со-
провождается возникновением перегруженных и недогруженных зон, слож-
ного напряженного состояния иногда с большими градиентами напряжений.
126
4.3. Напряженное состояние шарошечного долота
разборной конструкции
Что касается долота разборной конструкции (рнс. 51), то отсутствие
консольных, выступающих элементов (за исключением шарошек) и, как
следствие, отсутствие зон резкого изменения сечения приводят к тому, что
все долото работает как единый объем. Внешние усилия распространяются
на сплошное массивное тело, что приводит к незначительным значениям
напряжений в рассмотренных расчетных случаях.
Рис. 51. Модель шарошечного долота разборной конструкции
Рис. 52. Напряженное состояние элементов долота новой конструкции
при работе двумя шарошками
Как видно на рис. 52. при работе двумя шарошками напряжения в те-
ле долота распространены довольно равномерно и не превышают 5... 10 МПа.
Исключение составляют зоны крепления шарошек, где максимальные эк-
127
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
Бивалентные напряжения достигают 50 МПа. Что касается вставных лап и
фиксирующей их оси, то видно, что уровни напряжений соответствуют на-
пряжениям в целом по долоту. Другими словами, эти элементы не являют-
ся лимитирующими с точки зрения прочности. Это связано с тем, что лапы
имеют большую зону контакта с телом долота, через которую и передается
силовой поток, а ось выполняет только функции фиксатора и не является
несущим элементом конструкции.
Такие же выводы можно сделать и при работе долота одной шарош-
кой (рис. 53). Разница заключается только в том, что здесь одна сторона
долота оказывается нагруженной более остальных до уровня примерно в
20 МПа. В зонах приложения нагрузки в теле долота напряжения достига-
ют уровня 90 МПа. а в лапе, воспринимающей всю нагрузку на долото,
имеется локальная зона с пиковыми напряжениями в 120 МПа.
Рис. 53. Напряженное состояние элементов долота новой конструкции
при работе одной шарошкой
Полученные значения напряжений значительно ниже допускаемых
величин и работоспособность долота с точки зрения прочности и несущей
способности не вызывает сомнений.
128
4.3. Напряженное состояние шарошечного долота
разборной конструкции
Расчет лапы шарошечного долота
С точки зрения деформирования лапа представляет собой кривой
брус, воспринимающий сжимающие, изгибающие и крутящие нагрузки.
Рассмотрен один наиболее тяжелый случай нагружения, когда вся
нагрузка на долото приходится на одну шарошку. В силу того что выпол-
нен упругий расчет, пропорциональное уменьшение полученных напряже-
ний в два раза даст значения напряжений в случае равномерного распреде-
ления нагрузки на две шарошки.
Условия закрепления лапы будут определяться характером взаимо-
действия лапы и долота. Если лапа закреплена в долоте плотно, с натягом,
то вертикальную часть лапы можно вывести из рассмотрения и анализиро-
вать только нижнюю, консольную часть, на которой и устанавливается
подшипник с шарошкой. При неплотной установке лапы, если возможны
зазоры между лапой и долотом, различные по длине участки вертикальной
части лапы будут включаться в работу.
Исходя из этого нами были рассмотрены два варианта закрепления:
1) абсолютно плотная заделка вертикальной части лапы (консольный вари-
ант); 2) существенные зазоры между долотом и лапой (лапа закреплена
только в верхней своей части).
Консольный вариант. Для исследования нагрузок, возникающих при
данном способе закрепления, разработана отдельная модель консольной
части (рис. 54), которая жестко закреплена по наклонной поверхности пе-
рехода к вертикальной части лапы.
Как следует из распределения эквивалентных напряжений (рис. 55),
собственно несущая часть консоли испытывает напряжения до 135 МПа.
Существенные локальные перегрузки испытывает дорожка качения шари-
ков подшипника, но эти результаты являются завышенными, так как в
данном расчете нагрузка от шарика моделировалась сосредоточенной си-
лой, а реально между шариком и дорожкой образуется площадка контакта,
вследствие чего напряжения резко падают. Оценка величины площадки
контакта и контактных напряжений является нелинейной контактной зада-
чей, которая в данном случае не решалась, так как интерес представляет
поведение именно несущей конструкции лапы.
Полный вариант. Полная модель лапы (рис. 56) жестко закреплена по
горизонтальной верхней поверхности. Таким образом, смоделированы
наиболее неблагоприятные условия закрепления, которые маловероятны
на практике.
Как следует из распределения эквивалентных напряжений
(рис. 57), собственно несущая конструкция лапы испытывает напряжения
до 200 МПа. По дорожке качения шариков подшипника напряжения меня-
129
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
ются в широком пределе, достигая в небольших локальных зонах уровней,
превышающих предел текучести.
Рис. 54. Модель консольной части лапы
Рис. 55. Эквивалентные на-
пряжения при восприятии всей
нагрузки одной шарошкой
жения при восприятии всей на-
грузки одной шарошкой
Полученные распределения полей эквивалентных напряжений при
двукратной перегрузке показывают, что несущая способность лапы обес-
печена. Некоторое сомнение вызывает зона установки подшипника, ио.
скорее всего, и здесь не должно быть ничего страшного, так как аналогич-
ные подшипниковые узлы установки шарошек успешно работают в серий-
ных долотах. Для более точного анализа необходимо решение достаточно
трудоемкой контактной задачи, что не являлось предметом анализа.
130
4.4. Напряженно-деформированное состояние
элементов вращательно-подающего механизма
4.4. Напряженно-деформированное состояние элементов
вращательно-подающего механизма
Для обеспечения высокой надежности работы системы «вращатель-
но-подающий механизм - буровой орган - буровой инструмент» важным
является выполнение анализа НДС бурового органа при действии на него
нагрузок со стороны вращательно-подающего механизма (ВПМ)
На горнодобывающих предприятиях более 80 % бурения взрывных
скважин приходится на станки буровые шарошечные (СБШ) с буровым
инструментом шарошками. При бурении нефтяных, газовых и геолого-
разведочных скважин шарошечное бурение также является преобладаю-
щим. В связи с этими обстоятельствами возникает целесообразность вы-
полнить анализ НДС бурового органа применительно к наиболее распро-
страненным станкам СБШ, приняв во внимание применение на них разра-
батываемых на следующих этапах настоящей НИР электромагнитных сис-
тем подачи бурового става на забой скважины.
Вращательно-подающий механизм на буровых станках создает на буро-
вой орган два вида нагрузки: вращательный момент (от механизма вращения)
и осевое усилие (от механизма подачи). Заметим при этом, что для любого ти-
па ВПМ, в том числе и предлагаемого в дальнейшем исследовании электро-
магнитного ВПМ, обеспечение указанных нагрузок является главной задачей в
процессе бурения скважин. Рассмотрим влияние указанных нагрузок на на-
груженное состояние бурового органа как элемента системы «вращательно-
подающий механизм буровой орган - буровой инструмент».
В приведенном анализе НДС за основу взят буровой орган станков
СБШ-250-МНА-32 и СБШ-250/270-60 (РД-10), в настоящее время осна-
щенных электромеханическим механизмом вращения и канатно-гидравли-
ческим (у РД-10 - канатным) механизмом подачи бурового става.
В анализе НДС принято, что буровой орган состоит из буровых
штанг длиной 8 м, имеющих внешние диаметры 203 мм с толщиной стенки
10 мм и 219 мм с толщиной стенки 15 мм в соответствии с ГОСТ 8732 78.
С механизмом вращения друг с другом и буровым инструментом буровые
штанги присоединяются конусной резьбой, устанавливаемой ГОСТ. При
этом механизм вращения создает на буровой орган крутящий момент
Л/кр = 4-8 кН-м (среднее значение 6 кН-м), а механизм подачи - усилие по-
дачи Рос =150- 300 кН (среднее значение 200 кН).
НДС бурового органа с диаметром буровых штанг 203 мм
Для исследования напряженного состояния бурового става диамет-
ром 203 мм и его деформации было произведено решение ряда задач с
131
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
применением метода конечных элементов. Эти задачи отличаются количе-
ством секций бурового става, каждая из которых имеет длину 8 м. и харак-
тером прилагаемой нагрузки.
1. Две секции длиной по 8 м. Соединение - конусной резьбой. Диа-
метр трубы - 203 мм, толщина стеики 10 мм. Нагрузка по верхней кром-
ке 200 кН. Приложен момент к верхней кромке 6 кН-м. Труба зафикси-
рована по иижией кромке по осям Л", Y, Z. По верхней - по осям X, Z. Мо-
дели с приложением нагрузок иа буровой став представлены иа рис. 58, 59;
результаты расчетов - иа рис. 60-62.
На рис. 60-62 видно, что действующие нагрузки (осевое усилие и
крутящий момент), приложенные к буровому ставу от ВПМ, ие превыша-
ют критических значений.
2. Две секции длиной по 8 м. Соединение - конусной резьбой. Диаметр
трубы - 203 мм, толщина стеики - 10 мм. Нагрузка 200 кН приложена в месте
резьбового соединения. Приложен момент к верхней кромке бурового става
6 кН м. Труба зафиксирована по нижней кромке по осям А”, У, Z. В месте
приложения подающего усилия - по осям X, Z (в горизонтальной плоскости).
Модель с приложением осевого усилия подачи на буровой став представлена
иа рис. 63. Результаты расчета НДС бурового става даны иа рис. 64-66.
На рис. 64-66 видно, что приложенные к резьбовому соединению
штаиг нагрузки не превышают критических зиачеиий.
3. Четыре трубы по 8 м (рис. 67). Соедииеиие - коиусиой резьбой.
Диаметр трубы - 203 мм. толщина стеики 10 мм. Нагрузка по верхней
кромке 200 кН. Приложен момент к верхней кромке 6 кН-м. Труба зафик-
сирована по нижией кромке по осям X, У, Z. По верхней по осям A", Z.
На рис. 68 видно, что нагрузка от ВПМ на буровой орган, состоящий
из 4-х штанг (для СБШ-250-МНА-ЗА и РД-10 составляет 32 м), не превы-
шает критических зиачеиий.
НДС бурового органа с диаметром буровых штанг 219 мм
Для исследования напряженного состояния бурового става диамет-
ром 219 мм и его деформации было произведено решение ряда задач с
применением метода конечных элементов. Эти задачи отличаются количе-
ством секций бурового става, каждая из которых имеет длину 8 м, и харак-
тером прилагаемой нагрузки.
1. Две секции длиной по 8 м. Соединение - коиусиой резьбой. Диа-
метр трубы — 219 мм. толшииа стенки - 15 мм. Нагрузка 200 кН приложе-
на по верхней кромке. Приложен момент к верхней кромке 6 кН м. Труба
зафиксирована по нижней кромке по осям X, У, Z. По верхней кромке - по
осям X, Z. Модели с приложением нагрузок представлены на рис. 69, 70.
Результаты расчетов НДС бурового става даны иа рис. 71-73.
132
4.4. Напряженно-деформированное состояние
элементов вращательно-подающего механизма
Рис. 58. Модель с приложением осевого усилия подачи
Рис. 59. Модель с приложением момента.
(Показано закрепление модели)
133
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
Рис. 60. Решение задачи. Распределение напряжений по Мизесу, МПа
Рис. 61. Распределение напряжений по Мизесу в месте приложения нагрузки, МПа
134
4.4. Напряженно-деформированное состояние
элементов вращательно-подающего механизма
Рис. 62. Распределение перемещений относительно вертикальной оси, мм
Рис. 63. Модель с приложением осевого усилия подачи
135
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
Рис. 64. Распределение напряжений по Мизесу, МПа
Рис. 65. Распределение напряжений по Мизесу в месте приложения нагрузки, МПа
136
4.4. Напряженно-деформированное состояние
элементов вращательно-подающего механизма
Рис. 66. Распределение напряжений по Мизесу в месте соединения труб, МПа
Рис. 67. Распределение напряжений по Мизесу, МПа
137
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
Рис. 68. Распределение перемещений, мм
Рис. 69. Модель с приложением осевого усилия подачи
138
4.4. Напряженно-деформированное состояние
элементов вращательно-подающего механизма
Рис. 70. Модель с приложением момента (Показано закрепление модели)
Рис. 71. Распределение напряжений по Мизесу, МПа
139
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
Рис. 72. Распределение напряжений по Мизесу в месте приложения нагрузки, МПа
Рис. 73. Распределение перемещений, мм
140
4.4. Напряженно-деформированное состояние
элементов вращательно-подающего механизма
На рис. 69-73 видно, что приложение нагрузок к буровому органу от
ВПМ не превышает критических значений в буровых штангах.
2. Две секции длиной по 8 м. Соединение - конусной резьбой. Диаметр
трубы - 219 мм, толщина стенки - 15 мм. Нагрузка 200 кН приложена в месте
резьбового соединения. Приложен момент к верхней кромке 6 кН-м. Труба
зафиксирована по иижней кромке по осям X, У, Z. В месте приложения по-
дающего усилия по осям X Z (в горизонтальной плоскости). На рис. 74
представлена модель приложения усилия подачи. На рис. 75 и 76 даны ре-
зультаты расчетов НДС бурового става в месте резьбового соединения.
Рис. 74. Модель с приложением осевого усилия подачи
На рис. 75 и 76 видно, что нагрузки, приложенные к резьбовому со-
единению штанг, ие превышают критических значений.
3. Четыре секции по 8 м (рис. 77). Соединение - конусной резьбой.
Диаметр трубы - 219 мм. толщина стенки 15 мм. Нагрузка по верхней
кромке - 20 т. Приложен момент к верхней кромке 6 кН/м. Труба зафикси-
рована по иижней кромке по осям Л*, У, Z. По верхней - по осям X Z.
На рис. 77 и 78 видно, что нагрузки от ВПМ, действующие иа 4
штаиги диаметром 219 мм, не превышают допустимых значений.
Простейший случай нагружения осевой статической центрально
приложенной силой при равномерном опирании иа все элементы вооруже-
ния целесообразно рассматривать в качестве сравнительного оценочного
расчета. При формах и размерах, характерных для имеющегося бурового
инструмента, при статическом центрально приложенном нагружении
обеспечены высокие запасы прочности, однако интерес представляют гра-
диенты полей запасов прочности долот разных типов в качестве одной из
характеристик их технического уровня.
141
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
Рис. 75. Распределение напряжений по Мизесу. Ml 1а
Рис. 76. Распределение напряжений по Мизесу в месте приложения нагрузки, МПа
142
4.4. Напряженно-деформированное состояние
элементов вращательно-подающего механизма
Рис. 77. Распределение напряжений по Мизесу (МПа)
Рис. 78. Распределение перемещений, мм
143
4. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов
для бурения сложноструктурных породных массивов
Для оценки НДС необходим учет возможных неровностей забоя
скважины и неравномерное опирание бурового инструмента на точку, ли-
нию, площадку, размер, локализация которых не поддается аналитическо-
му прогнозированию в силу практически неограниченного количества
конфигураций поверхности забоя. Поэтому в качестве самостоятельной за-
дачи можно рассматривать проведение серии физических или вычисли-
тельных экспериментов по обоснованию наиболее неблагоприятных усло-
вий статического и динамического нагружения инструмента.
Преимущественный интерес представляют динамические условия
нагружения. При этом возможно рассмотрение следующих случаев. Во-
первых, удар инструмента о забой скважины. При этом рассматривается
удар при максимальной скорости, обеспечиваемой механизмом подачи.
Во-вторых, перемещение (перекатывание, резание и др.) инструмента по
структурно-неоднородной породе и столкновение с включениями с повы-
шенными характеристиками прочности и твердости. Как предельный вари-
ант - заклинивание при максимальном вращающем моменте.
Для объективной оценки необходимо моделирование поведения ин-
струмента при искривлении оси скважины, приводящем к не симметрич-
ному и не осевому приложению усилия подачи. В качестве расчетного
случая целесообразно рассмотрение поведения поврежденного бурового
инструмента, причем в качестве поврежденных можно рассматривать как
элементы вооружения, так и корпус долота. В качестве специальной задачи
можно рассматривать влияние тех или иных расчетных случаев на форми-
рование временных характеристик процесса нагружения. Это позволит в
перспективе перейти к учету комплексного, блочного нагружения, наибо-
лее полно соответствующего реальным эксплуатационным условиям.
Во всех конструктивных вариантах при ударной нагрузке, приходя-
щейся на одну щарошку, имеются локальные зоны, нагруженные до до-
вольно высоких напряжений. В связи с этим необходимо учитывать ин-
формацию о тех расчетных случаях и комбинациях нагрузок, которые учи-
тываются при проектировании на заводах-изготовителях. Возможно, в ка-
честве наиболее тяжелого варианта рассматривается более щадящий по
сравнению с принятым нами в расчетах.
Силовой поток при любых условиях нагружения проходит от шаро-
шек через лапы в тело долота и в верхнюю часть, навинчиваемую на буро-
вую штангу. Зоны долота, расположенные между лапами, находятся в сто-
роне от силового потока, и напряжения здесь значительно ниже. Поэтому
недопустимо расположение сварных щвов без усиления между телом до-
лота и лапами (на пути распространения силового потока), и возможно
между секциями долота (в зонах, удаленных от силового потока). Возмож-
144
4.4. Напряженно-деформированное состояние
элементов вращательно-подающего механизма
ны сварные швы и на пути силового потока при условии конструктивного
усиления (к примеру, вертикальными или горизонтальными вставками) и
передачи части силового потока не через металл шва. Но здесь необходимо
очень тщательно подойти к выбору технологии изготовления и сборки до-
лота. Возможно, необходима экспериментальная проверка полученных ре-
зультатов именно вариантов со вставками, так как здесь не удается точно
смоделировать условия работы ставок (возможные ослабления посадки,
проворачивания и др.).
Результаты расчета напряженного состояния бурового инструмента и
его вооружения требуют определенного осмысления. В отличие от других не-
сущих машиностроительных конструкций напряженно-деформированное со-
стояние бурового инструмента непосредственно связано как со скоростью
бурения, так и со скоростью износа инструмента [68]. Однако имеющиеся
теоретические модели резания горных пород и разрушения при этом буро-
вого инструмента таковы, что не могут непосредственно воспринять ре-
зультаты численного анализа напряжений и деформаций.
Конструктивные особенности вращательно-подающего механизма
влияют на характер рабочих режимов бурового инструмента. Так, канатно-
гидравлическая система подачи рабочего органа на забой является «жест-
кой» для регулирования осевого усилия, т. е. не имеет возможности их
плавного регулирования. Это приводит к преждевременному износу буро-
вого инструмента, особенно для долот с дисковыми шарошками. Необхо-
димо создание таких ВПМ нового поколения, которые имеют возможность
создания «мягких» режимов бурения скважин: плавного регулирования
осевого усилия и частоты вращения бурового инструмента. Это особенно
важно для бурения горных пород с большим диапазоном изменения физи-
ко-механических свойств горных пород, когда требуется оперативная ре-
гулировка основных режимов бурения.
Рациональной конструкцией, обеспечивающих оптимальный режим
бурения, на наш взгляд, является электромагнитный ВПМ с плавной регу-
лировкой основных режимов бурения, что является в данной НИР даль-
нейшим объектом исследований. Построение фнзнко-математической мо-
дели разрушения горных пород деформирующимся инструментом при
воздействии электромагнитного ВПМ и построение на этой основе мето-
дики конструирования бурового инструмента - основное направление
дальнейших исследований.
145
5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ
И УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМАМИ СТАНКОВ
ШАРОШЕЧНОГО БУРЕНИЯ
5.1. Разработка принципов управления режимами бурения
технологических скважин буровыми станками
Управление процессом бурения
Ввиду непрерывного изменения буримости горных пород управ-
ление процессом бурения (прежде всего режимом бурения) должно быть
автоматизированным и оптимальным. Ручное управление без определен-
ной взаимосвязи регуляторов осевого усилия на долото, скорости враще-
ния и скорости подачи не позволяет использовать технические возможно-
сти бурового станка.
Одна из первых технологических систем автоматического уп-
равления (САУ) процессом бурения была предложена в 1961 г. НИИОГР и
Челябинским политехническим институтом. Принцип, заложенный в САУ,
состоял в осуществлении замера сопротивляемости горной породы разру-
шению при бурении по устанавливающемуся осевому давлению долота на
забой скважины и регулировании скорости вращения бурового инструмен-
та и скорости бурения в соответствии с буримостью горных пород по ги-
перболическому закону, а осевой нагрузки - пропорционально крепости
породы.
Экспериментально в промышленных условиях была установлена
возможность непрерывной интегральной оценки сопротивляемости бури-
мых пород непосредственно на буровом станке по техническим показате-
лям процесса, кореллирующих с контактной прочностью, коэффициентом
крепости и другими характеристиками пород. Применительно к конкрет-
ному буровому станку было получено уравнение
-кл-н-л,
где РуС — устанавливающееся осевое усилие; f — коэффициент крепости
горной породы; Ры, — постоянные, характеризующие конструкцию
станка и систему «буровой станок -горный массив».
Развитие предложенных принципов и установленных закономерно-
стей привело к созданию современных промышленных САУ для буровых
станков класса 2СБШ-200-60, которые будут рассмотрены далее .
146
5.1. Разработка принципов управления режимами бурения
технологических скважин буровыми станками
В 1963-1966 гг. в МГИ при разработке САУ для станков тяжелого
типа СБШ-250МН был заложен принцип установления предельно допус-
тимых величин осевого усилия и частоты вращения долота, ограниченных
уровнем вибраций и зашламовывания долота.
Выше были изложены технологические предпосылки управления
процессом бурения, включающие оценки закономерностей разрушения
горных пород, установление функциональных зависимостей между пара-
метрами бурения, выбор критериев и построение целевых функций для оп-
тимизации режимов бурения.
Критерий эффективности управления процессом бурения является
функционалом, зависящим от многих переменных. Одиако практическое
его использование в обшей форме затруднительно. Критерием опенки эф-
фективности бурения может служить себестоимость бурения, минимум
энергозатрат и др. Технологические САУ дают возможность управлять па-
раметрами режима бурения по вводимому в иих или вычисленному ими
оперативно технико-экоиомическому критерию эффективности в условиях
непрерывной вариации свойств буримых пород с учетом текущего состоя-
ния инструмента и оборудования станка.
Как уже отмечалось, наиболее удобным и представительным для це-
лей управления бурением является критерий себестоимости бурения, кото-
рый интегрально и наиболее адекватно отражает цель управления, потому
что учитывает как техническую, так и экономическую стороны оптимизи-
руемого процесса. Структура выражения этого критерия оптимальности
включает экономические факторы, энергетику процесса, производитель-
ность, величины конструктивно-технологических параметров станка и ин-
струмента.
При таком подходе задача технологической системы автомати-
ческого управления процессом бурения состоит в том, чтобы в условиях
случайного изменения физико-механических свойств горных пород во
время проходки скважины обеспечивать минимум функции
S = штФ(У, С), У~Ж),
где Ф(У, С) - функция стоимости единицы длины скважины; У (У, ...Ук) —
режимные параметры; С — постоянные, не зависящие от режима бурения;
D - область допустимых зиачеиий.
В процессе бурения должны соблюдаться ограничительные условия,
например, вибрации оборудования и крутящий момент не должны превос-
ходить установленные предельные уровни.
По способу реализации критерия эффективности САУ разделяются
иа системы с косвенным использованием критерия эффективности (напри-
мер, программные системы) и системы с непосредственным использовани-
147
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурения
ем критерия, вычисленного в процессе бурения либо вводимого извне (на-
пример, экстремальные системы).
Путем экстремизации целевой функции находят уравнения для оп-
тимальных значений режимных параметров, которые при учете многочис-
ленных факторов, влияющих на показатели бурения, имеют сложный вид
[35]. В качестве оптимальных программ управления выступают связи меж-
ду оптимальными значениями режимных параметров и сопротивляемо-
стью буримых пород. Для систем управления с косвенным использованием
основного критерия такие зависимости (программы) составляются заранее
и затем вводятся в САУ при настройке.
Для некоторых горно-геологических условий карьеров с принципом
минимизации S'-критерия приближенно согласуется гиперболическая
взаимосвязь оптимальных значений осевого усилия на долото Ро и часто-
ты его вращения шо, т. е. - о(, = Ко.
В таких случаях применительно к шарошечному бурению для част-
ных, упрощенных технологических САУ оптимальные управления при-
ближенно можно выразить упрощенными формулами:
Ро = ap-f; сио = an!f
где ар, а„ - постоянные коэффициенты.
При косвенной оценке сопротивляемости пород по скорости бурения
в частных САУ для управления процессом могут использоваться уравнения.
Р„=Рк+^!-, о>ь=а>11 + Л-2-К,
где Рн, шн — постоянные, не зависящие от свойств пород; Ку, К2 — коэффи-
циенты пропорциональности.
Программы управления составляются по данным эксперименталь-
ного бурения. Для многих карьеров достаточен эксперимент (технологиче-
ская проба) на действующем буровом станке в одной наиболее представи-
тельной горной породе [35].
В некоторых условиях эксплуатации оптимальное ведение процесса
бурения при случайных вариациях сопротивляемости пород разрушению
может быть обеспечено стабилизацией величины внедрения долота за один
оборот на оптимальном уровне Zo. В этом случае условие оптимального
управления, косвенно базирующееся на S'-критерии, можно выразить так:
ZG = |~ ^° ~| = const,
где К, — показатель оптимального режима.
148
5.1. Разработка принципов управления режимами бурения
технологических скважин буровыми станками
В общем виде основанная на изложенных принципах технологи-
ческая система управления процессами бурения взрывных скважин вклю-
чает (рнс. 79) группу датчиков /, обеспечивающих непрерывное получение
информации о параметрах процесса бурения - скорости бурения, частоте
вращения инструмента, осевом усилии на буровом инструменте, крутящем
моменте на буровом снаряде, виброскорости рабочего органа бурового
станка.
Датчики подключены к вычислительному устройству 3, в которое
перед началом бурения вводятся данные из блока 2, характеризующие тип
бурового инструмента и его состояние, тип месторождения, а также зада-
ваемые величины технических и экономических показателен, которые тре-
буется достичь в результате бурения. Ввод данных (ресурс бурового инст-
румента, его стоимость, потребляемая электроэнергия, заработная плата
обслуживающего персонала и др.) производится оператором с помощью
группы задатчиков.
Рис. 79. Блок-схема управления процессом бурения
Кроме того, система содержит блок выбора критерия эффективности 4,
регулятор частоты вращения бурового инструмента 5, регулятор осевого
усилия на забой скважины 6, узел ограничения параметров процесса буре-
ния 7, узел защиты бурового станка от вибраций н перегрузок приводов 8.
блок корректировки параметров режима бурения 9, контрольно-измери-
тельные приборы 10. Элементы системы имеют выход непосредственно к
рабочим органам бурового станка 11.
149
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурения
С помощью этой системы обеспечивается бурение в различных гор-
ных породах по оптимальным текущим или интегральным критериям эф-
фективности. Система может применяться при бурении скважин разными
типами станков и бурового инструмента, с ее помощью осуществляется
защита от зашламовывания снаряда, вибраций и перегрузок вращательио-
подающего механизма.
В процессе исследований было разработано несколько модификаций
САУ для буровых станков. Одна из иих (рис. 80) типа «Режим-СВ» - при-
менительно к новым буровым станкам ЗСБШ-200-60. Система имеет набор
критериев качества, программ управления и обеспечивает возможность
непрерывного вычисления критерия качества процесса бурения и опера-
тивное его использование для управления бурением. Система позволяет
вести регулирование параметров режима по отношению К/со = Zo= const, по
заданному постоянному значению произведения осевого усилия иа частоту
вращения долота оу-Р = Со = const и другим критериям [35].
Одновременно с регулированием параметров режима бурения по
любому критерию аппаратура автоматизапии позволяет корректировать
эти параметры по устанавливаемому уровню вибраций бурового снаряда и
предельному значению крутящего момента иа двигателе вращателя.
Система (рис. 79) включает: датчик скорости бурения ДСБ, датчик
нагрузки ДН, датчик тока / момента 7(М) и вибрации ДВ; преобразователи
сигналов датчиков вибрации РГ5(1), частоты вращения со бурового инст-
150
5.1. Разработка принципов управления режимами бурения
технологических скважин буровыми станками
румента РГ5(2), скорости бурения ПДСБ и осевого усилия ПДН; вычисли-
тельное устройство, собранное на четырех множительно-делительных
ячейках типа МД-АИЭ и двух усилителях ЯУД.
Сигнал, получаемый от тахомоста двигателя вращателя, про-
порциональный частоте вращения <о бурового инструмента, после преоб-
разования его подается на вход множительно-делительного устройства
МД(1). На второй вход МД(1) с преобразователей ПДСБ или ПДН через
переключатель ПЗ поступает сигнал, пропорциональный, соответственно,
скорости бурения V или осевому усилию Р.
На входе блока МД(1) вырабатывается сигнал, пропорциональный
произведению <о, Р, равный текущему значению режима бурения. Этот
сигнал поступает на усилитель У 12(2). Сюда же поступает заданное опти-
мальное значение осевого усилия Ро. В усилителе сигналы Р и Ро сравни-
ваются. На третий вход усилителя У 12(2) от шунта якоря двигателя через
преобразователь ПДН подается корректирующий сигнал тока 1, пропор-
циональный крутящему моменту М на двигателе вращателя.
На выходе усилителя У 12(2) вырабатывается сигнал АР, равный раз-
нице текущего Р и оптимального Ро значений осевого усилия, скорректи-
рованный по величине М. Сигнал АР подается на вход ячейки управления
двигателем ЯУД, где преобразуется в напряжение переменного тока С/р,
которым управляется двигатель Д (типа РД-09) регулятора нагрузки PH.
Двигатель РД-09 жестко сочленен с гидродросселем ГДР, с помощью ко-
торого регулируется давление масла в гидросистеме подачи ВПО бурового
станка.
На первый вход МД(2) через преобразователь ПДСБ от датчика ДСБ
подается сигнал, пропорциональный скорости бурения. На второй вход
МД(2) поступает сигнал, пропорциональный со .
На выходе устройства МД(2) вырабатывается сигнал P7w, пропор-
циональный текущему углублению долота за одни оборот его вращения,
который поступает далее на вход усилителя У 12(1) для сравнения его с за-
даваемым значением оптимального углубления Zo.
На третий вход У 12(1) подается корректирующий сигнал вибрации у
от датчика вибрации ДВ. На выходе У 12(1) вырабатывается сигнал
AZ = F/cdZo, скорректированный по величине виброскорости у.
Сигнал AZ подается на вход преобразователя частоты вращения
ПЧВ, преобразуется в напряжение, которым управляется двигатель Д вра-
щателя.
Рукоятки задатчиков Zo и Ро первоначально должны быть установле-
ны в средние положения. Тем самым вводятся задания Zo и Ро, соответст-
вующие средним по величине значениям Риш, которые автоматически ус-
151
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурания
танавливаются при включении САУ. Затем производят поиск оптимальных
значений Ро и Zo. Для этого с помощью задатчика показателя Zo изменяют
величину Ро, добиваясь максимального значения показания Р/1 (Г1) по
вольтметру U8.
Далее, оставляя найденное значение показателей неизменными, ме-
няют уставку Ро с помощью задатчика углубления. Производят последова-
тельный поиск Ро и Zc , добиваясь максимума показаний U8, при котором
величины Ро и Zt) имеют оптимальные значения.
После нахождения оптимальных значений Рс и Zc система управле-
ния будет работать автоматически без переключения и переналадок до тех
пор, пока резко не изменится величина критерия эффективности бурения,
что контролируется по прибору U8. При резком изменении величины вы-
бранного критерия надо повторить поиск величин установок Zo и Ро. Это
же необходимо делать и при замене типа бурового инструмента.
На рис. 81 представлена блок-схема управления буровым станком
типа СБШ-250МН конструкции МГТУ. Устройство работает следующим
образом. Работая по мягким или твердым породам, задают начальный ре-
жим бурения по давлению и оборотам. Автоматически устанавливаются
максимально возможное для данной породы давление и скорость вращения
буровой штанги.
Рис. 81. Блок-схема управления буровым станком типа СБШ-250МН
В случаях зашламовывания долота повышается давление в ма-
гистрали продувки долота, контролируемое датчиком давление сжатого
воздуха ДДСВ (рис. 81). При давлении > 0,6 МПа блок управления БУ вы-
дает сигнал в блок управления силовыми элементами ПУ. Буровой снаряд
начинает медленно подниматься при минимальных оборотах вращения.
Если за время медленного подъема (время можно установить до 10 с) до-
лото не очистилось от хлама (давление в магистрали осталось прежним),
то блок управления БУ переключает работу станка на быстрый подъем и
прн достижении опорным узлом верхнего положения на мачте срабатывает
152
5.1. Разработка принципов управления режимами бурения
технологических скважин буровыми станками
датчик контроля ДК положения вращателя, подъем става прекращается и
включается сиреиа. Если долото очистилось от шлама (давление в воздуш-
ной магистрали < 0,59 МПа), то блок управления БУ переводит станок в
режим быстрого, а затем медленного опускания бурового снаряда до пер-
воначальной глубины, и рабочий режим продолжается далее.
При возникновении вибрации, превышающей установленный до-
пустимый уровень, сигнал датчика вибраций ДВ поступает в блок управ-
ления БУ, в котором вырабатывается сигнал управления тиристорным аг-
регатом, подаваемый иа него через пульт управления ПУ. В результате
происходит плавное уменьшение оборотов двигателя вращателя до тех
пор, пока уровень вибраций не станет равным допустимому. При сниже-
нии вибрации блок БУ формирует управляющий сигнал увеличения оборо-
тов двигателя вращателя.
При бурении в перемежающихся по крепости породах датчик давле-
ния масла ДДМ выдает сигнал, так как при работе в мягких и крепких по-
родах в системе подачи долота давление составляет, соответственно, менее
или более 4,9 МПа, и блок управления БУ автоматически переключает ра-
боту станка с одного режима на другой.
Принципы разработки технологии бурения
и расчет производительности буровых станков
Первичными в числе определяющих технологию бурения факторов
являются геологические. К ним относятся строение обуриваемого массива,
степень его однородности, трещиноватости, обводненности, состав и фи-
зико-механические свойства слагающих массив горных пород.
Ко второй группе относятся горно-техиологические факторы разных
уровней: система разработки (транспортная, бестранспортная и др.), техноло-
гическая схема разработки (цикличная, поточная, цикличио-поточиая), про-
изводственная мощность карьера, вместимость ковша и производитель-
ность экскаватора, вид транспорта, его параметры и, как следствие, соче-
тание этих факторов, рациональная кусковатость подготавливаемой взры-
вом горной массы. Заданная кусковатость горной массы и фактическая
взрываемость массива пород, которая зависит от его удельной трещинова-
тости (блочности), определяют необходимый диаметр скважинных заря-
дов. выход горной массы с 1 м скважины и другие параметры буровзрыв-
ных работ.
К третьей группе относятся факторы собственно буровой техники и
технологии.
Под разработкой технологии бурения обычно понимают выбор для
заданных условий из некоторого возможного множества рациональных:
153
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурения
во-первых, способа бурения, способа очистки скважины, типа и кон-
струкции бурового станка и инструмента:
во-вторых, текущих регулируемых параметров режима бурения, опти-
мально соответствующих свойствам буримой в данный момент времени гор-
ной породы, состоянию долота и возможностям механизмов бурового станка.
Выбор способа бурения прежде всего определяется твердостью и аб-
разивностью горных пород и в конечном счете стоимостью бурения. При
этом центральное значение имеет зависимость скорости разрушения гор-
ных пород (оцениваемой скоростью бурения или глубиной разрушения по-
роды за один оборот долота) от осевого усилия на долото (рис. 82).
Рис. 82. Изменение скорости бурения V удельной
энергоемкости разрушения Е и стойкости долота
/я зависимости от усилия на долото Р: 1 - для до-
лот со значительной площадью контакта зубьев
(лезвий) с твердой породой; 2 для абсолютно
острого резца в мягкой породе
Процесс изменения скорости бурения с возрастанием осевого усилия
для неострого долота выражается S'-образной кривой, имеющей 4 харак-
терные стадии (зоны) развития процесса, и стремится к стабилизации (на-
сыщению) при неограниченном росте нагрузки, т. е. имеет асимптоту. Зо-
ны I и III условно линейны.
Такой характер кривой К6Р) определяется соотношением между
удельным контактным давлением долота Руд = P/FK и контактной прочно-
стью породы Рк.
Рассмотрим закономерность V(P} подробнее, так как она характери-
зует процесс любого механического разрушения и обработки твердых тел,
154
5.1. Разработка принципов управления режимами бурения
технологических скважин буровыми станками
в том числе взаимодействие зубьев ковшей экскаваторов, скреперов, буль-
дозеров, роторов и т. д. с горной породой.
Условия разрушения породы в выделенных зонах математически за-
писываются так:
Р Р Р р
I- —«л, п. —< рк, ш. —»рк, iv. — >рк,
FK
где FK — площадь контакта долота с забоем; Рк - контактная прочность
породы; PIFK — удельное контактное давление долота на забой, PIFK = Руд.
В зоне I, называемой областью поверхностного разрушения, осевое
усилие Р недостаточно для того, чтобы зуб внедрился или раздавил поро-
ду, поэтому происходит размельчение поверхностного слоя забоя, отделе-
ние возвышающихся зерен породы. Скорость разрушения растет прибли-
зительно линейно. Поверхностный процесс разрушения истиранием мало
эффективен и имеет место прн вращательном бурении очень твердых по-
род режущими долотами или шарошками при малых Р.
В зоне II, называемой переходной областью усталостного разруше-
ния, Руд приближается к Рк. Особенность протекающего здесь процесса
состоит в том, что порода разрушается после многократного воздействия
нагрузок в одном и том же месте забоя, что способствует развитию тре-
щин, и в дальнейшем происходит выкрашивание породы. Периодически на
забое возникают условия объемного разрушения. В этой области (II) ско-
рость разрушения растет интенсивнее, чем нагрузка. Усталостный процесс
разрушения характерен для шарошечного бурения в очень прочных породах.
В зоне III процесс разрушения считают объемным. Здесь удельное
давление на поверхности контакта зуба с породой значительно превышает
твердость породы. Происходит хрупкое разрушение породы, зуб активно
проникает в породу или вызывает откол породы. Скорость разрушения вы-
сокая и с увеличением нагрузки интенсивно возрастает.
В зоне IV имеет место также объемное разрушение породы, но рост
глубины внедрения замедляется из-за снижения удельного давления на все
увеличивающейся поверхности контакта вооружения долота с забоем. Эту
зону можно назвать областью ограниченного объемного разрушения поро-
ды. В ней возмущение забоя скважины происходит на значительной пло-
щади. и интенсивность процесса разрушения остается высокой. В пределе
скорость бурения может ограничиваться геометрическими размерами
зубьев (или лезвий с рассечкой) или неудовлетворительным режимом уда-
ления штыба из забойного пространства.
Из рассмотренных наиболее эффективным является объемный про-
цесс, характеризующийся наименьшей удельной энергоемкостью, высокой
скоростью бурения и наибольшим износом долота.
155
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурения
Если учесть, что процесс разрушения породы зависит также от ско-
рости приложения нагрузки и времени контакта зубьев с породой, то ре-
альная картина забойного процесса более сложная, в ием присутствуют и
поверхностный, и усталостный, и объемный виды разрушения.
В зависимости от способа механического бурения разрушение гор-
ных пород может происходить резанием, ударом или комбинированно, как
происходит при шарошечном бурении, процесс которого сочетает элемен-
ты статического и ударного разрушения горных пород. По сравнению с
режущими шарошечные долота имеют значительно большую площадь ра-
бочей поверхности при меньшей площади контакта с забоем в каждый мо-
мент времени. Внедрение зубьев в породу при перекатывании шарошек
происходит кратковременно, поэтому работа сил трения и. следовательно,
износ зубьев, оказывались гораздо меньшими, чем у режущих долот. К то-
му же специфичность конструкции шарошечных долот позволяет переда-
вать иа горную породу значительные величины мощности и контактных
нагрузок. Вместе с тем шарошечный способ бурения обусловливает боль-
шую массу и энерговооруженность станков, высокую стоимость их и ша-
рошечных долот.
Чем мягче порода, тем эффективнее способы, в которых преобладает
разрушение резанием. Однако с увеличением крепости породы форсиро-
ванно тупится инструмент, быстро снижается его контактное давление, ко-
торое становится меньше контактной прочности, и бурение переходит в
крайне неэффективный режим истирания. По этой причине в крепких по-
родах предпочтение отдается ударному (ударно-поворотиому ) способу
бурения, который отличается меньшими износом инструмента и энергоза-
тратами.
Для ударного способа условия разрушения породы иа забое в зонах I,
II и III можно записать в следующей последовательности:
AyB«K-PK-F; Ауд< К-Рк-Р, Ауду* K-Pk-F,
где Ауд — удельная энергия удара (приходящаяся иа единицу площади кон-
такта инструмента с породой); К безразмерный коэффициент.
Для ударно-вращательного и вращательно-удариого способов буре-
ния условия разрушения в зонах I. II и III записывают так:
P + AyB«KPKF- P + Aya<K-Pv’F‘, P + AyB»KPK-F.
Из выражения следует, что суммарная величина статической и удар-
ной нагрузок при вращательио-ударном бурении, необходимая для эффек-
тивного объемного разрушения породы, возрастает с увеличением твердо-
сти породы и площади контакта инструмента с породой, т. е. при затупле-
нии лезвий в процессе бурения, увеличении диаметра и числа лезвий.
156
5.1. Разработка принципов управления режимами бурения
технологических скважин буровыми станками
Вращательно-ударный способ обладает независимостью энергии
удара от диаметра скважины и поэтому при бурении крепких и крепчай-
ших горных пород имеет по сравнению с другими способами бурения сле-
дующие преимущества:
• рост диаметра скважины ие сопровождается большим увеличением
массы станка;
• объемное разрушение породы достигается технически проще и в
широком диапазоне условий бурения;
• при небольших диаметрах скважии обеспечиваются наиболее вы-
сокие скорости бурения и показатели стойкости долот.
Выбранный способ бурения определяет тип бурового стайка, кон-
кретный типоразмер которого зависит от диаметра скважин. Последний
устанавливают по оценкам горио-технологических факторов: взрываемо-
сти пород уступа, вместимости ковша и производительности экскаватора,
требований к кусковатости взорванной горной массы и др.
В практике карьеров сложились следующие рекомендации по облас-
ти применения выпускаемых буровых станков:
1. Вращательное бурение резанием станками СБР-160 и БТС-150
применяют эффективно по углям и породам средней и ниже средней кре-
пости с f= 2—7. При этом в породах с f < 4 используют шнековую очистку
и режущие долота со сплошным лезвием, a f= 5-6 (или с/< 6 с прослой-
ками f = 7-8) - воздушную очистку, ступенчатые формы и зубковые типы
режущих долот.
Имеется резерв расширения области применения бурения резанием
за счет долот с поворотными дисковыми шарошками и интеисивиой про-
дувки сжатым воздухом.
2. Шарошечное бурение применяют в породах средней крепости и
крепких с/= 6-16 реже до 18-20, в том числе по типам станков (по дан-
ным заводов-изготовителей):
СБШ-160- крепость пород f= 6 12, диаметр долот — 146 и 161 мм;
ЗСБШ-200-60 крепость пород f = 6-12, диаметр долот - 216 мм;
СБШ-250НМ крепость пород f= 8-14, диаметр долот - 244,5 и 270 мм;
СБШ-320-36 крепость пород/<18, диаметр долот 320 и 380 мм.
3. Комбинированную технологию — бурение скважин шарошечным
инструментом диаметром 244,5 мм, а расширение до диаметра 400 мм -
применяют с помощью станка СБШ-250МНР в термобуримых породах
крепостью/от 12 до 20.
4. Ударно-вращательное бурение (погружными пневмоударниками)
выполняют станками СБУ-100, СБУ-125 и СБУ-150 в породах высокой
крепости -/= 10-16.
157
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурания
Станки вращательно-ударного бурения с выносными гидравличе-
скими вращательно-ударными механизмами для карьеров в нашей стране
пока не производят.
Практика показывает, что, несмотря иа отсутствие жесткой техноло-
гической связи между работой бурового станка и работой экскаватора, оп-
тимальным является вариант, при котором производительность бурового
станка соответствует производительности экскаватора. Очевидно, экскава-
тор должен обслуживаться одним буровым станком. Обычно рассчитыва-
ют, чтобы трехсменная работа экскаватора обеспечивалась двухсменной
работой бурового станка, т. е.
Пс= 1,5-И,/у,
где Пс — сменная производительность бурового станка, м/см; II, - сменная
производительность экскаватора, м3/см; у — выход взорванной горной мас-
сы с 1 м скважины, м3/м.
Для ориентировочных расчетов можно принять
? = о,1<Л
где d—диаметр скважии, выраженный в сантиметрах.
Тогда условие соответствия производительности бурового станка и
экскаватора запишется выражением
IL= 1511,/^.
Более точно диаметр скважинного заряда устанавливают по специ-
альной методике.
Себестоимость бурения S (руб./м) приближенно выражается формулой
S=A/Tlc+Cn/LB,
где Пс - сменная производительность бурового станка, м/см; Сд — стои-
мость бурового инструмента, руб.; — стойкость бурового инструмента, м;
А - затраты на работу станка за смену (стоимость машиио-смены) без за-
трат на долото, руб./см.
Величина А включает расходы на заработную плату экипажа бурово-
го станка, материалы (кроме долот), амортизационные отчисления, элек-
троэнергию и другие статьи калькуляции.
Выделение затрат на долота связано с большой значимостью этих
расходов, высокой стоимостью долот, стойкость которых существенно ме-
няется в зависимости от горно-геологических условий открытых горных
работ (ОГР).
Ввиду инфляционных процессов расчет по сменным затратам более
целесообразен, чем по годовым затратам.
158
5.1. Разработка принципов управления режимами бурения
технологических скважин буровыми станками
При окончательном проектировании буровых работ необходима
опенка капитальных затрат (инвестиций) на приобретение бурового станка,
т. е. учет больших единовременных затрат (стоимость станка) по специ-
альной методике с учетом фактора времени. Приближенно такую оценку
можно выполнить по приведенным затратам.
Окончательный выбор способа бурения и типоразмера бурового
станка должен производиться по оценке затрат на бурение, взрывание, экс-
кавацию и транспортирование, отнесенных на 1 м3 горной массы (с учетом
диаметра скважин).
Производительность бурового станка связана с технологической
скоростью бурения нелинейной зависимостью вида
где ГЦ сменная производительность станка, м; С, - техническая скорость
бурения, м/с; Гм - машинное время работы станка за смену, с; Тс — продол-
жительность рабочей смены, с; К — технологическая (чистая, механиче-
ская) скорость бурения, м/с; 4 - время, затрачиваемое на вспомогательные
операции (ходы) и отнесенное к единице длины скважины; ц - коэффици-
ент эффективного использования станка в течение смены.
Зависимость Пс (К, tB) в общем виде показана на рис. 83. где кривые
характеризуют различные буровые станки, которым соответствуют вели-
чины 4', tB", tE'". Для любого станка 4 > 0 и производительность Пс после
заметного повышения асимптотически приближается к некоторому преде-
лу, дальнейшее повышение технологической скорости бурения К (напри-
мер, за счет интенсификации разрушения горной породы) не дает су-
щественного роста Пс н становится бессмысленным.
Для дальнейшего прогрессивного развития конструкции станка и
технологии бурения необходимо уменьшение параметра 4- Поэтому при
проектировании эксплуатации буровых станков повышение производи-
тельности должно достигаться при одновременном учете взаимосвязи ме-
жду двумя факторами: конструктивным 4 и технологическим К.
Следовательно, в качестве основных направлений совершенствова-
ния конструкций буровых станков и технологии бурения можно наметить
два. Первое - снижение потерь времени на вспомогательные операции за
счет совершенствования конструкций вращательно-подающих органов бу-
ровых станков, увеличения длины буровых штанг для бурения без наращи-
вания, использования телескопических штанг, применения быстродейст-
вующих замковых соединений, увеличения скоростей подъема и спуска
159
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурения
бурового става при маневровых операциях. Второе - интенсификация про-
цесса разрушения пород за счет автоматизированного применения опти-
мальных режимов бурения, увеличения энерговооруженности станков, ис-
пользования эффективных моделей долот, автоматизации станков.
Рис. 83. Взаимосвязь сменной производительности шаро-
шечного станка, технологической (чистой) скорости V буре-
ния и удельных затрат времени 4 на вспомогательные опера-
ции: 4’, 4” — современный уровень производительности (за-
штрихована область горных пород с коэффициентом крепости
/= 6-16); t"' — перспективный уровень производительности
Значения 4 для существующих станков при бурении в породах кре-
постью f = 6-18 составляют 110- 150 с/м и могут быть снижены в перспек-
тиве до 24 - 30 с/м.
Достигнутые и возможные величины механической скорости шаро-
шечного бурения и производительности станков сопоставлены на рис. 84.
Характерно, что в области наиболее рационального использования шаро-
шечных станков (породы с коэффициентом крепости f = 7-14) скорость
бурения может быть повышена в 1,5-1,7 раза. Значительны перспективы
повышения производительности станков бурения резанием и комбиниро-
ванного.
Для инженерных расчетов наиболее удобна формула сменной произ-
водительности, отражающая главные особенности станков вращательного
действия на карьерах:
160
5-1. Разработка принципов управления режимами бурения
технологических скважин буровыми станками
П,.= +—+—],
Ь 4 Ч
где Пс - сменная производительность станка, м/см; V — технологическая
(чистая) скорость бурения, м/с; 4 - время замены долота или сменных рез-
цов, с; L - глубина скважины, м; Св - продолжительность вспомогательных
операций, проводимых после подъема става до начала технологического
бурения очередной скважины, с; Кк — конструктивный показатель, харак-
теризующий удельные затраты времени на холостые ходы вращательно-
подающего органа (ВПО) станка в процессе бурения, с/м.
Рис. Я4 Изменение скорости бурения Гн производи-
тельности IIt шарошечных станков в зависимости oi
коэффициента крепости f горных пород: 1,1’ совре-
менный уровень; 2,2’ перспективный уровень (при
оптимизации режимных и конструктивных параметров)
В этой формуле сумма К* + tJLa + CJL представляет собой удельные
затраты времени на вспомогательные операции Гв.
Показатель /Ск для различных условий бурения и конструктивных
схем буровых станков имеет следующие выражения:
при бурении в крепких породах, когда долото меняется в процессе
проходки скважины и < L
2£ш
161
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурения
для условий бурения, позволяющих заменять долото после бурения
многих скважнн. когда La « L
Ах~4 + гс/2-£ш;
для случая бурения с одной штангой, равной глубине скважины (£ш = L),
и при £д » £
Ах tw/L — 1/1 пД,
где t„ — затраты времени на холостые ходы вращательно-подающего меха-
низма (в том числе выполняемые автоматически), не зависящие от длины
штанги, с/м; tc — время наращивания и разборки одной штанги, с; £ш —
длина штанги, м; /ш - время подъема одной штанги из скважины, с; Кцд -
скорость подъема штанги из скважины, м/с.
Показатель Ак является конструктивно-технологическим парамет-
ром, потому что он зависит в основном от конструкции вращательно-
подающего органа станка и для той или иной конструкции станка зависит
только от соотношения технологических элементов £/ £я.
Техническая (с учетом вспомогательных операций) скорость бурения
1/1-+Л- Л+-^+^
I” L.
Время цикла (бурение одной скважины) в условиях карьеров в отли-
чие от глубоких скважнн (на нефть, газ и т.д.), где рейс или цикл отнесен к
периоду работы одного долота, с достаточной точностью определяется по
формуле
+ СВ.
Общие виды зависимостей производительности бурового станка Пс
от интегрального показателя работоспособности Т бурового долота, за-
трат времени на вспомогательные машинные операции ?в и от фактора ин-
тенсификации процесса разрушения горных пород буровым инструментом
0Я приведены на рис. 85. Процесс разрушения горных пород можно ин-
тенсифицировать (фактор О„) увеличением осевой нагрузки на долото,
скорости вращения долота, применением наддольных интенсификаторов
пневмо- или гидроударного видов и др.
При отсутствии затрат времени на вспомогательные операции н по-
терь скорости из-за износа долот производительность станка изменяется
приблизительно пропорционально технологической скорости бурения
(кривая I на рис. 85, а). Однако практически величины /в значительны, и
162
5.1. Разработка принципов управления режимами бурения
технологических скважин буровыми станками
зависимость Пс (G„) следует по кривой II (рис. 85, а}. При этом в некрепких
породах в зоне технически возможного увеличения G„ максимум произво-
дительности может отсутствовать. В крепких и абразивных породах стано-
вятся значительными потери времени из-за износа и замены долот, что
вместе с падением темпа возрастания скорости бурения из-за насыщения
процесса разрушения породы приводит к появлению экстремума произво-
дительности (кривая III, точка G,, о на рис. 85, а).
Рис. 85. Зависимость производительности бурового станка Пс от фак-
торов интенсификации процесса бурения Gn и других: а - общий вид;
б — влияние на положение экстремума П€ фактора Gn (затраты времени
на вспомогательные операции); в — влияние на положение экстремума
Ц величины интегрального показателя работоспособности *Р бурового
долота; АПС| - потери производительности по фактору 6П; АПс2— потери
производительности из-за износа и замены долот
Влияние длительности вспомогательных операций 4 и /3, а также по-
казателя работоспособности долота Т иа положение экстремума произво-
163
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурания
дительности станка неодинаково. В последних моделях станков замена до-
лота механизирована (или происходит редко), поэтому величиной t3 можно
пренебречь. Исключение составляют случаи применения режущих долот в
породах высокой абразивности и шарошечных долот малого диаметра в
крепчайших породах для бурения скважин значительной глубины, когда
L< Lam необходимо учитывать время замены долота Г,. В большинстве же
случаев можно принимать t3 = 0, тогда изменение tB сказывается только на
абсолютном значении Пс тах. (рис. 85, б). Изменение величины (рис. 85, в)
влияет и на режимные координаты экстремума, и на абсолютное значение
Пс max-
Производительность бурового станка Пс и себестоимость бурения S
взаимосвязаны. При высокой стойкости долот £д можно пренебречь вели-
чиной отношения стоимости долота к его стойкости, и тогда величины S и
Пс связаны гиперболической зависимостью
S-
где А" - стоимость машино-смены работы станка без сменных затрат на
долото.
Величина А" зависит в основном от горно-геологических условий
бурения, типоразмеров буровых станков и долот.
Анализ проблемы разрушения и низкого ресурса рабочего инстру-
мента при бурении скважин выявил следующие факторы:
1. Объем применения шарошечных долот является завышенным и не
соответствует (до 50 %) физико-механическим свойствам буримых пород.
Примерно 50 % бурения скважин следует производить долотами режущего
типа, при этом бурение осуществляется и при других режимах, чем при
бурении ШД: меньших диапазонах регулирования и низких усилиях пода-
чи, что возможно при использовании других типов системы подачи станка.
2. ШД требуют своевременного регулирования осевого усилия при
изменении крепости горньгх пород, что не позволяют выполнить сущест-
вующие системы механизма подачи бурового става.
3. В результате работы ШД в нерациональных режимах происходит
резкий износ их элементов. Как свидетельствует анализ, более 80 % выхо-
да из строя ШД происходит вследствие износа опор из-за чрезмерного
усилия подачи.
4. В современных станках системы вращения и подачи бурового ста-
ва работают автономно. В этом случае утрачивается согласованное регу-
лирование частоты вращения и усилия подачи бурового става.
В результате исследований были сформулированы следующие прин-
ципы управления режимами бурения технологических скважин буровыми
станками:
164
5.2. Разработка механизма управления
режимами бурения буровыми станками
1. Система управления должна предусматривать регулирование трех
основных параметров, обусловливающих режим процесса бурения: часто-
ту вращения бурового става; усилие подачи бурового става на забой сква-
жины; расход сжатого воздуха, необходимого для шламоудалеиия.
2. Система управления должна быть адаптивной: своевременно и
плавно регулировать частоту вращения и усилие подачи бурового става, а
также расход сжатого воздуха, подаваемого в скважину, в зависимости от
изменения физико-механических свойств в горных породах.
3. Частота вращения, осевое усилие и расход сжатого воздуха явля-
ются основными параметрами, влияющими на производительность про-
цесса бурения скважин и стойкость бурового инструмента. В системе
управления режимами бурения скважин регулирование этими параметрами
должно быть согласованным и взаимосвязанным и выполняться с учетом
изменяющихся физико-механических свойств горных пород.
4. Эффективное функционирование управления системой горная по-
рода - буровой инструмент - буровой станок должно достигаться создани-
ем специализированных буровых инструментов режуще-вращательиого
типа, применение которых возможно при меньших усилиях подачи.
5. Применение специализированных долот предполагает использова-
ние механизма подачи, обеспечивающего плавное регулирование зиачеиий
осевого усилия в диапазоне £)пс= 0-100, кН.
6. Обеспечение максимальной производительности процесса бурения
скважии достигается согласованным управлением регулирования частоты
вращения и осевого бурового става, а также расходом сжатого воздуха, по-
даваемого в скважину с учетом горио-геологических условий.
7. Адаптивность системы управления процессом бурения скважии
возможно обеспечить принципиально новыми техническими и технологи-
ческими решениями создания механизма подачи бурового става на забой
скважины, основанными иа электромагнитном принципе вращения и пе-
ремещения рабочих органов.
5.2. Разработка механизма управления
режимами бурения буровыми станками
Рациональная эксплуатация современного бурового оборудования и
породоразрушаюшего инструмента возможна иа основе оперативного
управления режимными параметрами технологического процесса. Это тре-
бует разработки системы управления, включающей схемы регулирования
основных силовых устройств, и применения специальных контрольио-изме-
165
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурения
рительных приборов (КИП), дающих возможность измерять и поддержи-
вать оптимальные параметры технологического режима бурения, работы
различных механизмов, определять физическое состояние отдельных тех-
нических средств. Это позволяет повысить производительность буровых
работ и безопасность их ведения, снизить аварийность в процессе соору-
жения скважин, полнее использовать резервы геологоразведочной техники.
Оснащение контрольно-измерительными приборами станков и меха-
низмов на горно-буровых работах позволяет получать информацию о ходе
технологического процесса, своевременно вносить коррективы и тем самым
положительно влиять на его результат. Так, при бурении скважин контроль за
показаниями и записями приборов позволяет: а) осуществлять поиск и под-
держивать оптимальными значения параметров режима бурения: б) обеспечи-
вать рациональную отработку породоразрушающего инструмента; в) опреде-
лять аварийные ситуации и тем самым своевременно предотвращать аварии;
г) анализировать баланс рабочего времени и проводить механический каротаж.
С ростом глубин скважин процесс бурения усложняется. Для кон-
троля над ним и параметрами глубоких скважин (забойное и пластовое
давления, динамический уровень, температура, расход и другие) помимо
приборов наземного контроля применяются глубинные приборы. При бу-
рении скважин необходим автоматический контроль параметров скважи-
ны, состояния оборудования, а также регулирование основных параметров
режима бурения, таких как: а) усилие, развиваемое механизмом подачи;
б) нагрузка на породоразрушающий инструмент; в) частота вращения бу-
рового снаряда; г) крутящий момент на вращателе; д) давление сжатого
воздуха; е) расход воздуха, поступающего в скважину; ж) механическая
скорость бурения.
Рассмотрим основные типы контрольно-измерительной аппаратуры,
которую следует применять при управлении режимными параметрами
процесса бурения скважин буровыми станками с использованием иссле-
дуемого электромагнитного механизма подачи.
Обзор и выбор контрольно-измерительных приборов 1112-116|
В настоящей работе рассмотрены современные приборы измерения,
принцип их действия, технические характеристики и предложены наиболее
подходящие для изучения параметров электромагнитного механизма подачи.
Усилие подачи
Одним из главных параметров, которые нам нужно узнать, это какое
усилие подачи создает электромагнитный механизм. Рассмотрим несколько
типов приборов, которые могли бы быть применены для данных измерений.
166
5.2. Разработка механизма управления
режимами бурения буровыми станками
Гидравлический измеритель веса ГИВ-13 (рис. 86). Он предназначен
для измерения и регистрации усилий натяжения неподвижного конца тале-
вого каната при бурении и капитальном ремонте скважин.
В состав прибора входят: трансформатор давления ТД-300 с преоб-
разователем давления КРТ5-Ех, микропроцессорный блок измерения и ин-
дикации, показывающий и регистрирующий усилие натяжения каната, кН,
пресс-бачок для заполнения прибора.
В энергонезависимой памяти микропроцессорного блока хранится
информация за последние 80 сут, которая может быть перенесена в уст-
ройство считывания и хранения информации УСХИ с целью просмотра в
персональном компьютере (ПК).
Соединение УСХИ с микропроцессорным блоком и ПК (а также со-
единение микропроцессорного блока с ПК) производится при помощи
стандартного интерфейса RS 232. На индикаторе прибора высвечивается
усилие натяжения неподвижного конца талевого каната, кН.
В приборе также имеется индикация перегрузки. При перегрузке на-
чинают мигать все разряды индикатора и срабатывает реле, имеющее две
пары контактов с нагрузочной способностью 8 А, к которым может под-
ключаться внешнее сигнальное устройство (лампа или звуковой сигнал)
и цепи управления блокировкой лебёдки. Прибор также имеет индикацию
пониженного напряжения питания и разряда внутренней батареи.
Принцип действия измерителя (рис. 87) основан на преобразовании
усилия натяжения Q конца талевого каната 2, вызванного нагруженным
весом инструмента 6 и преломленного между крайними опорами на корпу-
се 1 и средней опорой 3, опирающейся на мембрану 4, в давление в камере
трансформатора и в последующем непрерывном пропорциональном пре-
образовании его в унифицированный выходной сигнал постоянного тока
4 20 мА преобразователем давления 5. Давление в камере и усилие натя-
жения каната связаны определенной зависимостью (табл. 25).
Гидравлический индикатор веса ГИВ6-М2 (рис. 88). Индикатор
предназначен для измерения и регистрации усилий натяжения неподвиж-
ного конца талевого каната при бурении и капитальном ремонте скважин.
Он выпускается по ТУ 25-7617.004 92. По устойчивости к воздействию
температуры соответствует исполнению У категории 2 по ГОСТ 15150, но
для работы при температуре от — 50 °C до +50 °C и исполнению Т катего-
рии 2 (температура от —10 °C до + 55 °C).
В зависимости от назначения индикатор выпускается в семи моди-
фикациях, различающихся типом трансформатора давления и составом
блока вторичных приборов:
167
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурения
ГИВ6-М2-1 совмещенный указатель (с основой и верньерной шкалой),
пресс-бачок, манометр самопишущий ДМ-2001, трансформатор ТД-300;
ГИВ6-М2-2 совмещенный указатель (с основой и верньерной шкалой),
пресс-бачок, манометр самопишущий ДМ-2001, трансформатор ТД-150
(рис. 88);
ГИВ6-М2-3 указатель с основой шкалой, пресс-бачок, манометр
самопишущий ДМ-2001, трансформатор ТД-300;
ГИВ6-М2-4 — указатель с основой шкалой, пресс-бачок, манометр
самопишущий ДМ-2001, трансформатор ТД-150;
ГИВ6-М2-5 - указатель с основой шкалой, пресс-бачок, трансформа-
тор ТД-150;
ГИВ6-М2-6 - указатель с основой шкалой, указатель с верньерной
шкалой, пресс-бачок, манометр самопишущий ДМ-2001, трансформатор
ТД-300;
ГИВ6-М2-7 - указатель с основой шкалой, указатель с верньерной
шкалой, пресс-бачок, манометр самопишущий ДМ-2001, трансформатор
ТД-300.
Рис. 86. Гидравлический
измеритель веса ГИВ-13
Основные технические характеристики ГИВ6-М2 даны в табл. 26.
Основная приведенная погрешность измерения усилий натяжения
каната (в % от максимального усилия): для индикаторов с трансформато-
168
5.2. Разработка механизма управления
режимами бурения буровыми станками
ром давления ТД-150 оказывается равной ±4 %; для индикаторов с транс-
форматором давления ТД-300 равна ±2,5 %.
Таблица 25
Технические характеристики ГИВ-13
Трансформатор давления, кН Диаметр каната, мм Максимальное усилие натяжения каната, кН
ТД-300 19,22 60, 80, 100, 125
22,25 200
28, 32 250
38 300
Рис. 88. Гидравлический индикатор веса ГИВ6-М2
Таблица 26
Технические характеристики ГИВ6-М2
Модель индикатора Г рансформатор давления Диаметр каната, мм Максимальное усилие натяжения каната, кН
2,4, 5, 7 ТД-150 15, 19,22 60,80,100,125
1,3,6 ТД-130 22,25 200
28,32 250
35,38 320
Дополнительная погрешность при отклонении температуры от 20±5 °C
иа каждые 10 °C равна ± 0,5 % от максимального усилия.
Максимальное давление в гидравлической системе индикатора
1 МПа.
Рабочая жидкость гидравлической системы индикатора - жидкости
полиметилсилоксановые ПМС-5; ПМС-б; ПМС-10 ГОСТ 13032-77 или
аналогичные по физическим свойствам.
169
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурения
Динамометр электронный ДЭЛ-140. Программно-аппаратный ком-
плекс ДЭЛ-140 (рис. 89) (динамометр электронный для буровых устано-
вок). Он предназначен для измерения нагрузки, действующей на крюк та-
левого блока, на передвижных и стационарных установках наземного бу-
рения.
К особенностям работы прибора относятся: программируемость па-
раметров предельных нагрузок для различных видов подъемных уст-
ройств; для передачи данных из модуля управления в ПК используется пе-
реносной модуль памяти; световая, звуковая и релейная сигнализация пре-
вышения выставленной предельной нагрузки; проверка производится 1 раз
в год; взаимозаменяемость узлов.
Комплекс ДЭЛ-140 выполняет следующие функции: индикацию зна-
чения силы, действующей на крюк, как на модуль управления, гак и на мо-
дуль индикации; индикацию нагрузки на долото; звуковую сигнализацию
при достижении 95 % максимально выставленной предельной нагрузки;
блокировку механизма подъема при достижении 100 % выставленной пре-
дельной нагрузки; индикацию выставленной максимально предельной на-
грузки.
Использование нового усиленного корпуса выносного индикатора
дало дополнительный эффект при наработке на ударопрочность. При этом
также была кардинально изменена лицевая панель выносного индикатора,
применена четырехразрядная индикация нагрузки с использованием семи
сегментных индикаторов, регулировка яркости, бегущая строка показаний
нагрузки. Выносной индикатор поставляется в двух вариантах с семисег-
ментными индикаторами красного и зеленого свечения.
170
5.2. Разработка механизма управления
режимами бурения буровыми станками
В состав прибора входят: модуль управления; датчик нагрузки; мо-
дуль иидикании: модуль регистрации: устройство интерфейсное (USB);
программное обеспечение; звуковая сирена; кабели связи.
Технические характеристики прибора ДЭЛ-140 таковы:
диаметр канатов, мм 18..38;
предел измеряемых усилий натяжения на крюке спускоподъемиой
установки с учетом коэффициента талевой системы, ТНС — 0..500;
предел допускаемой приведенной основной погрешности преобразо-
вания, %, - 2,5;
электрическое питание от бортовой сети постоянного тока, напряже-
нием, В, -21 „28;
значение передаточных чисел талевых блоков, ед. - 1.2.4.6.8.10.12:
диапазон рабочих температур, °C — 40+50;
срок службы, лет, - не менее 10.
Рис. 90. Габаритные размеры ДМ800Я-ВУ
Манометр ДМ8008-ВУф. Манометр — это прибор, измеряющий дав-
ление жидкости или газа (рис. 90, табл. 27). Принцип действия манометра
основан на уравновешивании измеряемого давления силой упругой де-
171
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурания
формации трубчатой пружины или более чувствительной двухпластиича-
той мембраны, один конец которой запаян в держатель, а другой через тягу
связан с трибко-секторным механизмом, преобразующим линейное пере-
мещение упругого чувствительного элемента в круговое движение показы-
вающей стрелки.
Таблица 27
Технические характеристики маиомс1ров виброустойчивых
ДМ8008-ВУ (ДМ8008-ВУф)
Показатель Характеристика
Диаметр 100 мм
Класс точности 1,5
Предел измерений, кгс/см~ 0 1000; 1600 (жидкости)
Степень защиты IP54
Рабочая температура Окружающая среда: 50...+60 °C
Корпус Алюминиевый сплав
Механизм Бронза
Держатель Медный сплав
Трубчатая пружниа Медный сплав
Стекло Оконное
Присоединение М20х1,5
Масса, кг, не более 0,9
Для измерения усилия подачи, создаваемым электромагитиым меха-
низмом подачи, целесообразно применить виброустойчивый манометр
ДМ8008-ВУф. В этом случае механизм подачи следует оборудовать специ-
альной гидросистемой, в которую встраивается манометр.
Частота вращения бурового става
Измерение частоты вращения предлагается осуществлять прибором
testo 470 (тахометром).
Тахометр — )то средство измерения частоты вращения (числа обо-
ротов в единицу времени) деталей машин и механизмов. Измерение может
быть контактным или бесконтактным в зависимости от типа датчика ско-
рости вращения.
Тахометры строятся по нескольким различным принципам:
преобразование «частота - угол отклонения стрелки» (механические
и элетромеханические тахометры);
подсчет импульсов в течение заданного временного интервала;
172
5.2. Разработка механизма управления
режимами бурения буровыми станками
измерение временного интервала между смежными импульсами и
вычисление обратной функции.
Тахометры нашли широкое применение для контроля частоты вра-
щения коленчатого вала двигателей внутреннего сгорания практически на
всех типах транспортных средств (автомобилях, тракторах, тепловозах, су-
дах, самолётах). На практике также применяются тахометры для контроля
частоты вращения рабочих органов технологических машин.
Существует большое коли-
чество тахометров с механиче-
ским измерением частоты враще-
ния. Однако целесообразнее при-
менять цифровой тахометр с ком-
бинированным оптическим и ме-
ханическим измерением скорости
вращения.
Рассмотрим такой прибор
на примере тахометра testo 470
(рис. 91, табл. 28). Он предназна-
чен для бесконтактного измере-
ния скорости вращения с рас-
стояния до 600 мм. С помощью
светодиода электронный тахо-
метр отображает место замера на
объекте измерения.
К особенностям прибора
относятся: контактное и бескон-
тактное измерение; измерение
частоты вращения, скорости и
расстояния; наличие большого
дисплея; возможность запомина-
ния минимального и максималь-
Рис. 91. Тахометр testo 470
ного значения после отключения;
индикация разряда батарей.
Для перехода от оптических к контактным измерениям на прибор
необходимо надеть насадку, которая входит в комплект прибора. Можно
подключить насадки с конусом или диском для контактного измерения
скорости вращения, что позволяет проводить измерения на металлических
поверхностях без нанесения отражающей полоски или другого маркера.
Насадка в виде диска применяется для контактного измерения угло-
вой скорости вращения и расстояния.
173
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурания
Таблица 28
Технические характеристики комбинированного тахометра Testo 470
Тип датчика Оптический Механический
Диапазон измерения +1...+99999 об/мин +1...+19999 об/мин
Погрешность ±1 цифра ±0,02 % от измеряемых зна- чений (+1...+99999 об/мин) ±0,02% от измеряемых значений (+1...+19999 об/мин)
Разрешение 0,01 об/мин (+1...+99,99 об/мин) 0,1 об/мин (+100..+999,9 об/мин) 1 об/мин (т1000...+99999 об/мин)
Рабочая температура 0...+50 °C
Температура хранения -20.. .+70 °C
Питание 2 элемента формата АА
Размеры 175 мм х 60 мм х 28 мм
Линейная скорость 0,1...33,3м/с 0,30...6500 футов/мин 4,00.-78,000 дюймов/мин
Расстояние 0,02...99,000 м 0,01.. .99,000 футов 1,00—99,999 дюймов
Погрешность ±1 цифра/0,02м/1,00 дюйм в зависимости от разрешения
Электрические измерения
Для измерения электрических характеристик электромагнитного ме-
ханизма подачи бурового става предлагается следующая комбинация при-
боров: амперметр М42305, вольтметр М42305 (рис. 92), ваттметр Ц301
(рис. 93), так как эти приборы удовлетворяют техническим параметрам
системы управления режимами бурения, диапазонам измерений показате-
лей, кроме того, просты в устройстве, долговечны и дешевы.
Рис. 92. Вольтметры
174
5.2. Разработка механизма управления
режимами бурения буровыми станками
Технические характеристики рекомендуемых приборов представле-
ны в табл. 29. 30.
Рис. 93. Ваттметры
Таблица 29
Технические характеристики вапмезра Ц301
Номинальные значения Способ включения
Частота, Гц Напряжение, В Ток, А
50; 60 127; 220; 380 5 Непосредственно
50; 60; 500; 1000; 2400; 4000; 8000; 10000 100 5 Через измерительный трансформатор
Таблица 30
Технические характеристики змнермстра М42305, волымстра М42305
Показатель Характеристика
Тип прибора М42305
Размеры, мм 80x80x50
Длина шкалы, мм, не менее 42
Класс точности 1,5;2,5
Масса, кг, не более 0,16
Расход и давление сжатого воздуха
Выбор типа расходомера жидкости или газа зависит преимуществен-
но от свойств измеряемой среды, требуемого рабочего диапазона и точно-
сти. Измерение расхода является определением количества жидкости, газа
или пара, протекающего в единицу времени. Расход может быть измерен
175
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурения
различными типами устройств (расходомеров), использующими различные
способы измерения.
Кориолисовый массовый расходомер. Использование Кориолисовой
силы, которая вызывает эффект отклонения вибрирующих трубок к изги-
бу, позволяет достичь прямого измерения массового расхода среды корио-
лисовым расходомером. Более того, массовым расходомером может быть
обеспечено прямое измерение плотности жидкости. Способ измерения
данным типом расходомерного устройства может быть высокоточным не-
зависимо от типа измеряемого газа илн жидкости, т.е. конструктивно одна
и та же измерительная часть расходомера может быть использована, на-
пример, для измерения сырой нефти н попутного газа.
Термально-массовые расходомеры. В них используются один илн не-
сколько нагревательных элементов для измерения массового расхода жид-
кости или газа. Для учета температурной компенсации измеряется темпе-
ратура среды. Расходомеры обеспечивают прямое измерение массового
расхода и не требуют дополнительной поправки к расчету расхода по тем-
пературе и давлению в определенном калиброванном диапазоне. Расходо-
меры широко используются для природного газа, сжатого воздуха, аргона,
гелия, кислорода и других газов. Они идеально подходят для учета фа-
кельного газа.
Вихревой расходомер. Метод измерения расхода включает в себя
размещение препятствия (возмущающего барьера) на пути протока жидко-
сти. Когда жидкость проходит этот барьер, в потоке создаются возмуще-
ния, называемые вихрями. Внхри оставляют следы позади барьера. После
того как в 1912 г. фон Карман математически описал данную закономер-
ность, эти вихревые дорожки принято называть вихревыми дорожками
Кармана. Скорость, при которой создаются эти вихри, пропорциональна
расходу жидкости. Внутри возмущающего барьера располагается пьезок-
ристалл, который создает малые, но измеряемые импульсы напряжения,
также пропорциональные расходу жидкости. Величины данных импульсов
измеряются электроникой вихревого расходомера.
Магнитный (индукционный) расходомер. Магнитное поле, прило-
женное к измерительной трубке, которое вычисляется разнипей потенпиа-
лов, пропорционально скорости потока и перпендикулярно магнитным ли-
ниям. Физический принцип работы основан на законе Фарадея об электро-
магнитной индукции. К необходимым условиям работоспособности маг-
нитного расходомера относятся наличие проводящей жидкости (например
воды), электрически изолированная внутренняя поверхность прибора, кон-
тактирующая с измеряемой средой (например труба из немагнитной стали
с резиновым напылением).
176
5.2. Разработка механизма управления
режимами бурения буровыми станками
Ультразвуковой расходомер. Данный расходомер измеряет разницу
времени перемещения ультразвуковых импульсов по направлению и про-
тив направления потока измеряемой среды. Эта разница во времени явля-
ется измерением для средней скорости жидкости или газа по длине пути
прохождения ультразвукового луча. (При измеренном действительном
значении времени можно рассчитать значения средней скорости среды и
скорости звука в ней, измерив два времени перемещения ультразвуковых
импульсов по направлению и против потока среды, зная при этом дистан-
цию между передающим и принимающим сенсорами расходомера).
Диафрагменный расходомер. Метод измерения использует диафраг-
му, которая обычно представляет собой «измерительную шайбу» с отвер-
стием, размещаемую поперек потока жидкости или газа, вследствие чего
при протекании через нее поток сжимается. Таким образом, в данном типе
расходомера используется тот же принцип измерения, что и у расходоме-
ров Вентури, в которых изменение давления зависит от скорости потока
(принцип Бернулли).
Расходомер Вентури. Другой метод измерения, известный как рас-
ходомер Вентури, сжимает поток определенным образом (по определен-
ному закону) и измеряет дифференциальное давление (используя сенсоры
давления), которое образуется за счет сжимания потока на определенном
участке расходомерного устройства. Этот метод широко используется для
измерения расхода при перекачке газов по трубопроводам и был известен в
применении со времен Римской Империи.
Турбинный расходомер. Данный расходомер с осевым турбинным
колесом переводит механическое действие вращения турбины в проте-
кающих через прибор жидкостях или газах в количество импульсов про-
порционально измеренному объемному расходу или в удобные для пред-
ставления пользователю единицы объемного расхода. Турбина расходоме-
ра располагается в потоке измеряемой среды.
Компьютеры расхода. Современные изобретения в способах и уст-
ройствах для измерения расхода позволяют включать в состав расходо-
мерных устройств электронные приборы, которые могут учитывать кор-
ректировки для различных условий по давлению и температуре (например
для плотности), учитывать нелинейность зависимостей для различных ти-
пов жидкостей.
Для того чтобы не использовать два отдельных прибора для измере-
ния расхода и для давления сжатого воздуха, нами было предложено вос-
пользоваться современным расходомером VP FlowScope, особенности ко-
торого следующие: на нем одновременно измеряются массовый расход,
давление и температура; встроенный экран и клавиатура позволяют обой-
177
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурания
тись без компьютера; встроенное запоминающее устройство помогает
осуществлять длительный мониторинг трендов потребления сжатого воз-
духа и характеристик компрессора. Прн использовании прибора осуществ-
ляются обязагельнгые операции.
Монтаж прибора. Приборы крайне просты в применении и монтаже
в пневмосети. Для установки требуется лишь радиальная врезка 1/2'* на
прямолинейном участке трубопровода с шаровым вентилем. Для монта-
жа/демонтажа прибора не требуется сброс давления в сети, прибор уста-
навливается «под давлением», что существенно сокращает затраты на ус-
тановку.
Вначале на закрытом вентиле (трубопровод находится под давлением)
монтируется цанговый зажим, в который опускается измерительная штанга
до шарового вентиля и подтягивается верхняя гайка зажима. Усилие за-
тяжки должно обеспечивать возможность хода измерительной штанги
внутри зажима с одной стороны и минимальную утечку воздуха с другой.
После чего открывается шаровой вентиль, измерительная штанга опуска-
ется до упора в трубу, а затем поднимается на половину диаметра трубо-
провода, после чего цанговый зажим затягивается полностью. Прибор го-
тов для проведения измерений.
Обработка данных. Данные с прибора обрабатываются при помощи
программного обеспечения, поставляемого в комплекте с прибором. Про-
граммное обеспечение VPStudio специально разработано для приборов
VPFlowScope. С помощью этой программы можно конфигурировать
VPFlowScope, просматривать в реальном времени измерения.
Данный прибор имеет следующие технические данные: диапазон из-
мерений от 0,5 до 150 м/с; давление — 0... 16 бар; температура - до 50 °C;
длины приборов до 400 мм; допустимая погрешность — < 1%; газы изме-
рений: сжатый воздух, азот, инертные газы.
Измерение скорости вращения бурового става
Для измерения частоты вращения предлагается установить магннто-
резистивный датчик. Некоторые ферромагнитные материалы, например
пермаллой (80 % Ni и 20 % Fe), изменяют свое электрическое сопротивле-
ние при воздействии магнитного поля. Степень этого изменения зависит от
величины напряженности магнитного поля и угла между вектором напря-
женности и направлением тока.
С помощью современной тонкопленочной технологии можно изго-
товить небольшие и очень дешевые магниторезистивные датчики. Они со-
стоят из резистивного элемента в форме меандра (рис. 94) сопротивлением
от 30 Ом до 1кОм. Поскольку получать сигнал с таких датчиков наиболее
178
5.2. Разработка механизма управления
режимами бурения буровыми станками
целесообразно в мостовой схеме, то в датчике располагают две меандро-
вые структуры (АВ) различной ориентации
Рис. 94. Датчик для измерения скорости вращения вала: a — чувствитель-
ный элемент магниторезистивного датчика; б — устройство для измерения
скорости вращения или числа оборотов датчиком с магниторезистивным
элементом; в — измерительная схема; <• - форма сигнала на выходе
На рис. 94. б продемонстрирована возможность применения такого
датчика для измерения скорости вращения. Магнит, установленный на оси
вращения, при каждом обороте проходит один раз мимо магниторезистив-
ного датчика, вызывая изменение его сопротивления. Это изменение со-
противления с помощью схемы, показанной на рис. 94, в преобразуется
в изменение напряжения UA (рис. 94, г).
Механизм управления режимами бурения буровыми станками
В настоящее время существует проблема быстрого износа шарошеч-
ного инструмента, а также неэффективность его работы в связи с несвое-
179
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурания
временным контролем и изменением подачи и скорости вращения бурово-
го става при бурении сложноструктурных пород.
В процессе работы шарошечный инструмент сталкивается с различ-
ными пластами горной породы, имеющими разную крепость и диапазон
залегания (рис. 95). Наиболее значительные нагрузки шарошечный инст-
румент испытывает в процессе перехода работы с одного слоя на другой,
когда происходит изменение крепости пород, что ведет к сокращению сро-
ка службы инструмента или может полностью вывести его из строя.
Рис. 95. Разрез горной породы
Крепость горной породы определяется по шкале Протодьяконова и,
зная твердость каждого пласта, можно определить безопасные режимы по-
дачи и скорости вращения для шарошечного инструмента. Но данные ре-
жимы справедливы только для движения бурового инструмента внутри ка-
кого-либо слоя с определенной крепостью. При переходе от одного слоя на
другой с разными крепостями происходят сложные процессы, проявляю-
щиеся в виде возникновения ударных нагрузок.
Для обнаружения этих процессов необходима точная контрольно-
измерительная аппаратура, которая способна своевременно определить и
передать сигнал об изменении крепости породы, ее структуре и других
геологических условиях. Полученный сигнал обрабатывается микроконст-
роллером системы подачи и микроконтроллером вращательной системы.
Функция зависимости величины подачи и скорости вращения от геологиче-
ских условий бурения исходя из оптимальных технологических параметров
задает режим работы подающей и вращающей систем бурового станка.
180
5.2. Разработка механизма управления
режимами бурения буровыми станками
В настоящее время используется следующая система для измерения
результирующего усилия на шарошечный инструмент. Результирующее
усилие, развиваемое гидросистемой бурового станка зависит от величины
давления масла в штоковых полостях гидроцилиндров системы подачи бу-
рового снаряда на забой и величины противодавления (подпора), возни-
кающего в нижних полостях гидроцилиидров в результате перекрытия
(частичного или полного) сливной полости гидросистемы. Усилие на забое
определяется разницей давления обеих полостей.
Для облегчения расчета результирующего усилия можно пользовать-
ся номограммами либо при постоянном значении давления в напорной ма-
гистрали проградуировать манометр иижней полости в единицах резуль-
тирующего усилия (в виде обратной шкалы). Однако такая опенка осевого
усилия ие может быть точной, кроме того, данный метод измерения не да-
ет возможности получения непрерывной оценки осевого усилия в виде
сигнала, пригодного для использования в системе управления.
Для оптимизации и уточнения процесса измерения применяются
дифференциальные датчики давления. Один из подобных датчиков в
основе своей содержит электрические пружинные манометры МПЭ-МИ
[П4].
Но и использование таких датчиков ие дает возможности точного
контроля и имеет достаточно сложную схему измерения давления в гидро-
системе. Основной недостаток заключается в длительности передачи сиг-
нала на исполнительный орган. Зачастую этого времени достаточно для
серьезных повреждений и нарушения рабочего режима. Также использова-
ние таких датчиков для контроля подачи в данной установке невозможно,
так как изменен механизм подачи.
Для измерения скорости подачи предлагается использовать датчики
иа основе частоты сдвига света. С помощью этих датчиков определяется
изменение частоты сдвига света, обусловленное объектом измерения. Из-
мерение производится высокоточными методами светового гетеродиниро-
вания (интерферируют две световые волны разной частоты, а сигнал раз-
ной частоты детектируется) и спектрального анализа. Типичным образцом
датчика иа основе сдвига частоты света может служить лазерный допле-
ровский волоконно-оптический измеритель скорости [115].
При освещении движущегося тела лучем лазера рассеиваемый телом
свет приобретает сдвиг по частоте (эффект Доплера).
Датчик, в котором используется эффект Доплера, а также для зонда с
лазерным излучателем и для зонда детектора рассеянного света применя-
ется оптическое волокно, называемое лазерным доплеровским волоконно-
оптическим измерителем скорости. В зависимости от структуры оптиче-
181
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурания
ской системы такие датчики можно разделить на два вида: с опорным све-
том и дифференциальные (рис. 96).
Рис. 96. Лазерный доплеровский измеритель скорости
В лазерном доплеровском измерителе с опорным светом лазерный
луч освещает измеряемый объект через волоконно-оптический зонд. Этим
же зондом принимается свет обратного рассеяния. Частотный сдвиг света в
результате эффекта Доплера
2и
---COS и.
(19)
где X — длинна волны лазера; 0 - угол между лазерным лучем и вектором
скорости объекта.
182
5.2. Разработка механизма управления
режимами бурения буровыми станками
Измеряемый сигнал, имеющий частоту Доплера, получается путем
гетеродинного обнаружения световым детектором лучей рассеяния и
опорного света, пришедшего в детектор в результате френелевского отра-
жения от торца зонда.
В лазерном доплеровском измерителе скорости дифференциального
типа измеряемый объект освещается посредством волоконно-оптических зон-
дов 1 и 2 (рис. 96), а рассеянный свет, получивший в результате взаимодейст-
вия с объектом положительный и отрицательный, но равный сдвиг частоты,
принимается волоконно-оптическим зондом 3. В детекторе путем гетеродини-
рования этих световых лучей получается доплеровский сигнал измерителя.
Частота биений, возникающая в результате гетеродинного обнаружения,
Л = 2'<МПП- <20)
Л Z
где 6 — угол между двумя лазерными лучами.
Как следует из формул (19), (20), сдвиг частоты зависит от угла ос-
вещения измеряемого объекта лучом лазера, а, следовательно, требуется
точная настройка оптической системы. Необходимо также учитывать, что
в данных измерителях скорости используется явление рассеяния лазерного
светового луча измеряемым объектом, поэтому чувствительность обнару-
жения твердого тела зависит от его цвета, степени глянца, чистоты обра-
ботки поверхности, температуры и других факторов.
Фиксирование изменения геологических свойств породы происходит
следующим образом. Режущий инструмент проходит породу разной кре-
пости. При увеличении крепости увеличивается давление в гидроцилинд-
ре, а скорость опускания уменьшается. Лазерный доплеровский измери-
тель скорости фиксирует малейшие изменения подачи. Таким образом, из-
меряя данным датчиком скорость опускания бурового става, можно судить
об увеличении или уменьшении осевого усилия исходя из изменения ско-
рости опускания.
Датчики давления будут измерять среднее давление в процессе буре-
ния, показывая этим среднее подающее усилие. Сочетание информации о
среднем подающем усилии и изменении скорости опускания бурового ста-
ва даст полную картину о геологических свойствах породы в динамике.
Это позволит своевременно выбирать и регулировать режим подачи и
вращения бурового става, что приведет к увеличению ресурса бурового
инструмента и увеличению производительности бурового станка.
Таким образом, используя данную систему, можно определить ско-
рость опускания вала, а значит, и скорость подачи, а, используя дополни-
тельное оборудование, определить пройденное расстояние.
183
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурания
При этом указанные приборы не смогут давать достоверную инфор-
мацию о физико-механических свойствах проходимой горной породы. Не-
обходимо измерять динамические и статические нагрузки, т.е. усилие по-
дачи и динамические ударные нагрузки в процессе бурения. Постоянно
получаемый сигнал должен анализироваться микроконтроллерами и пере-
даваться уже в качестве задающего сигнала на исполнительный механизм.
При создании механизма управления режимами бурения существуют
три задачи:
1) непрерывно получать достоверный сигнал о статических и дина-
мических нагрузках;
2) иметь зависимости регулирования режимов бурения, позволяю-
щие по имеющимся сигналам определять физико-механические свойства
породы, проходимой в данный момент, а также позволяющие назначать
режим бурения и подстраивать его в постоянном режиме при помощи мик-
роконтроллеров в системе подачи и вращения бурового органа бурового
станка;
3) эффективно и своевременно изменять режимы бурения непосред-
ственно при работе бурового инструмента при помощи исполнительных
механизмов.
Преимущества и недостатки способов получения непрерывного дос-
товерного сигнала о статических и динамических нагрузках представлены
в табл. 31.
Таблица 31
Преимущества и недосташи способов получения chi нала о nai рузках
Способ Преимущества Недостатки
1 1) нет необходимости модернизации бурового органа и привода бурового станка; 2) информация о нагрузках не имеет задержки при ее получении 1) могут быть получены только косвенные данные о динамических нагрузках и нет возможности полу- чать какие-либо данные о статиче- ских нагрузках; 2) низкая надежность измерения: 3) необходимость передачи сигнала на поверхность на расстояние, рав- ное глубине скважины
2 1) информация о нагрузках не имеет задержки при ее получении: 2) измеряются достоверно как стати- ческие, так и динамические нагрузки; 3) высокая надежность измерения при условии надежности механиче- ских элементов 1) необходимость разработки и изго- товления надежного снаряда-датчика, расположенного между буровым ин- струментом и буровым ставом 2) необходимость передачи сигнала на поверхность на расстояние, рав- ное глубине скважины
184
5.2. Разработка механизма управления
режимами бурения буровыми станками
Окончание табл. 31
Способ Преимущества Недостатки
3 1) нет необходимости модернизации бурового органа и привода бурового станка; 2) высокая надежность измерения; 3) измеряются как статические, так и динамические нагрузки; 4) нет задержки задающего сигнала, отправляемого на исполнительный механизм 1) сведения о динамических нагруз- ках не являются полностью досто- верными, так как необходимо учи- тывать прохождение статической и динамической нагрузки через буро- вой инструмент, буровой орган и все ниппельные соединения: 2) информация о нагрузках имеет задержку при ее получении
4 1) измеряются как статические, так и динамические нагрузки; 2) статические нагрузки измеряются достоверно; 3) высокая надежность измерения; 4) нет задержки задающего сигнала, отправляемого на исполнительный механизм; 5) задержка при получении сигнала компенсируется смягчением ударных нагрузок в магиитиой связи электро- магнитного подающего привода 1) информация о нагрузках имеет задержку при ее получении; 2) сведения о динамических нагруз- ках не являются полностью досто- верными, гак как необходимо учи- тывать прохождение статической и динамической нагрузки через буро- вой инструмент, буровой орган и все ниппельные соединения
Данные способы можно объединить в следующие четыре группы:
1) измерение нагрузок и вибрации в рабочей зоне специальными
датчиками, не меняя конструкцию бурового органа;
2) измерение нагрузок и вибрации в рабочей зоне при помощи сна-
ряда-датчика, включающего буровой инструмент;
3) измерение нагрузок в районе привода бурового органа при помо-
щи специальных датчиков, не меняя конструкцию бурового органа и при-
вода;
4) измерение нагрузок в районе привода бурового органа, измеряя
непосредственно величину тока и напряжения в электромагнитном по-
дающем и вращающем двигателях.
Зависимости регулирования режимов бурения
Данные зависимости должны обеспечивать два требования:
1) по имеющимся сигналам определять физико-механические свой-
ства породы, проходимой в данный момент;
2) назначать режим бурения и подстраивать его в постоянном режи-
ме при помощи микроконтроллеров в системе подачи и вращения бурового
органа бурового станка.
185
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурения
Исходя из рассмотренных способов получения непрерывного досто-
верного сигнала о статических и динамических нагрузках первое требова-
ние обеспечивается достоверностью и своевременностью сигнала, полу-
чаемого от измерительного элемента. Более удобным в использовании,
точным и быстрым является электрический сигнал, получаемый либо со
снаряда-датчика, либо с обмоток электромагнитного подающего и вра-
щающего двигателя.
В данном случае по отклонениям величины тока от среднего показа-
ния можно судить о возникновении ударной нагрузки При этом время
возникновения удара будет зафиксировано тем точнее, чем меньше время
задержки между ударом и срабатыванием измерительного элемента. Дос-
товерность измеренного сигнала будет определяться максимальным ис-
ключением неучтенных факторов. Так, снаряд-датчик полностью исключа-
ет неучтенные факторы, поскольку находится в непосредственной близо-
сти к месту возникновения удара. В случае удаления измерительного эле-
мента неизбежны задержки измереииого сигнала. Это может означать, что
пиковая нагрузка уже отсутствует, а исполнительный механизм еще ие
подстроил режим бурения под изменившиеся физико-механические свой-
ства. В этом случае необходимо предусмотреть технические элементы,
компенсирующие запаздывание контролирующих процессов. Это могут
быть различные элементы и вставки, гасящие или сглаживающие ударные
нагрузки.
Указанные проблемы ие имеют отношения к измерению статических
нагрузок, поскольку для их определения могут быть приняты средневзве-
шенные данные.
Чтобы назначать режим бурения и подстраивать его в постоянном
режиме при помощи микроконтроллеров в системе подачи и вращения бу-
рового органа бурового станка, необходимо понимать, какое осевое усилие
и скорость вращения бурового става соответствуют оптимальной произво-
дительности при условии максимального ресурса бурового инструмента.
Характеристика режима бурения
в зависимости от осевого усилия
При механическом способе разрушения горных пород основная доля
энергии расходуется иа внедрение породоразрушаюших элементов воору-
жения в горную породу. Величина давления, создаваемого породоразру-
шающим инструментом на забое скважины, определяется не только вели-
чиной осевого усилия F, ио и значением контактной площади SK данного
долота. Под контактной площадью понимается сумма площадей всех зубь-
ев на всех шарошках, контактирующих в данный момент с горной породой
186
5.2. Разработка механизма управления
режимами бурения буровыми станками
забоя скважины (для шарошечных долот), и сумма площадей торцовой по-
верхности лопастей (для лопастных долот). Величина контактной площади
всех долот (шарошечных, лопастных, алмазных) табулирована, т.е. известна.
При увеличении контактного давления: Рк = F/SK, линейно зависяще-
го от осевого усилия, разрушение на забое происходит по-разному. Рас-
смотрим три возможных случая:
а) Рк > Н. В этом случае в горной породе, находящейся под пятном
контакта, возникает объемное разрушение. Оно характеризуется тем, что
возникает при единичном взаимодействии породоразрушающего элемента
долота с данной «точкой» поверхности горной породы. При этом возни-
кающие частицы шлама имеют максимальный размер. Разрушение горной
породы, происходяшее при выполнении приведенного условия, является
наиболее эффективным.
Из условия обеспечения объёмного разрушения горной породы ве-
личина осевой нагрузки на шарошечное долото рассчитывается по формуле
Ф - аЯ\,
где а - коэффициент, учитывающий реальные условия разрушения горной
породы в скважине (величину дифференциального давления, температуру
горных пород, состояние забоя и пр.), а = (0,33-1,59); & контактная
площадь данного долота.
Величина а определяется по опытным данным.
Зная твердость горных пород и контактную площадь используемого
долота, можно определить осевую нагрузку, требуемую для бурения сква-
жины данным шарошечным долотом. Нужно помнить, что по указанной
формуле можно определить лишь ориентировочное значение требуемого
для разрушения горной породы осевого усилия, так как формула не учиты-
вает работоспособность опор долота.
Наблюдающийся экстремальный характер изменения Кмех от F свя-
зывают с ограничением высоты зубцов на шарошках, наличием шлама на
забое. Осевая нагрузка, при которой достигается максимальное значение
механической скорости, называется критической.
Следует иметь в виду следующее: при чрезмерном увеличении осе-
вого усилия бурильная колонна теряет устойчивость и претерпевает про-
дольный изгиб, что приводит к незапланированному искривлению скважины.
б) Рк < Н При такой величине контактного давления возникает уста-
лостно-объемное разрушение горной породы. Непременным следствием
установления подобного соотношения между величиной контактного дав-
ления и твердостью горной породы является возникновение разрушения
при неоднократном действии породоразрушающего элемента вооружения
187
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурения
долота на одну и ту же точку забоя. Разрушение при этом связывают с по-
вреждаемостью породы забоя, развитием трещин в горной породе под пят-
ном контакта при каждом ударном цикле напряжения. Вид лунки выкола
бывает такой же, какой возникает при объёмном разрушении.
Количество циклов нагружения п, необходимое для разрушения гор-
ных пород, зависит от механических свойств горной породы: с увеличени-
ем хрупкости пород величина п уменьшается. Зависимость между величи-
ной контактного давления Рк и количеством циклов нагружения п, необхо-
димых для разрушения породы, имеет вид, представленный на рис. 96. Эта
усталостная кривая описывается уравнением
Р,тп = С,
где т - показатель степени; С — постоянная усталостной кривой С = const.
Чем больше Рк, тем меньше необходимо создавать циклов нагруже-
ния для разрушения горной породы.
Минимальное контактное давление, вызывающее усталостное раз-
рушение при циклическом нагружении при выполнении условия Рк < Н,
называется пределом усталости горной породы Рус. Считается, что
Рус = (1/20 ч 1/30Ж
Б. А. Жлобинским было установлено, что механизм усталостно-
объёмного разрушения горных пород похож на механизм разрушения
хрупких горных пород при статическом вдавливании индентора. Лунка
выкола возникает вследствие раздробления горной породы под пятном
контакта, передачи давления от индентора на окружающую породу и воз-
никновения вокруг пятна контакта овальной (если индентор имеет прямо-
угольную площадку вдавливания) или круглой (при цилиндрическом ин-
денторе) трещины.
Последняя стадия разрушения связана с раздавливанием уплотнен-
ного ядра под индентором и образованием лунки.
в) Рк « Н. Это условие определяет поверхностное разрушение гор-
ной породы в результате истирающего действия инструмента. Скорость
бурения при выполнении этого неравенства незначительна. Размер частиц
шлама мал.
Зависимость механической скорости бурения от величины осевого
усилия F (контактного давления Рк) при фиксированной скорости враще-
ния имеет вид, показанный на рис. 97.
Представленное на рис. 97 изменение механической скорости буре-
ния от величины осевого усилия указывает на различный механизм разру-
шения горных пород в трех областях изменения F (или Рк). При малых на-
грузках (участок I) зависимость Кмех = Д/7) - линейная: прямая выходит из
188
5.2. Разработка механизма управления
режимами бурения буровыми станками
начала координат. Угол наклона прямой к оси F характеризует интенсив-
ность изменения механической скорости при росте осевого усилия Каса-
тельная к кривой, проведенная на участке II, свидетельствует о том, что в
этом диапазоне изменения осевого усилия прирост механической скорости
больше, чем на первом участке (касательная отсекает от оси F положи-
тельный отрезок). На участке III угол наклона касательной меньше, чем на
участке II, что свидетельствует о том, что на третьем участке изменение
VMex при росте F меньше, чем на втором участке (касательная отсекает от
оси F отрезок, расположенный левее начала координат).
Рис. 97. Зависимость механической скорости бурения от осевой нагрузки
(контактного давления) на долото (и = const, Q = const)
Часто зависимость Кмех = flJF) представляют в виде степенной зави-
симости
Г«ех = xFa.
При a = 1 из этого выражения получаем связь между Кмех и F для
участка I, при a > 1 - для второго, a < 1 — для третьего участка.
При бурении скважины выбранное значение осевого усилия может
обеспечить появление любого из приведенных участков. Рекомендация
увеличивать величину осевого усилия F для реализации объемного разру-
шения не всегда оправдана, так как, во-первых, часто при больших усили-
ях начинается интенсивный износ долота, увеличивающий контактную
189
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурания
площадь долота и приводящий к снижению Кмех, во-вторых, бурение при
меньших осевых нагрузках, сопровождаемое снижением механической
скорости, часто приводит к достижению положительного результата, на-
пример, росту проходки на долото, росту рейсовой и коммерческой скоро-
сти, снижению себестоимости метра проходки. Следует иметь в виду, что
увеличение осевого усилия приводит к росту интенсивности искривления
скважины, что связано с возрастанием отклоняющей силы при увеличении
прогиба КНБК, большим разрушением стенки скважины.
Зашламование забоя существенно изменяет зависимость Кмек = Д/7),
так как происходит не только снижение Кмех, но и уменьшение величины
осевого усилия, при котором достигается наибольшее значение механиче-
ской скорости.
Приведенное на рис. 97 изменение механической скорости отличает
не только бурение скважин щарощечным, но и лопастным долотом.
Выбор параметра режима бурения — осевой нагрузки на долото по
диаграмме Имех =j{F) не гарантирует от ошибок.
В настоящее время при бурении чаще всего реализуется поверхност-
ное (при турбинном бурении) и усталостно-объемное разрушение горных
пород. Связано это в основном с тем, что материал, из которого изготавли-
вается породоразрушающий инструмент, меньше изнашивается при реали-
зации усталостно-объёмного разрушения.
В настоящее время контроль за величиной F при бурении скважины
реализуется с помошью индикаторов веса гидравлических (ГИВ), электри-
ческих (ЭИВ), которые устанавливаются на неподвижном конце талевого
каната.
Характеристика режима бурения
в зависимости от частоты вращения долота
Общий вид зависимости =fln) хорошо известен из работ В. С. Фе-
дорова (рис. 98). На кривой выделяются два линейных участка: начальный
и конечный. На этих участках Им изменяется пропорционально п, что сви-
детельствует о постоянстве проходки за оборот 8.
Основными факторами, определяющими вид кривой =/(п), явля-
ются следующие:
время контакта тк зуба шарощечного долота с горной породой,
число поражений забоя зубьями долота.
С увеличением частоты вращения и возрастает число поражений за-
боя зубьями шарошечного долота, возрастает скорость и энергия соударе-
ния. Это обеспечивает рост механической скорости бурения. Но одновре-
менно с этим увеличение п обеспечивает и снижение времени контакта тк.
190
5.2. Разработка механизма управления
режимами бурения буровыми станками
что снижает эффективность разрушения горных пород и, как следствие,
механическую скорость. В результате действия указанных факторов при
бурении возникает сложная зависимость:
к, =y<«v
Рис. 98. Общий вид зависимости К, =/(«)
при различных осевых усилиях (Fi > F\)
На участке кривой расположенном между начальным и ко-
нечным линейными участками, изменение механической скорости, проис-
ходящее при постоянной осевой нагрузке, но росте частоты вращения, ха-
рактеризуется снижением темпа прироста механической скорости. При оп-
ределенной частоте вращения пкр наблюдается резкое снижение темпа
прироста механической скорости. Это происходит вследствие резкого
уменьшения глубины внедрения зуба долота в горную породу за один обо-
рот, снижения времени контакта зуба долота с забоем скважины. Для мра-
мора, например, пкр = 100 мин-1.
С ростом твердости горной породы лкр возрастает. Энергоемкость
разрушения также возрастает. По этой причине бурение скважины с часто-
той вращения п > якр нерационально. При данном значении осевого усилия
увеличение п долота с целью повышения механической скорости целесо-
образно лишь до тех пор. пока возрастает рейсовая скорость бурения.
Обладая технологической информативностью, зависимость =fln)
тем не менее не может быть гарантом выбора рекомендуемого значения
частоты вращения п. Тому есть причина: отсутствие приборов, надежно
191
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурения
контролирующих частоту вращения. В роторном бурении частота враще-
ния долота равна частоте вращения ротора и может быть измерена тахо-
метром достаточно точно. Для измерения частоты вращения долота в тур-
бинном бурении используется турбогахометр, датчик которого устанавли-
вается в верхнем узле турбобура и соединяется с валом последнего.
Работа турботахометра основана на фиксации специальной аппара-
турой, устанавливаемой на вертлюге, импульса давления, формируемого
при кратковременном перекрытии трубного пространства через каждые 10
оборотов вала турбобура. Каналом связи служит промывочная жидкость,
находящаяся внутри бурильной трубы. Особенностью гидравлического ка-
нала связи является существенное затухание энергии сигнала в связи с по-
терями на трение у стенок колонны и наличие помех, создаваемых рабо-
тающим буровым насосом.
С увеличением глубины скважины в большей степени проявляются
пластические свойства горных пород, требуются большие деформации до
разрушения и большая длительность контакта зубьев долота с забоем. Это
вызывает необходимость снижения частоты вращения долота с углублени-
ем скважины. Существует и другая причина, по которой необходимо сни-
жать величину п при росте глубины скважины. Значительный рост мощно-
сти, необходимой для привода ротора, происходит из-за роста потерь на
трение бурильной колонны о стенку скважины.
Условия эффективного
и своевременного изменения режимов бурения
Для эффективного и своевременного изменения режимов бурения
необходимо выполнять следующие условия:
1) сигналы об изменении физико-механических свойств породы
должны поступать постоянно к микроконтроллеру с минимальной задерж-
кой во времени;
2) измеренные сигналы должны многогранно отражать картину о ха-
рактеристиках буримых пород;
3) измеренные сигналы должны быть достоверны;
4) измеренные сигналы должны однозначно сообщать микрокон-
троллерам об изменении конкретных физико-механических свойств породы;
5) микроконтроллеры должны содержать функции, преобразующие
измеренные сигналы в задающие сигналы для привода подачи и привода
вращения;
6) функции микроконтроллеров должны отражать информацию об
эффективных режимах бурения при различных физико-механических
свойствах породы;
192
5.2. Разработка механизма управления
режимами бурения буровыми станками
7) задающие сигналы должны с минимальной задержкой во времени
доходить до исполнительных механизмов;
8) исполнительный механизм должен быстро и эффективно изменять
подачу или скорость вращения бурового става, соответственно задающему
сигналу.
При разработке способа регулирования какого-либо технологическо-
го параметра особое внимание надо уделять выбору регулируемой величи-
ны. От этого зависит качество процесса регулирования и конструкции ре-
гулятора. Регулируемая величина должна удовлетворять следующим тре-
бованиям:
• иметь однозначную связь с нагрузкой иа машину;
• обеспечивать постоянную перегрузочную способность двигателя
независимо от колебаний нагрузки;
• допускать измерение несложным, малогабаритным, допустимым
для применения в полевых условиях чувствительным элементом;
• обеспечивать достаточную чувствительность регулятора;
• обеспечивать достаточное быстродействие регулятора;
• позволять осуществление простыми средствами дистанционной
передачи регулируемой величины на значительные расстояния в случае
выноса регулирующего органа механизма подачи от машины.
Наиболее приемлемые в качестве регулируемой величины парамет-
ры горных машин с приводами различных типов выбираются с учетом их
особенностей.
Для обеспечения высокого качества процесса регулирования при ра-
боте однотипных горных машин в различных горно-геологических услови-
ях и при изменении других параметров их работы необходимо создание
приспосабливающихся или адаптивных систем регулирования.
В зависимости от того, какие условия работы горных машин изме-
няются, может возникнуть необходимость в создании как активных, так и
пассивных самоприспосабливающихся систем. Однако многие параметры
в процессе работы горной машины изменяются стохастически, например
крепость породы. В этом случае пассивная самонастраивающаяся система
уже не может обеспечить хорошее качество процесса. Оно может быть
достигнуто при помощи систем, осуществляющих контролируемые изме-
нения своих параметров в зависимости от текущей информации об услови-
ях работы системы управления.
Оптимальные режимы бурения в процессе эксплуатации бурового
станка можно обеспечить путем выбора соответствующего осевого усилия
и частоты вращения бурового става. С увеличением крепости породы осевое
усилие необходимо увеличивать, а частоту вращения долота — уменьшать.
193
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурания
Зависимость осевого усилия от крепости пород выражается форму-
лой
Дс=0,7-/-<М03, (21)
где Рос - усилие подачи, Н; f — коэффициент крепости породы по шкале
М. М. Протодьяконова; d - диаметр долота, см.
Рис, 99. Зависимость осевого усилия
и частоты вращения долота от крепости породы
На рис. 99 графически отображены зависимости этих параметров от
коэффициента крепости породы.
5.3. Исследование характеристик электрических машин
с целью применения в качестве привода подачи
и привода вращения
Для осуществления быстрого и эффективного изменения подачи или
скорости вращения бурового става соответственно задающему сигналу не-
обходимо применять электрические мащииы с удобным и гибким регули-
рованием как силовых, так и скоростных характеристик
В качестве силовых машин можно использовать как двигатели по-
стоянного тока, так и двигатели переменного тока. У электродвигателя с
мягкой механической характеристикой частота вращения вала в зиачи-
194
5-3. Исследование характеристик электрических машин
с целые применения в качестве привода и подачи вращения
тельной степени зависит от нагрузки на валу, что в нашем случае не жела-
тельно, поэтому необходимо использовать электродвигатель с жесткой ме-
ханической характеристикой
Наиболее жесткую механическую характеристику имеет синхронный
двигатель, но он используется только в нерегулируемых приводах, поэто-
му его рассматривать не будем. Жесткую механическую характеристику
также имеет двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением и
асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (рис. 100, 101).
Рис. 100. Механическая характеристика
асинхронного двигателя
с короткозамкнутым ротором
Рис. 101. Механическая характеристика
двигателя постоянного тока
с параллельным возбуждением
Асинхронный двигатель с КЗ ротором может устойчиво работать
только прн обеспечении саморегулирования, т. е. автоматическом установ-
лении равновесия между приложенным к валу моментом нагрузки и мо-
ментом М, развиваемым двигателем. Этому условию соответствует верх-
няя часть характеристики до достижения М,тх (до точки В). Если нагру-
зочный момент превысит момент Л/П1ах, то двигатель теряет устойчивость и
останавливается, при этом по обмоткам машины будет длительно прохо-
дить ток в 5-7 раз больше номинального, и они могут сгореть. Однако
данный двигатель имеет более мягкую характеристику, что может быть
полезно при работе бурового станка в условиях ударных нагрузок и вибра-
ции бурового става.
Способы регулирования скорости вращения асинхронных двигателей
можно подразделить на два класса:
• регулирование скорости вращения первичного магнитного поля,
которое достигается либо регулированием первичной частоты, либо изме-
нением числа пар полюсов двигателя;
• регулирование скольжения двигателя.
195
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурения
В первом случае КПД двигателя остается высоким, во втором - сни-
жается тем больше, чем больше скольжение, так как при этом мощность
теряется во вторичной цепи двигателя. Регулирование скорости вращения
вала путем изменения числа пар полюсов осуществляется ступенчато, по-
этому наиболее приемлемым является частотное регулирование, несмотря
на его сложность.
К недостаткам частотного регулирования относится громоздкость и
высокая стоимость питающей установки.
В зависимости от характера нагрузки преобразователь частоты обес-
печивает различные режимы управления электродвигателем, реализуя ту
или иную зависимость между скоростью вращения электродвигателя и вы-
ходным напряжением.
Различные типы преобразователей частоты, которые нашли приме-
нение в области частотного регулирования электропривода, могут быть
разделены на две группы, отличающиеся друг от друга по используемым
техническим средствам и устройствам.
Первую группу составляют так называемые машинные или вращаю-
щиеся преобразователи, в которых для получения переменной частоты ис-
пользуются обычные или специальные электрические машины. Известны
также и другие схемы вращающихся преобразователей частоты, исполь-
зующих как обычные, так и некоторые специальные электрические маши-
ны. Наибольшее распространение среди них получили асинхронный пре-
образователь частоты, преобразователи частоты с использованием коллек-
торного генератора переменной частоты (системы М. П. Костенко) и одно-
якорных преобразователей.
Вторая группа преобразователей частоты — это так называемые ста-
тические преобразователи. Свое название они получили потому, что сис-
тема построена на статических элементах и устройствах, таких как полу-
проводниковые приборы, конденсаторы, магнитные усилители и т. д. Раз-
витие статических преобразователей частоты особенно ускорилось в связи
с появлением новых мощных полупроводниковых приборов. Большое внима-
ние, которое уделяется вопросу создания регулируемых статических преобра-
зователей частоты, определяется теми высокими технико-экономическими по-
казателями, которые приобретает регулируемый частотный электропривод в
случае их использования: повышается КПД системы регулирования (он дости-
гает 0,85-0,9) и ее быстродействие, устраняется шум при работе.
При значительных изменениях частоты вращения двигателя, вызван-
ных соответствующим изменением частоты питающего напряжения, вы-
полнение этих соотношений уже не обеспечивает постоянства перегрузоч-
ной способности и коэффициента мощности двигателя (рис. 102).
196
5-3. Исследование характеристик электрических машин
с целью применения в качестве привода и подачи вращения
Причина этого явления заключается в уменьшении магнитного пото-
ка двигателя вследствие влияния активного сопротивления статора, осо-
бенно заметного при низких частотах. Чтобы компенсировать в какой-то
степени это влияние, следует с уменьшением частоты снижать напряжение
в несколько меньшей степени.
При осуществлении частотного регулирования с учетом влияния ак-
тивного сопротивления статора по более сложным закономерностям могут
быть получены характеристики, показанные на рис. 103. Жесткость этих
регулировочных характеристик и перегрузочная способность двигателя ос-
таются практически неизменными.
Рис. 103. Механические характеристики
асинхронного двигателя при частотном
регулировании (Ul/Ф const)
Упрощенная блок-схема частотного регулируемого электропривода
показана на рис. 104. Необходимым элементом привода является преобра-
зователь частоты и напряжения, на вход которого подается стандартное
напряжение сети Uc (220, 380 В нт. д.) стандартной промышленной часто-
ты^ — 50 Гц, а с его выхода снимается переменное напряжение (/рег регу-
лируемой частоты fpery величины которых находятся между собой в опре-
деленном соотношении, определяемом видом нагрузки Мс. Регулирование
выходной частоты и напряжения преобразователя осуществляется с помо-
щью управляющего сигнала, изменение которого определяет в конечном
счете изменение частоты врашения асинхронного двигателя.
При использовании в качестве вращателя двигателя постоянного то-
ка с параллельным возбуждением регулирование частоты вращения можно
осуществлять тремя способами:
• изменением магнитного потока Ф;
197
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурания
• введением дополнительного сопротивления Лдоп в цепь якоря:
• изменением напряжения сети Uc.
В первом случае регулирование частоты вращения можно осуществ-
лять только в сравнительно небольшом диапазоне. Нижний предел частоты
вращения ограничивается насыщением магнитной цепи машины, которое не
позволяет увеличивать в значительной степени магнитный поток, а верхний
предел — условиями устойчивости (при сильном уменьшении Ф двигатель
идет вразнос), а также тем, что при глубоком ослаблении возбуждения силь-
но увеличивается ток якоря /я, что приводит к возрастанию реактивной ЭДС
и искажающего действия реакции якоря. При этом повышается опасность
возникновения искрения на коллекторе и появления кругового огня.
Более совершенным способом регулирования частоты вращения вниз
является регулирование путем изменения подводимого к двигателю на-
пряжения. Он является наиболее экономичным и плавным. На рис. 105
представлены механические характеристики двигателя параллельного воз-
буждения для трех значений напряжений.
Жесткость механических характеристик практически не меняется,
поэтому таким способом можно регулировать частоту вращения от номи-
нальной до нуля.
Рис. 104. Блок-схема частотного Рис. 105. Механические характеристики
асинхронного электропривода двигателя постоянного тока параллельного
возбуждения при изменении питающего
напряжения
Блок-схема такого привода изображена на рис. 106.
Способ регулирования введением дополнительного сопротивления
Лдоп в цепь якоря весьма прост и позволяет осуществлять плавное регули-
198
5-3. Исследование характеристик электрических машин
с целью применения в качестве привода и подачи вращения
рование частоты вращения в широком диапазоне. Однако при этом снижается
жесткость механической характеристики двигателя, что может привести к
ухудшению работы приводного механизма, возникают большие потери энер-
гии в регулирующем реостате, вследствие чего его практически применяют
только при кратковременных режимах работы двигателя, например при пуске.
Для создания осевого усилия можно использовать как линейный
двигатель постоянного тока, так и линейный индукционный двигатель пе-
ременного тока. Насколько известно, линейные электродвигатели работа-
ют по принципу традиционных электродвигателей, а это значит, что регу-
лирование усилия подачи равноценно регулированию развиваемого мо-
мента обычного двигателя. При этом стоит учитывать, что скорость подачи
(вращения) близка к нулю. Другими словами, нам необходимо регулиро-
вать пусковое усилие.
Пусковое усилие асинхронного линейного электродвигателя удобнее
регулировать изменением частоты питающего напряжения. Изменение
Рис. 107. Механические характеристики
ЛИД с частотным регулированием
Рис. 106. Блок-схема регулируемого
привода вращения на ДПТ
Блок-схема регулируемого привода подачи будет аналогична блок-
схеме привода вращения на короткозамкнутом асинхронном двигателе.
При конструкции привода на постоянный ток усилие подачи можно
регулировать изменением величины тока в обмотке центрального четы-
рехполюсного ротора исходя из формулы закона Ампера:
F = I B I, (18)
где F- сила, действующая на проводник с током. Н; I — ток в проводнике;
В - магнитная индукция, Тл; I — активная длина проводника, м.
199
5. Проектирование режимных параметров
и управление режимами станков шарошечного бурения
Силу тока в обмотке можно изменять автоматическим регулятором
тока.
Блок-схема регулируемого механизма подачи на постоянном токе
показана на рис. 108.
Рис. 108. Блок-схема регулируемого
механизма подачи постоянного тока
Управляющий сигнал на все варианты приводов может формировать
в себе микроконтроллер, который должен описывать функциональные за-
висимости механических параметров от изменения горно-геологических
условий, изображенных на рис. 94. Сигнал на микроконтроллер можно по-
лучать от чувствительного элемента, который будет отслеживать измене-
ние тока в цепях обмоток приводов. В качестве чувствительного элемента
в цепи переменного тока можно использовать трансформатор тока, а в це-
пях постоянного тока - датчик тока.
Применив автоматическую систему управления механизмом подачи
можно максимально исключить человеческий фактор из процесса бурения,
а также инерционность процесса адаптации к горно-геологическим усло-
виям при бурении скважин.
Таким образом, вращательно-подающие механизмы современных
буровых станков имеют ряд существенных недостатков, в числе которых
можно назвать жесткую связь системы «механизм подачи буровой став -
буровой инструмент», что обусловливает инерционность и сложность в
управлении режимами процесса бурения скважин, особенно в горных по-
родах с широким диапазоном изменения физико-механических свойств.
Своевременное и адаптированное регулирование и управление ре-
жимными параметрами процесса бурения горных пород может обеспечить
200
5-3. Исследование характеристик электрических машин
с целью применения в качестве привода и подачи вращения
механизм подачи бурового става с линейным электроприводом, обладаю-
щим мгновенной реакцией на изменение горно-геологических и горнотех-
нических условий бурения.
Анализ конструкций и применения линейных электродвигателей по-
казал их эффективное применение в различных отраслях промышленно-
сти. К автоматизированному электроприводу предъявляются повышенные
требования по критериям качества и регулирования. Этим требованиям от-
вечает линейный электропривод.
В работе предложена схема вращательно-подающего механизма бу-
рового станка с электромагнитной системой подачи бурового става, кото-
рая позволяет адаптивно реагировать на изменения физико-механических
свойств горных пород.
Рациональная эксплуатация современной буровой техники и породо-
разрушающего инструмента возможна на основе оперативного управления
режимными параметрами технологического процесса бурения. Это об-
стоятельство требует разработки системы управления, включающей схемы
регулирования основных силовых устройств и применения специализиро-
ванных контрольно-измерительных приборов и устройств, позволяющих
измерять и поддерживать эти оптимальные технологические параметры
режима бурения скважин. Для этого разработана система автоматического
управления вращателем, основанная на регулировании частоты вращения
рабочего органа путем изменения напряжения. Это обеспечивает эконо-
мичность и плавность регулирования режимных параметров процесса бу-
рения. Кроме того, разработана система автоматического управления уси-
лием подачи, основанная на регулировании величины тока в области рото-
ра двигателя.
201
6. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТАНКОВ
ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ
Вращение, подачу на забой и извлечение из скважины породоразру-
шающего инструмента на буровых станках осуществляют исполнительные
механизмы, к которым относятся вращатель, механизм подачи, вертлюг.
Конструкции этих механизмов (получившие название «вращательно-
подающие механизмы») определяют принципиальные различия моделей
буровых станков и их режимных параметров.
Вращатели всех буровых станков по принципу действия одинаковы и
состоят из двигателя и редуктора. Механизмы подачи имеют разнообраз-
ные конструкции: гравитационные, канатные, гидравлические, цепные,
поршневые, канатно-поршневые, зубчато-реечные и др.
Существующие вращательно-подающие механизмы имеют ряд су-
щественных недостатков. Жесткая связь схемы «электропривод — гидро-
система - канатно-полиспастная система» создает инерционность и слож-
ность управления режимами бурения, что приводит к несвоевременному
регулированию осевого усилия, особенно при бурении сложноструктурных
пород с широким диапазоном крепости.
Указанных недостатков можно избежать с применением линейного
электродвигателя для подачи бурового става. Теоретические и экспери-
ментальные исследования линейных двигателей позволили разработать
конструктивную схему адаптивного электромагнитного механизма подачи
и определить его силовые параметры. Расчеты электромеханических ха-
рактеристик устройства проведены с использованием программы ANSYS,
которая позволила определить зависимость силовых параметров двигателя
от осевого усилия на буровой став.
На основе анализа существующих приборов и устройств составлена
номенклатура контрольно-измерительной аппаратуры с целью оперативно-
го управления режимами бурения скважин с применением предложенного
электромагнитного механизма подачи бурового става.
6.1. Анализ конструкций и применения
линейных электродвигателей
для адаптивной системы подачи бурового станка
Среди электрических машин наибольшее распространение получили
линейные электродвигатели [83, 84]. Они имеют плоское и цилиндриче-
202
6.1. Анализ конструкций и применения линейных электродвигателей
для адаптивной системы подачи бурового станка
ское исполнения. Составными частями электродвигателя является индук-
тор и вторичный элемент. Индуктор плоского двигателя состоит из маг-
нитопровода и обмотки [85 87]. Магннтопровод электродвигателя набира-
ется из отдельных секций (рис. 109, й), которые шихтуются на сборочных
призмах (рис. 109, б). Потом магнитопровод прессуется и скрепляется с
помощью наживных плит (рис. 109, в).
Рис. 109. Магнитопровод электродвигателя: a - отдельные секции;
б сборочные призмы; в наживные плиты
Секции обмотки двигателя (рис. 110, а) укладываются в пазы магни-
топровода и соединяются между собой по заданной схеме (рис. ПО, б).
Для механической защиты и герметизации индуктор заливается специаль-
ным компаундом (рис. 110, в). В отдельных случаях лобовые части обмот-
ки закрываются защитным кожухом.
Рис. 110. Обмотка электродвигателя: а — секции обмотки;
б схема соединения обмоток; в герметизация индуктора
Естественное охлаждение индуктора осуществляется через вентиля-
ционные жалюзи защитного кожуха (рис. 111, а). На рабочих режимах
двигателя с интенсивным тепловыделением применяются системы прину-
дительного охлаждения (рис. 111,6).
203
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
Плоские линейные электродвигатели могут быть односторонними и
двухсторонними. Вторичный элемент одностороннего двигателя обычно
выполняется в виде стальной полосы с алюминиевым и медным покрыти-
ем. В двухстороннем двигателе вторичный элемент представляет собой то-
копроводящую полосу. Применяются и другие конструкции вторичных
элементов, том числе с короткозамкнутыми и фазными обмотками.
Рис. 111. Система охлаждения: a - защитный кожух,
б система принудительного охлаждения
Рис. 112. Цилиндрический
линейный электродвигатель
В исполнительных устройствах и механизмах возвратно-поступа-
тельного движения преимущественно применяются цилиндрические ли-
нейные электродвигатели, в основу конструкции которых положен модуль-
ный принцип (рис. 112). Магнитопровод
двигателя состоит из отдельных стальных
шайб (рис. 113, а). Катушки обмотки нама-
тывают иа каркасы (рис. 113, 6} и помеща-
ют в пазы шайб магнитопровода. Образу-
ются монтажные модули (рис. 114), из
которых набирается индуктор двигателя
(рис. 115). Необходимый воздушный зазор
между индуктором и вторичным элементом
поддерживается с помощью подшипника
скольжения запрессованного в торцевую
крышку. Конструкция фиксируется коль-
цами.
Вторичный элемент цилиндрического электродвигателя выполняется
в виде стержня (рис. 116, а) или трубы (рис. 116, б) с токопроводящим по-
крытием. Применение короткозамкнутого вторичного элемента повышает
тягово-энергетические показатели двигателя.
204
6.1. Анализ конструкций и применения линейных электродвигателей
для адаптивной системы подачи бурового станка
Рис. 113. Монтажные модули: a
стальные шайбы; б - каркасы
Рис. 114. Монтажные модули в сборе
Рис. 115. Индуктор электродвигателя
Рис. 116. Вторичный элемент: a — стержень; б — труба
205
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
Внедрение линейных электродвигателей в различное технологиче-
ское оборудование сопровождается усовершенствованием существующих
и разработкой новых конструкций этого типа электрических машин.
Управление линейными электродвигателями
К автоматизированному электроприводу предъявляются повышен-
ные требования по критериям качества и регулирования. Этим требовани-
ям в большинстве случаев отвечает линейный электропривод. В нерегули-
руемом режиме вторичный элемент линейного асинхронного двигателя
будет перемещаться со скоростью, близкой к синхронной скорости элек-
тромагнитного поля. Скорость линейного асинхронного двигателя по ана-
логии с ротационными двигателями регулируется путем изменения по-
люсного деления, частоты питающего напряжения или скольжения.
Управление движением в системах со стационарными индукторами,
имеющими разные полюсные деления, обеспечивает требуемые ускорение
и замедление. Изменение частоты питающего напряжения приводит к про-
порциональному изменению синхронной скорости электродвигателя и
скорости вторичного элемента. Частотное управление обеспечивает широ-
кий диапазон регулирования.
Применение вторичного элемента, состоящего из отдельных участ-
ков с разными электромагнитными свойствами, обеспечивает изменение
скольжения и скорости. Снижение питающего напряжения приводит к со-
ответствующему уменьшению тягового усилия двигателя и скорости пере-
мещения вторичного элемента. Такой способ особенно эффективен для
управления двухфазными линейными двигателями с волновым полем, спо-
собным реализовывать низкие скорости и уравновешивать силу тяжести
груза без пульсации вторичного элемента.
Применение вычислительных средств для управления многоиндук-
торными системами позволяет реализовать программируемые режимы
движения вторичного элемента. При этом могут быть использованы раз-
личные способы управления, в том числе и комбинированные. Реализация
сложных траекторий движения имеет особое значение при создании робо-
тизированных технических комплексов.
Классификация линейных электродвигателей
Линейные двигатели могут быть асинхронными, синхронными и
постоянного тока, повторяя по принципу своего действия соответствующие
двигатели врашательного движения. Наибольшее распространение
получили асинхронные линейные двигатели, которые мы и рассмотрим
вначале. Представление об устройстве линейного асинхронного двигателя
206
6.1. Анализ конструкций и применения линейных электродвигателей
для адаптивной системы подачи бурового станка
можно получить, если мысленно разрезать (рис. 117) статор 7 и ротор 4 с
обмотками 2 и 3 обычного асинхронного двигателя вдоль оси по
образующей и развернуть в плоскость» как это и показано на рисунке.
Образовавшаяся «плоская» конструкция представляет собой принци-
пиальную схему линейного двигателя. Если теперь обмотки 2 статора
такого двигателя подключить к сети переменного тока» то образуется
магнитное поле, ось которого будет перемещаться вдоль воздушного
зазора со скоростью К, пропорциональной частоте питающего напряжения
f и длине полюсного деления Т: V = 2Tf.
Рис. 117. Принцип построения линейного двигателя
переменного тока
Это перемещающееся вдоль зазора магнитное поле пересекает про-
водники обмотки 3 ротора н индуктирует в них ЭДС, под действием кото-
рой по обмотке начнут протекать токи. Взаимодействие токов с магнитным
полем приведет к появлению силы, действующей по известному правилу
Ленда в направлении перемещения магнитного поля. Ротор в дальнейшем
будем называть вторичным элементом. Под действием этой силы он нач-
нет двигаться с некоторым отставанием (скольжением) от магнитного по-
ля, как и в обычном асинхронном двигателе.
Показанная на рис. 117, б конструкция представляет собой линейный
двигатель с одинаковыми размерами статора и вторичного элемента. По-
мимо такой конструкции, в зависимости от назначения линейного двигате-
ля вторичный элемент может быть длиннее статора (рис. 118, а} или коро-
че его (рис. 118. б). Такие двигатели получили соответственно название
двигателей с коротким статором и коротким вторичным элементом. Вто-
ричный элемент линейного двигателя не всегда снабжается обмоткой. Час-
то - и в этом одно из достоинств линейного асинхронного двигателя -
в качестве вторичного элемента используется металлический лист (полоса),
как это показано на (рис. 118, <Э). Вторичный элемент при этом может рас-
207
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
полагаться также между двумя статорами (рис. 118, в) или между статором
и ферромагнитным сердечником (рис. 118, г). Двигатель с конструктивной
схемой, приведенной на рис. 118, б, получил название двигателя с одно-
сторонним статором со схемой по рис. 118, в - с двусторонним статором и
со схемой по рис. 118, г - с односторонним статором и сердечником.
Рис. 118. Линейные двигатели: a - с длинным вторичным элементом: б -с коротким
вторичным элементом; в - двухстаторный; г — с сердечником; д- со вторичным
элементом в виде полосы
Вторичный элемент выполняется из меди, алюминия или стали, при-
чем использование немагнитного вторичного элемента предполагает при-
менение конструктивных схем с замыканием магнитного потока через
ферромагнитные элементы, как, например, на рис. 118, в, г. Некоторое рас-
пространение получнлн составные сложные вторичные элементы с приле-
гающими друг к другу полосами из немагнитного и ферромагнитного ма-
териала, при этом ферромагнитная полоса выполняет роль части магнито-
провода.
Принцип действия линейных двигателей со вторичным элементом в
виде полосы повторяет работу обычного асинхронного двигателя с мас-
сивным ферромагнитным или полым немагнитным ротором. Обмотки ста-
тора линейных двигателей имеют те же схемы соединения, что и обычные
асинхронные двигатели, и подключаются, как правило, к сети трехфазного
переменного тока.
Отметим, что линейные двигатели очень часто работают в так назы-
ваемом обращенном режиме движения, когда вторичный элемент неподви-
жен, а передвигается статор. Такой линейный двигатель, получивший назва-
ние двигателя с подвижным статором, находит, в частности, широкое приме-
нение на электрическом транспорте. Разновидностями линейных асинхрон-
ных двигателей являются дуговой и трубчатый (коаксиальный) двигатели.
208
6-1. Анализ конструкций и применения линейных электродвигателей
для адаптивной системы подачи бурового станка
Дуговой двигатель характеризуется расположением обмотки иа час-
ти окружности, как это показано на рис. 119. Особенностью этого двигате-
ля является зависимость частоты вращения его ротора I от длины дуги, на
которой располагаются обмотки 2 статора 3.
Одна из типовых конструкций трубчатого линейного двигателя
представлена иа рис. 120. Статор двигателя 1 имеет вид трубы, внутри ко-
торой располагаются перемежающиеся между собой плоские дисковые ка-
тушки 2 (обмотки статора) и металлические шайбы 3, являющиеся частью
магнитопровода. Катушки двигателя соединяются группами и образуют
обмотки отдельных фаз двигателя. Внутри статора помещается вторичный
элемент 4 также трубчатой формы, выполненный из ферромагнитного ма-
териала.
Рис. 120. Трубчатый (коаксиальный)
линейный двигатель
При подключении к сети обмоток статора вдоль его внутренней по-
верхности образуется бегущее магнитное поле, которое индуктирует в теле
вторичного элемента токи, направленные по его окружности. Взаимодей-
ствие этих токов с магнитным полем двигателя создает иа вторичном эле-
менте силу, действующую вдоль трубы, которая и вызывает (при закреп-
ленном статоре) движение вторичного элемента в этом направлении.
Трубчатая конструкция линейных двигателей характеризуется аксиальным
направлением магнитного потока во вторичном элементе в отличие от
плоского линейного двигателя, в котором магнитный поток имеет ради-
альное иаправлеиие.
Применение линейных электродвигателей [83]
Рассмотрим несколько типовых практических конструкций линей-
ных асинхронных двигателей в совокупности с производственными меха-
низмами. Широкое применение линейные двигатели нашли в электриче-
209
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
ском транспорте, чему способствовал целый ряд преимуществ этих двига-
телей. Одно из них, уже отмеченное выше, определяется прямолинейно-
стью движения вторичного элемента (или статора), что естественно соче-
тается с характером движения различных транспортных средств.
Другое не менее важное обстоятельство связано с независимостью
силы тяги от силы сцепления колес с рельсовым путем, что недостижимо
для обычных систем электрической тяги. Поэтому ускорения и скорости
движения средств транспорта при использовании линейных двигателей
могут быть сколь угодно высокими и ограничиваться только комфорта-
бельностью движения, допустимой скоростью качения колес по рельсово-
му пути и дороге, динамической устойчивостью ходовой части транспорта
и пути. Исключается при использовании линейных двигателей и буксова-
ние колес электрического транспорта.
Одна из возможных конструктивных схем сочленения линейного
двигателя с рельсовым транспортным средством показана на рис. 121. Ли-
нейный двигатель, укрепленный на тележке 3 подвижного состава, имеет
конструкцию с двусторонним статором 1. Вторичным элементом является
укрепленная между рельсами полоса 2. Напряжение на статор двигателя
подается с помощью скользящих контактов. Известны также конструкции
линейных двигателей, где вторичным элементом являются рельс или эле-
менты несущей конструкции. Такие схемы характерны, в частности, для
монорельсовых пассажирских и грузовых дорог и механизмов передвиже-
ния кранов.
В качестве примера на рис. 122 показан отечественный линейный
двигатель, сконструированный для монорельсовой дороги. Этот двигатель
имеет двусторонний статор 1 с обмоткой 2, внутри которого находится
вторичный элемент в виде полосы 3. Статор двигателя перемещается по
полосе с помощью несущих роликов 5. Ролики 4 служат для взаимной
фиксации статора и вторичного элемента в горизонтальном направлении.
Этот двигатель имеет следующие технические данные: максимальная сила
тяги — 3800 Н, скорость двигателя - 37 км/ч, номинальный ток — 200 А, ко-
эффициент полезного действия - 50 %,коэффициент мощности - 0,4. Дви-
гатель питается от трехфазной сети переменного тока частотой 50 Гп и на-
пряжением 380 В
На рис. 123 показан пример использования линейных асинхронных
двигателей для механизмов транспортировки грузов различных изделий.
Конвейер, предназначенный для перемещения сыпучего материала 1 из
бункера 2, имеет металлическую ленту 3, укрепленную на барабанах 4.
Металлическая лента проходит внутри статоров 5 линейного двигателя,
являясь вторичным элементом. Применение линейного двигателя в этом
210
6-1. Анализ конструкций и применения линейных электродвигателей
для адаптивной системы подачи бурового станка
случае позволяет снизить предварительное натяжение ленты и устранить
ее проскальзывание, повысить скорость и надежность работы конвейера.
Рис. 121. Сочленение линейного двигателя
с транспортным средством
Рис. 122. Линейный двигатель
для монорельсовой дороги
Большой интерес представляет использование линейного двигателя
для машин ударного действия, например сваезабивных молотов, приме-
няемых при дорожных работах и строительстве. Конструктивная схема та-
кого молота показана на рис. 124. Статор линейного двигателя 1 распола-
гается на стреле молота 2 и может перемещаться по направляющим стрелы
в вертикальном направлении с помощью лебедки 3. Ударная часть молота
4 является одновременно вторичным элементом двигателя. Для подъема
ударной части молота двигатель включается таким образом, чтобы бегу-
щее поле было направлено вверх. При подходе ударной части к крайнему
верхнему положению двигатель отключается и ударная часть опускается
вниз на сваю под действием силы тяжести. В некоторых случаях двигатель
ие отключается, а реверсируется, что позволяет увеличить энергию удара.
По мере заглубления сваи статор двигателя перемещается вниз с помощью
лебедки.
Электрический молот прост в изготовлении, не требует повышенной
точности изготовления деталей, нечувствителен к изменению температуры
и может вступать в работу практически мгновенно.
Широкое распространение получает линейный двигатель и в легкой
промышленности, в частности, в текстильном производстве. Примером ис-
пользования линейного двигателя в текстильной промышленности являет-
ся привод челнока или прокладчика нити ткацкого станка. Идея такого
применения линейных двигателей основывается на принципиальной воз-
можности органического объединения функций челнока и вторичного эле-
мента линейного двигателя.
Одна из возможных принципиальных схем ткацкого стайка показана
иа рис. 125. Система электропривода образована двумя цилиндрическими
211
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
статорами 1 и 2, снабженными концевыми амортизаторами 3. Вторичным
элементом является легкий алюминиевый прокладчик 4 с захватом для ни-
ти, который перемещается из одного статора в другой по направляющему
каналу 5.
Рис. 123. Линейный двигатель
для транспортеров
Рис. 124. Линейный двигатель
для сваезабивного молота
Рис. 125. Линейный двигатель для ткацких станков
При нахождении прокладчика в статоре I устройство управления 6
подает напряжение на этот статор таким образом, что образовавшееся бе-
гущее магнитное поле выталкивает прокладчик из статора. Прокладчик по
направляющему каналу перелетает в другой статор, прокладывая нить, и
тормозится там с помощью работающего в тормозном режиме статора 2 и
амортизатора 3. Затем устройство управления переключает статор 2 для
образования бегущего поля в направлении статора 1, а сам статор 1 - в
тормозной режим. Цикл перемещения прокладчика повторяется.
212
6-1. Анализ конструкций и применения линейных электродвигателей
для адаптивной системы подачи бурового станка
Ткацкие станки, выполненные по этому принципу, отличаются высо-
кой производительностью, простотой автоматизации и удобством в обслу-
живании.
В настоящее время многие отечественные организации и заводы разра-
батывают и серийно выпускают линейные асинхронные двигатели (табл. 32,
33), среди них: двигатели мощностью от нескольких ватт до 660 кВт со
скоростями движения от 1,4 до 42 м/с для систем транспорта; двухстатор-
ные тяговые двигатели мощностью от 5 до 1000 кВт со скоростью движе-
ния 8,4- 11,2 м/с для промышленного транспорта и различных производст-
венных механизмов; одностаторные тяговые двигатели для транспорта
мощностью 26, 120 и 660 кВт со скоростью движения соответственно 10,
25,2 и 33.6 м/с: тяговые двигатели с использованием рельса в качестве вто-
ричного элемента; линейные микродвигатели переменного и постоянного
тока для привода машин легкой промышленности и для самопишущих из-
мерительных приборов.
В табл. 32 приведены технические данные цилиндрических линей-
ных асинхронных двигателей, используемых в безредукторном приводе-
толкателе со скоростью движения штока 0,45 м/с.
Таблица 32
Технические данные цилиндрических линейных асинхронных двшателей
Тип привода- толкателя Номинальное усилие, Н Ход штока, м Время хода, с Полезная МОЩНОСТЬ, В1
ПТЛ-75 750 0,15 0,33 330
ЛТЛ-150 1500 0,25 0,56 660
ПТЛ-300 3000 0,3 0,67 1320
ПТЛ-100 1000 0,12 0,27 441
ПТЛ-200 2000 0,2 0,4 880
ПТЛ-600 6000 0,4 0,89 2640
Для привода слитковозов в прокатном производстве разработаны ли-
нейные асинхронные двигатели, технические данные которых приведены в
табл. 33.
Таблица 33
Технические данные линейных асинхронных двш ателей
Тип двигателя Мощность, кВт Скорость бегу- щего поля, м/с Среднее пусковое усилие, Н КПД, % Масса, кг
ЛАД 1 40 12 450 64 690
ЛАД 2 40 18 600 63 700
ЛАДЗ 120 12 1100 70 870
213
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
Наряду с асинхронными линейными двигателями применяются ли-
нейные двигатели постоянного тока. Они чаще всего используются для по-
лучения небольших перемещений рабочих органов и обеспечения при этом
высокой точности и значительных пусковых усилий. Кроме того, линей-
ные двигатели постоянного тока (как и двигатели вращательного движе-
ния) позволяют при необходимости просто регулировать скорость движе-
ния рабочих органов. Рассмотрим примеры применения этих двигателей.
На рис. 126 показана схема привода продольного хода стола плоско-
шлифовального станка с использованием линейного двигателя постоянно-
го тока. На столе I станка расположен вторичный элемент (якорь) 2 двига-
теля. Ток к обмоткам якоря подводится через коллектор 3 и щетки 4, уста-
новленные на станине 5 станка. На станине по всей длине хода якоря рас-
положены полюсы двустороннего статора 6, при этом станина является
одновременно и магнитопроводом двигателя.
На рис. 127 показана еще одна конструктивная схема линейного дви-
гателя постоянного тока, который применяется для перемещения промыш-
ленных изделий. Этот двигатель по существу представляет собой двига-
тель постоянного тока с полым цилиндрическим якорем, разрезанный по
образующей и развернутый в плоскость.
Рис. 126. Линейный двигатель
для шлифовального станка
Рис. 127. Линейный двигатель
для транспортировки изделий
Подвижная часть двигателя - якорь - состоит из немагнитного остова 1
и укрепленной на нем обмотки 2 якоря, которая может быть выполнена из
изолированного обмоточного провода или изготовлена из медной фольги
путем ее травления. Ширина витков обмотки в направлении движения, как
и в обычных двигателях постоянного тока, близка к полюсному делению
(т. е. расстоянию по окружности между полюсами магнитной системы дви-
гателя).
214
6-1. Анализ конструкций и применения линейных электродвигателей
для адаптивной системы подачи бурового станка
Токоподвод к обмотке осуществляется с помощью коллектора 3
и щеток 4. На станине двигателя 5 крепится комплект полюсов 6 с обмот-
ками возбуждения 7, размещенных в ряд по направлению движения якоря.
Другими частями магнитопровода двигателя являются стальные сердечни-
ки 8 и сама станина, выполненная также из ферромагнитного материала.
Якорь двигателя вместе со столиком 9 для крепления перемещаемого
изделия 10 движется по неподвижным опорам 11 так, что его плоскости
с обмотками все время находятся в зазоре между сердечниками 8 и полю-
сами 6.
На принципе работы линейного двигателя основано действие специ-
альных насосов для перекачки электропроводящих жидкостей и в том чис-
ле жидких металлов. Такие насосы, часто называемые магнитогидроднна-
мическими, широко применяются в металлургии для транспортировки, до-
зировки и перемешивания жидкого металла, а также на атомных электро-
станциях для перекачки жидкометаллического теплоносителя.
Магнитогидродинамические насосы
(МГД-насосы) могут быть постоянного или
переменного тока. Конструктивная схема
МГД-насоса постоянного тока показана на
рис. 128. Первичным элементом - статором
двигателя является С-образный электромаг-
нит 1 (для упрощения рисунка его обмотка
возбуждения не показана). В воздушный за-
зор электромагнита помещается трубопро-
вод 2 с жидким металлом. С помощью элек-
Рис. 128. Магнитогвдродинамиче-
ский насос постоянного тока
тродов 3, приваренных к стенкам трубопро-
вода, через жидкий металл пропускается по-
стоянный ток от внешнего источника. Часто
обмотка возбуждения включается последо-
вательно в цепь электродов 3.
При возбуждении электромагнита на металл в зоне прохождения по-
стоянного тока начинает действовать электромагнитная сила аналогично
тому, как она действовала на проводник с током, помешенным в магнитное
поле (рис. 128). Под действием этой силы металл начнет перемещаться по
трубопроводу, причем направление его движения просто определить по
известному правилу левой руки. Один из выполненных МГД-насосов этого
типа имеет следующие данные: потребляемая мощность составляет 625 кВт,
ток — 250000 А, напряжение - 2,5 В, КПД 62,5 %. Насос обеспечивает
транспортировку жидкого натрия при температуре 800 °C со скоростью
12,4 м/с по каналу сечением 53х 15,2 см2. Номинальный расход насоса
215
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
3670 м3/ч при напоре 39 Н/см2. Преимуществами МГД-насосов являются
отсутствие движущихся механических частей и возможность герметизации
канала транспортировки металла.
Принцип линейного двигателя используется при разработке реактив-
ных плазменных двигателей космических ракет. Модель такого плазмен-
ного двигателя можно также изобразить с помощью схемы, приведенной
на рис. 128, где место жидкого металла заняла плазма - высокотемпера-
турный (400 °C и более) ионизированный и поэтому токопроводящий газ.
Электроэнергию для работы такого двигателя предполагается получить с
помощью ядерного реактора.
В последние годы все шире используются синхронные линейные
двигатели. Основной областью применения этих двигателей, где их пре-
имущества проявляются особенно сильно, считается высокоскоростной
электрический транспорт. Дело в том, что по условиям нормальной экс-
плуатации такого транспорта необходимо иметь сравнительно большой
воздушный зазор между подвижной частью и вторичным элементом.
Асинхронный линейный двигатель имеет при этом очень низкий коэф-
фициент мощности (cos <р), и его применение оказывается экономически
невыгодным. Синхронный линейный двигатель, напротив, допускает на-
личие относительно большого воздушного зазора между статором и вто-
ричным элементом и работает при этом с costp, близким к единице.
Следует при этом отметить, что при-
менение синхронных линейных двигателей
в высокоскоростном транспорте сочетает-
ся, как правило, с так называемой магнит-
ной подвеской вагонов и применением
сверхпроводящих магнитов и обмоток воз-
буждения, что позволяет повысить ком-
фортабельность движения и экономические
показатели работы подвижного состава.
конкретные примеры ис-
пользования линейных синхронных двига-
телей для транспорта. На рис. 129 показана
схема путепровода и вагона электропоезда
со скоростью движения 400-500 км/ч,предназначенного для перевозки 100
пассажиров. Тяговый синхронный линейный двигатель имеет электромаг-
нитное возбуждение с использованием сверхпроводящих магнитов.
Обмотка возбуждения 1 состоит из ряда катушек, равномерно укреп-
ленных под днищем вагона 5. В криогенной системе охлаждения обмоток
используется жидкий гелий. Плоская трехфазная обмотка переменного то-
б ч г 531
Рис. 129. Линейный синхронный
двигатель для привода
подвижного состава
216
6-1. Анализ конструкций и применения линейных электродвигателей
для адаптивной системы подачи бурового станка
ка 2 уложена в бетонное полотно дороги и питается от трехфазного инвер-
тора, преобразующего напряжение постоянного тока в трехфазное напря-
жение переменного тока (здесь кратко рассмотрен принцип действия ин-
вертора). С помощью инвертора осуществляются пуск, изменение скоро-
сти движения и торможение поезда. Номинальный ток обмотки составляет
250 А; длина секции обмоток, одновременно включаемых на напряжение,
5 км. Номинальная мощность двигателя составляет 5,2 МВт, номинальное
тяговое усилие - 40 кН, cos <р = 0,92, коэффициент полезного действия 72 %.
Путепровод 6 представляет собой бетонное полотно шириной 3,7 м, пло-
ский характер поверхности которого выбран с целью снижения накопле-
ния льда и снега.
Вагон подвешивается над полотном дороги на высоте 15 см с помо-
щью специальной системы магнитной подвески. Эта система состоит из
удлиненных сверхпроводящих электромагнитов 3, расположенных по кра-
ям днища вагона, и плоских алюминиевых полос 4, укрепленных в полотне
дороги. Принцип работы системы магнитной подвески основывается на
действии электродинамических сил, возникающих при взаимодействии по-
токов сверхпроводящих электромагнитов 3 на борту вагона и вихревых то-
ков, наведенных в алюминиевых полосах 4.
Расчеты показали, что при использовании магнитной подвески масса
вагона оказывается на 20 т меньше, чем при системе подвески на воздуш-
ной подушке. Для обеспечения поперечной устойчивости поезда при его
движении применяется специальная система стабилизации. Она преду-
сматривает укладку дополнительной обмотки (на рисунке не показана)
вдоль оси дорожного полотна и основана на взаимодействии токов в этой
обмотке с полем тяговых электромагнитов. Разработанная система элек-
трической тяги с применением описанного выше синхронного линейного
двигателя отличается хорошими эксплуатационными показателями, однако
для ее работы необходима укладка обмоток в полотно дороги, что удоро-
жает изготовление системы и усложняет ее обслуживание, особенно при
значительной протяженности дороги.
В связи с этим были разработаны конструкции линейных синхрон-
ных двигателей, которые не требуют укладки обмоток в железнодорожное
полотно. К их числу относятся линейные синхронные двигатели с так на-
зываемым униполярным возбуждением и когтеобразными полюсами. Дви-
гатели того и другого исполнения были использованы для привода 50-тонного
состава со скоростью движения 480 км/ч. Двигатели имеют следующие па-
раметры: номинальная мощность — 1340 кВт, тяговое усилие - 106 Н, час-
тота напряжения переменного тока - 350 Гц. Расчетное значение коэффи-
циента мощности равно 1, а коэффициента полезного действия 91—96 %
217
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
Масса двигателей при зазоре между составом и вторичным элементом в 1,5
см не превышает 4 т.
3 На рис. 130 показана конст-
Рис. 130. Линейный синхронный
двигатель с униполярным возбуждением
руктивиая схема синхронного ли-
нейного двигателя с униполярным
возбуждением. Двигатель имеет два
статора 1, установленных на под-
вижной части состава. Бегущее маг-
нитное поле создается с помощью
обмоток 2, подключаемых к сети
переменного тока. Статоры соеди-
няются магиитопроводом 3. иа ко-
тором расположена обмотка унипо-
лярного возбуждения 4. Эта обмотка
создает постоянный по направлению
магнитный поток Фп, который про-
низывает ферромагнитный вторич-
ный элемент 5, укладываемый в пу-
тепровод.
Взаимодействие бегущего магнитного поля с намагниченным вто-
ричным элементом создает силу тяги подвижного состава. Сопоставление
линейных синхронных двигателей с униполярным возбуждением и когте-
образными полюсами с асинхронным линейным двигателем на то же тяго-
вое усилие показало, что последний имеет худший коэффициент мощности
(около 0,6), более низкий КПД (около 80 %) и большую массу иа единицу
мощности двигателя.
Электромагнитный расчет линейного электродвигателя
Реализация технологического процесса значительной части про-
мышленных механизмов осуществляется путем использования поступа-
тельного движения рабочего органа, которое в традиционном приводе с
электродвигателями вращательного типа может быть получено при введе-
нии в систему электропривода необходимого промежуточного кинемати-
ческого звена. Это существенно ограничивает как быстродействие, так и
технологические возможности производственной установки.
Для ряда длиниоходовых производственных механизмов (лазерных
технологических комплексов, машин термической резки и др.), требующих
высокого быстродействия при обеспечении широких пределов регулиро-
вания скорости перемещения рабочих органов, наиболее целесообразным
является использование линейных двигателей постоянного тока индуктор-
218
6.1. Анализ конструкций и применения линейных электродвигателей
для адаптивной системы подачи бурового станка
кого типа (ЛДПТ ИТ). При этом конструктивные особенности последних
позволяют одновременно обеспечить выполнение ими функпий как двига-
теля, так и движителя (рис. 131).
Рис. 131. Схема линейного двигателя
постоянного тока индукторного типа
Вторичная часть А двигателя состоит из общей ферромагнитной по-
лосы /, на которой в шахматном порядке расположены формирующие ос-
новное магнитное поле полюсные выступы 2 и 3. Первичная часть Б двига-
теля состоит из двух рядов постоянных магнитов 9, 8, объединенных об-
щим ярмом 10. Непосредственно на постоянных магнитах с помощью не-
магнитной крепящей конструкции 11 располагаются зубцы 5, 6, в пазах
между которыми размещаются секции обмотки якоря 7.
В данной конструкции ЛДПТ ИТ отсутствует ярмо якоря, так как
зубцовая зона формируется установкой отдельно изготовленных зубцов 6
прямо на постоянных магнитах 8, 9. Этим обусловлено резкое ограничение
величины магнитного потока реакции якоря и соответственно обеспечива-
ется возможность реализации многократной перегрузочной способности
двигателя по току с целью получения высокого быстродействия.
Особенности расчета основных параметров ЛДПТ ИТ обусловлены
тем, что его рабочие характеристики должны в максимальной степени соот-
ветствовать рабочим характеристикам определенного механизма, что требует
обеспечения заданного значения тягового усилия, скорости и ускорения ли-
нейного двигателя при минимальных его массогабаритных показателях.
В качестве исходной формулы для выполнения дальнейших расчетов
принимается выражение для определения числа проводников параллель-
ной ветви обмотки якоря:
219
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
N
«вРЛЛ+РДЛа’
где С„ - номинальное напряжение якоря, В; AL/K — падение напряжения в
коммутирующих устройствах. В; щ коэффициент полюсного перекры-
тия; Pg — магнитная индукция в рабочем воздушном зазоре. Тл; L& — актив-
ная длина проводника обмотки якоря, м; Кн — номинальная скорость двига-
теля, м/с; р - удельное сопротивление меди, Ом-мм2/м; Ln — длина полу-
витка обмотки якоря, м; Да - плотность тока обмотки якоря, А/мм2.
Из данного выражения следует, что электродвижущая сила (ЭДС)
параллельной ветви ЛДПТ ИТ Еа = 7Vaaspg£6KB, а падение напряжения в це-
пи якоря двигателя JaRB = Аар£„Да , где /а — гок обмотки якоря; /?а - сопро-
тивление цепи его обмотки.
Для вращательных двигателей постоянного тока эти величины в
среднем можно принять на уровне Еа = 0,9 UH, IJia = 0,1 UB. Используя при-
нятые значения применительно к линейным двигателям, определяем
Еа
7а/?а Аар£Да ’ н’
тогда скорость
Таким образом, для линейных двигателей принятые допущения при-
емлемы только в зоне высоких скоростей. Безредукторные же линейные
электроприводы, как правило, рассчитываются на малые скорости посту-
пательного перемещения (до 0,5 м/с). Поэтому ЛДПТ ИТ ориентированы
на низкие скорости, а величина падения напряжения на якоре возрастает
многократно (до 0.7 (/н), чем объясняется «мягкость» их механических ха-
рактеристик, соответственно ухудшаются и параметры, определяющие ди-
намику линейного электропривода: сопротивление якоря, индуктивность
обмотки якоря, постоянные времени. Следовательно, возникает необходи-
мость разработки такой методики расчета линейного двигателя постоянно-
го тока, которая дала бы возможность определения параметров, обеспечи-
вающих заданные значения тягового усилия, линейной скорости и быстро-
действия.
Основными исходными данными для проектирования линейного
двигателя являются: лгмех - масса перемещаемого механизма или груза, кг;
ау — величина ускорения, м/с2; Г'„ - номинальная скорость перемеще-
ния, м/с.
220
6-1. Анализ конструкций и применения линейных электродвигателей
для адаптивной системы подачи бурового станка
Затруднение при определении тягового усилия на начальном этапе
проектирования заключается в невозможности (при учете массы самого
двигателя) обеспечения заданного ускорения заданной массе механизма и
груза. С учетом имеющегося опыта проектирования и полученных экспе-
риментальных данных, расчетное тяговое усилие определяется из соотно-
шений.
Тяговое усилие ЛДПТ ИТ находится из условий равновесия сил
Г,= F„ +
где — динамическая составляющая тягового усилия; Fr - сила статиче-
ского сопротивления подвижной части.
Динамическая составляющая, обеспечивающая всей массе поступа-
тельно движущихся частей заданное ускорение, определяется как массой
механизма (груза), так и массой самого линейного двигателя:
•^*дин Шыех Gy + 1П№ Gy.
Отсюда масса ЛДПТ ИТ является функцией величины тягового усилия
тдв = F F„
где /с”’ — коэффициент, определяемый выбранной конструкцией ЛДПТ ИТ и
электромагнитными нагрузками, находится в пределах 0,05—0,1 кг/Н.
Для промышленных установок, рабочий орган которых не имеет си-
лового контакта с обрабатываемым материалом (лазерные технологиче-
ские комплексы, машины термической резки и др.), сила статического со-
противления определяется суммой сил, создаваемых как массой механиз-
ма, так и двигателя:
К = Fc. мех + Fca.
Здесь
^с. мех ^мех §к7р,
Fоп^-тр,
где g - ускорение свободного падения. м/с“; kip — коэффициент трения;
Fon - сила одностороннего магнитного притяжения, Н, Fon = konFa; kotl - ко-
эффициент, учитывающий конструктивную схему ЛДПТ ИТ.
В линейных двигателях, в отличие от вращательных машин, сила од-
ностороннего магнитного притяжения в значительной мере влияет на ве-
личину /уд, особенно в односторонних конструкциях, где кОП = 8... 10 при ве-
личине магнитной индукции в рабочем воздушном зазореВ&= 0,65.. .0,75 Тл.
221
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
С учетом изложенного расчетное тяговое усилие ЛДПТ ИТ опреде-
ляется как
д l-kmgk -k k -k"a '
тр on тр у
Ряд производственных механизмов работает в основном в повторно-
кратковременном режиме. Тогда номинальное тяговое усилие линейного
двигателя, с учетом перегрузочной способности у„, после соответствую-
щих преобразований составляет
F m^a,+m^gKp
* y..-k-gk,p-kmkTp-k’"ay'
Анализ данного выражения показывает, что оно имеет физический
смысл при знаменателе, не равном нулю. Исходя из этого, можно опреде-
лить коэффициент перегрузки по тяговому усилию, соответствующий за-
данному ускорению:
(?„ -*'”g*Tp~konkTp -*"яу)>0,
у„>Г'г*тр-*„лр-*Ч-
Находим диапазон ускорений, соответствующий тяговому усилию
ЛДПТ ИТ в функции у„:
a < 7„-к”Жг
Отсутствие в известных методиках расчета ЛДПТ ИТ аналитических
выражений, связывающих g с параметрами линейного двигателя, обеспе-
чивающими его быстродействие, потребовало внесения ряда существен-
ных изменений и дополнений в основы расчета рассматриваемых линей-
ных машин. Суть предлагаемого подхода к электромагнитному расчету
линейных двигателей с высокой перегрузочной способностью состоит в
том, что на основе анализа его механических характеристик в алгоритм
расчета вводится понятие расчетного значения линейной скорости двига-
теля Ир. соответствующего заданному значению Ин.
Как видно механические характеристики ЛДПТ ИТ V=fiF) опреде-
ляют взаимосвязь линейной скорости двигателя с развиваемым им тяговым
усилием (рис. 132).
222
6-1. Анализ конструкций и применения линейных электродвигателей
для адаптивной системы подачи бурового станка
где кЕ — коэффициент пропорциональности (кЕ = С^Фс) для ЭДС линейного
двигателя Еа = кЕ У, и его электромагнитного тягового усилия. F = кЕ
СЕ — конструктивный коэффициент, СЕ = NI2avy а - число пар параллель-
ных ветвей обмотки якоря; Фб - величина основного магнитного потока,
Фб ~ a&B&L&T.
Рис, 132. Механические характеристики ЛДПТ ИТ F= /(F)
На рисунке точки Иор, представляют скорости идеального холо-
стого хода расчетной и естественной механических характеристик, а точки
Ир, У„ представляют расчетную и номинальную скорости. Здесь же FH. Fmax,
Fy - точки номинального тягового усилия ЛДПТ ИТ. максимального тяго-
вого усилия при 10 и максимального тягового усилия в режиме задан-
ной перегрузки.
В результате анализа этих механических характеристик получены
аналитические выражения, которые в дальнейшем используются в элек-
тромагнитном расчете ЛДПТ ИТ без необходимости построения соответ-
ствующих графических зависимостей:
7 = 1/ __________
max он у
Предложенный подход применим к расчету линейного двигателя по-
стоянного тока индукторного типа.
223
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
Индуктивность линейного электродвигателя
В целях увеличения индуктивности катушек, уменьшения их физи-
ческих размеров, а также достижения других качеств витки катушек нама-
тываются на магнитопроводы различной конструкции, изготовленные из
ферромагнитных сплавов или ферритов с различными магнитными свойст-
вами.
Обычно свойства магнитопроводов описываются их внешними ста-
тическими и динамическими характеристиками.
Статические характеристики
Рассмотрим свойства катушки, витки которой намотаны равномерно
по периметру тонкостенного тороидального магнитопровода радиусом г.
Свойства такого магиитопровода и материала, из которого ои изготовлен,
совпадают. Пусть исходное состояние материала соответствует полному
размагничиванию (В = О, И = 0). Если теперь по виткам катушки пропус-
кать постоянный ток /, постепенно увеличивая его, то под действием на-
пряженности внешнего магнитного поля Н = /1о/2лг материал магнитопро-
вода начнет намагничиваться так, что зависимость В(Н) опишет некоторую
кривую (рис. 133, а), называемую кривой первоначального намагничивания.
В зависимости от магнитных свойств материала, его намагничен-
ность, начиная с некоторых значений напряженности внешнего маг-
нитного поля Н, практически не изменяется. Эта область называется обла-
стью технического насыщения. Если теперь уменьшать значение постоян-
ного тока, а затем и изменить его направление, то зависимость В (Н) опи-
шет характеристику, близкую к предельной статической петле гистерезиса.
По характеру предельной статической петли гистерезиса все магнит-
ные материалы делятся на две группы: магиитомягкие и магнитожесткие.
Это различие в основном обусловлено существенно различной коэрцитив-
ной силой Нс. Магиитожесткие материалы имеют большое значение коэр-
цитивной силы и используются главным образом для изготовления посто-
янных магнитов. Поэтому ниже будут рассмотрены свойства только маг-
иитомягких материалов.
Различают два типа магиитомягких материалов: материалы, намаг-
ниченность которых иосит обратимый характер, и материалы, намагни-
ченность которых носит в основном необратимый характер. В соответст-
вии с этим иа практике и используются каждое из данных свойств.
Магнитомягкие материалы, обладающие свойствами необратимого
изменения намагниченности, используются главным образом в устройст-
вах памяти ЭВМ. Обратимые свойства в таких материалах слабо выраже-
224
6.1. Анализ конструкций и применения линейных электродвигателей
для адаптивной системы подачи бурового станка
ны и остаточная индукция Вт может составлять 90 - 98 % индукции техни-
ческого насышення.
Рис. 133. Статическая характеристика ферромагнитного материала.
a — первоначальное намагничивание; б — однополярное намагничивание;
в намагничивание по симметричным частным циклам
Применение магнитомягких материалов, обладающих в основном
обратимыми свойствами намагничивания, различается двумя режимами:
импульсного намагничивания и намагничивания при синусоидальной на-
пряженности внешнего поля. И в том и в другом случае, как правило, ис-
пользуется та часть характеристики намагничивания, которая близка к ли-
нейной. В импульсном режиме такие магнитомягкие материалы обычно
работают в режиме однополярного намагничивания (рис. 133. б). Намагни-
чивание при синусоидальной напряженности внешнего поля происходит
почти всегда по симметричным частным циклам (рис. 133, в). И в том и
другом случае свойства материала приближенно можно охарактеризовать
относительной магнитной проницаемостью (рис. 133, б):
Ц,Л
или (рис. 133, в)
ц,.
Мо-2Я|й
Так как рассмотренные выше статические характеристики относятся
к тонкостенным магнитопроводам, то статические характеристики толсто-
стенных магнитопроводов следует описывать их внешними характеристи-
225
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
ками, дающими связь между средней индукцией в магнитопроводе и зна-
чением напряженности магнитного поля на средней линии. Внешние ста-
тические характеристики толстостенных магнитопроводов определяются
наложением статических характеристик элементарных слоев.
Динам ические характеристики
В общем случае свойства катушки с магнитопроводом в дина-
мическом режиме описываются нелинейным дифференциальным уравне-
нием высокого порядка
определяющим связь между током, протекающим по катушке, и напряже-
нием, приложенным к ее зажимам. Внешние характеристики связи между
током и напряжением обусловлены многочисленными микро- и макропро-
цессами. происходящими в магнитопроводе и зависящими как от режима
его намагничивания, так и от его электромагнитных свойств и геометриче-
ских размеров.
Обычно в простейших режимах намагничивания удается без замет-
ного ущерба для количественных результатов пренебречь теми или иными
электродинамическими свойствами магнитопровода и получить приемле-
мые для практических целей зависимости i(u) При синусоидальном на-
магничивании хорошие результаты дают различные методы линеаризации
электродинамических свойств магнитопроводов путем введения понятия
комплексной проницаемости:
В этих случаях катушку с магнитопроводом можно представить эк-
вивалентной схемой замещения в виде последовательного или параллель-
ного соединения резистора и индуктивности. Наличие резистора в эквива-
лентной схеме катушки с магнитопроводом физически обусловлено нали-
чием гистерезиса, магнитной вязкости и поверхностного эффекта. Если
этими явлениями можно пренебречь, то схема замещения катушки с маг-
нитопроводом будет представлять собой индуктивность, которая не зави-
сит от частоты. Так как эквивалентная схема замещения катушки с магни-
топроводом в этом случае не зависит от частоты намагничивающего поля,
то она будет справедлива и при импульсном намагничивании.
Если явлениями магнитного гистерезиса, вязкости и поверхностного
эффекта пренебречь нельзя, то эквивалентная схема замещения катушки с
магнитопроводом при импульсном намагничивании становится сложной.
226
6-1. Анализ конструкций и применения линейных электродвигателей
для адаптивной системы подачи бурового станка
Для ее упрощения в каждом конкретном случае необходимы дополнитель-
ные исследования.
В приведенных ниже методах и результатах расчета параметров ка-
тушек с магнитопроводами, если не сделано специальных оговорок, влия-
ние магнитного гистерезиса, вязкости и поверхностного эффекта ие учи-
тывается.
Индуктивности намагничивания и рассеяния
Представим себе замкнутый ферромагнитный магиитопровод, иа ко-
тором расположена катушка, содержащая to витков. Если по виткам ка-
тушки течет ток i, то вокруг иее возникает магнитное поле, которое можно
характеризовать магнитными силовыми линиями.
Часть силовых линий полностью замыкается по магнитопроводу и
является общей для всех витков катушки. Магнитное потокосцепление с
витками катушки, обусловленное этими силовыми линиями, называется
потокосцеплением намагничивания •!*„. Для ферромагнитных сердечников,
изготовленных из изотропного и однородного материала с постоянной
магнитной проницаемостью р. = const, отношение потокосцепления намаг-
ничивания %, к току в катушке i при отсутствии всех видов потерь в маг-
иитопроводе является постоянным и называется индуктивностью намаг-
ничивания:
Другая часть магнитных силовых линий охватывает один виток,
часть витков или все витки катушки, замыкаясь частично или целиком по
воздуху. Потокосцепление с витками катушки, обусловленное этими сило-
выми линиями, называется потокосцеплением рассеяния *Рр, а его отноше-
ние к току катушки называется индуктивностью рассеяния:
Строгий количественный расчет индуктивностей намагничивания и
рассеяния является сложной задачей математической физики и сводится к
расчету трехмерного магнитного поля с соблюдением граничных условий
иа поверхности раздела магнитопровода и воздуха. В общем случае индук-
тивности намагничивания и рассеяния определяются электромагнитными
свойствами магиитопровода, его конструкцией, способом размещения вит-
ков катушки и режимом намагничивания.
227
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
Для большинства практических задач индуктивность рассеяния зна-
чительно меньше индуктивности намагничивания. Поэтому в дальнейшем,
если не будет сделано специальных оговорок, индуктивностью рассеяния
будем пренебрегать или рассчитывать ее приближенное значение как ин-
дуктивность катушки без магнитопроводов.
синусоидальным током.
Рис. 134. Кольцевой
магнитопровод
Катушки индуктивности с замкнутым магнитопроводом
Замкнутые магнитопроводы позволяют максимально использовать
магнитные свойства материалов, из которых они изготавливаются. Так как
магнитные свойства материалов проявляются весьма разнообразным обра-
зом и зависят от многих причин, то для количественного расчета значений
индуктивностей необходимо принять определенные допущения.
Ниже рассмотрены способы учета влияния формы магнитопровода и
магнитного гистерезиса на параметры катушки в режиме намагничивания
Для того чтобы рассмотреть в чистом виде
влияние формы магнитопровода на параметры
катушки, примем, что он представляет собой
кольцевой сердечник (рис. 134), изготовленный
из материала с постоянной относительной маг-
нитной проницаемостью /1, и все виды потерь
в нем отсутствуют. Напряженность поля на оди-
наковом расстоянии г от оси симметрии такого
магнитопровода одинакова:
//= «« = «
2тгг J-l,)-!,,
и магнитный поток в нем равен
D
. I Г nJ zco/jp. . D
Ф = h I Bdr =--^-Чп—,
а 2л d
2
где d, D - внутренний и внешний диаметры.
Следовательно, индуктивность катушки без учета индуктивности
рассеяния
i 2л d
В случае тонкостенного сердечника (d —> D) с площадью поперечно-
го сечения Sc ~ h(D d)!2
228
6.1. Анализ конструкций и применения линейных электродвигателей
для адаптивной системы подачи бурового станка
г ,7с
L =(О У------.
TiD
Следовательно, влияние толщины кольца на индуктивность ка-
тушки определяется отношением размеров наружного и внутреннего диа-
метров магнитопровода
, 1п-
_£ =___d
^-1'
d
Если выражение для расчета индуктивности катушки переписать
в виде
D + 1 InD
i = Ш2 -------у- = ш2
‘ср ------1 2 'ср
d
то можно определить влияние формы магнитопровода коэффициентом
формы:
——^- + 1 111-^5-
} ^вн ^вн
Данный коэффициент в общем случае является функцией отношения
наружного и внутреннего периметров 77н и Пв„.
Влияние магнитного гистерезиса
На рис. 135 представлена характеристика магнитопровода, изготов-
ленного из материала, имеющего петлю гистерезиса. Петля гистерезиса
магнитопровода В(Н) определяется зависимостью среднего значения ин-
дукции В = Ф/5С в магнитопроводе от напряженности магнитного поля на
его средней линии:
Н = ™,
где 5С - площадь поперечного сечения магнитопровода; /ср - длина сред-
ней линии в магнитопроводе.
229
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
Петля гистерезиса магнитопровода определяется экспериментально.
Наличие петли гистерезиса при синусоидальном намагничивании приво-
дит к потерям энергии в магнитопроводе.
Полное потокосцепление с обмоткой катушки состоит из двух со-
ставляющих: потокосцепления рассеяния и потокосцепления намагничи-
вания. Учитывая это обстоятельство, реальную катушку можно предста-
вить в виде последовательного соединения индуктивности рассеяния Lp ре-
зистивного сопротивления обмотки г0 так называемой идеальной катушки
(рис. 136, а). Свойства идеальной катушки зависят только от электромаг-
нитных свойств магнитопровода и количества витков обмотки.
Для анализа идеальной индуктивности удобно петлю гистерезиса
магнитопровода заменить эквивалентным эллипсом. Направление обхода
петли гистерезиса и эквивалентного эллипса указано на рис. 135.
Рис. 135. Замена петли гистерезиса
сердечника эквивалентным эллипсом
Рис. 136. Катушка с магнитопрово-
дом в цепи переменного тока: а
идеальная катушка: б - полная экви-
валентная схема замещения; в раз-
новидность эквивалентной схемы
катушки
Уравнение эквивалентного эллипса в параметрической форме можно
записать в виде
sin со/;
230
6.2. Разработка адаптивного электромагнитного механизма подачи
рабочего органа бурового станка на основе линейного двигателя постоянного тока
где В,,. и Нт — максимальные значения индукции и напряженности магнит-
ного поля в магнитопроводе; 6,, — угол потерь энергии в магнитопроводе.
Так как индукция и напряженность магнитного поля изменяются по
синусоидальному закону, то для расчета катушки можно воспользоваться
комплексным методом. Полное комплексное сопротивление идеальной ка-
тушки
Z-U« - -/юш2ф _ ScBm =
I Н11Г Н1ср црнт
= <о<о2 sinI mxo2 cosSr +
где ги, £и - активное и индуктивное сопротивления катушки.
Полная эквивалентная схема замещения катушки приведена на рис.
136, б. На рнс. 136, 6 показана другая, часто встречающаяся разновидность
эквивалентной схемы катушки, в которой
.'Х<п£и)2.
со!,,
Использование для расчета параметров катушки экспериментально
определенной петли гистерезиса магнитопровода автоматически учитыва-
ет влияние его формы и электромагнитные свойства материала.
6.2. Разработка адаптивного
электромагнитного механизма подачи
рабочего органа бурового станка
на основе линейного двигателя постоянного тока
Конструктивная схема устройства
Разработанный вращательно-подающий механизм бурового станка с
линейным электродвигателем (рис. 137) включает два основных элемента:
устройство для вращения и устройство для линейного перемещения буро-
вого става.
При работе установки необходимы вращающее 3 и вертикально-
подающее устройство 7. Вращающую часть выполняет роль двигателя по-
231
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
стоянного тока, а подающую - линейный двигатель. Эти два элемента со-
единены жестко между собой, что дает вращение в вертикальной плоско-
сти и перемещение вдоль нее. Соленоид 9 используется как втягивающее и
стабилизирующее устройство, предотвращающее движение бурового става
в горизонтальном направлении.
Рис. 137. Схема лабораторного эксперимен-
тального стенда электромагнитного враща-
тельно-подающего устройства: 1 стакан; 2 -
подшипник: 3 двигатель подачи: 4 соеди-
нительная муфта; 5 — щетки коллектора; 6 —
коллектор; 7 вергикально-подающий эле-
мент; 8 вертикально-задающий элемент; 9
соленоид; 10 гнездо установки в шарошку
Для запитки системы используется источник постоянного тока с по-
вышенным значением. Регулирование силы подачи производится путем
232
6.2. Разработка адаптивного электромагнитного механизма подачи
рабочего органа бурового станка на основе линейного двигателя постоянного тока
изменения величины тока. Если подать минимальное значение тока на по-
дающее устройство, то сила втягивания будет незначительной, что. в свою
очередь, при прохождении шарошки через твердую породу снижает веро-
ятность быстрого износа или выхода ее из строя.
При подаче номинального тока получается максимальное усилие и
степень вращения бурового става.
Узлы стенда и их описание
Во вращательно-подающем механизме использован принцип двига-
теля постоянного тока. Свойства двигателей постоянного тока существен-
но зависят от того, как изменяется их магнитный поток с изменением на-
грузки на валу. Эта зависимость определяется схемой включения их обмо-
ток возбуждения. Различают двигатели параллельного (шунтовые), после-
довательного (сериесные), смешанного (компаундные) возбуждений
В данном случае изучается двигатель параллельного возбуждения,
который часто включают по схеме, представленной на рис. 138. Как видно
на рис. 138, его обмотку возбуждения Ш1 Ш2 включают в сеть постоянно-
го напряжения параллельно обмотке якоря Я1 Я2. Важной особенностью
двигателя параллельного возбуждения является то, что его ток возбужде-
ния не зависит от механической нагрузки двигателя:
где U — напряжение сети, В; гв - сопротивление двигателя, Ом.
Если не учитывать некоторого изменения магнитного потока Ф
вследствие реакции якоря, то при /в = const можно считать Ф = const.
На практике, например, в электроприводах прокатных станов ис-
пользуют и другую схему включения двигателя параллельного возбужде-
ния: обмотку возбуждения и обмотку якоря двигателя питают от разных
источников постоянного напряжения. Это делают для того, чтобы иметь
возможность независимо регулировать напряжение на зажимах якоря. При
такой схеме включения двигателя ток возбуждения 1я также не зависит от
момента на валу двигателя.
Устройство машин постоянного тока (генераторов и двигателей) в
упрощенном виде показано на рис. 139. К стальному корпусу I статора
машины прикреплены главные 2 и дополнительные 4 полюса. На главных
полюсах расположена обмотка возбуждения 8, на дополнительных — об-
мотки дополнительных полюсов 3 и 5. Обмотка возбуждения создает маг-
нитный поток Ф машины.
233
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
На валу 10 двигателя закреплен цилиндрический магиитопровод б, в
пазах которого расположена обмотка якоря 7. Секции обмотки якоря при-
соединены к коллектору 9. К нему же прижимаются пружинами непод-
вижные щетки 8. Закрепленный на валу двигателя коллектор состоит из
ряда изолированных от него и друг от друга медных пластин. С помощью
коллектора и щеток осуществляется соединение обмотки якоря с внешней
электрической цепью. Кроме того, у двигателей они служат для преобразо-
вания постоянного по направлению тока внешней цепи в изменяющийся
по направлению ток в проводниках обмотки якоря.
Рис. 138. Двигатель постоянного тока
параллельного возбуждения
Рис. 139. Устройство двигателя
Дополнительные полюса с расположенной иа иих обмоткой умень-
шают искрение между щетками и коллектором машины. Обмотку допол-
нительных полюсов соединяют последовательно с обмоткой якоря и иа
электрических схемах часто ие изображают. Разрез двигателя представлен
иарис. 139.
Для уменьшения потерь мощности магнитопровод якоря выполнен
из отдельных стальных листов. Все обмотки изготовлены из изолирован-
ного провода.
Кроме двигателей, имеющих два главных полюса, существуют ма-
шины постоянного тока с четырьмя и большим количеством главных по-
люсов. При этом соответственно увеличивается количество дополнитель-
ных полюсов и комплектов щеток.
Если двигатель включен в сеть постоянного напряжения, то при
взаимодействии магнитного поля, создаииого обмоткой возбуждения,
234
6.2. Разработка адаптивного электромагнитного механизма подачи
рабочего органа бурового станка на основе линейного двигателя постоянного тока
и тока в проводниках якоря возникает вращающий момент, действующий
на якорь:
М = км Ф /„
Е = ке-Ф-п,
где км — коэффициент, зависящий от конструктивных параметров машины;
Ф - магнитный поток одного полюса; /я — ток якоря.
Если момент двигателя при п = 0 превышает тормозящий момент,
которым нагружен двигатель, то якорь начнет вращаться. При увеличении
частоты вращения п возрастает индуцируемая в якоре ЭДС. Это приводит
к уменьшению тока якоря:
U-Е U-кеФп
(22)
где Е - ЭДС индуцируемое в якоре; гя - сопротивление якоря.
Следствием уменьшения тока 1К является уменьшение момента дви-
гателя. При равенстве моментов двигателя и нагрузки частота вращения
перестает изменяться.
Направление момента двигателя и, следовательно, направление вра-
щения якоря зависят от направления магнитного потока и тока в провод-
никах обмотки якоря. Чтобы изменить направление вращения двигателя,
следует изменить направление тока якоря либо тока возбуждения.
Из формулы (22) следует, что в первое мгновение после включения
двигателя в сеть постоянного напряжения, т. е. когда и = О и Е = ксФп = О
Так как сопротивление гя невелико, то ток якоря может в 10.. .30 раз
превышать номинальный ток двигателя, что недопустимо, поскольку при-
ведет к сильному искрению и разрушению коллектора. Кроме того, при та-
ком токе возникает недопустимо большой момент двигателя, а при частых
пусках возможен перегрев обмотки якоря.
Чтобы уменьшить пусковой ток в цепи якоря, включают пусковой
резистор, сопротивление которого по мере увеличения частоты вращения
двигателя уменьшают до нуля. Если пуск двигателя автоматизирован, то
пусковой резистор выполняют из нескольких ступеней, которые выключа-
ют последовательно по мере увеличения частоты вращения.
В лабораторной установке пуск двигателя осуществляется автомати-
чески в функции времени. Пусковой ток ограничивается резисторами гП и
гд. Таким образом, пусковой ток якоря
235
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
U
(23)
По мере разгона двигателя в обмотке якоря возрастает ЭДС, а как
следует из формулы (23). это приводит к уменьшению тока якоря 1Я. По-
этому по мере увеличения частоты вращения двигателя сопротивление в
цепи якоря уменьшают. В лабораторной установке это происходит сле-
дующим образом.
Чтобы при сравнительно небольшом пусковом токе получить боль-
шой пусковой момент, пуск двигателя осуществляют с наибольшим маг-
нитным потоком. Следовательно, ток возбуждения при пуске должен быть
максимально допустимым, т. е. номинальным.
В паспорте двигателя и справочной литературе на двигатели посто-
янного тока указаны следующие технические данные: номинальные на-
пряжение С/и, мошность Рк, частота вращения пИ. ток 1Н, КПД.
Под номинальным UH понимают напряжение, на которое рассчитаны
обмотка якоря и коллектор, а также в большинстве случаев и параллельная
обмотка возбуждения. С учетом номинального напряжения выбирают
электроизоляционные материалы двигателя.
Номинальный ток 1Н максимально допустимый ток (потребляемый
из сети), при котором двигатель нагревается до наибольшей допустимой
температуры, работая в том режиме (длительном, повторно-кратковре-
менном, кратковременном), на который рассчитан:
где 1Я„ — ток якоря при номинальной нагрузке; /вн - ток обмотки возбужде-
ния прн номинальном напряжении.
Следует отметить, что ток возбуждения /вн двигателя параллельного
возбуждения сравнительно мал, поэтому при номинальной нагрузке обыч-
но принимают
Номинальная мощность Рк это мощность, развиваемая двигателем
на валу при работе с номинальной нагрузкой (моментом) и при номиналь-
ной частоте вращения ин.
Частота вращения ян и КПД соответствуют работе двигателя с током
1„, напряжением UK без дополнительных резисторов в цепях двигателя.
В общем случае мощность на валу Р2, момент М и частота вращения
п связаны соотношением
236
6.2. Разработка адаптивного электромагнитного механизма подачи
рабочего органа бурового станка на основе линейного двигателя постоянного тока
_М-п
2 9550 ’
где М момент на валу двигателя,Н; п - частота вращения, об/мин.
Потребляемая двигателем из сети мощность Р\, величины Р2, КПД,
U, I связаны соотношениями:
=иц
где / = /я + 4-
Очевидно, что эти соотношения справедливы также и для номиналь-
ного режима работы двигателя.
Важнейшей характеристикой двигателя является механическая п(М).
Она показывает, как зависит частота вращения двигателя от развиваемого
момента. Если к обмоткам двигателя подведены номинальные напряжения
и отсутствуют дополнительные резисторы в его цепях, то двигатель имеет
механическую характеристику, называемую естественной. На естествен-
ной характеристике находится точка, соответствующая номинальным дан-
ным двигателя (Мн, Ря и т. д.). Если же напряжение на обмотке якоря
меньше номинального либо /в < /вн, то двигатель будет иметь различные
искусственные механические характеристики. На этих характеристиках
двигатель работает при пуске, торможении, реверсе и регулировании час-
тоты вращения.
Преобразовав вышеприведенные выражения относительно частоты
вращения, получим уравнение электромеханической характеристики и(/я):
„ = U = U— . (24)
к.Ф к.Ф кгФ
После замены в уравнении (24) тока Д получим уравнение механиче-
ской характеристики п(М):
При Ф = const электромеханическая и(/я) и механическая п(М) харак-
теристики двигателя параллельного возбуждения представляют собой
прямые линии. Так как за счет реакции якоря магнитный поток немного
изменяется, то характеристики в действительности несколько отличаются
от прямых.
237
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
Рис. 140. Способы
регулирования
При работе вхолостую (М = 0) двигатель имеет частоту вращения
холостого хода, определяемую первым членом уравнения (25). С увеличе-
нием нагрузки п уменьшается. Как следует из уравнения (25), это объясня-
ется наличием сопротивления якоря гя.
Поскольку гя невелико, то частота
вращения двигателя при увеличении мо-
мента изменяется мало, и двигатель имеет
жесткую естественную механическую ха-
рактеристику (рис. 140, характеристика 1).
Из уравнения (25) следует, что регу-
лировать частоту вращения при заданной
постоянной нагрузке (М = const) можно
гремя способами:
а) изменением сопротивления цепи
якоря;
б) изменением магнитного потока двигателя;
в) изменением напряжения на зажимах якоря.
Для регулирования частоты вращения первым способом в цепь якоря
должно быть включено добавочное сопротивление гд. Тогда сопротивление
в уравнении (25) необходимо заменить на гя + гя.
Как следует из уравнения (25), частота вращения п связана с сопро-
тивлением цепи якоря гя + гд при постоянной нагрузке (М = const) линей-
ной зависимостью, т. е. при увеличении сопротивления частота вращения
уменьшается. Разным сопротивлениям гд соответствуют различные искус-
ственные механические характеристики, одна из которых приведена на
рис. 140 (характеристика 2). С помощью характеристики 2 при заданном
моменте Ml можно получить частоту вращения л2.
Изменение частоты вращения вторым способом осуществляется с
помощью регулируемого источника напряжения С/рг- Изменяя напряжение
регулятором /?2, можно изменить ток возбуждения /в и тем самым магнит-
ный поток двигателя. Как видно из уравнения (25), при постоянной на-
грузке (М = const) частота вращения находится в сложной зависимости от
магнитного потока Ф. Анализ уравнения (25) показывает, что в некотором
диапазоне изменения магнитного потока Ф уменьшение последнего при-
водит к увеличению частоты вращения. Именно этот диапазон изменения
потока используют при регулировании частоты вращения.
Каждому значению магнитного потока соответствует искусственная
механическая характеристика двигателя, одна из которых приведена на
рис. 32 (характеристика 4). С помощью характеристики 4 при моменте
можно получить частоту вращения я4.
238
6.2. Разработка адаптивного электромагнитного механизма подачи
рабочего органа бурового станка на основе линейного двигателя постоянного тока
Чтобы регулировать частоту вращения изменением напряжения на
зажимах якоря, необходимо иметь относительно мощный регулируемый
источник напряжения. На лабораторном стенде напряжение на зажимах
якоря изменяется с помощью регулятора /?3 источника Ud3- Из уравнения
(25) следует, что частота вращения при постоянном моменте на валу ли-
нейно зависит от напряжения: при уменьшении напряжения частота вра-
щения снижается. Каждому значению напряжения соответствует искусст-
венная механическая характеристика двигателя, одна из которых приведе-
на на рис. 140 (характеристика 3). С помощью характеристики 3 при за-
данном моменте М] можно получить частоту вращения и3.
Поскольку у двигателя параллельного возбуждения /в = const и в
идеале Ф = const, то согласно выражениям (24) и (25). между током 1Я и
моментом М существует линейная зависимость, представленная на рнс. 141
прямой 1. Очевидно, что зависимость справедлива при любом сопротивле-
нии цепи якоря двигателя. Работе двигателя с различными сопротивления-
ми цепи якоря при одном и том же моменте, например М\, представленном
на рис. 141, соответствует одно и то же значение тока якоря Д,. Меньшему
значению тока возбуждения ZB (магнитного потока Ф) соответствует пря-
мая 2, представленная на рис. 141. В этом случае при том же значении мо-
мента, например Л/ь ток якоря имеет большее значение (/я2).
Прямая 1 на рис. 141 соответствует любым напряжениям на зажимах
якоря двигателя. Таким образом, при работе двигателя с различными на-
пряжениями на зажимах якоря одному и тому же моменту, например мо-
менту Л/, (рис. 141), соответствует один и тот же ток якоря (/я1).
Следует обратить внимание на то, что в реальных условиях при ра-
боте двигателей вхолостую (М 0) в обмотке якоря существует небольшой
ток холостого хода /хх. Он обусловлен наличием сил трения и потерь в ста-
ли магнитопровода якоря двигателя.
Коэффициент полезного действия является важнейшим показателем
двигателей постоянного тока: чем он больше, гем меньше мощность Р и
ток Z, потребляемые двигателем из сети при одной и той же механической
мощности. В общем виде зависимость имеет вид
Р Р
Т] = =------------2-----------, (26)
Л р2+дря+дрв+дрс+дрми1
где ДРЯ - потери в обмотке якоря, ЛРЯ - /я2гя; АРВ — потери в обмотке воз-
буждения, АРВ = АР( - потери в магнитопроводе якоря; АРмех — меха-
нические потери.
Потери мощности АРВ не зависят, а ДР( и АРмех мало зависят от на-
грузки двигателя.
239
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
Таким образом, зависимость цСР?) представляет собой весьма слож-
ную характеристику, так как с изменением Р2 в выражении (26) изменяются и
потери AF„. Параболическая зависимость ДР от Р2 и определяет характер
изменения ц от Р2. График зависимости х\{Рг), представленный на рис. 142,
получают на основании расчетных или опытных данных.
Рис. 141. Режим работы двигателя
Двигатели рассчитываются таким образом, чтобы максимальное зна-
чение КПД было в области, близкой к номинальной мошности. Эксплуата-
ция двигателей при малых нагрузках нежелательна вследствие малых зна-
чений гя. Значения КПД двигателей с различными способами возбуждения
и мощностью от 1 до 100 кВт при номинальной нагрузке разные и состав-
ляют в среднем 0,8.
Принцип работы соленоида
Соленоиды бывают различных типов: многовитковые многослойные
катушки, плоские и геликоидальные спирали, набранные из дисков и цель-
ноточеные из металлических прутков, одновитковые и др. По своему зна-
чению они делятся на два больших класса: соленоиды для получения ста-
ционарных магнитных полей, т. е. таких полей, которые могут по желанию
экспериментатора долго держаться при определенных фиксированных
значениях, и соленоиды для получения импульсных магнитных полей, су-
ществование которых возможно лишь в течение короткого времени (в об-
щем случае не более одной секунды). С помощью соленоидов первого типа
генерируются поля до 2,5 10э Э. Импульсные соленоиды позволяют полу-
чить поля до 5- 10б Э.
Принято поля в диапазоне 105-10ъ Э называть сильными, а свыше
10б Э - сверхсильными. Если во время получения поля соленоиды не де-
формируются и не сильно нагреваются, то поле в них пропорционально
240
6.2. Разработка адаптивного электромагнитного механизма подачи
рабочего органа бурового станка на основе линейного двигателя постоянного тока
протекающему току: Н = к{, где к - константа соленоида, которая поддает-
ся точному расчету.
Рассмотрим сначала соленоиды стационарного магнитного поля.
Они делятся, в свою очередь, на резистивные и сверхпроводящие.
Резистивные соленоиды изготавливаются из материалов, имеющих
электрическое сопротивление. Поэтому вся подводимая к ним непрерывно
энергия диссипируется в тепло. Во избежание теплового разрушения соле-
ноида это тепло необходимо отводить. Для отвода тепла используется во-
дяное или криогенное охлаждение, что требует дополнительной энергии,
подчас сравнимой с той, которая необходима для питания самого соленоида.
Сверхпроводящие соленоиды изготавливаются из сверхпроводящих
сплавов, электрическое сопротивление которых остается равным нулю при
температурах и полях проведения эксперимента. При работе сверхпрово-
дящего соленоида энергия выделяется лишь в подводящих проводах и ис-
точнике тока. Последнее вообще может быть исключено, если соленоид
работает в короткозамкнутом режиме, когда поле без потребления энергии
может существовать сколь угодно долго при сохранении условий сущест-
вования сверхпроводимости.
Установки для получения сильных магнитных полей состоят из трех
основных частей: источника постоянного тока, соленоида и системы охла-
ждения. При конструировании соленоида исходят из величины его внут-
реннего канала d, приемлемого для проведения опытов, и имеющейся
мощности источника тока W. Обычно значение d составляет 3-5 см. Встает
вопрос, как при этих заданных параметрах получить максимальное поле.
Эта задача решается точно.
Рассмотрим два практически важных случая. Пусть соленоид намо-
тан проводом, тонким по сравнению с размерами круглого каркаса, кото-
рый имеет прямоугольное осевое сечение. В этом случае ток будет равно-
мерно распределен по всему сечению обмотки. Поле в центре рабочего ка-
нала соленоида дается выражением
где X - коэффициент заполнения, равный отношению объема металличе-
ского проводника обмотки к объему, занимаемому всей обмоткой (X < 1);
р - удельное сопротивление проводника в Ом-см; g — коэффициент, зави-
сящий лишь от геометрии осевого сечения объема обмотки, т. е. от относи-
тельных размеров; d— внешний диаметр.
Максимальное значение поля достигается при g = 0,18. При прочих
равных условиях магнитное поле будет меньше.
241
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
Другая конструкция соленоида дает возможность более эффективно
использовать имеющуюся мощность, т. е. получить большее поле при той
же мощности и величине d. Он изготавливается из тонких, обычно медных
дисков, разрезанных один раз по радиусу. Диски электрически соединяют-
ся внахлест частью своей площади друг с другом, образуя геликоидальную
спираль. Между дисками располагается изоляция. Кроме того, диски по
многим радиусам имеют круглые или щелевые отверстия, которые при
сборке соленоида образуют вдоль его оси сквозные каналы для прокачки
охлаждающей жидкости.
Начало применению таких соленоидов было положено Френсисом
Биттером в конце 30-х гг. нашего столетия в США и поэтому они называ-
ются биттеровскими соленоидами. Легко видеть, что ток в биттеровском
соленоиде распределен по диску неравномерно: плотность тока j падает от
максимального значения на внутренней части диска с диаметром d к пе-
риферии по закону
7 = 7„^-£>>2r>t/. (27)
2г
Максимум поля в данном случае достигается при значении g = 0,21.
Есть и другие конструкции, в которых g достигает больших значе-
ний. Поэтому была решена и общая задача о нахождении такой геометрии
соленоида и распределения тока в нем, при которых достигалось бы пре-
дельно максимальное значение g. Ответ: g = 0,27.
Но эта величина, скорее, служит ориентиром для оценок, так как
практическая реализация такого соленоида невозможна, поскольку най-
денное значение достигается при довольно сложном распределении плот-
ности тока j по обмотке.
Для водоохлаждаемых соленоидов биттеровского типа дальнейшее
увеличение максимального поля Hq возможно лишь за счет увеличения
мощности источника тока. Но при этом должен возрастать перегрев соле-
ноида относительно охлаждающей жидкости. Это ограничивает макси-
мально достижимую величину Н(. для соленоидов стационарного поля: те-
пловыделение приводит к пленочному кипению охлаждающей жидкости
(образованию паровой прослойки между металлом и жидкостью), резкому
снижению теплосъема и катастрофическому повышению температуры соле-
ноида. Для воды это происходит при потоке мощности около 2000 Вт/см2.
Зная оптимальную площадь охлаждения соленоида, можно подсчитать
максимально снимаемую мощность. Подсчеты дают (при d = 3 см) мощ-
ность примерно 10 МВт и поле около 2-103 Э.
242
6.2. Разработка адаптивного электромагнитного механизма подачи
рабочего органа бурового станка на основе линейного двигателя постоянного тока
Если же уменьшить время работы соленоида так, что он не успеет
расплавиться, то максимальное поле будет ограничиваться другим факто-
ром - прочностью соленоида. Электромагнитное взаимодействие токов
приводит к двум силам. Одна из них — осевая - сжимает соленоид, другая -
тангенциальная растягивает по радиусу. Они могут привести к пластиче-
скому течению материала соленоида и к обрыву обмотки. Для чистой меди
предел по механической прочности достигается при Н = 2105. Для мате-
риалов типа бронзы и стали он в несколько раз больше Н (до 7105 Э). Это
используется для генерации импульсных магнитных полей.
Обратимся теперь к сверхпроводящим соленоидам. Как по часто
бывает, когда в какой-либо области техники после долгого и трудного пу-
ти решается сложная и важная задача, оказывается, что этого же результа-
та можно достичь более простым, экономичным и эффективным методом
Пример тому - получение сильных стационарных полей с помощью сверх-
проводящих соленоидов. Из многих замечательных свойств явления
сверхпроводимости используется основное: отсутствие ниже определен-
ной характерной температуры Тс (критическая температура) электрическо-
го сопротивления у ряда металлов и сплавов. Явление сверхпроводимости
было открыто в 1911 г. голландским физиком Камерлинг-Оннесом в об-
разцах ртути при Т = 4К. При температуре кипения жидкого гелия сверх-
проводимостью обладают также свинец РЪ (Тс = 7,2 К) и ниобий Nb (Тс = 9 К).
Это наивысшие значения Гс для элементов.
Сверхпроводимость позволяет изготовлять соленоиды, в которых не
происходит диссипация энергии при протекании тока. Но получаемое при
этом поле ограничивается тем обстоятельством, что это же поле при дос-
тижении определенного значения Нс (критическое поле) разрушает сверх-
проводимость и сопротивление восстанавливается. Критическое поле уве-
личивается при уменьшении температуры от нуля при Тс до максимально-
го значения при Т —* О °К. Для чистых металлов это значение невелико:
у РЬ ~ 800 Э, у Nb ~ 2000 Э. В 50-х гг. были открыты сплавы металлов, у
которых Тс были в диапазоне 10-20 К. Но главное - они обладали колос-
сальными критическими полями. Технология получения этих сплавов и из-
готовление из них материалов для обмоток соленоидов сложна и трудоем-
ка. Поэтому соленоид из них не является дешевым изделием. Но эксплуа-
тация таких устройств проста и дешева, так как для этого требуются лишь
жидкий гелий и низковольтный источник тока малой мощности (в боль-
шинстве случаев не более 1 кВт). Конструкции соленоидов — это катушки,
намотанные из композиционных материалов (из сверхпроводника и меди)
в виде одножильных и многожильных проводов, шин и лент.
243
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
В данной работе исследуется простой резистивный соленоид, пред-
ставленный на рис. 143.
Рис. 143. Магнитное поле соленоида
При прохождении постоянного электрического тока по проводнику,
намотанному на катушку создается поле, которое при взаимодействии с
металлическим сердечником создает подачу, направленную вдоль магнит-
ных линий.
Для изменения направления подачи достаточно сменить полярность.
Для увеличения силы втягивания необходимо подать больше тока на соле-
ноид.
Модернизация системы вращения
Для увеличения хода бурового става необходимо, чтобы напряжение
подходило не на щетки двигателя, а на его статор. В этом случае подходит
бесколлекторный двигатель постоянного тока (БД).
Этот тип двигателя создан с целью улучшения свойств электродвига-
телей постоянного тока. Высокие требования к исполнительным механиз-
мам (в частности, высокооборотных микроприводов точного позициони-
рования) обусловили применение специфических двигателей постоянного
тока: бесколлекторных трехфазных двигателей постоянного тока (БДПТ
или BLDC). Конструктивно они напоминают синхронные двигатели пере-
менного тока, когда магнитный ротор вращается в шихтованном статоре с
трехфазными обмотками. Но обороты являются функцией от нагрузки и
напряжения на статоре. Эта функция реализована с помощью переключения
обмоток статора в зависимости от координат ротора. БДПТ существуют в ис-
полнении с отдельными датчиками на роторе и без отдельных датчиков.
В качестве отдельных датчиков применяются датчики Холла. Если
выполнение осуществляется без отдельных датчиков, то в качестве фикси-
244
6.2. Разработка адаптивного электромагнитного механизма подачи
рабочего органа бурового станка на основе линейного двигателя постоянного тока
рующего элемента выступают обмотки статора. При вращении магнита ро-
тор наводит в обмотках статора ЭДС, в результате чего возникает ток. При
выключении одной обмотки измеряется н обрабатывается сигнал, который
был в ней наведен. Этот алгоритм требует процессор обработки сигналов
Для торможения и реверса БДПС не нужна мостовая схема реверса пита-
ния. Для этого достаточно подавать управляющие импульсы на обмотки
статора в обратной последовательности.
В вентильном двигателе (ВД) индуктор находится на роторе (в виде
постоянных магнитов), а якорная обмотка - на статоре (синхронный двига-
тель). Напряжение питания обмоток двигателя формируется в зависимости
от положения ротора. Если в двигателях постоянного тока для этой цели
использовался коллектор, то в вентильном двигателе его функцию выпол-
няет полупроводниковый коммутатор (датчик положения ротора (ДПР) с
инвертором).
Основным отличием ВД от синхронного двигателя является его са-
мосинхронизация с помощью ДПР, в результате чего у ВД частота враще-
Рис. 144. Бесксллекторный
электродвигатель
имеет традиционную
и похож на статор
машины Он состоит
ния поля пропорциональна частоте вращения ротора.
На рис. 144 представлена кон-
струкция бесколлекторного элек-
тродвигателя.
Статор
конструкцию
асинхронной
из корпуса, сердечника из электро-
технической стали и медной обмот-
ки, уложенной в пазы по периметру
сердечника. Количество обмоток
определяет количество фаз двигате-
ля. Для самозапуска и вращения
достаточно двух фаз — синусной и
косинусной. Обычно ВД трёхфаз-
ные, реже - четырёхфазные.
По способу укладки витков в обмотки статора различают двигатели.
имеющие обратную электродвижущую силу трапецеидальной (BLDC) и
синусоидальной (PMSM) формы. По способу питания фазный электриче-
ский ток в соответствующих типах двигателя также изменяется трапецеи-
дально или синусоидально.
Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и
имеет обычно от двух до восьми пар полюсов с чередованием северного и
южного полюсов.
245
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
Вначале для изготовления ротора использовались ферритовые маг-
ниты. Они распространены и дёшевы, но им присущ недостаток в виде
низкого уровня магнитной индукции. Сейчас получают популярность маг-
ниты из сплавов редкоземельных элементов, так как они позволяют полу-
чить высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.
Датчик положения ротора (ДПР) реализует обратную связь по поло-
жению ротора. Его работа может быть основана на разных принципах -
фотоэлектрическом, индуктивном, на эффекте Холла и т. д. Наибольшую
популярность приобрели датчики Холла и фотоэлектрические, так как они
практически безынерционны и позволяют избавиться от запаздывания в
канале обратной связи по положению ротора.
Фотоэлектрический датчик в классическом виде содержит три не-
подвижных фотоприёмника, которые поочерёдно закрываются шторкой,
вращающейся синхронно с ротором. Это показано на рис. 144. Двоичный
код, получаемый с ДПР, фиксирует шесть различных положений ротора.
Сигналы датчиков преобразуются управляющим устройством в комбина-
цию управляющих напряжений, которые управляют силовыми ключами
так, что в каждый такт (фазу) работы двигателя включены два ключа и к
сети подключены последовательно две из трёх обмоток якоря. Обмотки
якоря U, V, W расположены на статоре со сдвигом на 120° и их начала и
концы соединены так, что при переключении ключей создаётся вращаю-
щееся магнитное поле.
Система управления содержит силовые ключи, часто тиристоры или
силовые транзисторы с изолированным затвором. Из них собирается ин-
вертор напряжения или инвертор тока. Система управления ключами
обычно реализуется на основе использования микроконтроллера (рис. 145).
Наличие микроконтроллера требует большого количества вычислительных
операций по управлению двигателем.
Принцип работы ВД основан на том, что контроллер ВД коммутиру-
ет обмотки статора так, чтобы вектор магнитного поля статора всегда был
ортогонален вектору магнитного поля ротора. С помощью широтно-
импульсной модуляции (ШИМ) контроллер управляет током, протекаю-
щим через обмотки ВД. т. е. вектором магнитного поля статора, и таким
образом регулируется момент, действующий на ротор ВД. Знак у угла ме-
жду векторами определяет направление момента, действующего на ротор.
Коммутация производится так, что поток возбуждения ротора - Фо
поддерживается постоянным относительно потока якоря. В результате
взаимодействия потока якоря и возбуждения создаётся вращающий мо-
мент Л/, который стремится развернуть ротор так, чтобы потоки якоря и
возбуждения совпали, но при повороте ротора под действием ДПР проис-
246
6.2. Разработка адаптивного электромагнитного механизма подачи
рабочего органа бурового станка на основе линейного двигателя постоянного тока
ходит переключение обмоток и поток якоря поворачивается на следующий
шаг.
Рис. 145. Разрез двигателя с микроконтроллером
В этом случае и результирующий вектор тока будет сдвинут и не-
подвижен относительно потока ротора, что и создаёт момент на валу дви-
гателя.
В двигательном режиме работы МДС статора опережает МДС ротора
на угол 90°, который поддерживается с помощью ДПР. В тормозном ре-
жиме МДС статора отстаёт от МДС ротора, угол 90° также поддерживает-
ся с помощью ДПР.
Контроллер ВД регулирует момент, действующий на ротор, меняя
величину ШИМ
В отличие от шёточного электродвигателя постоянного тока, комму-
тация в ВД осуществляется и контролируется с помощью электроники.
Распространены системы управления, реализующие алгоритмы ши-
ротно-импульсного регулирования и широтно-импульсной модуляции при
управлении ВД.
Система, обеспечивающая самый широкий диапазон регулирования
скорости, имеется у двигателей с векторным управлением. С помощью
преобразователя частоты осуществляется регулирование скорости двига-
теля и поддержание потокосцепления в машине на заданном уровне.
Особенность регулирования электропривода с векторным управле-
нием заключается в том. что контролируемые координаты, измеренные в
неподвижной системе координат, преобразуются к вращающейся системе
координат, из них выделяется постоянное значение, пропорциональное со-
ставляющим векторов контролируемых параметров, по которым осущест-
247
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
вляется формирование управляющих воздействий, далее происходит об-
ратный переход.
Недостатком этих систем является сложность управляющих и функ-
циональных устройств для широкого диапазона регулирования скорости.
В последнее время этот тип двигателей быстро приобретает попу-
лярность, проникая во многие отрасли промышленности, и находит при-
менение в различных сферах использования: от бытовых приборов до
рельсового транспорта.
ВД с электронными системами управления часто объединяют в себе
лучшие качества бесконтактных двигателей и двигателей постоянного тока.
К их достоинствам относятся:
• широкий диапазон изменения частоты вращения:
• бесконтактность и отсутствие узлов, требующих техобслуживания;
• возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде;
• большая перегрузочная способность по моменту;
• высокие энергетические показатели (КПД более 90 %);
• большой срок службы, высокая надёжность и повышенный ресурс
работы за счёт отсутствия скользящих электрических контактов.
К их недостаткам можно отнести:
• относительно сложную систему управления двигателем;
• высокую стоимость двигателя, обусловленную использованием
дорогостоящих постоянных магнитов в конструкции ротора.
6.3. Разработка рабочего органа бурового станка
с электромагнитной системой подачи постоянного тока
К числу недостатков существующих вращательно-подающих меха-
низмов буровых станков относится: жесткая связь системы «механизм по-
дачи - буровой став - буровой инструмент» [26-29], что обусловливает
инерционность и сложность в управлении режимами процесса бурения
скважин. При изменении крепости пород или при необходимости быстро
изменить режим работы существующие вращательно-подающие механиз-
мы не позволяют быстро оперировать рабочими характеристиками из-за
большого количества элементов в технологической цепи. Это двигатель,
насос, рабочая жидкость, шток в гидроцилиндре, канаты и полиспасты,
вращатель, редуктор, буровой став, буровой инструмент и другие элементы.
В связи с этим процесс изменения режима подачи бурового става яв-
ляется медленным и недостаточно точным, что приводит к преждевремен-
ному выходу из строя различных элементов вращательно-подающего ме-
248
6.3. Разработка рабочего органа бурового станка
с электромагнитной системой подачи постоянного тока
ханизма, бурового инструмента и станка в целом. Кроме того, раздельные
механизмы вращения и подачи усложняют конструкцию станка. Отмечен-
ные недостатки особенно усугубляют применение указанных вращательио-
подающих механизмов при бурении сложноструктуриых пород по причине
быстрого износа бурового инструмента.
Известны вращательио-подающие механизмы шпиндельного типа с
цепно-реечной подачей [120]. К числу недостатков таких механизмов
можно отнести: сложность управления большим количеством механиче-
ских элементов и инерционность изменения рабочего режима бурового
станка. Недостатком цепной передачи является наличие большого количе-
ства звеньевых соединений, не способных передавать достаточно большие
усилия и крайне плохо переносящих ударные нагрузки. Кроме того, такой
механизм является громоздким и сложным. Значительная запыленность
при бурении вызывает бытрый износ цепной передачи. Большое количест-
во механических элементов приводит к необходимости частого и дорого-
стоящего ремонта. Отмеченные недостатки ограничивают применение ука-
занных вращательно-подающих механизмов при бурении сложнострук-
туриых пород по причине быстрого износа бурового инструмента и меха-
нических элементов.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является
принятый за прототип вращательио-подающий механизм шпиндельного
типа с торцевым расположением вращателя и канатно-полиспастной пода-
чей [121].
Основной недостаток прототипа заключается в том, что длинная и
упругая канатная связь канатно-полиспастной системы ие позволяет доста-
точно быстро изменять режим бурения. Данная система ие дает возможно-
сти передавать достаточно большое подающее усилие, а также содержит
большое количество механических элементов, требующих технического
обслуживания и ремонта.
Основными задачами разработки рабочего органа бурового станка с
электромагнитной системой подачи в забой скважины являются повыше-
ние эффективности работы бурового станка при бурении взрывных и тех-
нологических скважии. в том числе при проходке сложноструктурных по-
род с различными физико-механическими свойствами, а также увеличение
срока службы бурового инструмента за счет повышения эффективности и
увеличения скорости регулирования рабочих режимов в процессе бурения.
Поставленные задачи достигаются тем, что подача бурового става
осуществляется за счет взаимодействия обмотки возбуждения с силовой
статорной обмоткой, создавая основное подающее усилие, и адаптивной
статорной обмоткой, одновременно создавая дополнительную подачу и ком-
249
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
пенсируя мгновенные ударные нагрузки за счет ограниченной свободы
вращения роторов. Обмотки возбуждения имеют четырехполюсную на-
мотку и расположены внутри секции бурового става так, что одноименные
полюса расположены вдоль всей секции вращательно-подающего меха-
низма с ее противоположных сторон и запитаны через коллектор от источ-
ника постоянного тока.
Витки проводника с током силовой статорной обмотки, взаимодей-
ствующие с магнитным полем обмотки возбуждения, уложены в соленоид,
огибающий окружность бурового става с обмоткой возбуждения так, что
проводники соленоида прилегают к двум одноименным магнитным полю-
сам обмотки возбуждения, образуя минимальный рабочий воздушный за-
зор. а от двух других одноименных магнитных полюсов проводники соле-
ноида удалены, образуя значительный воздушный зазор, ослабляющий
взаимодействие полей в данных четвертях обмотки возбуждения и соле-
ноида.
Витки проводника с током адаптивной статорной обмотки, взаимо-
действующие с магнитным полем обмотки возбуждения, уложены двухпо-
люсной намоткой в два немагнитных ротора, по седловидной образующей,
охватывающей четверть окружности бурового става, образуя рабочий воз-
душный зазор так, что одна половина работающего витка каждого ротора
максимально приближена к одноименным полюсам обмотки возбуждения,
а другая находится с обратной стороны роторов.
Витки проводника с током адаптивной статорной обмотки, взаимо-
действующие с магнитным полем обмотки возбуждения и уложенные
двухполюсной намоткой в два немагнитных ротора, одновременно создают
подачу и компенсируют мгновенные ударные нагрузки за счет ограничен-
ной свободы вращения роторов.
Устройство поясняет кинематическая схема вращательно-подающего
механизма (рис. 146). Вращательно-подающий механизм содержит: элек-
тродвигатель 1, редуктор 2, ши ино-зубчатую муфту 3, опорный узел 4, бу-
ровой став 5, направляющие 6, адаптивную статорную обмотку, уложен-
ную в немагнитные роторы 7. силовую статорную обмотку 8, буровой ин-
струмент 9, находящийся в скважине 10.
Устройство силовой статорной обмотки поясняет схема, представ-
ленная на рис. 147. Витки проводника с током силовой статорной обмотки
4, взаимодействующие с магнитным полем обмотки возбуждения, уложе-
ны в соленоид, огибающий окружность бурового става 1 с обмоткой воз-
буждения 3, проложенной в магнитопроводе 2 таким образом, что провод-
ники соленоида прилегают к двум одноименным магнитным полюсам об-
мотки возбуждения, образуя минимальный рабочий воздушный зазор, а от
250
6.3. Разработка рабочего органа бурового станка
с электромагнитной системой подачи постоянного тока
двух других одноименных магнитных полюсов они удалены, образуя зна-
чительный воздушный зазор.
Рис. 146. Кинематическая схема
вращательно-подающего механизма
с линейным приводом
Рис. 147. Устройство силовой статорной
обмотки линейного двигателя
Устройство адаптивной статорной обмотки поясняет схема (рис. 148).
Витки проводника с током адаптивной статорной обмотки 5 взаимодейст-
вуют с магнитным полем обмотки возбуждения 3, имеющей четырехпо-
люсную намотку и проложенной в магнитопроводе 2. Витки проводника
251
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
с током адаптивной статорной обмотки 5 уложены двухполюсной намот-
кой в два немагнитных ротора 4 по седловидной образующей, охватываю-
щей четверть окружности бурового става 1, образуя рабочий воздушный
зазор так, что одна половина работающего витка каждого ротора макси-
мально приближена к одноименным полюсам обмотки возбуждения, а дру-
гая находится с обратной стороны роторов. Каждый ротор имеет вал 6, ко-
торый закреплен в подшипниковую опору 7.
Рис. 148. Устройство адаптивной статорной обмотки линейного двигателя
Устойчивый режим работы вращательно-подающего механизма, т. е.
создание подачи без перебоев, обеспечивается при соблюдении следующе-
го условия: подача бурового става осуществляется за счет взаимодействия
обмотки возбуждения с силовой статорной обмоткой, создавая основное
подающее усилие, и адаптивной статорной обмоткой, одновременно созда-
вая дополнительную подачу и компенсируя мгновенные ударные нагрузки
за счет ограниченной свободы вращения роторов.
Подача осуществляется по закону Ампера за счет взаимодействия
тока в проводниках силовой статорной обмотки и адаптивной статорной об-
мотки с магнитным полем (рис. 149), наводимым обмоткой возбуждения:
252
6.3. Разработка рабочего органа бурового станка
с электромагнитной системой подачи постоянного тока
F = 4/BLn-sina,
где I — ток в проводнике соленоида; В - величина магнитной индукции, на-
водимой током в проводниках обмотки возбуждения 1; L — длина сектора
соленоида, равная длине четверти окружности по радиусу Rs\ п - число
витков соленоида; а — угол поворота линий магнитной индукции
а = 90 - arcsin^ cos45°/r).
В = рр0Я,
где р - магнитная проницаемость среды, р0 = 4 107 Гн/м.
h=HkR,
где I - ток в обмотке возбуждения 1, л = 3,14.
Рис. 149. Взаимодействие тока в проводниках силовой статорной обмотки
и адаптивной статорной обмотки с магнитным полем в лниейном двигателе
Оптимизация конструктивных и кинематических параметров заклю-
чается в том, что обмотки возбуждения расположены внутри секции буро-
253
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
вого става, соединяющейся конической резьбой с другими секциями, что
позволяет наращивать длину бурового става по мере углубления скважи-
ны. Витки проводника с током адаптивной статорной обмотки, взаимодей-
ствующие с магнитным полем обмотки возбуждения и уложенные двухпо-
люсной намоткой в два немагнитных ротора, одновременно создают пода-
чу и компенсируют мгновенные ударные нагрузки за счет ограниченной
свободы вращения роторов. Величина подачи и скорость вращения враща-
тельно-подающего механизма регулируются изменением тока и напряже-
ния с возможностью автоматического регулирования.
Для повышения эффективности работы вращательно-подающего ме-
ханизма витки проводника с током силовой статорной обмотки, взаимо-
действующие с магнитным полем обмотки возбуждения, уложены в соле-
ноид, имеющий форму, огибающую буровой став с обмоткой возбуждения
так. что к двум одноименным магнитным полюсам обмотки возбуждения
проводники соленоида прилегают плотно, образуя рабочий воздушный за-
зор, а от двух других одноименных магнитных полюсов удалены, образуя
значительный воздушный зазор, ослабляющий взаимодействие полей в
данных четвертях обмотки возбуждения и соленоида. В конструкции эле-
ментов адаптивной статорной обмотки половина работающего витка каж-
дого ротора максимально приближена к одноименным полюсам обмотки
возбуждения, а другая находится с обратной стороны ротора. Роторы адап-
тивной статорной обмотки изготовлены из иемагиитиого материала
Таким образом, предложение о применении электромагнитной сис-
темы подачи бурового става сводится к следующим позициям.
1. Во вращательио-подающем механизме шпиндельного типа станка
щарощечного бурения, содержащем электродвигатель, обеспечивающем
вращение бурового става через редуктор и щинио-зубчатую муфту, подача
бурового става осуществляется за счет взаимодействия обмотки возбужде-
ния с силовой статорной обмоткой, создавая основное подающее усилие, и
адаптивной статорной обмоткой, одновременно создавая дополнительную
подачу и компенсируя мгновенные ударные нагрузки за счет ограниченной
свободы вращения роторов.
2. Обмотки возбуждения двигателя имеют четырехполюсиую намот-
ку и расположены внутри секции бурового става таким образом, что одно-
именные полюса расположены вдоль всей секции вращательно-подающего
механизма с ее противоположных сторон и запитаны через коллектор от
источника постоянного тока.
3. Витки проводника с током силовой статорной обмотки, взаимо-
действующие с магнитным полем обмотки возбуждения, уложены в соле-
ноид, огибающий окружность бурового става с обмоткой возбуждения так,
254
6.4. Определение силовых параметров
электромагнитного привода подачи постоянного тока
что проводники соленоида прилегают к двум одноименным магнитным
полюсам обмотки возбуждения, образуя минимальный рабочий воздуш-
ный зазор, а от двух других одноименных магнитных полюсов проводники
удалены, образуя значительный воздушный зазор, ослабляющий взаимо-
действие полей в данных четвертях обмотки возбуждения и соленоида.
4. Витки проводника с током адаптивной статорной обмотки, взаи-
модействующие с магнитным полем обмотки возбуждения, уложены двух-
полюсной намоткой в два немагнитных ротора по седловидной образую-
щей, охватывающей четверть окружности бурового става, образуя рабочий
воздушный зазор так, что одна половина работающего витка каждого ро-
тора максимально приближена к одноименным полюсам обмотки возбуж-
дения. а другая находится с обратной стороны роторов.
6.4. Определение силовых параметров
электромагнитного привода подачи постоянного тока
В данной работе произведены расчеты электромеханических харак-
теристик установки, связанные с изменением конструктивных параметров
силовой статорной обмотки. Все расчеты производили в программе
AN SYS, которая позволила теоретически определить создаваемое усилие,
распределение векторов сил и зон наибольшего взаимодействия.
Расчеты выполнены с вариацией следующих параметров:
изменения числа витков соленоида при сохранении конструктивных
размеров;
изменения активной длины силовой статорной обмотки;
изменения величины тока в силовой статорной обмотке.
Установление зависимости создаваемого усилия подачи
от числа витков статорной обмотки
При проведении расчетов были заданы конструктивные параметры
элементов установки, такие как длина центральной обмотки возбуждения,
длина статорной обмотки, внутренний и внешний диаметр. Все параметры,
кроме числа витков, оставались неизменными. В результате моделирова-
ния процесса была определена зависимость усилия подачи от числа вит-
ков Число витков изменялось от 0 до 3000.
На рис. 150 показаны векторы направления полей и их силовые па-
раметры, обозначенные в правой части рисунка цветовыми и цифровыми
значениями, изображен условный разрез части обмотки возбуждения и
255
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
статорной обмотки. Для приведения значений на всю статорную обмотку
их необходимо умножить на 500.
Рис. 150. Графическое изображение распределения
полей и их силовых характеристик
В табл. 34 приведены рассчитанные значения зависимостиF^—
Таблица 34
Рассчи1анные показании силовых характеристик двигатели
Число витков, п 0 200 500 648 1000 2000 3000
Сила Ампера, Н 0 730 9500 5500 4500 710 1000
Рис. 151. График зависимости Га=/(пв)
После определения числовых значений параметров был построен
график зависимости, представленный на рис. 151, который показывает, что
наибольшее усилие дает число витков, равное 500.
256
6.4. Определение силовых параметров
электромагнитного привода подачи постоянного тока
Это связано с тем, что, изменяя количество витков при неизменных
размерах обмотки, мы изменяем также диаметр провода, а, следовательно,
активное сопротивление обмотки и ток, протекающий в витках. При
количестве витков, равном 500, мы имеем оптимальное сочетание этих
параметров.
Проведение данного расчета недостаточно для определения необхо-
димой конструкции силовой статорной обмотки, поэтому произведены
расчеты других параметров.
Установление зависимости создаваемого усилия подачи
от изменения длины силовой статорной обмотки
Для проведения расчета был задан воздушный зазор между обмотками
в 1 мм, при этом длина статорной обмотки изменялась от 100 мм до 500 мм.
В результате расчетов была построена зависимость FA= (табл. 35.
рис. 152).
Таблица 35
Значения усилий при изменении длины зазора
Длина обмотки, мм 0 100 200 300 400 500
Усилие подачи, Н 0 740 1162 4060 12086 20750
25000
Рис. 152. График зависимости усилия подачи
от длины статорной обмотки
При снятии параметров учитывался тот фактор, что число витков в
статорной обмотке, примененной в установке, равно 648 шт. Электриче-
257
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
ские параметры обмотки программа задает автоматически, исходя из кон-
структивных параметров. Варьируя длину обмотки от 0 до 500 мм. можно
сделать вывод, что с силой Ампера зависимость у нее прямая Поскольку
длина обмотки иа установке составляет 100 мм, то значение силы состав-
ляет 740 Н. При дальнейшем увеличении наблюдается резкое увеличение
усилия подачи.
Установление зависимости создаваемого усилия подачи
от тока в силовой статорной обмотке
Поскольку используемая программа ие имеет возможности задавать
значения тока в проводнике и условно принимает коэффициент заполне-
ния поперечного сечения обмотки, равный единице, то было решено варь-
ировать плотностью тока в обмотке:
г =75,
где / - ток, протекающий по проводнику; S - сечение проводника.
В результате были получены значения и построен график зависимо-
сти между плотностью тока и усилием подачи (рис. 153, табл. 36).
Осе вое усилие, н
Рис. 153. График зависимости FA =J{i)
На графике видно, что при увеличении плотности тока происходит
увеличение усилия подачи по параболической зависимости В нашем слу-
чае зависимость имеет вид
258
6.4. Определение силовых параметров
электромагнитного привода подачи постоянного тока
pm=i2-k, i = (28)
где i — плотность тока в обмотке: Рос - осевое усилие; к - коэффициент
пропорциональности, к = 780.
Таблица 36
{изменим зависимости усилия иодачи oi ilioihocih тока
Создаваемое усилие, Н 0 485 968 1621 3022 4750 6830 9002 12000 25500
Плотность тока, А/мм2 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Так как поперечное сечение обмотки имеет общую площадь 3000 мм2
при количестве витков 648, то площадь поперечного сечения провода со-
ставляет 4,63 мм2.
Из зависимости (28) по значениям поперечного сечения провода оп-
ределены значения токов и усилий (табл. 37) и построен график (рис. 154).
Таблица 37
Значения зависимое! и усилия подачи от тока в обмо1ке
Усилие подачи, кН
Рис. 154. Зависимость усилия подачи от тока в статорной обмотке
При напряжении питания 380 В график потребления активной энер-
гии (мощности) будет иметь следующий вид, представленный на рис. 155.
259
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
Проведенные расчеты в программе AN SYS и построенные графики
зависимости показали, что для повышения эффективности исследуемого
типа подачи необходимо увеличивать активную длину силовой статорной
обмотки, при этом также увеличивая и ток в ией, а следовательно, и сече-
ние обмоточного провода.
В рамках проведенных исследований в области разработки рабочих
органов и механизма управления режимами бурения технологических
скважин буровыми станками был разработан буровой снаряд, внутри кото-
рого создается воздушная подушка, обеспечивающая снижение непрогно-
зируемых ударных нагрузок со стороны породы на буровой инструмент.
Для контроля этих нагрузок и смещения бурового инструмента по верти-
кали предусмотрен датчик осевого смешения. Предложенная конструкция
бурового снаряда позволяет повысить ресурс работы бурового инструмен-
та за счет адаптивного восприятия и регулирования мгновенной непрогно-
зируемой нагрузки.
Рис. 155. Зависимость потребляемой мощности от усилия подачи
В результате проведенных экспериментальных исследований была
предложена конструкция адаптивного механизма подачи рабочего орана с
электромагнитным устройством, обеспечивающим своевременное управ-
ление режимными параметрами процесса бурения.
Произведенные расчеты электромеханических характеристик пред-
ложенного устройства показали рациональные конструктивные параметры
ее силовой статорной обмотки. Расчеты проведены с использованием про-
граммы ANSYS, которая позволила определить создаваемое усилие, рас-
260
6.5. Разработка адаптивного электромагнитного механизма подачи
рабочего органа бурового станка на основе линейного асинхронного двигателя
пределенне векторных сил и зон наибольшего взаимодействия электромаг-
нитных характеристик линейного электродвигателя. В результате установ-
лена зависимость осевого усилия подачи бурового става от числа витков
статорной обмотки, свидетельствует о том, что его максимальное значение
обеспечивается прн числе витков, равном 500.
Также была установлена прямо пропорциональная зависимость осе-
вого усилия подачи бурового става от изменения длины силовой статорной
обмотки линейного электродвигателя. Определена прямо пропорциональ-
ная зависимость осевого усилия подачи бурового става от изменения тока
в силовой статорной обмотке линейного электродвигателя.
Проведенные расчеты в программе ANSYS показали, что для повы-
шения эффективности исследуемого электромагнитного врашательно-
подающего механизма рабочего органа бурового станка необходимо уста-
навливать рациональные параметры тока, длины и сечения статорной об-
мотки линейного электродвигателя.
6.5. Разработка адаптивного
электромагнитного механизма подачи
рабочего органа бурового станка
на основе линейного асинхронного двигателя
В настоящее время в горной промышленности применяются буровые
станки с различными типами вращательно-поддющих механизмов. Их осо-
бенности характеризуются величиной усилия подачи, частотой вращения
бурового става и др. Но при бурении сложноструктурных массивов горных
пород, имеющих колебание физико-механических свойств по глубине, час-
то возникают значительные ударные нагрузки и вибрация, результатом ко-
торых является увеличение циклических напряжений во всем буровом ор-
гане. При этом 80 % случаев отказов приходится на разрушение опор ка-
чения шарошек буровых долот [41]. Часто из анализа наработок на отказ
шарошечных долот следует вывод о значительном снижении их стойкости
(до двух раз) в случае бурения породы со сложной структурой.
В конструкции современных шарошечных долот, имеющих опоры
качения, часто применяются подшипники по схеме ролик-шарик-ролик.
Предел прочности сталей тел качения составляет 1900-2300 МПа и выше.
Для получения высших показателей необходимо осуществлять термиче-
скую обработку с большой точностью в температурах и времени вы-
держки [42]. Расчеты показывают, что напряжение в телах качения при
равномерном нагружении находится в пределах 1400-1650 МПа. Но при
261
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
значительных колебаниях физико-механических свойств породы доходит
до 2250 МПа и выше.
Для приближения ресурса шарошечных долот к максимально воз-
можному, имеющему место при бурении однородной породы, необходимо
применение адаптивного вращательно-подающего механизма [43, 44]. Он
позволит использовать узкий промежуток между уровнем напряжения в
телах качения и предельными прочностными показателями материала.
Рис. 156. Асинхронный двигатель
с массивным ротором
Отечественные станки шаро-
шечного бурения имеют в системе
подачи нерегулируемые гидропри-
воды [45]. И при изменении свойств
горной породы исключить внезап-
ную ударную нагрузку практически
невозможно. На изменение свойств
породы уже позже реагирует маши-
нист. Но в течение указанного пе-
реходного процесса буровой инст-
румент испытывает сложнейшие по
характеру и величине нагрузки,
вследствие чего стойкость буровых
долот значительно снижается.
Из анализа существующих
электрических машин вращательно-
го и линейного действия можно
сделать вывод, что из соображений
прочности, простоты конструкции, удобства токоподвода и применения ис-
точников переменного напряжения для питания электрических установок
буровых станков, наиболее предпочтительным является Асинхронный дви-
гатель с массивным ротором [122].
Ротор этого двигателя представляет собой сплошной ферромагнит-
ный цилиндр (рис. 156) .
Такой ротор играет одновременно роли магиитопровода и токопро-
вода. Врашаюшееся магнитное поле проникает на определенную глубину в
тело ротора и индуктирует в ием вихревые токи. Эти токи при взаимодей-
ствии с магнитным полем образуют электромагнитный момент. Вследст-
вие сильно выраженного поверхностного эффекта вихревые токи протека-
ют в сравнительно тонком слое на глубине проникновения электромагнит-
ного поля в тело ротора. Эквивалентная глубина проникновения зависит от
частоты перемагничивания ротора. Для двигателя, рассчитанного иа часто-
ту 50 Гц, эквивалентная глубина проникновения при пуске (5 = 1) состав-
262
6.5. Разработка адаптивного электромагнитного механизма подачи
рабочего органа бурового станка на основе линейного асинхронного двигателя
ляет только 1 3 мм, в рабочем режиме при $ = 0,05 - примерно 5-15 мм.
Вообще в линейном приближении глубина проиикиовеиия изменяется об-
ратно пропорционально. Это приводит к соответствующему изменению
сечения слоя, по которому протекают вихревые токи, активного сопротив-
ления массивного ротора.
В результате такого проявления с массивным ротором поверхностно-
го эффекта пусковой момент в двигателе с массивным ротором достаточно
велик, и ои уступает двигателю с короткозамкнутой обмоткой на роторе
только по своим рабочим свойствам - КПД и коэффициенту мощности.
Объясняется это тем, что в номинальном режиме при скольжении х = 0,1 -
0,5 глубина проникновения тока и потока в тело ротора еще достаточно
мала, а электрическое сопротивление для тока и магнитное сопротивление
для потока велики, вследствие чего двигатель имеет большие электриче-
ские потери в роторе и большой намагничивающий ток.
Для улучшения рабочих характеристик иногда прикрепляют с двух
сторон к торцевым поверхностям цилиндрического ротора медиые корот-
козамыкающие кольца. Медные кольца имеют значительно меньшее
удельное электрическое сопротивление, чем стальное тело ротора, и вы-
полняют ту же роль, что и торцевые короткозамыкающие кольца беличьей
клетки. В результате, активное сопротивление массивного ротора умень-
шается за счет увеличения электрической проводимости торцевых частей.
С этой же целью в микродвигателях прибегают к покрытию внешней
поверхности массивного ротора тонким слоем меди толшииой 0.1-0,3 мм.
Кроме того, можно добиться улучшения рабочих характеристик подбором
такого материала для массивного ротора, который обладал бы оптималь-
ными электрической и магнитной проводимостями. В этом направлении в
последнее время достигнуты определенные успехи. Получены сплавы, об-
ладающие большей электрической проводимостью и меньшей магнитной
проницаемостью, чем у стали, с применением которых глубина проникно-
вения поля существенно возрастает и технические показатели улучшаются.
Применение массивного ротора, обладающего большой механиче-
ской прочностью, позволяет построить асинхронные двигатели иа весьма
высокие частоты врашеиия (10000 100 000 об/мин и более). Такие двига-
тели предназначаются для питания от источников повышенной частоты
(400-1500 Гц и более) и находят применение в специальных электропри-
водах, например гироскопических устройствах.
Несмотря на технологичность конструкции двигателей с массивным
ротором, в общепромышленном электроприводе они пока не используют-
ся. Это связано исключительно с их недостаточно высокими энергетиче-
скими показателями в рабочих режимах.
263
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
Интересной разновидностью рассматриваемого двигателя является
двигатель с полым магнитным ротором. В этом двигателе в целях умень-
шения массы и момента инерции ротор выполняется в виде полого сплош-
ного ферромагнитного цилиндра. Толщина его стенок может быть выбрана
равной глубине проникновения в рабочих режимах. При частотах 400-
1000 Гц она составляет 0,3 0,5 мм и 1-3 мм при 50 Гц.
Поскольку магнитный поток замыкается по стенкам полого магнитного
ротора, в двигателе с таким ротором нет необходимости во внутреннем стато-
ре. Этим он выгодно отличается от двигателя с полым немагнитным ротором.
Однако из-за довольно низких КПД и cos <р, а также других недостатков двига-
тели с полым магнитным ротором имеют ограниченное распространение.
Для решения проблемы адаптивного механизма подачи бурового
станка разработан экспериментальный лабораторный стенд «Электромаг-
нитный механизм подачи бурового станка». Его основным элементом яв-
ляется линейный трехфазный асинхронный электрический двигатель с
массивным ротором. Он имеет в своей основе статорную обмотку, под-
ключаемую к сети трехфазного переменного тока, напряжением 380 В.
В качестве ротора используется стандартная труба, состоящая из стали,
обладающей ферромагнитными свойствами.
Схема экспериментальной установки с трехфазным асинхронным
линейным двигателем представлена на рис. 157.
Рис. 157. Схема экспериментальной установки
с трехфазным асинхронным линейным двигателем
Стенд состоит из стальной рамы 1 с роликовыми опорами 2, в кото-
рых подвижно закреплен массивный ротор 3 в виде стальной магнитной
264
6.5. Разработка адаптивного электромагнитного механизма подачи
рабочего органа бурового станка на основе линейного асинхронного двигателя
трубы. Статор 4 в виде цилиндрических обмоток расположен вокруг мас-
сивного ротора 3 с возможностью продольного перемещения последнего
внутри статора. Катушки статора могут подключаться попеременно, как
показано на рис. 157, по одной или несколько штук, на каждую фазу. Та-
ким образом, стенд позволяет проанализировать режимы работы двигате-
ля. Для этого он оснащен динамометром для измерения усилия подачи,
а также приборами для измерения тока и напряжения в определенных фа-
зах. Двигатель стенда не имеет магнитопровода для получения характери-
стик, зависящих от минимального числа факторов. Двигатель подключается
к сети переменного трехфазного напряжения 380 В.
В результате начальных испытаний было выяснено, что при потреб-
ляемой мощности 6.35 кВт и при нулевой скорости двигатель развивал
усилие с учетом погрешности приборов 80-90 Н. Без нагрузки двигатель
развивал линейную скорость 0,31 м/с.
Механическая характеристика асинхронного двигателя вращательно-
го действия имеет вид, представленный на рис. 158.
Рис. 158. Механическая характеристика
асинхронного двигателя вращательного действия
Механическая характеристика асинхронной машины линейного дей-
ствия имеет схожий вид. Отличие заключается в наличии краевых эффек-
тов. Однако при условии применения в качестве массивного ротора трубы
достаточно большой длины влияние краевого эффекта оказывает меньшее
значение [122]. Активное г2 и индуктивное хо2 сопротивления массивного
ротора ввиду сильно выраженного поверхностного эффекта значительно
зависят от скольжения. Так, в случае f = 50 Гц при пуске (5=1) эквива-
лентная глубина проникновения токов в роторе составляет только 3 мм,
при 5 = 0,02 - около 20 мм, при 5 = 0,001 - около 100 мм [126]. Поэтому
265
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
при пуске сопротивление г2 весьма велико и хо2 мало, а с уменьшением
скольжения сопротивление г2 уменьшается, а хс2 — увеличивается.
В результате сильного проявления поверхностного эффекта пус-
ковой момент двигателя с массивным ротором достаточно велик:
Мп/Мк =1,5-2,0 (рис. 159).
Рис, 159. Механическая характеристика асинхронного
двигателя с массивным ротором
Однако двигатели малой мощности с массивными роторами при
f = 50 Гц имеют низкие КПД и коэффициент мощности. Но с увеличением
мощности растет также и КПД.
Массивный ротор имеет большое преимущество в прочности. В свя-
зи с этим асинхронные двигатели с массивным ротором вполне могут при-
меняться в качестве привода подачи рабочего органа бурового стайка.
Поскольку двигатель в лабораторном стенде ие имеет магнитопрово-
да, необходимо рассчитать номинальное подающее усилие в случае нали-
чия магнитопровода, изготовленного из электротехнической стали. А за-
тем найти мощность двигателя, способного создавать подающее усилие до
200 или 300 кН в зависимости от модели бурового стайка. Для этого необ-
ходимо рассчитать магнитное сопротивление цепи в случае с магиитопро-
водом и без.
Схема магнитной цепи одной обмотки статора линейного асинхрон-
ного двигателя с массивным ротором без магнитопровода показана на раз-
резе тороидальной обмотки (рис. 160).
Схема магнитной цепи обмотки статора с магнитопроводом показана
на рис. 161.
266
6.5. Разработка адаптивного электромагнитного механизма подачи
рабочего органа бурового станка на основе линейного асинхронного двигателя
Рис. 160. Схема магнитной цепи одной обмотки
статора линейного асинхронного двигателя с мас-
сивным ротором без магнитопровода: 1 - обмотка
статора; 2 — массивный ротор в виде стальной
трубы, Z|, /2, /3, /4 участки магнитной цепи
Um
Магнитный поток
Рис. 161. Схема магнитной цепи одной обмотки
статора линейного асинхронного двигателя с мас-
сивным ротором с магнитопроводом: 1 обмотка
статора; 2 массивный ротор в виде стальной
Трубы; Ihn, Um, /3»» Um, Um, Um ~ учаСТКП МЭГНИТНОЙ
цепи с магнитопроводом
267
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
Магнитное сопротивление участка цепи определяется из следующего
выражения [127]:
Ли=---------, Гн"1,
где Rm - магнитное сопротивление участка цепи, Гн-1; I - длина участка
магнитной цепи, м; р.о - магнитная достоянная, Гн/м; р, — магнитная про-
ницаемость вещества участка магнитной цепи; S - площадь поперечного
сечения участка магнитной цепи. м~.
Магнитное сопротивление цепи без магнитопровода определяется
следующим образом:
R = + А _
MnMrl'S' РоРг2*^ Р-оМ>3*^ РоРг4*^ г
(^2^3^)+ (и, ) + ;4 3 )
Длины участков магнитной цепи без магнитопровода (рис. 159)
имеют следующие значения: Ц = 0,02 м; 12 = 0,06 м; /3 = 0,02 м; /4 = 0,06 м.
Магнитная проницаемость вещества участков магнитной цепи [128] p, i = 1
(воздух); р,2 = 1 (воздух); рг3 = 1 (воздух); = 3500 (среднеуглеродистая
сталь 45). Площади поперечного сечения участков магнитной цепи прини-
маем равными S. Магнитная постоянная g0 = 1,257 -10-6 Гн/м.
Магнитное сопротивление цепи с магнитопроводом из электротех-
нической стали определяется следующим образом:
___ hm । ^2т । Ат । ?4т । ^5т । Ат ________
РоШ-ьЛ МвКгиЛ РоР»-з«*^ РоРг4»Л PflPj-бяД
l\m (Pr2mPy3mP>4mPr5mPr6m )+4m (PrlmPf 3mPr4mPr5>nPytim )+Am(м>1тР>2тИг4тИг5тРг6т )
Po^Prl»Pr2mPr3mPr4mPr5mP»-6m
Am (PrlmP>2mPr3mPr5mPr6m )+Ат (р> lmP> 2mP?3mPr4mP>-6m ) +4m(PrlmPr2mPr3mPr4mPr5m ) j-^-l
Ро*^Р/-|тРг2тР>-ЗтР/4тРг5тР»-6т
Длины участков магнитной цепи с магнитопроводом (рис. 161) име-
ют следующие значения: /|И! = 0,0005 м; 12т = 0,0195 м; 13т = 0,06 м;
/4и = 0,0195 м; 15т = 0,0005 м; 1бт = 0,06 м. Магнитная проницаемость веще-
ства участков магнитной цепи [128] gr,w = 1 (воздух); р,2„., — 7500 (электро-
техническая сталь); = 7500 (электротехническая сталь); = 7500
(электротехническая сталь); pr5ra = 1 (воздух); р/6га = 3500 (среднеуглероди-
268
6.5. Разработка адаптивного электромагнитного механизма подачи
рабочего органа бурового станка на основе линейного асинхронного двигателя
стая сталь 45). Площади поперечного сечення участков магнитной цепи
принимаем равными S. Магнитная постоянная р.о = 1,257 • Ю^Гн/м.
Ориентировочное усилие, развиваемое двигателем, обмотки которо-
го имеют магнитопровод, можно найти из соотношения
Р2=^ —•
При условии, что воздушный зазор 0,5 мм, при аналогичных разме-
рах магнитопровода получим
р _р Rim p 0,02-350(Г0,06-3500/0,02-3500/0,061
2 '‘КГ ’ 1 Х
7500
0,0005 (7500 3500+0,0195 35004-0,06- 35ОО4-О,О19535ОО4-О,ООО5(75ОО 3500+0,06- 7500”
=/|-97,072
Таким образом, трехфазный асинхронный двигатель с массивным
ротором, имеющий аналогичные размеры, оснащенный магнитопроводом
будет развивать усилие в пределах 7766-8736,5 Н. Среднее значение уси-
лия Р\ = 8251 Н при потребляемой мощности 6.35 кВт.
Для получения усилия подачн 200 кН данный привод с аналогичной
номинальной скоростью, запитанный от сети 380 В частотой 50 Гц с дол-
жен будет иметь ориентировочную мощность с учетом магнитных и элек-
трических потерь 154 кВт. Данная расчетная мощность справедлива для
номинальной линейной скорости 15-20 см/с. Однако максимальная ско-
рость бурения шарошечными долотами составляет 120 м/ч. Это означает,
что скорость, полученная при экспериментальных исследованиях, должна
быть уменьшена в 4,5 6 раз. Это осуществимо при помощи уменьшения
частоты питающего напряжения сети.
Как показано в работе [132], скорость линейного асинхронного дви-
гателя определяется из следующей зависимости
60/
р
где / - длина статора асинхронной машины, м; частота напряжения се-
ти, Гц;/? - число пар полюсов.
При условии, что лабораторные исследования проводились при час-
тоте напряжения сети 50 Гц. то двигатель механизма подачи должен быть
запитан от сети с частотой напряжения порядка 10 Гц.
269
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
Как показано в работе [126], электромагнитный момент асинхронной
машины вращательного действия находится в обратной зависимости от
частоты напряжения сети
Р
М----
2nf
где — электромагнитная мощность.
Таким образом, ориентировочно проектная мощность подающего
электромагнитного двигателя при номинальном усилии 20 т и 30 т, соот-
ветственно, будет равна 50 и 75 кВт (рис. 162).
I’, см /мин
Рис. 162. Расчетно-экспериментальные механические характеристики линейно-
го трехфазного асинхронного двигателя с ферромагнитным магнитопроводом,
работающего в качестве электромагнитного привода подачи бурового станка
мощностью 50 и 75 кВт с учетом коэффициента запаса мощности 1,5: 1 — Ме-
ханическая характеристика электромагнитного привода подачи бурового стан-
ка с номинальным усилием 20 т и потребляемой мощностью 50 кВт: 2 Меха-
ническая характеристика электромагнитного привода подачи бурового станка
с номинальным усилием 30 т и потребляемой мощностью 75 кВт
Поскольку в ходе эксперимента в качестве массивного ротора ис-
пользовалась труба, изготовленная из стали 45 без механической обработ-
ки внешней поверхности, а также присутствовал значительный воздушный
зазор, то потребляемая мощность может быть несколько снижена: 1. Уве-
270
6.5. Разработка адаптивного электромагнитного механизма подачи
рабочего органа бурового станка на основе линейного асинхронного двигателя
личением площади поперечного сечения и магнитной проницаемости маг-
иитопровода. 2. Уменьшением магнитного сопротивления в воздушном за-
зоре. 3. Нанесением металлического слоя с высокой электрической прово-
димостью иа поверхность массивного ротора. 4. Созданием пазов в теле
массивного ротора.
При этом основной задачей создания электромагнитного привода
подачи бурового органа является своевременное реагирование иа измене-
ние свойств горной породы. Электромагнитный привод будет реагировать
иа увеличение или уменьшение показателя буримости и скорости бурения
соответственным изменением величины тока в обмотке статора. То есть
точка рабочего режима двигателя будет перемещаться по механической
характеристике. Время такой адаптивной реакции будет характеризоваться
периодом переходных электромагнитных процессов, что равняется деся-
тым долям секунды [126]. Изменение тока в обмотке двигателя должно
быть учтено при проектировании электрической машины.
С применением электромагнитного вращательно-подающего меха-
низма иа основе асинхронного трехфазиого двигателя с массивным рото-
ром возможно применять различные конструктивные исполнения адаптив-
ных вращательно-подающих механизмов. Их можно объединить в сле-
дующие основные группы:
1. Вращательно-подающий механизм с системой подачи, включаю-
щей каиатио-палиспастиую систему по характеру кинематической схемы
вращательно-подающего механизма станка СБШ-250МН-32 (рис. 163).
При этом гидроцилиидры должны быть заменены линейными электродви-
гателями. Такое конструктивное исполнение позволит использовать адап-
тивный привод вращательно-подающего механизма с минимальной мо-
дернизацией 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 каиатиой системы. Кроме того, в данном
случае возможно применять секции бурового става без изменения их кон-
струкции.
2. Вращательно-подающий механизм с системой подачи, по характе-
ру кинематической схемы вращательно-подающего механизма стайка
2СБШ-200Н с системой подачи патронного типа (рис. 164). При этом гид-
роцилиндры заменяются на 2 линейных трехфазиых асинхронных двигате-
ля. В случае минимальной модернизации данной конструктивной схемы
возможно применение секций бурового става без изменений. При этом ро-
271
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
торы будут иметь соответствующую длину (2 м) и иметь максимальную
проработку конструкции с целью получения максимального КПД. Приме-
нение специальных конструктивных решений может позволить увеличить
длину секций бурового става.
Рис. 163. Электромагнитный враща-
тельно-подающий механизм с систе-
мой подачи, включающей канатно-
палиспастную систему: 1 электро-
двигатель постоянного тока; 2 - редук-
тор вращателя; 3 — шинно-шлицевая
муфта; 4 опорный узел; 5 четырех-
кратная канатно-полиспастная система
подачи, 6 — колонна вращающихся
штанг: 7 — электромагнитный линей-
ный двигатель подачи; 8 механизм
свинчивания-развинчивания штанг
Рис. 164. Электромагнитный враща-
тельно-подающий механизм с адап-
тивной системой подачи патронного
типа: 1 — зажимные кулачки; 2 — за-
жимной патрон: 3 штанга: 4 элек-
тромагнитный линейный двигатель
подачи; 5 пустотелый шпиндель
гидропатрона; 6 вращатель (редук-
тор); 7 - электродвигатель постоян-
ного тока ДПВ-52: 8 - траверса: 9
лебедка с трехкратным полиспастом
для подъема бурового става
3. Вращательно-подающий механизм, в котором статор линейного
двигателя охватывает буровой став (рис. 165). При этом буровой став явля-
ется массивным ротором. Такая конструктивная схема имеет ряд преиму-
ществ: 1) возможность безостановочного бурения иа всю глубину скважи-
ны; 2) отсутствие необходимости синхронной работы двух двигателей;
3) наибольшая эффективность и своевременность адаптации работы вра-
272
6.5. Разработка адаптивного электромагнитного механизма подачи
рабочего органа бурового станка на основе линейного асинхронного двигателя
щателыю-подающего механизма к изменениям физико-механических
свойств горной породы; 4) максимальное снижение непрогнозируемых на-
грузок при бурении сложиострукгурных пород; 5) возможность безостано-
вочного бурения при использовании фрикционного захвата механизма вра-
щения бурового става и навинчивания секций выше двигательной системы;
6) возможность безостановочного подъема бурового става; 7) отсутствие
необходимости изготовления ротора линейного двигателя по причине ис-
пользования в этом качестве секций бурового става. К недостаткам можно
отнести: 1) необходимость существенной модернизации конструктивной
схемы бурового станка; 2) невысокий КПД линейного двигателя с массив-
ным ротором при использовании в качестве ротора секций бурового става.
4. Вращательно-подающий ме-
ханизм, конструктивная схема кото-
рого схожа с предыдущей (рис. 165).
При этом в качестве ротора линейно-
го двигателя будет использоваться
специальная секция длиной 8 м с ко-
нической резьбой иа конце, на кото-
рую будут навинчиваться стандарт-
ные секции бурового става. Указан-
ный ротор двигателя будет иметь не-
обходимую обработку и изготавли-
ваться из электротехнической стали
для создания максимального КПД.
При этом буровой станок будет бу-
рить скважину по частям, соответст-
венно, длине секции бурового става.
После чего ротор двигателя будет
подниматься, на него навинчиваться
следующая секция, и процесс буре-
ния будет продолжаться. К преиму-
ществам данной схемы можно отне-
сти следующие: 1) возможность мак-
симальной проработки конструкции
ротора двигателя подачи с целью по-
лучения максимального КПД; 2) от-
сутствие необходимости синхронной
Рис. 165. Кинематическая схема
вращательно-подающего механизма
станка 2СБШ-200Н: 1 обмотка ли-
нейного двигателя: 2 - линейный
трехфазный асинхронный двигатель;
3 штанга; 4 - стойка крепления ме-
ханизма подачи; 5 пустотелый
шпиндель; 6 вращатель (редуктор)
работы двух двигателей; 3) наибольшая эффективность и своевременность
адаптации работы вращательно-подающего механизма к изменениям фи-
зико-механических свойств горной породы; 4) максимальное снижение не-
273
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
прогнозируемых нагрузок при бурении сложноструктурных пород; 5) воз-
можность безостановочного бурения при использовании фрикционного за-
хвата 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 ос-
тальных вариантах.
Общей особенностью различных конструкций адаптивного враща-
тельно-подающего механизма является своевременное изменение режима
работы двигателя подачи. Данный процесс происходит естественным обра-
зом, путем перемещения точки рабочего режима двигателя по ниспадаю-
щей ветви его механической характеристики, в случае изменения физико-
механических свойств породы. Данный процесс крайне короток во време-
ни 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 вре-
мени реагирования двигательной системы на изменение свойств породы.
Увеличение времени реагирования может снизить эффект гашения удар-
ных нагрузок. Применение же пассивных гасящих устройств требует де-
тального изучения процессов возникновения резонанса в колебательном
процессе, что значительно сужает область их применения. Конструкция
электромагнитного двигателя не ограничивает степени свободы вращения
бурового става. Возможно сохранить применяющиеся в соответствующих
буровых станках механизмы вращения.
Кроме того, данный механизм подачи рабочего органа позволяет
легко автоматизировать процесс в случае длительных перегрузок. Измене-
ние тока будет фиксироваться напрямую с обмотки двигателя. В автомати-
ческом режиме, согласно заложенной в контроллере функции, режим бу-
рения будет изменен. Соответственно должны быть изменены усилие
и скорость подачи, а также момент на валу вращательного механизма
и скорость вращения бурового става. Регулировка режимов возможна тремя
способами: 1) при помощи преобразователя частоты; 2) понижением напря-
жения - для экстренного снижения величины ударных нагрузок; 3) комплекс-
ное использование обоих способов для получения оптимальных режимов.
Таким образом, исходя из представленных результатов эксперимен-
тальных и теоретических исследований, можно сказать что применение
адаптивного механизма подачи на основе линейного трехфазного асин-
хронного двигателя с массивным ротором возможно на базе существую-
щих буровых станков, запитанных от трехфазной электрической сети. Ли-
274
6.6. Теория рабочего процесса адаптивного электромагнитного привода
вращательно-подающего механизма бурового станка
нейный трехфазный асинхронный двигатель с массивным ротором спосо-
бен обеспечить требуемое усилие подачи с приемлемым значением по-
требляемой мощности.
Адаптивный привод подачи способен своевременно реагировать на
резкие изменения свойств горных пород перемещением точки рабочего
режима по механической характеристике асинхронной машины, при соот-
ветственном изменении величины тока в обмотке двигателя. Применение
в качестве системы подачи линейного электромагнитного двигателя может
позволить получать информацию об изменениях физико-механических
свойств породы, измеряя величину тока в обмотке двигателя. В случае
длительных перегрузок в автоматическом режиме согласно заложенной
в контроллере функции режим бурения может быть изменен.
6.6. Теория рабочего процесса
адаптивного электромагнитного привода
вращательно-подающего механизма бурового станка
Для бурения взрывных скважин в горных породах средней и высокой
крепости применяют станки шарошечного бурения. В отечественной гор-
ной промышленности наиболее часто применяются станки СБШ-200,
СБШ-250, СБШ-320 и др. Их принципиальное отличие заключается в раз-
виваемом усилии подачи, мощности вращательной и подающей системы,
системы подачи сжатого воздуха. Кроме этого, значительно отличаются
кинематические схемы вращательно-подающих механизмов.
Станки группы СБШ-200 имеют роторно-патронную схему ВПМ
с нижним стационарным расположением вращателя, передачей осевого
усилия и крутящего момента на образующую бурильной штанги через за-
жимной патрон.
Усилие подачи создается двумя гидроцилиндрами, питающимися от
одного или двух насосов нерегулируемой производительности с предохра-
нительным клапаном. К преимуществам такой схемы относятся стацио-
нарность привода вращателя, возможность значительного облегчения мач-
ты, большая устойчивость станка при передвижении. К недостаткам можно
отнести ограниченность величины осевой нагрузки и крутящего момента
из-за проскальзываемых кулачков патрона (особенно в зимних условиях),
большие затраты времени на вспомогательные машинные операции, не-
возможность применения штанг различных диаметров и тем более шнеко-
вых штанг.
275
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
Станки группы СБШ-250 имеют схему передачи осевого усилия и
крутящего момента иа торец штаиги от шпинделя (с гидромуфтой) редук-
тором вращателя, который перемещается вдоль мачты канатным полиспа-
стом. Усилие подачи создается от двух гидроцилиидров.
К преимуществам торцевой (шпиндельной) схемы относятся про-
стота, надежность, возможность создания больших осевых усилий и кру-
тящих моментов, а также благоприятность применения штаиг (трубчатых и
шнековых) и долот различного диаметра. Недостатком схемы является не-
обходимость утяжеления мачты, по которой должен перемещаться тяже-
лый крупный вращатель, что обусловливает значительную массу станков,
периодические перемещения на большую высоту пневматических, гидрав-
лических шлангов и электрических кабелей и др.
Применяемые на станках типоразмеров СБШ -200 и СБШ-250 гид-
роприводы подачи, состоящие из маслонасоса нерегулируемой производи-
тельности с предохранительным клапаном и гидроцилиидров с дросселем
иа сливе, имеют жесткие (неэластичные) характеристики, что необходимо
учитывать при разработке и оценке режимов бурения пород средней кре-
пости и слабых в особеииости режущими долотами. Более благоприятны-
ми являются системы подачи с тяговой лебедкой, как это имеет место иа
станках СБШ 250/270 (РД-10) и СБШ-320. Стойкость буровых долот при
системе подачи с тяговой лебедкой оказывается более высокой.
В станке СБШ-320 усилие подачи создается лебедками 10 и предает-
ся на опорный узел 4 через канат 14. огибающий последовательно не-
сколько раз приводные барабаны лебедки 10. В период бурения усилие по-
дачи создается гидромотором 7. Тяговое усилие в канатах возникает за
счет их трения о барабаны. При спускоподъемиых операциях лебедка 10
работает от электродвигателя. Принятая система подачи имеет большую
эластичность, чем у станков СБШ-200 и СБШ-250.
Данные системы хорошо зарекомендовали себя при бурении пород
со средней и высокой крепостью. Однако при бурении массивы горной по-
роды часто бывают неоднородными. Выражается это в колебании физико-
мехаиических свойств. В частности, порода бывает слоистой, трещинова-
той, обводненной и др. Колебания физико-мехаиических свойств приводят к
возникновению ударных нагрузок. Ударные нагрузки значительно снижают
стойкость бурового инструмента, а также время наработки до отказа. В слу-
чае с вращательно-подающим механизмом патронного типа ударные на-
грузки передаются в гидросистему, что приводит к порывам и поломке гид-
роагрегатов. В случае с канатной системой последний способствует некото-
рому смягчению ударов. Но по причине большого количества механических
узлов, вероятность поломки вращательно-подающего механизма велика.
276
6.6. Теория рабочего процесса адаптивного электромагнитного привода
вращательно-подающего механизма бурового станка
Линейный электромагнитный привод вращательно-подающего меха-
низма бурового станка, предназначенный для создания усилия подачи,
может быть основан на различных энергетических и кинематических
принципах. Линейные двигатели могут быть асинхронными, синхронными
и постоянного тока, повторяющими по принципу своего действия соответ-
ствующие двигатели вращательного движения. Применительно к силовым
машинам и, в частности, к системе подачи бурового станка эти электриче-
ские машины имеют свои преимущества и недостатки.
К преимуществам линейных двигателей постоянного тока можно от-
нести точность и простоту регулировки усилия и скорости подачи. Глав-
ным образом это связано с минимальным количеством устройств, обеспе-
чивающих поддержание электромеханических параметров в заданных пре-
делах. В отличие от системы с гидравлическим линейным двигателем дви-
гатель постоянного тока позволяет легко снимать значения величины тока
в обмотке двигателя без существенной задержки.
Система подачи с использованием гидроцилиндров не позволяет
своевременно зафиксировать изменения физико-механических свойств по-
роды. При введении системы автоматизации линейный двигатель постоян-
ного тока будет иметь явные преимущества. Введение системы автомати-
зации в системе подачи с применением гидроцилиндров будет сопряжено с
существенными задержками во времени между моментом удара и момен-
том подстраивания усилия подачи и (или) скорости. Подобная задержка
может привести не к увеличению времени безотказной работы, а, напро-
тив, к ее уменьшению.
При колебательном процессе, в начальную фазу буровой став замед-
лит ход и передаст удар в подающий привод. В случае если подающий
привод окажется жесткой преградой для ударной волны, то энергия преоб-
разуется в энергию упругой деформации стали и гидравлической жидко-
сти. Затем, во второй половине колебательного периода, энергия упругой
деформации преобразуется в кинетическую энергию, характеризующуюся
вектором скорости, направленным в сторону забоя.
Данная кинетическая энергия частично преобразуется в упругую
энергию деформации бурового инструмента и горной породы, частично в
энергию их разрушения, и часть ее преобразуется в тепло.
В случае получения сигнала об ударе со значительной задержкой из-
менение режима бурения окажется бесполезным, поскольку первый пери-
од колебательного процесса, самый разрушительный, уже закончится.
Возможна также следующая ситуация. Автоматизированная система
получит серию сигналов, сообщающих об увеличении и уменьшении пока-
зателя буримости породы, и последовательно будет выдавать обратный
277
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
сигнал и корректировки в усилии и скорости подачи. Если время задержки
между ударом и моментом корректировки усилия или скорости подачи
окажется равным 0,5 (1,5; 2,5 и т. д.) периода главной гармоники колеба-
тельного процесса, то увеличение усилия или скорости подачи исполни-
тельным механизмом придется на тот момент, когда произойдет очередной
удар. Таким образом, автоматизированная система приведет к значитель-
ному увеличению ударной нагрузки. Например, если удары будут проис-
ходить через одинаковые интервалы времени и с одинаковым изменением
кинетической энергии, то ударная нагрузка увеличится в два раза. Во всех
остальных случаях величина ударной нагрузки будет зависеть от измене-
ний кинетической энергии двух последующих ударов.
Мощные буровые станки в целях экономии подключаются к элек-
трической сети трехфазного переменного напряжения. В связи с этим для
запитывания машины постоянного тока потребуется выпрямитель напря-
жения и др. Машины постоянного тока работают на принципе сцепления
магнитных полей, индуктируемых токами, протекающими в обмотках ста-
тора и ротора. Это связано с необходимостью введения в цепь коллектора
и щеточных контактов. При этом необходимо также разместить электриче-
скую обмотку в роторе линейного двигателя. В условиях запыленности аб-
разивные частицы неизбежно будут проникать в зоны электрического кон-
такта и приводить к выходу из строя данных узлов. При бурении скважин в
условиях угольных разрезов сушествует опасность взрыва угольной пыли,
что потребует введения существенных дополнений в конструкцию для
обеспечения безопасности.
Машины постоянного тока имеют жесткую механическую характе-
ристику, что положительно сказывается при создании неизменяющегося во
времени усилия или вращательного момента Но в условиях бурения
сложноструктурных массивов неизбежно возникают ударные нагрузки и
колебания различных частот. Электрическая машина, имеющая в основе
работы магнитную связь, способна адаптироваться к изменению обратных
нагрузок. В частности, изменение физико-механических характеристик
горной породы стремится изменить скорость поступательного перемеще-
ния бурового става. При этом магнитная связь электрической машины вы-
зовет изменение величины тока в обмотках двигателя
При жесткой механической характеристике машины постоянного то-
ка подающее усилие или крутящий момент слабо зависят от изменения
скорости поступательного движения или вращения ротора. Это приведет к
жесткой реакции опоры со стороны двигателя Такая жесткая реакция, на-
пример, имеет место в случае с существующими системами подачи на ос-
нове гидропривода.
278
6.6. Теория рабочего процесса адаптивного электромагнитного привода
вращательно-подающего механизма бурового станка
С применением в качестве адаптивного электромагнитного привода
[123, 124] подачи бурового станка особый интерес представляет линейный
асинхронный двигатель. Принцип работы асинхронной машины основан
на иаведеиии переменного магнитного поля за счет пропускания перемен-
ного тока в обмотке статора. Переменное магнитное поле создает перемен-
ное напряжение в обмотке ротора. Вторичное магнитное поле сцепляется с
первичным и их взаимодействие создает усилие или момент.
Принципиальное отличие асинхронных машин заключается в конст-
рукции ротора. Ротор асинхронной машины может быть короткозамкну-
тым, фазным либо массивным. Короткозамкнутый ротор характеризуется
наличием металлических жил, имеющих высокую электропроводность.
Фазный ротор характеризуется наличием электрической обмотки ротора,
запитываемой через контактные кольца. Массивным ротором является
ферромагнитный элемент, не имеющий обмотки.
Металл ротора выполняет роль магнитопровода и электрического
проводника. Электрический ток в теле ротора, как правило, наводится в
поверхностном слое. В связи с этим иногда массивный ротор покрывают
слоем металла с высокой электропроводностью. Принципиальная схема
асинхронного линейного двигателя с массивным ротором позволяет ис-
пользовать в качестве вторичного элемента (массивного ротора) секции
бурового става.
Одна из типовых конструкций трубчатого линейного двигателя
представлена на рис. 166. Статор двигателя 1 имеет вид трубы, внутри ко-
торой располагаются перемежающиеся между собой плоские дисковые ка-
тушки 2 (обмотки статора) и металлические шайбы 3, являющиеся частью
магнитопровода. Катушки двигателя соединяются группами и образуют
обмотки отдельных фаз двигателя. Внутри статора помещается вторичный
элемент 4 также трубчатой формы, выполненный из ферромагнитного ма-
териала. При подключении к сети обмоток статора вдоль его внутренней
поверхности образуется бегущее магнитное поле, которое индуктирует в
теле вторичного элемента токи, направленные по его окружности.
Взаимодействие этих токов с магнитным полем двигателя создает на
вторичном элементе силу, действующую вдоль трубы, которая и вызывает
(при закрепленном статоре) движение вторичного элемента в этом направ-
лении. Трубчатая конструкция линейных двигателей характеризуется ак-
сиальным направлением магнитного потока во вторичном элементе.
Асинхронная машина линейного действия имеет схожий вид меха-
нической характеристики. Отличие заключается в наличии краевых эффек-
тов. Однако при условии применения в качестве массивного ротора трубы
достаточно большой длины влияние краевого эффекта оказывает меньшее
279
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
значение [125]. Активное г2 и индуктивное хо2 сопротивления массивного
ротора ввиду сильно выраженного поверхностного эффекта значительно
зависят от скольжения. Так, в случае с частотой напряжения сети/j = 50 Гц
при пуске (S — 1) эквивалентная глубина проникновения токов в роторе со-
ставляет только 3 мм, при S = 0,02 - около 20 мм, при S — 0,001 около
100 мм [126]. Поэтому при пуске сопротивление г2 весьма велико и
хо2 мало, а с уменьшением скольжения сопротивление г2 уменьшается, а
хо2 -увеличивается.
В результате сильного проявления поверхностного эффекта пусковой
момент двигателя с массивным ротором оказывается достаточно велик
MjMH = 1,5-2,0 (рис. 167).
Для создания достаточной величины пускового усилия подачи под
нагрузкой необходимо применять трехфазную или многофазную схему.
Рис. 166. Трубчатый линейный
двигатель
Рис. 167. Механическая характеристика
асинхронного двигателя с массивным ротором
Преимущество применения синхронного линейного двигателя по от-
ношению к асинхронному заключается в следующем. Асинхронный ли-
нейный двигатель имеет низкий коэффициент мощности (cos ср) при боль-
ших воздушных зазорах в магнитной цепи, и его использование оказывает-
ся экономически невыгодным. Синхронный линейный двигатель, напро-
тив, допускает наличие относительно большого воздушного зазора между
статором и вторичным элементом и работает при этом с cos <р, близким к
единице.
В статоре синхронного электродвигателя размещается обмотка, под-
ключаемая к сети трехфазного тока и образующая вращающееся магнит-
ное поле. Ротор двигателя состоит из сердечника с обмоткой возбуждения.
Обмотка возбуждения через контактные кольца подключается к источнику
постоянного тока. Ток обмотки возбуждения создает магнитное поле, на-
магничивающее ротор. Таким образом, для использования синхронного
280
6.6. Теория рабочего процесса адаптивного электромагнитного привода
вращательно-подающего механизма бурового станка
двигателя необходим источник как переменного, так и постоянного на-
пряжения. Кроме того, к недостаткам применения синхронного двигателя в
качестве привода подачи бурового станка относится постоянство частоты
вращения синхронного двигателя при различных нагрузках. Жесткость ме-
ханической характеристики не позволяет адаптивно воспринимать удар-
ные нагрузки.
Из анализа принципов линейных электромагнитных двигателей на
предмет применения в качестве адаптивного привода подачи бурового
станка следует, что оптимальным является трехфазный линейный асин-
хронный двигатель с массивным ротором.
Для определения характера работы электромагнитного привода вра-
щательно-подающего механизма бурового станка необходимо выделить
режимы его работы:
1. Плавное опускание бурового става на забой.
2. Пуск привода подачи в начале бурения.
3. Подача бурового става с буровым инструментом с заданной скоро-
стью и усилием при вращении с заданной частотой.
4. Скачкообразное или плавное изменение показателя буримости.
5. Снижение до нуля скорости вращения и подачи бурового става
(заклинивание).
6. Остановка бурения, подъем и разборка бурового става.
Далее раскроем особенности работы двигателя в указанных режимах.
Плавное опускание бурового става на забой
Скорость опускания бурового става на забой у существующих стан-
ков серии СБШ составляет 15 25 м/мин. Буровой став с инструментом на
конце может опускаться как на поверхность, так и на несколько метров в
скважину. При этом привод подачи должен создавать усилие, обратное по
направлению к движению, т. е. привод должен удерживать вес секций бу-
рового става. Секции бурового става у СБШ-250 составляют 8 м. При
опускании на большую глубину секции добавляются. При этом вес буро-
вого става ступенчато увеличивается.
Рекуперативное торможение асинхронного двнгамеля. Режим ре-
куперативного торможения осуществляется в том случае, когда скорость
ротора асинхронного двигателя превышает синхронную.
Режим рекуперативного торможения на практике применяется для
двигателей с переключением полюсов и в приводах грузоподъемньгх ма-
шин (подъемники, экскаваторы и т. п.).
При переходе в генераторный режим вследствие изменения знака
момента знак меняет и активная составляющая тока ротора. В этом случае
281
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
асинхронный двигатель отдает активную мощность (энергию) в сеть и по-
требляет из сети реактивную мощность (энергию), необходимую для воз-
буждения. Такой режим возникает, например, прн торможении (переходе)
двухскоростного двигателя с высокой на низкую скорость, как показано на
рис. 168, а.
Рис. 168. Торможение асинхронного двигателя в основной схеме включения:
а с рекуперацией энергии в сеть; б — противовключением
Предположим, что в исходном положении двигатель работал на ха-
рактеристике /ив точке а, вращаясь со скоростью соуст|. При увеличении
числа пар полюсов двигатель переходит на характеристику 2, участок бс
которой соответствует торможению с рекуперацией энергии в сеть.
Этот же вид торможения может быть реализован в системе преобра-
зователь частоты двигатель при остановке асинхронного двигателя или
при переходе с характеристики на характеристику. Для этого осуществля-
ется уменыцение частоты выходного напряжения, а тем самым синхрон-
ной скорости: со0 = 2л/ / р.
В силу механической инерции текущая скорость двигателя со будет
изменяться медленнее, чем синхронная скорость с%, и будет постоянно
превышать скорость магнитного поля. За счет этого и возникает режим
торможения с отдачей энергии в сеть.
Рекуперативное торможение также может быть реализовано в элек-
троприводе грузоподъемных машин при спуске грузов. Для этого двига-
тель включается в направлении спуска груза (характеристика 2, рис. 168, б).
После окончания торможения он будет работать в точке со скоростью
С0уст2-
282
6.6. Теория рабочего процесса адаптивного электромагнитного привода
вращательно-подающего механизма бурового станка
При этом осуществляется процесс спуска груза с отдачей энергии в
сеть. Рекуперативное торможение является наиболее экономичным видом
торможения. Аналогичные характеристики справедливы для линейного
асинхронного двигателя при достаточно большой длине статора и ротора.
Применительно к электромагнитному приводу подачи бурового
станка такой режим может быть осуществлен при помощи изменения час-
тоты подаваемого в обмотку статора напряжения. При уменьшении часто-
ты будет уменьшаться и синхронная скорость. При этом скорость опуска-
ния бурового става будет больше на величину, соответствующую весу бу-
рового става и величине подаваемого напряжения.
Недостатком такого способа опускания бурового става на забой яв-
ляется наличие удара или толчка в момент касания бурового инструмента с
поверхностью забоя. Существующие системы подачи на основе гидропри-
вода также имеют такой недостаток. Для уменьшения силы удара можно
только снижать скорость опускания по мере приближения поверхности за-
боя. Это достигается уменьшением частоты напряжения.
Торможение асинхронного электродвигателя противовключени-
ем. Перевод асинхронного двигателя в данный режим может быть выпол-
нен двумя путями. Один из них связан с изменением чередования двух фаз
питающего электродвигатель напряжения.
Допустим, что двигатель работает на характеристике 1 (рис. 168, б)
при чередовании фаз напряжения АВС. Тогда при переключении двух фаз
(например, В и С) он переходит на характеристику 2, участок аб которой
соответствует торможению противовключением.
Обратим внимание на то обстоятельство, что при противовключении
скольжение асинхронного двигателя изменяется от S= 2 до 5 1.
Ротор при этом вращается против направления движения поля и по-
стоянно замедляется. Когда скорость спадает до нуля, двигатель должен
быть отключен от сети, иначе он может перейти в двигательный режим,
причем ротор его будет вращаться в направлении, обратном предыдущему.
При торможении противовключением токи в обмотке двигателя мо-
гут в 7-8 раз превышать соответствующие номинальные токи, заметно
уменьшается и коэффициент мошности двигателя. О КПД в данном случае
говорить не приходится, так как и преобразуемая в электрическую меха-
ническая энергия и энергия, потребляемая из сети, рассеиваются в ак-
тивном сопротивлении ротора, и полезно используемой энергии в этом
режиме нет.
Другой путь торможения противовключением может быть использо-
ван при активном характере момента нагрузки, который создается при
опускании груза.
283
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
Допустим, что требуется осуществить спуск бурового става, обеспе-
чивая его торможение с помощью линейного асинхронного двигателя. Для
этого двигатель путем включения в цепь ротора добавочного резистора
(сопротивления) переводится на искусственную характеристику (прямая 3
на рис. 168).
Вследствие превышения моментом нагрузки Мс пускового момента
М„ двигателя и его активного характера груз может опускаться с устано-
вившейся скоростью а>уст2. В этом режиме торможение скольжения асин-
хронного двигателя может изменяться от S' = 1 до S = 2.
Преимуществом такого способа опускания бурового става на забой
является наличие минимального удара или толчка в момент касания буро-
вого инструмента с поверхностью забоя, поскольку усилие двигателя будет
направлено встречно движению бурового става. Применение данного спо-
соба позволит уменьшить время данной операции в общем технологиче-
ском процессе.
Динамическое торможение асинхронного двигателя. Для данного
вида торможения обмотки статора двигатель необходимо отключать от се-
ти переменного тока и подключать к источнику постоянного тока, как это
показано на рис. 168. Обмотка ротора при этом может быть закорочена или
в ее цепь включаются добавочные резисторы с сопротивлением 3.
f.=
б
Рис. 169. Схема динамического торможения асинхронного двигателя (а)
и схема включения обмоток статора (6)
Постоянный ток /п, значение которого может регулироваться рези-
стором 2, протекает по обмоткам статора и создает относительно статора
неподвижное магнитное поле. При вращении ротора в нем наводится ЭДС,
частота которой пропорциональна скорости. Эта ЭДС, в свою очередь, вы-
зывает появление тока в замкнутом контуре обмотки ротора, который соз-
дает магнитный поток, также неподвижный относительно статора.
284
6.6. Теория рабочего процесса адаптивного электромагнитного привода
вращательно-подающего механизма бурового станка
Взаимодействие тока ротора с результирующим магнитным полем
асинхронного двигателя создает тормозной момент, за счет которого дос-
тигается эффект торможения. Двигатель в этом случае работает в режиме
генератора независимо от сети переменного тока, преобразовывая кинети-
ческую энергию движущихся частей электропривода и рабочей машины в
электрическую, которая рассеивается в виде тепла в цепи ротора.
Данный способ не применим в качестве опускания бурового става на
забой, поскольку не дает достаточных возможностей в регулировке скоро-
сти. При этом необходимы устройства для выпрямления напряжения, что
добавляет трудностей.
Итак, для опускания бурового става на забой наиболее рационально
применять способ торможения асинхронного линейного электродвигателя
противовключением, поскольку он позволяет минимизировать ударные на-
грузки на буровой инструмент в момент его касания с поверхностью забоя
и сократить время данной операции в общем технологическом процессе.
Пуск привода подачи в начале бурения
При рассмотрении возможных способов пуска в ход асинхронного
линейного двигателя необходимо учитывать следующие основные поло-
жения: 1) двигатель должен развивать при пуске достаточно большое пус-
ковое усилие, которое должно быть больше статического усилия сопро-
тивления, чтобы ротор двигателя мог прийти в движение и достичь номи-
нальной линейной скорости; 2) величина пускового тока должна быть ог-
раничена таким значением, чтобы не происходило повреждения двигателя
и нарушения нормального режима работы сети; 3) схема пуска должна
быть по возможности простой, а количество и стоимость пусковых уст-
ройств — малыми.
При пуске асинхронного двигателя на холостом ходу в активном со-
противлении его вторичной цепи выделяется тепловая энергия, равная ки-
нетической энергии приводимых во вращение маховых масс, а при пуске
под нагрузкой количество выделяемой энергии соответственно увеличива-
ется. Выделение энергии в первичной цепи обычно оказывается несколько
больше, чем во вторичной.
Наиболее простым способом пуска двигателя с массивным ротором
является включение обмотки его статора непосредственно в сеть, на номи-
нальное напряжение обмотки статора (рис. 170, а). Такой пуск называется
прямым. При этом пусковой ток двигателя /п = (4 7) /н.
Если обмотка статора рассчитана на большие токи, то прямой пуск
возможен, когда сеть достаточно мощна и пусковые токи двигателей не
вызывают недопустимо больших падений напряжения в сети (не более 10-
285
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
15 %). Современные энергетические системы, сети и сетевые трансформа-
торные подстанции обычно имеют такие мощности, что в подавляющем
большинстве случаев возможен прямой пуск асинхронных двигателей. Ес-
ли буровой станок не подключен к достаточно мощной электрической сети
илн работает от дизель-генератора, то такой способ не допустим.
Рис. 170. Схемы способов пуска двигателя с массивным ротором: а прямой;
б — реакторный; в — автотрансформаторный; г — с переключением со звезды
на треугольник
Если по условиям падения напряжения в сети прямой пуск двигателя
невозможен, то применяются различные способы пуска двигателя при по-
ниженном напряжении (рис. 170, б, в, г). Однако при этом пропорциональ-
но квадрату напряжения на зажимах обмотки статора или квадрату пуско-
вого тока двигателя понижается также пусковое усилие, что является не-
достатком пуска при пониженном напряжении.
Реакторный пуск. Такой осуществляется согласно схеме, представ-
ленной на рис. 170, б. Сначала включается выключатель В1, и двигатель
получает питание через трехфазный реактор (реактивную или индуктив-
ную катушку) Р, сопротивление которого хр ограничивает величину пуско-
вого тока. По достижении нормальной скорости вращения включается вы-
ключатель В2, который шунтирует реактор, в результате чего на двигатель
подается нормальное напряжение сети.
286
6.6. Теория рабочего процесса адаптивного электромагнитного привода
вращательно-подающего механизма бурового станка
Пусковые реакторы строятся обычно с ферромагнитным сердечни-
ком и рассчитываются по нагреву только на кратковременную работу, что
позволяет снизить их вес и стоимость. Для весьма мощных двигателей
применяются также реакторы без ферромагнитного сердечника с обмотка-
ми, укрепленными на бетонном каркасе. Выключатель В1 выбирается на
такую отключающую мощность, которая позволяет отключить двигатель
при глухом коротком замыкании за выключателем, а выключатель В2 мо-
жет иметь низкую отключающую мощность.
Если составляющие сопротивления короткого замыкания двигателя
равны гк и хк, то начальный пусковой ток при прямом пуске
а при реакторном пуске, при пренебрежении активным сопротивлением
реактора,
Следовательно, при реакторном пуске начальный пусковой ток
уменьшается в
раз.
Во столько же раз уменьшается также напряжение на зажимах двига-
теля в начальный момент пуска. Начальное пусковое усилие при реактор-
ном пуске Fnp уменьшается по сравнению с моментом при прямом пуске
раз.
В приведенных соотношениях не учитывается изменение величины
хк при изменении величины пускового тока. При необходимости нетрудно
учесть это изменение.
Автотрансформаторный пуск линейного асинхронного трехфазного
двигателя осуществляется по схеме, представленной на рис. 170, б, в сле-
дующем порядке. Сначала включаются выключатели В1 и В2, и на двига-
287
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
тель через автотрансформатор АТ подается пониженное напряжение. По-
сле достижения двигателем определенной скорости выключатель В2 от-
ключается, и двигатель получает пнтанне через часть обмотки автотранс-
форматора АТ, который в этом случае работает как реактор. Наконец
включается выключатель ВЗ, в результате чего двигатель получает полное
напряжение.
Выключатель В1 должен быть выбран на отключающую мощность
при коротком замыкании, а выключатели В2 и ВЗ могут иметь меньшие
отключающие мощности. Пусковые автотрансформаторы рассчитываются
на кратковременную работу. Согласно ГОСТ 3211-46, пусковые авто-
трансформаторы должны иметь ответвления, соответствующие величинам
вторичного напряжения, равным 73, 64 и 55 % [126] от первичного при
прямой схеме включения и 45, 36 и 27 % при обратной схеме включения
(рис. 170). В каждом конкретном случае выбирается подходящая ступень
напряжения.
Пусковой ток в двигателе или на стороне низкого напряжения авто-
трансформатора уменьшается также в кт (коэффициент трансформации ав-
тотрансформатора) раз, а пусковой ток на стороне высокого напряжения
автотрансформатора или в сети уменьшается в . Пусковое усилие Fn,
пропорциональное напряжению на зажимах двигателя, уменьшается также
в Грач.
Таким образом, автотрансформаторный пуск оказывается более бла-
гоприятным для сети, чем реакторный, если сравнение пусков производит-
ся при одинаковых пусковых усилиях. Если же сравнивать пуски при оди-
наковых значениях пускового тока в сети, то пусковое усилие при авто-
трансформаторном пуске будет в к^ раз больше, чем при реакторном.
Однако это преимущество автотрансформаторного пуска достигается
ценой значительного усложнения и удорожания пусковой аппаратуры. По-
этому автотрансформаторный пуск применяется реже реакторного, при
более тяжелых условиях, когда реакторный пуск не обеспечивает необхо-
димого пускового момента.
Пуск переключением «звезда - треугольник» (рис. 170, г) может
применяться в случаях, когда выведены все шесть концов обмотки статора
и двигатель нормально работает с соединением обмотки статора в тре-
угольник, например, когда двигатель на 380/220 Вт и с соединением обмо-
ток Y/A работает от сети 220 Вт. В этом случае при пуске обмотка статора
включается в звезду (нижнее положение переключателя П на рис. 170, г),
а при достижении нормальной скорости вращения переключается в тре-
угольник (верхнее положение переключателя П на рис. 170, г).
288
6.6. Теория рабочего процесса адаптивного электромагнитного привода
вращательно-подающего механизма бурового станка
При таком способе пуска по сравнению с прямым пуском при соеди-
нении обмотки в треугольник напряжение фаз обмоток уменьшается в д/з
раза, пусковой момент уменьшается в (л/з)2 = 3 раза, пусковой ток в фазах
обмотки уменьшается в /з раза, а в сети - в (д/з )2 = 3 раза. Таким образом,
рассматриваемый способ пуска равноценен автотрансформаторному пуску
при АаТ = л/з.
Недостатком этого способа пуска по сравнению с реакторным и ав-
тотрансформаторным является то, что при пусковых переключениях цепь
двигателя разрывается, что связано с возникновением коммутационных
перенапряжений.
Пуск электромагнитного привода подачи бурового станка необходи-
мо осуществлять при опушенном на забой буровом ставе. В связи с этим
нет возможности пуска на холостом ходу. Пуск двигателя будет происхо-
дить под нагрузкой в режиме короткого замыкания, т. е. скорость будет
минимальной. В установившемся режиме (т. е. в процессе бурения) ско-
рость составляет 0 0,3 м/мин. Поэтому очевидно, что пуск должен быть
прямым. Но частота напряжения сети должна регулироваться вниз от час-
тоты напряжения сети. Пуск должен осуществляться при низких частотах
и в процессе бурения частота напряжения должна увеличиваться.
Подача бурового става с буровым инструментом
с заданной скоростью и усилием
при врашеиии с заданной частотой
Способы регулирования скорости поступательного движения ротора
линейного асинхронного двигателя можно подразделить на два класса:
1) регулирование скорости движения первичного магнитного поля, что
достигается либо регулированием первичной частоты/], либо изменением
числа пар полюсов р двигателя; 2) регулирование скольжения двигателя \
при v = const. В первом случае КПД двигателя остается высоким, а во вто-
ром случае КПД снижается тем больше, чем больше sy так как при этом
мощность скольжения теряется во вторичной цепи двигателя.
Регулирование скорости изменением первичной частоты (час-
oiiioe регулирование). Такой способ регулирования требует применения
источников питания с регулируемой частотой (синхронные генераторы с
переменной скоростью вращения, ионные или полупроводниковые преоб-
разователи частоты и др.).
Существенное изменение величины потока Ф при регулировании
скорости нежелательно, так как увеличение Ф против нормального вызы-
вает увеличение насыщения магнитной цепи и сильное увеличение намаг-
ничивающего тока, а уменьшение Ф вызывает недоиспользование маши-
289
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
ны, уменьшение перегрузочной способности и увеличение тока /2 при том
же значении усилия подачи и т. д. Поэтому в большинстве случаев целесо-
образно поддерживать Ф = const. Для этого одновременно с регулировани-
ем частоты пропорционально ей необходимо изменять также напряжение
Ul=El = 4,44/^со1Ло61Ф.
Отступление от этого правила целесообразно только тогда, когда
быстро уменьшается с уменьшением скорости. В этом случае более бы-
строе уменьшение U\ по сравнению с f вызывает уменьшение Ф и улуч-
шает энергетические показатели двигателя. И в то же время уменьшение
F„ с точки зрения перегрузочной способности не опасно.
При широком диапазоне регулирования правильнее поддерживать
f2lf\ - const.
К недостаткам частотного регулирования относится громоздкость и
высокая стоимость питающей установки Но часто буровые станки осна-
щены преобразователями частоты, поэтому данный способ регулирования
является наиболее выгодным и удобным.
Регулирование скорости изменением числа пар полюсов р. Такой
способ регулирования может использоваться для двигателей с массивным
ротором, так как при этом требуется изменять р только для обмотки стато-
ра. Изменять р можно двумя способами: 1) применением на статоре не-
скольких обмоток, которые уложены в общих пазах и имеют разные числа
пар полюсов р; 2) применением обмотки специального типа, которая по-
зволяет получить различные значения р путем изменения (переключения)
схемы соединений обмотки.
Существует значительное количество различных схем обмоток с пе-
реключением числа пар полюсов, однако широкое распространение полу-
чили только некоторые из них. Применение нескольких обмоток невыгод-
но, так как при этом из-за ограниченного места в пазах сечение проводни-
ков каждой из обмоток нужно уменьшать, что приводит к снижению мощ-
ности двигателя. Использование обмоток с переключением числа пар по-
люсов вызывает усложнение коммутационной аппаратуры, в особенности,
если с помощью одной обмотки желают получить более двух скоростей
вращения. Несколько ухудшаются также энергетические показатели двига-
телей.
Каждая фаза обмотки с переключением числа пар полюсов в отно-
шении 2 : 1 (рис. 171) состоит из двух частей, или половинок, с одинако-
вым количеством катушечных групп в каждой части.
Когда обе части обмотки обтекаются токами одинакового направле-
ния, обмотка создает магнитное поле с большим числом полюсов (рис. 170, а,
290
6.6. Теория рабочего процесса адаптивного электромагнитного привода
вращательно-подающего механизма бурового станка
2р = 4), а при изменении направления тока в одной части обмотки на об-
ратное число полюсов уменьшается вдвое (рис. 171, б, в, \р = 2). Подобные
переключения производятся во всех фазах одновременно, и переключае-
мые части обмотки могут соединяться последовательно (рис. 171, а, б) или
параллельно (рис. 171, в).
Рис. 171. Принципиальные схемы одной фазы обмотки
с переключением числа полюсов: а — при 2р = 4; б, в - при 2р = 2
Скорость и усилие подачи бурового станка должны регулироваться
плавно и в широком диапазоне. Таким образом, способ регулирования из-
менением числа пар полюсов ие применим для электромагнитной системы
подачи бурового станка.
Регулирование скорости уменьшением величины первичного
напряжения. При уменьшении U\ момент двигателя изменяется пропор-
ционально Ui, соответственно изменяются механические характеристики
(рис. 172, а, б), в результате чего изменяются также значения рабочих
скольжений. Очевидно, что регулирование 5 в этом случае возможно в
пределах 0 < s <
Для получения достаточно большого диапазона регулирования ско-
рости необходимо, чтобы активное сопротивление цепи ротора и соответ-
ственно sm были достаточно велики (рис. 172, б).
291
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
Поскольку регулирование скорости подачи изменением напряжения
способствует пропорциональному изменению усилия подачи, то не будет
возможности регулировать эти параметры независимо друг от друга. По-
этому для регулирования параметров режимов бурения этот способ ие
подходит.
Рис. 172. Механические характеристики асинхронных двигателей
при различных величинах первичного напряжения
Известны также другие способы регулирования скорости и усилия
подачи. Это способ регулирования асинхронного двигателя с помощью ре-
актора с подмагничиванием постоянным током и способ импульсного ре-
гулирования скорости асинхронного двигателя. Но по причине большей
сложности и недостижимости плавного регулирования, эти способы также
ие подходят для электромагнитной системы подачи бурового станка.
Скачкообразное нли плавное изменение
показателя бурнмостн
Изменение показателя буримости затрудняет или облегчает продви-
жение бурового инструмента сквозь породу. В случае применения элек-
тромагнитного привода подачи бурового стайка эти изменения будут от-
ражаться на изменениях электрических параметров электрической маши-
ны. Изменение нагрузки асинхронной машины приводит к соответствую-
щему изменению скольжения.
Выражение для электромагнитного усилия для линейной асинхрон-
ной машины справедливо для любого режима работы и может быть ис-
пользовано для построения зависимости усилия от скольжения при изме-
нении последнего от +оо до —со (рис. 173).
292
6.6. Теория рабочего процесса адаптивного электромагнитного привода
вращательно-подающего механизма бурового станка
Рассмотрим часть этой характеристики, соответствующую режиму
двигателя, т.е. при скольжении, изменяющемся от 1 до 0. Обозначим уси-
лие, развиваемое двигателем при пуске в ход (5=1) как FnycK. Скольжение,
при котором момент достигает наибольшего значения, называют критиче-
ским скольжением SKp, а наибольшее значение усилия - критическим уси-
лием FKp. Тогда перегрузочная способность двигателя
Рис. 173. Зависимость усилия, создаваемого
линейным асинхронным приводом от скольжения
Критическое усилие FKp и скольжение SKp с учетом электрического
сопротивления вычисляются по выражениям
F=c^
л кр ,, 1 ‘-'Кр
лл2 л2 •
Критический момент не зависит от активного сопротивления ротора,
но зависит от подведенного напряжения. При уменьшении Ui снижается
перегрузочная способность асинхронного двигателя.
Из выражения, известного под названием «формула Клосса», полу-
чим выражение удобное для построения F ~
F _ 2
FкР S/SKp + SKp/S
Если в эту формулу подставить вместо F и S номинальные значения
момента и скольжения (FH и SH), то можно получить соотношение для рас-
чета критического скольжения:
293
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
=s„(x
Участок характеристики (рис. 173), на котором скольжение изменя-
ется от 0 до S^p, соответствует устойчивой работе двигателя. На этом уча-
стке располагается точка номинального режима (FH, S„). В пределах изме-
нения скольжения от 0 до SKp изменение нагрузки на валу двигателя будет
приводить к изменению частоты вращения ротора, изменению скольжения
и вращающего момента. С увеличением момента нагрузки на валу частота
вращения ротора станет меньше, что приведет к увеличению скольжения и
электромагнитного (вращающего) момента. Если момент нагрузки превы-
Рис. 174. Общий вид механической
характеристики линейного
асинхронного привода
сит критический момент, то двигатель остановится.
Участок характеристики, на кото-
ром скольжение изменяется от SKp до 1,
соответствует неустойчивой работе
двигателя. Этот участок характеристики
двигатель проходит при пуске в ход и
при торможении.
Механической характеристикой
линейного асинхронного двигателя яв-
ляется зависимость линейной скорости
ротора в функции от электромагнитного
усилия: v = fiF}. Эту характеристику
(рис. 174) можно получить, используя
зависимость F = J\S) и пересчитав ли-
нейную скорость ротора при разных
значениях скольжения.
Так как 5 = (v0— v)/vfb отсюда v = v(l(l - 5).
При этом линейная скорость магнитного поля
, 60f
где I — длина статора линейного двигателя, м; f— частота напряжения сети,
Гц; р - число пар полюсов статора.
Участок 1 3 соответствует устойчивой работе, участок 3-4 - неус-
тойчивой работе. Точка / соответствует идеальному холостому ходу дви-
гателя, когда п = nv. Точка 2 соответствует номинальному режиму работы
двигателя, ее координаты — F„ и vH. Точка 3 соответствует критическому
осевому усилию FKp и критической линейной скорости ткр. Точка 4 соот-
ветствует пусковому усилию двигателя FnycK. Механическую характери-
294
6.6. Теория рабочего процесса адаптивного электромагнитного привода
вращательно-подающего механизма бурового станка
стику можно рассчитать и построить по паспортным данным. Линейную
скорость для точки 1 можно рассчитать по следующему выражению
, 60/
*0=/-----
р
Точка 2 имеет координаты г„ и F„. Номинальная скорость гн равна
среднему значению скорости бурения в заданном режиме. Номинальное
усилие рассчитывается по формуле
Р I
F„ = Монстр Н-
где Р„ - номинальная мощность.
Точка 3 с координатами FKpvKp. Критическое усилие рассчитывается
по формуле FKp = F^. Перегрузочная способность X задается в паспорте
двигателя vKp = v0(l - 5кр), 5кр = 5„(a ±-Д2 -1), £и = (v0 - vH)/v0 - номиналь-
ное скольжение.
Точка 4 имеет координаты v = 0 и F = FnycK. Пусковое усилие вычис-
ляют по формуле
^*пуск Fи AgjycK,
где Хпуск - кратность пускового усилия, которая должна задаваться в пас-
порте.
Асинхронные двигатели имеют достаточно жесткую ниспадающую
механическую характеристику на участке 1 3, так как скорость ротора мало
зависит от осевой нагрузки. Однако по сравнению с характеристикой гид-
равлического линейного двигателя она является более мягкой и адаптивной.
На рис. 175 показаны режимы работы линейного электромагнитного
привода при плавно изменяющейся и резко возрастающей нагрузке.
Рассмотрим случай плавного увеличения и уменьшения показателя
буримости при бурении однородной по свойствам породы. В начальный
момент двигатель работает в номинальном режиме (рис. 175, точка 2). Прн
увеличении показателя буримости естественным путем снижается ско-
рость бурения и линейная скорость двигателя. При этом скольжение уве-
личивается, и точка рабочего режима перемещается в точку 3. При сниже-
нии показателя буримости скорость бурения и линейная скорость двигате-
ля естественным путем увеличиваются. При этом скольжение двигателя
уменьшается, и точка рабочего режима перемещается из точки 3 в точку 2.
Аналогично точка рабочего режима двигателя смещается в другую
сторону. Если в начальный момент двигатель работает в номинальном ре-
жиме (рис. 175, точка 2) и показатель буримости снижается, то скорость
295
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
ется из точки 1 в точку 2.
Рис. 175. Работа линейного
электромагнитного привода при плавно
изменяющейся и резко возрастающей
нагрузке
бурения и линейная скорость двигателя также естественным путем снижа-
ются. При этом скольжение уменьшается, и точка рабочего режима пере-
мещается в точку 1. Затем при увеличении показателя буримости скорость
бурения и линейная скорость двигателя уменьшаются естественным путем.
Скольжение двигателя увеличивается, и точка рабочего режима перемеща-
Поскольку рабочая часть меха-
нической характеристики является на-
клонной, то в случае резких изменений
показателя буримости и соответствен-
ном изменении линейной скорости по-
дачи бурового става точка рабочего
режима также будет иметь возмож-
ность перемещения. Минимальное
время перемещения точки рабочего
режима будет способствовать умень-
шению ударных нагрузок. Время за-
держки при перемещении точки рабо-
чего режима асинхронной машины ха-
рактеризуется временем переходного
процесса. Самый сложный для обмот-
ки статора переходной процесс из воз-
можных - это внезапно возникший
режим короткого замыкания, т. е. вне-
запное заклинивание и остановка.
В этом случае максимальный ток будет равен 1,2-1,35 от величины
установившегося тока. Такой ток возникнет в одной из фаз примерно че-
рез половину периода колебания переменного тока сети переменного на-
пряжения [131], т. е. время задержки при перемещении точки рабочего ре-
жима асинхронной машины характеризуется временем половины периода
колебания тока сети переменного напряжения. Таким образом, время воз-
можного возникновения ударных нагрузок при частоте напряжения 50 Гц
сокрашается до 0.01 с. Для сравнения отметим, что система с гидравличе-
ским линейным двигателем не реагирует адаптивно и ударные нагрузки
воспринимаются полностью буровым инструментом и буровым ставом.
Для надежной работы шарошечных долот наиболее опасен случай рез-
кого и значительного возрастания нагрузки, причиной которого может быть
соответствующее изменение показателя буримости. При работе электромаг-
нитного привода подачи данная проблема решается следующим образом.
296
6.6. Теория рабочего процесса адаптивного электромагнитного привода
вращательно-подающего механизма бурового станка
В начальный момент двигатель работает в номинальном режиме
(рис. 175, точка 2), точка которого находится недалеко от значения крити-
ческого усилия FKp. Прн резко возрастающей нагрузке скорость бурения и
линейная скорость двигателя увеличиваются естественным путем на вели-
чину Av (рис. 175). При этом режим перемещается из точки 2 в точку 4.
В случае, если линейная скорость уменьшается на значение больше вели-
чины Ду, то режим перемещается из точки 4 в точку 5.
Такой режим работы двигателя сопровождается увеличением токов
вплоть до значения тока короткого замыкания. Высокий ток удерживается
в гаком значении пока не увеличится естественным путем линейная ско-
рость. При длительной задержке точки рабочего режима возможно автома-
тическое регулирование с использованием преобразователя частоты на-
пряжения с целью изменения механической характеристики, в которой ус-
тановившаяся линейная скорость будет равна номинальной.
По указанным причинам при проектировании электромагнитного
привода подачи для бурового станка, работа которого предполагается пре-
имущественно со сложноструктурными массивами, обмотка должна быть
рассчитана на длительные перегрузки и большие токи. А также необходи-
ма система автоматического регулирования режима работы двигателя.
Снижение до нуля скорости вращения
н подачи бурового става (заклинивание)
Снижение скорости бурения до нуля возможно по причине заклини-
вания бурового инструмента при бурении трещиноватых пород либо
вследствие разрушения опор качения шарошек. В первом случае есть не-
обходимость максимального смягчения удара для предотвращения разру-
шения опор шарошек долота, а также для смягчения ударных нагрузок, пе-
редаваемых на буровой став и вращательный механизм. Во втором случае
также есть необходимость смягчения удара для предотвращения оконча-
тельного разрушения опор шарошек и потери шарошки в скважине. Потеря
шарошки требует извлечения металлических частей специальными лови-
телями, что занимает значительное время. Во втором случае также есть
опасность ударных нагрузок, передаваемых на буровой став и вращатель-
ный механизм.
Для данного режима характерно снижение линейной скорости рото-
ра подающего механизма до нуля. Это вызывает внезапный режим корот-
кого замыкания как во вращающем двигателе, так и в электромагнитном
двигателе подачи. При этом механическая характеристика, при которой
двигатель работал до удара, позволяет уменьшить усилие подачи и линей-
ную скорость до нуля, но ток возрастает до токов короткого замыкания.
297
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
В данном режиме существует три задачи: 1. Снизить силу ударных
нагрузок. 2. Снизить токи в обмотках статора. 3. Восстановить вращение с
минимальными перегрузками для долота.
1. При заклинивании асинхронный двигатель как в системе подачи,
так и в системе вращения снижает скорость согласно соотношению сил
инерции и сил сопротивления породы. Если допустить мгновенное закли-
нивание, то вся кинетическая энергия преобразуется в потенциальную
энергию деформации и разрушения породы и металла. Эта энергия опре-
деляется из мощности привода:
N=±=^=»^\ (29)
где N - мощность, передаваемая от привода подачи к буровому инструмен-
ту бурового станка с учетом КПД привода подачи, Вт; ЛЕ - изменение ки-
нетической энергии при продвижении бурового инструмента через породу,
Дж; т — эквивалентная масса, характеризующая массу рабочего органа и
энергию подающего привода, кг; Vi, v2 - скорость равномерного продвиже-
ния бурового инструмента при бурении породы 1 и 2 с соответствующими
физике-механическими свойствами, м/с (здесь порода 2 имеет показатель
буримости больше чем порода 1); t - время переходного процесса, т. е. пе-
риод, за который скорость подачи бурового инструмента изменяется от
значения 1 до значения 2.
Или имеем
где оуд — напряжение, возникающее в металле при ударе, МПа; S площадь
контактной поверхности в подшипниковых узлах или других элементах,
воспринимающих полностью нагрузку удара, мм2.
Условно для пояснения процесса можно применить схему перехода
долота из породы с одним показателем буримости в породу с более высо-
ким показателем буримости (см. рис. 23). В данном случае скорость после
переходного процесса v2 равна нулю.
В выражении (29) кинетическая энергия зависит от ряда факторов:
1) величины мощности; 2) разности скоростей; 3) времени переходного
процесса.
Мощность привода подачи можно регулировать величиной подавае-
мого напряжения. Сложность заключается в малом промежутке времени,
за который необходимо изменить его значение. С данной задачей может
справиться либо автоматическая отсечка напряжения, либо автоматиче-
ский регулятор напряжения.
298
6.6. Теория рабочего процесса адаптивного электромагнитного привода
вращательно-подающего механизма бурового станка
Снижение напряжения наиболее простой и дешевый вариант, но его
применение затрудняет последующий пуск. В этом случае для пуска будет
необходимо поднимать буровой став и забуриваться с вращающимся буро-
вым инструментом и ставом. Автоматический регулятор напряжения мо-
жет значительно снизить мощность, а также смягчить механическую ха-
рактеристику. Снижение мощности позволяет уменьшать силу удара, но
также затрудняет последующий пуск. Заклинивание может быть пройдено
при помощи увеличения напряжения привода вращателя. При этом энергия
удара увеличивается, но облегчается последующий пуск.
Смягчение механической характеристики также позволяет снижать
энергию удара, поскольку в данном случае при увеличении нагрузки ли-
нейная скорость бурового става естественным путем уменьшается и увели-
чивается ток в обмотке.
Все методы, применяемые при регулировании мощности, не решают
в полной мере проблему ударных нагрузок. Например, метод регулирова-
ния напряжения более эффективен в случае предупреждения ударных на-
грузок. Например, если известно, что породы трещиноватые, то необходи-
мо снижать напряжение при сохранении скорости подачи.
Более эффективным при возникших ударных нагрузках и заклинива-
нии является метод регулирования скорости подачи при сохранении мощ-
ности привода. Для этого необходимо применять регулятор частоты на-
пряжения для уменьшения номинальной скорости в автоматическом ре-
жиме. Этот метод позволяет как снизить ударные нагрузки, так и выйти из
режима заклинивания, не прибегая к подъему бурового става.
Время процесса зависит от механических характеристик породы.
Чем меньше показатель буримости, тем больше время процесса торможе-
ния бурового става, а значит пропорционально меньше сила удара. Однако
мы не имеем возможности влиять на показатель буримости породы, но
можем заранее устанавливать номинальную линейную скорость бурового
става с применением регулятора частоты напряжения.
2. Токи в обмотках статора зависят от величины напряжения и ско-
рости подачн.
Ток в обмотке статора как в номинальном режиме, так и в режиме
короткого замыкания находится в прямой зависимости от напряжения и в
обратной зависимости от среднего квадратичного сопротивлений:
Поэтому в случае заклинивания для снижения токов короткого за-
мыкания снижение напряжения в автоматическом режиме является целе-
299
6. Методология проектирования станков
вращательного бурения
сообразным. Однако, как было сказано выше, это затрудняет дальнейший
пуск.
При изменении нагрузки соответственно изменяется скорость пода-
чи, скольжение и ток в обмотке. Уменьшение линейной скорости до нуля
при работе двигателя с определенной механической характеристикой при-
водит к увеличению тока до значения тока короткого замыкания. В этом
случае уменьшение тока осуществляется аналогичными способами, но
также целесообразно применять регулирование частоты напряжения с из-
менением номинальной скорости подачи.
3. Восстановление вращения с минимальными перегрузками воз-
можно в случае сохранения мощности и снижения скорости вращения с
использованием регулятора частоты.
Остановка бурения, подъем и разборка бурового става
Остановка бурения заключается в плавном снижении усилия и ско-
рости подачи, а также частоты вращения с дальнейшим реверсом подаю-
щего привода. В этом режиме есть опасность потери бурового инструмента
в случае повреждения соединительной резьбы в процессе бурения. Поэто-
му подъем целесообразно осуществлять без резких толчков при остановке
для разъема секций бурового става.
Подъем бурового става осуществляется основным линейным двигате-
лем, предназначенным для осуществления его подачи при бурении. Для подъ-
ема двигатель переключается в режим реверса и снижается линейная скорость
одним из способов. Для осуществления плавного подъема, линейную скорость
двигателя целесообразно регулировать изменением напряжения сети, что
обеспечит смягчение рабочей ветви механической характеристики.
300
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных научных исследований была разработана
адаптивная система подачи рабочих органов буровых станков, обеспечи-
вающая повышение производительности буровых работ и стойкости буро-
вого инструмента за счет управления режимами бурения в зависимости
от изменяющихся физико-механических свойств горных пород.
Данная цель была достигнута путем решения следующих задач.
• анализа проблем при использовании существующих систем подачи
рабочих органов буровых станков;
• разработки линейного электромагнитного двигателя для системы
подачи рабочего органа бурового станка;
• разработки лабораторного стенда для испытания и снятия характе-
ристик линейного электромагнитного двигателя, предлагаемого для подачи
бурового органа;
• сравнения технических характеристик и технико-экономических
показателей линейного электромагнитного двигателя с показателями су-
ществующих систем подачи рабочих органов буровых станков:
• оценки ресурса рабочего инструмента при использовании электро-
магнитной системы подачи бурового органа в сравнении с существующи-
ми системами на буровом станке;
• разработки системы управления режимами бурения применитель-
но к изменяющимся физико-механическим свойствам горных пород при
использовании электромагнитной системы подачи бурового става.
В данной работе было рассмотрено современное состояние буровой
техники различных типов для бурения взрывных скважин на карьерах, ис-
следованы особенности работы буровых станков вращательного бурения и
их исполнительных органов при бурении сложноструктурных породных
массивов. Были изучены проблемы разрушения и низкого ресурса рабоче-
го инструмента, а также нагрузки, действующие на него при бурении тех-
нологических скважин. В работе проанализировано напряженное состоя-
ние рабочего инструмента при использовании различных систем подачи,
шарошек при возникновении ударных нагрузок и шарошечного долота
разборной конструкции, а также элементов вращательно-подающего меха-
низма. В ходе исследований разработаны принципы н механизм управле-
ния режимами бурения технологических скважин буровыми станками. Ис-
следованы характеристики электрических машин с целью применения
в качестве привода подачи и привода вращения. В работе представлены
разработанные адаптивный электромагнитный механизм подачи рабочего
301
Заключение
органа бурового станка на основе линейного двигателя постоянного тока и
линейного асинхронного двигателя. Исследованы режимы рабочего про-
цесса адаптивного электромагнитного привода вращательно-подающего
механизма бурового станка.
Было выяснено, что при бурении сложноструктурных пород, имею-
щих слои с разными показателями буримости, напряжение в различных
элементах бурового инструмента зависит от первоначального уровня пока-
зателя буримости и величины прироста показателя буримости. Увеличение
напряжения возникает при переходе на более крепкую породу и доходит
до 50 % и более. Также увеличение напряжения зависит от отношения
прироста показателя буримости к первоначальному значению показателя
буримости. Прн условии одинакового прироста показателя буримости на-
пряжение будет больше в том случае, если первоначальное значение пока-
зателя буримости было меньше. Предел прочности материала тел качения
шарошечных долот при бурении сложноструктурных пород должен быть
на 50 % больше напряжения, возникающего в телах качения шарошечных
долот при бурении породы с неизменным значением показателя буримости
5-7,5.
Разработанная в данной работе методика расчета усталостной проч-
ности, как основного фактора стойкости шарошечных долот позволяет
оценить ресурс шарошечных долот различной конфигурации, рассчиты-
вать стойкость шарошечных долот в зависимости от физико-механических
свойств и их изменения, помогает назначать режимы бурения в зависимо-
сти от физико-механических свойств породы и их изменения. Значения ре-
сурса опор качения шарошечных долот, полученные расчетным путем по
разработанной методике, соответствуют практическим значениям по стой-
кости буровых долот.
Представленные расчетные зависимости наглядно показали, что при
бурении сложноструктурных породных массивов с неизменными парамет-
рами режима бурения снижает стойкость буровых долот в 2 и более раз.
При бурении сложноструктурных горных пород необходимо контролиро-
вать в постоянном режиме физнко-механические свойства породы и регу-
лировать параметры режима бурения.
В ходе исследований определено, что система управления режимами
бурения должна предусматривать регулирование трех основных парамет-
ров, обуславливающих режим процесса бурения: частоту вращения буро-
вого става; усилие подачи бурового става на забой скважины; расходы
сжатого воздуха, необходимого для шламоудаления. Данная система
должна быть адаптивной: своевременно и плавно регулировать частоту
вращения и усилие подачи бурового става, а также расход сжатого воздуха,
302
Заключение
подаваемого в скважину, в зависимости от изменения физико-механи-
ческих свойств в горных породах. Частота вращения, осевое усилие н рас-
ход сжатого воздуха являются основными параметрами, влияющими на
производительность процесса бурения скважин и стойкость бурового ин-
струмента. Регулирование этими параметрами должно быть согласован-
ным и взаимосвязанным, с учетом изменяющихся физико-механических
свойств горных пород. Эффективное функционирование управления сис-
темой «горная порода - буровой инструмент — буровой станок» должно
достигаться созданием специализированных буровых инструментов режу-
ще-вращательного типа, применение которых возможно при меньших уси-
лиях подачи.
Обеспечение максимальной производительности процесса бурения
скважин достигается согласованным управлением регулирования частоты
вращения и осевого бурового става, а также расходом сжатого воздуха, по-
даваемого в скважину с учетом горно-геологических условий. Адаптив-
ность системы управления процессом бурения скважин возможно обеспе-
чить принципиально новыми техническими и технологическими решения-
ми создания механизма подачи бурового става на забой скважины, осно-
ванными на электромагнитном принципе вращения и перемещения рабо-
чих органов.
Экспериментальные исследования позволили предложить конструк-
цию адаптивного механизма подачн рабочего органа в забой скважины с
электромагнитным устройством, обеспечивающим своевременное управ-
ление режимными параметрами процесса бурения.
В работе произведены расчеты электромеханических характеристик
предложенного устройства, связанные с установлением рациональных
конструктивных параметров ее силовой статорной обмотки. Расчеты про-
ведены с использованием программы ANSYS, которая позволила опреде-
лить создаваемое усилие, распределение векторных сил и зон наибольшего
взаимодействия электромагнитных характеристик линейного электродви-
гателя. Проведенные расчеты показали, что для повышения эффективности
исследуемого электромагнитного вращательно-подающего механизма рабоче-
го органа бурового станка необходимо устанавливать рациональные парамет-
ры тока, длины и сечения статорной обмотки линейного электродвигателя.
При разработке адаптивного электромагнитного механизма подачи
рабочего органа бурового станка на основе линейного асинхронного дви-
гателя были получены его расчетно-экспериментальные механические ха-
рактеристики. Было определено, что ориентировочно проектная мощность
подающего электромагнитного двигателя при номинальном усилии 20 т и
30 т, соответственно будет равна 50 и 75 кВт.
303
Заключение
С применением электромагнитного вращательно-подающего меха-
низма на основе асинхронного трехфазиого двигателя с массивным рото-
ром разработаны адаптивные вращательио-подающие механизмы различ-
ных конструктивных исполнений.
В результате исследования режимов работы электромагнитного вра-
щательно-подающего механизма были получены зависимости и характери-
стики, показывающие адаптивное, своевременное реагирование на изме-
няющиеся геологические условия и физико-механические свойства породы.
304
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Воронов, Ю. Е. Совершенствование бурового оборудования разре-
зов / Ю. Е. Воронов. - Кемерово: Кузбасс, гос. ун-т, 1998. - 192 с.
2. Буткин, В.Д. Опыт и развитие технологии силового бурения реза-
нием на карьерах / В.Д. Буткин, А.В. Гилев и [др.]. - М.: МАКС Пресс,
2005. — 313 с.
3. Improving drilling equipment for surface mining / V. Butkin. A. Gilev.
V. Chesnokov [et fl.] I I Russian Mining. - 2003. -№ 6. - C. 40-44.
4. Специализированные долота для буровых работ в карьерах /
В. Д. Буткин, А. В. Гилев, В. Т. Чесноков [и др.] // Горный журнал. - 2004. -
№ 5. - С. 38-42.
5. Результаты испытаний отечественных и зарубежных шарошечных
долот на карьерах АК «АЛРОСА» / Ю. В. Филипповский [и др.] // Акту-
альные проблемы разработки кимберлитовых месторождений: Современ-
ное состояние и перспективы решения: сб. докл. / АК «АЛРОСА». - М.:
Руда и металлы, 2002. - С. 64-70.
6. Буткнн. В.Д. Вопросы модернизации буровой техники и техноло-
гии на современном этапе развития угольных разрезов / В. Д. Буткин,
А. В. Гилев., Г. Н. Шаповаленко и [др.] // Уголь. - 2004. - №10. - С. 34-38
7. Беляев, А. Е. Экспериментально-теоретические основы создания
исполнительных органов для бурения мерзлых сложнсструктурных пород-
ных массивов: автореф. дис. ... д-ра техн, наук / Беляев Александр Евгень-
евич. - Иркутск, 2005. - 42 с.
8. Грибенников, Н. В. Опора шарошечного долота и перспективы ее
развития / Н. В. Грибенников. - Екатеринбург: УРО РАН, 2000. 198 с.
9. Турдахунов, М. М. Совершенствование буровзрывных работ на
карьерах Соколовско-Сарбайского ГПО / М. М. Турдахунов, О. С. Исачен-
ко, Н. Ф. Алешко [и др.] // Горный журнал. - 2004. - № 7. — С. 47—54.
10. Гилев, А. В. Буровой инструмент для карьеров: учеб, пособие по
специальности «Горные машины и оборудование» вузов / А. В. Гилев;
ГАЦМиЗ. - Красноярск, 1998. - 128 с.
11. Разработка и исследование буровых инструментов с дисковы-
ми шарошками для угольных разрезов: отчет о НИР (заключ.): Гос.
№ 01200309829 / Рук. А. В. Гилев; исполн. В. Т. Чесноков и [др.]. -
Красноярск. - 2004. - 66 с.
12. Катанов, Б. А. Основные причины износа шарошечных долот и
пути их снижения / Б. А. Катанов // Горные машины и автоматика. - 2003. -
№2.-С. 13-14.
305
Библиографический список
13. Буткин, В. Д. О способах повышения экономичности буровых
долот с шарошечным вооружением на карьерах / В. Д. Буткин. А. В. Гилев,
Д.Б Нехорошев и [др.] // Современные технологии освоения минеральных
ресурсов: сб. науч. тр. - Красноярск, 2004. Вып. 2.- С. 65-69.
14. Буткин, В. Д. О применении разборных долот режущего типа с
дисково-зубчатым вооружением взамен шарошечных на карьерах в поро-
дах средней и повышенной крепости / В. Д. Буткин, А. В. Гилев, А. М. То-
динов и [др.] И Перспективные материалы, технологии, конструкции, эко-
номика: сб. науч. тр. - Красноярск, 2001. — С. 327-333.
15. Создание специализированных буровых долот для карьеров /
В. Д. Буткнн, А. В. Гилев, В. А. Махиннн [и др.| Г Проблемы освоения ми-
неральной базы Восточной Сибири: сб. науч. тр. / Иркут, гос. техн. ун-т. -
Иркутск, 2004. Вып. 4 - С. 200 204.
16. Гилев, А. В. Вопросы проектирования и рационального примене-
ния буровых долот с дисковыми шарошками / А. В. Гилев, А. Н. Алимцев,
А. В. Реводько // Перспективные технологии и техника для горно-метал-
лургического производства: сб. науч, ст.: в 2 ч. / ГАЦМиЗ. - Красноярск,
1999.-4.1. С. 143-150.
17. Пат. 2165515 Российская Федерация, МПК7 Е21В 10/12. Буровое
дисковое долото скалывающе-раздавливающего типа / Буткин В. Д.,
Гилев А. В. [и др.]; заявитель и патентообладатель Краснояр. гос. акад,
цвет. мет. и золота. - № 98121397/03; заявл. 20.11.98; опубл. 20.04.01, Бюл.
№ 11.-8 с.
18. Пат. 2178057 Российская Федерация, МПК7 Е21В 10/12. Буровое
долото режуще-скалывающего действия / Буткин В. Д., Гилев А. В. [и др.];
заявитель и патентообладатель Краснояр. гос. акад. цвет. мет. и золота. -
№ 99114638/03; заявл. 06.07.99; опубл. 10.01.02, Бюл. № 1. - 4 с.
19. Пат. 2182213 Российская Федерация, МПК7 Е21В 10/20, 10/18.
Буровое долото шарошечного типа / Буткин В. Д., Гилев А. В., Чесноков В. Т.
[и др.]; заявитель и патентообладатель Краснояр. гос. акад. цвет. мет. и зо-
лота. -№ 2001102064/03; заявл. 23.01.01; опубл. 10.05.02, Бюл. № 13. - 5 с.
20. Гилев, А. В. Буровой инструмент для крепких пород ' А. В. Ги-
лев. В. Д. Буткин, Д. В. Висляков // Современные технологии освоения ми-
неральных ресурсов: сб. науч. тр. / ГУЦМиЗ. Красноярск, 2004 - Вып. 2. —
С. 110 113.
21. Буткин, В. Д. Технология и техника разрушения горных пород на
карьерах. Теория и технология взрывных работ: учеб, пособие / В. Д. Бут-
кин, А. В. Гилев; ГАЦМиЗ. - Красноярск, 1999. 176 с.
22. Пат. 2191245 Российская Федерация, МПК7 Е21В 10/22. Опорное
устройство бурового шарошечного долота / Буткин В. Д., Гилев А. В., Ги-
306
Библиографический список
лев Р. А. [и др.]: заявитель и патентообладатель Краснояр. гос. акад. цвет,
мет. и золота. - № 2001119885/03; заявл. 17.07.01; опубл. 20.10.02. Бюл.
№ 29. 6 с.
23. Пат. 2228423 Российская Федерация, МПК7 Е21В 10/20, 10/22.
Буровое долото / Буткин В. Д., Гилев А. В., Реводько А. В. [и др.]; заяви-
тель и патентообладатель Краснояр. гос. акад. цвет. мет. и золота.
№ 2002110085/03; заявл. 16.04.02; опубл. 10.05.04, Бюл. № 13. — 6 с.
24. Решение о выдаче патента №2003137271/03 Российская Федера-
ция. МПК7 Е21В 10/20, 10/22. Буровое шарошечное долото / В.Д. Буткин,
А.В. Гилев, В.Т. Чесноков [и др.] заявл. 24.12.03. Решение от 9.12.04.
25. Надежность технических систем / под общ. ред. Е. В. Сугака,
Н. В. Василенко. - Красноярск: НИИ СУВПТ. 2000. 608 с.
26. Буткин, В.Д. Проектирование буровых долот для открытых, зем-
ляных и строительных работ / В.Д. Буткин, А.В. Гилев и [др.]. - М.: МАКС
Пресс, 2005. - 240 с.
27. Международный транслятор-справочник. Буровой породоразру-
шающий инструмент: в 2 т. Т. 1. Шарошечные долота / под науч. ред.
В. Я. Кершенбаума, А. В. Торгашова, А. Г. Мессера. - М.: Недра, 2003. -
253 с.
28. Катанов, Б. А. Буровые долота с подвижными породоразрушаю-
щими элементами / Б. А. Катанов. - Уголь. - 2003. —№ 10. - С. 42—44.
29. Катанов, Б. А. Развитие компоновочных схем режуще-
шарошечных долот / Б. А. Катанов И Вести. Кузбас. гос. тех. ун-та. - Кеме-
рово, - 2004. -№ 61 (43). - С. 55-57.
30. Решение о выдаче патента № 2003131924/03 (034183) Россий-
ская Федерация, МПК Е21В 10/62, 10/12. Буровое долото с перемен-
ным породоразрушающим вооружением / Буткин В. Д., Гилев А. В.,
Чесноков В. Т. [и др.]; заявитель и патентообладатель Краснояр. гос. акад,
цвет. мет. и золота. - заявл. 30.10.03 3 с.
31. Пат. 2149974 Российская Федерация, МПК7 Е21В 10/12. Способ
вторичного использования буровых долот / Чесноков В. Т., Буткин В. Д.,
Гилев А. В. [и др.]; заявитель и патентообладатель Краснояр. гос. акад,
цвет. мет. и золота. - № 98113670/03; заявл. 06.07.98; опубл. 27.05.00. Бюл.
№ 15.-3 с.
32. Пат. 2208121 Российская Федерация, МПК"’ Е21В 10/14. Способ
реставрации изношенных шарошечных долот в режущие / Буткин В. Д., Ги-
лев А. В., Чесноков В. Т. [и др.]; заявитель и патентообладатель ГАЦМиЗ.
№ 2001119884/03; заявл. 17.07.01; опубл. 10.07.01, Бюл. № 19. - 3 с.
33. Технике-экономическая оценка восстановления шарошечных до-
лот на основе их опытно-промышленных испытаний / А. В. Гилев [и др.] /
307
Библиографический список
Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика: сб. науч,
тр.; под общ. ред. В. В. Стацуры ГАЦМиЗ.- Красноярск, 2002 - Вып. 8. -
4.2.— С. I]4-116
34. Гнлёв, А.В. Научно-технические основы специализированных
буровых инструментов и технологий их применения на карьерах: дис. ...
на соиск. ученой степени д-ра техн, наук / Гилёв Анатолий Владимирович.
Красноярск, 2005. - 386 с.
35. Буткин, В.Д. Основы техники и технологии бурения горных по-
род на карьерах: учеб.пособие / В. Д. Буткин, А. В. Гилев; ГАЦМиЗ. —
Красноярск, 1995. - 208 с.
36. Открытые горные работы.: справ. / К.Н. Трубецкой [и др.] - М.:
Горное бюро. 1994. - 599 с.
37. Подэрнн, Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых ра-
бот: учеб, пособие. — 4-е изд. - М.: изд-во МГГУ. 2001. - 422 с.
38. Техника, технология и опыт бурения скважин на карьерах / под
ред. В.А. Перетолчина. - М.: Недра, 1993. - 286 с.
39. Решетов, Д.Н. Детали машин: учебник для студ. Машиностроит.
и механ. Спец, вузов. - 4-е изд. - М.: Машиностроение, 1989. - 496 с.
40. Проектирование буровых инструментов для открытых горных,
земляных и строительных работ: монография / В. Д. Буткин, А. В. Ги-
лёв [и др.] М.: МАКС Пресс, 2005. - 240 с.
41. Техника, технология и опыт бурения скважин на карьерах / под
ред. В. А. Перетолчина. - М.: Недра, 1993. - 286 с.
42. Анурьев, В. И. Справочник конструктора-машиностроителя:
в 3 т. - 8-е изд., перераб. и доп. Под ред. И. Н. Жестковой. - М.: Машино-
строение, 2001, Т.2. 912с.
43. Решетов, Д.Н. Детали машин: учебник для студ. Машиностроит.
и механ. спец, вузов. - 4-е изд. - М.: Машиностроение, 1989. - 496 с.
44. О критерии усталостной прочности зубьев шарошек / В. Н. Вино-
градов [и др.] Долговечность газонефтепромыслового оборудования и ин-
струмента: Тр. МИНХиГП. - М.: - Недра, 1968. Вып. 81 — С. 20-25.
45. Арцимович, Г. В. Механофизические основы создания породо-
разрушаюшего инструмента / Г. В. Арпнмович. — Новосибирск: Наука.
1985. - 268 с.
46. Арцимович, Г. В. Исследование и разработка породоразрушаю-
щего инструмента для бурения / Г. В. Арцимович, Е. П. Поладко, И. А. Свеш-
ников. Новосибирск: Наука, 1978. 182 с.
47. Бабенков, И.С. Исследование взаимодействия бурового инструмен-
та и породы методом фотоупругости / И. С. Бабенков, К. И. Иванов,
Г. Л. Хесин. - М.: Недра, 1970. - 128 с.
308
Библиографический список
48. Барон, Л. И. Износ инструмента при резании горных пород /
Л. И. Барон, Л. Б. Глатман. - М.: Недра, 1969. - 168 с.
49. Блохин, В. С. Повышение эффективности бурового инструмента '
В. С. Блохин. — К.: Техшка, 1982. - 160 с.
50. Виноградов, В. Н. Абразивное изнашивание бурильного инстру-
мента / В. Н. Виноградов, Г. М. Сорокин, В. А. Доценко - М.: Недра, 1980.
207 с.
51. Катанов, Б. А. Режущий буровой инструмент (расчет и проекти-
рование) / Б. А. Катанов, М. С. Сафохин - М.: Машиностроение, 1976. -
168 с.
52. Катанов, Б. А. Инструмент для бурения взрывных скважин на
карьерах / Б. А. Катанов, М. С. Сафохин — М.: Недра. 1989. - 173 с.
53. Крылов, К. А. Повышение долговечности и эффективности буро-
вых долот / К. А. Крылов, О. А. Стрельцова. - М.: Недра, 1983. - 206 с.
54. Посташ, С. А. Повышение надежности и работоспособности ша-
рошечных долот / С. А. Посташ. - М.: Недра, 1982. - 120 с.
55. Надежность технических систем / под общ. ред. Е. В. Су гака,
Н. В. Василенко. - Красноярск: НИИ СУВПТ, 2000. - 608 с.
56. Дмитрюк, Г. Н. Надежность механических систем / Г. Н. Дмит-
рюк, И. Б. Пясик. — М.: Машиностроение, 1966. — 184 с.
57. Трехмерные задачи математической теории упругости и термо-
упругости / под общ. ред. В. Д. Купрадзе. - М.: Наука, 1976. - 664 с.
58. Бнргер, И. А Расчет на прочность деталей машин / И. А. Биргер,
Б. Ф. Шорр, Г. Б. Иоснлевич. - М.: Машиностроение, 1993. - 640 с.
59. Писаренко, Г. С. Справочник по сопротивлению материалов /
Г. С. Писаренко, А. П. Яковлев, В. В. Матвеев. К.: Наукова думка, 1988. -
736 с.
60. Биргер, И. А Сопротивление материалов ' И. А Биргер, Р. Р. Мав-
лютов. - М.: Наука, 1986. - 560 с.
61. Краткий справочник конструктора нестандартного оборудования,
в 2 т. / В. И. Бакуменко, В. А. Бондаренко, С. Н. Косоруков [и др.]; под
общ. ред. В. И. Бакуменко. — М.: Машиностроение, 1997. Т. 2. - 524 с.
62. Гнеденко, Б. В. Математические методы в теории надежности /
Б. В. Гнеденко, Ю. К. Беляев, А. Д. Соловьев. - М.: Наука, 1965. - 524 с.
63. Барлоу, Р. Статистическая теория надежности и испытания на
безотказность / Р. Барлоу, Ф. Прошан. - М.: Наука, 1984. - 328 с.
64. Дедков, В. К. Основные вопросы эксплуатации сложных систем /
В. К. Дедков, Н. А. Северцев. М.: Высш, шк., 1976. - 406 с.
65. Барзилович, Е. Ю. Модели технического обслуживания сложных
систем / Е. Ю. Барзилович. - М.: Высш, шк., 1982. - 231 с.
309
Библиографический список
66. Проннков, А. С. Научные проблемы и разработка методов повы-
шения надежности машин / А. С. Проников /.' Проблемы надежности и ре-
сурса в машиностроении. - М.: Наука, 1986. С. 87-101.
67. Болотин, В. В. Ресурс машин и конструкций / В. В. Болотин. -
М.: Машиностроение, 1990. -448 с.
68. Черепанов, Г. П. Механика разрушения горных пород в процессе
бурения / Г. П. Черепанов. — М.: Недра, 1987. — 308 с.
69. Черепанов, Г. П. Механика хрупкого разрушения / Г. П. Черепа-
нов. - М.: Наука, 1974. — 640 с.
70. Партон, В. 3. Механика упруго-пластического разрушения /
В. 3. Партон, Е.М. Морозов. М.: Наука. 1985. - 504 с.
71. Элняшевский. И. В. Типовые задачи и расчеты в бурении /
И. В. Элияшевский, М. Н. Сторонский, Я. М. Орсуляк. — М.: Недра, 1982. -
296 с.
72. Фролов, К. В. Проблема безопасности сложных технических
систем / К. В. Фролов, Н. А. Махутов // Проблемы машиностроения и на-
дежности машин. 1992. - № 5. - С. 3 11.
73. Легасов, В. А. Научные проблемы безопасности техносферы //
Безопасность труда в промышленности / В. А. Легасов, Б. Б. Чайванов,
А. Н. Черноплеков - 1988. -№ 1. —С. 44-51.
74. Белов, П. Г. Теоретические основы системной инженерии безо-
пасности / П. Г. Белов. - М.: МИБ СТС, 1996. 424 с.
75. Махутов, Н. А. Проблемы обеспечения безопасности сложных
технических систем / Н. А. Махутов, Ю. С. Карабасов, Н. И. Бурдаков [и др.] //
Нелинейные задачи динамики машин. — М.: Наука, 1992. - С. 167—178.
76. Матвиенко, Ю. Г. Детерминированный анализ безопасности, жи-
вучести и остаточного ресурса по критериям механики трещин ) Ю. Г. Мат-
виенко // Заводская лаборатория. - 1997. — № 6. — С. 52—58.
77. Махутов, Н. А. Принципы повышения безопасности сложных
технических систем / Н. А. Махутов, А. Г. Котоусов // Защита металлов. —
1996. - № 4. - С. 346-351.
78. Махутов, Н. А. Подходы механики разрушения в концепции ин-
женерной безопасности / Н. А. Махутов, Ю. Г. Матвиенко // Физико-
химическая механика материалов. — 1996. — № 2. — С. 35 42.
79. Советов, Г. А. Эксплуатация инструмента для бурения взрывных
скважин / Г. А. Советов. — М.: Цветметинформация, 1978. — 48 с.
80. Повышение долговечности опор буровых шарошечных долот за
счет применения конических роликовых подшипников / А. В. Браженцев,
В. П. Браженцев, Н. А. Жидовцев, Э. С. Гинзбург. — М.: Цинтихимнефте-
маш, 1990. - 32 с.
ЗЮ
Библиографический список
81. Федоров, Д. И. Рабочие органы землеройных машин / Д. И. Фе-
доров. - М.: Машиностроение. 1989. - 368 с.
82. Зилова, Т. К. Замедленное разрушение материалов и влияние за-
паса упругой энергии / Т. К. Зилова, Я. Б. Фридман. - В кн.: Вопросы проч-
ности материалов и конструкций. - М.: Изд-во АН СССР, 1959. - С. 63—81.
83. Колосков, В. Н. Безредукторный привод горных машин и меха-
низмов / В. Н. Колосков. - Красноярск: изд-во Универе. - 1993 — 271 с.
84. Жуковский, А. А. Приводы и системы управления буровых стан-
ков для карьеров / А. А. Жуковский. - М.: Недра, 1990. — 223 с.
85. Физические основы и методы получения магнитного поля [Элек-
тронный ресурс] : учеб. / Моск. физ.-техн. ин-т. — Электрон. Режим дос-
тупа http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=l 165397&uri=page2.html.
86. Электрические сети [Электронный ресурс]: Режим доступа:
http://leg.co.ua/info/elektricheskie-mashiny/asinhronnyy-dvigatel-s-massivnym-
rotorom.html.
87. Как самому рассчитать и сделать электродвигатель / Н.В. Вино-
градов [и др.].— Изд. 3-е, перераб. и доп. М., Энергия, 1974. 168 с.
88. Опыт и развитие технологии силового бурения резанием на карь-
ерах: монография / В. Д. Буткин, А. В. Гилев, В. Т. Чесноков [и др ]. - М.:
МАКС Пресс, 2005. - 304 с.
89. Воронов, Ю. Е. Совершенствование бурового оборудования раз-
резов / Ю. Е. Воронов. Кемерово: Кузбас. гос. ун-т, 1998. - 192 с.
90. Открытые горные работы: справ. / К. Н. Трубецкой. М. Г. Пота-
пов, К. Е. Виницкий [и др.]. - М.: Горное бюро, 1994. — 590 с.
91. Танайно, А. С. Состояние и перспективы ударно-вращательного
бурения взрывных скважин на карьерах / А. С. Танайно, А. А. Липин // Фи-
зико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 2004.
№ 2. - С. 82-86.
92. Подэрни, Р. Ю. Станки вращательного бурения на угольных раз-
резах РФ: каталог-справ. «Горная техника» / Р. Ю. Подэрни. - 2008. -
С. 36-41.
93. Справочник механика открытых работ. Экскавационно-транс-
портные машины цикличного действия / под ред. М. И. Щадова и Р. Ю. По-
дэрни. - М.: Недра, 1989. — 374 с.
94. Подэрни, Р. Ю. Станки вращательного бурения взрывных сква-
жин на открытых работах за рубежом / Р. Ю. Подэрни // Горное оборудо-
вание и электромеханика. - 2006. № 12. С. 20-24.
95. Катанов, Б. А. Карьерные буровые станки: каталог-справ. «Гор-
ная техника» / Б. А. Катанов. - 2007. - С. 122-130.
311
Библиографический список
96. Подэрни, Р. Ю. Основные концепции создания бурового станка
нового технического уровня / Р. Ю. Подэрни. М Р. Хромой // Горный
журнал, 1994. № 3. - С. 35-39.
97. Катанов, Б. А. Основные причины износа шарошечных долот и
пути его снижения / Б. А. Катанов // Горные машины и автоматика. - 2003. -
№2. - С. 13-14.
98. Проектирование буровых инструментов для открытых горных,
земляных и строительных работ: монография / В. Д. Буткин, А. В. Гилев,
С. В. Доронин [и др.]: М.: МАКС Пресс, 2003 - 240 с.
99. Гилев, А. В. Буровой инструмент для карьеров: учеб, пособие /
А. В. Гилев. - Красноярск: ГАЦМиЗ, 1998. - 128 с.
100. Катанов. Б. А. Современное состояние и перспективы развития
бурового оборудования карьеров в условиях Кузбасса / Б. А. Катанов И
Горное оборудование и электромеханика. - 2006. - № 12.-е. 25-27.
101. Катанов, Б. А. О новом типаже буровых станков для открытых
горных работ / Б. А. Катанов, Ю. Е. Воронов И Уголь. - 1998. - № 7. -
С. 24-26.
102. Кутузов, Б. Н. Теория, техника и технология буровых работ /
Б. Н. Кутузов. - М.: Недра, 1972. - 312 с.
103. Техника, технология и опыт бурения скважин на карьерах / под
ред. В. А. Перетолчина. М.: Недра, 1993. - 286 с.
104. Страбыкин, Н. Н. Направление повышения эффективности ис-
пользования и создание новой буровой техники для карьеров Сибири и
Севера / Н. Н. Страбыкин, А. Е. Беляев // Горные машины и автоматика. -
2001.- №8.-С. 22 26.
105. Справочник по буровзрывным работам / М. Ф. Друкованый,
Л. В. Дубнов [и др.]. М.: Недра, 1976. 631 с.
106. Подерни, Р. Ю. Горные машины и комплексы для открытых
горных работ: в 2 т. / Р. Ю. Подерни. - 4-е изд. - М.: Изд. Моск. гос. горн,
ун-та, 1999. - 422 с.
107. Буткин, В. Д. Техника и технология разрушения горных пород
на карьерах. Бурение взрывных скважин и основы взрыва и взрывчатых
веществ: учеб, пособие В. Д. Буткин. А. В. Гилев. - Красноярск: ГАЦМиЗ.
1998.- 136 с.
108. Протасов, Ю И. Разрушение горных пород / Ю. И. Протасов. -
2-е изд., стер. - М.: Изд-во Моск. гос. ун-та, 2001. - 453 с.
109. Кирсанов, А. Н. Буровые машины и механизмы: учебник для
геологоразведочных вузов / А. Н. Кирсанов [и др.]. - М., Недра, 1981. - 448 с.
ПО. Симкин, Б. А. Справочник по бурению на карьерах / Б. А. Сим-
кин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра 1990. - 224 с.
312
Библиографический список
111. Кардышев, В. Г. Технологические требования к основным узлам
буровых станков / В. Г. Кардышев // Разведка и охрана недр. 1971. - № 1. -
С. 32 36 с.
112. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей
[Электронный ресурс]: Режим доступа: http://www.masters.donntu.edu. иа/
2007/fema/berezhnoy/library/a5.html.
113. Буль, О. Б. Методы расчета магнитных систем электрических
аппаратов: программа ANSYS / О. Б. Буль - М., Академия, 2006. - 288 с.
114. Виглеб, Г. Датчики / Г. Виглеб. пер. с нем. М. А Хацернова. —
М., Мир, 1989. 192 с.
115. Козлов, В. Л. Оптоэлектронные датчики: конспект лекций /
В. Л. Козлов. - Мн.. Белгосуниверситет. 2005. - 116 с.
116. Алексеев, В. В. Автоматизированный электропривод станков
шарошечного бурения: учеб, пособие / В. В. Алексеев [и др.]. - СПб., 1997. -
49 с.
117. Козловский, Е. А. Автоматизация процесса геологоразведочного
бурения / Е. А. Козловский [и др.]. — М., Недра, 1977. - 357 с.
118. А.с. 959468 СССР МПК 7 Е21В1/30, E02F5/18. Буровой пневмо-
ударный самодвижущийся снаряд для проходки скважин в неуплотияемых
горных породах / В. В Каменский., Э. П. Вариелло, Ю. И. Алкасаров,
Ю. М. Волков, Н. С. Лавров (СССР). - № 2917190/03; заявл. 25.04.80,
опубл. 20.02. 00, Бюл. № 12. - 2 с.
119. Корнилова, Н. И Буровой инструмент для геологоразведочных
скважин: учебник ' Н. И. Корнилова. - М: изд-во Недра, 1990. — 395 с.
120. Подэрни, Р. Ю. Горные машины и комплексы / Р. Ю. Подэрии. -
М.: Недра, 1971.
121. Подэрни, Р. Ю. Горные машины и комплексы для открытых ра-
бот: учебник для вузов. / Р. Ю. Подэрии. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.:
Недра, 1985. - 544 с.
122. Специальные стали: учебник для вузов / М. И. Гольдштейн,
С. В. Грачев, Ю. Г. Векслер. - М.: Металлургия, 1985. - 408 с.
123. Гилев, А. В. Адаптивная система подачи рабочих органов буро-
вых станков / А. В. Гилев, А. О. Шигин [и др.] // Фундаментальные иссле-
дования. - № 11,2010. 4 с.
124. Шигин, А. О. Основные принципы адаптивной системы подачи
рабочих органов буровых станков / А. О. Шигин // Вест, машиностроения.
2011. №5.-3 с.
125. Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники /
Л. А. Бессонов. - М.: Высш. шк. 1996. - 638 с.
313
Библиографический список
126. Вольдек, А. И. Электрические машины: Машины переменного
тока / А. И. Вольдек, Д. А. Попов. СПб.: Высш, шк.: Питер. 2007. - 350 с.
127. Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники / Л. А. Бес-
сонов. - изд. 9, перераб. и доп. — М.: Высш, шк., 1996. - 638 с.
128. Китаев, В. Е. Электротехника с основами промышленной элек-
троники: учебник для проф.-техн. учеб, заведений / В. Е. Китаев, Л. С. Шля-
пинтох. — Изд. 3-е, переработ, и доп. — М.: Высш, шк., 1973. — 360 с.
129. Ямамура, С. Теория линейных асинхронных двигателей /
С. Ямамура. - Энергоатомиздат, 1983.
130. Проектирование электрических машин ' под ред. И. П. Копыло-
ва. - М.: Энергия, 1980.
131. Сергеев, П. С. Электрические машины / П. С. Сергеев. - М.-Л.:
Госэнергоиздат, 1962. - 280 с.
132. Шигин, А. О. Теория рабочего процесса электромагнитного
привода вращательно-подающего механизма бурового станка при бурении
сложноструктурных горных массивов / А. О. Шнгин, А.В. Гилев И Фунда-
ментальные исследования. - 2012. - № 9 (часть 2). — С. 375-380.
314
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ......................................... 3
1. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ДЛЯ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ........................... 5
1.1. Объемы и способы бурения на карьерах........... 5
1.2. Буровые станки. Развитие и современное состояние. 10
2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ
СТАНКОВ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ
ДЛЯ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ ПОРОДНЫХ МАССИВОВ........... 25
2.1. Буровой инструмент для вращательного бурения.. 25
2.2. Пути совершенствования исполнительных органов
станков вращательного бурения
для сложноструктурных породных массивов....... 40
3. НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ, ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ
И СОЗДАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ
БУРОВЫХ СТАНКОВ ДЛЯ КАРЬЕРОВ....................... 44
3.1. Анализ проблемы разрушения и низкого ресурса
рабочего инструмента при бурении технологических скважин 44
3.2. Нагрузки на породоразрушающий инструмент
при бурении сложноструктурных горных пород....... 60
3.3. Методика расчета усталостной прочности, как основного
фактора стойкости шарошечных долот............... 70
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
СОЗДАНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ ДЛЯ БУРЕНИЯ
СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ ПОРОДНЫХ МАССИВОВ................ 82
4.1. Напряженно-деформированное состояние
рабочего инструмента при использовании различных
систем подачи и разработка рекомендаций....... 82
4.2. Напряженно-деформированное состояние шарошек
при возникновении ударных нагрузок................. 112
4.3. Напряженное состояние шарошечного долота
разборной конструкции........................... 126
4.4. Напряженно-деформированное состояние элементов
вращательно-подающего механизма................. 131
315
Оглавление
5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ
И УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМАМИ СТАНКОВ
ШАРОШЕЧНОГО БУРЕНИЯ.................................. 146
5.1. Разработка принпипов управления режимами бурения
технологических скважин буровыми станками............ 146
5.2. Разработка механизма управления режимами бурения
буровыми станками.................................... 165
5.3. Исследование характеристик электрических машин
с целью применения в качестве привода подачи
и привода вращения................................... 194
6. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТАНКОВ
ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ................................ 202
6.1. Анализ конструкций и применения линейных
электродвигателей для адаптивной системы подачи
бурового станка..................................... 202
6.2. Разработка адаптивного электромагнитного механизма подачи
рабочего органа бурового станка на основе линейного
двигателя постоянного тока...................... 231
6.3. Разработка рабочего органа бурового станка
с электромагнитной системой подачи постоянного тока.. 248
6.4. Определение силовых параметров электромагнитного привода
подачи постоянного тока.............................. 255
6.5. Разработка адаптивного электромагнитного механизма подачн
рабочего органа бурового станка на основе линейного
асинхронного двигателя............................. — 261
6.6. Теория рабочего процесса адаптивного
электромагнитного привода вращательно-подающего
механизма бурового станка............................ 275
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................... 301
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................. 305
316
Научное издание
Гилев Анатолий Владимирович
Шигин Андрей Олегович
Буткин Владимир Дмитриевич
ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ОРГАНОВ
И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ
БУРОВЫХ СТАНКОВ
ДЛЯ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ
ГОРНЫХ МАССИВОВ
Монография
Редактор Л. X. Бочкарева
Корректор А. В. Прохоренко
Компьютерная верстка Н. Г. Дербенёвой
Подписано в печать 01.09.2012. Печать плоская. Формат 60*84/16
Бумага офсетная. Ус л. печ. л. 20,0. Тираж 100 экз. Заказ № 7535
Редакционно-издательский отдел
Библиотечно-издательского комплекса
Сибирского федерального университета
660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79
Тел./факс (391) 206-21-49, e-mail: rio@lan.kras.ru
Отпечатано Полиграфическим центром
Библиотечно-издательского комплекса
Сибирского федерального университета
660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а
Тел./факс (391) 206-26-58,206-26-49
E-mail: print_sfu@mail.ru; http://lib.sfu-kras.ru