Исследование влияния режимов работы на скорость бурения и энергозатраты станков шарошечного бурения типа СБШ-250

- © В.А. Громадский, 2014

УДК 622.002.5

В.А. Громадский

исследование влияния режимов работы на скорость бурения и энергозатраты станков шарошечного бурения типа сбш-250

Выполнено моделирование колебаний бурового става длиной l = 16 м (с двумя тяжелыми штангами по 8 м 0 215x51,5 мм) с учетом износа штанг осуществленное в среде Solid Works Simulation Premium. Рассмотрено влияние режимов работы на скорость бурения и энергозатраты станков шарошечного бурения типа СБШ-250. Выполнены проверочные эксперименты, даны рекомендации выбора рациональных режимов бурения.

Ключевые слова: pежимы работы, скорость бурения, энергозатраты.

Проблема и ее связь с практическими задачами. Существенной проблемой станков шарошечного бурения является появление непредсказуемых для машинистов экстремальных условий работы машины. Они сопровождаются экстремальными нагрузками, выходами из строя конструктивных элементов станка, значительным увеличением вибрации рабочего места оператора, в несколько раз превышающей санитарные нормы. При этом снижается скорость бурения, увеличивается износ бурового инструмента. Чаще всего такие режимы появляются при бурении буровыми ставами длиной l = 16 м.

Анализ исследований и публикаций. В работе [1] на основании анализа литературных источников авторы делают вывод о том, что рациональные режимы станков шарошечного бурения должны выбираться на основе анализа технико-экономических показателей их работы за счет увеличения усилия подачи и числа оборотов бурового става, улучшения очистки забоя от продуктов разрушения. При этом увеличивается скорость бурения и производительность станка. В то же время при работе буровых станков на форсированных режимах увеличивается износ бурового инструмента

и снижается надежность работы этих машин. Причем могут сложиться такие сочетания осевого усилия бурового става и числа его оборотов, что буровой став теряет вибрационную устойчивость [2]. Возникает интенсивная вибрация бурового става и всего станка в целом.

Постановка задачи. Экспериментальные исследования влияния вибрационной устойчивости бурового става на скорость бурения и энергозатраты при работе станка шарошечного бурения.

Изложение материала и результаты. При исследовании вибрации бурового станка в зависимости от режимов бурения осуществлялось моделирование амплитуд колебаний бурового става сравнения их величин с зазором между стенкой скважины и поверхностью штанг.

Моделирование колебаний бурового става } = 16 м (с двумя тяжелыми штангами по 8 м 0 215x51,5 мм) с учетом износа штанг осуществляется в среде Solid Works Simulation Premium с помощью приложения FFEPlus. На рис. 1 показана конструктивная схема бурового става к построению компьютерной модели.

В процессе бурения поверхность бурового става изнашивается нерав-

с);

о.

п,

Мш «ДОИ

рис. 1. конструктивная схема к построению компьютерной модели бурового става с учетом износа

рис. 2. эпюры линейной динамики вращения бурового става по оси z длиной

16 м: а) 1-я мода; Ь) 2 -я мода; с) 3-я мода

номерно по длине става. Вблизи долота износ больше, в верхней части штанги меньше. Причем первая штанга изнашивается более интенсивно, чем вторая и третья, поэтому в про-

цессе эксплуатации осуществляют ротацию штанг (меняют их местами). В этой связи перед началом моделирования осуществляется измерение диаметров штанг по длине става.

Таблица 1

Список режимов

Имя исследования: буровая штанга станка УСБШ-250А, нар. 0215 мм, длина /=16 м, Р„ =220 кН, бурение скваж. 0244,5 мм, частоты вращения п=30-130 об(мин (0,5-2,17 Гц) города крепостью 1^16-20

Режим No. Частотный

1-ОСЪ X 11.842 1.8847 0.5306

1 -ось у 11,843 1.8349 0.53054

2-осьх 47.296 7.5274 0.13285

2-ось у 47.319 7.5311 0,13278

3 - ОСЬ X 10617 16.897 0.059183

3-ось у 106,29 16,916 0.059114

i lit _1 '

max зазор между штангой и стенкой скважины S = 14,75 мм ,v и г взаимно перпендикулярные горизонтальные оси.

Таблица 2

оценка энергозатрат при бурении в дорезонансном режиме, при резонансе бурового става и заштыбовке скважины

№ п/п Режим бурения Число оборотов, n, мин-1 Ток, потребляемый вращателем, I, А Напряжение на вращателе, U, В Мощность, потребляемая вращателем, W, кВт

1 нормальный 99 100 233 23,3

2 резонансный" 113 133 235 31,2

3 при заштыбовке скважины 95 151 235 35,5

" режим потери вибрационной устойчивости бурового става

В табл. 1 показан список режимов бурового става из 2-х вышеописанных штанг станка УСБШ-250А по взаимноперпендикулярным, горизонтальным осям х и у на каждой моде (скопировано с текстового файла, сохраненного после расчета списка режимов). А на рис. 2 эпюры линейной динамики вращения бурового става по оси z длиной 16 м в скважине 0244,5 мм (распечатка графического файла (jpg) результата компьютерного расчета), где Мш - масштаб шкалы.

Расчеты, табл. 1, показали, что на резонансной частоте 1-й моды (округленно 1,885 Гц по осям х и у) вращения бурового става с числом оборотов n = 113 мин-1, амплитуда колебаний а1 посредине бурового става должна была достигнуть 171 мм, рис. 2, а. Однако вследствие ограничения амплитуды резонансных колебаний стенками скважины штанги бурового става,

находящиеся в скважине, начинают скоблить в виброударном режиме своей наружной поверхностью по стенке скважины. И не только на первой моде, но и на второй - с частотой 7,5 Гц, амплитуда которой равна 21,7 мм, рис. 2, б, что также превышает зазор 5 = 14,75 мм между стенкой скважины и штангой. Появляются экстремальные динамические нагрузки.

Оценка энергозатрат при бурении выполнена на станке СБШ-250МНА-32, (ГОК «Укрмеханобр», г. Кривой Рог) в дорезонансном режиме, при резонансе бурового става и заштыбовке скважины, табл. 2. Регистрация усилий подачи, числа оборотов бурового става, величин напряжения и токов вращателя осуществлялась по дисплею в кабине машиниста.

Из табл. 2 видно, что в режиме резонанса энергозатраты возросли от 23,3 до 31,2 кВт, т.е. на 34% по

Таблица 3

удельные энергозатраты при различных режимах бурения

№ п/п Режим бурения / n, мин-1 Ток, потребляемый вращателем, I, А Напряжение на вращателе, U, В Мощность, потребляемая вращателем, W, кВт Скорость бурения, v6, м/ч Удельные энергозатраты, кВт-час/пог.м скважины

1 дорезонансный/100 101 380 38,4 16,2 2,4

2 резонансный/115 113 410 46,3 15,6 3,0

3 зарезонансный/130 102 425 43,4 18 2,4

сравнению с дорезонанс-ным режимом. Для снижения вибрации бурового станка скважина была заштыбована (заполнена плотной абразивной пульпой). В этом случае энергозатраты возросли с 31,2 до 35,5 кВт - еще на 18% по сравнению с режимом резонанса.

Исследование скорости бурения и энергозатрат при различных режимах бурения выполнено в условиях Ингулецкого ГОКа: станок УСБШ-250А № 87; бурение двумя тяжелыми штангами 0215x51,5 мм; порода крепостью 16-18 по шкале М.М. Пртодьяко-нова; усилие подачи бурового става 220 кН. Предварительно с учетом износа и фактических размеров штанг выполнено моделирование собственных колебаний и амплитуды резонансных колебаний, в результате чего определены числа оборотов: а) доре-зонансный режим п = 100 мин-1;

1 дорез. '

б) резонанс - потеря виброустойчивости п___ = 115 мин-1; в) зарезонансная

рез.

номинальная отстройка от режима резонанса п = 130 мин-1.

зарез.

При определении скорости бурения в зависимости от режимов бурения этот параметр регистрировался после наращивания второй штанги, чтобы исключить погрешности из за частично разрушенного верхнего слоя забоя после предыдущего взрыва. Определялось время бурения на всю длину второй штанги 8 м, после чего рассчитывались скорость бурения и удельные энергозатраты.

На рис. 3 приведены зависимости скорости бурения при различных режимах работы станка УСБШ-259А, из которого видно, что в режиме резонанса потребление энергии возраста-

рис. 3. зависимости скорости бурения при различных режимах работы станка УСБШ-250МНА-32

ет на 20,5%, а скорость бурения снижается на 4% по сравнению с обычным режимом бурения. На частоте отстройки путем увеличения числа оборотов вращателя до 130 мин-1 потребление энергии снижается на 7% по сравнению с режимом резонанса. При этом скорость бурения возрастает на 15,5%.

Удельные энергозатраты и скорость бурения в зависимости от режимов бурения приведены в табл. 3. Из табл. 3 видно, что в резонансном режиме значительно (на 25%) возрастают удельные энергозатраты от 2,4 до 3-х кВт-час/пог.м скважины. Удельные энергозатраты в зарезонансном режиме бурения снижаются до величины дорезонансного режима. Однако по сравнению с дорезонансным, за-резонансный режим бурения является более рациональным. В этом режиме по сравнению с дорезонансным скорость бурения увеличивается на 11%.

Выводы и направления дальнейших исследований.

1. Режимы бурения тяжелыми штангами 0215x51,5 мм и 0203x50 мм при длине става L = 16 м с числом оборо-

тов п = 125-130 мин-1 при стандартном осевом усилии подачи бурового става Р = 200-220 кН обеспечивают

о

минимальные удельные энергозатраты 2,4 кВт-час/пог.м скважины, максимальную скорость бурения vб = 18 м/ч и отсутствие потери вибрационной

устойчивости бурового става, экстремальных нагрузок на оборудование и рабочее место машиниста.

2. В дальнейшем необходимо исследовать, как изнашиваются долота и буровые штанги при различных режимах бурения.

1. Громадский А.С., Громадский В.А., Кузьменко Д. И. Исследование режимов бурения и технических решений, обеспечивающих снижение вибрации и повышение надежности станков шарошечного бурения // Вюник Кривор1зького техшчного

_ список ЛИТЕРАТУРЫ

ушверситету. - Кривий Р1г, 2010. - Вип. 25. -С. 191-195.

2. Кантович Л.И., Дмитриев В.Н. Статика и динамика буровых шарошечных станков. - М.: Недра, 1984. - 201 с. ЕИЗ

коротко ОБ АВТОРЕ_

Громадский Виктор Анатольевич - аспирант, Криворожский национальный университет, Украина, e-mail: knu@alba.dp.ua.

UDC 622.002.5

investigation of operating modes impact on drilling speed AND energy costs of RoTARY DRILLING RIG RDR-250

Gromadskiy V.A., Graduate Student,

Kryvyi Rih National University, Ukraine, e-mail: knu@alba.dp.ua.

Simulating of drilling rod vibrations with l = 16 m (with two heavy rods in 8 m 0 215x51,5 mm) taking into account wearing out of rod realized on Solid Works Simulation Premium is carried out. The impact of operating modes on the drilling speed and energy costs of rotary drilling rig RDR-250 is considered. Test experiments are performed; recommendations of rational drilling modes choosing are given.

Key words: simulating, rods, resonance vibrations, operating modes, drilling speed, energy costs.

references

1. Gromadskij A.S., Gromadskij V.A., Kuz'menko D.I. Issledovanie rezhimov burenija i tehnicheskih resh-enij, obespechivajushhih snizhenie vibracii i povyshenie nadezhnosti stankov sharoshechnogo burenija (Analysis of drilling regimes and engineering solutions ensuring decrease in vibration and increase in reliability of rotary-bit drills ), BicHHK KpHBopi3bKoro Texm^Horo ymBepcmeTy, Krivoj Rog, 2010, issue 25, pp. 191-195.

2. Kantovich L.I., Dmitriev V.N. Statika i dinamika burovyh sharoshechnyh stankov (Statics and dynamics of rotary-bit drills), Moscow, Nedra, 1984, 201 p.

Д.