Динамичсекое воздействие отраженных от забоя силовых импульсов на детали вращательно-ударного механизма бурильной машины

УДК 622.233

© Л.А. Саруев, С.С. Васенин, 2013

ДИНАМИЧСЕКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ОТРАЖЕННЫХ ОТ ЗАБОЯ СИЛОВЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ДЕТАЛИ ВРАЩАТЕЛЬНО-УДАРНОГО МЕХАНИЗМА БУРИЛЬНОЙ МАШИНЫ

Рассмотрены вопросы динамических воздействий в виде отраженных от забоя скважин силовых импульсов на отдельные детали вращатель-но-ударного механизма бурильной машины. Изучены формы и амплитудные значения импульсных нагрузок на хвостовик, патрон, шлицевую втулку, цилиндрического ударного узла, головку и нажим бурильной головки с амортизатором (БГА). Установлено что нагрузки на хвостовик бурильной головки со стороны забоя в виде отраженных импульсов практически не зависят от усилия подачи бурового инструмента. При бурении горных пород крепостью 14-16 по шкале проф. Протодъяконо-ва силовой импульс последовательно распространяясь по деталям бурильной головке постепенно снижается с 149 кН в хвостовике до 20 кН в нажиме.

Ключевые слова: горная порода, бурильная машина, ударный узел, силовой импульс, динамические нагрузки, амортизатор.

Совершенствование вращательно ударных бурильных машин с целью повышения их надежности настоятельно требует изучения уровня и характера динамических нагрузок, которые испытывают все наименее долговечные детали механизмов. В данной работе сделана попытка дать оценку величины и зависимости отраженных от забоя силовых импульсов от усилия подачи, физико-механических свойств горных пород, а также определить характер и абсолютные значения нагрузок, действующих в процессе бурения на отдельные детали бурильной головки с амортизатором (БГА).

В результате были изучены формы и амплитудные значения импульсных нагрузок на хвостовике, патроне, шлицевой втулке, цилиндре ударного узла, головке и нажиме вращательно-ударного механизма.

Эксперименты показали, что нагрузки на хвостовик БГА, возникающие от сформированного ударником прямого импульса при давлении сжатого воздуха, подведенного к ударному узлу, 0,4 МПа, достигают 180 кН, и их величина практически не зависит от усилия подачи [1]. Прямой импульс, отразившись от забоя, проходит по штанге, части хвостовика и создает динамическую нагрузку на патрон в виде импульса сжатия, которая с повышением усилия подачи от 3,5 до 12,5 кН изменяется весьма незначительно с 142 до 149 кН. Аналогичная ситуация наблюдается и в других деталях вращательно-ударного механизма бурильной головки БГА. Так при бурении горных пород крепостью 14-16 по шкале проф. М.М. Протодъяконова и увеличении в том же диапазоне усилия подачи на забой динамические нагрузки изменялись линейно в следующих пределах: в шлицевой втулке с 107 до 113 кН, в цилиндре ударного узла с 51 до 57 кН, в головке с 34 до 39 кН, в «нажиме» с 20 до 25 кН. При бурении горной породы крепостью 8-10 динамические нагрузки, создаваемые отраженными от забоя силовыми импульсами были заметно ниже. Так амплитудные значения силовых импульсов в патроне составляли 118 кН вместо 149 кН при крепости пород 14-16. Подробное снижение динамических нагрузок наблюдалось и в других деталях БГА при уменьшении крепости пород [2].

Наличие пневморезинового амортизатора в БГА накладывает свой отпечаток на характер импульсной нагрузки на головку. Форма импульса получается близко к прямоугольной. Максимальная относительная деформация сжатия в головке определяется жесткостью установленного за ней амортизатора. Достигнув определенного максимального значения нагрузки сжатия, импульс благодаря амортизатору как бы «вытягивается» и дальнейшего увеличения его пикового значения не происходит. Поскольку непосредственной опорой головки является амортизатор, то в ней формируется и деформация растяжения [3].

Динамические нагрузки от отраженного импульса, прошедшего штангу, хвостовик, патрон, шлицевую втулку, цилиндр, головку амортизатор, воздействуют на «нажим». Эти нагрузки имеют сложный характер. Вначале «нажим» разгружается от усилия поджатия, а затем нагружается отраженным от забоя импульсом в виде деформации сжатия. Причем, чем меньше усилие

подачи на забой, тем более растянутой получается импульсная нагрузка на «нажим». Длительность составляющей сжатия в импульсной нагрузке на «нажим», создаваемой отраженным от забоя импульсом, достигаем 2 мс [4].

Таким образом, амортизатор обеспечивает защиту лишь деталей, расположенных непосредственно перед ним и всех деталей, установленных после него. Большинство деталей БГА все-таки испытывают значительные динамические нагрузки и нуждаются в эффективных средствах защиты. Причем устанавливать амортизаторы необходимо непосредственно у хвостовика бурильной штанги, чтобы защитить от разрушения как можно больше деталей бурильной головки.

Радикальным решением защиты деталей бурильной машины является замена ударного узла на гидроимпульсный механизм. Экспериментальные исследования которого показали положительный результат [5-9].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шадрина А.В., Саруев Л.А., Казанцев А.А. Исследование влияния распространения волн деформаций по бурильной колонне и параметров буровых агрегатов на производительность вращательно-ударного бурения скважин малого диаметра и подземных горных выработок [Текст] // Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ). - М. — 2010. — №11. - С. 232-238.

2. Рындин В. П. Отраженные импульсы при вращательно ударном бурении // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - Кемерово, 2004. - №2. - С. 45-48.

3. Рындин В.П. Волновые процессы в ударных системах бурильных машин / Кузбасский государственный технический университет. - Кемерово, 2004. - Деп. В ВИНИТИ 20.04.2004, №661-В2004. - 14 с.

4. Казанцев А.А. Анализ экспериментальных исследований передачи ударных импульсов по ставу штанг с различными соединительными элементами / Проблемы геологии и освоения недр: IX международный симпозиум имени ак. М.А. Усова студентов и молодых ученых. Томск: 9-11 апр. 2005 г. Изд-во ТПУ, с. 566-568.

5. Саруев Л.А. Разработка и исследование гидромеханической системы формирования силовых импульсов в ставе штанг для интенсификации вращательного бурения / Л. А. Саруев, А.А. Казанцев // Известия Томского политехнического университета - 2008. - Т313. - №1. -с. 56-59.

6. Пашков Е.Н., Зиякаев Г.Р., Кузнецов И.В. Дифференциальные уравнения процессов гидроимпульсного силового механизма бурильных машин / Пашков Е.Н., Зиякаев Г.Р., Кузнецов И.В. // Приволжский научный вестник. - 2013. - № 4 (20). - С. 32-36.

7. Патент на ПМ 133152 РФ. МПК7 Е02D 7/10. Гидроимпульсная сваебойная машина / Е. Н. Пашков, Г. Р. Зиякаев, П. Г. Юровский, А. В. Пономарев. Опубл. 10.10.2013 г.

8. Зиякаев Г. Р., Саруев Л. А., Мартюшев Н. В. Математическое моделирование гидроимпульсного механизма бурильных машин // В мире научных открытий. - 2010. - № 6.3 (13) - С. 61-65.

9. Пашков Е. Н., Саруев Л. А., Зиякаев Г. Р. Математическое моделирование гидроимпульсного механизма бурильных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - № 5 - С. 26-31.

УДК 622.233.63 © Е.Н. Пашков, Г.Р. Зиякаев,

П.Г. Юровский, 2013

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ БУРЕНИЯ ШПУРОВ ПРИМЕНЕНИЕМ БЕЗБОЙКОВОЙ ГИДРОИМПУЛЬСНОЙ СИСТЕМЫ

Представлена физическая модель гидроимульсного механизма бурильных машин. Получены дифференциальные уравнения, описывающие механические и гидравлические процессы, протекающие в механизме за весь цикл его работы. Так же получены численные решения данных уравнений.

Ключевые слова: гидроимпульсный механизм, гидропульсатор, безбой-ковый механизм, вынужденные колебания, собственная частота, резонанс.

Современным вектором развития бурильных машин и механизмов ударного действия является создание силовых импульсных систем с гидравлическим приводом [1, 2]. В последнее время учеными Томского политехнического университета проводятся исследования в данном направлении [3, 4, 5].