УСТРОЙСТВО ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН
DEVICE FOR DRILLING WELLS

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для бурения взрывных скважин на карьерах и шахтах, а также для проходки технологических скважин, в том числе при бурении сложноструктурных пород.
Известно устройство для бурения скважин, содержащее вращательно-подающий механизм, состоящий из вращателя, гидропатрона и гидроцилиндров подачи [Подэрни Р.Ю. Горные машины и комплексы. «Недра», М.: 1971, с. 55, рис. 23]. К числу недостатков таких механизмов относятся: жесткая связь гидроцилиндр-буровой став-буровой инструмент, а также инерционность и сложная управляемость работы гидроцилиндра. При изменении крепости пород или при необходимости быстро изменить режим работы вращательно-подающего механизма гидроцилиндр не позволяет быстро оперировать рабочими характеристиками из-за большого количества элементов в технологической цепи. Это двигатель, генератор, насос, рабочая жидкость, шток в гидроцилиндре, буровой став и буровой инструмент. В связи с этим процесс изменения подачи бурового става является медленным и недостаточно точным, а также усложняется ремонт и техническое обслуживание механизма и станка в целом. Кроме того, раздельные механизмы вращения и подачи усложняют конструкцию станка. Отмеченные недостатки ограничивают применение указанных вращательно-подающих механизмов при бурении сложноструктурных пород по причине быстрого износа бурового инструмента.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для бурения скважин [RU №2469169, МПК E21B 4/04, E21B 7/00, H02K 3/00, опубл. 10.12.2012], содержащее корпус, соосно расположенный статор с витками и установленный внутри статора ротор с обмотками возбуждения.
Основной недостаток прототипа заключается в том, что неравномерное прилегание к ротору витков статора приводит к потерям энергии в воздушном зазоре, а также не позволяет передавать достаточно большое подающее усилие.
Техническим результатом изобретения является: повышение эффективности работы бурового станка при бурении взрывных и технологических скважин, в том числе при проходке сложноструктурных пород с различными физико-механическими свойствами, а также увеличения срока службы бурового инструмента за счет повышения эффективности и увеличения скорости регулирования рабочих режимов в процессе бурения.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для бурения скважин, содержащем корпус, вращательно-подающий механизм для бурового става, который включает соосно расположенные статор с витками и установленный внутри статора ротор, новым является то, что кольцевые секции магнитопровода с уложенными в них витками статорной обмотки огибают цилиндрическую поверхность ротора бурового става так, что их оси совпадают, образуя минимальный рабочий воздушный зазор, при том что ротор оснащен храповым механизмом, содержащим прижимные валики на своих валах, оси которых перпендикулярны оси ротора, и имеющих одностороннее вращение в опорах.
Устройство поясняет кинематическая схема устройства для бурения скважин (Фиг. 1), содержащего электродвигатель 1, редуктор 2, шинно-зубчатую муфту 3, опорный узел 4, ротор 5 бурового става, корпус 6, храповый механизм 7, статорную обмотку 8, буровой инструмент 9, находящийся в скважине 10.
Устройство статорной обмотки поясняет схема (Фиг. 2). Кольцевые секции магнитопровода 11 с уложенными в них витками статорной обмотки 8 огибают цилиндрическую поверхность ротора 5 бурового става, образуя минимальный рабочий воздушный зазор так, что их оси совпадают. Количество секций магнитопровода 11 с уложенными в них витками статорной обмотки 8 и подключенными с чередованием фаз к сети трехфазного напряжения прямо пропорционально усилию подачи и обратно пропорционально рабочей скорости подачи ротора 5 бурового става.
Устройство храпового механизма поясняет схема (Фиг. 3). Храповый механизм 7 содержит прижимные валики на своих валах 12, оси которых перпендикулярны оси ротора, имеют одностороннее вращение в опорах 13 для возможности удержания ротора 5 бурового става в верхнем положении при отключении электропитания.
Устройство для бурения скважин работает следующим образом.
Электродвигатель 1, через редуктор 2 и шинно-зубчатую муфту 3, вращает ротор 5 бурового става, закрепленный при помощи опорного узла 4 в корпусе 6 (фиг. 1). Бегущее магнитное поле статора, наведенное трехфазным переменным током в витках статорной обмотки 8, индуктирует вторичный трехфазный переменный ток в поверхностном слое ротора, которое наводит вторичное бегущее поле ротора, за счет чего создается подающее усилие посредством ротора 5 бурового става на буровой инструмент 9 и осуществляется бурение скважины 10.
При отключении электропитания храповый механизм 7, содержащий прижимные валики на своих валах 12, оси которых перпендикулярны оси ротора и имеющие одностороннее вращение в опорах 13, стопорится, удерживая в верхнем положении ротор 5 бурового става.
В случае возникновения ударной нагрузки или вибрации энергия механических колебаний, посредством взаимодействия магнитных полей ротора 5 бурового става и статора 8, наводимых трехфазным переменных током, вызывает увеличение тока в обмотках статора 8. Тем самым величина ударной нагрузки на буровой инструмент 9 и ротор 5 бурового става, снижается. При этом увеличение или снижение тока в обмотках статора 8 сигнализирует об изменении физико-механических характеристик горной породы и может использоваться в качестве сигнала для автоматизации процесса бурения. От количества кольцевых секций магнитопровода с уложенными в них витками статорной обмотки, подключенными с чередованием фаз к сети трехфазного напряжения, в прямой зависимости находится усилие подачи и в обратной зависимости находится рабочая скорость подачи ротора 5 бурового става.