Способ регулирования амплитуды энергии импульса гидроимпульсного механизма

УДК 62-522.2

© Д.В. Федин, Л. А. Саруев, 2013

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ АМПЛИТУДЫ ЭНЕРГИИ ИМПУЛЬСА ГИДРОИМПУЛЬСНОГО МЕХАНИЗМА

Представлен способ регулирования энергии гидроимпульсного механизма для бурения геологических скважин малого диаметра, используемого при проходке горных пород различной прочности.

Ключевые слова: бурение, горная порода, гидроимпульсный механизм, генератор, плунжер, силовой импульс.

В работах [1-7] показано действие разработанного гидроимпульсного силового механизма, способствующего интенсификации разрушения за счет снижения динамических характеристик прочности горной породы. При бурении слоев породы различной твердости возникают сложности в выборе режима бурения. При проходке слоев горной породы высокой твердости требуется увеличение интенсивности бурения, при бурении породы низкой твердости - уменьшение. В связи с этим возникает необходимость в регулировании интенсивности процесса бурения. С этой целью было разработано устройство для регулирования энергии силовых импульсов, формируемых гидроимпульсным механизмом.

Устройство для регулирования энергии импульса гидроимпульсного механизма бурового станка представлено в виде генератора формирования импульсов давления в замкнутой полости 1 (рис. 1), состоящего из нерегулируемых генераторов 2, 3. Генератор 2 выполнен в виде кулачкового механизма, генератор 3 представлен в виде плунжера и соединен с электродвигателем 4 кри-вошипно-шатунным механизмом 5. Концы валов 6 нерегулируемых генераторов имеют винтовые шлицы противоположного наклона и шлицевую муфту 7. Устройство для коррекции формы гидравлических импульсов представляет собой полый упругий элемент 8, который заполнен жидкостью, имеет нелинейную характеристику и посредством патрубка 9 соединен с силовым гидроцилиндром 10. Этот полый упругий элемент с помощью пружины 11

9

7 2

Рис. 1. Устройство для регулирования. Генератор ударных гидравлических импульсов

зажат между инерционной массой 12 и днищем гидроцилиндра 10, вследствие чего в поперечном сечении он приобретает эллипсовидную форму. При этом поршень 13 силового гидроцилиндра 10 поджат пружиной 14 и оперт о хвостовик 15 колонны буровых штанг 16.

При включении привода 4 генераторов формирования импульсов давления в замкнутой полости нерегулируемые генераторы 2, 3 совершают возвратно-поступательные движения плунжеров (рис. 1), что вызывает образование гидравлических импульсов, в том числе в полости силового гидроцилиндра 10. Сформированный импульс давления поступает в силовой гидравлический цилиндр 10, воздействует на поршень 13 и через хвостовик 15 по колонне буровых штанг 16 достигает бурового долота 17. Под его воздействием буровое долото 17 внедряется в горную породу забоя скважины 18 и тем самым обеспечивает повышение эффективности процесса бурения.

Регулирование происходит за счет изменения объема жидкости.

Как следует из кинематики между перемещением плунжеров генераторов 2, 3 и угловой скорости ю вала приводного двигателя существует соотношение:

А=А1^тоХ, А=А2^тМ,

где А - текущая координата плунжера, ю - угловая скорость вала приводного двигателя, t - время, А1,2 - амплитудное значение хода плунжера.

Тогда объем пульсирующего потока или просто пульсирующий поток, развиваемый первым и вторым генераторами, соответственно равен:

Q1=А1f1sinюt, А=А2-/2^тМ,

где /12 - площадь плунжера.

Поскольку генераторы колебаний 2 и 3 гидравлически между собой связаны и через муфту 7 имеют жесткую регулируемую кинематическую связь, то, когда плунжеры перемещаются син-фазно, т.е. когда одновременно проходят верхнюю и нижнюю «мертвые точки» суммарный пульсирующий поток, развиваемый генераторами, равен сумме

Q=Q1+Q2, Q=А1f1sinюt+А2f2sinюt,

если А^=А2/2, то

Q=2А1f1sinюt

Если между перемещениями плунжеров генераторов колебаний 2 и 3 нарушена синфазность, т. е. верхние и нижние «мертвые точки» они проходят неодновременно, то это рассогласование характеризуется углом сдвига фаз ц и является углом относительного поворота валов генераторов колебаний 2 и 3.

Так как генераторы колебаний 2 и 3 имеют общий приводной двигатель 4, вращающий их с угловой скоростью ю, а валы 6 генераторов рассогласованы на угол ц муфтой 7, то суммарный пульсирующий поток определится теперь как геометрическая сумма Q = Q1 + Q2 или как сумма сдвинутых на угол ц синусоид одинаковой частоты.

Q=А1f1sinюt+А2f2sin

Отсюда видно, что если ц=0, то в результате получаем формулу (1), если ц=180°, то

Q=А1f1sinot+

и при условии А^ =А2-{2 Q=0 (при условии одинакового объема нерегулируемых генераторов).

Формула (2) отражает случай, когда за один оборот вала генератора силовых гидравлических импульсов плунжеры совершают один двойной ход. Если конструктивное выполнение генераторов колебаний таково, что плунжеры совершают п двойных ходов за один оборот вала (например для кулачковых генераторов колебаний п - число заходов кулачка), то формула для определения пульсирующего потока принимает вид:

Q=А1f1sinюt+А2f2sin

Таким образом, изменяя относительный угол сдвига фаз между валами генераторов колебаний 2 и 3 от 0 до 180 , пульси-

п

рующий поток изменяется от максимума до 0.

Регулирование угла сдвига фаз у осуществляется осевым перемещением муфты 7 по винтовым шлицам валов генераторов колебаний.

Рациональным выбором угла наклона шлицев определяется необходимая величина осевого перемещения муфты 7 для изменения пульсирующего потока от 0 до максимума.

Изменение объема пульсирующей жидкости способствует изменению амплитуды формируемого импульса, а соответственно и энергии силового импульса в бурильной трубе. Увеличение объема пульсирующего потока при неизменных параметрах рукава высокого давления (полый упругий элемент 8, (рис. 1)) приводит к увеличению интенсивности бурения, при уменьшении наоборот - интенсивность снижается.

В условиях сложного геологического строения исследуемого контура залегания горной породы оператор может регулировать интенсивность бурения опираясь на возможности разработанного устройства, то есть подбирать оптимальную величину механической скорости бурения.

Выводы: Применение разработанного устройства регулирования энергии импульса гидроимпульсного механизма позволяет выбрать оптимальный режим бурения при проходке горных пород различной твердости за счет изменения подаваемого объема

пульсирующей жидкости генераторами колебаний в полость силового гидроцилиндра.

Устройство регулирования энергии импульса гидроимпульсного механизма позволяет производить регулирование в пределах от 0 до 2Q (где Q - объем генератора колебаний) при условии равенства объемов используемых генераторов колебаний.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федин Д.В., Шадрина А.В., Саруев Л.А. Экспериментальные исследования механизма формирования гидравлических импульсов для разрушения горных пород при бурении // Известия Томского политехнического университета. - 2012. - Т. 321. - № 1. - С. 175-178.

2. Устройство для регулирования энергии импульса гидроимпульсного механизма бурового станка: пат. 124298 Рос. Федерация. № 2012132378; заявл. 27.07.2012; опубл. 20.01.2013, Бюл. № 2. - 3 с.

3. 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.

4. Патент на ПМ 133152 РФ. МПК7 Е02Б 7/10. Гидроимпульсная сваебойная машина / Е. Н. Пашков, Г. Р. Зиякаев, П. Г. Юровский, А. В. Пономарев. Опубл. 10.10.2013 г.

5. 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.

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