АДАПТИВНАЯ МАШИНА ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ
ADAPTIVE MACHINE OF ROTARY DRILLING

Изобретение относится к горной промышленности, а конкретно к бурильным горным машинам вращательного типа, и может найти применение при буровзрывном способе проходки подземных выработок, при анкерном креплении выработок, при бурении геологоразведочных и инженерных скважин.
Известны бурильные машины, в которых усилие подачи автоматически изменяется с изменением момента на приводе вращения (см., например, Кузнецов А.С. Самонастраивающая буровая машина БМВА - 1. Уголь Украины, 1976, №11, с 29.) /1/; А.с. 373382 (СССР) Бурильная машина / Петров Н.Г., Родионов Н.С., Водяник Г.М., Дровников А.Н. - Опубл. в Б.И. 1973, №14 [2].
Саморегулирование таких машин обеспечивается использованием двухдифференциального привода, при котором силовые и скоростные характеристики взаимосвязаны и обеспечивают снижение скорости подачи при увеличении момента вращения.
Недостатком таких машин является относительно сложный и дорогостоящий привод.
т
т
max
max
Известна также адаптивная бурильная машина, в которой усилие подачи изменяется в зависимости от момента сопротивления вращению штанги и в которой используется асинхронный привод и гидравлическая регулируемая подача. См., например, «Адаптивная бурильная машина» патент РФ №2366791 [3]. В такой бурильной машине опоры корпуса бурильной машины снабжены подпружиненными толкателями, один из которых, сжимаемый от момента бурения, воздействует на толкатель дополнительного регулирующего дросселя, включенного в гидроцепь управления давлением подачи в гидроцилиндрах подачи. Усилие сжатия Р подпружиненного толкателя настраивается на значение, близкое к максимальному - Р=(0,8÷0,9)P, где P - максимальное усилие, развиваемое толкателем при повороте корпуса относительно оси вращения штанги и соответствующее предельному моменту вращения. В рассматриваемом техническом решении обеспечивается автоматическое регулирование усилия подачи в зависимости от момента сопротивления вращению путем относительно простого конструктивного решения.
Однако глубина регулирования в таком техническом решении ограничена - при заклинивании штанги не обеспечивается автоматическое реверсирование усилия подачи, а только снижение его до минимального значения. Кроме того, к недостатку такой бурильной машины относится относительно сложный привод всей машины - электрический (для вращения) и гидравлический (для подачи).
Известны также бурильные машины с гидродвигателем вращения и гидроцилиндром подачи, например бурильная машина «УБГ-01», производства Людиновского агрегатного завода [4]. Такая машина имеет относительно простую конструкцию и удобную аппаратуру управления - золотниковый распределитель для управления реверсом подачи штанги и распределитель для управления гидродвигателем вращения. Рассматриваемая бурильная машина принята нами за прототип.
Достоинством рассматриваемого технического решения является компактность бурильной машины, невысокий ее вес, что обеспечивает возможность применения ее для различных оперативных бурений и использования ее в качестве переносной бурильной машины.
Недостатком бурильной машины по прототипу является необходимость ручного управления усилием подачи на основе интуитивной оценки процесса бурения. При этом не обеспечиваются оптимальные условия бурения и максимальная производительность. В такой бурильной машине не обеспечивается автоматическое регулирование усилия подачи в зависимости от момента сопротивления вращению, что также является ее недостатком.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и, прежде всего, обеспечение автоматического изменения усилия подачи в зависимости от величины момента сопротивления вращению, обеспечение максимальной производительности бурения.
Поставленная задача решается тем, что машина для вращательного бурения, включающая гидродвигатель вращения, гидроцилиндр подачи; напорную и сливную магистрали, подключаемые к маслостанции; регулируемые дроссели, гидрораспределители реверса подачи и управления гидродвигателем вращения, выполнена так, что гидродвигатель вращения и гидроцилиндр подачи подключены к напорной магистрали последовательно. Гидролиния с выхода гидродвигателя вращения соединена с поршневой полостью гидроцилиндра подачи через трехпозиционный гидрораспределитель подачи и с входом в первый регулируемый дроссель, выход с которого соединен со сливной магистралью. Штоковая полость гидроцилиндра подачи соединена со сливной магистралью через второй регулируемый дроссель и трехпозиционный гидрораспеделитель подачи. При этом в гидролинию между напорной магистралью входа в гидродвигатель вращения и входом в штоковую полость гидроцилиндра подачи включен третий регулируемый дроссель.
Заявляемое устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена гидравлическая схема заявляемой бурильной машины. На фиг.2 - схема этой бурильной машины в виде гидравлического моста.
Адаптивная бурильная машина состоит (фиг.1) из гидроцилиндра подачи 1, гидродвигателя вращения 2, буровой штанги 3, напорной и сливной магистралей 4, подключаемых к маслостанции (не показана); трехпозиционного гидрораспределителя 5, двухпозиционного гидрораспределителя 6, регулируемых гидродросселей 7, 8, 9. При этом гидролиния с выхода гидродвигателя вращения 2 соединена с поршневой полостью гидроцилиндра подачи 1 через трехпозиционный гидрораспределитель 5 при его рабочем положении (I) и с входом в первый регулируемый дроссель 7, выход с которого соединен со сливной магистралью. Штоковая полость гидроцилиндра подачи 1 соединена со сливной магистралью через второй регулируемый дроссель 8 и трехпозиционный гидрораспределитель 5 в рабочем положении (I), при этом в гидролинию между напорной магистралью входа в гидродвигатель вращения 2 и входом в штоковую полость гидроцилиндра подачи 1 включен третий регулируемый дроссель 9. В напорную магистраль включен двухпозиционный гидрораспределитель 6, управляющий включением всей гидросхемы бурильной машины. Трехпозиционный гидрораспределитель имеет три положения и управляется вручную. Первое положение (I), на гидросхеме крайнее правое - основное рабочее соединение гидролиний, этой схеме соединений соответствует мостовая схема, приведенная на фиг.2. Второе положение (II) трехпозиционного гидрораспределителя 5 соответствует фиксации гидроцилиндра в неподвижном состоянии и максимальной частоте гидродвигателя вращения 2, что может использоваться оператором бурения для расштыбовки или расклинивания штанги в забое. Третье положение (III) трехпозиционного гидрораспределителя 5 (крайнее левое) обеспечивает ручное включение реверса гидроцилиндра, необходимое, например, для извлечения штанги из забоя для замены режущего инструмента или после завершения операции бурения.
На фиг.2 приведена схема заявляемой бурильной машины в виде гидравлического моста, что позволяет наглядно показать особенности заявляемой бурильной машины и описать принцип ее функционирования. Схема на фиг.2 идентична гидросхеме, приведенной на фиг.1.
Как видно (см. фиг.2), гидросопротивления гидродвигателя вращения 2, регулируемых дросселей 7, 8, 9 образуют мостовую схему, в диагональ которой включен гидроцилиндр подачи 1. Гидросопротивление третьего регулируемого дросселя 9 устанавливается значительно больше, чем гидросопротивление гидродвигателя вращения 2 при номинальном режиме работы. Гидросопротивления регулируемых дросселей 7 и 8 зависят от характеристик гидроцилиндра подачи 1 и гидродвигателя вращения 2. При номинальном режиме работы бурильной машины гидросопротивление первого регулируемого дросселя 7 устанавливается равным сумме гидросопротивления гидроцилиндра подачи при рациональном (расчетном) усилии подачи и гидросопротивления второго регулируемого дросселя 8. Гидросопротивление третьего регулируемого дросселя 9 в 2…10 раза больше гидросопротивления гидродвигателя вращения при номинальном режиме работы. Как видно на мостовой схеме (фиг.2), направление и величина потока гидрожидкости через гидроцилиндр зависит от соотношения гидросопротивлений гидромотора 2 и третьего дросселя 9.
Работает заявляемая бурильная машина следующим образом (Фиг.1.).
В исходном состоянии двухпозиционного гидрораспределителя 6 закрыт, трехпозиционный гидрораспределитель находится во втором (II) положении.
При включении двухпозиционного гидрораспределителя 6 в рабочий режим из напорной магистрали 4 гидрожидкость подается к гидродвигателю вращения 2, с выхода гидродвигателя через трехпозиционный гидрораспределитель в сливную магистраль 4. Перевод трехпозиционного гидрораспределителя 5 в первое (I), рабочее положение обеспечивает подачу гидрожидкости в поршневую полость гидроцилиндра подачи 1 и обеспечит выдвижение штанги 3 на забой. При этом вследствие отсутствия нагрузки на гидродвигателе вращения 2 его гидросопротивление будет минимальным и скорость подачи на забой будет максимальной. По мере забуривания режущего инструмента в забой будут увеличиваться момент сопротивления вращению штанги 3 и нагрузка на гидродвигатель вращения 2. При этом начнет уменьшаться давление в поршневой полости цилиндра подачи 1 и увеличиваться противодавление в его штоковой полости через третий регулируемый дроссель 9 из напорной магистрали 4. Уменьшение усилия подачи вызовет уменьшение удельной подачи и, следовательно, стабилизацию момента сопротивления вращению, соответствующего номинальным условиям бурения. В зависимости от условий бурения (крепости буримой породы, глубины бурения и др.) величину номинального момента вращения можно корректировать настройкой третьего регулируемого дросселя 9.
Усилие подачи гидроцилиндра подачи 1 определяется разностью давлений в его штоковой и поршневой полостях. Снижение момента сопротивления вращению гидродвигателя вращения 2 приводит к увеличению усилия подачи в пределах регулирования.
В экстремальном случае - при заклинивании штанги в скважине (в связи с заштыбовкой из-за недостаточной промывки или продувки, или из-за завышенной толщины стружки, или из-за частичного искривления штанги в скважине) подача гидрожидкости в напорную - поршневую полость гидроцилиндра подачи 1 будет прекращена, т.к. расход через остановленный гидродвигатель вращения будет равен нулю, в штоковой полости гидроцилиндра давление возрастет до максимального значения, обеспечивая обратный ход штанги из забоя, тем самым расклинивая штангу в скважине. Извлечение штанги будет происходить до тех пор, пока момент сопротивления вращению не уменьшится до максимально допустимого значения, после этого усилие подачи возрастет до номинального значения.
Процесс автоматического регулирования усилия подачи бурения по моменту сопротивления вращению рассмотрим на мостовой схеме (Фиг.2.):
При номинальном режиме работы гидросопротивление второго регулируемого дросселя 8 устанавливается равным сумме гидросопротивления гидроцилиндра 1 при рациональном (расчетном усилии подачи) и гидросопротивления первого регулируемого дросселя 7. Гидросопротивление третьего регулируемого дросселя 9 в 2…10 раза больше гидросопротивления гидродвигателя вращения 2 при номинальном режиме работы. Соотношение сопротивлений в плечах моста определяет зависимость величины потока гидрожидкости через гидроцилиндр подачи и развиваемое им усилие подачи. При этом управляющим фактором этого усилия, как видно на схеме, является нагрузка (момент сопротивления вращению) на гидродвигателе вращения 2.
Величина гидросопротивления третьего регулируемого дросселя 9 изменяет степень зависимости усилия подачи от момента сопротивления вращению. Настройками гидросопротивления этого дросселя 9 по отношению к гидросопротивлению гидродвигателя вращения 2 можно минимизировать эту зависимость. Например, при соотношении этих сопротивлений 10/1, с ростом момента сопротивления вращения усилие подачи снижается менее интенсивно, и в пределах регулирования не сопровождается реверсированием, а только снижением усилия подачи на 10…30%.
И, наоборот, при значении рассматриваемого соотношения 2/1, при увеличении момента сопротивления вращению на 10…20 процентов усилие подачи принимает отрицательное значение, то есть при перегрузках буровая штанга извлекается из забоя.
Это обстоятельство обеспечивает возможность работы бурильной машины на предельных режимах, приближенных к силовым и прочностным ограничениям, с функцией интенсивной защиты от перегрузок и поломок.
Анализ мостовой схемы показывает так же то, что с увеличением прочности буримой породы, когда момент сопротивления вращению имеет тенденцию к уменьшению, усилие подачи увеличивается из-за увеличения расхода через гидросопротивление гидродвигателя вращения 2.
Снижение момента сопротивления вращению может быть обусловлено увеличением крепости буримой породы или увеличением степени затупления режущего инструмента, что в бурильных машинах со свободной подачей приводит к уменьшению толщины стружки, уменьшению удельной подачи и снижению скорости бурения. В заявляемой бурильной машине незначительное снижение момента сопротивления вращению приводит к увеличению усилия поддачи и связанное с этим незначительное снижение удельной подачи и скорости бурения.
Совокупность отличительных признаков по сравнению с прототипом обеспечивает в заявляемой бурильной машине реализовать процесс автоматического управления усилием подачи в зависимости от момента сопротивления вращению. Эта цель в аналогах решается более сложными и относительно дорогостоящими техническими решениями.
Изготовление заявляемой бурильной машины может заключаться в модернизации серийно выпускаемой бурильной машины, имеющей гидроцилиндр подачи и гидродвигатель вращения без существенных изменений и при незначительных затратах.
Заявляемая бурильная машина обладает качеством адаптации к изменяемым условиям бурения, обеспечивая самонастройку ее на более рациональные режимы работы, и относится к адаптивным бурильным машинам.
Основные достоинства заявляемой бурильной машины:
- по сравнению с прототипом управление усилием подачи выполняется не интуитивно, а в соответствии с моментом сопротивления вращению;
- реализуемое управление усилием подачи обеспечивает увеличение скорости бурения, автоматическую настройку на режимы бурения, близкие к оптимальным;
- обеспечивается увеличение скорости бурения за счет интенсификации процесса и увеличение усилия подачи при увеличении крепости буримого материала и увеличении затупления режущего инструмента;
- обеспечивается максимальная производительность и автоматическая защита от перегрузок по моменту вращения;
- обеспечивается автоматическое регулирование усилия подачи (увеличение или уменьшение) в зависимости от момента сопротивления вращению;
- имеет относительно простое конструктивное решение.
Перечисленные достоинства не реализуются в бурильных машинах со свободной подачей (при постоянном, нерегулируемом давлении в гидроцилиндрах подачи).
Источники информации
1. Кузнецов А.С. Самонастраивающая буровая машина БМВА-1. Уголь Украины, 1976, №11, с 29.
2. А.с. 373382 (СССР) Бурильная машина / Петров Н.Г., Родионов Н.С., Водяник Г.М., Дровников А.Н. - Опубл. в Б.И. 1973, №14.
3. Патент РФ №2366791. Адаптивная бурильная машина. Лемешко М.А., Остановский А.А., Васин М А. Опубликовано 10.09.2009.
4. Паспорт «Установка бурильная гидравлическая. «УБГ-01» 2000 г.,
г.Людиново, Калужской обл. ОАО «Агрегатный Завод», HTTP://LAZ.KALUGA.RU.