Одноконтурный гидроимпульсный механизм бурильных машин

УДК 622.233.63

© Е.Н. Пашков, Г.Р. Зиякаев, П.Г. Юровский, 2013

ОДНОКОНТУРНЫЙ ГИДРОИМПУЛЬСНЫЙ МЕХАНИЗМ БУРИЛЬНЫХ МАШИН

Представлена механическая модель одноконтурного гидравлического импульсного механизма (ГИМ) бурильных машин. Данная упрощенная модель позволяет элементарно объяснить принцип действия аналогичных систем. Так же получены дифференциальные уравнения расходов жидкости, описывающие физические процессы протекающие в гидромеханической системе. Эти выражения позволят изучать и анализировать системы аналогичного типа, а так же оптимизировать их по различным параметрам.

Ключевые слова: гидроимпульсный механизм (ГИМ), вынужденные колебания, собственная частота, гидропульсатор, безбойковый механизм, вынужденные колебания, собственная частота, резонанс.

Прогрессивным направлением в развитии машин и механизмов ударного действия является создание силовых импульсных систем с гидравлическим приводом [1]. Исследования вращательного бурения режущим инструментом с наложением на него высокоэнергетических упругих колебаний показали возможность в 2—2,5 раза интенсифицировать процесс разрушения горных пород, в 1,5-2 раза повысить износостойкость режущего инструмента, на 2-3 категории крепости пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова расширить область эффективного применения вращательного бурения скважин при повышении производительности труда на 40-70 % [2].

В работах [3-7] рассмотрена оригинальная модель гидроимпульсного силового механизма бурильных машин, в которых силовые импульсы возникают за счет резонансных колебаний гидроцилиндра с реактивной массой. Возникает вопрос эффективности данного оригинального механизма и сравнения его с упрощенным механизмом без второго колебательного контура, в котором силовые импульсы формируются только плунжерным гидропульсатором.

Рис. 1. Гидромеханическая модель одноконтурного гидроимульсного механизма: 1 - гидроцилиндр; 2 - плунжер (пульсатор); 3 - рукав высокого давления (РВД); 4 - бурильный инструмент; 5 - разрушаемая порода

Воспользуемся методами и рекомендациями изложенными в курсе теоретической механики [8]. Для этого спроектируем и рассмотрим модель одноконтурного гидроимпульсного силового механизма (рис. 1). Импульсы давления жидкости формируются следующим образом. При работе гидропульсатора, плунжер совершает возвратно-поступательное движение, при этом создаются импульсы давления жидкости, которые через поршень и буровую штангу передаются на обрабатываемую среду.

Вводим обобщенную координату: х - координата перемещения плунжера (рис. 1).

Уравнение расходов для системы будет:

д &х _ &р

ПЛ & у

где ДПЛ - площадь плунжера, Су - коэффициент упругости гидросистемы, определяющий расход на деформацию элементов гидросистемы и сжимаемость жидкости.

Преобразуем:

ёр _ ДПЛ &х

& Су &

Проинтегрировав выражение, получаем

Р = -СТ* + Q,

Су

§ С

где С1 - постоянная интегрирования.

К

Подставляем начальные условия х = 0, р = ПОДЖ в (1), на-

§ГЦ

ходим постоянную интегрирования

К

С =

_ J ПОДЖ

^ГЦ

Плунжер движется по закону x = r sin (ш t), где r - радиус

кривошипа привода плунжера. Подставляем закон движения плунжера и постоянную интегрирования в выражение (1), получаем уравнение колебаний давления в гидросистеме (усилия на бурильном инструменте):

Р = ^пл r sin

Су

Из выражения можно найти амплитуду колебаний давления и максимальное значения давления в гидросистеме:

A = ^ r,

Су

S F

p = °ПЛ r I ПОДЖ

"mix ^ q '

Су Ощ

Полученные выражения позволяют сравнить представленную одноконтурную механическую модель с другими и оценить эффективность получения импульсов давления на бурильном инструменте. Что в дальнейшем сможет помочь при оптимизации аналогичных систем.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Липин А. А., Танайно А. С., Тимонин В. В. Современные погружные машины для бурения скважи. Горная техника: Каталог-справочник. - СПб.: ООО «Славутич», 2006. - С. 116-123.

2. Сидоренко А.К., Савельев М.С., Жуковский Ю.Э. Новый вибросиловой способ бурения горных пород // Горная электромеханика и автоматика. - 1965. - № 3. - С. 34-38.

3. Патент на ПМ 69135 РФ. МПК7 Е21В 6/02, Б25Б 16/00. Буровой станок для проходки скважин в подземных условиях / А. В. Шадрина, А. А. Казанцев, А. Л. Саруев, Л. А. Саруев. Опубл. 10.12.2007 г.

4. Патент на ПМ 71369 РФ. МПК7 Е21В 6/02, Б25Б 16/00. Станок для бурения скважин в подземных условиях / А. В. Шадрина, А. А. Казанцев, А. Л. Саруев, Л. А. Саруев. Опубл. 10.03.2008 г.

5. 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.

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.

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

8. Бутенин Н. В., Лунц Я. Л., Меркин Д. Р. Курс теоретической механики: Учебник. В 2-х томах. Т. II.: Динамика. - 2-е изд. Перераб. и доп. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. - 544 стр.