УСТРОЙСТВО ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН
WELL DRILLING MACHINE

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. М.: Недра, 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.
Также известен погружной электродвигатель для работы в буровых скважинах, содержащий корпус, беспазовый статор с обмоткой и установленный на валу на подшипниках скольжения ротор (Р) с постоянными магнитами (М). Цилиндрическая обечайка (О) образует с корпусом герметичное пространство для расположения обмотки. Вал Р на противоположном насосу конце снабжен осевым магнитным подшипником. Р выполнен многополюсным и собран из ферритовых М. Тангенциально расположенные М выполнены с уменьшающейся площадью поперечного сечения по направлению к оси Р, а радиально расположенные М выполнены с постоянной площадью поперечного сечения. Вал Р выполнен полым. По обе стороны Р установлены лабиринтные насосы со шнеками на валу Р. Один из насосов входом сообщен с полостью вала Р и выходом - с пространством между Р и О, а второй насос входом сообщен с пространством между Р и О и выходом - с полостью вала Р с образованием контура охлаждения. В результате достигается повышение эффективности работы погружного электродвигателя за счет выравнивания тепловой напряженности. Наличие статора и ротора в данном устройстве не позволяет использовать его для бурения скважин по принципу действия, так как заявляемое устройство предназначено именно для бурения скважин. RU 2287721, от 08.04.2005 г., опубликовано 20.11.2006 г.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является принятое за прототип устройство RU 84045, содержащее ротор и статор.
Основной недостаток прототипа заключается в том, что система не позволяет достаточно быстро изменять режим бурения. Также не позволяет передавать достаточно большое подающее усилие.
Основными задачами изобретения являются: 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 увеличение срока службы бурового инструмента за счет повышения эффективности и увеличения скорости регулирования рабочих режимов в процессе бурения.
Поставленные задачи достигаются тем, что в устройстве для бурения скважин, содержащем корпус, соосно расположенный статор с витками и установленный внутри статора ротор, с обмотками возбуждения, обмотки возбуждения расположены внутри ротора, и имеют четырехполюсную намотку таким образом, что одноименные полюса со знаком «+» и со знаком «-» расположены попарно с противоположных сторон ротора, вдоль его оси, и запитаны через коллектор от источника постоянного тока, а витки статорной обмотки, взаимодействующие с магнитным полем обмотки возбуждения, огибают окружность ротора и прилегают к двум одноименным магнитным полюсам обмотки возбуждения, образуя минимальный рабочий воздушный зазор, а от двух других одноименных магнитных полюсов витки удалены на расстояние, обеспечивающее ослабляющее воздействие полей, при этом в корпусе по обе стороны от ротора установлен дополнительный статор, содержащий витки, уложенные двухполюсной намоткой в два немагнитных ротора, которые являются телами вращения с боковой поверхностью, охватывающей четверть окружности ротора, образуя рабочий воздушный зазор.
Устройство поясняет кинематическая схема устройства для бурения скважин (Фиг.1), содержащее электродвигатель 1, редуктор 2, шинно-зубчатую муфту 3, опорный узел 4, ротор 5, корпус 6, дополнительную статорную обмотку, уложенную в немагнитные роторы 7, статорную обмотку 8, буровой инструмент 9, находящийся в скважине 10.
Устройство статорной обмотки поясняет схема (Фиг.2). Витки статорной обмотки 8, взаимодействующие с магнитным полем обмотки возбуждения 11, огибают окружность ротора 5 с обмоткой возбуждения 11, имеющей четырехпорлюсную намотку и проложенной в магнитопроводе 12. Витки статорной обмотки 8 огибают окружность ротора и прилегают к двум одноименным магнитным полюсам обмотки возбуждения, образуя минимальный рабочий воздушный зазор, а от двух других одноименных магнитных полюсов витки удалены на расстояние, обеспечивающее ослабляющее воздействие полей.
Устройство дополнительного статора обмотки поясняет схема (Фиг.3). Витки 13 дополнительного статора взаимодействуют с магнитным полем обмотки возбуждения 11, имеющей четырехпорлюсную намотку и проложенной в магнитопроводе 12. Витки 13 дополнительного статора уложены двухполюсной намоткой в два немагнитных ротора 7, которые являются телами вращения с боковой поверхностью, охватывающей четверть окружности ротора 5, образуя рабочий воздушный зазор между немагнитным ротором 7 и ротором 5. Немагнитный ротор 7 расположен на валу 14, закрепленном в подшипниковых опорах 15.
Устройство для бурения скважин работает следующим образом.
Электродвигатель 1 через редуктор 2 и шинно-зубчатую муфту 3 вращает ротор 5, закрепленный при помощи опорного узла 4 в корпусе 6 (фиг.1). Ток в витках статорной обмотки 8, взаимодействуя с магнитным полем, наводимым током в обмотке возбуждения 11 (фиг.2), имеющей четырехполюсную намотку в магнитопроводе 12 таким образом, что одноименные полюса со знаком «+» и со знаком «-» расположены попарно с противоположных сторон ротора, вдоль его оси, и запитаны через коллектор от источника постоянного тока, создает подающее усилие посредством ротора 5 на буровой инструмент и осуществляет бурение скважины 10.
Витки статорной обмотки 8 прилегают к двум одноименным магнитным полюсам обмотки возбуждения, образуя минимальный рабочий воздушный зазор. В этих областях происходит взаимодействие магнитных полей. А от двух других одноименных магнитных полюсов витки статорной обмотки удалены на расстояние, обеспечивающее ослабляющее воздействие полей.
Ток в витках 13 дополнительного статора (фиг.3), взаимодействуя с магнитным полем обмотки возбуждения 11, имеющей четырехпорлюсную намотку и проложенной в магнитопроводе 12, создает дополнительное подающее усилие посредством ротора 5 на буровой инструмент и осуществляет бурение скважины 10. Дополнительная подача осуществляется путем взаимодействия тока в части витков 13 дополнительного статора, уложенных двухполюсной намоткой в два немагнитных ротора 7, которые являются телами вращения с боковой поверхностью, охватывающей четверть окружности ротора 5, образуя рабочий воздушный зазор. Благодаря немагнитному материалу ротора взаимодействие тока в остальной части витков 13 дополнительного статора с магнитным полем, наводимым в обмотке возбуждения 11, ослаблено. Благодаря тому, что обмотка дополнительного статора уложена в роторы, а также несимметричному взаимодействию полей возникает вращательный момент, пытающийся повернуть немагнитный ротор 7 против направления подающего усилия. Вал 14, закрепленный в подшипниковых опорах 15, имеет ограниченную свободу вращения, рассчитанную на предельный момент. В случае возникновения ударной нагрузки предельный момент превышается и немагнитный ротор 7 проворачивается, выравнивая величину момента на валу 14. Тем самым величина ударной нагрузки на буровой инструмент 9 и ротор 5 снижается.