УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ИМПУЛЬСА ГИДРОИМПУЛЬСНОГО МЕХАНИЗМА БУРОВОГО СТАНКА

Полезная модель относится к комбинированным ударно-вращательным буровым станкам, а именно к станкам с непрерывным вращением, и может найти применение при проходке горизонтальных и наклонных скважин в подземных горных выработках и карьерах.
Известен гидравлический генератор колебаний (№511979, МПК B06B 1/14, Б.И. №16-1976). Он содержит плунжерные пары с приводом возвратно-поступательного движения и механизм регулирования амплитуды пульсирующего потока. В муфте механизма регулирования выполнены винтовые шлицы противоположного наклона, которые соединены с концами валов двух нерегулируемых генераторов колебаний так, что за счет осевого перемещения муфты изменяются угол сдвига фаз между валами генераторов колебаний. Основные его преимущества заключаются в повышении точности регулировки пульсирующего потока и упрощение конструкции гидравлического генератора колебаний.
Известна конструкция ударного узла станка для бурения скважин в подземных условиях (патент РФ №71369 на полезную модель, опубл. в БИПМ №7-2008, МПК E21B 6/02. Прототип). Ударный узел бурового станка представляет собой генератор ударных гидравлических импульсов, который состоит из гидравлически связанных между собой гидропульсатора с приводом, устройства для коррекции формы гидравлических импульсов и силового гидроцилиндра с поршнем. При этом гидропульсатор выполнен в виде гидроцилиндра с плунжером, устройство для коррекции формы гидравлических импульсов представляет собой полый упругий элемент с нелинейной характеристикой, заполненный рабочей жидкостью и зажатый посредством пружины между инерционной массой и днищем силового гидроцилиндра, а поршень силового гидроцилиндра подпружинен и оперт о хвостовик колонны буровых штанг.
Недостаток полезной модели по патенту №71369 состоит в том, что при бурении слоев породы различной твердости возникают сложности в выборе режима бурения. При проходке слоев горной породы высокой твердости возникает необходимость в увеличении интенсивности бурения, при бурении породы низкой твердости - в уменьшении. Поэтому возникает необходимости в регулировании интенсивности процесса бурения.
Поставлена задача обеспечить регулирование интенсивности процесса бурения.
Эта задача решена следующим образом. Устройство для регулирования энергии импульса гидроимпульсного механизма бурового станка содержит вращательный узел, механизм подачи бурового инструмента на забой и ударный узел. Ударный узел выполнен в виде генератора ударных гидравлических импульсов, который состоит из гидравлически соединенных между собой гидропульсатора с приводом и размещенных в одном корпусе устройства для коррекции формы гидравлических импульсов и силового гидроцилиндра с поршнем. Устройство для коррекции формы гидравлических импульсов представляет собой полый упругий элемент с нелинейной характеристикой, заполненный рабочей жидкостью и зажатый посредством пружины между инерционной массой и днищем силового гидроцилиндра. Поршень силового гидроцилиндра подпружинен и расположен на хвостовике колонны буровых. Гидропульсатор представлен в виде генератора ударных гидравлических импульсов, с регулируемым объемом вытесняемой жидкости в замкнутую полость, включающий нерегулируемые генераторы колебаний, концы валов которых имеют винтовые шлицы противоположного наклона и шлицевую муфту, с возможностью ее перемещения и изменения угла сдвига фаз между валами генераторов колебаний.
Далее сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:
- на фиг.1 - расположение основных технологических узлов станка и схема проходки скважины;
- на фиг.2 - конструкция генератора ударных гидравлических импульсов;
Станок для бурения скважин в подземных условиях включает следующие основные технологические узлы и механизмы (фиг.1):
- вращательный узел 1 шпиндельного или роторного типа. Он предназначен для придания вращения колонне буровых штанг 2 с буровым долотом 3;
- механизм подачи 4 с гидравлическим или механическим приводом для подачи бурового инструмента в составе колонны буровых штанг 2 и бурового долота 3 на забой буровой скважины 5;
- генератор ударных гидравлических импульсов 6.
Генератор ударных гидравлических импульсов 6 (фиг.2) состоит из гидравлически связанных между собой генератора формирования импульсов давления замкнутой полости и размещенных в одном корпусе 7 устройства для коррекции формы гидравлических импульсов 8 и силового гидроцилиндра 9. Генератор формирования импульсов давления в замкнутой полости состоит из нерегулируемых генераторов 10, 11. Генератор 10 выполнен в виде кулачкового механизма, генератор 11 представлен в виде плунжера и соединен с электродвигателем 12 кривошипно-шатунным механизмом 13. Концы валов 14 нерегулируемых генераторов имеют винтовые шлицы противоположного наклона и шлицевую муфту 15. Устройство для коррекции формы гидравлических импульсов представляет собой полый упругий элемент 8, который заполнен жидкостью, имеет нелинейную характеристику и посредством патрубка 16 соединен с силовым гидроцилиндром 9. Этот полый упругий элемент с помощью пружины 17 зажат между инерционной массой 18 и днищем гидроцилиндра 9, вследствие чего в поперечном сечении он приобретает эллипсовидную форму. При этом поршень 19 силового гидроцилиндра 9 поджат пружиной 20 и оперт о хвостовик 21 колонны буровых штанг 2.
Станок для бурения скважин в подземных условиях работает следующим образом (фиг.1). Приводят в действие вращательный узел 1, в результате чего буровой инструмент в составе колонны буровых штанг 2 и бурового долота 3 получает вращение. После этого включают в работу механизм подачи 4, который обеспечивает продвижение бурового инструмента к забою скважины 5 и плотный контакт бурового долота 3 с горной породой забоя. Затем приводят в действие генератор ударных гидравлических импульсов 6.
При включении привода 12 генератора формирования импульсов давления в замкнутой полости нерегулируемые генераторы 10, 11 совершают возвратно-поступательные движения (фиг.2), которые вызывают образование гидравлических импульсов, в том числе в полости силового гидроцилиндра 9. Сформированный ударный гидравлический импульс поступает в силовой гидравлический цилиндр 9, воздействует на поршень 19 и через хвостовик 21 по колонне буровых штанг 2 достигает бурового долота 3. Под его воздействием буровое долото 3 внедряется в горную породу забоя скважины 5 и тем самым обеспечивает повышение эффективности процесса бурения.
Регулирование происходит за счет изменения объема жидкости, (формулы)
Как следует из кинематики между перемещением A плунжеров генераторов 10, 11 и угловой скорости w природного двигателя существует соотношение:
1
2
A=A·sinωt, A=A·sinωt,
1,2
Где A - текущая координата плунжера, ω - угловая скорость приводного двигателя, t - время, A - ход плунжера.
Тогда объем пульсирующего потока или просто пульсирующий поток, развиваемый первым и вторым генераторами, соответственно равен:
1
1
1
2
2
Q=A·f·sinωt, A=A·f·sinωt,
1,2
где f - площадь плунжера.
Поскольку генераторы колебаний 10 и 11 гидравлически между собой связаны и через муфту 15 имеют жесткую регулируемую кинематическую связь, то когда плунжеры перемещаются синфазно, т.е. когда одновременно проходят верхнюю и нижнюю «мертвые точки» суммарный пульсирующий потом, развиваемый генераторами, равен сумме
1
2
1
1
2
2
Q=Q+Q, Q=A·f·sinωt+A·f·sinωt,
если
1
1
2
2
A·f=A·f, то
Если между перемещениями плунжеров генераторов колебаний 10 и 11 нарушена синфазность, т.е. верхние и нижние «мертвые точки» они проходят неодновременно, то это рассогласование характеризуется углом сдвига фаз ψ и является углом относительного поворота валов генераторов колебаний 10 и 11.
Так как генераторы колебаний 10 и 11 имеют общий приводной двигатель 12, вращающий их с угловой скоростью ω, а валы 14 генераторов рассогласованы на улог ψ муфтой 15, то суммарный пульсирующий поток определится теперь как геометрическая сумма  или как сумма сдвинутых на угол ψ синусоид одинаковой частоты.
Отсюда видно, что если ψ=0, то в результате получаем формулу (1), если ψ=180°, то
1
1
2
2
Q=A·f·sinωt+(-A·f·sinωt)
и при условии
1
1
2
2
A·f=A·f Q=0 (при условии одинакового объема нерегулируемым генераторов).
Формула (2) отражает случай, когда за один оборот вала генератора ударных гидравлических импульсов плунжеры совершают один двойной ход. Если конструктивное выполнение генераторов колебаний таково, что плунжеры совершают n двойных ходов за один оборот вала, то формула для определения пульсирующего потока принимает вид:
Таким образов, изменяя относительный угол сдвига фаз между валами генераторов колебаний 10 и 11 от 0 до , пульсирующий потом изменяется от максимума до 0.
Регулирование угла сдвига фаз ψ осуществляется осевым перемещением муфты 15 по винтовым шлицам валов генераторов колебаний.
Рациональным выбором угла наклона шлицев определяется необходимая величина осевого перемещения муфты 15 для изменения пульсирующего потока от 0 до максимума.
Технический результат полезной модели: возможность регулирования интенсивности бурения горной породы.