В статье приведены сведения о принципе автоматического регулирования гидравлической схемы бурильной машины. Целью работы является исследование адаптивного процесса вращательного бурения. Мы анализируем факторы, влияющие на процесс вращательного бурения, и описывает метод управления усилием подачи штанги на буримый материал, в зависимости от момента сопротивления вращению.
Изложены сведения об принципах работы и управления гидравлической схемой экспериментальной адаптивной бурильной машине.
Ключевые слова: адаптивная бурильная машина вращательного типа, вращательное бурение, гидравлическая схема, принцип управления, бурение
Вращательное бурение широко применяется при проведении неглубоких и глубоких скважин. В машинах вращательного бурения, как правило, используется или гидравлический или электрогидравлический привод, а процесс бурения, как правило, автоматизирован. В современных бурильных машинах автоматически поддерживаются режимы бурения близкие к оптимальным. Основными управляемыми параметрами бурильной машины является усилие подачи (иногда скорость подачи) — осевое усилие, с которым буровая штанга подается в направлении бурения и частота вращения буровой штанги. Известны адаптивные бурильные машины с электрогидравлическим приводом, в которых адаптация достигается за счет автоматического изменения усилия подачи при изменении момента сопротивления вращению. Например, в модернизированной бурильной машине «ЭБГП-1А» [1] — колонковой бурильной машине, получившей наибольшее применение при подземных горных работах. В этих бурильных машинах при критическом увеличении момента сопротивления вращению, автоматически уменьшается усилие подачи, до значения, близкого к оптимальному. Конструктивно, машина выполнена так, что момент вращения воздействует на регулируемый клапан в гидролинии подачи масла в гидроцилиндры подачи. Эта связь обеспечивает, в некотором диапазоне, саморегулирование машины на режим, близкий к рациональному, когда условия бурения переменны. Увеличение момента вращения, автоматически приводит к уменьшению усилия подачи, и наоборот уменьшение момента вызывает увеличение усилия подачи. Теоретически этот процесс для адаптивной машины рассмотрен в работе [2], в которой изложен вопрос саморегулирования на основе положений теории резания. Известны также адаптивные бурильные машины, которые рассматривается как система автоматизированного управления двумя связанными между собой рабочими движениями исполнительного органа: вращением и подачей буровой штанги в направлении бурения [3]. Это так называемые машины, имеющие двухдифференциальную структуру. Основы теории таких машин разработаны проф. Водяником Г. М. [4] и проф. Дровниковым А. Н. [5], а также их учениками. В большинстве бурильных машин с адаптивными свойствами используется связь между приводом подачи и приводом вращения так, что момент вращения, при постоянной частоте вращения штанги, используется для управления усилием подачи [6]. Однако стендовые исследования такой бурильной машины с гидравлическим приводом [7] и двухдифференциальными связями показали слишком высокую чувствительность усилия подачи к изменению момента вращения. Это приводит к снижению производительности процесса бурения или к необходимости выполнения частых настроек степени этого влияния.
Нами разработана новая схема управления процессом вращательного бурения, и новая схема бурильной машины, в которой исключен указанный недостаток. В разработанной адаптивной машине вращательного бурения дифференциальные связи заменены на простое клапанное управление. Гидравлическая схема такого адаптивного привода приведена на рисунке 1.
Автоматическая работа бурильной машины обеспечивается тем, что привод снабжен дополнительным клапаном предельного давления в напорной гидролинии двигателя вращения буровой штанги, а золотник управления реверсом гидроцилиндра выполнен с гидравлическим управлением. При этом вход дополнительного клапана придельного давления соединен с напорной магистралью гидродвигателя вращения, а выход из дополнительного клапана предельного давления подключен к управляющей линии золотника управления реверсом гидроцилиндра.
Привод адаптивной бурильной машины состоит из автономной маслостанции, включающей электродвигатель и масляный насос; фильтра (не показан), первого клапана предельного давления, дополнительного клапан предельного давления, золотника управления реверсом гидроцилиндра, золотника управления гидромотором вращения буровой штанги.
Рис. 1. Гидравлическая схема бурильной машины
Дополнительный клапан придельного давления 2 (см. рисунок), подключен входом к магистрали гидромотора 6, выход с дополнительного клапана придельного давления подключен к управляющему входу золотника 3 управления реверсом гидроцилиндра, имеющего гидравлическое и ручное управления.
Работает привод следующим образом. После включения маслостанции 1, штанга буримой машины 7 подводится к месту бурения, включается золотник 5 управления гидродвигателем вращения штанги 6, штанга 7 с режущей коронкой начинает вращение, оператор бурильной машины, управляя золотником 3 включает на подачу гидроцилиндр 4, который прижимает штангу с коронкой к забою и начинается процесс бурения. Величина усилия подачи штанги на забой устанавливается давлением в подающей магистрали регулируемым клапаном на маслостанции. При нормальных (регламентированных) условиях процесса бурения, гидроцилиндр подачи и гидромотор вращения, работают независимо, так как они подключены к маслостанции параллельно. В случае критического превышения момента вращения, например, при заклинивании штанги, или при резком уменьшении крепости буримого материала, увеличивается давление на входе в гидромотор, срабатывает дополнительный клапан предельного давления и золотник переключает привод на реверс, положение (II)золотника 3. При этом уменьшается усилие подачи, до момента, когда уменьшится момент сопротивления вращению. Далее процесс бурения продолжается после возврата золотника подачи в исходное положение (I).
Литература:
- Патент на изобретение RUS № 2366791 от 16.11.2007. Адаптивная бурильная машина / Лемешко М. А., Остановский А. А., Васин М. А.
- Лемешко М. А., Волков Р. Ю. Анализ вращательного бурения /Молодой ученый. -2015. -№ 21 (101). -С. 179–185.
- Патент на изобретение RUS № 2473767, 29.07.2011. Адаптивная машина вращательного бурения /Лемешко М. А., Трифонов А. В.
- Водяник Г. М. и др. Сверление горных пород самонастраивающейся буровой машиной — В кн.: Горный породоразрушающий инструмент. Киев.,-1970, -С. 116 -129.
- Дровников А. Н. Анализ, синтез и разработка адаптивных механизмов: —Автореферат дисс. д-ра техн. наук -Алма-ата, Казахский гос. ун-т, 1988.-32с.
- Дровников А. Н., Лемешко М. А. Структурная схема динамической модели «адаптивный буровой станок — забой»/ Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). -2003. -№ 8.- С. 147–149.
- Лемешко М. А. Стенд для исследования адаптивного процесса бурения с не силомоментными обратными связями/ Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). -2005. -№ 4. — С. 314–315.
