Актуальность исследования резонансных режимов работы электромеханической системы буровых станков

При добычи полезного ископаемого открытым способом одной из энергоемких операций является процесс бурения скважин. Бурение, это весьма трудоемкий и дорогостоящий процесс, так стоимость производства буровых работ достигает значений 36% общей стоимости выемки 1 тонны горной массы. В то время как, директивные материалы Правительства РФ предусматривает, в частности, уменьшение расходов на проведение буровых работ за счет снижения затрат на эксплуатацию буровых станков с 40 – 45% до 20 – 25% на основе создания отечественных станков высокого технического уровня [1].

Значительную часть порядка 80% от всех объемов проведения буровых работ производится с помощью шарошечных коронок, известный как «шарошечный» способ бурения. Порядка 19% от всех объемов проведения буровых работ производится с помощью резцовых коронок. Менее 1% производится с помощью ударного метода.

Шарошечное бурение осуществляется перекатыванием шарошки по забою при вращении долота с высоким моментом и усилием прижатия к забою. Зубья шарошки, набегая на забой, разрушают его ударом и резанием горного массива.

Одним из направлений развития отечественной техники шарошечного бурения, по мнению профессоров Подэрни Р.Ю., Кутузова Б.Н., является совершенствование автоматизации управления режимами бурения. При этом совершенствование автоматизации невозможно без создания современных систем управления электроприводами и высокоэффективных режимов их работы.

Буровой станок представляет собой, сложную электромеханическую систему (ЭМС) с большим количеством масс связанных упругими связями. Теоретическая основа нового раздела автоматизированного электропривода – теории электромеханических систем с упругими механическими связями была получена усилиями научных коллективов под руководством Ключева В.И., Переслегина Н.Г., Соколовского Г.Г., Терехова В.М., Борцова Ю.А., Фащиленко В.Н. и др.

В процессе работы бурового станка в упругих связях возникают колебания, как продольные, так и поперечные. Которые приводят к преждевременному выходу из строя оборудования, и имеется необходимость для их ограничения. Анализ способов и средств ограничения динамических нагрузок в электроприводах с упругими элементами показывают, что способы ограничения могут быть разделены на два вида: с помощью механических средств ограничения и с помощью использования демпфирующих свойств электропривода. Ограничение динамических нагрузок посредством механических устройств, в целом благоприятно сказывается на работе системы, однако данные устройства конструктивно сложны и имеют небольшую надежность. Ограничение динамических нагрузок посредством использования демпфирующих свойств электропривода является наиболее перспективным [2].

Однако, существует ряд исследований позволяющих ввести буровой станок в режим контролируемого резонанса с целью улучшения ряда показателей производительности и снижения потребления электрической энергии, как следствие повышения энергетической эффективности оборудования за счет снижения удельных энергозатрат [2,3,4].

Энергетические свойства электропривода, по критерию минимального потребления электроэнергии, определяются коэффициентом динамичности тока якоря для машин постоянного тока. Соотношение между мощностью приводного электродвигателя механизма вращения бурового станка и коэффициентом динамичности тока якоря имеет вид обратно пропорциональной зависимости, т.е. чем больше коэффициент динамичности тока якоря, тем меньше требуется электроэнергии на процесс резанья [3]. Под коэффициентом динамичности тока якоря следует понимать отношение амплитуды вынужденных колебаний к амплитуде возмущающего воздействия.

Одним из путей снижения нагрузок рабочих органов буровых станков является улучшение их динамических свойств за счет выбора рациональных параметров электромеханической системы и активного управления процессами бурения таким образом, чтобы вредные явления, связанные с вибрациями, направить на разрушение горного массива. Эта проблема может быть решена средствами регулируемого электропривода, путем введения электромеханической системы в управляемый резонансный режим, а также определение его граничного диапазона.

Решение этой научной проблемы не потеряло актуальности, ввиду постоянного совершенствования систем управления электроприводов за счет оптимизации по критерию максимальной производительности и минимального потребления электрической энергии. Также следует отметить, что ведутся исследования по разработки оптимальных кинематических схем бурового станка.

Основной задачей управляемого резонансного режима является обеспечение таких нагрузок, которые бы не превысили допустимого предела по фактору механической прочности конкретного элемента конструкции. Кроме того, современная высокопроизводительная техника, должна иметь широкий диапазон скоростей рабочего органа при относительно узком диапазоне изменения крепости пород. Для введения системы в режим резонанса необходимо, чтобы частота собственных колебаний системы была равна частоте возмущающего воздействия [2,4]. Введение в резонанс системы возможно при двух видах возмущающего воздействия статического и управляющего.

Система называется статической по отношению к возмущающему воздействию, если при воздействии стремящемся к установившемуся постоянному значению, отклонение регулируемой величины также стремится к постоянному значению, зависящему от величины воздействия, т.е. канал статического возмущения, обусловлен состоянием горного массива (крепость породы) и особенностями режущего инструмента. При этом диапазон изменения частот собственных колебаний должен изменятся в пределах обеспечивающих совпадение с частотой возмущающего воздействия.

В системе с управляющим возмущающим воздействием, для достижения резонансного режима, необходимо использование маломощного генератора синусоидальных колебаний, сигнал которого выступает в виде сигнала управления и совпадает с частотой собственных колебаний системы. Также необходимо введение в структуру системы обратной связи, которая обеспечивает ограничение амплитуды вынужденных колебаний, угловой скорости двигателя, рабочего органа и тока в силовых цепях до предельно допустимого уровня нагрузок при резонансном режиме работы.

Исследования резонансных режимов с замкнутой системой управления позволило выявить влияние различных обратных связей на поведение системы в целом, а также решить две основные задачи: возможность активного воздействия на величину амплитуды колебаний в резонансном режиме и возможность настройки на резонанс с помощью обратной связи при статическом возмущении [3].

Однако, во всех работах исследования проведенные на ЭМС бурового станка сводится к исследованию влияния обратных связей при работе в резонансном режиме статической системы по отношению к возмущающему воздействию. Работа по исследованию ЭМС бурового станка и влияния обратных связей при работе в резонансном режиме в системе с управляющим возмущающим воздействием, до настоящего времени не исследованы. Кроме того, все исследования были проведены для одномассовой системы, исследования многомассовых систем проведены не были.

В качестве системы ЭМС бурового станка предлагается 10 массовая система, которая включает в себя 8 масс бурового става (по две массы на одну буровую штангу), а также массу приводного двигателя и массу исполнительного органа (шарошки). Все 10 масс связанны между собой упругими связями.

Решение этой системы состоящей из 21 уравнения позволит оценить влияние обратных связей на работу многомассовой ЭМС в резонансных режимах, определить оптимальное количество обратных связей и качественный состав набора обратных связей.

В заключении следует отметить что, необходимо дальнейшее исследование многомассовых ЭМС различных структур систем управления электроприводами буровых станков при резонансных режимах работы, с целью снижения удельных энергозатрат станка при бурении.