Экспериментальное обоснование адаптивных свойств электромагнитного привода подачи бурового станка

При бурении сложноструктурных массивов горных пород, имеющих широкое колебание физико-механических свойств, часто возникают значительные ударные нагрузки и вибрация, результатом которых является увеличение циклических напряжений во всем буровом органе. В результате, 80 % случаев отказов приходится на разрушение опор качения шарошек буровых долот [1]. Часто из анализа наработок на отказ шарошечных долот следует вывод о значительном снижении их стойкости (до 2-х раз) в случае бурения породы со сложной структурой. Проблема снижения стойкости долот при частых изменениях свойств породы может быть решена применением адаптивного вращательно-подающего механизма, способного своевременно определять различные изменения свойств породы и реагировать на них, корректируя режим бурения. Для своевременного определения изменений свойств горной породы необходимо использовать изменения различных технологических показателей, возникающие по этой причине. Величина, которая изменяется явно и с малой задержкой во времени – это линейная скорость забуривания долота в породу и скорость вращения бурового става. Проблема заключается в том, что линейная скорость подачи бурового става не соответствует полностью мгновенной скорости подачи бурового долота по различным причинам. Особенно это проявляется в случае применения в качестве системы подачи нерегулируемых гидроцилиндров [2]. Несжимаемая жидкость не позволяет буровому ставу изменять линейную скорость независимо от давления и подачи, создаваемых насосами. Удар бурового долота о слой породы, имеющей более высокий показатель буримости, стремится уменьшить линейную скорость бурового инструмента. Ударное усилие, возникающее по причине перехода кинети-36

ческой энергии в потенциальную, передается по буровому ставу в гидроцилиндр системы подачи. Поскольку жидкость является несжимаемой, возникает гидроудар, сопровождающийся скачком давления. Скачок давления вызывает обратную волну, проходящую через буровой став к буровому инструменту. Ударные нагрузки и колебательный процесс неблагоприятно отражаются как на стойкости бурового инструмента, так и на состоянии бурового става и вращательно-подающего механизма.

Для своевременного регулирования подающего усилия возможно применение адаптивной системы подачи [3]. Принцип адаптивного враща-тельно-подающего механизма основан на минимальном количестве звеньев в системе «вращательно-подающий механизм – буровой став – буровой инструмент». Кроме того, адаптивный подающий привод должен максимально быстро реагировать на изменения скорости подачи, вызванные различными перепадами свойств породы. Это условие выполняется в случае применения в качестве привода подачи линейного электромагнитного двигателя, обеспечивающего все необходимые технологические параметры. Тогда ударные нагрузки можно будет фиксировать по скачкам тока в обмотке двигателя. Для оценки адаптивной способности линейного электромагнитного привода подачи рабочего органа бурового станка необходимо осуществить моделирование процесса возникновения ударных нагрузок при бурении породы с использованием указанного привода подачи.

Рис. 1. Схема исследовательского стенда для моделирования ударных нагрузок при бурении сложноструктурных горных массивов: 1 – насос шестеренчатый Г11-22; 2 – трехфазный асинхронный электродвигатель; 3 – осциллограф; 4 – амперметр; 5 – масляный бак; 6 – манометр; 7 – кран игольчатый; 8 – краны шаровые; 9 – гидроцилиндр измерительный; 10 – гидроцилиндр рабочий; 11 – золотник.

Метод моделирования ударных нагрузок при бурении сложноструктурных горных массивов заключается в измерении скачков давления в 37

гидроцилиндре и тока в обмотке двигателя, вызываемых искусственно созданными скачками давления. Для исследования данного процесса был разработан и изготовлен лабораторный исследовательский стенд (рис. 1), позволяющий моделировать скачки давления, возникающие при изменении показателя буримости на различную величину при различных относительных значениях данного показателя до и после удара.

В лабораторном стенде имеется рабочий гидроцилиндр 10, в который подается рабочая жидкость при помощи насоса 1 объемного действия, исключающего обратное перетекание жидкости в камере насоса в случае гидроудара. Это необходимо для обеспечения жесткой связи между создаваемыми скачками давления в измерительном гидроцилиндре 9 и скачками тока в обмотке двигателя 2, вращающего вал насоса 1. Моделируемые в стенде ударные нагрузки фиксируются в виде скачков тока в обмотке двигателя 2 при помощи осциллографа 3 и амперметра 4.

Для создания регулируемой нагрузки в стенде предусмотрен измерительный гидроцилиндр 9, имеющий перепускной патрубок. По перепускному патрубку рабочая жидкость перетекает из одной полости измерительного гидроцилиндра в другую под действием поршня. Штоки измерительного и рабочего гидроцилиндров жестко связаны между собой. Для создания гидроудара в перепускном патрубке предусмотрена запорная арматура быстрого закрывания 8. Для имитации изменения на различную величину показателя буримости и его относительных значений до и после удара, предусмотрен кран медленного закрывания 7, регулирующий пропускную способность гидросистемы, устанавливающуюся при закрывании кранов 8. В гидросистеме предусмотрено два крана быстрого закрывания для возможности моделирования последовательных ударов. Такие удары могут иметь место, например при последовательном увеличении показателя буримости горной породы.

Основными узлами стенда являются: электродвигатель, шестеренчатый насос и два гидроцилиндра. Их основные характеристики приведены в табл. 1, 2.

Таблица 1.

Основные характеристики электродвигателя.

модель электродвигателя	мощность, кВт	кпд, %	номинальный ток I н , А	IП /IН	М П / М Н	ММАК/ М Н	частота вращения n, об/мин	номинальная частота вращения n, об/мин
5А80МВ4	1,5	75	3,8	5,5	1,9	2,2	1500	1410

Основные характеристики шестеренчатого насоса.

модель насоса	рабочий объем, см3	номинальная частота вращения n, об/мин	номинальная  про изводительность Q н , л/мин	номинальное давление P н , МПа	кпд, %
Г11-22	16	1450	18	2,5	78

Проведение эксперимента заключается в следующем. Стенд имеет один регулировочный кран и три крана сброса давления в гидросистеме. На штоке гидроцилиндра через каждый сантиметр нанесены риски необ- ходимые для определения величины, на которую опускается шток гидроцилиндра. Регулировочный кран так же имеет шкалу деления в процентах от угла открытия и закрытия крана, который составляет 90º.

Степень открытия регулировочного крана характеризует жесткость удара рабочего органа бурового става о поверхность забоя. Таким образом, полностью закрытый регулировочный кран (положение 0˚) моделирует абсолютно жесткий удар, который смягчается только упругим сжатием жидкости в гидроцилиндре системы подачи. Такой режим работы бурового станка соответствует резкому изменению линейной скорости движения бурового става, например, в результате заклинивания. Частично открытый регулировочный кран моделирует определенную жесткость горной породы, характеризующую уменьшение скорости бурения в результате увеличения показателя буримости горной породы. Полностью открытый регулировочный кран (положение 90˚) характеризует отсутствие сопротивления движению бурового става.

Первый эксперимент проводился при полностью закрытом регулировочном кране и полностью закрытых кранах сброса давления. На штоке гидроцилиндра было нанесено несколько рисок (2, 4, 5, 6, и 7 см), обозначающих контрольный уровень хода штока. Рычагом опускания гидроцилиндра шток доводится до первой назначенной точки (риска 2 см) и останавливается. Манометр сначала показывает максимальное давление в гид- росистеме, затем оно опускается до минимального значения, полученные данные заносятся в таблицу 3. Далее эксперимент повторяется, доводя шток до следующих рисок. Разница давлений определяется по формуле (1)

^ p  p max   p min , МПа

Второй эксперимент проводится при открытом регулировочном кране на 5˚ с отметками хода поршня L: 2, 4, 5, 6, 7 см. Порядок проведения, как и в первом эксперименте, полученные данные заносятся в табл. 3

Третий эксперимент проводится аналогично при открытом регулировочном кране на 10˚ и полностью закрытых кранах сброса давления, с отметками хода поршня L 2, 4, 5, 6, 7 см, полученные данные заносятся в табл. 3.

Результаты эксперимента при полностью закрытом регулировочном кране.

L, см	p max , МПа	p min , МПа	p , МПа	Ap p min	p max , МПа	p min , МПа	p , МПа	Ap p min	p max , МПа	p min , МПа	p , МПа	Ap p min
	Регулировочный кран закрыт				Регулировочный кран открыт на 5°				Регулировочный кран открыт на 10°
2	0,55	0,5	0,05	0,10	0,49	0,45	0,04	0,09	0,43	0,4	0,03	0,08
4	1,38	1,2	0,18	0,15	1,25	1,1	0,15	0,14	1,11	1	0,11	0,11
5	1,87	1,6	0,27	0,17	1,74	1,5	0,24	0,16	1,52	1,35	0,165	0,12
6	3,24	2,7	0,54	0,20	3,15	2,65	0,5	0,19	3,00	2,6	0,4	0,15
7	6,00	4,9	1,1	0,22	5,80	4,8	1	0,21	5,50	4,6	0,9	0,20

В результате проведения экспериментов было выявлено, что при открывании регулировочного крана более 10˚, давление повышалось незначительно. А после открывания регулировочного крана более 15˚, давление не повышалось. Поэтому условно степень открывания регулировочного крана можно соотнести с показателем буримости П б [4] в следующем соотношении. Показатель буримости изменяется от 0 до 25. Породы с показателем буримости более 25 относятся к внекатегорным, поэтому в данной методике они не учитываются. В связи с этим максимальному показателю буримости будет соответствовать степень открывания регулировочного крана 0˚, а минимальному будет соответствовать угол открывания регулировочного крана 15˚. При данной степени открывания регулировочного крана изменение давления при любом перемещении поршня условно принимается равным нулю. Тогда степень открывания регулировочного крана 5˚ при исследовании ударных нагрузок будет соответствовать показателю буримости П б = 16,7, а степень открывания регулировочного крана 10˚ будет соответствовать показателю буримости П б = 8,3 (табл. 2). При этом указанные значения показателя буримости соответствуют максимальному значению после перехода бурового инструмента на породу с большим показателем буримости.

Относительная величина p в табл. 1, 2 и 3 фактически равняется pmin отношению увеличения нагрузки, возникающей в результате удара при увеличении показателя буримости. Согласно работе [1] в 80 % случаев шарошечный буровой инструмент отказывает в работе по причине разруше- ния подшипниковых узлов. При этом максимальное напряжение в ролике подшипника качения находится из следующего выражения [5]

max

р

600 3

Fr

3 ,

1 z Dр Lр ^,

где F r – радиальное усилие, прилагаемое к подшипнику, Н; z – количество тел качения в подшипнике; D р – диаметр ролика, мм; L р – длина ролика, мм.

Напряжение в опорах качения, возникающее при ударе через показа- тель буримости для роликовых тел качения [6]:

max р.уд. 600 3

F r z D р L р

2 П б ¹ + 2 П б

2 П б ¹ + П б

Тогда

600 3 p_ =_____ V	F r	2 П б 1   2 П б	600 3	F r
	z D р L р	2 П б 1 + П б		z D р L р

p min	600 3	F r
		z D р L р

Здесь П б – показатель буримости [4], Δ П б – увеличение показателя бу-

2 П б ¹ + 2 П б

2 П б ¹ + П б ¹

римости.

Отсюда изменение показателя буримости определяется

2 П . ^p

Пб

П         pmin б    _ J p pmin

Расчетные значения изменения показателя буримости Δ П б вносятся в табл. 4.

Таблица 4.

Расчетные значения изменения показателя буримости Δ П б , соответствующие результатам экспериментов.

L,см	Δ П б (П б =25)	Δ П б (П б =16,7)	Δ П б (П б =8,3)
2	5,56	3,26	1,35
4	8,82	5,27	2,05
5	10,15	6,36	2,31
6	12,50	7,77	3,02
7	14,47	8,79	4,04

Для оценки скачков тока в обмотке линейного электромагнитного привода подачи рабочего органа бурового станка, необходимо определить следующие параметры: изменение момента на валу насоса, изменение потребляемой мощности электродвигателя и изменение тока электродвигателя в результате скачка давления в гидроцилиндре исследовательского стенда.

Момент на валу насоса определяем по формуле (5)

М  1,592 q p•77

где: ^{q Т} - Теоретический расход насоса определяемый по формуле (6)

qД18

q               23 л / мин

Т 770,78

При известном моменте на валу насоса, мощность двигателя определяется по формуле (7)

955 Р ¹⁰⁰⁰ P     ^M

9,55 1000

n ₁

n ₁

Полученные данные представлены в виде графиков (рис. 2, 3).

Зависимость относительных величин изменения мощности двигателя и давления в гидросистеме от перемещения штока гидроцилиндра представлена на рис. 2.

Рис. 2.Зависимость относительных величин изменения мощности двигателя и давления в гидросистеме от перемещения штока гидроцилиндра: 1 – зависимость при закрытом регулировочном кране; 2 – зависимость при открытом на 5° регулировочном кране; 3 – зависимость при открытом на 10° регулировочном кране.

В результате расчетов получены зависимости относительной энерге- тической характеристики электродвигателя

^P дв .

р дв.min

от изменения показателя

буримости пол ченные в хо е лабо ато ных иссле ований

Рис. 3. Зависимости относительной энергетической характеристики дв.

электродвигателя

р. .

дв .min

от изменения показателя буримости.

Показатель буримости, соответствующий максимальному значению после перехода бурового инструмента на породу с большим показателем буримости: 1 – зависимость при П б = 25; 2 – зависимость при П б = 16,7; 3 – зависимость при П б = 8,3.

Расчет тока электродвигателя осуществляем по формуле (8)

I

1000 P

3 U cos ФП

В результате расчетов были получены зависимости токовой перегрузки линейного электромагнитного привода подачи бурового станка от величины изменения показателя буримости ΔП б .

Рис. 4. Зависимость токовой перегрузки линейного электромагнитного привода подачи бурового станка от величины изменения показателя буримости ΔП б после возникновения ударной нагрузки.

Здесь кривая 1 соответствует значению показателя буримости после возникновения ударной нагрузки П б = 25; кривая 2 соответствует значению П б = 16,7; кривая 3 соответствует значению П б = 8,3.

дв .

I н

Показатель буримости горных пород при бурении шарошечными долотами при открытых разработках месторождений, как правило в среднем составляет 6-10. В связи с этим наибольший интерес представляют кривые 2, 3.

По результатам проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы.

• 1)    В случае бурения породы с показателем буримости П б = 8,3 при его значительном увеличении на ΔП б = 4, величина тока превышает пусковой ток в 2 раза. В связи с этим необходимо учитывать соответствующую перегрузочную способность двигателя путем увеличения сечения провода обмотки;

• 2)    Увеличение сечения провода обмотки до необходимого позволит двигателю многократно выдерживать ударные нагрузки при бурении сложноструктурных массивов горных пород;

• 3)    Период времени, при котором существует большое значение тока, характеризуется величиной половины периода колебания тока в сети переменного напряжения (0,01сек.);

• 4)    Расчет сечения провода обмотки должен основываться на максимальной величине тока при перегрузках, времени и частоте этих перегрузок;

• 5)    Данные качественные характеристики показывают безопасность и надёжность рабочего линейного трёхфазного асинхронного двигателя, в качестве привода подачи бурового станка при бурении сложноструктурных горных массивов;

• 6)    Изменение тока в обмотке двигателя подачи позволяет определить величину изменения показателя буримости, а величина скорости бурения в соотношении с частотой вращения бурового става позволяет определить абсолютное значение показателя буримости;

• 7)    Адаптивный электромагнитный привод подачи рабочего органа бурового станка имеет почти мгновенную реакцию на изменение показателя буримости, что позволяет снижать непрогнозируемые ударные нагрузки и эффективно управлять производительностью и ресурсом бурового станка с помощью системы «Электромагнитный двигатель – Буровой став – Буровой инструмент – Порода – Система управления режимами»