Буровий верстат

Буровий верстат, що включає щоглу з механізмом подачі (патрон - повзун), опорно-подаючий вузол бурового ставу з надштанговим амортизатором, який містить пружні елементи, розміщені в циліндричному корпусі між кришкою і дном корпусу, з'єднані з тягою - штоком гідроциліндра механізму подачі бурового ставу і, як всі верстати шарошкового буріння, обладнаний повітряним компресором, магістраллю стислого повітря і вузлом подачі водоповітряної суміші в буровий став, який відрізняється тим, що надштангові амортизатори мають рухомі уздовж корпусу кришки, під якими встановлені пружнодемпфуючі елементи, U 1 3 як всі верстати шарошкового буріння, обладнаний повітряним компресором, магістраллю стислого повітря і вузлом подачі водоповітряної суміші в буровий став (див. джерело: 4. - Марасанов Ю.П., Штромвассер Р.С. Анализ методов снижения вибрации буровых шарошечных станков / Известия высших учебных заведений. Горный журнал, 1973. - №5. - С.90-94, рис.1, 2). Недоліками найближчого аналога є те, що: 1 - пружні елементи виконані у вигляді гумових кілець, які мають недостатню надійність і навантажувальну та демпфуючу здатність, обмежений діапазон параметрів жорсткості; 2 - для з'єднання з штоком і підвищення демпфуючої здатності між пружними елементами аналога розміщений поршень з прорізами, а у внутрішню частину корпусу під кришкою залита демпфуюча рідина, так що надштанговий амортизатор це фактично комбінований пружногідравлічний демпфер з вузьким діапазоном частот демпфування коливань; 3 - в джерелі [4] на с.96 вказано, що, при значному спектрі частот збуджуючої сили (яким фактично є спектр на шарошковому буровому верстаті) перевагу слід віддати не гідравлічному, а пружному амортизатору з демпфуванням, робота якого менш залежить від зміни частот. Задачею корисної моделі є удосконалення бурового верстата шляхом застосування на ньому надштангових амортизаторів підвищеної здатності навантаження і демпфування за рахунок підвищення коефіцієнта розсіяння енергії структурою пружнодемпфуючих елементів з широким діапазоном зміни (підвищення) коефіцієнта жорсткості із збільшенням осьового зусилля подачі, що прикладається до бурової штанги. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що, надштангові амортизатори мають рухомі уздовж корпусу кришки, під котрими встановлені пружнодемпфуючі елементи, які виконані у вигляді витих дротяних стрижнів вигину змієподібного типу при цьому дротяні стрижні розміщені таким чином, що їх бічні протилежно розташовані, опуклі змієподібні поверхні паралельно контактують з внутрішніми поверхнями циліндричних корпусів амортизаторів та зовнішніми поверхнями його штоків, причому кріплення надштангових амортизаторів до протилежно розміщених повзунів опорноподаючого вузла обертача бурового ставу здійснене за допомогою куто-подібних дуг та перемичок між ними таким чином, що пружнодемпфуючі елементи пов'язані через рухомі кришки з штоками амортизаторів і з'єднані послідовно з пружнодемпфуючими канатними тягами і штоками гідроциліндрів механізму подачі бурового ставу, при тому амортизатори мають штуцери, що зв'язують їх внутрішню порожнину з магістраллю стислого повітря бурового верстата і штуцера, які пов'язані з вузлом подачі водоповітряної суміші бурового ставу або із зовнішньою атмосферою. Буровий верстат складається з рами 7 на гусеничному ходу 2, на якій встановлена щогла 3, забезпечена направляючими 4, до яких за допомогою повзунів 5, 6 приєднаний обертач 7 з шиннозубчатою муфтою 8 і опорно-подаючий вузол 9. До 67282 4 повзунів 6 опорно-подаючого вузла 9 з допомогою куто-подібних дуг 10 і перемичок 11 прикріплені циліндричні корпуси двох пар амортизаторів 12, під рухомими кришками 13 яких розміщені пружнодемпфуючі елементи 14. Пружнодемпфуючі елементи мають вид витих дротяних стрижнів вигину змієподібного типу. Бічні протилежно розташовані опуклі змієподібні поверхні пружнодемпфуючих елементів 14 паралельно контактують з внутрішніми поверхнями корпусів 12 амортизаторів і зовнішніми поверхнями їх штоків 15. До провушин в нижній частині штоків 15 за допомогою пальців 16 прикріплена тяга 17 поліспастної системи механізму подачі. У кришках 13 амортизаторів 12 врізані штуцери 18 пов'язані з магістраллю 19 стислого повітря бурового верстата. А в донній частині корпусів амортизаторів 12 врізані штуцери 20, пов'язані з навколишньою атмосферою або вузлом 21 подачі водоповітряної суміші в буровий став 22, на нижньому кінці якого встановлено шарошкове долото 23. У верхній частині обертача 4 до повзунів 5 прикріплена тяга 24 поліспастів підйому обертача 4, опорно-подаючого вузла 9 і бурового ставу 22. Пружнодемпфуючі елементі 14 амортизаторів 12 послідовно через канатні пружнодемпфуючі елементи-тяги 17 приєднані до штоків 24 гідроциліндрів подачі 25. Буровий верстат, працює таким чином: При обертанні бурового ставу 22 динамічне навантаження від долота 23 передається на опорно-подаючий вузол 9 і обертач 7, які підвішені на тязі 17 і 24 поліспастів подачі і підйому. Канати поліспастів подачі і підйому заздалегідь натягнуті гвинтами 25 і 26 таким чином, що утворюють єдину, канатно-пружну підвіску обертача 7 і опорноподаючого вузла 9 незалежно від їх подачі вниз при бурінні свердловини або підйому вгору при витягуванні бурового ставу з неї. Канатно-пружна підвіска обертача і опорно-подаючого вузла має частоти власних коливань fcоб. які, наприклад, на верстаті СБШ-250МНА залежно від кількості згвинчених штанг (Ш 219мм, L=8м, 1-3шт.) бурового ставу охоплюють діапазон 6,7-8,6Гц. При бурінні міцних порід долотом 244,5 ОКПГВ Ш2.33УН31-М на частоті обертання бурового ставу n=100об/хв. 5-й ряд твердосплавних штирів 2-й шарошки та 4-й ряд твердосплавних штирів 3й шарошки генерують збуджуючи динамічні навантаження на частотах f5p-2ш=9,23Гц і f4p-3ш=9,21Гц. (див. джерело: 5 - Громадский А.С., Горбачев Ю.Г., Громадский В.А. Энергосберегающая технология безрезонансной работы станков шарошечного бурения // Материалы международной конференции "Форум горняков-2010". Днепропетровск: НГУ, 2010. - С. 191-196). На частотах обертання n=71,5 и 93,5об/хв. Дані шарошки генерують частоти відповідно 6,7Гц и 8,6Гц рівні власним частотам канатно-пружної підвіски обертача и опорно-подаючого вузла. Таким чином, створюється умова резонансу, при якому без демпфера подовжніх коливань унаслідок недостатнього коефіцієнта поглинання подовжніх коливань канатно-пружної підвіски ψ≈0,06 (еквівалентний коефіцієнт демпфування ξ≈0,07), Фіг.3. При такому демпфуванні та частотному відношенні λ=1,0 кое 5 фіцієнт передачі динамічних навантажень η≈7,5-8, при якому значно підвищується амплітуда подовжніх коливань обертача 7 і опорно-подаючого вузла 9 (8-10 мм), а також динамічні навантаження, які передаються на раму 1, щоглу 3 бурового станка і кабіну машиніста. Крім того резонансні режими практично завжди виникають при забурюванні свердловини унаслідок імпульсно-ударних навантажень твердосплавних породоруйнуючих штирів долота по поверхні масиву блоку гірничої породи, як правило "рваною" після попереднього вибуху. Оскільки імпульсно-ударні навантаження мають широкий частотний спектр, вони неминуче збуджують резонанси всіх пружних систем і насамперед резонанс канатно-пружної підвіски сумісно з опорноподаючим вузлом і буровим ставом. У запропонованому буровому верстаті пружнодемпфуючі елементи 14 приєднані послідовно до канатів тяги 17 поліспастної системи механізму подачі бурового ставу 22, оскільки амортизатор найвигідніше розміщувати між верстатом і буровим ставом (див. джерело [4], с. 93). Величина розрахункового коефіцієнта жорсткості пружнодемпфуючих елементів 14 амортизатора 12, при якому вібрація верстата на нерезонансних режимах буде мінімальною і теоретично рівною нулю (див. джерело [4], с. 94, формула (13)): k 3 расч.  k 2 m2  m3   2 (1), k 2  m2  m3   2 де k3расч. - сумарний коефіцієнт жорсткості пружнодемпфуючих елементів 14, Фіг.1, чотирьох амортизаторів 14, Фіг.2, Н/м; k2 - коефіцієнт жорсткості бурового ставу при розтягуванні-стискуванні, Н/м; m2 - маса штанги (Ø219мм, L=8м, 1шт.), кг; m3 - маса штанги з долотом, кг; ω - мінімальна кругова частота, що генерується шарошковим долотом при бурінні міцних порід: =2p∙fmin, рад/с (2) де fmin=f5p-2ш=f4p-3ш≈9,2Гц. Необхідна величина коефіцієнта жорсткості пружнодемпфуючих елементів для бурового верстата СБШ-250МНА, розрахована по формулі (1) k3расч.=4288,8кН. Зусилля подачі тяги 17 прикладається до повзунів 6 опорно-подаючого вузла 9 через пружнодемпфуючі елементи 14 від рухомих кришок 13, пов'язаних з штоками 75 демпферів 12, При цьому, завдяки формі пружнодемпфуючих елементів 14 у вигляді витих дротяних стрижнів вигину, опуклі поверхні яких паралельно контактують з внутрішньою поверхнею корпусу 12 амортизатора і зовнішньою поверхнею його штоку 15, забезпечується підвищене демпфування резонансних коливань опорно-подаючого вузла 9 разом з обертачем 7 і буровим ставом 22. Це досягається за рахунок форми і дротяної структури пружнодемпфуючих елементів 14. В процесі деформації пружнодемпфуючі елементи прагнуть до розширення в перетині поперечному подовжній осі корпусу 12 амортизатора. Причому, завдяки їх паралельному контакту з внутрішньою поверхнею корпусу 12 амортизатора і зовнішньою поверхнею його штока 15, із збільшенням зусилля подачі тяги 17 збільшується сила 67282 6 контакту з цими поверхнями, що підвищує жорсткість і несучу здатність демпфера подовжніх коливань бурового ставу. Завдяки приєднанню пружнодемпфуючих елементів 14 послідовно з канатами - тягами 17 зменшується загальна жорсткість канатно-пружної підвіски опорно-подаючого вузла з обертачем і буровим ставом. При цьому знижується частота власних коливань підвіски, а також зменшується передача динамічних навантажень на буровий верстат за рахунок відмежування від частот збудливих коливань, які генеруються від штирів шарошкового долота. Запропонований буровий верстат був виготовлений і випробуваний в стендових умовах. На Фіг.2 показаний фрагмент верстата: збірка опорноподаючого вузла 9, встановленого на направляючих 4 щогли верстата з двома парами демпферів 12 подовжніх коливань бурового ставу 22, встановлених на перемичках 11 куто-подібних дуг 10, прикріплених до повзунів 6. З Фіг.4 видно, що коефіцієнт жорсткості одного пружнодемпфуючого елемента при зміні зусилля його стискування в діапазоні 10-80кН збільшується від 339кН/м до 1379кН/м практично лінійно. Це забезпечує умову гарантованої передачі великих осьових зусиль подачі до 320кН буровому ставу через демпфер подовжніх коливань пропонованого верстата шарошкового буріння. Коефіцієнт жорсткості одного пружнодемпфуючого елемента для робочого зусилля, що доводиться на нього при осьовому зусиллі подачі бурового ставу 200 кН в точці А, Фіг.4, k1=917кН/м. Фактичний коефіцієнт жорсткості чотири пружнодемпфуючих елементів демпфера k3ф.=4∙k1=4∙917=3668кН/м