Буровий верстат

Реферат: Буровий верстат включає щоглу з механізмом подачі (патрон-повзун), опорно-подавальний вузол бурового поставу з надштанговим амортизатором, який містить пружні елементи, розміщені в циліндричному корпусі між кришкою і дном корпусу. Для покращення навантажувальної та демпфірувальної здатностей верстата надштангові амортизатори мають рухомі вздовж корпусу кришки, під котрими встановлені пружнодемпфірувальні 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. При цьому кріплення надштангових амортизаторів до протилежно розміщених повзунів опорно-подавального вузла обертача бурового поставу здійснене за допомогою кутоподібних дуг та перемичок між ними. При цьому амортизатори мають штуцери, що зв'язують їх внутрішню порожнину з магістраллю стислого повітря бурового верстата і штуцера. UA 101870 C2 (12) UA 101870 C2 UA 101870 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до гірничої промисловості, а саме до бурових верстатів шарошкового буріння. Відомі верстати шарошкового буріння, які мають щоглу, рухомо встановлені на ній каретки, привід подачі бурового поставу, поліспастну систему з гнучкими зв'язками і блоками (Див. джерела: 1, - Авт. Свид. СССР № 1652498, опубл. 30.05.91. Бюл. № 20; 2. - Симкин Б.А., Кутузов Б.Н., Буткин В.Д. Справочник по бурению на карьерах. - М.: Недра, 1990. - С. 56-59). Недоліком відомих верстатів є великі динамічні навантаження і поздовжня резонансна вібрація бурового поставу на гнучких зв'язках поліспастної системи, яка передається на верстат і робоче місце машиніста. Відомі бурові верстати з наддолотними амортизаторами при шарошковому бурінні для зниження вібрації бурового поставу і динамічних навантажень, які передаються на верстат і робоче місце машиніста (Див. джерела: 3 - Эффективность применения наддолотных амортизаторов при шарошечном бурении / Кутузов Б.Н. и др. // Горный журнал.-1971. - № 2. - С. 58-60. 4. - Марасанов Ю.П., Штромвассер Р.С. Анализ методов снижения вибрации буровых шарошечных станков: Известия высших учебных заведений. // Горный журнал.-1973. - № 5. - С. 91-92). Недоліками даних технічних рішень є велика вага і важкі умови роботи наддолотних амортизаторів в свердловині, а також те, що з установкою амортизатора зменшується жорсткість коливальної підсистеми і зростає її амплітуда коливань. Найближчим технічним рішенням, вибраним як найближчий аналог, є буровий верстат, що включає щоглу з механізмом подачі (патрон-повзун), опорно-подавальний вузол бурового поставу 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 поставу і, як всі верстати шарошкового буріння, обладнаний повітряним компресором, магістраллю стислого повітря і вузлом подачі водоповітряної суміші в буровий постав (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 аналогу є те, що: 1 - пружні елементи виконані у вигляді гумових кілець, які мають недостатню надійність і навантажувальну та демпфірувальну здатність, обмежений діапазон параметрів жорсткості; 2 - для з'єднання з штоком і підвищення демпфірувальної здатності між пружними елементами найближчого аналогу розміщений поршень з прорізами, а у внутрішню частину корпусу під кришкою залита демпфірувальна рідина, так що надштанговий амортизатор, це фактично комбінований пружно-гідравлічний демпфер з вузьким діапазоном частот демпфірування 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 демпфіруванням, робота якого менше залежить від зміни частот. Задачею винаходу є: удосконалення бурового верстата шляхом застосування на ньому надштангових амортизаторів підвищеної здатності навантаження і демпфірування за рахунок підвищення коефіцієнта розсіювання енергії структурою пружнодемпфірувальних 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 пружнодемпфірувальні 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 опорно-подавального вузла обертача бурового поставу здійснене за допомогою кутоподібних дуг та перемичок між ними таким чином, що пружнодемпфірувальні елементи пов'язані через рухомі кришки з штоками амортизаторів і з'єднані послідовно з пружнодемпфірувальними канатними тягами і штоками гідроциліндрів механізму подачі бурового поставу, 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 поставу або із зовнішньою атмосферою. Буровий верстат складається з рами 1 на гусеничному ходу 2, на якій встановлена щогла 3, забезпечена напрямними 4, до яких за допомогою повзунів 5, 6 приєднаний обертач 7 з шиннозубчатою муфтою 8 і опорно-подавальний вузол 9. До повзунів 6 опорно-подавального вузла 9 з допомогою кутоподібних дуг 10 і перемичок 11 прикріплені циліндричні корпуси двох пар амортизаторів 12, під рухомими кришками 13 яких розміщені пружнодемпфірувальні елементи 1 UA 101870 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 14. Пружнодемпфірувальні елементи мають вигляд витих дротяних стрижнів вигину змієподібного типу. Бічні протилежно розташовані опуклі змієподібні поверхні пружнодемпфірувальних елементів 14 паралельно контактують з внутрішніми поверхнями корпусів 12 амортизаторів і зовнішніми поверхнями їх штоків 15. До вушок в нижній частині штоків 15 за допомогою пальців 16 прикріплена тяга 17 поліспастної системи механізму подачі. У кришках 13 амортизаторів 12 врізані штуцера 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 постав 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-подавального вузла 9 і бурового поставу 22. Пружнодемпфірувальні елементі 14 амортизаторів 12 послідовно через канатні пружнодемпфірувальні елементи - тяги 17 приєднані до штоків 24 гідроциліндрів подачі 25. Буровий верстат працює таким чином: При обертанні бурового поставу 22 динамічне навантаження від долота 23 передається на опорно-подавальний 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 опорно-подавального вузла 9 незалежно від їх подачі вниз при бурінні свердловини або підйому вгору при витягуванні бурового поставу з неї. Канатно-пружна підвіска обертача і опорно-подавального вузла має частоти власних коливань fcоб., які, наприклад, на верстаті СБШ-250МНА залежно від кількості згвинчених штанг (Ш 219 мм, L=8 м, 1-3 шт.) бурового поставу охоплюють діапазон 6,7-8,6 Гц. При бурінні міцних порід долотом 244,5 ОК-ПГВ Ш2.33УН31-М на частоті обертання бурового поставу n=100 об/хв 5-й ряд твердосплавних штирів 2-ї шарошки та 4-й ряд твердосплавних штирів 3-ї шарошки генерують, збуджуючи динамічні навантаження на частотах f5p-2ш=9,23 Гц і f4p-3ш=9,21 Гц (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 і 93,5 об/хв. Дані шарошки генерують частоти відповідно 6,7 Гц і 8,6 Гц, рівні власним частотам канатно-пружної підвіски обертача і опорноподавального вузла. Таким чином, створюється умова резонансу, при якому без демпфера поздовжніх коливань унаслідок недостатнього коефіцієнта поглинання поздовжніх коливань канатно-пружної підвіски ψ≈0,06 (еквівалентний коефіцієнт демпфірування ξ≈0,07), фіг. 3. При такому демпфіруванні та частотному відношенні λ=1,0 коефіцієнт передачі динамічних навантажень n≈7,5-8, при якому значно підвищується амплітуда поздовжніх коливань обертача 7 і опорно-подавального 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 породоруйнівних штирів долота по поверхні масиву блока 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 опорно-подавальним вузлом і буровим поставом. У запропонованому буровому верстаті пружнодемпфірувальні елементи 14 приєднані послідовно до канатів тяги 17 поліспастної системи механізму подачі бурового поставу 22, оскільки амортизатор найвигідніше розміщувати між верстатом і буровим поставом (див. джерело [4], с. 93). Величина розрахункового коефіцієнта жорсткості пружнодемпфірувальних 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.  50 55 k 2 m2  m3   2 k 2  m2  m3   2 , (1) де k3расч. - сумарний коефіцієнт жорсткості пружнодемпфірувальних елементів 14, фіг. 1, чотирьох амортизаторів 14, фіг. 2, Н/м; k2 - коефіцієнт жорсткості бурового поставу при розтягуванні-стискуванні, Н/м; m2 - маса штанги (Ø 219 мм, L=8 м, 1 шт.), кг; m3 - маса штанги з долотом, кг; ω - мінімальна кругова частота, що генерується шарошковим долотом при бурінні міцних порід: ω=2p∙fmin, рад/с, (2) де fmin=f5p-2ш=f4p-3ш≈9,2 Гц. Необхідна величина коефіцієнта жорсткості пружнодемпфірувальних елементів для бурового верстата СБШ-250МНА розрахована по формулі (1) k3расч.=4288,8 кН. Зусилля подачі 2 UA 101870 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 тяги 17 прикладається до повзунів 6 опорно-подавального вузла 9 через пружнодемпфірувальні елементи 14 від рухомих кришок 13, пов'язаних з штоками 75 демпферів 12. При цьому, завдяки формі пружнодемпфірувальних елементів 14 у вигляді витих дротяних стрижнів вигину, опуклі поверхні яких паралельно контактують з внутрішньою поверхнею корпусу 12 амортизатора і зовнішньою поверхнею його штока 15, забезпечується підвищене демпфірування резонансних коливань опорно-подавального вузла 9 разом з обертачем 7 і буровим поставом 22. Це досягається за рахунок форми і дротяної структури пружнодемпфірувальних елементів 14. В процесі деформації пружнодемпфірувальні елементи прагнуть до розширення в перерізі, поперечному поздовжній осі корпусу 12 амортизатора. При цьому, завдяки їх паралельному контакту з внутрішньою поверхнею корпусу 12 амортизатора і зовнішньою поверхнею його штока 15, із збільшенням зусилля подачі тяги 17 збільшується сила контакту з цими поверхнями, що підвищує жорсткість і несучу здатність демпфера поздовжніх коливань бурового поставу. Завдяки приєднанню пружнодемпфірувальних елементів 14 послідовно з канатами - тягами 17 зменшується загальна жорсткість канатно-пружної підвіски опорно-подавального вузла з обертачем і буровим поставом. 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 опорно-подавального вузла 9, встановленого на напрямних 4 щогли верстата з двома парами демпферів 12 поздовжніх коливань бурового поставу 22, встановлених на перемичках 11 кутоподібних дуг 10, прикріплених до повзунів 6. З фіг. 4 видно, що коефіцієнт жорсткості одного пружнодемпфірувального елемента при зміні зусилля його стискування в діапазоні 10-80 кН збільшується від 339 кН/м до 1379 кН/м практично лінійно. Це забезпечує умову гарантованої передачі великих осьових зусиль подачі до 320 кН буровому поставу через демпфер поздовжніх коливань пропонованого верстата шарошкового буріння. Коефіцієнт жорсткості одного пружнодемпфірувального елемента для робочого зусилля, що доводиться на нього при осьовому зусиллі подачі бурового поставу 200 кН в точці А, фіг.4, k1=917 кН/м. Фактичний коефіцієнт жорсткості чотири пружнодемпфірувальних елементів демпфера k3ф.=4∙kl=4∙917=3668 кН/м