CC BY
31
УДК 624.154.6
А.П. Кобзев, М.С. Губатенко
ОПТИМИЗАЦИЯ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ВИБРОСНАРЯДА ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СКВАЖИН
Рассмотрены параметры виброснаряда для расширения скважин, оказывающие доминирующее влияние на его режим работы. Определены оптимальные значения параметров снаряда. Приведены результаты экспериментальных исследований по определению оптимальных параметров.
Оптимизация, параметры вибрационного снаряда, оптимальные значения параметров, экспериментальные исследования
THE OPTIMIZATION OF PARAMETERS CHOICE OF VIBRATING GEAR FOR THE VERTICAL HOLES EXPANSION
Parameters of vibrating gear for the chinks expansion, making the dominating impact on its operating mode are considered in the article. Optimum values of gear parameters are defined. Results of experimental researches by the definition of optimum parameters are presented.
Optimization, vibrating gear parameters, optimum values of parameters, experimental researches
Очевидно, что оптимальный режим работы виброснаряда для расширения вертикальных скважин будет определяться его амплитудой колебаний. На амплитуду колебаний виброснаряда значительное влияние оказывает фазовый угол колебаний.
Амплитуда колебаний виброснаряда:
где ю - угловая частота вынужденных колебаний, рад/с; mд - масса дебалансов, кг; гд -эксцентриситет дебалансов, м; т - присоединенная масса грунта вовлекаемого в колебания;
ф - фазовый угол колебаний виброснаряда, град; п - коэффициент демпфирования грунтов.
Для определения оптимального режима работы виброснаряда необходимо выявить максимальные значения амплитуды колебаний. Экстремум функции А(ф) определяется первой производной по фазовому углу колебаний [2]:
A.P. Kobzev, M.S. Gubatenko
2
wrdmd
(1)
Приравняв первую производную амплитуды колебаний по фазовому углу нулю, можно получить оптимальное значение угла при максимальных значениях амплитуды колебаний:
ю4п2гдт0 ^(у) • (сге(ф)2 +1) = 0
2т • (ю2п • (п • ctg(у)2 +1))2 Оптимальным значением фазового угла в результате решения уравнения (3) р
является у = — рад. или 90 град., что соответствует ранее проведенным исследованиям.
График зависимости амплитуды колебаний от фазового угла в диапазоне от 0 до п радиан (рис. 1) показывает, что максимальные значения амплитуды колебаний виброснаряда достигает при фазовом угле, близком к 90 град.
Рис. 1. График зависимости амплитуды колебаний от фазового угла в диапазоне от 0 до р радиан
Для подтверждения оптимальных параметров работы виброснаряда для расширения скважин были проведены экспериментальные исследования согласно теории многофакторного планирования. Численные значения различных уровней изменяемых параметров и интервалов варьирования указаны в табл. 1. Матрица полного многофакторного эксперимента на основе ротатабельного центрального композиционного плана представлена в табл. 2. Такой план позволяет при сравнительно небольшом числе опытов и простоте обработки экспериментальных данных получить количественную оценку степени взаимосвязи исследуемых параметров и их рациональное значение. В данном случае, рассмотрев все исследуемые факторы, возможно уменьшить число проводимых опытов до 25, что значительно сокращает сроки проведения экспериментальных исследований, а также время обработки полученных данных.
На рис. 2, 3 приведены результаты экспериментальных исследований усилия протяжки виброснаряда от скорости протяжки и частоты вращения вала вибратора для супеси и глины.
Таблица 1
Уровни и интервалы варьирования факторов экспериментальных исследований
Исследуемые факторы Размерно сть Уровни варьирования
-2 -1 0 1 2
Х1 - частота вращения вала вибратора, пвбр об/мин 60 735 1410 2085 2760
Х2 - усилие проходки скважины, Рпр Н 450 650 850 1050 1250
Х3 - масса дебалансов, тд кг 0,06 0,12 0,18 0,24 0,3
Таблица 2
Матрица планирования экспериментальных исследований процесса расширения глухих скважин (РЦКП)
№ опыта Хс Х1 Х2 Ха
Полный факторный эксперимент типа 23 1 +1 -1 -1 -1
2 +1 +1 -1 -1
3 +1 -1 +1 -1
4 +1 +1 +1 -1
5 +1 -1 -1 +1
6 +1 +1 -1 +1
7 +1 -1 +1 +1
8 +1 +1 +1 +1
Звездные точки 9 +1 +1,732 0 0
10 +1 -1,732 0 0
11 +1 0 +1,732 0
12 +1 0 -1,732 0
13 +1 0 0 +1,732
14 +1 0 0 -1,732
Центральные точки 15 +1 0 0 0
16 +1 0 0 0
17 +1 0 0 0
18 +1 0 0 0
19 +1 0 0 0
20 +1 0 0 0
21 +1 0 0 0
22 +1 0 0 0
23 +1 0 0 0
24 +1 0 0 0
25 +1 0 0 0
Рис. 2. Зависимость усилия протяжки виброснаряда от частоты вращения вала вибратора
и скорости протяжки для супеси
Рис. 3. Зависимость усилия протяжки виброснаряда от частоты вращения вала вибратора
и скорости протяжки для глины
Анализ представленных графиков показывает, что усилие протяжки виброснаряда является минимальным при определенных условиях. Это подтверждается как теоретическими, так и лабораторными исследованиями. В результате обработки экспериментальных данных можно рекомендовать оптимальные параметры работы виброснаряда для расширения вертикальных скважин при минимальном усилии протяжки.
Для супеси оптимальными параметрами работы виброснаряда (при минимальном усилии протяжки, массе дебалансов 0,3 кг и фазовом угле, близком к 90 град.) являются:
1) частота вращения вала вибратора - 1410 об/мин (23,5 об/с);
2) скорость протяжки - 0,885 м/мин (0,01475 м/с);
3) давление, оказываемое на грунт, - 198 кПа (0,198 МПа);
4) усилие протяжки виброснаряда - 450 Н;
5) момент раскрытия уплотняющих сегментов - 18,6 Нм.
Для глины оптимальными параметрами работы виброснаряда (при минимальном усилии протяжки, массе дебалансов 0,3 кг и фазовом угле, близком к 90 град.) являются:
1) частота вращения вала вибратора - 414 об/мин (6,9 об/с);
2) скорость протяжки - 0,417 м/мин (0,00695 м/с);
3) давление, оказываемое на грунт - 330 кПа (0,33 МПа);
4) усилие протяжки виброснаряда - 500 Н;
5) момент раскрытия уплотняющих сегментов - 15 Нм.
Оптимальный режим работы виброснаряда для расширения вертикальных скважин определяется фазовым углом колебаний, задающим амплитуду колебаний. При определенных значениях фазового угла амплитуда колебаний достигает максимальных значений, что положительно влияет на процесс уплотнения стенок скважины и позволяет передать наибольший импульс массы колеблющихся частей виброснаряда грунту.
ЛИТЕРАТУРА
1. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле / С.П. Тимошенко. М.: Наука, 1967. 444 с.
2. Корн Г. Справочник по высшей математике. Для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн. М.: Наука, 1978. 832 с.
Кобзев Анатолий Петрович - Kobzev Anatoliy Petrovich -
доктор технических наук, профессор, Doctor of Technical Sciences, Professor,
заведующий кафедрой «Подъемно- Head of the Department «Hoisting-and-transport,
транспортные, строительные и дорожные Building and Road Machines»
машины» Балаковского института техники, of Balakovo Institute of Engineering,
технологии и управления (филиала) Technology and Management (branch)
Саратовского государственного of Saratov State Technical University
технического университета
Губатенко Марк Сергеевич - Gubatenko Mark Sergeyevich -
ассистент кафедры «Подъемно- Assistant of the Department
транспортные, строительные и дорожные of «Hoisting-and-transport, Building and Road
машины» Балаковского института техники, Machines» of Balakovo Institute of Engineering, технологии и управления (филиала) Technology and Management
Саратовского государственного of Saratov State Technical University
технического университета
Статья поступила в редакцию 21.07.10, принята к опубликованию 30.11.10
