CC BY
30
УДК 622.234.5 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-1-102-106
АДАПТИВНЫЙ МОДУЛЬ ГИДРОПРИВОДА БУРОВОЙ УСТАНОВКИ ADAPTIVE MODULE HYDRAULIC DRIVE RIG
© 2015 г. В.А. Першин, И.К. Гугуев, С.Г. Соловьёв, О.В. Толстый
Першин Виктор Алексеевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения», Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) Донского государственного технического университета, г. Шахты, Россия. Тел. (8636) 22-20-37. E-mail: [email protected]
Гугуев Иван Кондратьевич - доцент, кафедра «Организация и безопасность движения», Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) Донского государственного технического университета, г. Шахты, Россия. Тел. (8636) 22-20-37. E-mail: [email protected]
Соловьёв Сергей Геннадьевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Техническая эксплуатация автомобилей», Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) Донского государственного технического университета, г. Шахты, Россия. Тел. (8636) 22-20-37. E-mail: [email protected]
Толстый Олег Викторович - студент, кафедра «Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения», Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) Донского государственного технического университета, г. Шахты, Россия. Тел. (8636) 22-20-37.
Pershin Victor Alekseevich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Machinery and equipment, household and housing and utilities», Institute of the Service Sector and Entrepreneurship (branch) Don State Technical University, Shakhty, Russia. Ph. (8636) 22-20-37. E-mail: [email protected]
Guguev Ivan Kondratyevich - assistant professor, department «Organization and Safety of Motion», Institute of the Service Sector and Entrepreneurship (branch) Don State Technical University, Shakhty, Russia. Ph. (8636) 22-20-37. E-mail: [email protected]
Soloviev Sergey Gennadyevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Technical Maintenance of Cars»», Institute of the Service Sector and Entreprene-urship (branch) Don State Technical University, Shakhty, Russia. Ph. (8636) 22-20-37. E-mail: nemnul3 @mail.ru
Tolstyy Oleg Viktorovich - student, department «Machinery and Equipment, Household and Housing and Utilities», Institute of the Service Sector and Entrepreneurship (branch) Don State Technical University, Shakhty, Russia. Ph. (8636) 22-20-37.
Предложен модуль гидропривода буровой установки, позволяющий стабилизировать нагрузку на рабочем инструменте за счёт наличия прямой положительной связи по скоростям вращения и подачи буровой штанги и отрицательной обратной связи по приращению момента резания грунта. Представлены математические зависимости прямой и обратной отрицательной связей адаптивного управления приводом буровой установки по моменту и скоростям главного (вращательного) движения и движения подачи бура, что позволяет осциллировать процесс бурения.
Ключевые слова: буровая установка; модуль; гидропривод; насос; фильтр; гидрораспределитель; регулятор потока.
Proposed module hydraulic drilling rig, allows you to stabilize the load on the working tool due to the direct positive communication speed of rotation and feed of drill rod and the negative feedback the increment the moment cutting soil. The article presents the mathematical dependence of the direct and inverse negative ties adaptive drive control of the drilling rig torque and speed of the main (rotational) movement and feed movement of the drill that allows you to oscillate the drilling process.
Keywords: drilling rig; module; hydraulic drive; pump; filter; hydrodistributor; flow controller.
В последнее время буровые установки нашли широкое применение, в том числе для услуг ЖКХ, например, при бурении скважин на воду, при решении небольших строительных задач, при инженерных изысканиях.
В буровых установках используются различные способы бурения: вращательный (сухой, с промыв-
кой), ударный (с пневмоударником и др.), шнековый и др. [1 - 3].
К особым требованиям, предъявляемым при этом к буровым установкам, относятся: автономность, мобильность, энергоэффективность, производительность, качество шпуров, скважин, износостойкость бурового инструмента. Особенно эти требования
должны выполняться в условиях бурения грунтов с переменными твёрдостью и плотностью [4, 5].
На практике добиться комплексного решения, вытекающего из этих требований и направлений задач, в полной мере не удаётся. Анализ известных конструкторско-технологических решений показывает, что в наибольшей степени комплексному решению указанных задач отвечает идея одновременного ос-циллирования вращательного и возвратно-поступательного движения буровой головки. Этой идее отвечает предлагаемый нами модуль гидравлического привода, принципиальная схема которого представлена на рисунке.
ством этого привода (рисунок) цель адаптации процесса бурения достигается тем, что главному движению и движению подачи сообщаются знакопеременные ускорения [9]. При этом скорости подачи и бурения изменяются таким образом, что между ускорением движения подачи и суммарным моментом сопротивления бурению имеет место зависимость:
d ю
п = АМо - (ВМсгд + СМсгп), (1)
где
d юп dt
dt
- ускорение движения подачи; А , В , С -
постоянные коэффициенты, зависящие от моментов инерции, кинематических параметров и КПД узлов привода главного движения и привода подачи; МО -расчетный суммарный момент сопротивления бурению, воспринимаемый бурильным инструментом и соответствующий процессу обычного бурения (без адаптации); МСГд , МСГП - действительные моменты
сопротивления бурению, воспринимаемые соответственно валом привода главного движения и валом подачи. Ускорение движения подачи и ускорение главного движения связаны выражением
d ю
dt
п = K-
d ю
гд
dt
(2)
Принципиальная схема адаптивного привода буровой установки в модуле гидропривода
Основными элементами гидропривода являются: бак - 1; насос постоянной производительности - 2; электродвигатель привода насоса - 3; предохранительный клапан - 4; фильтр - 5; регулятор потока - 6; регулируемые дроссели - 7 и 8; гидрораспределители - 9 и 10; реверсивные гидромоторы подачи - 11 и вращения буровой головки - 12; механизм главного движения - 13; механизм подачи - 14.
В структурном отношении модуль гидравлического привода (см. рисунок) представляет собой, по аналогии с электросистемами, гидросистему с соединениями её элементов по типу мостовой схемы, в плечи которой включены дроссели, регулятор потока, реверсивный гидромотор вращательного движения 12, а в диагональ моста включён реверсивный гидромотор 11 возвратно-поступательного движения (подачи). Такое объединение гидроэлементов привода позволяет с его помощью реализовать свойства адаптивной системы предельного регулирования [6 - 8]. Посред-
где К - коэффициент, учитывающий типоразмеры исполнительных элементов приводов подачи и главного движения, а также исходные отношения скоростей подач и главного движения, соответствующие заданным значениям.
Зависимости (1) и (2) представляют собой математическое выражение отрицательной обратной связи по величине приращения суммарного момента сопротивления относительно расчетного значения и математическое выражение прямой положительной связи по величине приращения ускорений главного движения и движения подачи. Осуществление предлагаемого способа происходит автоматически за счет наличия в модуле для его осуществления указанных обратной и положительной связей.
Наличие отрицательной обратной связи дает возможность стабилизировать силовые факторы процесса бурения: при возрастании действительного суммарного момента сопротивления обработке (ВМСГд + СМСГП)
относительно номинального значения АМО имеет место отрицательное значение ускорения dюп/dt и наоборот - положительное значение при уменьшении действительного момента сопротивления, относительно его номинального значения.
Наличие прямой положительной связи позволяет при бурении стабилизировать шероховатость поверхности скважины, так как изменение величины подачи ведет к однозначному изменению и скорости резания материала грунта.
Коэффициенты А , В и С в зависимости (1) определяются по формулам:
A =
кчыд "л мп jгп jМД
B = A-
1
C = A
ЛМД ЛГД 1
k"Mn "гп
где JГП, JМц, k - соответственно приведенные к валам гидромоторов моменты инерции элементов механизмов подачи и главного движения, а также коэффициент, характеризующий конструктивные особенности гидромоторов подачи и главного движения; ^^ц,
^МП, ^Гц, %П - механические КПД гидромоторов и
КПД передач механизмов главного движения и подачи.
Коэффициенты А , В и С постоянны для конкретного типоразмера модуля, реализующего способ бурения.
Рассмотрим работу адаптивной системы в переходных режимах при воздействии на рабочий орган, переменных по величине входных параметров обработки.
Адаптивная система имеет ряд нелинейностей: нелинейность зависимости расхода от величины открытия рабочего окна регулятора режимов; зоны нечувствительности, наличие которых обусловлено силами трения; утечки в системе и гидродвигателях; насыщение, которое обусловлено конечным значением расхода и давления питающей системы насосной станции.
В реальной системе нелинейности проявляются в ещё большей мере, если в кинематических цепях, соединяющих гидродвигатели с исполнительными элементами, имеются зазоры, а также, если учитывать податливость элементов механической части привода буровой установки, сжимаемость масла, деформации трубопроводов и волновые процессы в гидросистеме. Теоретический учёт всех этих факторов чрезвычайно усложняет исследование.
Вместе с тем необходим учёт при исследовании систем возможно большего числа факторов. Это является требованием и одной из основных тенденций развития машиноведения - системного подхода, т.е. перехода от частного рассмотрения работы и расчётов отдельных элементов привода к рассмотрению системы в целом (включая привод, несущую систему, управление процессом и т.п.) с позиций обеспечения соответствующих выходных показателей качества бурения. Поэтому при исследовании динамики гидравлической адаптивной системы модуля вначале нужно получить зависимости в общем виде, а затем
их откорректировать применительно к конкретной буровой установке.
Нами сделана попытка исследовать устойчивость гидравлической адаптивной системы, пользуясь приближённой линейной теорией, для чего нелинейные дифференциальные уравнения, описывающие поведение системы в переходном режиме, заменены линейными.
При написании уравнений движения приняты следующие допущения:
- скорость приводного электродвигателя, а значит и насоса, принимается постоянной;
- гидродвигатели соединены с рабочими органами бура без люфтов;
- волновые процессы в трубопроводах из-за малой длины последних не влияют на динамику системы;
- модуль упругости масла - величина постоянная, не зависящая от давления и температуры, нераство-рённый воздух в жидкости отсутствует;
- коэффициенты вязкости масла и расхода дросселей для заданного режима работы системы постоянны;
- температура жидкости в течение рассматриваемого процесса не изменяется.
Для уравнений движения, описывающих работу системы в переходных режимах, использованы уравнения Лагранжа II рода, составленные для обобщённых координат этой системы.
За обобщённые координаты системы приняты углы закручивания участков валов п-х элементов привода, углы поворота валов гидромоторов главного движения фГц и подачи фГП, а также элементарный
объём масла, протекающий через регулятор режимов
- 9ДР1-
Соответственно, обобщёнными скоростями будут • • •
ФГД, фГП, фг- и секундный расход масла через
регулятор режимов - QцР1.
В связи с тем что гидросистема снабжена насосом постоянной производительности, обобщённую скорость QдР1 можно выразить через ф Гц, введя в систему уравнений, описывающих динамику адаптивной системы привода в целом (3), уравнение связи (4):
f
d dt
d dt
\
dT
dT
dn
чЗФгд ,
f \ dT
Фгд ^гд
= М
V^ra J
dT dn --+ —
Фгп dфгп
+-= М 2;
d dt
f \ dT
V^iГД J
dT dn
-+-=М гд;
ФгГД ^ГД
d dt
( \ dT
Зф
дТ ЗП
- +-= М-
d dt
'ПГД
( \ дТ
дФпгд дФпгд
ПГД'
ЧдФгГП У
дТ дП - + -
дФгТП дФг-ГП
= Мг ГП;
d
dt
дТ
V 3Фпгп У
дТ дП
- +-= М-
дФПГП дФПГП
ПГД'
ÖH = 0ДР, + Q™ + QVT + Q (
ГдИ
^ут
^сж-
(4)
i=1
i=1
1 2
Пг = - Р(Р\Уин + Р:^ГД-РП + Р 2^ГП-ДР2 ).
В этом уравнении приняты следующие обозначения: УмН - объём масла в нагнетательном трубопроводе; ^Гд-рп- объём масла в трубопроводе между регулятором потока и гидромотором главного движения; КГП-дРг - объём масла в трубопроводе между
гидромотором подачи и дросселем ДР2 ; р - коэффициент податливости трубопровода с жидкостью.
Потенциальную энергию элементов механической части системы привода представим как сумму потенциальных энергий приводов главного движения
^МГП :
ПМГД и подачи ПМ
В системе уравнений (3) и (4): фГд, фГП - обобщённые координаты (углы поворотов) валов гидромоторов главного движения и подачи; ф Гд, ф ГП -
обобщённые координаты (углы закручивания) /-х (/ = 1, 2, 3, ..., п) элементов в передачах приводов главного движения и подачи буровой штанги в том числе; Т, П - кинематическая и потенциальная энергия системы; М\, М2 - обобщённые моменты, соответствующие обобщённым координатам М/гд, М/ГП; Qут -суммарные утечки; QСЖ - расход, которым компенсируется изменение объёма жидкости вследствие её сжимаемости.
Выражение для кинетической энергии системы представим в виде:
Т = Т гп + Тгд +Z Т ГП +Z Т ГД + £ Тж,
где ТГП, Тгд - кинематическая энергия элементов
приводов подачи и главного движения, обладающих высокой крутильной жёсткостью; Т/гд , ТiГП - кинетическая энергия элементов привода подачи и главного движения, обладающих незначительной крутильной жёсткостью; Т Ж - кинематическая энергия движущейся жидкости в трубопроводах гидросистемы.
Выражение для потенциальной энергии системы в общем виде представим как П = Пг + Пм, где Пг, Пм - соответственно потенциальная энергия элементов гидравлической и механической частей системы привода.
Потенциальную энергию гидравлической части системы необходимо учитывать при значительных длине и диаметре трубопроводов, а также при наличии в гидросистемах гидроаккумуляторов.
Потенциальную энергию механической части системы необходимо учитывать при малой жёсткости элементов (длинных валов, пружин.).
Потенциальную энергию гидравлической части системы представим в виде:
ПМ ПМГД + ПМГП .
Таким образом, в процессе бурения скважин в грунтах, имеющих включения, прослойки с различной твёрдостью породы, плотностью слоёв, привод автоматически за счет обратной отрицательной (по моментам сопротивления) и прямой положительной связей по скоростям (главного движения и подачи) происходит стабилизация усилий бурения и шероховатости поверхности скважины путем синхронного однозначного колебания (осцилляции) скоростей подачи и вращения буровой головки: при возрастании твёрдости породы подача снижается, а следовательно, также снижается значение возрастающего усилия бурения, что стабилизирует нагрузки на буровой инструмент.
Отмеченная осцилляция (колебания) бурильного инструмента по двум его движениям (вращательному и подаче) позволяет интенсифицировать процесс бурения по аналогии обработки резанием с вибрациями в машиностроении [10].
Предлагаемый модуль может быть использован как основной привод в малогабаритных мобильных установках и как встроенный модуль в буровых станках [10].
Литература
1. Каракозов А.А., Юшков И.А., Попова М.С., Парфёнова И.Д., Сагайдак И.Д. Буровое оборудование. Гидравлические системы буровых станков и установок: учеб. пособие. Донецк, 2011. 116 с.
2. Ильский А.Л., Шмидт А.П. Буровые машины и механизмы. М., 1989.
3. Булатов А.И., Аветисов А.Г. Справочник инженера по бурению: в 4 кн.; 2-е изд., перераб. и доп. М., 1996.
4. Инструкция по вибрационно-вращательному бурению
скважин в породах рыхлого комплекса. Свердловск, 1985 (соавторы Б.М. Ребрик, Н.В. Смирнов).
5. Гланц А.А., Алексеев В.В. Справочник механика геологоразведочных работ. М., 1987. 444 с.
6. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М., 1972. 768 с.
7. Рубан Д.Б., Ребрик Б.М. Соотношение скоростей при ударно-вибрационном зондировании грунтов // Изв. вузов. Геология и разведка. 1992. № 3.
8. Букреев В.Г. Математическое обеспечение адаптивных систем управления электромеханическими объектами: учеб. пособие. Томск, 2002. 132 с.
9. Першин В.А., Соловьёв С.Г. Повышение качества процесса хонингования // Современные технологии в машиностроении: сб. материалов XIV Междунар. науч.-практ. конф. МНИЦ ПГСХА Пенза, 2010. С. 97 - 100.
10. Подураев В.Н. Резание труднообрабатываемых материалов: учеб. пособие для вузов. М., 1974. 589 с.
References
1. Karakozov A.A., Yushkov I.A., Popova M.S., Parfenova I.D., Sagajdak I.D. Burovoe oborudovanie. Gidravlicheskie sistemy burovyh stankov i ustanovok. Uchebnoe posobie [Drilling equipment. Hydraulic drilling rigs and installations. Tutorial ] . Doneck, DonNTU, 2011. 116 p.
2. Il'skij A.L., Shmidt A.P. Burovye mashiny i mehanizmy [Drilling machines and mechanisms]. Moscow, Nedra, 1989.
3. Bulatov A. I., Avetisov A.G. Spravochnik inzhenerapo bureniyu. V4 kn. 2-e izd., pererab. i dop [Handbook drilling engineer. 4 kN. 2nd ed., revised and enlarged extra ]. Moscow, Nedra, 1996.
4. Rebrik B.M., Smirnov N.V. Instrukciya po vibracionno-vraschatel'nomu bureniyu skvazhin v porodah ryhlogo kompleksa [Instructions for vibratory rotary drilling of wells in the loose rocks of the complex]. Sverdlovsk, UTGU, 1985.
5. Glanc A.A., Alekseev V.V. Spravochnik mehanika geologorazvedochnyh rabot [Handbook mechanics of exploration]. Moscow, Nedra, 1987. 444 p.
6. Besekerskij V.A., Popov E.P. Teoriya sistem avtomaticheskogo regulirovaniya [The Theory of automatic control systems]. Moscow, Nauka, 1972. 768 p.
7. Ruban D.B., Rebrik B.M. Sootnoshenie skorostej pri udarno-vibracionnom zondirovanii gruntov [The speed ratio at the shock-and-vibration sensing of soils]. Izvestiya VUZov. Geologiya i razvedka, 1992, no. 3.
8. Bukreev V.G. Matematicheskoe obespechenie adaptivnyh sistem upravleniya 'elektromehanicheskimi ob'ektami. Uchebnoe posobie [Software adaptive control systems Electromechanical objects. The tutorial]. Tomsk, TPU, 132 p.
9. Pershin V.A., Solov'ev S.G. [Improving the quality of the process of honing]. Sovremennye tehnologii v mashinostroenii: sbornik materialov XIVMezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii - MNIC PGSHA [Modern technologies in engineering: proceedings of the XIV International scientific-practical conference of international research, the tree]. Penza, RIO PGSHA, 2010. pp. 97 - 100. (In Russian).
10. Poduraev V.N. Rezanie trudnoobrabatyvaemyh materialov. Uchebnoe posobie dlya vuzov [Cutting difficult materials. Textbook for high schools]. Moscow, Vysshaya shkola, 1974. 589 p.
Поступила в редакцию 10 ноября 2014 г.
