CC BY
20
УДК 622.233.05:621.3
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ АДАПТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРИВОДА ПОДАЧИ БУРОВОГО СТАНКА ПРИ ВОЗНИКАЮЩИХ УДАРНЫХ НАГРУЗКАХ
© А.О. Шигин1, А.В. Гилёв2
Сибирский федеральный университет,
660041, Россия, г. Красноярск, пр. Свободный, 79.
Проведено моделирование и исследование работы электромагнитного привода подачи рабочего органа бурового станка при возникновении ударных нагрузок в случае увеличения показателя буримости горной породы в процессе бурения. Разработана методика исследования характеристик электромагнитного привода. Разработана и изготовлена лабораторная установка, позволяющая реализовать данную методику. Представленная методика позволяет оценивать способность электромагнитного привода выдерживать перегрузки по току в обмотках двигателя в зависимости от изменения показателя буримости горной породы.
Ил. 4. Табл. 4. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: усталостная прочность; опоры качения; стойкость шарошечных долот; ударная нагрузка; физико-механические свойства горных пород; ударная нагрузка при перекатывании зубцов шарошки.
1Шигин Андрей Олегович, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и комплексов, тел.: 89131862659, e-mail: [email protected]
Shigin Andrei, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machinery and Complexes, tel.: 89131862659, e-mail: [email protected]
2Гилёв Анатолий Владимирович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой горных машин и комплексов, тел.: 89831542368, e-mail: [email protected]
Gilyov Anatoly, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Mining Machinery and Complexes, tel.: 89831542368, e-mail: [email protected]
46
ВЕСТНИК ИрГТУ №5 (76) 2013
MODELING AND STUDYING ADAPTIVE PROCESSES OF DRILLING RIG ELECTROMAGNETIC FEED DRIVE UNDER IMPACT LOADS A.O. Shigin, A.V. Gilyov
Siberian Federal University,
79 Svobodny Ave., Krasnoyarsk, Russia, 660041.
The authors model and study the operation of a drilling rig electromagnetic feed drive under impact loads in case of increase in the rock drillability factor while drilling. They develop a procedure to study the characteristics of the electromagnetic drive, which is implemented by means of specially designed and manufactured laboratory facility. The presented procedure allows to evaluate the capacity of the electromagnetic drive to withstand overcurrent in motor windings, depending on changes in the rock drillability factor.
4 figures. 4 tables. 6 sources.
Key words: fatigue strength; rolling-contact bearings; cone bit resistance; impact load; physical and mechanical properties of rocks; impact load due to milling cutter teeth rolling.
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. Отмечено, что 80% случаев отказов приходится на разрушение опор качения шарошек буровых долот [1]. Анализ наработок на отказ шарошечных долот зачастую свидетельствует о значительном снижении их стойкости (до 2 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 изменения свойств горной породы необходимо использовать изменение различных технологических показателей, возникающих 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 по различным причинам линейная скорость подачи бурового става не соответствует полностью мгновенной скорости подачи бурового долота. 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 кинетической 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 вращательно-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.
Метод моделирования ударных нагрузок при бурении сложноструктурных горных массивов заключается в измерении скачков давления в гидроцилиндре и тока в обмотке двигателя, вызываемых искусственно созданными скачками давления. Для исследования данного процесса был разработан и изготовлен лабораторный исследовательский стенд, позволяющий моделировать скачки давления, возникающие при изменении показателя буримости на различную величину при различных относительных значениях данного показателя до и после удара (рис. 1).
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 которому 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.
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
Таблица 1
Основные характеристики электродвигателя_____________________________
Модель электро- двигателя Мощность, кВт КПД, % Номинальный ток 1н, А ІП / ІН Мп/Мн Ммак/ Мн Частота вращения п, об/мин Номинальная частота вращения п, об/мин
5А80МВ4 1,5 75 3,8 5,5 1,9 2,2 1500 1410
Таблица 2
Основные характеристики шестеренчатого насоса____________________________
Модель насоса Рабочий объем,см3 Номинальная частота вращения п, об/мин Номинальная производительность Он, л/мин Номинальное давление Рн, 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, необходимые для определения величины, на которую опускается шток гидроцилиндра. Регулировочный кран также имеет шкалу деления в процентах от угла открытия и закрытия крана, который составляет 90°.
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 900) 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 гидросистеме, затем оно опускается до минимального значения, полученные данные заносятся в таблицу (табл. 3). Далее эксперимент повторяется, доводя шток до следующих рисок. Разница давлений определяется по формуле
АР = Ртах - Ршш> МПа -
Второй эксперимент проводится при открытом регулировочном кране на 50 с отметками хода поршня Ь 2, 4,
5, 6, 7 см. Порядок проведения эксперимента - как и в первом варианте. Полученные данные заносятся в таблицу (см. табл. 3).
Третий эксперимент проводится аналогично при открытом регулировочном кране на 10о и полностью закрытых кранах сброса давления, с отметками хода поршня I 2, 4, 5, 6, 7 см (см. табл. 3).
Таблица 3
Результаты эксперимента при полностью закрытом регулировочном кране____________________
І, см Ртах Ртп Ар Ар ртах Ртп Ар Ар ртах Ртп Ар Ар
МПа МПа МПа Ршт МПа МПа МПа Ртіп МПа МПа МПа Ртіп
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 10о давление повышалось незначительно. А после открывания регулировочного крана более 15о давление не повышалось. Поэтому условно степень открывания регулировочного крана можно соотнести с показателем буримости Пб [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 0о, а минимальному будет соответствовать угол открывания регулировочного крана 15 о. При данной степени открывания регулировочного крана изменение давления при любом перемещении поршня условно принимается равным нулю. Тогда степень открывания регулировочного крана 5о при исследовании ударных нагрузок будет соответствовать показателю буримости Пб = 16,7, а степень открывания регулировочного крана 10о будет соответствовать показателю буримости Пб = 8,3 (см. табл. 2). При этом указанные значения показателя буримости соответствуют максимальному значению после перехода бурового инструмента на породу с большим показателем буримости.
Ар
Относительная величина --------в табл. 1-3 фактически равняется отношению увеличения нагрузки, возни-
Ршт
кающей в результате удара при увеличении показателя буримости. Согласно данным, представленным в работе [1], в 80% случаев шарошечный буровой инструмент отказывает в работе по причине разрушения подшипниковых узлов. При этом максимальное напряжение в ролике подшипника качения находится из следующего выражения [5]:
а™ = 600 • з
г • Б • Ь
р р
где Рг - радиальное усилие, прилагаемое к подшипнику, Н; г - количество тел качения в подшипнике; йр - диаметр ролика, мм; 1.р - длина ролика, мм.
Напряжение в опорах качения, возникающее при ударе через показатель буримости для роликовых тел качения, определяется как [6]:
<Г,=600 • 3
F„
2 •Ер • I р
2 Пб + 2АПб 2Пб +АПб
Тогда
Ар
600 • з І Рг 2Пб + 2АПб рг
• Л ■ 3 2'Ер' Ьр 2 Пб + АПб 3 *'°р' Ьр
600 • з 3І Рг
р 9 N
2 П + 2АПб _1 2 Пб + АПб '
Здесь П6 - показатель буримости [4]; ДПб - увеличение показателя буримости. Отсюда изменение показателя буримости определяется как
Ар
2 Пб •
АПб =
1 -
Ар
Расчетные значения изменения показателя буримости АПб вносятся в таблицу (табл. 4).
Таблица 4
Расчетные значения изменения показателя буримости ДПб, соответствующие результатам
экспериментов
Ц, см АПб (Пб=25) АПб (Пб=16,7) АПб (Пб=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
М = 1,592 • • р • г,
где цТ - теоретический расход насоса, рассчитываемый как
ЦД 18 !
ат = —=----------= 23л / мин
V 0,78
При известном моменте на валу насоса мощность двигателя определяется по следующей формуле:
М
М = 9,55 • Р •1000 ^ Р = ■ п
9,55 •
1000'
Пі
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.
и см
^ Ар^
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 энергетической характеристики электродвига-
АР
теля
дв.
Р
от изменения показателя буримости, полученные в ходе лабораторных исследований (см. рис. 3).
дв.шіп
ьпб
АР
дв.
Р
дв.шіп
Рис. 3. Зависимости относительной энергетической характеристики электродвигателя
АР,
дв.
Р
дв.шіп
от изменения
показателя буримости. Показатель буримости, соответствующий максимальному значению после перехода бурового инструмента на породу с большим показателем буримости: 1 - зависимость при Пб = 25;
2 - зависимость при Пб = 16,7; 3 - зависимость при Пб = 8,3
Расчет тока электродвигателя осуществляем по формуле
1000-Р
I =
у[3 • V'
ео8 <р • г
В результате расчетов были получены зависимости токовой перегрузки линейного электромагнитного привода подачи бурового станка от величины изменения показателя буримости АПб (рис. 4).
ЬПб
м.
н
Рис. 4. Зависимость токовой перегрузки линейного электромагнитного привода подачи бурового станка от величины изменения показателя буримости йПв после возникновения ударной нагрузки (здесь кривая 1 соответствует значению показателя буримости после возникновения ударной нагрузки Пб = 25; кривая
2 - Пб = 16,7; кривая 3 - Пб = 8,3)
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 П6 = 8,3 при его значительном увеличении на ДП6 = 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 (0,01 с).
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».
НИР выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно -педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.
Библиографический список
1. Техника, технология и опыт бурения скважин на карьерах / под ред. В.А. Перетолчина. М.: Недра, 1993. 286 с.
2. Привод и системы управления буровых станков для карьеров / А.А. Жуковский [и др.]. М.: Недра, 1990. 223 с.
3. Адаптивная система подачи рабочих органов буровых станков / А.В. Гилев, А.О. Шигин [и др.] // Фундаментальные исследования. 2010. № 11.
4. Подэрни Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых работ: учеб. пособие. 4 -е изд. М.: изд-во МГГУ. 2001. 422 с.
5. Решетов Д.Н. Детали машин: учебник для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов. 4-е изд. М.: Машиностроение, 1989. 496 с.
6. Шигин А.О., Гилев А.В. К вопросу о нагрузках на породоразрушающий инструмент при бурении сложноструктурных горных пород // Горное оборудование и электромеханика. 2012. № 6. С. 16-20.
