CC BY
23
6. Пашков Е.Н., Зиякаев Г.Р., Кузнецов И.В. Дифференциальные уравнения процессов гидроимпульсного силового механизма бурильных машин / Пашков Е.Н., Зиякаев Г.Р., Кузнецов И.В. // Приволжский научный вестник. - 2013. - № 4 (20). - С. 32-36.
7. Патент на ПМ 133152 РФ. МПК7 Е02D 7/10. Гидроимпульсная сваебойная машина / Е. Н. Пашков, Г. Р. Зиякаев, П. Г. Юровский, А. В. Пономарев. Опубл. 10.10.2013 г.
8. Зиякаев Г. Р., Саруев Л. А., Мартюшев Н. В. Математическое моделирование гидроимпульсного механизма бурильных машин // В мире научных открытий. - 2010. - № 6.3 (13) - С. 61-65.
9. Пашков Е. Н., Саруев Л. А., Зиякаев Г. Р. Математическое моделирование гидроимпульсного механизма бурильных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - № 5 - С. 26-31.
УДК 622.233.63 © Е.Н. Пашков, Г.Р. Зиякаев,
П.Г. Юровский, 2013
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ БУРЕНИЯ ШПУРОВ ПРИМЕНЕНИЕМ БЕЗБОЙКОВОЙ ГИДРОИМПУЛЬСНОЙ СИСТЕМЫ
Представлена физическая модель гидроимульсного механизма бурильных машин. Получены дифференциальные уравнения, описывающие механические и гидравлические процессы, протекающие в механизме за весь цикл его работы. Так же получены численные решения данных уравнений.
Ключевые слова: гидроимпульсный механизм, гидропульсатор, безбой-ковый механизм, вынужденные колебания, собственная частота, резонанс.
Современным вектором развития бурильных машин и механизмов ударного действия является создание силовых импульсных систем с гидравлическим приводом [1, 2]. В последнее время учеными Томского политехнического университета проводятся исследования в данном направлении [3, 4, 5].
На рис. 1 представлена модель гидроимпульсного силового механизма для повышения эффективности бурения шпуров и скважин малого диаметра при прохождении участков пород средней и высокой крепости.
Данная безбойковая модель обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению с другими бурильными механизмами, такими как:
• Отсутствие соударяющихся частей.
• Малая шумность.
• Искробезопасность.
• Малое тепловыделение.
• Высокий кпд.
Импульсы давления жидкости формируются следующим образом. При работе гидропульсатора, плунжер совершает возвратно-поступательное движение, при этом создаются импульсы давления жидкости, которые передаются в гидроцилиндр. Так как гидроцилиндр поджат упругой силой, происходит его раскачка вместе с инерционной массой т. При этом происходит периодическое преобразование кинетической энергии массы т в потенциальную энергию деформированной системы жидкости и рукава -повышению давления в системе и обратно. При режиме работы системы близкого к резонансному, возникают импульсы давления значительной величины, которые через поршень и буровую штангу передаются на обрабатываемую среду.
В работах [6, 7] получены дифференциальные уравнения механических и гидравлических процессов гидроимпульсного механизма. Но в данных работах рассматривался только установившийся режим работы. Для моделирования переходных процессов, проходящих при пуске и разгоне механизма до установившегося режима работы и определения величины приводного момента двигателя для привода плунжера, рассмотрим следующую модель (рис. 1).
Для вывода уравнений, описывающих данную систему, полагаем, что между двумя следующими друг за другом силовыми импульсами, гидроцилиндр неподвижен. Вводим следующие обобщенные координаты: х1 - координата перемещения корпуса гидроцилиндра; ф - угол поворота приводного ротора.
Рис. 1. Модель гидроимульсного механизма: 1 - гидроцилиндр с активной массой; 2 - плунжер; 3 - рукав высокого давления (РВД); 4 - бурильный инструмент; 5 - разрушаемая порода
Учитывая принятые допущения, дифференциальное уравнение движения гидроцилиндра можно представить в виде:
+ ктР^dt + СХ1 = ^подж -, (1)
где т - масса, прикрепленная к корпусу гидроцилиндра; кТР -коэффициент трения между поршнем и гидроцилиндром; с - жесткость пружины; p - давление в гидроцилиндре; ^ПОДЖ - постоянное усилие поджима; «щ - площадь поршня гидроцилиндра. Уравнение движения приводного ротора:
d 2ф d ф Jр~^7Г = Mпр— -Р«пл cosф г , dt dt
где JP - приведенный момент инерции вращающихся деталей
ротора, Мпр - приводной момент двигателя; % - коэффициент
демпфирования; «ПЛ - площадь плунжера, г - радиус кривошипа
(рис. 3).
Уравнение расходов: dx.
-ГЦ J, 1 ~t - ^v
sm _Г1 + ¿пл Г2 = , (2)
где х2 - координата перемещения плунжера; С¥ - коэффициент
упругости гидросистемы, определяющий расход на деформацию элементов гидросистемы и сжимаемость жидкости.
Основным деформируемым элементом, в данном случае, будет рукав высокого давления, деформациями гидроцилиндра и плунжера можно пренебречь. Коэффициент упругости для рукавов высокого давления рассчитывается по формуле:
К,
С =
РВД
Е
где VPm - объем рукавов высокого давления, ЕПР - приведенный
модуль упругости, учитывающий сжимаемость жидкости и деформацию рукавов.
Координата перемещения плунжера связана с обобщенной координатой ф уравнением:
dx2 d m
—- = r cos m—. dt dt
После подстановки в уравнение (2) получим:
S dxi+S r cos m dm=^
^ + ¿пл r cos Ф ^ = E
ПР
Таким образом, получаем следующую систему дифференциальных уравнений:
с1 Х^ -. Шх1 ~
т ^2 + ^ТР + СХг = ^ПОДЖ — Р ^ГЦ,
г Ш2ф Шф
^Р—т = МПР-У~г-РБпл С08 Ф ^ (3)
Ш Ш
Шх1 Ш ф Р
+ 5пл ' cos Ф^ =
^ПР
Используя полученную систему уравнений, можно исследовать процессы, происходящие при работе буровой машины с гидроимпульсным механизмом для получения максимальных величин силовых импульсов, что позволит в дальнейшем рассчитать требуемые параметры гидроимпульсного механизма.
Рассмотрим пример, задаваясь параметрами гидромеханической системы: m=100 кг; £тр=0,02; с=18000; ^подж=2000 Н; ^гц=0,00785м2; 5Пл=0,0000785 м2; г=0,025 м2; Су=3-10-7; Мш=100 Нм; у=0,017; Jp=0,05 кг-м2. После численного решения системы уравнений (3), при помощи прикладного пакета программ Maple V, получим решения рис.4 и рис.5.
Из графиков видно, что при установившейся угловой скорости двигателя, амплитуда давления в гидросистеме значительно увеличилась вследствие чего можно сказать о том, что и импульс силы аналогично вырос. Следовательно, данная система способна формировать высокоэнергетические продольные колебания, которые при наложении на вращательное движение способны существенно повысить производительность бурильной техники. Также при помощи решения данных уравнений можно оптимизировать гидроимпульсный механизм по определенным параметрам.
Полученное решение не учитывает наличия нелинейной зависимости давления жидкости в замкнутой гидросистеме от изменения объема РВД при работе плунжера. В то же время, проведенные ранее эксперименты, показали работоспособность предложенной гидромеханической системы для формирования силовых импульсов [5].
Рис. 4. График изменения угловой скорости от времени £
? 5475е'05 ?ИЛн«5 1 В477е+И: ? Ы78и-Я5 ?М79и*5 ?64вн«
Рис. 4. График изменения давления от времени £
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Липин А. А., Танайно А. С., Тимонин В. В. Современные погружные машины для бурения скважин. Горная техника: Каталог-справочник. - СПб.: ООО «Славутич», 2006. - С. 116-123.
2. Сидоренко А.К., Савельев М.С., Жуковский Ю.Э. Новый вибросиловой способ бурения горных пород // Горная электромеханика и автоматика. - 1965. - Вып. 3. - С. 34-38.
3. Патент на ПМ 69135 РФ. МПК7 Е21В 6/02, B25D 16/00. Буровой станок для проходки скважин в подземных условиях / А. В. Шадрина, А. А. Казанцев, А. Л. Саруев, Л. А. Саруев. Опубл. 10.12.2007 г.
4. Патент на ПМ 133152 РФ. МПК7 E02D 7/10. Гидроимпульсная сваебойная машина / Е. Н. Пашков, Г. Р. Зиякаев, П. Г. Юровский, А. В. Пономарев. Опубл. 10.10.2013 г.
5. Шадрина А. В., Саруев Л. А., Саруев А. Л. Динамические процессы в колонне труб при вращательно-ударном бурении скважин малого диаметра из подземных горных выработок // Томск. Изд-во Томского политехнического университета. 2009. — 175 с.
6. Саруев Л.А., Зиякаев Г.Р., Пашков Е.Н. Математическое моделирование гидроимпульсного механизма бурильных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) . 2011. Т. 5. № 12. С. 26-31.
7. Пашков Е. Н., Зиякаев Г. Р. Уравнение движение ротора с многокамерным жидкостным автобалансирующим устройством // Известия вузов. Физика. — 2012 — Т. 55 — №. 5/2 — C. 80-83.
8. Пашков Е.Н., Зиякаев Г.Р., Кузнецов И.В. Дифференциальные уравнения процессов гидроимпульсного силового механизма бурильных машин / Пашков Е.Н., Зиякаев Г.Р., Кузнецов И.В. // Приволжский научный вестник. - 2013. - № 4 (20). - С. 32-36.
