CC BY
35
вания, выявлять «критические места» в узлах и сборках. В контексте автоматизированного проектирования данная методика особенно актуальна, так как позволяет в конечном итоге улучшить качество элек-
Библиогр'а
1. Гаер М.А. Моделирование трехмерных допусков при автоматизированном проектировании сборок с помощью кватернионов // Вестник ИрГТУ. 2004. № 4. С. 177.
2. Гаер М.А., Журавлев Д.А. Пространственная геометрическая характеристика допусков // Вестник ИрГТУ. 2005. № 1. С. 116-125.
3. Гаер М.А., Журавлев Д.А., Шабалин А.В., Яцен-ко О.В. Представление допустимых отклонений при параметрическом проектировании изделий // Сборник материалов научно-технического семинара «Прогрессивные технологии и оборудование механосборочного производства». М.: МГТУ «МАМИ», 2009. С. 103-107.
4. Гаер М.А., Журавлев Д.А., Яценко О.В. Конфигурационные пространства поверхностей деталей и сборок // Вестник ИрГТУ. 2011. № 10. С. 32-36.
5. Гаер М.А., Журавлев Д.А. Технология прямого конфигурационного моделирования // Вестник ИрГТУ. 2012. № 11. С. 44-48.
6. Голованов Н.Н. Геометрическое моделирование. М.: Издательство Физико-математической литературы, 2002. 472 с.
7. Шабалин А.В., Журавлев Д.А., Гаер М.А. Взаим-
тронных моделей и уменьшить время на изготовление и отработку изделий машиностроения.
Статья поступила 09.04.2015 г.
кии список
ное отклонение точек сопрягаемых поверхностей в автоматизированном размерном анализе с пространственными допустимыми отклонениями // Вестник ИрГТУ. 2013. № 12. С. 69-73.
8. Chase K.W., Magleby S.P., Glancy C.G. A comprehensive system for computer-aided tolerance analysis of 2d and 3d mechanical assemblies // Proc. 5th CIRP Int. Seminar on Computer-Aided Tolerancing (Toronto, Canada, April 27-29, 1997) [Электронный ресурс]. URL: http://adcats.et.byu.edu/Publication/97-4/cirp_2_7_97a. PDF (18.02.15).
9. Pasupathy T.M.K., Morse E.P., Wilhelm R.G. A Survey of Mathematical Methods for the Construction of Geometric Tolerance Zones // Journal of Computing and Information Science and Engineering. 2003. Vol. 3. P. 64-75.
10. Polini W. Geometric Tolerance Analysis // Geometric Tolerances. Impact on Product Design, Quality Inspection and Statistical Process Monitoring. London: Springer, 2011. P. 39-68.
11. Whitney D.E. Mechanical assemblies. Their design, manufacture, and role in product development. New York: Oxford University Press, 2004. 544 p.
УДК 622.233.05:621.3
ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СТАНКОВ ШАРОШЕЧНОГО БУРЕНИЯ ПРИ СВОЕВРЕМЕННОМ РЕГУЛИРОВАНИИ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ
А.О. Шигин1, А.А. Шигина2, К.А. Бовин3
1,3Сибирский федеральный университет,
660025, Россия, г. Красноярск, пр. Красноярский рабочий, 95,
2Сибирский федеральный университет,
660025, Россия, г. Красноярск, пер. Вузовский 3.
Приведены исследования максимальной эффективности разрушения горной породы при шарошечном бурении скважин в зависимости от частоты вращения долота, времени передачи энергии, приводящей к разрушению требуемого объема породы, и усилия подачи рабочего органа. Разработана методика расчета оптимальных режимных параметров бурения шарошечным долотом массивов горных пород, характеризующихся значительной тре-щиноватостью, слоистостью и изменением показателя буримости в широком диапазоне. Представлен сравнительный анализ повышения производительности бурового станка в результате применения автоматизированной системы на основе адаптивного вращательно-подающего механизма.
Ключевые слова: режимные параметры; эффективность управления; автоматизированная система.
1
Шигин 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 Machines and Complexes, tel.: 89131862659, e-mail: [email protected]
Шигина Анна Александровна, аспирант, тел.: 89082024273, е-mail: [email protected] Shigina Anna, Postgraduate, tel.: 89082024273, e-mail: [email protected]
3Бовин Константин Анатольевич, аспирант, тел.:89233177222, e-mail: [email protected] Bovin Konstantin, Postgraduate, tel.: 89233177222, e-mail: [email protected]
IMPROVING ROLLER BIT DRILLING RIG PERFORMANCE BY TIMELY REGULATION OF OPERATING PARAMETERS
A.O. Shigin, A.A. Shigina, K.A. Bovin
Siberian Federal University,
95 Krasnoyarskiy Rabochiy pr., Krasnoyarsk, 660025, Russia. Siberian Federal University, 3 Vuzovsky per., Krasnoyarsk, 660025, Russia.
The article reports on the studies of the maximum efficiency of rock destruction under roller bit drilling depending on the frequency of bit rotation, time of energy transmission causing the destruction of the required rock volume and a drilling thrust. The authors have developed the methods to calculate optimal process parameters of roller bit drilling of rocks characterized by a significant fracturing, bedding and alteration of the drillability indicator in a broad range. A comparative analysis of drilling rig performance improvement resulting from the application of an adaptive rotary feed mechanism-based automated system is presented.
Keywords: process parameters; management efficiency; automated system.
Свойства пород в горном массиве изменяются в процессе бурения. Поэтому максимально допустимое усилие подачи рабочего органа бурового станка становится величиной переменной [6]. Машинист бурового станка, не имея информации о структуре горного массива, поддерживает максимальную механическую скорость бурения интуитивно и с использованием прежнего опыта на определенном уровне. Этот уровень скорости бурения отличается для разных пород, месторождений, условий бурения и т.д. При этом можно утверждать, что машинист для себя выбирает определенные значения усилия подачи и частоты вращения. Значение усилия подачи и частоты вращения всегда ниже эффективных значений [2, 5] на некоторый коэффициент запаса значений осевого усилия k3P и частоты вращения k3n. Величина запаса осевого усилия зависит от квалификации машиниста, но всегда k3P < 0. Это первый фактор неэффективной работы бурового станка при ручном управлении режимными параметрами в процессе бурения.
Величина запаса частоты вращения, согласно наблюдениям, всегда находится в области неэффективной работы шарошечного долота [4] на коэффициент запаса значений частоты вращения k3. n, который также k3.п < 0. Это второй фактор неэффективной работы бурового станка при ручном управлении режимными параметрами в процессе бурения. Если первый указанный фактор зависит от квалификации машиниста, то второй, помимо квалификации, связан с отсутствием четких рекомендаций.
Первые два фактора существуют при бурении любой породы. И они носят заранее определенный и постоянный характер. Определить снижение производительности можно с учетом вышеуказанных коэффициентов запаса в зависимости от квалификации машиниста.
Исходя из наблюдений за работой машинистов буровых станков, надо отметить, что в случае возникновения существенной вибрации во всех случаях производятся одинаковые действия. Машинист убавляет усилие подачи рабочего органа до некоторого уровня и, если этого не достаточно, убавляет частоту вращения. Отсутствие инструкций по эффективному регулированию режимных параметров вынуждает производить такие действия из интуитивных соображений. Как ранее было доказано, снижение усилия подачи в данном случае оправдано, но частота вращения должна одновременно увеличиваться, а не уменьшаться. Существенная вибрация в буровом ставе возникает не по причине большой частоты вращения, а по причине совпадения частоты вращения и частоты собственных колебаний горной породы, которая имеет свою структуру, показатель буримости [3]. Поэтому целесообразно несколько увеличивать частоту вращения с одновременным уменьшением усилия подачи.
При бурении сложноструктурных горных массивов на первый план выходят факторы, зависящие от реакции машиниста на изменение свойств горной породы и времени переходных процессов [7, 8]. Кривая изменения режимных параметров машиниста, отслеживающего все изменения свойств породы, и траектории изменения режимных параметров бурового станка с различными системами управления представлены на рис. 1.
Здесь Хгп - изменение предельно допустимого усилия подачи в результате изменения показателя буримости Пб и структуры горной породы; Хадас - изменение усилия подачи (реакции горной породы) с применением адаптивной автоматизированной системы; Хавс - изменение усилия подачи (реакции горной породы) с применением автоматизированной системы без адаптивной подсистемы; X - прямая, проходящая через минимальные значения допустимого усилия подачи (реакции горной породы); Xm.ej.kej - изменение усилия подачи в ручном режиме машинистом высокой квалификации; Xmhkb - изменение усилия подачи в ручном режиме машинистом низкой квалификации; Xk.^.c - прямая жесткого контроля усилия подачи (реакции горной породы) современной автоматизированной системы Atlas Copco.
Рис. 1. Траектории изменения усилия подачи рабочего органа бурового станка при бурении сложноструктурного массива горной породы
Из анализа траекторий изменения режимных параметров бурового станка при бурении сложноструктурного массива горной породы можно сделать следующие выводы. Наиболее эффективно регулирует усилие подачи рабочего органа адаптивная автоматизированная система. Она повторяет траекторию изменения предельно допустимого усилия подачи в результате изменения показателя буримости Пб и структуры горной породы с минимальным запасом по усилию подачи. Малое время реагирования позволяет приближаться к максимальным значениям усилия подачи. Существующая автоматизированная система Atlas Copco, осуществляющая жесткий контроль неизменного уровня усилия подачи, малоэффективна в связи с потерянным увеличением механической скорости бурения в промежутки времени, показанные экстремумами увеличения допустимого усилия подачи (кривая Xг,п = f([P], Пб)).
При ручном управлении машинист высокой квалификации, имеющий большой практический опыт, отслеживает по показаниям приборов изменение тока привода подачи или давления в гидросистеме и изменяет усилие подачи (кривая Xmbkb), стараясь максимально приблизить его к минимальным значениям допустимого усилия подачи (реакции горной породы), показанного прямой X. Рабочий низкой квалификации, имеющий мало практического опыта, также следит за показаниями приборов и старается приблизить усилие подачи к минимальным значениям допустимого усилия подачи (реакции горной породы) (кривая Xmhkb). Но недостаток практического опыта он компенсирует некоторым запасом значений осевого усилия, который при расчетах может быть учтен коэффициентом запаса значений осевого усилия k3, P.
Если применить автоматизированную систему [6], которая будет отслеживать свойства горной породы, например, по значениям давления в гидросистеме или энергопотребления бурового станка, но без адаптивной подсистемы, всегда будет иметь место существенное запаздывание корректировок усилия подачи (кривая Хав.с), что приводит к выходу значения осевого усилия за допустимые текущие значения.
Эффективность механического управления бурением машинистом высокой квалификации несколько выше эффективности автоматизированной системы жесткого контроля постоянного значения усилия подачи. В различных условиях бурения эта разница может отличаться. Но с учетом усталости, невысокой квалификации машиниста и других человеческих факторов указанные системы управления сопоставимы по эффективности.
Таким образом, разницу между эффективностью адаптивной автоматизированной системы и системы ручного управления бурением (системы жесткого контроля постоянного значения усилия подачи) можно оценить как интегральную сумму разностей механической скорости бурения между кривыми Хж.ав.с и Хад.а.с за интервал времени
При условии, что скорость бурения определяется из выражения [3]
40P • n
ос вр .
v = ■ м/ч'
(1)
а допустимое значение усилия подачи, согласно зависимостям, приведенным в работе [5]:
( V
Г P 1 = 6 • z • D • L
L ос J р р
1
L рш J
600
2 (v6 + vJ 2 ) 2 (v6 + v/2)- vj 2 2П\ + АП(
2 П + 2АПб_к
(2)
максимальное допустимое значение усилия подачи в условиях бурения, применимых к конкретному обуриваемому гонному массиву:
ГР 1 = 6 • z • D • L
L °c\ min P P
1
L p■ш J
2 (v6 + vj2 ) 2 П16т!„ + 2АП6
(3)
600
2 (v6 + vj 2)-vj 2
2 П\ . +АП,
б min б max
■k„
а минимальное допустимое значение усилия подачи в условиях бурения, применимых к конкретному обуриваемому гонному массиву:
ГР 1 = 6 • z • D • L
L ос J max р
1
L p■ш J
600 , 2 (v6 + v;/2) •* 2 (v6 + vj 2)-vj 2 »
(4)
3
Приблизительно разницу между производительностью буровых станков с адаптивной автоматизированной системой и системой ручного управления бурением (системы жесткого контроля постоянного значения усилия подачи) можно оценить как разницу между скоростью бурения при среднем и минимальном допустимом значении усилия подачи. Среднее значение усилия подачи можно вычислить по следующим формулам:
[Рос \ср
\P 1 +\P 1
L ос J min L ос J m
(5)
или
\3 Г
\P 1 = liDA
L ос .1ср о
Г^ 1
L рш J
2 ( У, + vj 2 ) 2 ( у, + vj 2)- vj 2
600
• k...
1 +
\3Л
2 П1 . + 2ЛП
_о min_ömax
2Пбтт + ЛПömax J
Отношение скоростей бурения буровых станков с адаптивной автоматизированной системой и системой ручного управления бурением:
ж.ав.с I ос
[P о \р _ 1
PL = 2
2П1бт1„ + 2ЛПбтш
2Пбтп + ЛПбжос
f 2 П1 + 2ЛП ^ ^
2 nömin + 2Л ömax
2П1 ömin + ^ömax
2n,min
V 2Пб™п +ЛПömax J
.1 Г + ^^^^
2 1 2n1min + ЛП0ПШх
или
У'ад.а.с _ 1
2 Пömin + 2ЛП'ömax V 2П1 min + ЛПÖmax J
(6)
Например, для условий Черногорского угольного разреза (рис. 1) отношение скоростей бурения буровых станков с адаптивной автоматизированной системой и системой ручного управления бурением, с учетом выражения (6):
^ад.а.с _ 1 Г 2 • 2 + 2 • 8
2 V 2 • 2 + 8
= 2,315.
Таким образом, средняя скорость бурения за счет своевременного регулирования только усилия подачи в случае применения адаптивной автоматизированной системы в условиях Черногорского угольного разреза СУЭК может быть увеличена в 2,315 раз.
В условиях карьеров золотодобывающей компании ЗАО «Полюс» станки бурят горный массив крепостью до ^ = 16 по шкале проф. Протодьяконова. Горный массив на этих месторождениях характеризуется значительной трещиноватостью.
Тогда
у Л 1
ад.а.с
Уж.ае.с 2
2-10 + 2-16 2-10+16
= 1,507.
Таким образом, средняя скорость бурения за счет своевременного регулирования только усилия подачи в случае применения адаптивной автоматизированной системы в условиях карьеров золотодобывающей компании ЗАО «Полюс» может быть увеличена на 50,7 %.
В кимберлитовых карьерах АК «АЛРОСА» (Якутия) крепость горных пород доходит до /■ = 12 по шкале проф. Протодьяконова. Горный массив на этих месторождениях характеризуется очень высокой трещиноватостью.
Тогда
1 / 2 ■6 + 2-12 >| = 1>687
2 V 2 • 6 +12
2
v
ад. а с
3
2
у
ж.ав.с
3
у
ж. ав. с
3
у
ж.ав.с
Средняя скорость бурения за счет своевременного регулирования только усилия подачи в случае применения адаптивной автоматизированной системы в условиях кимберлитовых карьеров АК «АЛРОСА» (Якутия) может быть увеличена на 68,7 %.
Отсюда можно сделать вывод, что более существенно увеличивается скорость бурения при меньших минимальных значениях крепости (показателя буримости) в горном массиве и больших разностях в крепости граничных слоев или при явно выраженной трещиноватости.
При бурении сложноструктурных горных массивов на первый план также выходят факторы, зависящие от регулирования частоты вращения бурового става при изменении свойств горной породы. Кривая изменения частоты вращения бурового става машинистом, отслеживающим все изменения свойств породы, представлена на рис. 2. На сегодняшний день нет однозначных рекомендаций по регулированию частоты вращения бурового става. Как показано ранее [5], при бурении сложноструктурного горного массива есть некоторое минимальное допустимое текущее значение частоты вращения бурового става. В этом режиме шарошечное долото работает эффективно с точки зрения производительности и ресурса. Из практических наблюдений машинисты во всех случаях возникновения значительной вибрации уменьшают частоту вращения, выводя систему из режима резонанса. Это приводит к существенной потере производительности и снижению ресурса шарошечного долота. Шарошечный буровой инструмент при снижении частоты вращения начинает работать в режиме долота ударного действия, что пагубно сказывается на ресурсе тел качения в шарошках. Для шарошечного бурового инструмента максимальная частота вращения определяется условием нагрева от трения в подшипниках. В связи с большим количеством факторов, оказывающих влияние на ресурс опор качения при увеличении частоты вращения, рекомендуется удерживать значение частоты вращения выше предельно допустимого минимального значения [ пвр] (рис. 2), но не повышать существенно выше значений, рекомендуемых заводом-изготовителем. При возникновении значительной вибрации рекомендуется увеличить частоту вращения бурового става при одновременном уменьшении усилия подачи согласно зависимостям, приведенным в работе [5]. После снижения вибрации необходимо приблизить значение частоты вращения к допустимому минимальному значению [пвр] и удерживать выше последнего.
Рис. 2. Траектории изменения частоты вращения бурового става при бурении сложноструктурного массива горной породы
На рис. 2 представлены траектории изменения частоты вращения рабочего органа бурового станка при бурении сложноструктурного массива горной породы. Здесь Хг.п - изменение предельно допустимой частоты вращения рабочего органа в результате изменения показателя буримости Пб и структуры горной породы; Хад.а.с - изменение частоты вращения рабочего органа с применением адаптивной автоматизированной системы; X - прямая, проходящая через минимальные значения частоты вращения; Хм.в.кв, Хм.н.кв - прямая контроля постоянного значения частоты вращения рабочего органа в ручном режиме машинистом высокой и низкой квалификации; Хж.ав.с - прямая жесткого контроля частоты вращения рабочего органа современной автоматизированной системы Atlas Copco.
Как правило, регулирование частоты вращения заключается в поддержании определенного значения и кратковременном снижении ее с возвращением к исходному значению.
Разницу между эффективностью адаптивной автоматизированной системы и системы ручного управления бурением (системы жесткого контроля постоянного значения частоты вращения) можно оценить как интегральную сумму разностей механической скорости бурения между кривыми Хжав.с и Хада.с за интервал времени t.
При условии, что допустимое значение частоты вращения, согласно следующему выражению:
[ ] =
2 П1 + 2АП
108•л-D? • П • h 2П1 +ЛП,
0,94 • N
• k,.
(7)
отношение скоростей бурения буровых станков с адаптивной автоматизированной системой и системой ручного управления бурением при регулировании частоты вращения рабочего органа можно определить из выражения
v, [nv] . +кр]
ад.а.с I— t -imin I— t -¡max
2 -Г n 1
[ вР ] m
Минимальное и максимальное значения оптимальной частоты вращения при бурении массива с изменяющимися физико-механическими характеристиками определяются по формулам:
Г Пвр 1 min = Г ПР1 ™=
0,94 • N
2П1Ш + 2ЛПбтт ,
108 D? • П6 • h 2П1тШ +АП
0,94 • N
2 Пбтт + 2АПбтах /, • k,„
108 • D? • П,, • h 2П\_ + АП,
бср
Тогда
2Пб max + 2АПбгпт + 2Пб min + 2АПбтах 2Пбтт + АПбтах
VVад.а.с _ '2Пбтах + АПбтт
2 •
2 Пб тах + 2АПбтт
2 Пб тах + АПбтт
1 2И1бтПп + 2 АПбтах
2 2 Пб тт + АПбтах
(8)
Для условий Черногорского угольного разреза отношение скоростей бурения буровых станков с адаптивной автоматизированной системой и системой ручного управления бурением, с учетом выражения (8):
^ = 1 • 2 •2 + 2 •8 = 0,8зз
v 2 2 • 2 + 8
v
ж.ав.с
v
ж. ав. с
Таким образом, средняя скорость бурения за счет своевременного регулирования только частоты вращения в случае применения адаптивной автоматизированной системы в условиях Черногорского угольного разреза СУЭК может быть увеличена на 83,3 %. Для условий ЗАО «Полюс»:
^ = 1 - 2-Щ + 2■6 = 0 15 V 2 2-10 + 6
ж. ав. с
Средняя скорость бурения за счет своевременного регулирования только частоты вращения в случае применения адаптивной автоматизированной системы в условиях ЗАО «Полюс» может быть увеличена на 61,5 %. Для условий АК «АЛРОСА»:
12 ^ 6 + 2 ^ 6 = 0, 667 .
у 2 2 • 6 + 6
ж. ав. с
Средняя скорость бурения за счет своевременного регулирования только частоты вращения в случае применения адаптивной автоматизированной системы в условиях ЗАО «Полюс» может быть увеличена на 66,7 %.
НИР выполнена в рамках реализации Гранта Президента МК-2531.2014.8.
Статья поступила 25.06.2015 г.
Библиографический список
1. Гилёв А.В., Шигин А.О. Теория рабочего процесса электромагнитного привода вращательно-подающего механизма бурового станка при бурении сложноструктурных горных массивов // Фундаментальные исследования.
2012. № 9. Ч. 2. С. 375-380.
2. Методы расчетов прочности при проектировании рабочих органов буровых станков А.В. Гилёв, А.О. Шигин, С.В. Доронин, Н.Н. Гилёва // Современные наукоемкие технологии. 2011. № 1. С. 132-134.
3. Подэрни Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых работ: учеб. пособие. 4-е изд. М.: Изд-во МГГУ, 2001. 422 с.
4. Цуприков А.А., Чередниченко В.Г., Крицкая Л.М. Анализ процесса разрушения породы долотом при бурении скважин // Научный журнал КубГАУ. № 10. 2011. С. 37-46.
5. Шигин А.О. Повышение ресурса шарошечного бурового инструмента за счет оптимизации режимных параметров при бурении сложноструктурных массивов горных пород // Вестник ИрГТУ. № 10. 2014. С. 59-67.
6. Шигин А.О., Гилёв А.В. Разработка идеализированной модели бурения горных пород с различными физико -механическими свойствами // Фундаментальные исследования. 2012. № 3. Ч. 3. С. 665-667.
7. Шигин А.О., Гилев А.В., Шигина А.А. Напряжения и стойкость шарошечных долот при бурении сложноструктурных массивов горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал).
2013. № 4. С. 325-333.
8. Шигина А.А., Шигин А.О., Ступина А.А. Сравнительная оценка методов анализа эффективности функционирования буровых станков // Современные проблемы науки и образования [Электронный ресурс]. 2012. № 6. С. 117. У^: http://elibrary.ru/contents.asp7issueicM381400 (16.03.2015).
