CC BY
29
УДК 622.24
Н.М. Скорняков, К.А. Ананьев, М.К. Хуснутдинов, Ю.В. Дрозденко
СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ ПАРАМЕТРОВ БУРЕНИЯ ГИДРОФИЦИРОВАННОГО БУРОВОГО СТАНКА
Известно, что при бурении скважин выбранный режим бурения оказывает значительное влияние на скорость и энергоемкость процесса. Очевидно существование оптимального режима работы бурового станка для конкретных условий, при котором отношение энергоемкости к производительности бурения будет минимальным. Для определения данного режима необходимо определить влияние параметров привода на процесс разрушения породы.
При вращательном бурении режим определяется тремя параметрами: усилием подачи (Я), крутящим моментом (М) и частотой вращения (п), от которых зависит скорость (V) и энергоемкость бурения.
Первичной задачей является определение данных параметров как функции от времени. При натурном эксперименте получение данных требует создание адекватной измерительной системы.
Рассмотрим проблемы создания такой системы применительно к гидрофицированному буровому станку, разработанному на кафедре горных
машин и комплексов ГОУ КузГТУ (рис. 1).
Вращатель 6 перемещается по направляющей раме 1 гидроцилиндром подачи 2. Шток гидроцилиндра связан с направляющей рамой 1 фиксатором 9, а корпус - с ходовой рамой 5 вращателя 6. Буровая штанга крепится к патрону 7, вращение на который передается от гидромотора 3 через цепную передачу. Штуцер 4 предполагает возможность подвода воды или воздуха в скважину для удаления продуктов разрушения. Цапфами 8 направляющая рама 1 крепится к установочной раме (на рисунке не показано).
Преимущество бурового станка с гидравлическими приводами подачи и вращения с точки зрения регистрации силовых параметров (Я, М) заключается в возможности использования преобразователей давления, которые отличаются простотой монтажа и подключения к регистрирующему прибору. К тому же это позволяет регистрировать пульсации, создаваемые различными типами насосов, а значит изучать влияние динамических характеристик привода.
Рис. 1. Конструктивная схема бурового станка
50 Н.М. Скорняков, К.А. Ананьев, М.К. Хуснутдинов, Ю.В. Дрозденко
(дда) (ддо)
Гдтj ищ)
(двд) (дде) (^щГ) (^цс^)
АЦП
Программная среда LabView
Рис. 2. Структурная схема экспериментальной установки:
ЭДв - электродвигатель; Р1 - приводной редуктор; Н1, Н2 - гидронасосы;
Т1, Т2 - трубопроводы и гидроаппараты; Гц - гидроцилиндр подачи; Гм - гидромотор;
Р2 - цепная передача; БС - буровой став; БИ - буровой инструмент; П - разрушаемая порода; ДТ, ДН - датчики тока и напряжения; ДД1, ДД2, ДД3, ДД4 - датчики давления;
ДВ - датчик частоты вращения; ДС - датчик скорости подачи.
Регистрация кинематических параметров (n, V) путем идентификации параметров потока жидкости весьма затруднительна, хотя и возможна расходомерами.
Однако внутри гидроаппаратов возникают утечки и не весь расход жидкости, фиксируемый расходомером, идет на создание скорости. Проще и достоверней для рассматриваемой экспериментальной установки определять эти параметры, используя преобразователи механических величин.
На рис. 2 приведена структурная схема экспериментальной установки.
К асинхронному электродвигателю подключены датчики тока (ДТ) Honeywell CSLA2EJ и напряжения (ДН), позволяющие идентифицировать затрачиваемую в процессе бурения мощность. Датчиками напряжения послужили делители с резисторами на 51 кОм и на 500 Ом.
Давление, которое непосредственно идет на создание крутящего момента, определяется разностью давлений на входе в гидромотор и на выходе из него.
„ (pi ■ p2}q4 M = —1---------2------цмя,
2п гм
где М - крутящий момент; p1 - давление на входе гидромотора, измеряемое датчиком ДД1; p2 - давление на выходе гидромотора, измеряемое датчиком ДД2; qm - рабочий объем гидромотора; П™ -гидромеханический КПД мотора.
Усилие подачи бурового инструмента на забой определяется выражением
Я = Яр + Озта,
где Яр - усилие, вызываемое действующим давлением; G - вес подвижной части станка; а - угол наклона скважины к горизонту.
Вес подвижной части станка неизменен, как и угол наклона скважины. Во времени меняется лишь Яр, определяемое уравнением
Яр = (р35ш р45Пгм ,
где рз - давление на входе гидроцилиндра, измеряемое датчиком ДД3; р4 - давление на выходе гидроцилиндра, измеряемое датчиком ДД4; 5ш -площадь поршня со стороны штоковой полости гидроцилиндра; 5 - площадь поршня со стороны поршневой полости гидроцилиндра; П™ - гидромеханический КПД гидроцилиндра.
В измерительной схеме применены датчики давления типа МД-Т без демпферов на входе, что позволяет регистрировать пульсацию давления в гидросистеме.
В качестве датчика вращения использован тахогенератор постоянного тока типа 2,5ТГП-4, установленный в центре выходной звездочки цепной передачи, где частота вращения соответствует частоте вращения бурового става. Для экспериментального бурового станка максимальная выходная частота вращения птах = 90 об/мин. Следовательно, в диапазоне от 0 до птах характеристика выбранного тахогенератора должна быть линейной, что подтверждает его тарировочный график.
При выборе средств измерения скорости бурения обнаружился ряд проблем. С одной стороны самым простым способом измерения было бы установить переменный резистор, изменяющий свое сопротивление по мере движения каретки, и далее по крутизне замеренной характеристики идентифицировать скорость. Изменение скорости происходит в пределах от 0 до 1,5 м/мин.
При малых скоростях движения шумы такого резистора сопоставимы с полезным сигналом, что недопустимо. К тому же полный рабочий ход подачи бурового станка достаточно велик - 770 мм, и подобрать резистор на полный ход не представляется возможным.
Вариант со специализированными датчиками скорости, обладающими высокой точностью и линейностью при малых скоростях, идеален с точки зрения получения данных при известной тари-ровочной характеристике.
Единственным и самым существенным недостатком таких датчиков является их высокая стоимость.
Доступными по цене с необходимыми характеристиками оказались оптические энкодеры. Неудобство их использования заключается в обработке полученных данных, для расшифровки которых требуется достаточно сложный алгоритм. Программа обработки данных энкодера создана в среде LabView 7.
Сигнал от всех датчиков регистрировался с частотой дискретизации 1 кГц при помощи шестнадцатиразрядного АЦП National Instruments PCI-6251.
Данная система регистрации параметров бурения гидрофицированного бурового станка обладает рядом преимуществ и недостатков.
Преимуществом является возможность регистрации силовых параметров в широком диапазоне значений. При этом удается идентифицировать пульсацию давления в гидросистеме, т.е. исследовать динамику приводов подачи и вращения.
Однако упругость гидравлической системы сглаживает колебания частотой свыше 50 Гц, не позволяя определить частоты скалывания, необ-
ходимые для исследования динамики разрушения породы. Аппроксимационные зависимости, полученные по данным [1, с.220] дают возможность примерно оценить частоту скалывания одним резцом для используемой в ходе эксперимента буровой коронки. Для массива со свойствами хрупкого трещиноватого угля и частоты вращения п = 90 об/мин аппрксимационная зависимость представлена на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость частоты сколов от толщины среза
При толщине среза 0,5 см и максимальной частоте вращения частота сколов ориентировочно равна 200-250 Гц. Этим обусловливается необходимость введения в измерительную систему дополнительного датчика с рабочим диапазоном частот до 500 Гц, установленного как можно ближе к забою. При дальнейших исследованиях предполагается оснастить резец акселерометром типа ЛБХЬ.
Пробные испытания показали, что применяемая система измерения позволяет с достаточной точностью получать данные при бурении до глубины 2 м.
При больших глубинах начинают сказываться упругие свойства бурового става.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Резание угля / А. И. Берон [и др.]. - М. : Госгортехиздат, 1962. - 439 с.
□ Авторы статьи:
Скорняков Николай Михайлович
- докт.техн.наук, проф. каф. «Г орные машины и комплексы» КузГТУ Тел. 8-3842- 39-69-40
Ананьев Кирилл Алексеевич
- ст.препод. каф. «Горные машины и комплексы» КузГТУ Email: [email protected]
Дрозденко Юрий Вадимович
- ст.преп. каф. «Горные машины и комплексы» КузГТУ Тел. 8-3842- 39-69-40
Хуснутдинов Михаил Константинович -ст.преп. каф. «Горные машины и комплексы» КузГТУ Тел. 8-3842- 39-69-40
