CC BY
44
- © А.О. Шигин, 2015
УДК 622.233.05:621.3
А.О. Шигин
СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА ШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ ПРИ БУРЕНИИ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ ГОРНЫХ МАССИВОВ
При бурении сложносгрукгурных массивов горных пород, характеризующихся колебанием свойств породы, возникают значительные ударные нагрузки. Проблема снижения стойкости долот имеет инженерные и технологические решения, позволяющие существенно повысить стойкость шарошечных долот.
Ключевые слова: шарошечное долото, ресурс, способы повышения, горный массив, структура, ударные нагрузки, электромагнитный механизм.
В настоящее время в горной промышленности применяются буровые станки с различными типами вращательно-подающих механизмов. Их особенности характеризуются величиной усилия подачи, частотой вращения бурового става и др. Но при бурении сложноструктурных массивов горных пород, характеризующихся колебанием физико-механических свойств по глубине, часто возникают значительные ударные нагрузки и вибрация, результатом которых является увеличение циклических напряжений во всем буровом органе. При этом 80% случаев отказов приходится на разрушение опор качения шарошек буровых долот [1]. В отличие от циклических нагрузок, возникающих при взаимодействии зубьев шарошки с поверхностью забоя, непрогнозируемые ударные нагрузки, возникающие при прохождении трещин и других неоднородных включений и несплошностей значительно больше. Из анализа наработок на отказ шарошечных долот следует вывод о значительном снижении их стойкости (до 2-х раз) в случае бурения породы со сложной структурой. Проблема снижения стойкости долот при частых изменениях свойств породы имеет следующие решения: 1) увеличение прочности и надежности пу-
тем усовершенствования конструкции долота и применения материалов с более высокими прочностными характеристиками; 2) введение в структуру бурового става элемента, компенсирующего ударные нагрузки; 3) применение адаптивного вращательно-подающего механизма, способного своевременно определять различные изменения свойств породы и реагировать, корректируя режим бурения.
1. В конструкции современных шарошечных долот, имеющих опоры качения часто применяются подшипники по схеме ролик-шарик-ролик. Предел прочности сталей тел качения составляет 1900-2300 МПа и выше [2]. Расчеты показывают, что напряжение в телах качения при равномерном на-гружении 1400-1650 МПа. Но при значительных колебаниях физико-механических свойств породы доходит до 2250 МПа и выше. В данных условиях коэффициент запаса прочности 1,04. В случае отсутствия дефектов в телах качения справедливы законы усталостного разрушения. Но в связи с тем, что отечественное производство шарошечных долот является автоматическим, довольно велика вероятность попадания в партию тел качения с дефектами и отклонениями по механическим свойствам. Как правило,
такие тела качения первыми выходят из строя. Поскольку высокопрочные стали являются малопластичными, то решение проблемы снижения стойкости долот потребует коэффициента запаса прочности 1,7-2,3 [3]. В зависимости от необходимой скорости бурения, минимальная предельная прочность тел качения при равномерном нагружении должна находиться в пределах 2380-2805 МПа. Минимальная предельная прочность при среднем уровне колебания физико-механических свойств - в пределах 29003400 МПа. Минимальная предельная прочность при высоком уровне колебания физико-механических свойств -в пределах 3230-3800 МПа. Указанные пределы прочности необходимы в случае сохранения без изменений применяемых конструкций шарошечных долот и создания надежной работы в соответствующих условиях буровых работ. Значительно снизить данные показатели можно увеличением размеров тел качения при условии увеличения посадочных мест и сохранением прежних размеров долота. В связи с небольшим относительным количеством разрушений тел шарошек, данный способ возможен но потребует изменений в сложившейся отрасли производства бурового инструмента.
2. Введение в структуру бурового става элемента, компенсирующего ударные нагрузки. Возможно применение как надежных, так и предварительно ослабленных элементов, сохраняющих целостность бурового инструмента при критических нагрузках.
3. Применение адаптивного враща-тельно-подающего механизма [5] позволит использовать узкий промежуток между уровнем напряжения в телах качения и предельными прочностными показателями материала.
Существующие вращательно-пода-ющие механизмы в большинстве сво-
ем не имеют специальной системы, адаптивно реагирующей на изменения свойств породы. Полностью отсутствуют такие свойства у механизмов с гидравлической системой подачи. Станки группы СБШ-200 имеют ро-торно-патронную схему ВПМ с нижним стационарным расположением вращателя, передачей осевого усилия и крутящего момента на образующую бурильной штанги через зажимной патрон.
Усилие подачи создается двумя гидроцилиндрами, питающимися от одного или двух насосов нерегулируемой производительности с предохранительным клапаном. К преимуществам такой схемы относятся: стационарность привода вращателя, возможность значительного облегчения мачты, большая устойчивость станка при передвижении. К недостаткам - ограниченность величины осевой нагрузки и крутящего момента из-за проскальзываемых кулачков патрона (особенно в зимних условиях); большие затраты времени на вспомогательные машинные операции; невозможность применения штанг различных диаметров и тем более шне-ковых штанг.
Вращательно-подающие механизмы, оснащенные канатно-полиспастной системой способны в некоторой степени компенсировать ударные нагрузки за счет упругости каната. Станки группы СБШ-250 имеют схему передачи осевого усилия и крутящего момента на торец штанги от шпинделя (с гидромуфтой) редуктором вращателя, который перемещается вдоль мачты канатным полиспастом. Усилие подачи создается от двух гидроцилиндров.
Применяемые на станках типоразмеров СБШ-200 и СБШ-250 гидроприводы подачи, состоящие из маслонасо-са нерегулируемой производительности с предохранительным клапаном и гидроцилиндров с дросселем на сливе, имеют жесткие (неэластичные) харак-
теристики, что необходимо учитывать при разработке и оценке режимов бурения сложноструктурных пород.
Более благоприятны системы подачи с тяговой лебедкой, как это имеет место на станках СБШ-250/270 (РД-10) и СБШ-320. Стойкость буровых долот при системе подачи с тяговой лебедкой оказывается более высокой.
В станке СБШ-320 усилие подачи создается лебедками и предается на опорный узел через канат, огибающий последовательно несколько раз приводные барабаны лебедки. В период бурения усилие подачи создается гидромотором. Тяговое усилие в канатах возникает за счет их трения о барабаны. При спуско-подъемных операциях лебедка работает от электродвигателя. Принятая система подачи имеет большую эластичность, чем у станков СБШ-200 и СБШ-250.
Существующие системы подачи рабочих органов буровых станков часто не имеют возможности быстро и своевременно реагировать на изменение свойств горной породы и корректировать режим бурения. Это связано с применением в системе подачи нерегулируемых гидроцилиндров и канатных систем. Поэтому бурение сложно-структурных массивов сопровождается толчками и ударами. Основная ударная нагрузка приходится на рабочий орган и непосредственно на буровой инструмент. Характер разрушений отработавших шарошек указывает на их причины. Компенсировать ударные нагрузки, возникающие по границе изменения крепости пород, можно с помощью адаптивной системы подачи. Ключевым в адаптивной системе является наличие одного или нескольких элементов, способных, во-первых, принимать на себя динамическую нагрузку, смягчая реакцию опоры со стороны грунта с изменяющейся крепостью, во-вторых, быстро и своевременно корректировать подачу, исполь-
зуя обратные связи для силовых органов.
Для обеспечения требуемых характеристик бурового станка необходимы специальный линейный электромагнитный двигатель и созданная на его основе система подачи рабочего органа шарошечного бурового станка. Для исследования и разработки адаптивной системы подачи необходим двигатель, отвечающий следующим требованиям:
1. должен обеспечивать показатели, обусловленные технологией бурения;
2. динамические нагрузки должны восприниматься мягкой адаптивной связью;
3. должен воспринимать сигналы обратной связи за промежуток времени, сопоставимый со временем возникновения ударной нагрузки;
4. должен обеспечивать улучшение качественных и (или) количественных показателей процесса.
Электромагнитная связь обеспечивает требуемые технологические параметры, мягко воспринимает и выдерживает жесткие ударные и резонансные нагрузки широкого спектра. Кроме того, в магнитно-индукционных машинах плотность потока энергии практически на порядок выше плотности потоков энергии в прочих машинах. При этом могут изменяться мгновенные характеристики напряжения, тока и мощности. Данные изменения должны закладываться при выборе источника электроэнергии и элементов электрической схемы. Особенность электромагнитных устройств заключается, с одной стороны, в возможности реагировать на ударные нагрузки вследствие естественного изменения характеристик электрической машины при ударе, с другой стороны, в возможности автоматического регулирования характеристик двигателя, в частности с использованием сигналов обратной связи при ударе.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки с трехфазным асинхронным линейным двигателем
Для создания адаптивного двигателя для привода подачи рабочего органа бурового станка, разработан экспериментальный лабораторный образец электромагнитного механизма подачи бурового станка. Схема экспериментальной установки с трехфазным асинхронным линейным двигателем представлена на рис. 1.
Стенд состоит из стальной рамы 1 с роликовыми опорами 2, в которых подвижно закреплен массивный ротор 3 в виде стальной магнитной трубы. Статор 4 в виде цилиндрических обмоток расположен вокруг массивного ротора 3 с возможностью продольного перемещения последнего внутри статора. Катушки статора могут подключаться попеременно, как показано на рисунке по одной или несколько, на каждую фазу. Таким образом, стенд позволяет проанализировать режимы работы двигателя. Для этого он оснащен динамометром для измерения усилия подачи, а также приборами для измерения тока и напряжения в определенных фазах. Двигатель стенда не имеет магнитопровода для получения характеристик, зависящих от минимального числа факторов. Двигатель подключается к сети переменного трехфазного напряжения 380 В.
Данный привод является линейной электрической машиной и имеет в своей основе статорную обмотку, подключаемую к сети трехфазного переменного тока, напряжением 380 В. В качестве ротора используются стандартные трубы бурового става, состоящие из стали, обладающей ферромагнитными свойствами.
Конструкция линейного трехфазного асинхронного двигателя является простой и технологичной. Его изготовление возможно как в условиях отдельного предприятия по изготовлению электрических двигателей, так и в условиях специально оборудованного цеха. Для производственной базы необходимы станки для токарных работ, станки для намотки проволоки обмоток, печь для сушки и обжига обмоток и других элементов. Двигатель может также состоять из нескольких секций, в каждую из которых уложено по одной обмотке. В этом случае перегоревшая обмотка может быть извлечена из обоймы и заменена достаточно быстро.
В результате лабораторных исследований были получены механические характеристики линейной асинхронной машины с массивным ротором.
В дальнейшем была разработана методика проектирования двигателя
0,35
о- 0.25
0.15
О 0,1
0,05
—
N'»15 «Вт ] I N=18 кВт ] \ Н^22 кВт] | N-26«Вт 1 I N=30«Вт)
Усилие подачи, кН
Рис. 2. Зависимости скорости от усилия подачи рабочего органа при различной потребляемой мощности
с необходимыми характеристиками. Экспериментально-расчетные механические для вращательно-подающих механизмов буровых станков показаны на рис. 2.
Из рис. 2 видно, что потребляемая мощность данного привода значительно меньше суммарной мощности гидронасосов привода подачи бурового станка СБШ-250 МНА-32, которая составляет около 60 кВт.
Общей особенностью различных конструкций адаптивного вращатель-но-подающего механизма является своевременное изменение режима работы двигателя подачи. Данный процесс происходит естественным образом, путем перемещения точки рабочего режима двигателя по ниспадающей ветви его механической характеристики, в случае изменения физико-механических свойств породы. Данный процесс крайне короток во времени и способен максимально снизить непрогнозируемые ударные нагрузки. С данной задачей может справиться только электромагнитный двигатель линейного исполнения, поскольку добавление любых промежуточных элементов в конструктивную схему неизбежно
повлечет увеличение времени реагирования двигательной системы на изменение свойств породы. Увеличение времени реагирования может снизить эффект гашения ударных нагрузок. Применение же пассивных гасящих устройств требует детального изучения процессов возникновения резонанса в колебательном процессе, что значительно сужает область их применения. Конструкция электромагнитного двигателя не ограничивает степени свободы вращения бурового става. Возможно сохранить применяющиеся в соответствующих буровых станках механизмы вращения.
В процессе бурения адаптивный электромагнитный привод без значительной задержки (время задержки приближается к половине периода колебания переменного напряжения электрической сети) реагирует на увеличение или уменьшение показателя буримости соответственным изменением величины тока в обмотке статора. Изменение тока фиксируется напрямую с обмотки двигателя. В автоматическом режиме, согласно заложенной в контроллере функции предполагается изменение режима бурения. Со-
ответственно изменяются усилие и скорость подачи, а также момент на валу вращательного механизма и частота вращения бурового става. Регулировка режимов возможна следующими способами: 1) изменением схемы коммутации обмоток двигателя, сконструированного с необходимыми характеристиками;
2) понижением напряжения - для снижения жесткости механической характеристики двигателя и смягчения ударных нагрузок. Комплексное использование указанных способов позволит своевременно изменять режимные параметры и задавать оптимальные режимы бурения.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Техника, технология и опыт бурения скважин на карьерах / Под ред. В.А. Пере-толчина. - М.: Недра, 1993. - 286 с.
2. Шигин А.О., Гилев А.В. Методика расчета усталостной прочности, как основного фактора стойкости шарошечных долот // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2012. - № 3. - С. 22-27.
3. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя, т. 2 / Под ред. И.Н. Жестковой. 8-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2001. - 912 с.
4. Крец В.Г., Саруев Л.А. и др. Буровое оборудование: учебное пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 2011. - 121 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
5. Шигин А.О. Основные принципы адаптивной системы подачи рабочих органов буровых станков // Вестник машиностроения. - 2011. - № 5. - 3 с.
6. Гилев А.В., Шигин А.О., Буткин В.Д. Проектирование рабочих органов и режимных параметров буровых станков для слож-ноструктурных горных массивов. - Красноярск: СФУ, 2012. - 312 с.
7. 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. ЕШЭ
Шигин Андрей Олегович - кандидат технических наук, доцент,
Сибирский федеральный университет, e-mail: AGilev@sfu-kras.ru; shigin27@rambler.ru.
UDC 622.233.05:621.3
ROLLING CUTTER BIT LIFE GAIN IN COMPLEX STRUCTURE ROCK MASSES
Shigin A.O., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Siberian Federal University, 660041, Krasnoyarsk, Russia, e-mail: AGilev@sfu-kras.ru; shigin27@rambler.ru.
In drilling in complex structure rock masses characterized by fluctuating properties of rocks, high impact stresses are generated on drill tools. The problem of weakening of rolling cutter bits has engineering and technological solutions that allow essential gain in the rolling cutter bit life.
Key words: rolling cutter bit, life, improvement methods, rock mass, structure, impact stress, electromagnetic pulse.
REFERENCES
1. Tekhnika, tekhnologiya i opyt bureniya skvazhin na kar'erakh. Pod red. V.A. Peretolchina (Equipment, technology and experience of drilling in open pit mines. Peretolchin V.A. (Ed.)), Moscow, Nedra, 1993, 286 p.
2. Shigin A.O., Gilev A.V. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2012, no 3, pp. 22-27.
3. Anur'ev V.I. Spravochnik konstruktora-mashinostroitelya, t. 2. Pod red. I.N. Zhestkovoy. 8-e izd. (Manual of machine designer, vol. 2. Zhestkova I.N. (Ed.), 8th edition), Moscow, Mashinostroenie, 2001, 912 p.
4. Krets V.G., Saruev L.A. Burovoe oborudovanie: uchebnoe posobie (Drilling equipment: Educational aid), Tomsk, Izd-vo TPU, 2011, 121 p.
5. Shigin A.O. Vestnik mashinostroeniya. 2011, no 5, 3 p.
6. Gilev A.V., Shigin A.O., Butkin V.D. Proektirovanie rabochikh organov i rezhimnykh parametrov bu-rovykh stankov dlya slozhnostrukturnykh gornykh massivov (Engineering design of drills and operating conditions for drill rigs for complex structure rock masses), Krasnoyarsk, SFU, 2012, 312 p.
7. Shigin A.O., Gilev A.V. Gornoe oborudovanie i elektromekhanika. 2012, no 6, pp. 16-20.
