БУРИЛЬНАЯ МАШИНА Российский патент 1997 года по МПК E21C1/02 

Изобретение относится к бурильным машинам и может найти применение при направленном бурении шпуров, дегазационных и разведочных скважин или других пространственно-ориентированных технологических скважин в угледобывающей и горной промышленности.

Известна бурильная машина [1] включающая шпиндель с режущим инструментом, параллельно подключенные к напорной магистрали гидродвигатели подачи и вращения шпинделя, в сливной магистрали которых установлен блок управления в виде регулируемых дросселей, каретку с опорной и приводной звездочками, последняя из которых кинематически связана с гидродвигателем вращения и подающий механизм, выполненный в виде приводной, двух натяжных и опорных звездочек, установленных на неподвижных направляющих, при этом приводная звездочка подающего механизма кинематически связана с гидродвигателем подачи и все звенья охвачены бесконечным гибким инструментом. Для изменения кривизны скважины за счет варьирования линейной скорости относительно угловой скорости режущего инструмента она снабжена дополнительным блоком управления в виде взаимодействующих профильного кулачка и золотника, который параллельно подсоединен к сливной магистрали гидродвигателя подачи, кулачок закреплен на шпинделе, а режущий инструмент выполнен в виде дифференциального резца.

Недостатками данной бурильной машины являются сложность кинематической цепи механизма подачи инструмента на забой и наличие в ней гибкого звена - цепной передачи, жесткость которой существенно меньше жесткости гидропривода, что ухудшает управляемость процессом направленного бурения.

Наиболее близким техническим решением является бурильная машина [2] включающая полый шпиндель, траверсу, буровой став с дифференциальным режущим инструментом, параллельно подключенные к напорной магистрали насоса маслостанции гидродвигатель вращения шпинделя с выходным валом и подающие гидроцилиндры с рабочими полостями, в сливной магистрали которых установлены блоки управления в виде регулируемых дросселей и блок управления в виде золотника и профильного кулачка, закрепленного на шпинделе. Для повышения надежности работы машины за счет повышения чувствительности и быстродействия к изменению нагрузки на рабочем инструменте машина снабжена дополнительным насосом с приводным валом и редуктором, причем приводной вал дополнительного насоса через редуктор соединен с выходным валом гидродвигателя вращения шпинделя, при этом напорная магистраль дополнительного насоса подключена к одной из рабочих полостей подающих гидроцилиндров параллельно блоку управления.

Недостаток прототипа состоит в том, что изменение направления скважины, как и в первом случае, происходит за счет варьирования линейной скорости подачи шпинделя на забой относительно угловой скорости его вращения или пульсации подачи. Проведенные экспериментальные исследования показали, что применение бурильных машин такого типа целесообразно для бурения пространственно-ориентированных скважин в породах с коэффициентом крепости f 4 и более по шкале профессора М.М.Протодьяконова. В породах с меньшим коэффициентом крепости реально управлять направлением скважины на бурильных машинах данного типа не удалось. Это обстоятельство обусловлено сохранением устойчивого асимметричного керна при пульсирующей подаче в процессе бурения пород с коэффициентом крепости f 4 и более, по сторонам которого происходит "соскальзывание" дифференциального режущего инструмента при пульсации подачи. В более мягких породах (f<4) устойчивый асимметричный керн при пульсации подачи не сохраняется, поэтому отсутствуют "соскальзывание" дифференциального резца и возможность управления пространственным положением скважины.

Кроме того, при бурении криволинейных участков скважины с включенным механизмом пульсации наблюдался отрыв режущего инструмента от породы забоя из-за наличия дифференциальной связи угловой скорости вращения вала гидромотора и линейной скорости подачи шпинделя на забой. Вследствие этого появляется "раскачка" системы привода и управление направлением скважины крайне затруднялось. В довершении всего, конструкция гидравлической схемы аналога не предусматривает управляемый отвод гидроцилиндров подачи шпинделя на забой при окончании их рабочего хода для перезакрепления бурового става в патроне или других, связанных с их отводом, технологических операций.

Изобретение направлено на повышение качества при бурении пространственно-ориентированных скважин в породах различной твердости. При этом имеется в виду применение машины для бурения пространственно-ориентированных скважин в породах различной твердости, надежное управление величиной и фазой отклоняющей радиальной силы на дифференциальном режущем инструменте в процессе бурения криволинейных участков скважины с включенным механизмом пульсации угловой скорости и управляемые отвод и подача гидроцилиндров на забой при выполнении требующих этого технологических операций.

Это достигается тем, что бурильная машина, включающая траверсу, полый шпиндель с установленным на нем патроном, в котором закреплен буровой став с дифференциальным режущим инструментом, подключенный параллельно к напорной магистрали насоса маслостанции, гидродвигатель вращения шпинделя, дополнительный насос, линия нагнетания которого соединена с поршневыми полостями подающих гидроцилиндров, а приводной вал через редуктор связан с выходным валом гидродвигателя вращения шпинделя, и блок управления, состоящий из двух регулируемых дросселей, один из которых установлен в линии слива гидромотора, а второй входом подключен к линии нагнетания дополнительного насоса, а выходом к линии слива, и профильного кулачка, а также напорные и сливные гидролинии, содержит в линии слива гидромотора двухпозиционный двухлинейный гидрораспределитель с приводом от профильного кулачка и пружинным возвратом, а в линии нагнетания гидромотора двухпозиционный трехлинейный распределитель, один из выходов которого соединен с пневмогидравлическим аккумулятором, а второй со штоковыми полостями подающих гидроцилиндров, в напорной линии дополнительного гидронасоса установлен предохранительный клапан и трехпозиционный четырехлинейный распределитель, в линии слива которого расположен регулируемый дроссель.

Двухпозиционный гидрораспределитель, управляемый от вращающегося синхронно шпинделю бурового станка профильного кулачка, устанавливают на сливе гидромотора привода вращения бурового става для создания пульсации угловой скорости.

Введение в конструкцию машины пневмогидравлического аккумулятора позволяет при включенном механизма пульсации в процессе бурения искривленных участков накапливать энергию при закрытии гидрораспределителя на сливе гидромотора и быстро отдавать ее при открытии гидрораспределителя. Последнее дает возможность существенно повысить амплитуду пульсации угловой скорости вращения вала гидромотора и связанного с ним бурового става с режущим инструментом.

Установленный в линию питания гидромотора двухпозиционный гидрораспределитель позволяет соединить ее со штоковыми полостями гидроцилиндров подачи шпинделя на забой с образованием дифференциальной связи между угловой скоростью вращения вала гидромотора и линейной скоростью подачи шпинделя на забой при бурении прямолинейных участков или с пневмогидравлическим аккумулятором при бурении криволинейных участков с включенным механизмом пульсации.

Установленный параллельно линии нагнетания дополнительного насоса предохранительный клапан защищает ее от перегрузок при бурении криволинейных участков скважины с отключенной дифференциальной связью.

Установленный в линию нагнетания дополнительного насоса трехпозиционный гидрораспределитель обеспечивает управление работой гидроцилиндров податчика при всех режимах работы бурильной машины, в том числе их отводом, а установленный в линии слива гидрораспределителя регулируемый дроссель позволяет управлять скоростью подачи шпинделя на забой в процессе бурения криволинейных участков с отключенной дифференциальной связью.

На чертеже представлена гидрокинематическая схема бурильной машины.

Предлагаемое устройство содержит маслобак 1, основной гидронасос 2, предохранительный клапан 3, напорную гидромагистраль 4, соединенную с двухпозиционным трехлинейным гидрораспределителем 5 с ручным управлением, осуществляющим подключение к напорной гидромагистрали пневмогидравлического аккумулятора 6 или штоковых полостей гидроцилиндров 7 и 8 подачи шпинделя на забой, и с гидромотором 9, выходной вал которого через редуктор 10 с переменным передаточным числом связан с полым шпинделем 11 бурильной машины, соединенным с траверсой 12 и патроном 13, осуществляющим зажим бурового става 14 с дифференциальным режущим инструментом 15. Сливная магистраль 16 гидромотора через двухпозиционный гидрораспределитель 17, управляемый связанным с редуктором и вращающимся синхронно шпинделю бурильной машины кулачком 18, и регулируемый дроссель 19 соединена с маслобаком. Параллельно редуктору подключен дополнительный гидронасос 20, в напорной магистрали которого установлены предохранительный клапан 21 и трехпозиционный четырехлинейный гидрораспределитель 22 с ручным управлением, соединяющий напорную магистраль с поршневыми или штоковыми полостями гидроцилиндров подачи шпинделя на забой. В сливных гидромагистралях дополнительного насоса и трехпозиционного гидрораспределителя установлены регулируемые дроссели 23 и 24 соответственно.

Бурильная машина работает следующим образом. Масло из маслобака 1 подается основным гидронасосом 2 по напорной гидромагистрали 4, максимальное давление в которой определяется настройкой предохранительного клапана 3, к двухпозиционному гидрораспределителю 5 и гидромотору 9. В линии слива 16 гидромотора 9 установлены двухпозиционный гидрораспределитель 17 и регулируемый дроссель 19, положение и настройка которых соответственно определяют угловую скорость вращения его выходного вала, приводящего через редуктор 10 с переменным передаточным числом в движение полый шпиндель 11 с патроном 13, в котором зажат буровой став 14 с дифференциальным режущим инструментом 15; кулачок 18, управляющий работой двухпозиционного гидрораспределителя 17 и вращающийся синхронно шпинделю; и дополнительный гидронасос 20. Кулачок 18 и гидрораспределитель 17 образуют механизм пульсации, имеющий возможность включения и выключения. При включенном механизме пульсации происходит попеременное перекрытие или открытие линии слива 16 гидромотора 9, синхронное вращению бурового става 14, а при выключенном механизме пульсации линия слива 16 гидромотора 9 открыта независимо от положения кулачка 18. Дополнительный гидронасос по напорной магистрали, предельное давление в которой определяется настройкой предохранительного клапана 21, через трехпозиционный гидрораспределитель 22 подает рабочую жидкость в поршневые полости гидроцилиндров 7 и 8 подачи шпинделя на забой. В сливной линии дополнительного гидронасоса установлен регулируемый дроссель 24, настройка которого определяет линейную скорость подачи шпинделя на забой.

При забуривании или бурении прямолинейных участков скважины механизм пульсации угловой скорости гидромотора 9 отключается двухпозиционный 5 и трехпозиционный 22 гидрораспределители устанавливаются в верхнее положение, соединяя линию питания гидромотора 9 с штоковыми полостями гидроцилиндров 7 и 8 и линию нагнетания дополнительного гидронасоса 20 с поршневыми полостями гидроцилиндров 7 и 8 подачи шпинделя на забой соответственно. В этом случае при увеличении момента сопротивления на дифференциальном режущем инструменте 15 вращение гидромотора 9 замедляется, а давление в его линии питания и штоковых полостях гидроцилиндров 7 и 8 возрастает. Происходит отвод шпинделя 11 с закрепленным в патроне 13 буровым ставом 14 и дифференциальным режущим инструментом 15. В противном случае, то есть при уменьшении нагрузки на дифференциальном режущем инструменте 15, гидромотор 9 начинает вращаться быстрее, давление в его линии питания и штоковых полостях гидроцилиндров 7 и 8 уменьшается. Происходит подача шпинделя на забой. Так реализуется дифференциальная связь между угловой скоростью вращения гидромотора 9 и линейной скоростью подачи шпинделя на забой.

В случае возникновения необходимости изменить направление скважины включают механизм пульсации, двухпозиционный гидрораспределитель 5 переключают в нижнее положение, соединяя таким образом линию питания гидромотора 9 с пневмогидравлическим аккумулятором 6, а трехпозиционный гидрораспределитель 22 устанавливают в среднее положение. В этом случае линия нагнетания дополнительного гидронасоса 20 соединяется с поршневыми полостями гидроцилиндров 7 и 8, а их штоковые полости соединяются со сливом. Линейная скорость подачи шпинделя на забой зависит от настройки регулируемых дросселей 23 и 24. При включении механизма пульсации фазу кулачка 18 устанавливают таким образом, чтобы момент открытия гидрораспределителя 17 совпадал с нахождением неуравновешенной массы дифференциального режущего инструмента 15 в секторе, выбранном для изменения траектории. В процессе работы при закрытии гидрораспределителя 17 угловая скорость гидромотора 9 уменьшается, давление в его линии питания возрастает и происходит набор энергии пневмогидравлическим аккумулятором 6. После открытия гидрораспределителя 17 угловая скорость гидромотора 9 увеличивается, давление в его линии питания уменьшается, пневмогидравлический аккумулятор 6 отдает накопленную энергию, увеличивая тем самым скорость вращения гидромотора 9. Происходит импульсное увеличение угловой скорости шпинделя 11, в патроне 13 которого закреплен буровой став 14 с дифференциальным режущем инструментом 15. Импульсное увеличение угловой скорости вызывает увеличение центробежной силы неуравновешенной массы дифференциального режущего инструмента 15, направленной перпендикулярно буровому ставу и вызывающей подрезание породы скважины.

Таким образом, процесс формирования скважины заданной траектории не зависит непосредственно от твердости буримой породы, а определяется лишь параметрами бурильной машины. Фаза и величина отклоняющей радиальной силы зависят от фазового положения кулачка 18 и амплитуды импульсного увеличения угловой скорости гидромотора 9 привода шпинделя соответственно.

Управляемый отвод шпинделя 11 с закрепленным в его патроне 13 буровым ставом 14 и дифференциальным режущим инструментом 15 осуществляется включением гидрораспределителя 22 в нижнее положение независимо от режима работы бурильной машины. В этом случае напорная гидромагистраль дополнительного гидронасоса 20 соединяется с штоковыми полостями гидроцилиндров 7 и 8, а их поршневые полости со сливом.

В настоящее время составлена математическая модель системы "бурильная машина режущий инструмент забой скважины", разработан и изготовлен полноразмерный стенд для изучения влияния изменения параметров бурильной машины на фазу и величину отклоняющей радиальной силы, проведены машинные и физические эксперименты, результаты которых оценены положительно.

Изобретение относится к бурильным машинам и может найти применение при направленном бурении шпуров, дегазационных и разведочных скважин или других пространственно-ориентированных технологических скважин в горной промышленности. Сущность изобретения состоит в том, что в линии слива гидромотора привода бурового става установлен двухпозиционный двухлинейный распределитель с приводом от профильного кулачка и пружинным возвратом, а в линии нагнетания - двухпозиционный трехлинейный распределитель, один выход которого соединен с пневмогидравлическим аккумулятором, а второй - с штоковыми полостями гидроцилиндров подачи бурового става. В линии слива дополнительного гидронасоса установлен предохранительный клапан и трехпозиционный четырехлинейный распределитель, в линии слива которого расположен регулируемый дроссель. 1 ил.

Бурильная машина, включающая траверсу, полый шпиндель с установленным на нем патроном, в котором закреплен буровой став с дифференциальным режущим инструментом, подключенный параллельно к напорной магистрали насоса маслостанции гидродвигатель вращения шпинделя, дополнительный насос, линия нагнетания которого соединена с поршневыми полостями подающих гидроцилиндров, а приводной вал через редуктор связан с выходным валом гидродвигателя вращения шпинделя, и блок управления, состоящий из двух регулируемых дросселей, один из которых установлен в линии слива гидромотора, а второй входом подключен к линии нагнетания дополнительного насоса, а выходом к линии слива, и профильного кулачка, а также напорные и сливные гидролинии, отличающаяся тем, что бурильная машина содержит в линии слива гидромотора двухпозиционный двухлинейный гидрораспределитель с приводом от профильного кулачка и пружинным возвратом, а в линии нагнетания гидромотора двухпозиционный трехлинейный гидрораспределитель, один из выходов которого соединен с пневмогидравлическим аккумулятором, а второй с штоковыми полостями подающих гидроцилиндров, при этом в напорной линии дополнительного гидронасоса установлен предохранительный клапан и трехпозиционный четырехлинейный гидрораспределитель, в линии слива которого расположен регулируемый дроссель.