ИМПУЛЬСНЫЙ ВРАЩАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК E21B3/35 E21B6/02 

Изобретение относится к горному делу и предназначено для использования во вращательно-подающих механизмах.

Одной из наиболее важных проблем, возникающих в процессе бурения, является обеспечение автоматического регулирования режимных параметров бурения в зависимости от проходимых горных пород различной крепости. Решение этой проблемы могло бы значительно повысить производительность бурения, обеспечить оптимальный подбор породоразрушающего инструмента.

Известен целый ряд технических решений (см. авт. свид. N 566928, 667664, 692965, 1547395, 1613592 и др.), в которых в зависимости от крепости горных пород регулируют осевую нагрузку с помощью различных средств. Например, путем регулирования скорости подачи или расхода промывочной жидкости (авт. свид. N 1547395, 1613592) или выполнения возбудителя колебаний в виде планетарно-дифференциального механизма (авт. свид. N 1579966, 692965) и др.

Общими недостатками этих устройств являются высокое энергопотребление, сложная конструкция возбудителя колебаний, а также невозможность использования для бурения твердых пород, таких как гранит.

Известен вращатель бурового станка (см. авт. свид. N 566928), который потребляет значительно меньше энергии. Он содержит привод электродвигателя; корпус, в котором установлено водило; передаточный механизм, кинематически связанный с пакетом валов; эксцентрики-дебалансы, соединенные с водилом, и шпиндель, установленный внутри водила, при этом на боковых наружных поверхностях водила и шпинделя закреплены наклонно пружинные элементы, а на внутренних боковых поверхностях соответственно корпуса и водила выполнены наклонные зубья для зацепления с пружинными элементами.

Благодаря эффекту аккумулирования энергии в упругодеформируемых пластинах и равномерной их загрузкой путем последовательного включения в работу этот вращатель позволяет плавно регулировать крутящий момент в зависимости от крепости буримых пород.

Недостатками этого устройства являются довольно сложная конструкция, высокая трудоемкость в изготовлении и размещении пружинного элемента и наклонных зубьев, отсюда - низкая надежность устройства в целом.

Наиболее близок по конструкции, количеству существенных признаков и более высокой надежности к заявляемому решению импульсный вращатель (см. авт. свид. N 667664), содержащий электродвигатель, редуктор и ведомый вал, соединенный с возбудителем крутильных колебаний. Возбудитель выполнен в виде подвижного ротора и статора с неподвижными электромагнитами. Ротор соединен с ведомым валом, подпружинен относительно статора, соединенного в свою очередь с редуктором. В состав вращателя входят также ведущее звено и набор электромагнитов.

Работает устройство следующим образом.

При включении электродвигателя осуществляется вращение ведущего звена, которое через электромагниты, контакты, редуктор и пружину передается на ведомый вал. В то же время ротор тормозится или разгоняется электромагнитами, при этом вал при своем вращении создает крутильные колебания. Электромеханический возбудитель может с различной периодичностью воздействовать возмущающей силой на ротор, регулируя тем самым амплитудно-частотную характеристику вибратора. Отсутствие рабочих звеньев, передающих динамические нагрузки, позволяет повысить надежность и долговечность его работы.

Недостатком этого устройства является необходимость в наличии отдельного возбудителя электромагнитных колебаний и некоторая сложность в управлении системой электромагнитов.

Это в целом ведет к повышению сложности вращателя и его энергозатрат. Кроме того, данный вращатель, как и нижеперечисленные, способен возбуждать только крутильные колебания, в то время как при встрече с такими породами, как гранит, требуются ударные импульсы.

Целью изобретения является упрощение конструкции вращателя, снижение энергозатрат и повышение производительности бурения путем создания наряду с крутильными колебаниями ударных импульсов и автоматического регулирования осевой нагрузки в зависимости от крепости проходимых пород.

Поставленная цель достигается тем, что в импульсном вращателе, содержащем двигатель, редуктор, ведомый вал и возбудитель колебаний, выполненный в виде подпружиненного по оси ведомого вала ротора, жестко соединенного с ведомым валом, и статора, соединенного с редуктором, статор снабжен кулачками, а ротор - роликами с возможностью взаимодействия с кулачками статора, при этом ведомый вал пропущен через статор и размещен в статоре в подшипниках с возможностью осевого перемещения вместе с ротором.

Физическая сущность заявляемого предложения состоит в том, что пружинно-кулачковый возбудитель создает эффект аккумулирования энергии, благодаря которому к рабочему инструменту помимо постоянной осевой нагрузки прикладывается дополнительная, которая в момент минимальной скорости вращения преобразовывается в ударную нагрузку. В результате получается вращение импульсное, а подача инструмента - пульсирующая.

Таким образом, для возбуждения крутильных или ударных импульсов не требуется дополнительных механизмов, а для их управления - отдельной аппаратуры, что существенно снижает энергопотребление и упрощает конструкцию вращателя. Кроме того, регулирование осевой нагрузки осуществляется автоматически без остановки процесса бурения, что повышает его производительность.

Рассмотрим пример конкретного выполнения заявляемого устройства.

На фиг. 1 представлено заявляемое устройство - общий вид сбоку, в разрезе; на фиг. 2 - то же, разрез А-А; на фиг. 3 - то же, разрез Б-Б.

Устройство содержит двигатель 1, соединенный через редуктор 2 со статором 3. Статор 3 снабжен кулачками 4, выполненными с возможностью взаимодействия с роликами 5 ротора 6. Профиль кулачков 4 и роликов 5 может быть выполнен как с цилиндрической, так и с конической образующей. В качестве роликов 5 могут быть использованы подшипники скольжения, качения и игольчатые. В состав устройства входит также ведомый вал 7, на который надет упругий элемент 8 (витые или тарельчатые пружины), размещенный в стакане 9. Ротор 6 жестко закреплен с валом 7, один конец которого установлен в опорно-упорных подшипниках 10, а другой - в аналогичных подшипниках 11 с возможностью осевого перемещения совместно с ротором 6 и соединен с породоразрушающим инструментом (не показан).

В подшипниках 11 размещен также хвостовик стакана 9, верхняя периферийная поверхность которого является упорным ограничителем для ротора 6 при перемещении его вниз и сжатии упругого элемента 8, на верхнюю часть которого опирается ротор 6. Зазор между ротором 6 и стаканом 9 не должен превышать величину сжатия упругого элемента 8. Жесткость элемента 8 выбирают исходя из мощности двигателя 1.

Работает устройство следующим образом.

Для осуществления процесса бурения включают электродвигатель 1 и нагружают вращатель постоянной осевой нагрузкой. Двигатель 1 передает вращение через редуктор 2 на статор 3. Кулачки 4 статора 3 набегают на ролики 5 ротора 6, приводя последний во вращение вместе с валом 7, стаканом 9 и породоразрушающим инструментом, причем вал 7 при вращении совершает крутильные колебания. Одновременно ротор 6 под воздействием на него кулачков 4 статора 3 перемещается вниз в осевом направлении и поджимает пружину 8, нагружая дополнительной осевой нагрузкой вал 7 и породоразрушающий инструмент.

При разбуривании мягких пород осуществляется небольшое поджатие пружины 8, воздействующей на ротор 6. Скорости вращения статора 3 и ротора 6 остаются практически одинаковыми.

При встрече твердых пород возрастает момент, который передается от породоразрушающего инструмента валу 7 и через него - пружине 8, осуществляя максимальное сжатие последней. Пружина 8 сильно поджимает ротор 6, в результате чего ролики 5 могут проскальзывать относительно кулачков 4 статора 3, и вращение ротора 6 тормозится. Интенсивность импульсов вращения и подачи в этом случае становится наибольшей и породоразрушающий инструмент переходит в режим ударно-вращательного бурения.

В случае остановки вала 7 (перегрузки, прихваты, прижоги инструмента) вращение ротора 6 прекращается и вращатель переходит в режим ударно-импульсного бурения, что способствует высвобождению вала 7 и ликвидации возможной аварии.

В целом частота и интенсивность импульсов вращения и подачи может регулироваться в каждом отдельном случае величиной постоянной осевой нагрузки.

Для разбуривания твердых малоабразивных пород можно использовать породоразрушающий инструмент с клинообразной режущей частью.

Из описания конструкции и работы заявляемого устройства видно, что возбуждение как крутильных колебаний, так и ударных импульсов осуществляется одним пружинно-кулачковым механизмом. Тем же механизмом обеспечивается и управление режимных параметров бурения в зависимости от крепости разбуриваемых пород в широком диапазоне - от вращательного до ударно-импульсного и без остановки процесса бурения.

Благодаря выполнению статора и ротора в виде кулачкового механизма, а ведомого вала - подпружиненным относительно ротора оказалось возможным создать эффект аккумулирования энергии. За счет этого обеспечивается плавное автоматическое регулирование нагружением породоразрушающего инструмента осевой нагрузкой.

В отличие от заявляемого устройства возбудитель крутильных колебаний в прототипе выполнен в виде ротора, подпружиненного относительно статора, а управление колебаниями осуществляется системой электромагнитов. В такой конструкции вращателя для создания и управления электромагнитными колебаниями требуется дополнительная аппаратура, которая повышает энергозатраты и усложняет в целом конструкцию вращателя.

Кроме того, при разбуривании твердых пород требуется остановка процесса бурения и подключение дополнительного возбудителя ударных колебаний, а в случае возникновения аварийной ситуации (прижоге инструмента, его перегрузке и т.п.) нарушается работоспособность устройства. Все это приводит к снижению производительности бурения.

Из сказанного следует, что заявляемый вращатель проще по конструкции, требует значительно меньше энергозатрат и позволяет существенно повысить производительность бурения.

Работоспособность заявляемого устройства была проверена на стендовых испытаниях макета в условиях, приближенных к реальным. Испытания дали положительные результаты - механическая скорость бурения возросла на 30%.

Изобретение относится к области горного дела, в частности к бурению скважин, и предназначено для использования во вращательно-подающих механизмах. Изобретение позволит снизить энергозатраты, упростить конструкцию и повысить производительность путем обеспечения автоматического регулирования величины осевой нагрузки в зависимости от проходимых горных пород и без остановки процесса бурения. Импульсный вращатель содержит электродвигатель, редуктор и возбудитель колебаний, включающий ведомый вал и соединенный с ним подвижный ротор, а статор связан с редуктором и установлен с возможностью взаимодействия с ротором. Новым является выполнение статора с кулачками, а ротора - с роликами, при этом ротор подпружинен по оси ведомого вала, размещенного в статоре в подшипниках с возможностью вращения и осевого перемещения совместно с ротором. Такая конструкция вращателя, в котором возбудитель колебаний выполнен в виде пружинно-кулачкового механизма, позволяет обеспечить наряду с крутильными колебаниями ударные импульсы, необходимые для разбуривания твердых горных пород и расширить диапазон режимов бурения. Кроме того, регулирование режимов бурения осуществляется автоматически тем же пружинно-кулачковым механизмом, т. е. без использования дополнительной аппаратуры и без остановки процесса бурения. 3 ил.

Импульсный вращатель, содержащий двигатель, редуктор, ведомый вал и возбудитель колебаний, выполненный в виде подпружиненного по оси ведомого вала ротора, жестко соединенного с ведомым валом, и статора, соединенного с редуктором, отличающийся тем, что статор снабжен кулачками, а ротор - роликами с возможностью взаимодействия с кулачками статора, при этом ведомый вал пропущен через статор и размещен в статоре в подшипниках с возможностью осевого перемещения вместе с ротором.