Бурильная машина Советский патент 1987 года по МПК E21B3/00 E21B44/00 

Изобретение относится к горной

йромьшшеннссти, в частности к бурильным машинам вращательного действия с регулируемой скоростью,подачи и вращения в породах с изменяющимися физико-механическими характеристиками

Цель изобретения - повышение точности и диапазона регулирования крутящего момента и усиление подачи для условий изменяющихся физико-механических характеристик пород при одновременном повышении КПД машины за сокращения времени выбора рацио нальных условий нагрузки на инстру- мент.

На фиг, 1 показана структурно-кинематическая схема бурильной машины; на фиг. 2 - характеристика привода подачи в зависимости от усилия пода- чи на фиг, 3 - характеристика привода вращения в зависимости от величины крутящего момента,

Бурильная машина состоит нз допол нительного управляемого тормоза 1, биротативного двигателя 2 вращения, зубчатой передачи 3 и 4, датчика 5 скорости вращения., например, в виде тахогенератора (Тг 1), шлицевой втулки 6 вращения, ходового винта- шпинделя 7, гайки 8, зубчатой передачи 9-11, основного управляемого тормоза 12, биротативного двигателя 13 подачи, датчика 14 скорости подачи вращения гайки, например, в виде та- хогенератора (Тг 2), датчика 15 .осевого усилия, датчика 16 крутящего момента, буровой штанги 17; рабочего инструмента 18 и контроллера 19,

Привод вращения образован ротором 20 и контрротором 21 биротативного асинхронного короткозамкнутого двига .теля 2s зубчатой передачей 3 и 4 и шлицевой втулкой 6, охватывающей часть Винта-шпинделя 7, Привод пода- чк образован ротором 22 и контрротором 23 биротативного асинхронного короткозамкнутого двигателя 13, зубчатой передачей 9-11 и гайкой 8 на вин 1;е-птн1зделе 7, Дифференциально-винто вой механизм подачи образован парой винт-шпиндель 7 и гайкой 8,

Блок управления бурильной машиной выполнен в виде управляющего контроллера 19,- датчиков 5,, 14, 15, 16 и тормозов 1 и 12,

Винт-шпиндель 7 привода вращения кинематически соединен со шлицевой втулкой 6, свя:занной с тахогенерато 5

0

0 5

0 5 0

gg

ром и через зубчатую передачу 3, 4 - с контрротором 21 биротативного двигателя 2, ротор 20 которого связан с управляющим тормозом 1, Гайка 8 привода подачи кинематически связана с винтом-шпинделем 7, соединенном через зубчатую передачу 9-11 (имеющую связь с датчиком 14 скорости подачи) с ротором 22 биротативного двигателя 13, контрротор 23 которого связан с управляющим тормозом 12, В качестве управляющих тормозов 1, 12 могут быть использованы электромагнитные гидравлические или другие тормоза, имеющие схему защиты по предельной нагрузке. Винт-шпиндель 7 связан с буровой штангой 17 и рабочим инструментом 18, Контроллер 19 входами 24 и 25 связан- соответственно с датчиками скорости привода вращения, датчиком 14 скорости привода подачи, а выходами 26 и 27 - соответственно с управляющим тормозом 1 биротативного двигателя 2 и управляющим тормозом 12 биротативного двигателя 13,

Устройство работает следующим образом,

Биротативный двигатель 2 через зубчатую передачу 3 и 4 приводит во вращение контрротором 21 (статором) шлицевую втулку 6, которая -вращает винт-шпиндель 7 с наружной резьбой, Другой биротативньй двигатель 13 через систему зубчатой передачи 9- 11 приводит во вращение ротором 22 гайку 8, в которую ввинчен винт- шпиндель 7, передающий вращательно- поступательное движение через буро- вую штангу 17 рабочему инструменту

18,внедряющемуся в забой, Текущая информация с датчиков 5,

14, 15., 16 поступает в крнтроллер

19,где происходит обработка ее по заложенному алгоритму оптимального управления согласно заданными критериям, после чего управляющие сигналы поступают на управляемые тормоза 1 и 12,

Режим бурения, т.е, обороты и крутящий момент привода вращения задаются тормозным моментом управляющего тормоза 1 и передаточным отношением зубчатого зацепления 3 и 4, а также тормозным моментом управляющего тормоза 12 и передаточным отношением зубчатой передачи 9-11 привода подачи.

Возрастание крутящего момента на буровой штанге 17 (момента сопротив- ления вращению инструмента 18) в результате изменения физико-механических свойств горной породы, заштыбов- ки буровой штанги 17-приводит к уменьшению скорости вращения контрротора 21 биротативного двигателя 2 и к возрастанию скорости вращения в обратную сторону ротора 20 этого дви гателя 2.

Информация с датчиков 5 скорости вращения штанги 17 и датчика 15 крутящего момента поступает в контроллер 19, где происходит обработка ее по заложенному алгоритму, после чего управляющий сигнал поступает на тормоз 1, увеличивая тем самым тормозной момент на роторе 20 биротатив ного двигателя 2, в результате чего, увеличивается скорость вращения контрротора 21 до необходимой и по кинематической цепи 3, 4, 6, 7 происходит передача к инструменту 18 нужного крутящегр момента.

Возрастание осевого усилия подачи штанги 17 по оси бурения в результате изменения физико-механических

Так как основной тормоз 12 снабжен схемой защиты по предельной нагрузке, то предельный тормозной момент, определяющий предельные энергетические возможности системы приво- . да, приводит к срабатыванию схемы з асвойств горной породы, затупления инструмента 13, изменения его геомет- 30 и к отключению бнротативного двирии и формы, заштыбовки штанги 17 приводит к умень1пению скорости вращения ротора 22 двигателя 13 подачи и к возрастанию скорости вращения его контрротора 23 в обратную сторону.

Информация с датчиков 14 скорости вращения гайки 8 и датчика 16 осевого усилия поступает в контроллер 19, где происходит обраб этка ее по заложенному алгоритму, после чего управляющий сигнал поступает на основной управляемьй тормоз 12, увеличивая тем самым тормозной момент .на контрроторе 23 биротативного двигателя 13. В результате увеличивается скорость вращения ротора 22 до прежней иопо кинематической цепи 11, 10, 9, 8 за. счет разности скорости вращения гайки 8 и винта-шпинделя 7, . происходит передача к рабочему инструменту 18 необходимой удельной подачи и осевого усилия, регулируя тем самым толщину стружки, т.е. на35

40

45

50

двигателя 13 подачи. Тормоз 1 биротативного двигателя 2 привода вращения также снабжен схемой защиты, но ввиду того, что инерционность привода подачи на порядок ниже, чем инерционность привода вращения - из примерного соотношения мощностей их - 1:10, то схема защиты привода подачи среагирует быстрее, чем схема защиты привода вращения. Так как полярность вращения винта-шпинделя 7 и гайки 8 противоположная, то при отключении привода подачи остановится гай- к.а 8, а винт-шпиндель 7 будет вывинчиваться из нее и уводить от забоя рабочий инструмент 18.

Так как скорость вращения винта- шпинделя 7 практически не оказывает влияния на величину реактивного усилия подачи, то режим подачи задается только тормозным моментом управляющего тормоза 12, а также передаточным отношением зубчатой передачи 9, 10, 11 привода подачи.

грузку на главньй привод вращения.

Биротативные двигатели 2, 13, имея мягкую механическую характеристику, могут работать в режиме упора, который определяется предельными

с O

5

0

5

энергетическими возможностями привода и служит сигналом для автоматического извлечения рабочего инструмента 18 из скважины.

Попадание рабочего инструмента 18 в трещину, встреча с твердыми включениями, определяющими предельные энергетические возможности бурения :данной машиной, предельньй текущий. |износ или аварийная поломка рабочего инструмента 18, уменьшает скорость подачи, увеличивает усилие подачи. При ajoM сигнал с датчика 16 осевого усилия и датчика 15 скорости подачи поступает в контроллер 19, где происходит обработка поступакицей информации, после чего управляющий сигнал поступает на основной тормоз 12 увеличивая тем самым тормозной момент кортрротора 23 биротативного двигателя 13 о В результате увеличивается скорость вращения ротора 22.

Так как основной тормоз 12 снабжен схемой защиты по предельной нагрузке, то предельный тормозной момент, определяющий предельные энергетические возможности системы приво- . да, приводит к срабатыванию схемы з а30 и к отключению бнротативного дви35

0

5

0

5

двигателя 13 подачи. Тормоз 1 биротативного двигателя 2 привода вращения также снабжен схемой защиты, но ввиду того, что инерционность привода подачи на порядок ниже, чем инерционность привода вращения - из примерного соотношения мощностей их - 1:10, то схема защиты привода подачи среагирует быстрее, чем схема защиты привода вращения. Так как полярность вращения винта-шпинделя 7 и гайки 8 противоположная, то при отключении привода подачи остановится гай- к.а 8, а винт-шпиндель 7 будет вывинчиваться из нее и уводить от забоя рабочий инструмент 18.

Так как скорость вращения винта- шпинделя 7 практически не оказывает влияния на величину реактивного усилия подачи, то режим подачи задается только тормозным моментом управляющего тормоза 12, а также передаточным отношением зубчатой передачи 9, 10, 11 привода подачи.

На величину реактивньпс крутящего момента и осевого усилия оказывают существенное влияние удельная пода- i ча, износ рабочего инструмента 18, условия бурения (вьшос выбуренной

мелочи), физико-механические свойства буримых пород.

Условием, определяющим начало объемного разрушения данной породы с рабочим инструментом 18, является осевое усилие Р.

Изменяя удельную подачу h (см. фиг. 2) при изменении физико-механических свойств буримой породы, осуществляют дозированное изменение нагрузки на привод вращения (см.фиг.3, где М - крутящий момент, ш частота вращения, h,, h, h. - различные величины удельной подачи), Изменение приведенных характеристик (фиг. 2 и 1) происходит в линейном диапазоне

Формула изобретения 20

25

Бурильная машина, включающая буровую штангу с инструментом, жестко закрепленном на винте-пшинделе, приводы вращения и подачи с асинхронными короткозамкнутыми двигателями, кинематически связанными с винтом-шпинделем, дифференциально-винтовой меха- низм привода подачи, гайка которого кинематически связана с ротором дви0

5

0

гателя подачи, тормоз двигателя подачи, втулку привода вращения, охватывающую винт-шпиндель., и блок управления бурильной машиной, отличаю- щ а я с я тем, что-, с целью повышения точности и диапазона регулирования крутящего момента и усиления подачи для условий изменяющихся физико-механических характеристиках пород при одновременном повышении КПД машины за счет сокращения времени выбора радиальных условий нагрузки на инструмент, бурильная машина снабжена дополнительньм тормозом, двигатели вращения и подачи выполнены биротативными, а блок управления бурильной машиной имеет контроллер, датчики скорости вр ащения шпинделя и гайки осевого усиления и крутящего момента буровой штанги, причем .контроллер блока управления связан со всеми датчиками, дополнительным и основным тормозами, а последний ки- 5 нематически сообщен с контрротором двигателя подачи, причем дополни- тельньш тормоз кинематически связан с ротором двигателя вращения, контр- ротор которого кинематически сообщен с гайкой.

Изобретение относится к области горной пром-ти и позволяет повысить точность и диапазон регулирования , крутящего момента и усилить подачу для условий изменяющихся физико-механических характеристик пород при одновременном повьшении КПД машины за счет сокращения времени выбора рациональных условий нагрузки на инструмент. Машина включает буровую штангу 17 с инструментом 18, жестко закрепленным Hai винте-шпинделе 7, «-я: f rl--I приводы вращения и подачи с асинхронными короткозамкнутыми бирота- тивными двигателями (БД) 2 и 13. Привод подачи имеет дифференциально-винтовой механизм с гайкой 8, а БД 13 - основной тормоз (т) 12. Блок управления машиной имеет контроллер (К) 19, датчики 5, 15 и 16 соответственно скорости вращения винта-шпинделя 7 и втулки 6, осевого усилителя и крутящего момента штанги 17. Данный К 19 связан со всеми датчиками, Т 12 и дополнительным Т 1. Причем Т 12 сообщен с контрротором 23 БД 13, а Т 1 кинематически связан с ротором 20 БД 2. При внедрении инструмента 18в забой информация поступает в К 19и далее на Т 1 и 12, которые задают режим бурения. Изменение свойств породы приводит к уменьшению скорости вращения контрротора 21 БД 2. Информация поступает на К 19, и скорость снова возрастает. Нагрузка на глав- ньй лривод вращения регулируется после поступления сигнала на Т 12. Изменяя удельнуюподачу, осуществляют дозированное изменение нагрузки на привод вращения. 3 ил. В (Л -г , / ОО сд ел а OS

/7

(риг. 2.

Составитель В.Захаров Редактор С.Патрушева Техред, М.Ходанич Корректор А.Тяско

Заказ 5977/30 Тир;зж 453Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва,, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 .

Н

Фг/г.з