Бурильная машина Советский патент 1990 года по МПК E21B3/00 E21B44/00 

Фиг.1

рые выходы контроллера 16 электрически связаны со статорами 5,9. При возрастании на штанге 1 момента сопротивления скорость вращения ротора 6 уменьшается. Информация об этом с датчиков 12, 13 и 15 поступает в контроллер 16, откуда управляющий сигнал поступает в П 17, где увеличивается частота и напряжение питания Д 4. В результате скорость

вращения Д 4 увеличивается до необходимой величины. При уменьшении скорости вращения ротора 10 информация об этом с датчиков 12 и 14 поступает в контроллер 16, управляющий сигнал от которого поступает, в П 18. В результате частота и напряжение питания на Д 8 изменяется так, что скорость вращения Д 8 увеличивается. 3 ип.

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для вращательного бурения. Цель изобретения - повышение КПД, использование установленной мощности при расширении режимных параметров машины. Бурильная машина содержит буровую штангу 1 с инструментом 2, жестко закрепленную на винте-шпинделе (ВШ) 3, автономные приводы вращения и подачи с асинхронными короткозамкнутыми двигателями (Д) 4,8, кинематически связанными с ВШ 3, дифференциально-винтовой механизм привода подачи с винтовой гайкой 11 и блок управления. При этом ВШ 3 охвачен втулкой 7 привода вращения, установленной на нем с возможностью осевого перемещения. Блок управления имеет контролер 16, связанный входами с датчиками скорости вращения 12,13 ВШ 3 и гайки 11, осевого усилия 14 и крутящего момента 15. Роторы 6,10 Д 4,8 установлены соосно и выполнены полыми. В полости ротора 6 установлена втулка 7, а в полости ротора 10 - гайка 11. Статоры 5,9 Д 4,8 жестко связаны с их корпусами. В выходную цепь контролера 16 введены частотные преобразователи (П) 17,18, через которые выходы контролера 16 электрически связаны со статорами 5,9. При возрастании на штанге 1 момента сопротивления скорость вращения ротора 6 уменьшается. Информация об этом с датчиков 12, 13 и 15 поступает в контролер 16, откуда управляющий сигнал поступает в П 17, где увеличивается частота и напряжение питания Д 4. В результате скорость вращения Д 4 увеличивается до необходимой величины. При уменьшении скорости вращения ротора 10 информация об этом с датчиков 12 и 14 поступает в контролер 16, управляющий сигнал от которого поступает в П 18. В результате частота и напряжение питания на Д 8 изменяется так, что скорость вращения Д 8 увеличивается. 3 ил.

Цзобретение относится к горной промышленности, в частности к бурильным машинам вращательного действия.

Цель изобретения - повышение КПД, использование установленной мощности при расширении режимных параметров машины.

На фиг.1 приведена комбинированная схема бурильной машины; на фиг.2 - регулировочная характеристика приводов при HCT const; на фиг.З - то же, при HCT var.

Бурильная машина включает буровую штангу 1 с интсрументом 2, жестко закрепленную на винте-шпинделе 3, автономные приводы вращения и подачи и блок управления. Привод вращения содержит асинхронный короткозамк нутый двигатель 4 с корпусом. Двигатель 4 имеет неподвижный статор 5 и ротор 6. Вал ротора 6 выполнен полым и в нем установлена жестко связанная с ним втулка 7, внутри которой установлен с возможностью осевого смещения посредством шпоночного соединения винт-шпиндель 3. Привод подачи содержит асинхронный ко- роткозамкнутый двигатель 8 с неподвижным статором 9, жестко связанным с корпусом и полым ротором 10, внутри которого установлена жестко связанная с ним винтовая гайка 11, образующая дифференциально-винтовой механизм с винтом-шпинделем 3.

Роторы 6 и 10 установлены соос- но. Бурильная машина снабжена датчиками 12 и 13 скорости вращения соответственно винта-шпинделя 3 и гайки 11, датчиками 14 осевого усилия и 15 крутящего момента. Блок управления содержит контроллер 16, входами связанной с датчиками 15, 14, 12 и 13, а выходами - через частотные преобразователи 17 и 18 соответственно со статорами 5 и 9 двигателей 4

0

5

0

5

0

5

0

5

и 8, Преобразователи частоты ТПЧ1 (17) и ТПЧ2 (18) в свою очередь связаны с силовой питающей сетью.

Соотношение мощности приводов подачи и вращения составляет 1:8. Соответственно, мощность преобразователей приводов составляет также 1:10.

Преобразователи частоты снабжены схемой аварийной защиты.

Устройство работает следующим образом.

Асинхронный двигатель 4 приводит во вращение шлицевую втулку 7 вала - ротора 6, в свою очередь вращающую винт-шпиндель 3, поступательное движение которого осуществляется через гайку 11 ротора 10 асинхронного двигателя 8 подачи. Удельная подача шпинделя формируется за счет разности скоростей вращения двигателей подачи 3 и врацения 4.

Текущая информация с датчиков 13 и 12 (Тг1, Тг2) скоростей вращения соответственно двигателей подачи и вращения, а также с датчиков крутящего момента 15 и осевого усилия 14 поступает в управляющее устройство - контроллер 16, где после обработки по заложенному в контроллер алгоритму оптимального управления согласно заданному или заданным критериям качества в виде управляющих сигналов поступает в частотные преобразователи 17 (ТПЧ1) и 18 (ТПЧ2), изменяющие частоту вращения асинхронных электродвигателей соответственно приводов вращения и подачи.

В режиме холостого хода осуществляется запуск привода вращения, затем через некоторый интервал времени включается привод подачи. При этом частота вращения ротора 10 привд- да подачи подстраивается таким образом, чтобы удельная подача

Wn - Ш6р О

wep- угловая

где ujn- угловая скорость привода подачи;

скорость привода вращения.

Режим бурения, т.е. скорость вращения и величина крутящего момента привода вращения, а также величина удельной подачи и осевого усилия вырабатываются управляющим устройством (контроллером) 16.

На основе заданного критерия качества управления оптимальной энергоемкости буримой среды обеспечивается максимальная производительность при максимуме КПД использования установленной мощности приводов. При изменении физико-механических свойств горных пород, износа инструмента, зашты- бовки штанги изменяются и нагрузки на инструмент, при этом осуществляется автоматический поиск и поддержание оптимального уровня режимов буре- ния.

Возрастание крутящего момента HP буровой штанге I момента сопротивления вращательного инструмента 2) приводит к уменьшению скорости вращения ротора 6 асинхронного двигателя 4. Информация с датчиков 12 скорости вращения штанги 1 и датчика 15 крутящего момента поступает в контрллер 16, где происходит обработка ее по заложенному алгоритму, после чего управляющий сигнал поступает в частотный преобразователь 17 (ТПЧ1), где увеличивается частота и напряжение питания асинхронного двигателя 4 в таком соотношении, что

U/B const (фиг.2),

где U - напряжение питания;

В - частота питающей сети.

В результате чего увеличивается скорость вращения асинхронного двигателя 4 до необходимой для данной по физико-механическим свойствам буримой среды. Асинхронным двигателем 8 подачи происходит передача к инструменту 2 на выбранной из семейства механической характеристики частотно-регулируемого привода необходимого крутящего момента.

Возрастание осевого усилия подачи штанги 1 по оси бурения приводит к уменьшению скорости вращения ротора 10 двигателя 8 подачи. Информа0

0

0

ния с датчика 12 скорости вр.ипенчя гайки, жестко связанной с ротором двигателя 8 подачи, и дачтика 4 осевого усилия поступает в контроллер 16, где происходит обработка го по заложенному алгоритму, юсло чего управляющий сигнал поступает на частотный преобразователь 18 (ТПЧ2). В результате частота и напряжение питания на двигателе изменяются в соотношении (фиг.З), в результате чего увеличивается скорость вращения асинхронного двигателя 8 пода- 5 чи до необходимой для данной по фн м- ко-механическим свойствам буримой среды и по кинематической цепи 7,3, II за счет разности скоростей вращения гайки 11 и винта-шпинделя 3 происходит передача к инструменту 2 необходимой удельной подачи и осевого усилия, регулируя тем самым толщину стружки, т.е. нагрузку на главный привод вращения.

3 процессе бурения при встрече с твердыми включениями, превышающими предельные энергетические возможности привода для их ратр шения срабатывает схема предельно-токовом защиты, происходит отвод инструмента от забоя, смена лгзвнйного инструмента на алмазный ипи комбинированный инструмент и переход на высокоскоростное бурение. Попадание ра0

0

5

5

0

5

бочего инструмента 2 в экстремальные условия, такие как попадание его в трещину, встреча с твердыми включениями, определяюцлми предельные энергетические возможности бурения данной машиной, предельный текущий износ, или аварийная поломка рабочего инструмента 2, уменьшает скорость подачи, увеличивается усилие подачи.

Так как основной преобразователь частоты (ТПЧ1) снабжен схемой защиты по предельной нагрузке, определяющей предельные энергетические возможности привода вращения, то это приводит к срабатыванию схемы защиты и к отключению двигателя 4 привода врлз(е- ния.

Тиристорный преобразователь частоты 18 (ТПЧ 2) привода подачи также снабжен схемой защиты, но ввиду того, что инерционность привода подачи на порядок ниже, чем инерционность привода вращения - из примерного соотношения их мощностей 1:10, то схема защиты привода подачи среагирует

1

быстрее, чем схема защиты привода вращения. Так ка полярность вращения винта-шпинделя 3 и гайки 11 противоположная, то при отключении привода подачи остановится гайка 11, а винт-шпиндель 3 будет вывинчиваться из нее и уводить от забоя рабочий инструмент 2,.

11

Так как скорость вращения винта- шпинделя 3 практически не оказывает влияния на величину реактивного усилия подачи, то режим подачи задается только частотным преобразователем 18 (ТПЧ2). На величину реактивного крутящего момента и осевого усилия оказывает существенное влияние удельная подача, износ рабочего инструмента 2, условия бурения (вынос выбуренной мелочи), физико-механические свойства бурения пород. Условием, определяющим начало объемного разрушения данной породы с рабочим инструментом 2,йвляется осевое усилие FOC

Изменяя удельную подачу при изменении физико-механических свойств бурения породы, осуществляют дозированное изменение нагрузки на привод вращения, добиваясь максимального КПД

и Иле

L р

гтотр

2

где Р- - полезная мощность;

Р Петр потребляемая мощность, на любой из выбранных, согласно заложенного алгоритма в контроллере, механических характеристик (фиг.2).

5

0

25

30

0

35

Формула, изобретения

Бурильная машина, включающая буровую штангу с инструментом, жестко закрепленную на винте-шпинделя, автономные приводы вращения и подачи с асинхронными короткозамкнутыми двигателями, кинематически связанными с винтом-шпинделем, дифференциально- винтовой механизм привода подачи с винтовой гайкой, втулку привода вращения, охватывающую винттшпиндель и установленную на нем с возможностью осевого перемещения, и блок управления, имеющий контроллер, связанный входами с датчиками скорости вращения шпинделя и винтовой гайки, осевого усилия и крутящего момента, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД, использования установленной мощности при расширении режимных параметров машины, роторы короткозамкнутых асинхронных двигателей установлены соосно и выполнены полыми, в полости ротора одного из двигателей установлена втулка привода вращения, а в полости ротора второго двигателя - винтовая гайка дифференциально-винтового механизма привода подачи, при этом статоры короткозамкнутых асинхронных двигателей жестко связаны с их корпусами, а в выходную цепь контроллера введены частотные преобразователи, через которые выходы контроллера электрически связаны со статорами короткозамкнутых асинхронных двигателей.

(t) JL cgnst fi

ь) 4, -const

ft

ь)0г

Цм

/

Нет const

Фиг. 2

/« У Ист-Ml