Гидропривод вращательно-подающего механизма бурильной машины Советский патент 1990 года по МПК E21B44/02 E21B19/86 

Г

7-; ; i;n 7

ж

ffoffava

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к гидроприводам вращательно-подающих механизмов бурильных машин. Цель - повышение производительности механизма за счет повышения точности поддержания заданного режима работы гидропривода. Гидропривод вращательно-подающего механизма содержит гидромотор /ГМ/ 5 привода вращения, гидроцилиндр 6 подачи, насос 2, регулируемый дроссель 9, регулятор 10 потока и нормально открытый клапан (К) 12 разности давлений. Напорная магистраль (НМ) 3 насоса 2 сообщена со штоковой полостью 8 гидроцилиндра 6. Вход ГМ 5 связан с НМ 3 через дроссель 9. Поршневая полость 7 гидроцилиндра 6 через регулятор 10 потока связана с НМ 3, а через К 12 - со сливной магистралью 4. Полости управления К 12 сообщены соответственно с входом и выходом дросселя 9. При изменении нагрузки на ГМ 5 изменяется давление в НМ 3 и как следствие расход рабочей жидкости через К 12 и скорость подачи. В результате изменяется также расход рабочей жидкости, поступающей из штоковой полости 8 гидроцилиндра 6 в НМ3. ЭТО УМЕНЬШАЕТ ДИАПАЗОН КОЛЕБАНИЯ ПОДАЧИ НАСОСА 2 В ПЕРЕХОДНОМ РЕЖИМЕ И ВРЕМЯ ПЕРЕХОДНОГО ПРОЦЕССА. 3 ИЛ.

L.

:-iij

; Изобретение относится к горной Ьромьшленности, а именно к гидроприводам вращательно-подающих механиз- ов бурильных машино

Цель из.обретения - увеличение про- зврдительности вращательно-подаю- щего механизма за счет повышения точности поддержания заданного режима |работы гидроприводао На фиго1 приведены основные элементы и линии связи предлагаемого гидропривода, обеспечивающие процесс бурения с автоматическим регулированием режима подачи, поддерживающего постоянным момент и частоту вращения инструмента; на фиг,2 и 3 - примеры выполнения предпагаемой конструкции гидропривода применительно к бурильной машине, содержащие дополнительные элементы для выполнения необходимых вспомогательных операций,.

Гидропривод вращательно-подающего механизма содержит .гидробак 1, лируемый насос 2 постоянного давле- , ния, напорную 3 и сливную 4 магистрали, гидромотор 5 вращения инструмента, гидроцилиидр 6 с поршневой 7 и штоковой 8 рабочими полостями, ре- гулируемьм дроссель 9, установлен- jg ный последовательно с гидромотором 5, регулятор 10 потокэ (дроссель с регулятором) , установленный на входе в поршневую полость 7 гидроцилиндра 6 подачи, отдельную гидролинию 11, сообщаюшую поршневую полость 7 гидроцилиндра подачи.6 со сливной магистралью 4, двухлинейный нормально открытый пружинный гидроклапан 12 раз18 и 19 и обратный гидроклапан 20 на отводе 18о После гидроклапана 20 отвод 18 разветвляется на отвод 21, . ведущий к входу регулируемого дросселя 9 через дроссель 22, и отвод 23, ведущий через еще один четырехлинейный двухпозиционный гидрораспределитель 24, а именно через его подвод

4Q 25 и отвод 26 - к штоковой полости 8 гидроцилиндра 6 подачи Отвод 19 через другой подвод 27 гидрораспределителя 24 и отвод 28 сообщен с точкой 29 разветвления гидролнний ка 29 сообщена гидролинией 30 с входом регулируемого дросселя 9, причем на гйдролинии 30 установлен обратный гидроклапан 31о Кроме того, точка 29 сообщена гидролинией 32 с поршневой по20 лостью 7 гидроцилиндра 6 подачи,причем на гидролинии 32 установлен регулятор 10 потокавПары гидролиний подвод- отвод гидрораспределителя 24 сообщены об водными гидррлиниями 33 (для пары 27и

25 28) и 34 (дляпары 25 и 26) с установленными на них дросселями 35 и 36 соответст венное Предохранительный гидро1слапан 37 является аварийным, .

Гидропривод(по /фиг.З) отличается от гидропривода (по )наличием трехлинейного трехпозиционного гидрораспределителя 38 с двумя отводами 39 и 40. Отвод 39 разветвляется на гидролинию 41, сообщенную через дроссель 42 с входом регулируемого дросселя 9, и гидролинию 43, сообщенную со штоковой полостью 8 гидроцилиндра 6 подачи, Отвбд 40 так же, как и отГсГи е Г„„ Г::а„ ;;;;вр е„: „,з„„ Ъ г,. ра,ве.„яе.ся . .оч- ности длвлсгиги Mi ,0 Г.МПППЛИНИ1П 30 с обратным

циального давления) с полостями 13 и 14 управления (пружинная) ,,-гидролинии 15 и 16 управления, сообщающие соответственно полости 13 и 14 управления с выходом и входом регулируемого дросселя 9о Штоковая полость 8 гидроцш1инд1)а 6 подачи постоянно сообщена с напорной гидролинией 3 и входом гидромотора 5, Регу- лируемьй дроссель 9 (фиг«1) может быть установлен не перед входом гидромотора 5, а за его выходом, на сливной гидролиниио

Гидромотор нереверсивный, так как реверс гидромотора не требуется по технологии работы бурильной машины. Гидропривод (фиг«2) содержит трехпо- зиционный четырехлинейный гидрорас- пределитель 17 с рабочими отво.г;ами. .

ке 29 на гидролинию 30 с обратным гидроклапаном 31 и гидролинию 32 с регулятором 10 потокаб Гидролиния 41 за дросселем 42 и гидролиния 40 снабжены гидролинией 44 с установлен ным на ней дросселем 45 о В конструкции имеется также двухлинейный двухпозиционный гидрораспределитель 46 на гидролинии 47, сообщагацей поршневую полость 7 гидроцилиндра подачи 6 со сливной магистралью 4о Пщро- элементы 11 - 16 идентич1Ш показанным на фигл2.

Во всех выполнениях конструкции штоковая полость 8 гидроцилиндра 6 подачи постоянно сообщена с входом регулируемого дросселя 9

Гидропривод работает следующим образом

50

55

g 18 и 19 и обратный гидроклапан 20 на отводе 18о После гидроклапана 20 отвод 18 разветвляется на отвод 21, . ведущий к входу регулируемого дросселя 9 через дроссель 22, и отвод 23, ведущий через еще один четырехлинейный двухпозиционный гидрораспределитель 24, а именно через его подвод

25 и отвод 26 - к штоковой полости 8 гидроцилиндра 6 подачи Отвод 19 через другой подвод 27 гидрораспределителя 24 и отвод 28 сообщен с точкой 29 разветвления гидролнний Точ5 ка 29 сообщена гидролинией 30 с входом регулируемого дросселя 9, причем на гйдролинии 30 установлен обратный гидроклапан 31о Кроме того, точка 29 сообщена гидролинией 32 с поршневой по0 лостью 7 гидроцилиндра 6 подачи,причем на гидролинии 32 установлен регулятор 10 потокавПары гидролиний подвод- отвод гидрораспределителя 24 сообщены обводными гидррлиниями 33 (для пары 27и

5 28) и 34 (дляпары 25 и 26) с установленными на них дросселями 35 и 36 соответственное Предохранительный гидро1слапан 37 является аварийным, .

Гидропривод(по /фиг.З) отличается от гидропривода (по )наличием трехлинейного трехпозиционного гидрораспределителя 38 с двумя отводами 39 и 40. Отвод 39 разветвляется на гидролинию 41, сообщенную через дроссель 42 с входом регулируемого дросселя 9, и гидролинию 43, сообщенную со штоковой полостью 8 гидроцилиндра 6 подачи, Отвбд 40 так же, как и отз„„ Ъ г,. ра,ве.„яе.ся . .оч- Г.МПППЛИНИ1П 30 с обратным

з„„ Ъ г,. ра,ве.„яе.ся . .оч- Г.МПППЛИНИ1П 30 с обратным

ке 29 на гидролинию 30 с обратным гидроклапаном 31 и гидролинию 32 с регулятором 10 потокаб Гидролиния 41 за дросселем 42 и гидролиния 40 снабжены гидролинией 44 с установленным на ней дросселем 45 о В конструкции имеется также двухлинейный двухпозиционный гидрораспределитель 46 на гидролинии 47, сообщагацей поршневую полость 7 гидроцилиндра подачи 6 со сливной магистралью 4о Пщро- элементы 11 - 16 идентич1Ш показанным на фигл2.

Во всех выполнениях конструкции штоковая полость 8 гидроцилиндра 6 подачи постоянно сообщена с входом регулируемого дросселя 9

Гидропривод работает следующим образом

10

15

20

25

1587186

о Насос 2 устроен таким образом, что при отсутствии давления в напорной полости гидропривода он обеспечивает максимальную подачуо При повышении давления сберх определенного значения (выше давления настройки или точки перегиб.а расходной характеристики насоса) подача насоса снижается до нуля, зависимость ее от давления практически линейная и изменение давления от точки перегиба характеристики до максимального значения .является -незначительным. При давлении от действия нагрузки на гидромотор 5, меньшем давления н стройки, подача насоса 2 является практически постоянной и равной максимальному значению

При подаче инструмента на забой (бурении, например) шток гидроцилиндра 6 подачи выдвигаетсяо В этом случае сила, создаваемая давлением в поршневой полости 7 на поршень, больше силы от давления в штоковой полости 8о Давление в штоковой полости 8 равно давлению в напорной магистра- ли 3, Тоео практически постоянновПри уменьшении давления в поршневой полости 7 ниже определенного уровня, которое назовем критическим давлением, сила на шток от давления со стороны поршневой полости 7 становится меньшей, чем противоположная сила (от давления в штоковой полости 8), и шток начинает.втягиваться, т„е„ отводить инструмент от забоя„

Регулятор 10 потока настраивается при наладке гидропривода на макимально необходимый расход для осуествления подачи с максимальной скоостью Обычно этот максимальный расод составляет 5-15% от потока жидкоти, необходимого для вращения гидомотора 5, В дальнейшем настройка егулятора 10 потока и, следовательо, пропускаемый через него поток идкости не изменяется о Максимально озможное давле ше в поршневой поости 7 практически равно давлению напорной магистрали 3, отличаясь т него на 0,3 - 9,5 МПа - величину отерь давления в регуляторе 10 по- OKaj максимальное давление близко к авлению в сливной магистрали 4о

Рабочая площадь со стороны штокоой полости 8 гидроцилиндра 6 подачи ыбирается из условия создания достаочного усилия при .отводе инструменло н о м з в ма шо но пе ще да

ва Пр да ма ма но но j ре от па се те по жид и

гид нач нию |лич вии Уве

30

35

40

50

55

10

15

20

25

87186

та от забояо Обычно оно в 2-4 раза меньше максимального усилия подачи, поэтому рабочая площадь штоковой полости меньше рабо-чей площади поршневой полости в 3 - 5 раз о Соответственно, меньшими в сравнении с пото- ком жидкости через регулятор 10 потока являются максимальные потоки жидкости, вытесняемые из штоковой полости 8 в напорную магистраль 3 в процессе бурения при подачи инструмента на забой и поступающие в што- ковую полость из напорной магистрали при отводе инструмента в процессе автоматического режима бурения Эти потоки жидкости определяют колебание расхода через гидромотор 5 при неизменной подаче насоса 2

Давление в поршневой полости 7, а следовательно, направление и скорость движения инструмента регулируются гидроклапаном 12 разности дав- ленийо Гидроклапан является нормально открытым, Тоео при отсутствии давления проход через клапан полностью открыт. При росте перепада давления между полостями 14 и 13 управления затвор гидроклапана начинает перекрывать дросселирующую щель в сливную магистраль 4 и при достаточно большом значении перепада давления (обычно 0,5-0,8 МПа) может полностью ее перекрыть Уменьшение дросселирующей щели ведет к увеличению скорости подачи инструмента

Процесс автоматического регулирования состоит в следующем (фиг,1) При установившемся режиме работы, коггч да скорость подачи инструмента меньше максимальной (какая-то средняя оптимальная величина), давление в напорной магистрали З близко к максимальному давлению насоса 2, Сливаемый че- j рез гидроклапан 12 поток жидкости отличен от нуля и огфеделяется перепадом давлений на регулируемом дрос- селе 9, настройкой пруясины и характеристикой гидроклапана 12. Скорость подачи определяется разностью расхода жидкости через регулятор 10 потока и гидроклапан 12

Снижение нагрузочного момента на гидромоторе 5 по сравнению с первоначальным значением приводит к снижению давления у входа насоса 2 и уве- |личению подачи .насоса 2 в соответствии с его расходной характеристикой, Увеличение потока жидкости через ре30

35

40

50

5

1гулируемый дроссель 9 повьшает перепад давления на нем, затвор гидрокла- jnaHa 12 прикрывает дросселирующую 1щель в сливную магистраль А, скорость |и усиление подачи инструмента увелит чиваются до тех пор, пока момент на ;|гидромоторе не возрастет до нового установившегося значения, близкого к первоначальному При этом, так как Iдроссельная щель гидроклапана 12 прикрыта больше чем вначале, перепад дав ления и пропускаемый поток жидкости на регулируемом дросселе 9) должен быть, соответственно, чуть большим, чем первоначальныйо

Увеличение скорости подачи инструмента увеличивает поток жидкости, который вытесняется из штоковой подлости 8 гидроцилиндра 6 и добавляется к части подачи насоса, проходящей через регулируемый дроссель 9, т.е изменение подачи.насоса 2 для получения нового установившегося режима подачи инструмента может быть значительно уменьшено за счет подбора параметров гидродилиндра 6 подачи, настройки регулятора 10 потока регулируемого дросселя 9 и гидроклапаяа 12о

Уменьшение необходимого изменения колебания подачи jiacoca 2 в процессе регулирования повьш1ает устойчивость процесса, так как из-за различия в быстродействии гидроцилиндра 6 с инструментом и регулятора подачи насоса 2 имеется перерегулирование по моменту на гидромоторе 5,и, как следствие, повьш1ение колебательности системы. Применение предложенного гидропривода уменьшает время переходного : процесса, повьшает эффективность системы (улучшаются показатели надежности, повышается производительность машины, в которой использован гидропривод)

Повышение нагрузочного момента на гидромоторе 5 по сравнению с первоначальным значением ведет к увеличению давления на выходе иасоса 2 и, соответственно, к уменьшению потока жидкости через дроссель , к увеличению дросселирующей щели в гидро- кпапане 12, уменьшению скорости подачи инструмента и соответствующему уменьшению нагрузочного момента на гидромоторе 5 до значения, близкого .первоначальному (несколько большего первоначального). И в этом случае н

обходимое снижение перепада давления на дросселе 9 частично обеспечивается уменьшением потока жидкости, вытесняемого из гидроцилиндра 6 подачи. Колебание необходимого изменения подачи насоса 2 в этом случае меньше, ieM в известных устройствах Соответственно меньшими являются описанные негативные явления в процессе регулирования, повьш1ается устойчивость и эффективность системы

В случае, если снижение скорости подачи не уме:ньшает нагрузочный мо5 мент на гидромоторе 5, может произойти остановка-подачи инструмента (в этом случае в поршневой полости 7 гидроцилиндра 6 критическое давление) или даже реверс его, что ведет к не0 обходимому снижению нагрузочного момента после проработки материала в скважине (забое)

5

Гидроприводы ( фиг о 2 и 3) обеспе- 5 чивают автоматический режим бурения, забуривание, быстрый реверс (отвод инструмента от забоя) и режим Стоп о При забурива нии скорость подачи должна быть в 3 - 6 раз меньше максималь- Q ной, часто.та вращения инструмента

также меньше в 2-4 раза При реверсе скорость отвода инструмента должна быть в 2 - 4 раза больше максимальной скорости подачи, при этом должно сохраняться вращение инструмента в ту же сторону, что и при бурении, но с меньшей частотой, такой же как и при забуривании

В конструкции (фиго2) режим Стоп дд обеспечивается при средней позиции гидрораспределителя 17, В режимах Бурение и Забуривание гидрораспределитель 17 установлен в правую позицию (пoтokи жидкости направлены дс так, как показано на правой клетке изображения гидрораспределителя 17)о.

Гидрораспределитель 24 в режиме Бурение установлен в позицию, указанную на фиг.2, Рабочая жидкость от насоса 2 поступает к точке 29, там поток делится, часть потока идет через регулятор 10 потока, основная часть потока поступает через дроссель 9 в гидромотор 5, Из штоковой полости 8 жидкость поступает к регулируемому дросселю 9 через дросссель 22, Гидроклапан 20 предотвращает слив жидкости в сливную магистраль 4 через гидрораспредёлитель 17о

55

При режиме Забуривалие гидрорапределитель 24 переводится в другую позицию, поступлешш жидкости к точ ке 29 и из штоковой полости 8 происходит через дроссели 35 и 36 соот- . ветс., что сщгжает значение потоков жидкости и обеспечивает необходимые скорости подачи и вращения инструмента. Здесь также обеспечива ется режим автоматического поддержания момента и частоты вращения гидромотора, линия 16 управления гидроклапана 12 сообщена с входом дросселя 35, и необходимый перепад дав- ления для срабатывания гидроклапана 12 обеспечивается при значительно меньшем расходе через гидромотор 5 главным образом за счет перепада давления на дросселе 35о (При режиме Бурение перепад давления на дросселе 35 незначителен, давление на входе дросселя 35 практически равно давлению в точке 29)о

При режиме Быстрый реверс гидрораспределитель I7 установлен в левую позицию, гидрораспределитель 24 находится в той же позиции , что и при бурении. Подача насоса 2 поступает через гидооклапан 20 свободно в штоковую полость 8 и через дроссель 22 - к гидромотору 5, При этом расход через гидромотор 5 уменьшен Гидроклапан 31 предотвращает поступление подачи насоса 2 к регулятору 10 потока, вход которого сообщен со сливом через гидрораспределитель 17, }Кидкость, вытесняемая из поршневой полости 7, поступает в сливную магистраль 4 через гидроклапан 12, который открыт, и через обратный гидро- loianaH регулятора 10 потока

Режим Бурение (фиг.З) осуществляется при правой позиции гидрораспределителя 38, при левой позиции

6

10

идрораспределителя 38 осуществляются режимы Забуривание и Реверс, При этом во время режима Реверс гидрораспределитель 46 установлен в иную позицию, -чем показано на фиг.З; При режиме Забуривание подача насоса 2 определяется сечением дросселя 42, расход через регулятор 10 потока определяется сечением дросселя 45. При режиме Реверс частота вращения гидромотора 5 определяется сечением дросселей 42 и 45, при необходимости снизить скорость отвода инструмента от забоя последовательно с гидрораспределителем 46 (на гидролинии 47) должен быть установлен дроссель (не показан).

Формула из обретения

Гидропривод вращательно-подающе- го механизма бурильной машины, включающий гидромотор привода вращения, вход которого связан с напорной магистралью, а выход - со сливной магистралью, и гидроцилиндр подачи с поршневой и штоковой полостями, регулируемый дроссель, о т л и.ч а ю- Щ и и с я тем, что, с целью увеличения производительности механизма за счет повышения точности поддержа1шя заданного режима работы гидропривода, он снабжен регулятором потока, нормально открытым клапаном разности давлений, причем напорная магистраль сообщена со штоковой полостью гидроцилиндра и связана через дроссель с входом гидромотора, а через регулятор потока - с поршневой полостью гидроцилиндра, связанной со сливной магистралью через нормально открытый клапан разности давлений, полости управления которого сообще- нь1 соответственно с входом и выхоом дросселя.