Система автоматического регулирования осевой нагрузки частоты вращения Советский патент 1992 года по МПК E21B44/00 

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к системам автоматического управления режимами бурения, и может быть использовано при бурении шпуров, скважин и восстающих выработок при гидравлической подаче бурового инструмента.

Известна система автоматического регулирования, принцип действия которой основан на естественном законе регулиро- вания осевого усилия на забой и нелинейной зависимости оборотов става от скорости проходки: Р fi(V); n f2(V). Она содержит датчик скорости бурения,тахоге- нератор, промежуточный магнитный усили- тель, электромагнитный усилитель, генератор, двигатель вращателя, гидравлический механизм подачи и регулируемый гидродроссель, установленный на подпоре гидравлического механизма подачи.

; Принцип работы системы заключается в том, что в результате изменения свойств буримых пород меняется механическая скорость бурения, При переходе с мягкой породы на твердую скорость бурения сни- жается. В результате этого сигнал с датчика скорости проходки (выход которого соединен со входом тахогенератора) уменьшается. Сигналы на выходе тахогенератора и промежуточного магнитного усилителя то- же уменьшаются. При этом выход тахогенератора соединен с входом промежуточного магнитного усилителя. Это приводит к уменьшению выходного сигнала с электромагнитного усилителя (вход которого связан с выходом промежуточного магнитного усилителя), а это, в свою очередь, приводит к уменьшению напряжения на зажимах генератора, к которым подключен двигатель бурового инструмента. В результате обороты двигателя и бурового става уменьшаются. Осевое усилие на забой при этом увеличивается. Это происходит потому, что сопротивление регулируемого гидродросселя пропорционально квадрату скорости буре- ния, а так как он установлен на подпоре

гидравлического механизма подачи, то подпор уменьшается, и, следовательно, увеличивается осевое усилие на забой.

При переходе рабочего органа с твердой породы на мягкую, картина меняется на противоположную. Скорость бурения возрастает, обороты става увеличиваются, а осевое усилие уменьшается,

Настройку системы на оптимальные режимы работы, отвечающие данным горногеологическим условиям, осуществляют изменением проходного сечения регулируемого гидродросселя и подбором нелинейного элемента характеристики обратной связи по величине оборотов става (например, промежуточный магнитный усилитель).

Недостатком этой системы является невозможность стабилизации мощности, расходуемой на бурение пород различной крепости, т.е. двигатель вращателя может работать с недогрузом, с перегрузом или в номинальном режиме.

В первом случае это приведет к уменьшению скорости бурения. Во втором - двигатель будет работать в режимах, близких к аварийным, что существенно снизит его надежность и коэффициент использования всего бурового станка.

Наиболее близким к предлагаемому является регулятор подачи буровой машины, автоматически поддерживающий предельно допустимое по прочности бурового инструмента осевое усилие на забой с одновременной стабилизацией мощности, расходуемой на разрушение пород различной крепости,

Регулятор содержит датчик забойных параметров (трансформатор тока, выпрямитель, датчик нагрузки, блок деления), формирующий информацию о состоянии забоя, Выходное напряжение с датчика забойных параметров, представляющее собой обобщенный показатель забоя, поступает на вход функционального преобразователя, который выбирает оптимальное (предельно допустимое по прочности бурового инструмента)усилие в виде напряжения уставки на вход сумматора. В последнем это напряжение сравнивается с напряжением обрат- ной связи, поступающим с выхода лётчика нагрузки. Рассогласование после сумма тора усиливается фазочувствительным усилителем и подается на обмотку управления исполнительного сервопривода. Последний изменяет усилие затяжки пружины переливного клапана, регулируя тем самым давление в гидроцилиндрах подачи и, следовательно, усилие подачи буровой машины. В зависимости от момента меняется и мощность, расходуемая на бурение, Поэтому-е целью ее стабилизации сигналы вы- прямитёля и тахогенератора поступают на входы множительного блока, выход которого пропорционален мощности, расходуемой на бурение. Сигнал с выхода множительного блока сравнивается в эле- менте сравнения с сигналом на выходе за- датчика мощности. Сигнал рассогласования с выхода элемента сравнения управляет работой преобразователя частоты, который изменяет частоту напряжения, питающего двигатель бурового инструмента и, следовательно, частоту вращения двигателя и бурового инструмента.

Следовательно, в функции момента, приложенного к буровому инструменту, per гулируется частота вращения последнего для стабилизации мощности, расходуемой на бурение пород различной крепости.

Недостатком этого устройства является повышенный износ бурового инструмента, так как осевое усилие на забое поддерживается на максимальном уровне, вне зависимости от крепости буримых пород. Регулирование частоты вращения бурового става осуществляется без учета крепости буримых пород, а только для стабилизации мощности, расходуемой на бурение, т.е. регулятор подачи буровой машины не в состоянии вести процесс бурения в оптимальном режиме сточки зрения износа бурового ин- етрумента.

Цель изобретения - повышение срока службы бурового инструмента путем поддержания на забое оптимальных для данной породы осевого усилия и частоты вращения бурового става с одновременной стабилизацией мощности, расходуемой на вращение рабочего органа.:

Указанная цель достигается тем, что известная система автоматического регулиро- вания осевой нагрузки и частоты вращения, содержащая гидроцилидры подачи, датчик тока, включенный в цепь двигателя бурового инструмента, два сумматора, тахогенера- тор двигателя вращения бурового

инструмента, множительный блок, задат- чик мощности на вращение рабочего органа, регулируемый источник питания двигателя вращения бурового инструмента и ограничитель по току и частоте вращения, причем выход тахогенератора соединен с вторым входом ограничителя (по частоте вращения) и с первым входом множительного блока, выход датчика тока соединен с первым входом ограничителя (по току) и с вторым входом множительного блока, а выход ограничителя по току и частоте вращения соединен с входом регулируемого источника питания, при этом выход множительного бл ока соединен с инвертирующим входом первого сумматора, выход задатчи- ка мощности на вращение рабочего органа соединен с неинвертирующим входом первого сумматора, снабжена регулируемым гидродросселем, датчиком скорости бурения, масштабным блоком и блоком элементов сравнения, выполненных с гистерезисом, выход первого сумматора соединен с входом Масштабного блока, выход последнего соединен с одним из входов второго сумматора, штоковые полости гидро- цилидров подачи соединены с входом регулируемого дросселя, а выход дросселя - с входом датчика скорости бурения, первый выход последнего соединен с другим входом второго сумматора, а второй выход - со сливом, выход дополнительного сумматора соединен с входом блока элементов сравнения, выполненных с гистерезисом, а его выход соединен с третьим входом ограничителя по току и частоте вращения.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием новых элементов и блоков: регулируемого гидродросселя, датчика скорости бурения, масштабного блока, блока элементов сравнения с гистерезисом и их связями с остальными элементами схемы. ,

На чертеже представлена блок-схема системы автоматического регулирования осевой нагрузки и частоты вращения.

Система имеет резервуар 1 для масла, насос 2 и гидроцилиндры 3 подачи, передающие усилие на буровой став 4. Вращение бурового става осуществляется через редуктор 5 электродвигателем 6. В цепь якоря двигателя 6 включен датчик 7 тока. Система имеет также множительный блок 8, тахогенератор 9, первый сумматор 10, регулируемый гидродроссель 11, датчик 12 скорости бурения, второй сумматор 13, блок 14 элементов сравнения с гистерезисом i ограничитель 15 по току и частоте вращс ния. Питание двигателя 6 осуществляется о

регулируемого источника 16 питания. Кроме того, система содержит задатчик 17 мощности и масштабный блок 18.

Выход датчика 7 тока подключен к второму входу блока 8 и к первому входу ограничителя 15 (по току). Вал тахогенератора 9 соединен с валом двигателя 6, а выход тахогенератора 9 - с первым входом блока 8 и вторым входом ограничителя 15 (по частоте вращения). Выход множительного блока 8 соединен с инвертирующим входом первого сумматора 10. Штоковые полости гидроцилиндров 3 соединены между собой и с входом регулируемого гидродросселя 11, а выход дросселя с входом датчика 12 скорости бурения. Первый выход датчика 12 соединен с одним из входов второго сумматора 13, а второй выход- со сливом. Выход второго сумматора 13 соединен с входом блока 14 элементов сравнения с гистерезисом, Выход последнего соединен с третьим входом ограничителя 15 по току и частоте вращения, а выход ограничителя 15 соединен с входом регулируемого источника 16 питания двигателя вращения. Выход задатчика 17 мощности соединен с неинвертйрующим. входом первого сумматора 10, а выход последнего подключен к входу масштабного блока 18. Выход блока 18 соединен с другим входом второго сумматора 13.

Система автоматического регулирования осевой нагрузки и частоты вращения работает следующим образом.

До начала бурения гидродроссель 11 устанавливают в зоне его чувствительности в положение, обеспечивающее стабилизацию на забое максимально допустимой мощности на вращение породоразрушаю- щего органа для заданного диапазона крепости пород, исходя из номинальной мощности двигателя 6 вращателя.

Положение гидродросселя 11 выбирается экспериментальным путем. Задатчиком 17 задают мощность, идущую на вращение рабочего органа, исходя из номинальной мощности двигателя 6.

При изменении крепости буримых пород меняется скорость .бурения и падение давления на регулируемом гидродросселе И. Следовательно изменяется осевое усилие на забой и величина сигнала на выходе датчика 12 скорости бурения. Так как сигнал на выходе датчика 12 является задатчиком числа оборотов двигателя 6, то изменится и частота вращения бурового става 4.

При переходе с мягкой породы на твер. дую скорость бурения снижается, а вместе

с ней и падение давления на гидродросселе

11, Следовательно, осевое усилие возрастает. Сигнал с датчика 12 уменьшается. Уменьшается и частота вращения бурового става.

При обратном переходе скорость бурения и частота вращения бурового става возрастают, а осевое усилие уменьшается, т.е. система регулирует по оптимальным зависимостям величину осевого усилия и частоту вращения бурового инструмента при изме0 нении крепостей буримых пород.

Для стабилизации мощности, расходуемой на вращение, сигнал с датчика 7 тока поступает на второй вход множительного блока 8. От тахогенератора 9 сигнал, про5 порциональный частоте вращения двигателя 6, поступает на первый вход блока 8. С выхода последнего сигнал, пропорциональный мощности, расходуемой на вращение, подается на инвертирующий вход первого

0 сумматора 10, где сравнивается с сигналом от задатчика 17 мощности, Если сигнал на выходе блока 8 больше сигнала задатчика 17 (двигатель 6 работает с перегрузом), то величина рассогласования на выходе сумма5 Тора 10 будет отрицательной. Затем, проходя масштабный блок 18, этот сигнал поступает на один из входов второго сумматора 13. Здесь он вычитается из сигнала с датчика 12. Поэтому сигнал, поступаю0 щий на источник 16 питания через блоки 14 и 15 уменьшается. Частота вращения двигателя 6 будет уменьшаться до тех пор, пока сигнал на выходе блока 8 не сравняется с сигналом задатчика 17. В случае, если

5 сигнал на выходе блока 8 станет меньше сигнала задатчика 17, частота вращения двигателя 6 начнет возрастать до тех пор, пока эти сигналы не сравняются.

Для обеспечения устойчивости системы

0 автоматического управления элементы сравнения, входящие в блок 14, выполнены с гистерезисом. Поэтому изменение сигнала на выходе блока 14 элементов сравнения будет только в случае, если сигнал на входе

5 блока 14 выйдет из области гистерезиса соответствующего элемента сравнения.

Таким образом, предлагаемая .система обеспечивает оптимальные частоту вращения рабочего органа и осевое усилие на за0 бой при изменении крепости пород с одновременной стабилизацией мощности, расходуемой на вращение рабочего органа, посредством изменения частоты его вращения,5

Формула изобретения Система автоматического регулирования осевой нагрузки и частоты вращения, содержащая источник питания двигателя вращения бурового инструмента, тахогене

ратор и датчик тока двигателя вращения бу-сом, при этом штоковые полости гидроцирового инструмента, выходы которых соеди-линдров подачи соединены с входом регулинены с соответствующими входамируёмого гидродросселя, выход которого

ограничителя по току и частоте вращения ичерез датчик скорости бурения соединен с

множительного блока, выходы множитель-5 первым входом второго сумматора, выход

ного блока и задатчика скорости подклю-первого сумматора через масштабный

чены соответственно к первому и второмублок подключен к второму входу второго

входам первого сумматора, а также второйсумматора, выход которого через блркэлесумматор, о т ли ч а ю щ а я с я тем, что,ментов сравнения с гистерезисом соедис целью повышения срока службы бурово-10 йен с третьим входом ограничителя по

го инструмента, система снабжена регули-току и частоте вращения, выход которого

руемым гидродросселем, датчикомподключен к входу регулируемого источнискорости бурения, масштабным блоком ика питания двигателя вращения бурового

блоком элементов сравнения с гистерези-инструмента.

Изобретение относится к бурению и позволяет повысить срок службы бурового инструмента, ГГри изменении крепости бурильных пород меняется падение давления на регулируемом гидродросселб 11 и скорость бурения. Это приводит к измене- имю рсевой нагрузки на забой и величины сигнала нз, выходе датчика 12 скорости бурения. Этот сигнал через второй сумматор 13, блок 14 элементов сравнения с гистерезисом и через ограничитель 15 по току и частоте вращения поступает на вход регулируемого источника 16 питания двигателя 6 вращения бурового инструмента. Это при