автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электромеханический преобразователь для бурового снаряда на грузонесущем кабеле

/ Б ОД ц дьК 1998

На правах рукописи

Шкурко Олег Александрович

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ БУРОВОГО СНАРЯДА НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ

КАБЕЛЕ

Специальность 05.09.03 — Электротехнические комплексы

и системы, включая их управление и регулирование, 05.15.14 - Технология и техника геологоразведочных работ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном институте им.Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель:

доктор технических наук профессор А.Е.Козярук

Официальные оппоненты-.

доктор технических наук профессор И.Г.Ефимов,

кандидат технических наук доцент Н.В.Нефедова

Ведущее предприятие: Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт методики и техники разведки» (ВИТР)

Защита диссертации состоится 23 декабря 1998 г. в 15 ч 15 мин на заседании диссертационного Совета К.063.15.04 в Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В.Плеханова по адресу: 199026 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 1201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 20 ноября 1998 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного Совета доцент

Б.Г.АНИСКИН

Актуальность работы

Одним из основных методов проведения поисков и разведки месторождений на твердые полезные ископаемые является алмазное колонковое бурение Есть все основания искать первоочередные резервы повышения производительности и качества геологоразведочных работ именно в этой области.

При прочих равных условиях скорость алмазного бурения прямо пропорциональна частоте вращения бурового снаряда вплоть до 3000 об/мин. Однако, при современной схеме колонкового бурения с приводом бурильного вала от вращателя станка (т. е. без применения забойного двигателя) реализация столь высоких оборотов на практике разведочного бурения, тем более на большие глубины, полностью исключена. Причина заключается в высоких вибрациях, неизбежно возникающих при высокой частоте вращения длинного тонкого вала, каким является бурильная колонна.

Разработанные и освоенные на практике способы борьбы с вибрациями - смазка бурильной колонны, применение эмульсионных промывочных жидкостей, легкосплавных бурильных труб, сбалансированных бурильных труб точного изготовления, амортизаторов и др. - не решают данной проблемы коренным образом, лишь несколько расширяют область применения высоких скоростей при алмазном бурении.

По результатам неоднократно повторявшихся стендовых экспериментов и существующим теоретическим оценкам за счет повышения частоты вращения алмазного породораз-рушающего инструмента имеется принципиальная возможность повысить механическую скорость и производительность алмазного бурения по крайней мере в 2-3 раза, что реально достижимо только с применением высокооборотного приза-бойного двигателя.

Сочетание технических, технологических и организационных преимуществ применения забойного двигателя при алмазном бурении дает возможность существенного повышения производительности и снижения себестоимости буровых работ даже без учета вполне реального при этом резкого повышения механической скорости и проходки за рейс.

Вопросам разработки буровых снарядов с призабойным двигателем на грузонесущем кабеле посвящены работы Б. Б. Кудряшова, Н. И. Васильева, Г. К. Степанова, П. Г. Тала-лая, В. В Уфаева, В. Ф. Фисенко, В. К. Чистякова, D. Е Garfield, Н. Ueda, W. I. Hansen и др.

Однако до настоящего времени отсутствуют конструкции высокоскоростных буровых снарядов с призабойными двигателями для проходки скважин в твердых породах. Поэтому создание призабойных электромеханических буровых снарядов на грузонесущем кабеле является весьма актуальной проблемой и требует научного решения, чему и посвящена настоящая работа.

Цель работы: научное обоснование и разработка электромеханического бурового снаряда на грузонесущем кабеле с возвратно-вращательным движением рабочего органа.

Основная идея работы состоит в создании динамически уравновешенного электромеханического бурового снаряда с двигателем возвратно-вращательного действия, не требующего специальных устройств, воспринимающих реактивный момент, возникающий при работе.

Основные задачи исследований:

- анализ и обоснование необходимости создания электромеханического снаряда на грузонесущем кабеле;

- разработка конструкции бурового снаряда;

- разработка расчетной модели бурового снаряда;

- разработка математической модели снаряда;

- математическое моделирование привода возвратно-вращательного движения;

- разработка экспериментальной установки;

- проведение эксперимента;

- разработка методики расчета электромеханического снаряда.

Методика исследований. Решение поставленных задач осуществлялось комплексным методом, сочетающим в себе элементы математического анализа с экспериментальными исследованиями.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается применением современной методологии системного анализа, корректным использованием применяемых математических методов, достаточным объемом исходной информации по объекту исследования.

Научная новизна результатов работы заключается в получении аналитической зависимости между технологическими параметрами бурения и основными параметрами электромеханического преобразователя с возвратно-вращательным движением исполнительного органа.

Практическая ценность работы состоит в разработке конструктивной схемы бурового снаряда и методики выбора его параметров.

Апробация диссертационной работы. Основное содержание диссертации докладывалось на ежегодных научных конференциях молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение" (1996, 97 гг.), были рассмотрены на меж-

дународном симпозиуме "Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология" в рамках IV Международного Форума "Минеральные ресурсы стран СНГ" (1996 г.), на научно-техническом семинаре "75 лет отечественной школы электропривода" (1997г.), а также молодежной научной конференции в рамках 26й недели науки СПбГТУ (1998г.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 7 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов и списка литературы из 68 наименований и содержит 21 рисунок и 3 таблицы.

В первой главе приводится анализ существующих систем бурения скважин, используемых для привода исполнительного органа двигателей, рассмотрены конструкции буровых снарядов на грузонесущем кабеле, проведен краткий анализ их преимуществ и недостатков, сформулированы задачи исследований.

Во второй главе разработана и исследована математическая модель электромеханического преобразователя, приведены рекомендации по разработке конструкции бурового снаряда, приведены результаты математического моделирования процессов на ПЭВМ.

В третьей главе рассмотрена возможные рациональные структурные схемы системы питания и системы автоматического управления возвратно-вращательного преобразователя для бурового снаряда.

В четвертой главе приводится описание экспериментальной установки, методики проведения и результаты эксперимента.

В заключении приводятся общие выводы и рекомендации.

Содержание работы

Основные результаты работы отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Амплитуды колебаний коронки и тока на резонансной частоте электромеханического преобразователя с разомкнутой системой управления определяются отношениями угловых частот вращения идеального холостого хода двигателя к резонансной системы, моментов номинального двигателя к сопротивлению на коронке, момента инерции статорной части к сумме моментов инерции движущихся частей снаряда и номинальным скольжением.

Буровой снаряд представляет собой двухмассовую электромеханическую систему, совершающую возвратно-вращательные движения вокруг оси скважины на резонансной частоте механической системы. Эта система включает в себя ротор с обмоткой возбуждения электромеханического преобразователя электрической энергии в колебательные углопово-ротные движения, упругий элемент (торсион), корпус с кабельным замком, условно названный статор электромеханического преобразователя, колонковую трубу и коронку. Электроэнергию снаряд получает по грузонесущему кабелю. Жестко соединенные между собой и представляющие одну массу ротор, колонковая труба и коронка кинематически связаны со второй массой, состоящей из корпуса, статора через упругий элемент. При подаче на электромеханический преобразователь синусоидального напряжения с частотой, равной частоте собственных колебаний указанных масс на торсионе, последние совершают угловые колебания на резонансной частоте. При этом, двигаясь в противоположных направлениях, углы пово-

рота масс получат значения, обратно пропорциональные их моментам инерции, т. е. чем больше момент инерции соответствующей массы по отношению к другой, тем меньше угол поворота ее по сравнению с углом поворота второй массы. Давление на забой, а, следовательно, и момент на коронке определяется общей массой снаряда. В качестве движителя могут быть применены двигатели постоянного тока, а также двух- или трехфазный асинхронный или синхронный двигатели.

В качестве породоразрушающего инструмента могут быть использованы твердосплавные и алмазные коронки.

К достоинствам предлагаемого бурового снаряда можно отнести следующее.

1. Возможность получения предельно допустимых средних линейных скоростей резания.

2. Реализация знакопеременных напряжений на разрушаемом забое, что благотворно влияет на эффективность разрушения пород.

3. Большие механическая и рейсовая скорости бурения по сравнению с таковыми при традиционном способе бурения.

4. Существенно меньшие металлоемкость бурового комплекса, а также энергоемкость процесса бурения.

5. Высокая.мобильность бурового комплекса.

6. Отсутствие комплекса оборудования для промывки (продувки) скважины.

7. Меньшая трудоемкость процесса бурения.

Предлагаемый буровой снаряд может.найти достаточно

широкое применение, например, в следующих областях.

1. При взятии проб грунтов со дна Мирового океана на больших глубинах, т. к. он динамически уравновешен и не требует специальных удерживающих устройств;

2. При бурении гидрогеологических скважин диаметром 132-152 мм, потребность в которых в РФ велика;

3. При бурении ледников, а также при проходке контакта ледника с подстилающими породами;

4. При бурении из глубоководных аппаратов;

5. При бурении горизонтальных коммуникационных скважин в городских условиях;

6. При ремонтных работах на нефтяных и газовых скважинах и т. д.

Анализ процессов может быть выполнен с использованием расчетной динамической схемы, представленной на рис. 1. Здесь массы корпуса и статора представлены приведенным моментом инерции Ji, массы ротора, колонковой трубы с коронкой - приведенным моментом инерции J?. Упругий элемент (торсион) представлен невесомым валом, длиной 1, А-А - узловое сечение. Под действием момента электромеханического преобразователя Mi=M2=M масса с моментом инерции J¡ перемещается в направлении действия момента М на угол Фь отсчитываемый в неподвижной системе координат, связанной с Землей. Под действием этого же момента М масса J2 поворачивается на угол ф2 в противоположном направлении. Со стороны упругого элемента (торсиона) на массы Ji и J? действуют упругие моменты Mi2=M2i, которые определяются коэффициентом жесткости и углом закручивания торсиона ф=ф2-фь Со стороны коронки на массу J2 действует момент сопротивления Мс.

При анализе работе в качестве движителя принята машина постоянного тока с независимым возбуждением. В этом случае уравнения движения электромеханической системы получают вид:

.Т,Ф;'~с(Ф2 -Ф!> = -км1 • J2q>2+c(q>2-ф,) = км1-Мс , (1)

Li'+iR + ke<í>^ — ф J) = и где к„ - машинная постоянная, ке - электрическая постоянная.

1А»

I-К

а

А м

А

/У / /

£

1а

м,

Ф1

М,2

^ М21

М2=М]=М ^ «ъ

~л ^ Мс > / / '

Рис. 1. Расчетная схема динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле В целях упрощения аналитического исследования целесообразно ввести координату ф=ф2-фь т. е. координату, определяющую полный угол закручивания торсиона. Движение системы в новых координатах определяется уравнениями:

М

ф" + п ф = кму|-—-

Ь\' + Ял + ксф' = и

! ® ^ ^ ] ) «У 1

где «-с— .У =

Момент на буровой коронке в первом приближении может быть представлен суммой моментов сухого (Мсх) и жидкостного (Мжг) трений.

В практических задачах, в которых требуется определить амплитуду установившихся вынужденных колебаний, решение с достаточной точностью может быть найдено при помощи замены постоянных силы или момента трения эквивалентными силой или моментом вязкого сопротивления. При этом считается, что при действии сил сухого трения как и в случае вязкого сопротивления вынужденное установившееся движение с возмущающим моментом М^М^т оП совершаются по гармоническому закону ф=А8т(й)1-а), а также, что рассеянная за период энергия одинакова в обоих случаях.

Тогда коэффициент эквивалентного вязкого трения определяется из соотношения:

4М

(3)

тгАсо

Эквивалентный момент вязкого сопротивления:

4М_

Первое уравнение из системы (2) принимает вид:

ф"+дф'+П2ф=кну, (5)

Учитывая, что ф2 определяется выражением:

Ф и ^

*> = Тъ = Т^Гг> (6)

выражение (5) с учетом (2) запишутся в виде: |ф"+Рф' + 02ф-кму1 = 0 IЫ' + К1 +кеф' = и

При переходе от действительной переменной t к комплексной переменной р с преобразованием по Лапласу при нулевых начальных условиях система (7) приводится к виду: |ф(р)(р2+Рр + 02)-1(р)кму = 0 [¡(рХрЬ + К) + рФ(р)кг =и(р) В рассматриваемой системе входными воздействиями могут быть напряжение и(р) или ток ¡(р), а выходной величиной - угол закручивания торсиона <р и связанные с ним углы поворота коронки ф2 и корпуса фь Для получения передаточной функции угла закручивания торсиона по напряжению поделим уравнения (8) на и(р) и получим:

Га^(р)-Ь1^(р) = 0 [а^ч>(р) + Ь2^(р) = Г (9)

где а, = р2 +{Зр + 02; Ь1=укн; а, =рке; Ъ, =р1. + 11;

\У..(р) = Щ - передаточная функция угла закручивания тор-и(р)

Кр)

сиона ф(р) по напряжению и(р); Ш, (р) = 77;-- - передаточная

Щр)

функция тока якоря 1(р) по напряжению и(р).

Разрешая (9) относительно \¥ф(р), получим:

гр'.вр'.ср.»- (10)

где В=(ЗЬ+К; С=т2+ря+кскм; 0=П2Я.

Амплитудно-частотная характеристика (АФЧХ) может

быть получена из (10) при р=)со:

*••»

где Р = 0211-со2(рЬ + 11); N = П2Ь-со2Ь + рН + киукм .

Модуль АФЧХ в функции частоты определяется выражением:

+ш М"

Максимальная амплитуда установившихся вынужденных колебаний породоразрушающего инструмента при минимальных энергетических затратах обеспечивается на частоте, равной частоте собственных колебаний механической системы, при амплитуде входного напряжения и=11„. При подстановке в выражение (12) получим:

7Т2 8Н

_ ин7гукм12(1, +;г)-4Мс1,к_ (р—

тгШ2(11 +12)кеукм к2П { '

Движение системы реализуемо в том случае, когда А>0. В соответствии с этим условие существования колебаний запишется в виде.

ин7гуи2(]1+12)>4Мс1,К. (14)

и„7ГуМ„

~ I—+ ^2) >4МС],К.

н

Окончательно полученный критерий может быть представлен в форме:

и а а 4.1;

= —>-!-- = ©, (15)

1НЯ к(11+12У

где и„, 1„ - соответственно номинальные напряжение и ток двигателя; а=М„/Мс; 8„=(1,Д)ЛЛ, - номинальное скольжение.

Передаточная функция тока по напряжению через параметры системы имеет вид: '

р2+{Зр + П2'

= Ер' + Рр: +Ср + р' <16>

Амплитудно-фазовая характеристика тока: (О2 -со2) + ]сор

На резонансной частоте при о=0 и при амплитуде входного напряжения и=и„ амплитуда тока якоря определяется выражением:

РЯ + кЖ ~ ' (,8)

4Мв®и1н1?

где А,р определяется выражением (13).

Теоретический и практический интерес представляет также случай, когда входным воздействием является ток НТ-этс»!:, т. е. случай, когда для питания электрической машины используется источник тока. Из теоретической механики известно, что колебательные системы с сухим трением в отличие от систем с вязким трением имеют резонансную частоту, равную собственной, а резонансная кривая при совпадении частоты возмущающего воздействия с резонансной претерпевает разрыв, т. е. амплитуда вынужденных колебаний в этом случае стремиться к бесконечности. При этом в механике природа движущего (возмущающего) момента не рассматривается, а момент принимается как М=Мо5шеП.

Уравнения (8) через передаточные функции угла закручивания торсиона и напряжения по току определяется системой:

[а,\¥ф(р) = ук,

где = ^(Р)=КРГ а,=р2+рр + П2;

Ь = (Л-Ьр)а2 =рке.

Тогда передаточная функция угла закручивания тор-сиона по току, выраженная через параметры системы:

^ДрЬ- : . (20)

р +РР + 12

АФЧХ при р^'ю и амплитуде входного тока \=\„.

I ук

ЛР(]«)- : ;',л (21)

ф (Г2 -со ) + ]со(3

Модуль АФЧХ:

1,,ук„

л? («»--- г : (22)

-о")--ьга-р-

АФЧХ при

А _ + л--.л-----—ч------рз ч

7Г(П:-со2)^!, +1:) ' '

Из (23) следует, что при ю=П амплитуда механических колебаний стремится к бесконечности. Этот результат полностью совпадает с положениями теоретической механики.

Учитывая, что колебания системы возможны при А>0, условие реализуемости вынужденных установившихся движений определяется выражением:

Л)]

а > „ ' -- - 0. (24)

Передаточная функция напряжения по току:

Ш„(р) =---------^ ------------------(25)

р +рр + £2

АФЧХ при р=)с>.

ГИт2 -1Ш2 -сп21.р) +_)Ъ(к ук +1.П2 -I/»2)

А„ ( ¡со) =---------------------,--------------, (26)

{О. -со ) + ^Р

где 0-Яго2-К.а2-со2р; 0=ксук:,гсо3+02-р.

Модуль АФЧХ при 1=1„ и №=П:

1 (к ук -ВЮ АИ(П) = ' 'Г - (27)

Как видно из (27) в режиме резонанса амплитуда колебаний механической системы стремится к бесконечности при конечном значении тока. В реальных системах амплитуда колебаний будет иметь конечное значение. Полученные при анализе линейных систем и справедливые для бесконечно малых колебаний выражения, удовлетворительно отражают процессы и при конечных значениях амплитуд колебаний рассматриваемых колебательных систем.

2. Эффективность ведения буровых работ обеспечивается удержанием электромеханического преобразователя в режиме резонанса, для чего его питание осуществляется от полупроводникового преобразователя частоты.

Полученные выше выражения справедливы только для режима резонансных колебаний. Для исследования амплитудно-фазовых частотных и амплитудно-частотных характеристик в широком диапазоне частот проведено исследование на цифровой математической модели, которая реализована на персональной ЭВМ с помощью универсального пакета программ ДИСПАС (диалоговая игтегральная система проектирования автоматических систем). ДИСПАС включает мощную базу современных аналитических и численных методов исследования.

На динамической модели получены АФХ и АФЧХ электромеханического преобразователя с параметрами, соответствующими экспериментальному образцу. Получены зависимости амплитуды колебаний и резонансной частоты от коэффициента жесткости упругого элемента, активного сопротивления и индуктивности якорной цепи для варианта с использованием двигателя постоянного тока. На рис. 2 приведе-

ны зависимости амплитуды колебаний и резонансной частоты от коэффициента жесткости упругого элемента с учетом индуктивности якорной цепи.

Аре,, •

Рис. 2. Зависимости амплитуды колебаний и резонансной частоты от коэффициента жесткости упругого элемента Исследования динамической модели подтвердили справедливость полученных аналитических результатов, а также позволили определить сильное влияние индуктивности якорной цепи двигателя в окрестностях резонансной частоты.

Экспериментальные исследования проводились на лабораторном макете динамически уравновешенного бурового снаряда, включающего в себя двигатель постоянного тока типа 2ПБ-132, мощностью 3.2 кВт, торснон, жесткостью 110 Нм/рад и колонковую трубу с алмазной коронкой диаметром 59 мм. Бурение проводилось на цементных блоках.

Экспериментальные исследования подтвердили работоспособность бурового снаряда, а также справедливость полученных теоретических положений. Экспериментально полученное значение резонансной частоты (3.5 Гц) с точностью до 20 % совпадает со значением, полученным из динамической модели.

В работе показано, что для значений резонансных частот, необходимых для эффективной работы электромеханического преобразователя данного класса (не более 10-15 Гц), наиболее приемлемым типом преобразователя частоты является непосредственный преобразователь частоты (циклоконвертер). Для обеспечения формы кривой питающего двигатель напряжения, близкой к синусоидальной, предложен алгоритм управления преобразователем с переменным углом управления в течении полупериода низкой частоты. При отклонении значения резонансной частоты (в зависимости от внешних), система автоматического регулирования обеспечивает изменение частоты на выходе преобразователя частоты до установления значения, равного частоте резонансных колебаний. Приведены рекомендации по структуре САУ и типу исполнительного двигателя. Для перспективных электромеханических преобразователей рекомендован бесконтактный вентильный двигатель с возбуждением от высокоэрцитивных постоянных магнитов и полупроводниковым коммутатором типа

нпч.

3. Методика определения основных параметров динамически уравновешенного бурового снаряда.

К основным динамическим параметрам бурового снаряда относятся:

- момент инерции колонковой трубы вместе с сочлененными с ней деталями (,Ь);

- момент инерции верхней части снаряда (1));

- масса снаряда (т);

- коэффициент жесткости упругого элемента (торсиона) (с);

- номинальные параметры электрической машины (например, двигателя постоянного тока с независимым возбу-

ждением): момент (Мн), ток (1„), сопротивление якоря (R), мощность (Рн), скорость (ю„);

- вид источника питания.

Основными технологическими параметрами при этом считаются:

- диаметр коронки (скважины);

- тип коронки;

- осевое усилие (давление на забой);

- средняя скорость (угловая, линейная) коронки.

1. При заданном диаметре коронки определяется осевая нагрузка на породоразрушающий элемент.

2. Определяется мощность, потребляемая на забое в зависимости от типа применяемых коронок.

3. Определяется средний момент сопротивления на коронке:

N, 30N.

М = = ------ , Нм, (28)

0) 7Ш

где со - частота вращения коронки, 1/с.

4. Определяется средняя скорость на среднем диаметре коронок

Vcp = - , м/с. (29)

5. Выбирается резонансная частота работы снаряда в диапазоне 5-15 Гц. При выборе частоты следует учитывать диаметр коронки, амплитуду колебаний и максимальную линейную скорость. С увеличением диаметра коронки следует принимать более низкую собственную частоту колебаний системы.

6. Задаются длиной колонковой трубы и определяют ее момент инерции J2. Анализ показывает, что момент инерции Ji в 8-15 раз больше, чем J? для коронок диаметром 93-151 мм,

т. е. Л 1=(8—15> 1г при длине колонковой трубы 6-8 м. При этом "параметр реализуемости"

0 =------1—т» 1.0-1.12. (30)

тгСЛ, -ьЛ2>"

7. Задавшись средней линейной скоростью резцов коронки Уср, определяют необходимую амплитуду колебаний коронки при резонансной частоте по выражению:

А = Ъ^,Рад. (31)

8. Задавшись значением а>1 и типом источника питания, определяют величину амплитуды колебаний коронки по выражению (13) (для источника напряжения):

А _ (^-А^К ш,

тгП(1-8н)а0' '>

Jl

Амплитуда колебаний коронки А к = - А, рад.

1 + ^ 2

9. Определяется коэффициент жесткости торсиона из выражения:

!! • <33>

10. Задаваясь длиной торсиона /=1.5-2 м определяется его диаметр из соотношения:

7са4о

с = —, рад/Нм, (34)

где с! - диаметр торсиона, м; О - модуль сдвига, Н/см2.

11. После компоновки узлов и определения массы снаряда, определяетя вес дополнительных грузов, устанавливаемых на снаряд для обеспечения заданного осевого давления на породоразруающий инструмент:

Рдоп Рос Рс. 1

н, (35)

где Рдоп - сила веса дополнительных грузов, Н; Рсн - сила веса бурового снаряда, Н.

12. После уточнения массы электродвигателя и выполнения рабочих чертежей проводится поверочный расчет всех динамических параметров.

Заключение и выводы

В диссертации, представляющей собой законченную научную работу, приведены теоретические и экспериментальные положения, которые в совокупности можно квалифицировать как научно-технические решения по выбору параметров динамически уравновешенных буровых снарядов на гру-зонесущем кабеле, внедрение которых в практику буровых работ вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса и позволит создавать новые буровые комплексы, обладающие существенно большей эффективностью.

Основные научные и практические выводы заключаются в следующем.

1. Перспективным направлением развития технологии и техники бурения скважин следует считать разработку и создание полуавтономных буровых снарядов на грузонесущем кабеле, позволяющих обеспечить не зависящие от глубины скважины технологические параметры процесса бурения, сократить затраты времени на спуско-подъемные операции, снизить металлоемкость, энергоемкость и трудоемкость процесса, улучшить условия труда при высокой мобильности бурового комплекса.

2. Среди существующих полуавтономных снарядов на грузонесущем кабеле рациональной схемой следует считать конструктивную схему динамически уравновешенного бурового снаряда возвратно-вращательного действия, обеспечи-

вающего заданные технологические параметры при знакопеременных нагрузках, повышающие эффективность разрушения горных пород, а также не требующие специальной распорной системы, воспринимающей реактивный момент при работе коронки на забое.

3. При анализе движения системы целесообразоно ввести новую координату ф=ф?.-ф1 (полный угол закручивания), что позволяет описать механическое движение системы одним уравнением второго порядка, а замена момента сухого трения на коронке эквивалентным моментом вязкого сопротивления при условии равенства работ в обоих случаях позволяет существенно упростить аналитические исследования и получить решения для амплитуд установившихся колебаний на резонансной частоте.

4. Характерным параметром, определяющим реализуемость движения системы является "параметр реализуемости", представляющий собой квадрат отношения момента инерции верхней части снаряда к сумме моментов инерций подвижных

А }} .

частей 0 = — [ т-----— У . Для реальных систем 0 изменяется в

к .Г ] 3 2

пределах от 1 до 1.12.

5. В качестве движителей электромеханического преобразователя электрической энергии в возвратно-вращательное породоразрушающего инструмента могут быть использованы двигатели постоянного тока, а также двух- или трехфазные синхронные и асинхронные. Наиболее приемлемыми являются бесконтактные вентильные двигатели с НПЧ.

6. Амплитуда механических колебаний инструмента прямо пропорциональна отношению угловой скорости идеального холостого хода электрической машины к резонансной угловой частоте, возрастает при увеличении отношения номинального момента к моменту сопротивления на коронке и

уменьшается при увеличении номинального скольжения электрической машины при прочих неизменных параметрах системы.

7. Разработанная методика расчета позволяет выбирать основные динамические параметры системы, обеспечивающие сданные рациональные технологические режимы, характерные для традиционных способов вращательного бурения.

В. Рациональным источником питания следует считать непосредственный преобразователь частоты, обеспечивающий эежимы источников напряжения и тока, а также автоматиче-жое поддержание режима работы на резонансной частоте.

Основные положения и выводы диссертации опубликованы в работах:

1. Бажулин Ю. В., Шкурко О. А. Электроприводы буровых снарядов на грузонесущем кабеле. // Научн.-техн. семинар '75 лет отечественной школы электропривода". Тезисы докладов. СПб, 1997.

2. Шкурко О. А. Динамически уравновешенный буровой снаряд на грузонесущем кабеле. // Ежегодная научная конференция молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение". Тезисы докладов. СПб, 1996.

3. Шкурко О. А. Математическая модель процесса бурения скважин. // Ежегодная научная конференция молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение". Тезисы докладов, СПб, 1997

4. Козярук А. Е., Шкурко О. А. Буровой снаряд на грузонесущем кабеле для вибрационного бурения. // IV международный форум "Минеральные ресурсы стран СНГ". Тезисы докладов Симпозиума "Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология". СПб, 1996.

5. Селезнев Д. А., Шкурко О. А. // Межвузовская науч-но-практ. Конфер. "Освоение минеральных ресурсов Севера проблемы и решения". Тезисы докладов. Воркута, 1998.

6. Шкурко О. А., Козярук А. Е Автономный буровой снаряд на грузонесущем кабеле с поворотноугловым движением породоразрушающего инструмента. // Молодежная научная конференция в рамках 26й недели науки СПбГТУ. Материаль докладов, ч. 2. СПб, 1998.

7. Шкурко О. А. Бесконтактный электропривод возвратно-вращательного движения для бурового снаряда. Л Сборник трудов молодых ученых СПбГТИ. СПб, 1998.