автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Структура и рациональные параметры головного снаряда установок для бестраншейной направленной прокладки скважин

кандидата технических наук
Меньшенин, Сергей Евгеньевич
город
Новочеркасск
год
2004
специальность ВАК РФ
05.05.04
цена
450 рублей
Диссертация по транспортному, горному и строительному машиностроению на тему «Структура и рациональные параметры головного снаряда установок для бестраншейной направленной прокладки скважин»

Автореферат диссертации по теме "Структура и рациональные параметры головного снаряда установок для бестраншейной направленной прокладки скважин"

На правах рукописи

МЕНЬШЕНИН Сергей Евгеньевич

СТРУКТУРАИ РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГОЛОВНОГО СНАРЯДА УСТАНОВОК ДЛЯ БЕСТРАНШЕЙНОЙ НАПРАВЛЕННОЙ ПРОКЛАДКИ СКВАЖИН

Специальность: 05.05.04 «Дорожные, строительные и подъемно-

транспортные машины»

АВТОРЕФЕРАТ

Новочеркасск - 2004

Работа выполнена в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) на кафедрах «Электрификация и автоматизация производства» ШИ ЮРГТУ (НПИ) и «Строительные, дорожные и коммунальные машины» ЮРГТУ (НПИ).

Научные руководители:

кандидат технических наук, профессор

Ленченко Василий Васильевич;_

доктор технических наук, профессор Дровников Александр Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Булгаков Алексей Григорьевич; кандидат технических наук, доцент Максимов Валерий Павлович

Ведущая организация: Ростовский государственный строительный

университет, г. Ростов-на-Дону

Защита диссертации состоится

_25 Мая 2004 г. в 10 часов на заседании диссертационного

совета Д 212.304.04 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132, 107 ауд. Главного корпуса

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Автореферат разослан

2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Н. А. ГЛЕБОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Отечественный и зарубежный опыт применения установок направленной прокладки скважин показывает высокую эффективность их использования на многих строительных объектах, особенно в стесненных городских условиях. В настоящее время область применения установок статического прокола скважин значительно расширяется за счет разработки систем пространственной ориентации прокладываемых скважин.

Объективная необходимость в оборудовании для направленной прокладки горизонтальных скважин малого диаметра значительна и обосновывается низким уровнем технического состояния подземных инженерных коммуникаций большинства городов России. Актуальность этой проблемы напрямую связана с повышением требований к сохранности природной среды и производительности машин при соблюдении комплекса технических ограничений при строительстве и реконструкции различных объектов. Эта проблема требует решения ряда задач, связанных с созданием и внедрением новых управляемых установок и систем управления движением исполнительных органов технологических машин в пространстве. Проектирование установок для управляемого статического прокола и их исполнительных органов - пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов требуют их исследования, создания основ их расчета и конструктивной проработки. Специфические условия работы механизмов, связанные с особенностями внешних нагрузок, требуют дополнительных исследований применяемых схем с точки зрения их структурообразования, кинематического, статического и энергетического анализа.

Методы направленной прокладки скважин, применяемые ранее в основном для предотвращения нежелательного искривления, в последнее время все более широко и успешно используются для прокладки скважин сложного профиля, содержащих проектные криволинейные интервалы. С этой целью применяются специальные технические средства и технологические приемы, основывающиеся на возможности надежного и быстрого ориентирования исполнительного органа головного снаряда в требуемом направлении. При строительстве и реконструкции различных объектов наиболее сложной и трудоемкой операцией является прокладка различных подземных горизонтальных коммуникаций под существующими сооружениями, городскими улицами и т. п., трудоемкость которых существенно снижается при использовании бестраншейных способов в сочетании с контролем и оперативной коррекцией траектории.

Выполняемая работа обеспечивает возможность создания, на основе разработанных пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов, универсальных головных снарядов для направленной прокладки горизонтальных и наклонных скважин, приспособленных для дальнейшей автоматизации и использования их в качестве управляемых отклонителей.

Соответствие диссертации научному плануработ ЮРГТУ (НПИ)

и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления «Теория и принципы построения автоматизированных машин, робототехнических и мехатронных устройств и систем», утвержденного Ученым советом ЮРГТУ (НПИ) 25.04.1998 г., по госбюджетной теме кафедры «Строительные, дорожные и коммунальные машины» ЮРГТУ (НПИ): П53-804 «Теория, принципы создания и диагностики машин и агрегатов для строительства и предприятий стройиндустрии».

Цель работы. Повышение эффективности направленной прокладки горизонтальных скважин путем совершенствования конструкций установок за счет реализации пространственного управления положением головного снаряда с заданной точностью при наименьшей энергоемкости процесса с учетом физико-механических свойств грунтов.

Идея работы. Обеспечить необходимое положение в пространстве сопряженных звеньев новых кинематических пар, лежащих в основе предложенных пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов, за счет регулируемой разности угловых скоростей их звеньев и разработанных: способа направленной прокладки скважин; систем управления и конструкций головных снарядов с рациональными параметрами, обоснованными математической моделью взаимодействий в системе «грунт - пространственно-ориентируемый манипуляционный механизм — головной снаряд — став — система контроля и управления».

Защищаемыенаучныеположения:

- заданное положение манипуляционных механизмов обеспечивается регулируемой разностью угловых скоростей сопряженных звеньев кинематической пары, лежащей в основе этих механизмов, за счет однонаправленного или встречного движения их звеньев;

- структурный синтез и кинематический анализ исполнительных пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов, а также синтез кинематических пар для заданных технологических требований на основании анализа числа степеней их подвижности обеспечивают возможность создания синтезированной шарнирной системы, состоящей из минимального числа кинематических пар высших классов;

- выбором оптимальных геометрических параметров пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов и угловых скоростей вращения их звеньев обеспечивается высокая степень управляемости с технологически требуемыми показателями точности отработки траектории движения и высокая плотность траектории движения выходного звена механизма при минимальной величине отклонений действительной траектории от заданной;

- на управляемость головного снаряда основное влияние оказывают силы, прилагаемые к боковым поверхностям его исполнительного органа -пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма со стороны

уплотняемого грунта, численное значение которых зависит от величины эксцентриситета;

- величина разности боковых усилий, прилагаемых со стороны грунта к диаметрально противоположным поверхностям асимметричного наконечника, достигает максимума при внедрении последнего на глубину соответствующую высоте наконечника; стабилизация осевого усилия при статическом проколе грунта происходит при заглублении наконечника, соответствующем его удвоенной длине; осевое усилие - Рж, необходимое для этого, пропорционально объему вытесненного и уплотненного наконечником грунта - У{р, с учетом сопротивления среды внедрению за счет уплотнения, а форма наконечника не оказывает значительного воздействия на осевое усилие после внедрения на глубину, превышающую его удвоенную высоту, и влияет только на управляемость головного снаряда.

Значениеработ». Научное значение:

- разработаны новые способы пространственной ориентации манипуля-ционных механизмов для корректирования направления прокладки скважин;

- на основании структурного синтеза и кинематического анализа исполнительных пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов для заданных технологических требований обоснована возможность создания синтезированной шарнирной системы, состоящей из минимального числа кинематических пар высших классов;

- разработаны математические модели взаимосвязи критериев управляемости при прокладке заданной трассы от геометрических параметров головного снаряда и параметров его взаимодействия с грунтом;

- установлен интервал стабилизации осевого усилия;

- установлены критерии выбора геометрических параметров головного снаряда и значимость влияния формы пространственно-ориентируемых ма-нипуляционных механизмов головных снарядов на управляемость и на сопротивления внедрению при прокладке скважин.

Практическое значение имеют: разработанные и запатентованные способ и устройство для корректирования направления прокладки скважин, рабочий орган головного снаряда, защищенные патентами РФ; конструкции и математические модели взаимодействия головного снаряда и става с грунтом в системе «грунт - пространственно-ориентируемый манипуляционный механизм — головной снаряд — став — силовая установка»; математические модели, инженерная методика и программное обеспечение: управления головным снарядом и контроля его положения, решений прямой и обратной задачи кинематики, взаимодействий головного снаряда с грунтом и выбора его оптимальных параметров; разработанные способы пространственного ориентирования, пространственно-ориентируемые манипуляционные механизмы на их основе; функциональная схема установки направленной прокладки скважин; опытный образец полномасштабного управляемого головного снаряда.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: использованием современных методов исследований, среди которых: методы структурного анализа пространственных механизмов, методы аналитической геометрии и теории механизмов и машин; методикой выбора для заданных технических условий параметров головного снаряда установки направленной прокладки скважин; применением теории планирования полного факторного эксперимента и методов математической статистики при обработке его результатов; адекватностью результатов расчета и экспериментальных исследований.

Внедрение результатов диссертационных исследований.

Результаты исследований рекомендуются при проектировании головного снаряда - отклонителя для направленной прокладки скважин методом статического прокола и подтверждаются актом внедрения результатов исследований Северо-Кавказским представительством государственного научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела в г. Шахты Ростовской области; использованы при разработке экспериментального образца управляемого головного снаряда - отклонителя для условий статического прокола технических скважин.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-технических конференциях (1994-2001 г.г.) ШИ ЮРГТУ (НПИ), на научно-практической конференции ЮжноРоссийского отделения Академии горных наук (1998 г.) ( г. Шахты, Ростовской обл.), на международном симпозиуме «Неделя Горняка», Московский Государственный Горный университет, 2000-2001 г. (г. Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей, получено 3 патента России.

Объем работы. Диссертационная работа включает в себя: введение, пять глав, заключение и библиографический список (105 наименований). Общий объем диссертационной работы составляет 2.66 страниц, поясняется 47 рисунками, 12 таблицами и включает в себя 38 страниц приложений.

Автор выражает глубокую признательность доктору технических наук, профессору Щепеткову С.А. за его вклад в становление данной работы на ее начальном этапе, научное руководство, прерванное его безвременной смертью.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и дано краткое описание содержания глав диссертации.

В первой главе диссертации приводится анализ состояния вопроса и постановка задачи исследований.

При анализе литературных источников установлено, что действующие СНиП дают только общие рекомендации по возможности применения спосо-

бов и методов закрытой прокладки, что на практике недостаточно для обоснованного выбора оборудования и технологии с учетом конкретных условий строительства и обеспечения эффективного и безаварийного производства этих работ. Анализ известных технических решений и способов пространственной ориентации механизмов показывает, что в настоящее время нет достаточно эффективных средств управления траекторным движением пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов, создаваемых на основе кинематических пар высших классов.

В последние годы вопросам создания управляемых в пространстве ма-нипуляционных механизмов уделяется большое внимание, о чем свидетельствуют работы ДонУГИ, Московского и Ленинградского горных университетов, Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) и др. Исследованиям теории и практики ориентирования головных снарядов в пространстве посвящены работы ряда специалистов: А.А. Алейникова, С.С. Сулакшина, А.Г. Булгакова, Г.М. Водяника, В.Т. Загороднюка, Д.М. Крапивина, В.В. Ленченко, ЕЛ. Лиманова, С.А. Щепеткова, М.С. Сафохина и др. Исследования за рубежом были проведены, Г. Вудсом, А. Лубинским (США), фирмой «Дайнадрилл» (США), Tracto-Technik (Германия) и др. Исследованиями кинематических пар пространственных манипуляционных механизмов занимаются: Л.Т. Дворников, Э.Я. Живаго, Д.Н. Решетов, Д.Д. Тав-хелидзе и др.

Головной снаряд представляет собой манипуляционный механизм, проектирование которого не представляется возможным без структурного, кинематического, статического и энергетического анализа. Особенность конструкции головного снаряда состоит в необходимости управления им в среде, недоступной для визуального наблюдения при сохранении высокой степени позиционирования и точности отработки заданных координат движения, а также в ограничении его габаритных параметров (согласно технологии ведения работ и параметров прокладываемых скважин). Относительные движения звеньев механической системы зависят от вида применяемых кинематических пар. Проведенный анализ показал, что в настоящее время нет кинематических соединений, обеспеченных простыми средствами управления, удовлетворяющих условиям работы пространственно-ориентируемых мани-пуляционных механизмов для направленной прокладки технических скважин. Под направленной прокладкой скважин будем понимать ведение головного снаряда по заранее запроектированному направлению с применением искусственного (преднамеренного) искривления и учетом естественного искривления (самопроизвольное искривление скважины в процессе прокладки по техническим, технологическим, геологическим причинам или их совокупности). Независимо от причин, вызывающих искривление, оно может быть различным по направлению и по интенсивности.

Сформулированы требования к разрабатываемым установкам направленной прокладки скважин:

-вновь создаваемые устройства направленной прокладки скважин и принципы их действия должны обеспечить высокую управляемость устройств;

-контроль и управление осуществляются по фактическому конечному результату измерений и являются инвариантными по отношению к многочисленным возмущающим воздействиям;

-управляющее воздействие формируется с учетом конкретных технологических требований к установке и условиям ее работы.

Во второй главе диссертации проведен структурно-конструктивный анализ способов и технических средств горизонтальной прокладки скважин, позволивший выявить наиболее значимые критерии отбора конструктивных, функциональных и структурных признаков и открыть новые возможности при синтезе взаимосвязанных по основным параметрам, конструкций и систем; выполнен синтез одноконтактных кинематических пар и обоснован способ корректирования направления движения головного снаряда. Согласно действующим СНиП основными способами прокладки скважин являются: прокол, продавливание, бурение. Область применения первых двух способов ограничивается образованием скважин в мягких грунтах 1 - 4 категорий (по Цытовичу или крепости 2 по Протодьяконову). Третий способ применяется для разработки грунтов в основном в виде шнекового бурения.

Структурно-конструктивны и анализ позволяет утверждать, что для всех известных способов сооружения скважин перспективным способом ориентирования является искривление скважин в заданном направлении с активным способом контроля оси скважины. Многочисленность и разнообразие возмущающих факторов, трудность их учета исключают возможность применения пассивных методов, что неоднократно подтверждалось на практике. Механизмом искривления скважины при выбранном способе ориентирования является искусственное создание условий неравномерного разрушения или создание неравномерных нагрузок с комбинированным способом отклонения оси скважины, включающим в себя: неравномерное разрушение забоя, создание опрокидывающего момента и отклоняющего усилия. Наиболее слабым звеном всех методов прокола и продавливания является система контроля и управления головным снарядом.

На основании проведенного анализа предлагается осуществлять корректирование направления головного снаряда в момент прокладки скважины за счет обеспечения необходимого положения пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма путем регулирования разности угловых скоростей его сопряженных звеньев, вращающихся в одном или встречных направлениях. При этом положение выходного звена пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма контролируется относительно продольной оси головного снаряда, а положение оси снаряда относительно вертикали независимо от возможного поворота става, являющегося измерительной базой. Процессы изгиба става при взаимодействии его с грун-

том, ориентирование головного снаряда для формирования скважин заданного направления и профиля при вращательном бурении и проколе идентичны и могут рассматриваться на единых физических и математических моделях. Причины перекоса головного снаряда в скважине - неоднородность физико-механических свойств грунтов, конструктивные особенности става и головного снаряда, а также погрешности при проведении работ.

Пространственно-ориентируемый манипуляционный механизм головного снаряда непосредственно влияет на направление прокладки скважины, поэтому исследование системы «головной снаряд - скважина» невозможно без анализа взаимодействия его пространственно-ориентируемого мани-пуляционного механизма с грунтом.

С целью реализации управляемой прокладки скважин разработан целый ряд технических средств и управляемых головных снарядов, предназначенных для условий бурения. Управляемый статический прокол - это малоисследованный, но дешевый и быстрый способ образования скважин с наименьшей энергоемкостью, имеющий следующие специфические особенности: одноосевой режим нагружения; отсутствие вращения става, жесткость которого оказывает существенное влияние на процесс прокола скважины; нестационарность среды (неоднородность грунтов); наличие больших отклоняющих возмущений.

Для разработки пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов головного снаряда проведен синтез одноконтактных кинематических пар. В результате синтеза предложены две новые одноконтактные кинематические пары первого класса: на базе пары «плоскость — плоскость» и вторая - на базе пары «шар - лунка», выполненные таким образом, что их контактирующие поверхности имеют только одну общую точку, принадлежащую осям вращения звеньев кинематической пары.

Глава 3 посвящена анализу структуры и кинематики пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов. Разработанные пространственно-ориентируемые манипуляционные механизмы выполнены на базе предложенной плоскостной кинематической пары, звенья которой (выходное - первое и отклоняющее - второе) выполнены в виде усеченных круглых цилиндров, соединенных эллиптическими основаниями посредством карданного шарнира с возможностью относительного вращения.

Структурный синтез рассматриваемого механизма включает в себя следующие этапы: выбор числа степеней подвижности пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма; определение числа звеньев; распределение степеней подвижности в кинематической схеме; выбор типа сочленений звеньев пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма. Для достижения высокой степени позиционирования выходного звена рассматриваемого механизма он должен обладать шестью степенями подвижности: пять из них - для выведения выходного звена в требуемые координаты с высоким уровнем точности, и одна - для перемещения всего ме-

ханизма вдоль его собственной оси вращения. (Согласно технологии выполнения работ по статическому проколу, последняя степень свободы реализуется силовым устройством, не связанным с пространственно-ориентируемым манипуляционным механизмом). Варианты конструкций, предлагаемых на основе синтеза манипуляционных систем, представлены на рисунке 2. Обоснован выбор кинематической схемы механизма на основе сочетаний конструктивных усложнений с применением кинематических пар более высокого класса. Для определения управляющих воздействий на пространственно-ориентируемый манипуляционный механизм решены задачи кинематики для всех предложенных вариантов манипуляционных механизмов: прямая — определение координат вершины выходного звена по известному значению угла поворота приводного вала механизма, обратная - определение угловых перемещений приводного вала механизма по заданному положению вершины выходного звена.

При решении поставленных задач следует учитывать, что звенья механизма вращаются: в одном направлении с угловыми скоростями - для манипуляционного механизма, изображенного на рисунке 1, а); в противоположных направлениях с разными угловыми скоростями — для манипуляцион-ного механизма, изображенного на рисунке 1, б) и для механизма, изображенного на рисунке 1, в) в следующем порядке: вращающий момент получает только одно из звеньев механизма, вызывая при этом отклонение оси вращения выходного звена относительно отклоняющего на заданный угол, а на втором этапе вращаются оба звена относительно продольной оси с одинаковыми скоростями для вывода вершины выходного звена в заданный квадрант.

ГА

Патент № 2189069 \Л/„св= 6x4 - 5x3 - 4х 1 =5

Патент № 2168587

УУпя^ 6x4 - 5x3 - 4x1 =5

А с. № 1138317, А с. № 305085

\Ли= 5

Рисунок 1 - Варианты конструкций манипуляционньжмеханизмов

1 — карданный вал; 2 - выходное звено; 3—зубчатая передача; 4 — отклоняющее звено, соединенное со стаканом; 5 - приводной вал, соединенный с двойной муфтой обгона; а)/ —угловая скорость вращения карданного (приводного) вала и соединенного с ним отклоняющего звена; а>2 - угловая скорость вращения выходного звена

Рассматриваемые механизмы работают при малых скоростях вращения звеньев, при взаимодействии с грунтом происходит гашение колебаний в переходных процессах, управляющее воздействие при ориентации головного снаряда и поступательное движение става никогда не происходят одновременно, вращение става в скважине отсутствует. В связи с этим процесс рассматривается как статический. В качестве критерия при выборе параметров принята минимальная величина линейного отклонения 5 заданных координат вершины выходного звена механизма от действительных значений при прохождении траектории за время отработки привода для реализации этих координат. Данный критерий позволяет обеспечить наибольшую точность отработки управляющего воздействия при допустимой скорости его реализации. Расчетные траектории движения выходного звена пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма представлены на рисунке 2.

По результатам расчетов можно сделать следующие выводы:

- выбор оптимальных геометрических параметров разработанных пространственно-ориентируемых . мани-пуляционных механизмов и угловых скоростей вращения их звеньев обеспечивает высокую степень управляемости разработанной конструкции с технологически требуемыми показателями точности отработки траектории движения, а высокая плотность траектории движения при минимальной величине отклонений' действительной траектории от заданной (до 1,5 мм) достигается при соблюдении условия: п,/»^! или пУп/~1, при этом Пд/П}Пг>3,5 где Пд - число оборотов двигателя [об/мин];

- разработанный механизм эффективен и прост в перенастройке. Предлагаемые манипуляционные механизмы отвечают всем требованиям, предъявляемым к головному снаряду для направленной прокладки горизонтальных скважин методом статического прокола.

В главе 4 предложена функциональная схема установки направленной прокладки скважин методом статического прокола, проведен энергетический анализ ее силовых характеристик с учетом взаимодействий головного снаряда с разрабатываемым грунтом. Кинематические схемы предложенных управляемых головных снарядов и зависимости мощности электродвигателя от геометрических параметров пространственно-ориентируемого мани-пуляционного механизма представлены на рисунке 3.

Существенное отличие прокола от бурения скважин заключается в том, что при проколе происходит уплотнение грунта, которое препятствует пере-

.-57.530, -100

.-34 847, Х Л .602,

Рисунок 2 - Расчетные траектории движения выходного

звена пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма

мещению головного снаряда, а высокая податливость грунта от действия рабочих нагрузок приводит к вдавливанию става в грунт, т.е. изменению положения оси скважины. Исходя из специфики прокола, став рассматривается как длинная балка на упругом основании, нагруженная сосредоточенной силой на конце балки. Величина отклоняющего усилия - Ротк на наконечнике при этом будет равна:

РОТК = ~"п2в

* 2

где В - диаметр основания наконечника (выходного звена пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма), мм; в — угол между звеньями манипуляционного механизма; Р« - осевое усилие, Н.

О» -«О*

/ пг

О»

_10/ 14/ /_5 /4_ 1

Рисунок3 — Кинематические схемы головных снарядов и зависимости мощности электродвигателя - Рвш от геометрических параметров пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма 1 - выходное звено манипуляционного механизма; 2 и 3 — карданный шарнир и вал; 4-отклоняющее звено пространственно-ориентируемогома-нипуляционногомеханизма; 5-обойма; 6 и 7-муфты обгона; 8- стакан; 9 -шпоночное соединение; 10-редуктор; 11 - электродвигатель; 12 — корпус; 13 -линза или шарнир; 14 - втор ой редуктор

Силы сопротивления грунта вдавливанию асимметрично установленного пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма на поверхностях контакта его с грунтом пропорциональны объему сжатия грунта, поэтому при перемещении манипуляционного механизма создается за счет разности сил на боковых поверхностях его выходного звена.

Головной снаряд с изменяемой геометрией пространственно -ориентируемого манипуляционного механизма обеспечивает отклонение оси скважины по наименьшему радиусу - Я, величина которого зависит от свойств грунта, жесткости става, диаметра скважины, угла и геометрии пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма:

2sin\^aK0Hj

где 1ц - длина начального хода става, м.

Траектория движения головного снаряда может быть представлена как последовательный ряд перемещений оси става от действия осевого усилия, что в конечном итоге позволяет аналитически определять длину прокладываемой скважины в зависимости от геометрических параметров головного снаряда и става, заданного радиуса отклонения оси скважины и планируемой траектории скважины.

Глава 5 посвящена экспериментальным исследованиям и внедрению их результатов. Экспериментальные исследования проводились в несколько этапов: исследования взаимодействий в системе «инструмент - став - грунт», исследования процесса взаимодействия инструмента с грунтом и испытания опытного образца головного снаряда, содержащего встроенные механизм управления и систему контроля положения.

В качестве объектов для проведения исследований использовались полномасштабные установки, а испытания проводились в реальных условиях. Проведены многофакторные эксперименты при анализе и исследовании в системе «инструмент - грунт». В результате испытаний установлены:

- эффективность управления кривизной траектории скважины путем изменения геометрических параметров головного снаряда;

- необходимость управления головным снарядом для прокладки направленных скважин, из-за отсутствия возможности получения прямолинейных скважин протяженностью более 8 метров по причине неоднородности грунтов и особенностей естественного искривления (отклонение действительной траектории от заданной до 8°);

- возможность создания управляемого головного снаряда и реализации принятого способа корректирования направления его движения;

Экспериментальные исследования позволили определить зависимость, для различных геометрических параметров наконечников с учетом физико-механических характеристик грунта. Объем уплотненного грунта при внедрении наконечника определялся как разность объема участка става длиной, равной текущей длине пройденной скважины, и объема внедренного в грунт наконечника и става.

Полученные зависимости P„rf(H, Угр) (рисунок 4) позволяют сделать следующие выводы:

- участок графика от 0 до 10-S-20 мм прокладки, характеризуется незначительным ростом осевого усилия (первый этап формирование ядра уплотнения). Малый рост осевого усилия объясняется выдавливанием грунта к поверхности (участки KAD и ЕС F рисунок 4);

- второй этап - установившееся осевое усилие, пропорциональное объему уплотненного грунта;

- глубина внедрения на первых двух этапах соответствует удвоенной длине внедряемого наконечника, за этот период осевое усилие стабилизируется, так как ядро уплотнения полностью формируется и вытеснение грунта к поверхности становится невозможным;

- величина осевого усилия на третьем этапе не зависит от формы и длины наконечника. Форма наконечника после его внедрения на глубину, превышающую удвоенную высоту наконечника, влияет только на управляемость головного снаряда;

- величина разности боковых усилий, прилагаемых со стороны грунта к диаметрально противоположным поверхностям асимметричного наконечника достигает максимума при внедрении последнего на глубину соответствующую высоте наконечника - Н.

На основании анализа зависимостей Р^ДИ) осевое усилие пропорционально объему уплотненного и вытесненного грунта и сопротивлению среды внедрению за счет уплотнения грунта с учетом потерь на трение:

где р - плотность грунта, г/см3; £ - ускорение свободного падения, м/с2; 8упЛ - коэффициент сопротивления грунта уплотнению, МПа; / - коэффициент трения стали о грунт; Боен - площадь основания наконечника; ЛТэ = 1,25 - эмпирический коэффициент.

Функциональная схема установки направленной прокладки скважин представлена на рисунке 5, а управляемый головной снаряд на первом этапе внедрения при экспериментальных исследованиях показан на рисунке 6. Экспериментальные исследования выявили недостаток штатных наконечников, состоящий в большой величине площади поверхности контакта образующих наконечника с грунтом, который устранен в предложенном наконечнике с переменным сечением, состоящем из тела вращения с круглым основанием и гиперболической образующей, расположенной таким образом, что максимальный радиус тела вращения не совпадает с основанием. При этом происходит снижение трения наконечника о стенки скважины, наличие разности диаметрально-противоположных поверхностей контакта облегчает переориентацию наконечника в скважине за счет увеличения отношения сил сопротивления грунта внедрению на боковых противоположных поверхностях предлагаемого наконечника по сравнению со штатным. Таким образом, незначительное отклонение оси наконечника от оси головного снаряда приводит к целенаправленному искривлению скважины.

Результаты исследований использованы при разработке экспериментального образца, технических условий и параметров установки управляемой прокладки скважин, инженерной методики выбора рациональных параметров управляемого головного снаряда - отклонителя для условий статического прокола технических скважин. Результаты исследований рекомендуются при проектировании головного снаряда - отклонителя для направленной прокладки скважин методом статического прокола и подтверждаются актом внедрения результатов исследований Северо-Кавказским представительством государственного научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела в г. Шахты Ростовской области.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано решение важной научно-технической задачи -повышения эффективности направленной прокладки горизонтальных скважин путем обеспечения необходимого положения в пространстве головного снаряда за счет регулируемой разности угловых скоростей сопряженных звеньев кинематических пар и разработанных на их основе пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов при наименьшей энергоемкости процесса с учетом физико-механических свойств грунтов.

Рисунок 5— Функциональная схемаустановки направленнойпрокладки горизонтальныхскважинметодом статического прокола

А - система энергоснабжения; В - головной снаряд, С - силовая установка; Д1,Д2,ДЗ,Д4—соответственно-датчикперемещения, вертикали, изгиба головного снаряда, числа оборотов привода; а, Д 8, Ь - контролируемые величины, соответственно угол изгиба между секциями снаряда, угол наклона, дирекционный угол, шаг подвижки головного снаряда; 27 - сумматор; АПУ- аналого-преобразующее устройство; АЦП - аналого-цифровой преобразователь

Рисунок 6 — Экспериментальные исследования установки

Основные научные выводы и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. Разработан способ корректирования направления движения головного снаряда за счет поочередного вращения во встречных направлениях звеньев управляемого пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма при контроле его положения относительно продольной оси снаряда и последующей коррекции этой оси относительно вертикали, независимо от возможного поворота става, являющегося измерительной базой.

2. Разработаны пространственно-ориентируемые манипуляционные механизмы, состоящие из одного шарнирного соединения и выполненные на базе новых кинематических пар первого класса «плоскость-плоскость» и «шар-лунка». Разработаны конструкции управляемых головных снарядов, на основе пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов, а также функциональная схема установки направленной прокладки скважин.

3. Высокая плотность траектории движения выходного звена пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма (до 1,5 мм) при минимальной величине отклонений действительной траектории от заданной реализуется при соблюдении следующих условий: лу)|/~7 и Чд/п1п£>3,5.

4. На управляемость головного снаряда основное влияние оказывают силы, прилагаемые к боковым поверхностям его пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма со стороны уплотняемого грунта, численное значение которых зависит от величины эксцентриситета и достигает максимума при внедрении пространственно-ориентируемого ма-нипуляционного механизма на глубину соответствующую высоте его выходного звена. Траектория движения головного снаряда может быть представлена как последовательный ряд перемещений оси става от действия осевого усилия.

5. Форма наконечника головного снаряда не оказывает значительного воздействия на осевое усилие после его внедрения на величину, превышающую его удвоенную длину, и влияет только на управляемость головным снарядом, а с точки зрения управления наконечник должен иметь переменное сечение и гиперболическую образующую боковой поверхности.

6. Стабилизация осевого усилия при статическом проколе грунта достигается при внедрении наконечника на величину хода по оси скважины, соответствующую удвоенной длине наконечника, а величина необходимого для этого осевого усилия пропорциональна объему уплотненного и вытесненного грунта, с учетом сопротивления среды внедрению за счет уплотнения.

7. Использование данных технических решений позволит обеспечить, согласно экспериментальным и расчетным данным, следующие показатели: скорость управляемой прокладки скважины не ниже 8 м/час, минимально возможный радиус искривления скважины около 38 м (при диаметре

скважины 130 мм), точность ориентирования головного снаряда до 1,5 мм, точность отработки заданной траектории скважины в пределах 10-т40 на 1 метре прокладки (при общей длине скважины до 100 м) с последующей компенсацией на следующем шаге внедрения.

8. Расчетный экономический эффект составляет 1900000 рублей на каждые 1000 м прокладываемых управляемых скважин.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ АВТОРА.:

1. Меньшенин С.Е., Калинин Э.В. Структурно-морфологическая классификация устройств для проходки горизонтальных скважин / Вопросы горной электромеханики: Сб. науч. тр. НГТУ. - Новочеркасск: 1994.-С. 152-160.

2. Меньшенин С.Е., Груцынов М.В. Определение пространственного положения грунтопрокалывающего устройства / Вопросы горной электромеханики: Сб. науч. тр. НГТУ. - Новочеркасск: Изд-во НГТУ, 1994. - С. 161-165.

3. Меньшенин С.Е., Меньшенина ЕА Разработка функциональной схемы установки направленной проходки горизонтальных скважин с учетом траектории движения головного снаряда / Научно-технические проблемы разработки твердых полезных ископаемых юга России: Сборн. науч. тр. и док. конф. ЮРО, ШаО РАЕН, ЮРЦ РАЕН 2-3 июля 1998 / Под об. ред. А. Д. Мелькова, В. А. Матвеева. - Шахты: Изд-во ЮРО АГН, 1999. - С. 121-128.

4. Меньшенин СЕ. Геометрия и кинематика сочленений головного снаряда грунтопрокалывающего устройства / Механизация и электрификация горных работ: Сб. науч. тр. ЮРГТУ - Новочеркасск: Изд-во ЮРГТУ, 1999. -С. 31-40.

5. Ленченко В.В., Меньшенина ЕА, Меньшенин СЕ. Экспериментальные исследования взаимодействия головного снаряда с грунтом при статическом проколе / МГГУ, Горный информационно-аналитический бюллетень, №4. -М.: 2000. -С. 64-65.

6. Ленченко В.В, Меньшенина Е.А., Меньшенин СЕ. Выбор рациональных геометрических параметров головного снаряда при направленной проходке скважин / МГГУ, Горный информационно-аналитический бюллетень. -М.: №11, ноябрь 2001. - С 197-198.

7. Ленченко В.В, Меньшенин СЕ. Расчет траектории движения управляемого снаряда при прокалалывании грунтов / МГГУ, Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: №11, ноябрь 2001. - С. 198-201.

8. Ленченко В.В, Меньшенина ЕА, Меньшенин СЕ. Силовые параметры процесса внедрения головного снаряда при статическом проколе / МГГУ, Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: №11, ноябрь 2001. -С 201-203.

9. Меньшенин С.Е., Меньшснина Е.А Выбор рациональных геометрических параметров отклонителя при направленной проходке технических скважин / Глобальные и локальные экологические проблемы угледобывающей промышленности: Сб. науч. тр. 50-й юбилейной региональной научно-производственной конференции / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001.-С. 51-54.

10. Дровников А. Н., Меньшенин С. Е. Кинематический анализ механизмов манипуляционных систем / В межвуз. сб. н. тр.: Оборудование предприятий сервиса. Теория и опыт внедрения. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2002. -С. 110-121.

11. Дровников А. Н., Меньшенин С. Е. Структурный синтез головного снаряда для направленной проходки горизонтальных скважин / В межвуз. сб. н. тр.: Оборудование предприятий сервиса. Теория и опыт внедрения. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2002. - С. 170 - 175.

12. Меньшенин С. Е., Дровников А. Н. Определение наименьшей кривизны траектории бурового снаряда при проходке пространственно-ориентированных скважин / В межвуз. сб. н. тр.: Экология, технология и оборудование. Теория и опыт внедрения. - Ростов-на-Дону: Изд-во ДГТУ, 2003.-С. 156-159.

13. Патент 2168587 ЯИ С2, МПК 7Е02Г5/18 / Авторы: Меньшенин С.Е., Груцынов М.В., Меныиенина. «Способ и устройство для корректирования направления трубопровода небольшого диаметра, прокладываемого продав-ливанием» - Заявл. 01.06.1999; Опубл. 10.06.2001, Бюл. №16.

14. Патент 2169069 ЯИ С2, МПК 7Б25Л7/00 / Авторы: Меньшенин С.Е., Груцынов М.В., Меньшенина Е. А. «Шарнир манипулятора» - Заявл. 01.06.1999; Опубл. 20.06.2001, Бюл. №17.

15. Патент 2204660 ЯИ С2, МПК 7Е02Г5/18, Е21В7/08 / Авторы: Ленченко В. В., Меньшенина Е. А., Меньшенин С. Е. «Инструмент с переменным сечением» - Заявл. 15.06.2001; Опубл. 20.05.2003, Бюл. №14.

р-8 5 б 9

Меньшенин Сергей Евгеньевич

СТРУКТУРА И РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГОЛОВНОГО СНАРЯДА УСТАНОВОК ДЛЯ БЕСТРАНШЕЙНОЙ НАПРАВЛЕННОЙ ПРОКЛАДКИ СКВАЖИН

Автореферат

Подписано в печать 12.04.04. Формат 60x84 У16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л.1. Уч.-изд. л. 1,34. Тираж 100. Заказ 47.

Отпечатано в типографии: ИПБОЮЛ Бурыхин Б.М. Лицензия ПЛД №65-186 от 10.01.2000г. Адрес типографии: г.Шахты, Ростовская область, ул. Шевченко-143.

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Меньшенин, Сергей Евгеньевич

Введение

1 Анализ состояния вопроса. Постановка задач исследований

1.1 Область применения средств и способов прокладки скважин, технология выполнения работ

1.2 Классификация кинематических пар

1.3 Анализ взаимодействия рабочего органа головного снаряда с грунтом

1.4 Технические предпосылки создания новых средств управления звеньями пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов

1.5 Выводы и задачи исследований

2 Обоснование способа корректирования направления движения механизма

2.1 Обобщение принципов систематизации устройств для прокладки горизонтальных скважин. Структурно-конструктивный анализ

2.2 Обоснование способа корректирования направления движения головного снаряда

2.3 Обоснование синтеза одноконтактных кинематических пар

2.4 Выводы по главе

3 Анализ структуры, кинематики и кинетостатики пространственно-ориентируемых механизмов

3.1 Структурный синтез пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов

3.2 Решение прямой и обратной задач кинематики для обеспечения оперативной установки выходного звена пространственноориентируемого манипуляционного механизма в требуемое положение

3.3 Кинетостатический анализ силовых характеристик пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма

3.4 Выводы по главе

4 Разработка установки направленной прокладки скважин методом статического прокола и кинетостатический анализ ее силовых характеристик

4.1 Расчет головного снаряда для направленной прокладки горизонтальных скважин методом статического прокола

4.2 Определение силовых характеристик привода головного снаряда

4.3 Исследование взаимодействий в системе «пространственно-ориентируемый манипуляционный механизм головного снаряда - став - грунт»

4.4 Выводы по главе

5 Экспериментальные исследования. Внедрение результатов исследований

5.1 Экспериментальные исследования принятого способа корректирования направления прокладки скважин

5.2 Экспериментальные исследования взаимодействия инструмента с грунтом

5.3 Разработка и экспериментальные исследования опытного образца головного снаряда для направленной прокладки горизонтальных скважин методом статического прокола

5.4 Экспериментальные исследования установки направленной прокладки горизонтальных скважин

5.5 Выбор оптимальных геометрических параметров внедряемых наконечников исходя из условия управляемости

5.6 Методика расчета параметров головного снаряда установки направленной прокладки скважин методом статического прокола.

5.7 Выводы по главе 163 Заключение 165 Список литературы 168 Приложения 179 Приложение 1 Конструкции предлагаемых одноконтактных кинематических пар 180 Приложение 2 Кинематика и кинетостатика пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма 183 Приложение 2.1 Программа вычислительного и графического моделирования кинематики и кинетостатики манипуляционного механизма (патент №2169069) 184 Приложение 2.2 Программа вычислительного и графического моделирования кинематики и кинетостатики манипуляционного механизма (патент 2168587) 191 Приложение 2.3 Программа вычислительного и графического моделирования кинематики и кинетостатики манипуляционного механизма (авторское свидетельство №1138317, 905065) 198 Приложение 3 Разработка установки направленной прокладки скважин методом статического прокола и кинетостатический анализ ее силовых характеристик 204 Приложение 3.1 Принцип работы и описание конструкции силовой установки для прокладки скважин методом статического прокола 205 Приложение 3.2 Определение зависимости объема уплотненного и вытесненного грунта от величины угла межу осями вращения звеньев пространственно-ориентирующего манипу-ляционного механизма

Введение 2004 год, диссертация по транспортному, горному и строительному машиностроению, Меньшенин, Сергей Евгеньевич

Отечественный и зарубежный опыт применения установок направленной прокладки скважин показывает высокую эффективность их использования на многих строительных объектах, особенно в стесненных городских условиях. В настоящее время область применения установок статического прокола скважин значительно расширяется за счет разработки систем пространственной ориентации прокладываемых скважин.

Объективная необходимость в оборудовании для направленной прокладки горизонтальных скважин малого диаметра значительна и обосновывается низким уровнем технического состояния подземных инженерных коммуникаций большинства городов России. Актуальность этой проблемы напрямую связана с повышением требований к сохранности природной среды и производительности машин при соблюдении комплекса технических ограничений при строительстве и реконструкции различных объектов. Эта проблема требует решения ряда задач, связанных с созданием и внедрением новых управляемых установок и систем управления движением исполнительных органов технологических машин в пространстве.

Проектирование установок для управляемого статического прокола и их исполнительных органов - пространственно-ориентируемых мани-пуляционных механизмов требуют их исследования, создания основ их расчета и конструктивной проработки. Специфические условия работы механизмов, связанные с особенностями внешних нагрузок, требуют дополнительных исследований применяемых схем с точки зрения их струк-турообразования, кинематического, статического и энергетического анализа. Методы направленной прокладки скважин, применяемые ранее в основном для предотвращения нежелательного искривления, в последнее время все более широко и успешно используются для прокладки скважин сложного профиля, содержащих проектные криволинейные интервалы [1].

С этой целью применяются специальные технические средства и технологические приемы, основывающиеся на возможности надежного и быстрого ориентирования исполнительного органа головного снаряда в требуемом направлении [2, 3]. При строительстве и реконструкции различных объектов наиболее сложной и трудоемкой операцией является прокладка различных подземных горизонтальных коммуникаций под существующими сооружениями, городскими улицами и т. п., трудоемкость которых существенно снижается при использовании бестраншейных способов в сочетании с контролем и оперативной коррекцией траектории.

Выполняемая работа обеспечивает возможность создания, на основе разработанных пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов, универсальных головных снарядов для направленной прокладки горизонтальных и наклонных скважин, приспособленных для дальнейшей автоматизации и использования их в качестве управляемых отклонителей.

В последние годы вопросам создания управляемых в пространстве манипуляционных механизмов уделяется большое внимание, о чем свидетельствуют работы ДонУГИ, Московского и Ленинградского горных университетов, Южно-Российского государственного технического университета (ЕЛИ) и др. Исследованиям теории и практики ориентирования головных снарядов в пространстве посвящены работы ряда специалистов: А.А. Алейникова, С.С. Сулакшина, А.Г. Булгакова, Г.М. Водяника, В.Т. Загороднюка, Д.М. Крапивина, В.В. Ленченко, Е.Л. Лиманова, С.А. Ще-петкова, М.С. Сафохина и др. Исследования за рубежом были проведены, Г. Вудсом, А. Лубинским (США), фирмой «Дайнадрилл» (США), Tracto-Technik (Германия) и др. Исследованиями кинематических пар пространственных манипуляционных механизмов занимаются: Л.Т. Дворников, Э.Я. Живаго, Д.Н. Решетов, Д.Д. Тавхелидзе и др.

Соответствие диссертации научному плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления «Теория и принципы построения автоматизированных машин, робототехнических и мехатронных устройств и систем», утвержденного Ученым советом ЮРГТУ (НПИ) 25.04.1998 г., по госбюджетной теме кафедры «Строительные, дорожные и коммунальные машины» ЮРГТУ (НПИ): П53-804 «Теория, принципы создания и диагностики машин и агрегатов для строительства и предприятий стройиндустрии».

Цель работы. Повышение эффективности направленной прокладки горизонтальных скважин путем совершенствования конструкций установок за счет реализации пространственного управления положением головного снаряда с заданной точностью при наименьшей энергоемкости процесса с учетом физико-механических свойств грунтов.

Идея работы. Обеспечить необходимое положение в пространстве сопряженных звеньев новых кинематических пар, лежащих в основе предложенных пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов, за счет регулируемой разности угловых скоростей их звеньев и разработанных: способа направленной прокладки скважин; систем управления и конструкций головных снарядов с рациональными параметрами, обоснованными математической моделью взаимодействий в системе «грунт — пространственно-ориентируемый манипуляционный механизм - головной снаряд - став — система контроля и управления».

Защищаемые научные положения:

- заданное положение манипуляционных механизмов обеспечивается регулируемой разностью угловых скоростей сопряженных звеньев кинематической пары, лежащей в основе этих механизмов, за счет однонаправленного или встречного движения их звеньев;

- структурный синтез и кинематический анализ исполнительных пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов, а также синтез кинематических пар для заданных технологических требований на основании анализа числа степеней их подвижности обеспечивают возможность создания синтезированной шарнирной системы, состоящей из минимального числа кинематических пар высших классов;

- выбором оптимальных геометрических параметров пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов и угловых скоростей вращения их звеньев обеспечивается высокая степень управляемости с технологически требуемыми показателями точности отработки траектории движения и высокая плотность траектории движения выходного звена механизма при минимальной величине отклонений действительной траектории от заданной;

- на управляемость головного снаряда основное влияние оказывают силы, прилагаемые к боковым поверхностям его исполнительного органа -пространственно-ориентируемого манипулядионного механизма со стороны уплотняемого грунта, численное значение которых зависит от величины эксцентриситета;

- величина разности боковых усилий, прилагаемых со стороны грунта к диаметрально противоположным поверхностям асимметричного наконечника, достигает максимума при внедрении последнего на глубину соответствующую высоте наконечника; стабилизация осевого усилия при статическом проколе грунта происходит при заглублении наконечника, соответствующем его удвоенной длине; осевое усилие - Рос, необходимое для этого, пропорционально объему вытесненного и уплотненного наконечником грунта - Угр, с учетом сопротивления среды внедрению за счет уплотнения, а форма наконечника не оказывает значительного воздействия на осевое усилие после внедрения на глубину, превышающую его удвоенную высоту, и влияет только на управляемость головного снаряда.

Новизна научных положений заключается: в установлении наиболее значимых критериев отбора конструктивных, функциональных и структурных признаков на основе структурной классификации способов и технических средств горизонтальной прокладки технических скважин, позволяющих учитывать известные технические решения и генерировать новые; в установлении зависимости осевого усилия, необходимого для внедрения наконечника в грунт, от его геометрических параметров, формы и физико-механических свойств грунта; в установлении зависимости сил сопротивления грунта вдавливанию асимметрично установленного наконечника на поверхностях контакта его с грунтом - отклоняющих сил от объема сжатия грунта; в установлении критериев выбора параметров головного снаряда и его пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма, обеспечивающих возможность рационального управления направленной прокладкой горизонтальных скважин для ведения головного снаряда по расчетной траектории.

В работе защищаются: пространственно-ориентируемые манипу-ляционные механизмы; кинематические схемы и конструкции головного снаряда для прокладки направленных горизонтальных скважин; способ корректирования направления прокладки скважин; новый рабочий орган с переменным сечением; математические модели, позволяющие производить вычислительные эксперименты процесса взаимодействия головного снаряда с грунтом; функциональная схема управления головным снарядом для направленной прокладки горизонтальных скважин; основные положения методики выбора оптимальных параметров головного снаряда с учетом зависимости необходимого осевого усилия от геометрических параметров его пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма и физико-механических свойств грунта.

Значение работы. Научное значение:

- разработаны новые способы пространственной ориентации мани-пуляционных механизмов для корректирования направления прокладки скважин;

- на основании структурного синтеза и кинематического анализа исполнительных пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов для заданных технологических требований обоснована возможность создания синтезированной шарнирной системы, состоящей из минимального числа кинематических пар высших классов;

- разработаны математические модели взаимосвязи критериев управляемости при прокладке заданной трассы от геометрических параметров головного снаряда и параметров его взаимодействия с грунтом;

- установлен интервал стабилизации осевого усилия;

- установлены критерии выбора геометрических параметров головного снаряда и значимость влияния формы пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов головных снарядов на управляемость и на сопротивления внедрению при прокладке скважин.

Практическое значение имеют: разработанные и запатентованные способ и устройство для корректирования направления прокладки скважин, рабочий орган головного снаряда, защищенные патентами РФ; конструкции и математические модели взаимодействия головного снаряда и става с грунтом в системе «грунт - пространственно-ориентируемый мани-пуляционный механизм — головной снаряд — став — силовая установка»; математические модели, инженерная методика и программное обеспечение: управления головным снарядом и контроля его положения, решений прямой и обратной задачи кинематики, взаимодействий головного снаряда с грунтом и выбора его оптимальных параметров; разработанные способы пространственного ориентирования, пространственно-ориентируемые ма-нипуляционные механизмы на их основе; функциональная схема установки направленной прокладки скважин; опытный образец полномасштабного управляемого головного снаряда.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: использованием современных методов исследований, среди которых: методы структурного анализа пространственных механизмов, методы аналитической геометрии и теории механизмов и машин; методикой выбора для заданных технических условий параметров головного снаряда установки направленной прокладки скважин; применением теории планирования полного факторного эксперимента и методов математической статистики при обработке его результатов; адекватностью результатов расчета и экспериментальных исследований.

Внедрение результатов диссертационных исследований.

Результаты исследований рекомендуются при проектировании головного снаряда - отклонителя для направленной прокладки скважин методом статического прокола и подтверждаются актом внедрения результатов исследований Северо-Кавказским представительством государственного научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела в г. Шахты Ростовской области; использованы при разработке экспериментального образца управляемого головного снаряда -отклонителя для условий статического прокола технических скважин.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-технических конференциях (1994-2001 г.г.) ШИ (ф) ЮРГТУ (НПИ), на научно-практической конференции ЮжноРоссийского отделения Академии горных наук (1998 г.) ( г. Шахты, Ростовской обл.), на международном симпозиуме «Неделя Горняка», Московский Государственный Горный университет, 2000-2001 г. (г. Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей, получе- -но 3 патента России.

Автор выражает глубокую признательность доктору технических наук, профессору Щепеткову С.А. за его вклад в становление данной работы на ее начальном этапе, научное руководство, прерванное его безвременной смертью.

Заключение диссертация на тему "Структура и рациональные параметры головного снаряда установок для бестраншейной направленной прокладки скважин"

5.7 Выводы по главе

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Практически подтверждена эффективность разработанных ма-нипуляционных механизмов для их работы в качестве отклоняющих механизмов в ГС с рациональным управлением траекторией прокладываемой скважины.

2. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили возможность создания установки для управляемого прокола и эффективность принятого способа корректирования направления прокладываемой скважины за счет разности скоростей вращения звеньев разработанных ПОММ при их встречном или однонаправленном движении. Эффективность управления ГС при этом зависит от соотношения сил, прилагаемых к выходному звену ПОММ в плоскости проявления эксцентриситета, а траектория движения ГС может быть представлена как последовательный ряд перемещений оси става от действия осевого усилия.

3. Величина разности боковых усилий, прилагаемых со стороны грунта к диаметрально противоположным поверхностям асимметричного наконечника, достигает максимума при внедрении последнего на глубину соответствующую высоте наконечника - Н.

4. Стабилизация Рос при статическом проколе грунта происходит при заглублении наконечника, соответствующем 2Н. Величина, необходимого для этого осевого усилия пропорциональна Угр, с учетом сопротивления среды внедрению за счет уплотнения.

5. Форма наконечника не оказывает значительного воздействия на Рос после внедрения на глубину, превышающую 2Н, и влияет только на управляемость ГС. Отношение Рос /УГр представляет собой линейную зависимость для каждого типоразмера наконечника и изменяется в зависимости от акон.

6. Разработан инструмент с переменным сечением для прокладки скважин методом статического прокола.

7. Разработана методика расчета параметров головного снаряда установки направленной прокладки скважин методом статического прокола.

8. Проведенные экспериментальные и теоретические исследования позволяют создавать установки направленной прокладки скважин методом статического прокола со следующими показателями: скорость управляемой прокладки скважины не ниже 8 м/час, минимально возможный радиус искривления скважины около 38 м (при диаметре скважины 130 мм), точность ориентирования головного снаряда до 1,5 мм, точность отработки заданной траектории скважины в пределах 1°-г4° на 1 метре прокладки (при общей длине скважины до 100 м) с последующей компенсацией на следующем шаге внедрения.

заключение

В диссертационной работе дано решение важной научно-технической задачи - по повышению эффективности направленной прокладки горизонтальных скважин путем совершенствования конструкций установок за счет реализации пространственного управления положением головного снаряда с заданной точностью при наименьшей энергоемкости процесса с учетом физико-механических свойств грунтов.

Повышение эффективности направленной прокладки горизонтальных скважин достигается обеспечением необходимого положения в пространстве сопряженных звеньев новых кинематических пар, лежащих в основе предложенных пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов, за счет регулируемой разности угловых скоростей их звеньев и разработанных: способа направленной прокладки скважин; систем управления и конструкций головных снарядов с рациональными параметрами, обоснованными математической моделью взаимодействий в системе «грунт - пространственно-ориентируемый манипуляционный механизм - головной снаряд - став - система контроля и управления».

Основные научные выводы и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. Проведенный СКА обосновывает идентичность основных процессов известных способов разработки скважин, что позволило проводить все начальные стадии испытаний на более простых установках статического прокола.

2. Разработан способ корректирования направления движения головного снаряда за счет поочередного вращения во встречных направлениях звеньев управляемого пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма при контроле его положения относительно продольной оси снаряда и последующей коррекции этой оси относительно вертикали, независимо от возможного поворота става, являющегося измерительной базой.

3. Разработаны пространственно-ориентируемые манипуляцион-ные механизмы, состоящие из одного шарнирного соединения и выполненные на базе новых кинематических пар первого класса «плоскость-плоскость» и «шар-лунка». Разработаны конструкции управляемых головных снарядов, на основе пространственно-ориентируемых манипуляцион-ных механизмов, а также функциональная схема установки направленной прокладки скважин.

4. Высокая плотность траектории движения выходного звена пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма (до 1,5 мм) при минимальной величине отклонений действительной траектории от заданной реализуется при соблюдении следующих условий: iti/n^l, n/n^l и Пд/П]П2>3,5.

5. На управляемость головного снаряда основное влияние оказывают силы, прилагаемые к боковым поверхностям его пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма со стороны уплотняемого грунта, численное значение которых зависит от величины эксцентриситета и достигает максимума при внедрении пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма на глубину соответствующую высоте его выходного звена. Траектория движения головного снаряда может быть представлена как последовательный ряд перемещений оси става от действия осевого усилия.

6. Форма наконечника головного снаряда не оказывает значительного воздействия на осевое усилие после его внедрения на величину, превышающую его удвоенную длину, и влияет только на управляемость головным снарядом, а с точки зрения управления наконечник должен иметь переменное сечение и гиперболическую образующую боковой поверхности.

7. Стабилизация осевого усилия при статическом проколе грунта достигается при внедрении наконечника на величину хода по оси скважины, соответствующую удвоенной длине наконечника, а величина необходимого для этого осевого усилия пропорциональна объему уплотненного и вытесненного грунта, с учетом сопротивления среды внедрению за счет уплотнения.

8. Проведенные в работе экспериментальные и теоретические исследования позволяют создавать управляемые головные снаряды - откло-нители для прокладки скважин методом статического прокола со следующими показателями: точность ориентации искривления - 0,9; стабильность искривления - 0,954; технико-экономическая эффективность - 0,9262; ожидаемый показатель безаварийности - 0,86; скорость управляемой прокладки скважины не ниже 8 м/час; минимально возможный радиус искривления скважины около 38 м (при диаметре скважины 130 мм); точность ориентирования головного снаряда до 1,5 мм; точность отработки заданной траектории скважины в пределах 1°-г4° на 1 метре прокладки (при общей длине скважины до 100 м) с последующей компенсацией на следующем шаге внедрения.

9. Расчетный экономический эффект составляет 1900000 рублей на каждые 1000 м прокладываемых управляемых скважин.

Библиография Меньшенин, Сергей Евгеньевич, диссертация по теме Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

1. Костин Ю.С. Современные методы направленного бурения скважин.- М.: Изд-во Недра, 1981. 152 с.

2. Лиманов Б.Л., Страбыкин И.Н., Елизаров М.И. Направленное бурение разведочных скважин. М.: Недра, 1978. - 223 с.

3. Сулакшин С.С. Закономерности искривления и направленное бурение геологоразведочных скважин. М.: Недра, 1966. - 292 с.

4. Руководство по проходке горизонтальных скважин при бестраншейной прокладке инженерных коммуникаций / ЦНИИОМТП Госстроя СССР. М.: Стройиздат, 1982. - 96 с.

5. Цытович Н.А. Механика грунтов (краткий курс) / Учебник для вузов.- 3-е изд., доп. М.: Высшая школа, 1979. - 272 с.

6. Булгаков А.Г. Мехатронные системы бестраншейной прокладки коммуникаций. Новочеркасск: Новочерк. гос. техн. ун-т, 1997. - 82 с.

7. Исследование принципиальной возможности создания установок направленного бурения / Отчет по НИР НПИ. № ГР 0187003099; Инв. № 02910052328. - Новочеркасск: 1991. - 79 с.

8. Исследование принципиальной возможности создания управляемого снаряда для образования скважин в однородных грунтах методом прокола / Отчет по НИР НПИ. № ГР 01910053994; Инв. № 02910052327. -Новочеркасск: 1990. - 115 с.

9. Булгаков А.Г., Воробьев В.А., Попов В.П. Автоматизация строительных работ специального назначения (монография). М.: Российская инженерная академия. Секция «Строительство», 2000. - 187 с.

10. Исаченко В.Х. Системы контроля за траекторией ствола скважины за рубежом / Обзорная информация ВНИИОЕНГ. М.: Серия «Бурение», 1980.- 119 с.

11. Грачев Ю.В., Варламов В.П. Автоматический контроль в скважинах при бурении и эксплуатации. М.: Недра, 1968. — 328 с.

12. Крапивин Д.М. Разработка и исследование способа и средств направленного бурения технических скважин / Дис. канд. техн. наук. Новочеркасск, 1979. - 178 с.

13. Щепетков С.А. Принципы построения систем пространственного движения горных машин для подземных роботизированных технологий / Дис. доктора техн. наук. — Новочеркасск: 1990. 293 с.

14. Корнеев В.П. Управляемое бурение технических скважин / Дис. канд. техн. наук. Новочеркасск: 1983. - 196 с.

15. Сулакшин С.С. Проектирование профилей геологоразведочных скважин при направленном бурении. -М.: Изд-во ОНТИ ВИЭМС, 1978.

16. Сулакшин С.С., Кривошеев В.В., Рязанов В.И. Решение геолого-технических задач при направленном бурении скважин / Справочное пособие. М.: Изд-во Недра, 1989. - 167 с.

17. Загороднюк В.Т. Лазерные устройства в горной промышленности и строительстве. Новочеркасск: Изд-во НПИ, 1978. - 87 с.

18. Дворников Л.Т., Живаго Э.Я. Основы теории кинематических пар / Монография. Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 1999. - 105 с.

19. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. М.: Наука, 1975. -460 с.

20. Лиманов Е.Л., Страбыкин И.Н., Елизаров М.И. Направленное бурение разведочных скважин. М.: Недра, 1978. - 223 с.

21. Петухов П.З., Гурин М.А., Киселев Б.Н. Выбор рациональных параметров клина для разрушения мерзлоты / Строительные и дорожные машины, 1967.

22. Ровинский М.И., Телушкин В.Д. Влияние ядер уплотнения на характер разрушения мерзлого грунта при послойном рыхлении / Строительные и дорожные машины, № 2. М.: 1968.

23. Музгин С.С. К теории разрушения мерзлых грунтов / Труды Института горного дела АН Каз. ССР, 1957.

24. Киселев Б.Н. Некоторые закономерности статического внедрения клина в мерзлый грунт / Труды Уральского политехнического института. Вып. 128. Свердловск: 1963.

25. Захаров В.А., Ващук И.М., Аранзон М.И. Аналитическое исследование процесса внедрения клиновидного рабочего органа ударных машин в мерзлый грунт / Тр. ВНИИСтройдормаш. Вып. 71. М.: 1976.

26. Батуев Г.С., Голубков Ю.В., Ефремов А.В., Федосов А.А. Инженерные методы исследования ударных процессов. М.: Машиностроение, 1977.

27. Максимов В.П. Моделирование нижней оценки нагрузки на криволинейные рабочие органы почвообрабатывающих машин / Материалы 2 междунар. научно практической конференции / ЮРГТУ (НПИ) / Моделирование. Теория, методы, средства. - Новочеркасск: Темп / 2002.

28. Ващук И.М., Аранзон М.И. Сопротивление мерзлых грунтов динамическому внедрению клиновидного рабочего органа / Труды ВНИИСтройдормаш. № 65. М.: 1974.

29. СНиП П-15-74 Строительные нормы и правила. Часть 2. Нормы проектирования. Гл. 15. Основания зданий и сооружений. М.: Стройиздат, 1975.-64 с.

30. ГОСТ 5180- 84 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик / Государственный комитет по делам строительства. М.: Издательство стандартов, 1985. - 26 с.

31. СНиП II-105-97 Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть 1. Общие правила производства работ / Госстрой России. М.: ПНИИИС Госстроя России, 1997. 47 с.

32. СНиП 3.02.01-83 Основания и фундаменты / Государственный комитет по делам строительства. М.: Издательство стандартов, 1983. - 32 с.

33. Кодзаев Ю.В. Разведка месторождений твердых полезных ископаемых многоствольными горизонтальными скважинами. М.: Изд-во Недра, 1989.-200 с.

34. Онищин В.П., Блинов Г.А., Вартыкян В.Г., Плавский Д.Н. Методы, технология и организация буровых работ с использованием съемного инструмента. Д.: Изд-во Недра, 1990. - 268 с.

35. Кутузов Б.Н., Гозюмов С.Н. Продольная устойчивость бурового става в наклонной скважине / Труды Московского горного института / Горный журнал, №1, №3, 1974.

36. Вудс Г., Лубинский А. Искривление скважин при бурении. М.: Гос-тоитехиздат, 1960.

37. Яцкевич В.А., Крапивин Д.М. Классификация средств для направленной проходки скважин / В межвуз. сб.: Механизация и автоматизация горных работ. Новочеркасск: Изд-во НПИ, 1977. - С. 16-19.

38. Колесников А.Е., Мелентьев Н.Я. Искривление скважин. М.: Недра, 1979.-175 с.

39. Меныпенин С.Е., Калинин Э.В. Структурно-морфологическая классификация устройств для проходки горизонтальных скважин / Вопросы горной электромеханики: Сб. науч. тр. НГТУ. Новочеркасск: 1994. - С. 152-160.

40. Лиманов Е.Л., Страбыкин И.Н. К вопросу классификации видов средств направленного бурения разведочных скважин.направленное бурение, инклинометрия и кернометрия в Казахстане. Алма-Ата: Изд-во ЦИНТИ, 1963.-С. 6-12.

41. Калинин А.Г. Искривление скважин. М.: Недра, 1974. - 304 с.

42. Радзивилович Л.Л., Нечаев Н.Н. Новый типоразмерный ряд станков для бурения скважин по углю в шахтах / Уголь, №11,1979.

43. Сафохин М.С., Катанов Б.А., Тарасенко В.Е., Алейников А.А. Машины и инструменты для бурения скважин в угольных шахтах. М.: Недра, 1973. -216 с.

44. Картавый Н.Г., Улыпин В.А., Глушко В.В. Автоматизация управления движением горных машин, комплексов и агрегатов. М.: МГИ, 1969. - 170 с.

45. Лангенбах И.И., Шойхет Л.А. О возможности контроля движения горной машины в плоскости пласта с помощью маятника / В сб. Автоматизация шахт и рудников. Киев: Техника, 1967. - С. 52 - 58.

46. Управляемая буровая машина / Уголь Украины, №8, 1978. С. 28-29.

47. Головченко Б.Ф. Опыт бурения направленных технических скважин / Экспресс информация ЦНИЭИ Уголь. - М.: 1982. - 25 с.

48. Яцкевич В.А., Крапивин Д.М. Классификация средств для направленной проходки скважин / В межвуз. сб.: Механизация и автоматизация горных работ. Новочеркасск: Изд-во НПИ, 1977. - С. 16-19.

49. Авторское свидетельство № 905065 от 04.04.80 г. «Устройство перемещения руки робота». Авторы: Загороднюк В.Т., Корнеев В.П., Попков Ю.Н., Щепетков С.А., Яцкевич В.А.

50. Авторское свидетельство № 1086151 от 24.12.82 г. «Манипулятор для буровых машин». Авторы: Доценко Г.Л., Дробышевский Л.И., Корнеев В.П., Попков Ю.Н., Щепетков С.А.

51. Авторское свидетельство № 1138317 от 04.11.83 г. «Шарнир манипулятора». Авторы: Гайдуков И.Н., Корнеев В.П., Попков Ю.Н., Щепетков С.А.

52. Авторское свидетельство № 1207758 от 25.06.84 г. «Устройство относительного поворота звеньев манипулятора». Авторы: Попков Ю.Н., Корнеев В.П., Щепетков С.А.

53. Авторское свидетельство № 1222548 от 12.10.84 г. «Рука манипулятора». Авторы: Попков Ю.Н., Корнеев В .П., Щепетков С.А.

54. Авторское свидетельство № 1289131 от 14.05.85 г. «Гидромонитор». Авторы: Попков Ю.Н., Корнеев В.П., Щепетков С.А., Митрохин А.Ю.

55. Авторское свидетельство № 1407803 от 19.01.87 г. «Шарнир манипулятора». Авторы: Попков Ю.Н., Корнеев В.П., Щепетков С.А., Митрохин А.Ю.

56. Авторское свидетельство № 1144881 от 09.11.83 г. «Шарнир руки робота». Авторы: Попков Ю.Н., Дарда И.В.

57. Авторское свидетельство № 1283102 от 28.01.85 г. «Шарнир манипулятора». Авторы: Попков Ю.Н., Дарда И.В.

58. Авторское свидетельство № 1059113 от 27.02.81 г. «Способ направленного бурения скважин и устройство для его осуществления». Авторы: Попков Ю.Н., Дарда И.В.

59. Авторское свидетельство № 1502300 от 21.01.88 г. «Шарнир манипулятора». Авторы: Попков Ю.Н., Щепетков С.А., Корнеев В.П.

60. Авторское свидетельство № 1429476 с 19.01.87 г. «Манипуляцион-ное устройство для лазерной обработки». Авторы: Попков Ю.Н., Корнеев В.П., Щепетков С.А., Митрохин А.Ю.

61. Меньшенин С.Е., Меныпенина Е.А., Груцынов М.В. Заявка № 99111532-20 (012207) «Способ и устройство для корректирования направления трубопровода небольшого диаметра, прокладываемого про-давливанием». Патент на изобретение № 2168587 от 10.06.2001.

62. Меньшенин С.Е. Меныпенина Е.А., Груцынов М.В. Заявка № 99111531/02(012206) от 01.06.99 г. «Шарнир манипулятора». Патент на изобретение № 2169069 от 20.06.2001.66. Решетов

63. Дровников А.Н., Меньшенин С.Е. Структурный синтез головного снаряда для направленной проходки горизонтальных скважин / В меж-вуз. сб. н. тр.: Оборудование предприятий сервиса. Теория и опыт внедрения. Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2002. - С. 170 - 175.

64. Красников В.Ф. Синтез структуры автоматических манипуляторов. Механизация и автоматизация производства, №10, 1982. С. 13-17.

65. Воробьев Е.И., Попов С.А., Шевелева Г.И. Механика промышленных роботов: Учебное пособие для втузов: В 3 кн. / Под ред. Фролова К.В., Воробьева Е.И. Кн. 1: Кинематика и динамика. М.: Высш. шк., 1988.-304 с.

66. Меньшенин С.Е. Геометрия и кинематика сочленений головного снаряда грунтопрокалывающего устройства / Механизация и электрификация горных работ: Сб. науч. тр. ЮРГТУ Новочеркасск: Изд-во ЮРГТУ, 1999.-С. 31-40.

67. Дровников А.Н., Меныненин С.Е. Кинематический анализ механизмов манипуляционных систем / В межвуз. сб. н. тр.: Оборудование предприятий сервиса. Теория и опыт внедрения. — Шахты: Изд-во ЮР-ГУЭС, 2002.-С. 110-121.

68. Тавхелидзе Д.Д. Методы исследований и расчета исполнительных механизмов манипуляционных роботов. Издательство Тбилисского университета. Тбилиси: Типография АН ГССР, 1984. - 278 с.

69. Бабич А.В., Баранов А.Г., Калабин И.В. и др. Под ред. Шифрина Я.А. Промышленная робототехника. М.: Машиностроение, 1982. 415 с.

70. Козлов Ю.Г., Макарычев В.П., Тимофеев А.В., Юревич Е.И. Динамика управления роботами. -М.: Наука, 1984. — 336 с.

71. Зенкевич С.Л., Ющенко А.С. Управление роботами. Основы управления манипуляционными роботами / Учебник для вузов М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 400 с.

72. Андреенко С.Н., Ворошилов М.С., Петров Б.Е. Проектирование приводов манипуляторов. Л.: Машиностроение, 1975. - 278 с.

73. Патент №62-34916. Е 21 Д9/06 от 29.07.87 (Япония).

74. Андрианов Ю.Д., Глейзер Л.Я., Игнатьев М.Б. и др. Управляющие системы промышленных роботов. М.: Машиностроение, 1984. 288 с.

75. Юревич Е.И., Новаченко С.И., Павлов В.А. Управление роботами от ЭВМ. Л.: Энергия, 1980. - 264 с.

76. Шкуренко Н.С., Рахлин А.Б., Спектор М.Д., Чарин В.А., Петухов П.З., Турин М.А., Киселев Б.Н. Виброметод разработки мерзлых грунтов. М.: Стройиздат, 1965.

77. Суриков В.В. Механика разрушения мерзлых грунтов. Л.: Стройиздат, Ленинградское отд-ние, 1978. - 128 с.

78. Абезгауз В.Д. Режущие органы машин фрезерного типа для разработки горных пород и грунтов. М.: Машиностроение, 1965.

79. Ленченко В.В., Меныпенина Е.А., Меныпенин С.Е. Экспериментальные исследования взаимодействия головного снаряда с грунтом при статическом проколе / МГГУ, Горный информационно-аналитический бюллетень, №4. М.: 2000. - С. 64-65.

80. Гальперин М. И., Николаев Б. А. Исследования разрушения мерзлых грунтов клиньями / Строительные и дорожные машины, 1962, №11.

81. Черепанов Г. П., Ершов Л. В. Механика разрушения. М.: Машиностроение, 1977. 224 с.

82. Ленченко В. В., Меныпенин С. Е., Меныпенина Е. А. Выбор рациональных геометрических параметров головного снаряда при направленной проходке скважин / Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: № 11, ноябрь 2001. - С. 197-198.

83. Ленченко В.В., Меныпенин С.Е. Расчет траектории движения управляемого снаряда при прокалывании грунтов / Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: №11, ноябрь 2001. - С. 198-201.

84. Меныпенин С.Е. Взаимодействие бурового става и головного снаряда с грунтом при направленной проходке горизонтальных скважин / МГГУ, Горный информационно-аналитический бюллетень, №4. М.: 2000. - С. 66-68.

85. Корневиц Э.Ф., Эндер Г.В. Формулы для расчета балок на упругом основании. Л.: Госстройиздат, 1932.

86. Гавришин А.И. Сборник задач по математической статистики для геологов. Новочеркасск: Изд-во НПИ, 1983. - 88 с.

87. Михайлов В.И., Федосов К.М. Планирование экспериментов в судостроении. Л.: Судостроение, 1978. - 160 с.

88. Монтгомери Д.К. Планирование эксперимента и анализ данных / Пер. с англ. Л.: Судостроение, 1980.-384 с.

89. Чистяков В.П. Курс теории вероятностей / Учеб. 3-е изд., испр. — М.: Наука. -1987. -240 с.

90. Ленченко В.В., Меньшенина Е.А., Меныпенин С.Е. Силовые параметры процесса внедрения головного снаряда при статическом проколе / Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: №11, ноябрь 2001.-С. 201-203.

91. Меныпенин С.Е., Груцынов М.В. Определение пространственного положения грунтопрокалывающего устройства / Вопросы горной электромеханики: Сб. науч. тр. НГТУ. Новочеркасск: Изд-во НГТУ, 1994. -С. 161-165.

92. Меныпенин С.Е., Горбунов А.Н. Алгоритм и техническая реализация измерения пространственного положения осей бурового снаряда / Вопросы горной электромеханики: Сб. науч. тр. НГТУ. Новочеркасск: Изд-во НГТУ, 1994.-С. 166-177.

93. Ленченко В.В., Меньшенина Е.А., Меныненин С.Е. Заявка № 2001116773 «Инструмент с переменным сечением». Патент на изобретение № 2204660 от 15.06.2001.

94. Волков А.С., Долгов Б.Н., Пономарев Г.И. Вращательное бурение разведочных скважин. М.: Изд-во Недра, 1977. - 368 с.

95. Новиков Г.П., Белкин O.K., Клюев Л.К. и др. Справочник по бурению скважин на уголь. М.: Изд-во Недра, 1988. - 256 с.

96. Давыдов В.В., Дуда Е.Г., Кавешников А.И., Кипко Э.Я., Полозов Ю.А. и др.; Под общей редакцией проф., д-ра техн. наук Трупака Н.Г. Справочник по сооружению шахтных стволов специальными способами. М.: Недра, 1989, 391 с.

97. Хямяляйнен В.А., Бурков Ю.В., Сыркин П.С. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок. М.: Недра, 1994, 400 е.: ил.

98. Кипко Э.Я., Полозов Ю.А., Лушникова О.Ю. и др. Тампонаж обводненных горных пород: Справочное пособие. М.: Недра, 1989. 318 е.: ил.