автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Теоретические основы проектирования станков вращательного бурения нового технического уровня для угольных шахт

31 и я У %

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

комитет по высшей школе

КУЗБАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

СКОРНЯКОВ Николай Михайлович

УДК 622-233.622: 658.28: 622.23.055. 52

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТАНКОВ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ НОВОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ ДЛЯ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Специальность 05-05.06 — «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Кемерово 1992

Работа выполнена в Кузбасском политехническом институте и на Анжерском машиностроительном заводе (АО «Анже-ромаш»).

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие —

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РСФСР В. Ф. Горбунов

член-корреспондент Академии наук' республики Кыргызстан, доктор технических наук, профессор Л. Т. Дворников

доктор технических наук, профессор В- А. Перетолмин

Анжерский машиностроительный завод (АО «Анжеромаш»).

Защита диссертации состоится 21 сентября 1992г. в 10-00 часов па заседании специализированного совета Д 063.70.01 при Кузбасском политехническом институте по адресу: 650026, г. Кемерово, 26, ул. Весенняя, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кузбасского политехнического института.

Автореферат разослан 17 августа 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, Д 063.70.01 -доктор технических наук,

профессор Б. Л. АЛЕКСАНДРОВ

'ОССЧЙСКДЯ

удл.и.гй^-кн/.};

¡ИБЛИбХьКЛ

' • ОБЩАЯ ХАРАКШШШ РАБОТЫ

• Актуальность работы. Перед угледобывающей промышленность« раны стоят ответственные задачи по повьпиант) объемов добычи уг-! и рентабельности производства. Усложнение горно-гоологичеашх ловий добычи угля ь^дэемкш способом, а такяе повышение соци-ьной напряженности в стрясли с. ^вят на передний план задачи по-шеняя производительности горной техники, надежности её работы, иаетш дали ручного труда и.повышения безопасности веде <ня ра-т. Э*с иояег быть решено только путей технического перевооружи! отрасли на основе комплексной механизация и аэтоыатизацйл сяззодстза.

При системах разработки применяет« на угольных пахтах, прочится Сольвоо количество подготовите..оних выработок и сквая я яличного назначения. Особенно велик г Ъ,ен буретя скЕажш при работка крутопадаодих а наклонных пластов. Для целого ряда сис-» разработки бурение скваякк является одной из основных олера-Я ведения горных работ. Таи, при щитовой л комбинированной с бким перекрытием системах разработки крутопадащих пластов на ядуо 1000 т добываемого угля приходятся от 20 до 140 метров сстащих выработок. В Прокопьевско-Кяселеь-кои районе Кузбасса »годно бурится до 1000 км скважин оолыпог'о диаметра. Больлой геи бурения скважин, непосредственное влияние скорости бурения . темпы добычи угля и высокая трудоемкость бурения ставят пробны совершенствования буровой техники в ряд приоритетных.

Парк буковых станков.на вахтах страны отличрчтся большой но-далатурой - свит"» 30 наим юваний. Возрастающие потребности бу-ния скважин большого д* -»метра (280 1500 им) и постоянное созер-нствова^ие бурового инструые га привели к возникновешг несс-"•чтсгвяя технических параметров буровых станков предъявляемы« юбованиям. В немалой степени это вызвано тем, что серийное про-вор.гтво более 60% станков начата 18-20 лет назад. Существующая лоследнее вре* т ч-знденция эвс..гациошг-о развития гЯ-рсвой т^хни-[ в направлении товышения её энерговооруженности но приводит к ;екватному увеличения технической трокзводктельн бурения, 'о обусловлено отсутствием рациональной сбалансированности па-метров самого бурового стрчкс., г та*1ке ть.-., что в общем врене-I процесса бурения все большую долю начк аот занимать вспомога-льнне о..грация. Огобеньо трудоемки и травмоопасны вспомогатель-

дое операции по наращивание- и демонтажу бурового става, „о «ас тоящего времени достаточно полной механизации монтажно-демонтаж-ькх работ с буровым ставок не имеет ни один станок.

Причиной возникших ..роблем является отсутствие методов и средств системного подхода к создание буровых станков с высоких техническим уровнем. Традиционные методы конструирования «е исключают ошибок, а существующие нормативные документы не позволяют осуществить достаточно объективную комплексную оценку технического уро£на (качества) станка вращательного бурения.•

Настоящая работа непосредственно связана с одк^й из важнейших проблем народного хозяйства - повышением качества ма^лн.

Иэложенноз свидетельствует об актуальности диссертационной работы.

Исследования выполнялись в рамках отраслевых планов НИР Ми* углепроиа страны ¡совместно с Анжерскиы машиностроительным заводом, программы г'голь Кузбасса", являющейся составной часть» комплексной региональной программы "Сибирь" на основании постановления ТШГ СССР и Пре?-пиума АН.СССР от 13.07.84 JQ85/96.

Цель работы - разработка теоретических основ создания буровых станков нового, <5олее высокого технического уровня для бурения восстающих сквакин большого диаметра в угольных шахтах.

Идея работы - представление бурового станка как системы н создание методов комплексного руления BonpocoL проектирования станков вращательного бурения высокого технического уровня с позиций системотехники.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели решались сдс^д д::с отдачи:

- разработка методики комплексной оценки технического уровня буровых станков для установления рационального соотношения ш параметров;

- оценка обобщенного показателя технического уровня существ ещих буровых станков и определ ние направлений «го ловышения;

- разработка перспективных компоновочных схем буровых станков на основе рационального размещения элементов их приводов;

- совершенствование конструкции й-параметров приводов враще кия и подачи бурового станка, удовлетворяющих требованиям согре-меннсго бурового инструмента;

- обоснование и разработка средств механизации вспомогатель

них операций при бурэнии.

Методы исследований. В процессе выполнения работы использова -лись разработанные авторы комплексной оценки технического урс -ня буровых станков и проектирования структур манипуляторов к ним, а также выполнялись аналитические, лабораторные и промышленные исследован» л.

Лабораторные исследования про »дились на полноразмерных стендах с использ. занием современных средств измерения и регистрации параметров. Отдельные технические решения прг"1лк агфобац* "1 в про-талиленкых условиях, что обаспечило объективную их оценку.

Научные положения, выносимые на защиту;

- методика комплексной оценки технического уровня буровых станков на стадии проектирован!'", разработанная на базе методикибез-зг-.nopvHOii оценки качества горних маек , предложенной Г.Л.Cor дом, отличающаяся характерным для буровых cihkob функциональным критерием и единичными показателями, гтредета злящая собой инструмент однозначной объективной оценки соотношения параметров бурового станка и позволяйся выявить резерва и пу .-и повышения его технического уровня;

- разработка перспективных компоновочных схем буровых станков с механизмом подачи в виде сдвоенных гидрощ.линпров;

- методика расчета- привода вращения бурового станка при использовании гидродинамической иуфты;

- методика расчета и выбора параметроз гидравлического привода бурових сачков, оценки его рдааыических свойств и способа^ обеспечения рациональных рекишв бурения;

- метоп, проектирования с руктур манипуляторов буровых станков, •рекомендации по выбору г • кинематиче ки:с схем, методика расчета-конструктивных I. .ракетров и- се ж параметры манипулятора чя бурового станка типа БГА;-

- методики расчета параметров и конструг чи комплекса устройств механизации оп';>аций бурового цикла (буровые пачроны, ключл-под-

х аты, штибоотв'-п .. ь^регружап ;ь, питатель), а также рекомендации по их выбору отличающиеся тем, что обес.ечивают их взаимную сбалансированность и непротиворечив" ость.

Обосчованность и достоверность научных лоложений, выводов и рекомендаций.

Научные положения, выводы и рекоменда! и обоснованы выбором

г.рздсгагигельк х критериев, обусловчяэаэщих технический уровень буровых ст&чкоз; достаточном обгэмом теоретических исследований, вилолне;-:шх а ¿римешяек апробированных методов математической статистик« и теории множеств, планьропаняя и объемом лабораторных экспержептоь, делать выводы с доверительной вероят-

ностью не нияе 9Ь£, а также результатами апробации рекомендуемых устроЬотз е .троизводствегних условиях.

Научная уови.эна диссертации заключается:

- в разраб тке методики компла:ссно£ оценки технического урой ня буровых станков, позволяющей на самых ранних стадиях проектирования объективно отпирать принимаем: з решения;

л ¿'становлении закономерностей перспективных компоновочных схем буровых егьнггоп, обьспзчивэгадих рациональноз размещение элемонгев их приводов; '

- п определении чипа и параметров привода буровых станков., удевлетьоряютего требованиям современного бурового инструмента и пэзепляклцогс обеспечить автоматическое поддержание рациоиаль-.ых ре;химов бурбния, а такта в разработке ег^ динамической модели;

- в разработке метода проектирования структур манипуляторов Суроьых станков» отличающегося линейны:»« порядком процедур, исключением непредсказуемости результата и позволяющего ьсущесг-вг~ь анализ всего обг«.. 'а ьозмоккых вариантов кинематических схем манйцуллторов.

Дичьый млнр. заключается в обобщении и решении крупной научной проблема, ча^ой являемся разработка теоретических основ создан:«! буровых станков с Солее вы*, .»кии техническим уровнем. В райках стдальюос разделов диссертации личный вхла/ автора заключи">т-< : в разработке методики комплексной оцегш технического уровня суанкса; в установлении и рэ • работке перспективных ком-гюновочьых схем с?аню э у станов пении г-'циональных направлений совершенствования и создания приводов вращения и подачи буровых станков; в разработке и установлении параметров г»., .фи б ли .некого гпзивода буровых станков с'автоматическим подддержанием .остатон-но рациональных рэжимов Оуренил; ъ определении рационального направления мзланивацик эспоксгательнь« операций для Дуровых станкоБ типа БГА; в разработке метода проектирования струю.р манипуляторов и установлении их конструктивных параметров; в разработка. комплекса устройств "еханизации бур^чого цикла и уставов-

дении закономерностей расчета их параметров.

Практическое значение работа саключается л разработке! иеханиэ-ыа объективной оценки принимаемых р&иекий но сьмоП ранней старта проектирования буровых станков и в создании целого ряда ногкх конструкций устройств и эломен?ов станке. Практическая значимость работы подтверждается к те?1, что ряд наушд/ поясжен^й, выводов и рекомендаций реализуете« при создании и совертенса эв^нии буровых станков.

Реализация выводов % рекомендаций работы. Разработанные методики, конструктивные решения и рекомендации э г. лном объеме ис-пользуагся Анжерским машиностроительным згаодо:*.. лвляицкмея ссно-В5 тл разработчиком и изготовителе)! буровых станков для бурения восставших скважин большого сиаыотра в уго;;ьчга пахтах. Основные результаты данной рабо.л реализованы з буровых станках нового поколения БГА2мС2, ЛБС-5 и Б4&-120. Результаты исследований включены в рабочие программы учебных курсов "Горные надинн и комплексы',' "Гидравлика и гидропривод горных машин а "Промышленные роботы" для сгудентов специальности 1701 "Горные машины и оборудовании".

. Апробация работы. Работа л ее отдзльныэ части докладызались ,{ получили одобрение на: областных научно-прчки.-чееккх конференциях "Механизация и автоматизация'ручных и трудоемких операций в промышленности КузС.гса" (г.Кемерово,1У82 и 1984 пО; на научно:* семинаре "Новое в теории, технологий и технике буречия" ъ ИГД га«. Скочмнского (Москва, 1991 г.), на .практических конференциях по повышении качества продукции Ачяероксго матгкострситэль-цого завода (/.нжеро-Суджекск, 1975-1992 гг. 1; ежегодных научных конференциях Кузбасского политехнического института (Кемерово, 1974-199С гг.).

Публикации. По проблемам бурения скважин угольных шахтах опубликовано 'I монографии, 53 научных статьи и 24 ангорских свидетельства на изобретения. Основное содержанку диссертации отражено в 2 монографиях, 21 научней статье и 14 авторских свидэтедь-стйах на изобретения.

. . Объем работа. Диссертация состоит из введения, шести разделов и заключения, изложенных на 401 странице, к содержит 276 страниц машинописного текста, 102 рисунка, 32 таблицы, список литературы из 144 наименований, приложения.

ОСНОВНОЕ Сг ТЕРМИНЕ РАБОТЫ

Большие объемы бурения скважин, непосредственное влияние на темпы добыта угля и высокая трудоемкость бурения обусловливаю* постоянное ведение широкомасштабных работ по совершенствованию буровой техники. Большой вклад э развитие различных способов бурения скважин и разрушения угля в горной промышленности внесли 0.Д.Алимов, А.А,Алейников, М.Д.Аракчеев, Л.Б.Глазкан, В.Ф.Горбунов, Л.'Г.Дво- чйков, В.Т.Загороднюк, В.И.Зайцев, С.Г.Зарицкий, Б.11.Купцов, Л.И.Кантович, 0.Д.Красников, Б.А.Катг -ов, А.Д.Кос-гклсв, д<М.Крапивин, Ч.З.Позин* В.А.Перетолчин, В.П.Петриченко, В.Е.Тарасекко к др.

Боль' ой объем исследований по бурению скважин большого диагч-тра в Кузбассе ведется-под руководством М.С.Сафохина. Усилиями В.А.Акулова, Ш.И.Аксенова, А.Н.Ананьева, И.Д.Богсмолова, В.И.Вв-ликанова, В.П.^бровского, Г.А.Мартынова, Р.Р.&асяекниковз, Л.Е.Ипатьева, К.Б.Начева, А.М.Цехика, 0.С.Щербакова и других его учеников создан цель'" ряд бурового инструмента, позволяющего высокоэффективно бу чть скважины в большом диапазона диаметров (280-1500 мы) г сложных горно-геологических условиях.Все это предопределяло необходимость коренного пересмотра как отдельных параметров, так и конструкции буровых станков в целом. Большое разнообразие тйиоз рсйущаго инструмента (резцы, икфпцки), необход..-«ость бурения по пластам с породными прослойками и твердыми включениями требую!1 /кать большой диапазон изменения скоростей вращения и подачи. Одно- и дзухскоросиньге редукторы электромеханических приводов существующих станков и отсутствие достаточно эффективных средств обеспечения рациональных режимов бурения но позволяют достичь высокой производительности бурения. В немалой степени рост производительности б. ровых рабог ограничивается и низкш уровнем механизации вспомогательных операций при бурении. Будучи весьма травысопаснши ... тру; емкими вспомогательные операции в общем времени бурового цикла составляю" от 40 до 7СЙ. Многочисленные техничеокае решения, механизируя отдельные вспомогательные операции, не дали к настоящему времени достаточно полной механизации бурового цикла. Основной причиной сложившей. . ситуации яв 1егоя отсутствие системного подхода к вопросам проектирования и создания буровых станков и научно обоснованных методов определения их рациональных параметров.!-} компоновки.

В соответствии с поставленной в работе целью на первой этапе огществлена разработка ивгодики комплексной оценки технического уровня (качества) станков вращательного бурения, которая позволяет достаточно объективно оценивать технический уровень станков на самых ранних стадиях проектирования и устанавливать пути его повышения. Из анализа существующих методик оцвики качества изделий установлено, что применительно к буровой технике наиболее приемлемый аналогом является методика 1езэкспертнсй оценки, предложенная Г.И.Солодом. Основываясь на фундаментальных принципах квалиметрии,для такой оценки необходимо иметь единицу измерения, на основании которой можно будет количественно оценивать выполнение буровым станком заданной функции, т.е. необходимо иметь функциональный.критерий станка, соответствующий его основному назначению - обеспечение высокой производительности бурения. Предлагается функциональный критерий для бурового станка определять по выражению

Х-0,25:ПСЧ. (I)

где Бс- диаметр буриыой сквакииы; скорость подачи бурового инструмента.

На стадии проектирования, когда отсутствуют сопоставимые значения скоростей подачи буровых станков, функциональный критерий рекомендуется определять по формула

х = (2)

где Но - суммарная мощность приводов вращения и подачи бурового станка; Ну,- удельный расход энергии на разрушение забоя скваяи-ны, определяемый конструкцией рабочей части бурового инструмента.

Уровень качества бурового станка определяется его параметрами (свойствами). Определяющими яиляотся параметры, изменение которых оказывает существенное влияние на технический уровень борового станка. На стагчи проектирования бурового станка устанавливается комплекс из 8 определяющих параметра (рис.1).

Коэффициент уровня механизации вспомогательных операций призван учитывать снижение трудоемкости конгаяно-демонтажных работ при бурении за счет введения в конструкции станка различных устройств. Он определяется в виде суммы удельных работ, затраченных на ручные операции процесса бурения скважины:

Рис Л. Схема комплекса параметров бурового станка, определяющих его технический уровень:

Ыс- суммарная мощность приводов; т - цасср станка;1СТ- высота станка вдоль оси бурения; Рщ - длина штанги; Кт« т/гпт - коэффициент массы; Кр « коэффициент совершенства компоновки стан-^/РпсЗ" коэффициент совершенства привода подачи станка; Км- коэффициент уровня механизации вспомогательных операция;^« 31,5$ Мс' - типовая масса станка (масса, соответствующая установленной мощности призодов); Рпод - ход механизма подачи

А^Д, ) 1™ Л Г]' .(3)

где соответственно масса ¡пганги и йо,нар£; - со-

ответственно количество штанг и фонарей в рассматриваемом наборе бурового става определенной длины; Ьм- монтажная высота приемных устройств механизмов наращивания.и демонтажа бурового става; £ - расстояние перемещения элемента става по горизонтали; Н0-высога опускания элемента става; Ку » — - коэффициент достигнутого уровня механизации; - количество операций из П , подвергнувшихся механизации; ¡1 - общее число операций монтажно-де-ыонтажнах работ, которые необходимо механизировать.

Представленные параметры доступны к определению на самых ранних стадиях проектирования бурового станка. Как и требуют принципы кзалиметрии, возможно введение дополнительных параметров в зависимости от более конкретнух условий и требований. Оценка технического уровня буровых станков осуществляется как по единичным ( С^ ), так у по обобщенному ( К ) показателям, вычисляемым аналогично методике Г.И.Солора. 3 работе проведена оценка техничес-

кого уровня 17 буровых отенков, осуществлявдих бурение сквааски диаметром более 280 мм. Именно эти станки, кок правило, непосредственно участвуют з технологической процессе добычи полезно?* ископаемого. В эту группу входят станки, чинускавсяеся ранее, тк станки типа ЕГА(самые массовке), а тапке прокецпме испытания экс перимен?альные образцы. Общий анализ результатов расчета обобщен ного показателя технического уровня для данной группы стаккоз показывает, что всего-у'пяти станков он выше 0,7 (рис.2).

1- БГА2мОЗ

2- «00-160

3- ВГА-4м

4- Б68КП о- ОЗй-2

6- ЗГА2м01

7- БГА2,.<02

8- БГА-4

9- СБГ-1м

Ю- БДИ

11- Б-15с

12- БГА-2

13- £63

14- Старт Ь- ЫИ—2м

16- СЕУ-Зу

17- ЛБС-4

Рис.2. Обобщенный показатель

технического уровня буровых станков

Мз них только станок БГА~4м достаточно представителен в парке буровых станков, используемых в настоящее время на угольных пахтах. Анализом единичных показателей (рис.3) установлено, что низкий технический уровень буровых станков обусловлен отсутствием комплексного подходя к назначении основных параметров станка. Так, хорошая впксызаемосгь в сечете горной выработки ((у5(1.ст)>0,8)

у станков типа ЕГА достигнута за счет использования штанг длиной всего 0,6 м, что приводит к низк;:м значениям показателя

¿ш) ( 0,г < 0,55). Низкими для всей группы станков язляютоя показатели ^([^{^(Кт^с^Ц^и особенно С^!'11) й90ч'н). Последило два показывают на большую массу станков и низкий уровень механизации вспомогателыдлх операций. При г>т:м установлено, что суще— стзудщзя схема компоновки приводов и .узлов буровых стликое не по-зйо/яг:т'увс^!;ч!'.ть технический уровень за счет улучшения отдельны/

п=0,594

д2(Ы

п»0,21«б

я*(т) 11 = 0,137

П= 0,202 4

Рис.3. Диаграммы технического уровня буровых станков по единичным показателям

параметров. Увеличение длины шт |ги у станков типа ЯГА в 4 раза приводит к увеличению обобщенного показателя технического уровня всего на 11,6%.

Для существенного улучшения технического уровня буровых станков необходимо комплексно решить задачи увеличения длины штанги, снижения и оси станкг повышения степени механизации вспомогательных операций и совершенствовании схемы компоновки узлов и приводов станка. Технический уровень будет повышаться и за счет увеличения функционального критерия, т.е. производительности станка. Это может быть достигнуто путем совершенствоь^ния характеристик приводов бурового станка и обеспечения ими рациональных рожимп бурения. Анализ конструкций буровых станков показывает, что улучшение вписываеиости бурового станка в стесненное пространство горной внр;. Зотки может быть достигнуто путем максимальногг размещения основных узлов и привода- станка параллельно оси бурения. Так, у бурового станка БГА-4м с последовательным размещением электродвигателя, редуктора и бурового замка отношение высоты станка 1_,ст к длине штанги составляет А « ~ 4,02, т.е. высота

станка в 4 раза больше длины штанги. У бурового станка БбВКП параллельно оси бурения поставлены электродвигатель, часть редуктора и шлицевой вал, что дало Л » 2,6. Одняко реализация только этого решения не дает существенно о повышения единичного показателя т.к. при увеличении длина штанги в минимально возможную выс ?у станка перестает вписываться его механизм подачи. Анализ существующих типов механизмов подачи показывает, что при длине штанги 6ш->0,7 м вписываются в высоту станка только ви'н-тоьой подагчик и цепной удвоитель. Он отличаются сложностью кон-струкц и, большими габаритами и массой и не могут считаться рациональными для использования ч буровых станках.

Более ..ерспективной является предлагаемая и работе компоновка в виде сдвоенных гидроцилиндров (рис.4,а). Условие вписываемости идрицилиндров в высоту бурового станка (Ьст) гписыва( ся выражениями 0

где Ьцр,ИпоЗ соответственно габа.лти вдоль оси курения вращателя и п(дхвата; р - соответственно глубина патрона и высота перепс^ьема штанги; 2Гц, - туына -иг ^оцклинпра I « сдвинутом положении;^,^- длина ги.процилиндра 2 в раздвинутом положении.

а.

5*

г

ж

1631-

-"От $ +1

г I

0,5

5.

с oдшap^ )ым Г.-Ц./

// I

1 1

без меха подами низма 1

со сЗ&зеннымм г.-ц ; ! 1 1 1 , ..1 .......

0,5

чи.

Рис.4, Компоновка станка со сдвоенными гипроцилиндрами

Высота бурового станка определяется зависимостью 4 'л * ч' „к

г,^ ... - соответствующие зазоры и габариты узлов крепления гидроцилиндров к вращателю (рис.4,а); £гц - коне..уктивный параметр гидроцилиндра, определяемый размерами его деталей

Расчеты, прог денные применительно к буровым станкам типа БГА, показывают (рис. 4,6), что данной механизм подачи вписывается в высоту станка при

СШ<П52 им.-Огноавьи. Д ,

г,е. в 1,6 раза меньше, чем лучший показатель у существующих станков 'А» 2,6.

Испс -ьзова»че сдвсонньх гидроцилиндрс позволяет создавать группы из двух или тре- станков, осуществляют« б«р<~чие одной, дв; ш и тремя свинченными вгангами. Станки отличается друг от руг^ только по высоте, изменение которой кокет осущесчвЛятьсг путем ступенчгтого сокращения длины направляющих. Для группы станков, осуществляющих бурение одной и двумя свинче; ыми штангами, высоты.станков определяются зависимостями: - при бурении одной штангой

: ¿ = f + + (5)

- при бурении дьумя свинченными штангами

где £п - (й-i) ; П - количество свинченных .тйнг;

8(.ь - длина свин"чвания.

Расчеты, выполненные применительно к буровым станкйм тина БГА, показывают, что возможно бурение штангой с v 509 км и элементом из двух свинченннх штанг 1153 мм. При этом высота станка соответственно составит Цт ~ 1370 ым и irCT = 1920'«м.Станок БГА2м, для сравнения, имеет и 670 мм и Ler« 2000 мм.

Отличительной особе...тстью компоновки сдвоенных гидроцилинд-рсч подачи является несоосность приложения усилия подачи относительно осей гидроцилиндров .Подвижные Корпуса перекашиваются, а втоки изгибаются под действием момента, вызванного действием усилия по'дачи,

Угол взаимного перекоса к.рпусоэ блока я штоков гидроцилиндров определяется по формуле ^

, к (В+d cos arctg 5ТЗ oC^arctg-f-j- arccos --—:-(в)

3 D+d B+-ci . ..

где К - суммарная толщина поршня и грундбуксы; В,d - соответственно диаметры поршня и штона; £> - диаметральный эааор в паре йоршень-корпус. Анализ выражения (8) показывает, что уменьшение угла перекоса целесообразно осуществлять за счет величины К .

Внецек рснное приложение усилия подачи приводив к снижению продольной устойчивости блока. Для определена' кригйческой сжима-йцей силы были составлены и решены дифференциальные- уравнения упругих линий методом итерации, ^счетное выражение ритической силы имеет вид

1 ЕЗ

R--3'6 ^t.^^f lis <9)

/- Ь L

d-j ; ji-f „

где 3, L - соответственно ..оменты инерции сече! 'я корпуса блока и штока гидроцилиндров; Е - модуль упругости; - соответственно расстояние между точками крепления штоков блока и длина корпуса блока.

Результаты расчетов применительно к конструкции гидроцилиндра бурового станка ЕГА-4м показали, что критическая сила превосходит рабочее усилие более, чем в 3 раза, т.е. устойчивость блока сдвоенных гидроцилиндров достаточно высокая.

Величины i.огибов штоков определялись графо-аналитическим методом. Установлено,, что для обеспечения достаточно о pecvpca работы гидроцилиндров т -па БГА диаметр штока должен быть увеличен на 15-20$, чем имеющийся у БГЛ-4м.

Экст ^имент&льныо исследования на полноразыериом стенде под твердили теоретические расчеты и принципиальную работоспособность механизма подачи со сдвоенными гидрсцилиндрами.

Примените".но к буровым станкам типа БГА использование компоновки со сдвоенными гидроцилиндраии позволяет получить обобщенный показатель технического уровня К * 0,981, что на 17% больше, чем у станка БIV мОЗ ( К • 0,838).

Одной из причин, препятствующих получению более высокого показателя технического уровня, является большая масса станка, основную часть которой составляет электромеханический привод вращателя станка. Электромеханический привод существующих буровых станков не отвечает требованиям современного бурового инструмента. Анализом силовых и кинематических параметров бурового инструмента установлены следующие характеристики привода вращения станка!

- мощность вращателя, кВт до 30

- крутпций момент на буровом валу. кН*ы до 4 '

- частота вращения шпхнделя, мин" от 40 ; i 120 Реализация такого'широкого диапазона частот вращения в электромеханическом приводе сопряжена с большими трудностями.

Другой проблемой электромеханического привод" является высокая динамичность бурения. Анализ причинно-следственной связи высокой динамичности бурения и характеристик привода вращения станка показывает, что первопричиной является несоответствие большой инерционной кассы ротора электродвигателя с малой крутильной жесткостью бурового става, которая меняется в зависимости от длины бурения в весьма большом диапазоне ( С «4,2 - 0,1 рад/Н'м при

Ь = 1-ЮО ы).

Для приведения в соответствие жесткой механической характеристики электродвигателя и трансмиссии с высокой податливостью в работе исследована возможность использования я приводе вращения бурового станка гидродинамической муфты. Характеристики приводного двигателя и гидромуфты аналитически описываются весьма приближенными зависимостями, поэтому решение дифференциального уравнения движения системы возможно только численными методами.

В работе рассмотрен конкретный пример использования гидромуфты ГПВ-.'з60 в приводе бурового станка ЕГА2ы. Установлено, что гидромуфта будет защищать приводной двигатель и демпфировать колебания при обеспечении соответствия её входной характеристики ие-ханической характеристике электродвигателя (рис.5,а). Ирк заполнении гидромуфты С^, = 5 л её входная характепистика пересекает характеристику электродвигателя в точке А , которая располагается на активной ветви характеристики двигателя. Разгон электродвигателя будет происходить легко и быстро, т.к. он происходит при >Мгм* Стопорепие двигателя исключается, т.к. имеется 4-х прогентный запас по М эд" . Отсутствие подобного соответствия гидромуфты и приводного ; 'игателя приводит к ухудшению характеристики привода. При С^ « 5,5 л точка Б пересечения характеристик располагается на реактивной ветви характеристики электродвигателя. Это значит, что гидромуфта не защищает электродвигатель от перегрузки. Работа привода будет сопровождаться резкими колебаниями числа оборотов бурового става. Расчет разгона системы в целом получен путем решения дифференциального уравнения движения системы с использованием метода конечных приращений. Результаты расчета (рис.5,б) показывают, что разгон происходит плавно. Время разгона до установившихся значений параметров составляет не более 12 с. Электродвигатель очень быстро (за 0,2* с) разгоняется до частоты вращения 1200 мин-*. Это исключает его интенсивный нагрев. Буровой сп.юк БГА2м с гидромуфтой ГПВ-360 в его приводе прошел производственные испытания в составе бурошнековой установки при бурении горизонтальных и слабинаоонных скважин большого диаметра. В данном случае пуск электродвигателя вращателя особенно затруднен, т.к. шнековый буровой став с оставшейся в меквитковоы пространстве разрушенной горьой массо,й обладает большим крутящим моментом стрягивания. За весь период испытаний несостоявшихся пусков и стопорений электродвигателя не наблюдалось,

ЕРП160М4 к гидромуфты ГПВ-360 (а) и пуска привода

вращ'^еля йуроього стьнкя БГА2н (б)

что позволяет считать такой призов вяолнз работоспособна.

Анализ возможных путей создания ¡гриэояов • ипгоокии диапазоном регул:!ровакия скорости вращения к Р. « 40-120 мин ), а такте средств согласования параметров приэодоя врглгекля п подачи, обеспечивающих рациональные рглммы бурения, показал, чю наиболее присклемкм для буровых станков лллязтся объекниЯ гидраслическиЯ привЬд. Он позволяет значительно умоныить массу станка, а также . легко увязываете? в систему' автог/аткчаского регулирования f CAP) с входным сигналом (задатчнхом) по давления. Анализ существующих технических репгсниЯ СА? длл буровой техники по! зал, что больгяш-ство из них относятся к классу ста?пл:гзирук>щ;!х систем. При буро-нгч ло массиву с юг.сняюздмяся Ъяз^хо-ыехакичесликл свойствам!: .наиболее надежно!!, простой в на стройке, обслугазании я управлении язлязтся САР со стабкд..нацией крут/гдзго момента. Одни» из вариантов ршеяяя САР со стабилизацией крутящего момента является схема, -зоСрзяенная на ркс.б. При возрастай;«! сопротивления забоя увеличивается давления 5 пор!1.нез1г.г полостях гидроцилиндрон подач;! ГЦ, ото приводит к увеличения расхода жидкости чероз напорной золотник ИЗ и уменыле ло расхода в линии ьодачи гидрэци-линдров ГЦ. Следовательно, скорость подачи уменьшается. Увеличение расхода через напорный голотник ИЗ приводит к увеличения давления в точке А г. ,ред дросселем Др , которое через механизм управления ГЦУ-ЗГУ •.••'еиьшает производительность насоса HI' привода вращателя. Лоогсму уменъсится частота вращения гидромотора М к буревого инструмента. При уменьшении сопротивления забоя, наоборот, усилие подачи уменьшается, а скорость вращения и подачи узе' личибается. Этим обеспечивается const . С целью проверки

основных еорегичееких положений и дл^ выработки практических pv- • комендаций в работе исследованы статические и динамические характеристики гидравлического привода бурового станка с использованием полноразмерного стенда.

Установлено, что номенклатура Еыгтуч ;аемого гидрооборудования позволяет осуществить практическую реализацию гидросистемы станка для бурения скважин больного диаметра со всеми современными типами бурового инструмента. Определена зависимость отношения амплитуд выходного и входного сигналов от постоянной системы и частоты входного сигнала, позволяющая осуществлять оценку возможности использования и выбора гидроуазмн для привода бурного станка, Проведена оценка динамической устой"чвосг. гидравлического

н-

га

Рис,6. Гидравлическая схема привода бурового станка со стабилизацией крутящего момента на буровом ставе

= I а. I

IV

; I

?г

I'

Гпод

| О-

в

напорный золотник и дроссель

--Хп--

+

ф •г« Ч-

ж

Ь- £

1

п

1а

у ,Г

.и

I а

I °

с

3

с»

ЪС

РлЛ1

i

т

о о

т.г

под V

мотор

г

%

ПЯ0Г

НАСОС ВРАЩАТЕЛЯ

9н

Тц5+1

V а. Iх

I з

¡1 I о

. а

■> «{

чвх

^вых

Рис. 7. Структурная схема динамической модели гидросистемы бурового станка

привода в целом и установлена динамическая модель всей гидросистемы (рис.7). Анализ характеристик гидросистемы подтвердил её принципиальную работоспособность и позволил рекомендовать для использования в приводах буровых станков.

Реализация более высоких технических параметров приводов бурового станка невозможна без решения вопросов механизации вспомогательных операция бурового цикла. Особенно трудоемки и травмоопасны операции по наращиванию и демонтажу бурового става. В результате анализа существующих средств механизации, а также комплексного подхода к вопросу механизации вспомогательных операций установлено, чч*о наиболее рациональным являегся комплекс из пяти устройств, обеспечивающих возможность механизации всех вспомогательных операций, связанных с наращиванием и разборной бурового става. В состав комплекса рхопят: буровой патрон, универсальный навесной манипулятор, ключ-подхват, питатель для «ранения и ориентаиии буровых штанг и ытыбоотвод.

Направление механизации вспомогательных операций буровых станков с использованием манипуляторов является новым. Внссний облик универсального манипулятора в значительной степени зависит от способа его размещения относительно бурового станка. Анализ с позиций сложности достижения необходимой точности установки штанги в крайних точках траектории схвата манипулятора показывает, что наиболее целесообразным является вариант навес..юго манипулятора, размещенного на направляющих (пвраллелях) бурового станка. Такое решение позволяет наиболее простым способом добиться высокой точности позиционирования при выводе штанги на ось бурения, т.е. именно там, где это особенно необходимо. Позиционирование по жестким упорам позволяет существенно упростить систему управления манипулятором.

Опгр деление конструктивного вида манипулятора связано с выбором структуры его исполнительно-кинематической цепи (ИКЦ). Выбор рациональной структуры невозможен без предварительного определения альтернативньпс кинематических схем, предназначенных для выполнения одной и той же работы. Эта ■задача может быть решена только перебором вариантов. Общее число формально возможных струк-

т-/р ИКЦ ( М в ) выражается формулой

6 и

= , (10)

где 1Я - число степеней подвижности манипулятор . Исходя из э*чэй формулы имеем для 3-, 4-, 5-, 6-звенных кинематических схем, соответственно, 2^8, 1554, 9330, 55986 вариантов. Решение данной задачи, относящейся к типу так называемых лабиринтных задач, боз использования специальных приемов предстаэляется весьма трудоемким. Р работе дня репения этой задачи применительно к буровым станкаи разработан специальный метод проектирования структур манипуляторов. Его особенностью является то, что сначала создаются стр.,/т.трн взаимоспязанных движений, необходимых для ые-хаииэаци Операций наращивания к демонтажа стаза, и затег, по введенным правилам, начо, ir с л соответствующие им кинематические схемы.

Формирование стр..-:тур движений звеньев ИКЦ осуществляется ведением следующих параметров среды задачи: тип охвата {¿. ), движение е окрестности оси бурения (J3> ), дзияение е окрестности оси ,пор выдачи г. г? тег.л ( JVA ) и лрг.^онуто^гныз движения ( Й,..-). Клещевое схваты, наиболее ггризлде: ">¡9 для перемеценяя олеыянтоз бурового става ц:ш!к:-?.ричЬч,кой формь-, могут иметь два варианта исполнения: танге»';иал_лый (с£( ) и осезой схват (о(а) (рис.8,-а)'. Хпижение в окрестности оси бурения может' быть осуществлено только тремя вариантам',-: jb, > рз (рас. 8,6). Столько ке вариантов имеет и движение в окрестности опор зкдр*ти питателя: ^ti^í'J^^ (ркс.3,в). Для промежуточных движений ( ... ) всегда Имеется иесть вариантов (по три поступательных и вращательных вдоль и вокруг ортогональных осей).

Идея си"теза структур движений иаклйчаится в том, что имея об-ъекгиануо анфэрзтациз гначгле (параметры cí. и В ), последовательный перебором всех всзиоккг-дс композиций параметров, описывающих промежуточные дзкжекия< можно найти те (композиции), которые имеют свое окончание, эквивалентное одному из состояний параметра jv\ . На каждом этапе ппоаеряется условие: может ли каждое последующее движение в какой-лисо композиции быть одновременно в ней и заключительным, при которсм сформиро. анная композиция достигает цель. Такой путь позволяет на потзрять ни одной приемлемой структуры. Эффективность локализации наиболее перспективных структур достигается за счет формализации процесса символьными конструкциями < А> (наращивание бурового стаБа) и <В> (демонтаж става), построенными, соответственно, в своих алфавитах А и В . Так, для демонтажа бурового става имеем

а.

Л/ 'Ъ • /

I

Рис.8. Ср( .а задачи истода проектирования структур мант 'у)..5торов буроь-х стан'" "»в: а- тип схвага; 6- д- скения а окрестности оси бу^зния; в- дви-ярчия в окрестности опг 1 выдачи литаг ш

6

^,651,63,64, 6S,0 . Физический сиысл букв 8 (за исключением 0 ) совпадает с элементарными движениями (функциями) манипулятора при разборке става: б( - отвод охвата от оси бурения; бг-вывод схвата за габариты бурового станка; 5j - опускание охвата вниз; 64 ~ вив°Д схвата в горизонтальное положение (параллельное оси опор выдачи питателя); 65 - совмещение оси схвата с осью опор выдачи питателя.

Подконструкция <В> имеет следующие свойства:

1) функция б| реализуется всегда раньше функции • а функция - всегда раньше функции 6j ;

2) лорчдск реализации функций £3 и безразличен;

3) если имеется функция б5 > то она всегда замыкает подкон-струкцкю.

Установленные свойства позволяют применить действия объединения множеств (имеется в виду множество возможных символьных конструкций, составленных из букв алфавита В ). Такая операция "Объединение с условием" обозначается U . Если составляющие подкон-струкции удовлетворяют приведенным выше условиям (свойствам), то б производится так же, как и обычная операция объединения множеств, напрккер < 6,б4> U< 626j> » <6( 826j> • Если условия не выполняются, то подконструкция приводится в соответствие с ними за счет исключения слов, нарушающих условия, справа-налево. Например, <6«>U< 6j> - <fi,> ; < 8,8а> U < 65>е<Ма> <6,б3> U < &z> ■ 0 • Установлено, что индексация движений р , у , В,.... задаваемых в двух ортогональных системах координат, приводится к единой форме с выделением шести вариантов. Это позволило найти соответствующие им кинематические пары, определить функциональное содержание движений и сформировать критерии оперативной оценки К^ и К2 любых складывающихся вариантов композиций ^

. к, - B\u)L0Qt ; u)l} fitc6, (id

К2- B\<a)iUQt>; ьЧ.А^св, (I2)

где (¿i- объединение с условием полезных функций предыдущих движений L.-й ветви; набор полезных функций t -варианта анализируемого движения, следующего непосредственно за предыдущим.

В результате трудоемкая работа яо прочерчиванию вариантов

кинематических схем манипуляторов, ».роверка на пригодность их использования для буровых станков и описание их свойств заменена расчетом . В дальнейшем деятельность проектировщика определяется одной из четырех возможных ситуаций:'

1. К, Ф 0 ; - композиция движений не достигла цели, хотя последнее движение является рациональ.лл».

2. К1=0; К¿Ф0- последнее движение не имеет ни одной полезной функции.

3. Ф0 ; Ккомпозиция движений достигла цель. Полу зна структура движений манипулятора, способного положить штангу на опоры выдачи питателя.

4. — К2 -0 - продпринтаг.лась попытка развить структуру движений манипулятора, условного как минимум.

В ситуации I для пс-«гения работоспособной структуры движений необходимо продолжить синтез.Структуры ситуации 2, как и ветви, которым они дают начало, подлежат исключению из дальнейяего рассмотрения. В ситуациях, когда . необходимо строить кинематическую схему манипулятора, для чего используется уже определенное соответствие кинем?"ических пар и вариа 'ов движений. Далее осуществляется проверка кинематической схемы на возможность отвода порожнего схвата как от опор выдачи питателя при наличии на них штанги, -ак и с оси бурения при установленной в патрон штанге. При положительном результате манипулятор относится к готовым, т.е. способным осуществлять монтаж и демонтаж бурового става. При отрицательном исходе манипулятор считается условным, т.к. для выполнения необходимых операций ему не хватает степеней подвижности. Построенные впервые кинематические схемы готовых г-нипуляторов являются базовыми. Они служат основой для получения производных структур. Для д-ухзвенн"х базовых кинематических схем можно построить одну производную структуру, а для трехзвенных - пя.ь. В работе построено 30 схем иа»~туляторов, Предназначенных для оснащения буровых станков, что позволяет достаточно объективно выбрать наиболее рациональную схему для конкретных условий. Установлено, что исходя из большей безопасности, удобства в обслуживании и минимума времен^ на подготовительно-заключительные операции цикла бурения, наиболее рациональной кинематической схемой обладает манипулятор <£2135. Цк.ры в обозначении указывают на последовательность расположения кинематических пар, начиная с основания, а звенья занимают такое иоложе ле,

при котором схват находится на оси бурения. Для данного манипулятора * исходя из 20 параметров бурового станка, установлены зависимости и определен»" 26 параметров конструкции манипулятора к буровому станку Б500-150 (типа БГА). Предложенный в работе порядок определения этих параметров позволяет избежать постановки оптимизационной задачи и определить рациональные параметра, весьма близкие к оптимальным. При этом достигается минимум суммы длин элементов подвески (через параметр ), минимум длины руки манипулятора ( Ьм ) и ее телескопичности ( Ет ). В работе приведена )мограмма для определения рекомендуемых значени' В2, Ьм из рабочих диапазонов [6г] и Расчет рациональных параметров манипулятора производится в последов«гельном установлении возможных значений 6Т , и 62 по условиям выполнения операций подъема-опускания штанги, гарантирующих выведег-е схвата на ось бурения, проверок по условию -наполнения оп.рацкй завода-отвода опорного фонаря и вывода раскрытого схвата при наличии штанги на оси бурения. Установлено, что применительно к буровым станкам типа БГА диапазоны значений параметров Ьм и Вг , в которых гарантируется выполнение всех фаз процесса манипулирования, составляют [1м] » 543-700 мм и

32-247 мм. Для буров.ого станка В500-150 из конструктивных проработок установлено 6а1" » Г"> мм, » 611 ш и 106 мм Для обеспечения операций свинчивания и развинчивания бурового става манипулятор оснащается специальным схвагом,. конструкция которого позволяет удерживать вращающуюся и одновременно перемещающуюся в; \ль оси бурения атангу (а.с. 848620).

В комплекс устройств, обеспечивающих механизацию процесса бурения скважины, входят, помимо манипулятора, буровой патрон, ключ-подхват, питатель и штыбоотвод. Для того, чтобы, все этй устройства составляли действительно комплекс, необходима м совместная сбалансированность. Она гчражаегся как в согласованности зон работы, так и в необходимости исключить применение ручного труда при их функционировании.

Для обеспечения возможности достаточно объективного выбора в работе сформирована группа альтернативных вариантов конструкг'Й буровых патронов, отвечающих требованиям механизации наращивания и демонтажа бурового става; Все эти патроны оросятся к патронам с механической фиксацией штанг байонетного типа. Установлено, что буровые патроны с силовым зажимом штанг приемлемы для станков ма-

яой мощности ( 8 кВт), т.к. ч станках больной мощности (типа БГА) использование таких патронов приведет к значительным пластическим деформациям буровых штонг.

Разработанные конструкции патронов обеспечивают взаимную ориентацию штанги и зева патрона для их соединония без участия человека. Для этого патроны оснащены подпружиненной планшайбой, клиновыми ориентирующими элементами и подоигсяьтм втулками с наклонным пазом. Установлены аналитические зависимости геометрических и силоьых параметров устройств ориентации патронов и осуществлены экспериментальные исследования коне рукций на г. .лно-размерных стендах, подтвердившие принципиальную их работоспособность. Новизна технических решений, заложенных в конструкции патронов, подтверждается авторскими свидетельствами на изобретения (а,с. 935^09, 34917)2, 96260' 968380).

Штыбоотводящее устройство нг участвует непосредственно в о..-г-рациях наращивания и демонтажа буроэогс става. Введение его в комплекс обосновано тем, что при бурении скважин большого диаметра объем выбуренной горной массы существенно педак и удаление его вручную снижает в несколько раз эксплуатационную производительность бурового станка. Лабораторные испытания представленной конструкции штнбоотводящего устройства подтвердили её работоспособность и она принята Анжерским машэчводом к использованию в буровых станках типа БГА.

Отведенная от устья сквашны выбуренная горная масса должка быть удалена из выработки. Для этого в работа проведены зкепе-риментально-теор тические исследования по разработке шнекового пер~гружате;:л. Установлены его основик"« конструг ивные и режимные параметры:

- диаметр шнекаБщ» 2Г л-300 мм; на..' спирали пзнека5ш« 0,8 внутренний диаметр кожуха Бк» (10-15) мм: длина за1^узоч-ногл окна Ра- (2-2,5) Бщ ; разгрузочное окно прямоугольной формы и ''линой 8р» 2 Эш ! частота вращения шкь..а а »100-]У0 мин .

б^~*овых ста. ков типа БГА ключ-подхват и питатель являются принципиально не ши устройствами и их оздание непосредстЕв! о связано с механи: .цией вспомогательных операций станков такого типа.

В ра'-)те сформирорчна группа ключей-подхватов, удовлетворяющих требованиям комплекса ус~ро.,ст мг"анизьции бурового цикла. Новизна технических решений в конструкция., ключей-подхватов за-

чищена авторскими свидетельствами на изобретения (а,с.876951, 956742).

* Анализ существующих конструкций кассет и питателей позволил обосновать и разработать наиболее приемлемую конструкцию питателя (а.с. 874962); осуществляющего функции хранения необходимого запаса штанг л предварительной ориентации штанг и фонарей ДЛЯ взятия их манипулятором.

Лабораторные испытания средств механизации вспомогательных операций преследовали цель проверки работоспособности отдельных устройств и их '..'стемной сбалансированности, а также выявления реальной возможности эффективного применения комплекса в целом. Испытания проведены на полноразмерны« стендах на базе буровых станков БГА-2 и Б500-150 с использованием современной измерительной и регистрирующей аппаратуры а объеме, позволяющем делать выводы с доверительной вероятностью не ниже 95$. Результаты испытаний показали, что устройства механизации н комплекс о целом достаточно работоспособны.

Для определения эффективности механизации вспомогательных операций была проведена серия опытоь, направленная на установление реально достижимого повышения технической скорости бурения по сравнению с существующие ручным способом наращивания ' демонта-ка бурового става.Трофические зависимости влияния механизации на техническую скорость бурения приведены на рис.9. Поскольку зфЬехтивног "ь механизации для каждой стадии бурения скважины г:ь одинакова, то её расчет осуществляйся при помощи ко.,.ллексных оценок:

- с использованием механизации

цМ * ..

V" + Л- >. А- ■ (13)

V," V" V?

- п^и раб( *е вручную

у" • < '

< у; VI х

где компонети с одинаковыми индексами ра считываются при одинаковых машинных скоростях подачи. Расчеты показывают на у-челиче-низ технической скорости подачи в 1,7-2,6 раза. Разработанный комплекс устройств для механизации вспомогательных операций рабочего цик..а защищен авторски» свидетельством на изобретение

на техническую скорость бурения (\/т ) в пластах: а- не склоняй к выбросан; б- на выбросоопасных пластах;

1 - бурение скважины ^ 130 мм;

2 - спуск и складирование инструмента;

3 - бурение скважины прямым ходом / 500 мм;

4 - разбуривание скваямны обратным ходом Ь 1070 мм; -работа манипулятором,

--работа вручную

(а. с. 1016493).

Результаты исследований в полном объёме использованы Анжерс-ким машиностроительным заводом при создании буровых станков нового поколения БГА2м02, ЛБС-5 к B45-I20.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе осутствлено решение крупкой научной проблемы, заключающейся в разработке теоретических основ достижения нового более высокого технического уровня станков вращательного бурения cK&asaii большого диаыетра (280-1500 мм) в угольных шахтах. Это имеет большое народнохозяйственное значение, так как позволяет добиться существенного улучшения показателей подготовительных работ г.о введению -очистного фрот }, значительного сникекик трудоемкости к травматизма при бурении.

Проведённые исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Анализом установлено, что существующие буровые станки имеют низкие технико-эксплуатационные показатели. За последние 15-20 лет они не претерпели принципиальных изменений и работы ведутся только путём эволюционного совершенствования их отдельных узлов. Методических разработок, дающих объективную оценку буровым станкам, и рекомендации, по существенному повышению их технического уровня недостаточно. Необходим комплэкскый подход к установлению параметров буровых станков и средств механизации вспомогательных операций.

2. Предложенная методика комплексной оценки технического уровня буровых станков позволила определить обобщённый показатель уровня и выявить пути его поьыленкя и реализовать их на стад;«: проектирования. Псвшение технического уровня достигается за счёт разработки рациональных компоновочных схем станков, со сдвоенкши гидроцилинлрами механизма подачи, снижения массы станка путём использования гидравлического привода, а такие комплексной механизации вспомогательных операций процесса бурения.

3. Исследованиями установлено, что. наименьшие размера, обеспечивание вписывагмость в габарит« станка по зысоте, имеет механизм подачи: со едос-экл-ыи гидроцилиндрами. При .существующей зисоте станка ¡ТД2м еозмокно бурение штангой в 1,0 раза бог.ькеи

дг.;-ны, что позволяет увеличить обобщённый показатель технического уровня за счёт этого на V7%. Определены заэисимости рля расчёта блока сдвоенных гидроцилкндров на продольную устойчивость и его основных параметроз.

4. Установлено, что для обеспечения рациональных режимных параметров всей гагате инструмента для бурения восстающих скважин диаметром до 1500 мм основ!!ые параметры бурового станка должны быть следующие: крутящий момент на Суровом валу до 40 кН м; скорость вращения шпинделя от 40 до 120 мин"*; усилие подачи до

80 кН; скорость подачи до 1,5 м/мин.

5. Доказана возможность улучшения характеристик электромеханического привода буровых станков путём установки в их приводе гидродинамической муфты. Обеспечивается облегченный пуск электродвигателя и возможность использования его максимального крутящего момента для разгона системы. Определён порядок выбора гидромуфты.

6. Установлено, что для станков вращательного бурения в большей степени отвечает современным требованиям гидравлический привод как для подачи, так и для вращения бурозого инструмента. Выявлено, что рациональные пе ;имы бурения достигаются при регулировании и частоты вращения ,и скорости подачи. Разработанная динамическая модель привода бурового станка типа БГА показывает перспективность использования в приводе стабилизаторов крутящего момента и устойчивую работу исследованной системы регулирования.

7. Доказано, что для буровых станков типа БГА наиболее рациональным является направление, основывающееся на использовании универсального манипулятора и отдельно стоящего питателя. Разработанный метод проектирования структур манипуляторов позволил выявить 30 схем, предназначенных для оснащения буровых станков. Реализация установленного направления механизации привела к созданию комплекса из пяти устройств (а.с.1016498): штыбоотБОдгдего устройства, клгача-подхвата, манипулятора <¿2 135, бурового патрона и питателч. Каждое из устройств представлено группой альтернативных конструкций, что даёт возможность вводить множество критериев и осуществлять объективный выбор для конкретных условий.

8. Реализация рекомендаций и технических решений данной работы позволяет существенно повысить технический уровень станков вращательного бурения. Это обусловлено увеличением длины штанги

до 1,2 м ггри сохранении высоты станка в 2 м; снижением массы станка до 750 кг при установленной мощности приводов 30 кВт; снижением трудоёмкости и травкоопасности путём механизации вспомогательных операций бурового цикла, что позволяет увеличить техническую скорость бурения в X;5-2 раза. Обобщенный показатель технического уровня будет в 2 раза больше, чем у станка-эталона и в 2,5 раза -

- чем' у выпускаемого в настоящее время бурового станка БГА2мОЗ, что свидетельствует о достижении поставленной в работа цели.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах автора:

1. Машины и инструмент для бурения скважин на угольных шахтах /Л.С.Сафохин, И.Д.Богомолов, Н.М.Скорняков, A.M.Цехин. - М.: Недра, 1985. - 213 с.

2. Сафохин М.С., Богомолов И.Д,, Скорняков Н.М, Машиьист бурового станка. - М.:Недра, 1990. - 272 с.

3. Стенд для испытания температурных режимов электродвигателя бурового станка БГЛ-2 /КС.Сафохин, Р.Р.Масленников, Н.М.Скорняков, В.И.Великанов //Механизация горных работ: Сб.науч.тр.№ 32 /Кузбас,лолитехн.ин-т .-Кемерово, 1971, - С,228-234.

4. Скорняков Н.М., Догов А.Б. Влияние конструкции расширителей на характер нагрузки в трансмиссии при бурении //Вопросы механизации горных работ: Сб.науч.тр. № 75/Кузбас,политехи.ин-т.

- Кемерово, 1975. - С.152-157.

5. Великанов В.И., Скорняков Н.М., Акулов В.А. Выбор критерии автоматического управления буросбоечной машиной //Механизация горных работ: Межвуз.сб.науч.тр., аып.1 /%збас.политехи, ин-т.- Кемероьо, 1977. - C.II5-II7.

6. Скорняков Н.М., йачев К.В. Исследование гидропривода бу-.росбоечных машин на лабораторном стенде //Механизация горных работ: Меавуз.сб.науч.тр., еып.1 /Кузбас.политехи.ин-т.- Кемерово, 1977. - С.117-123.

7. Скорняков Н.М., Маметьев Л.Е., Щербаков Ю.С. К вопросу создания средств механизации для удаления продуктов бурения от устья скважины //Механизация горных работ: Межвуз.сб.науч.тр., вып.2 /Кузбас.политехн.ин-т.- Кемерово, 1978. - С.139-143.

8. Кассета для штанг буросбоечной машины /В.И.Великанов, Н.М.Скорняков, К.В.Начев, О.С.Щербаков //Механизация горных работ: Менвуз.сб.науч.гр., вып.2 /Кузбас.политехи.ин-т. - Кемерово, 1978. - С.144-147.

9. Скорняков H.H., Начав K.B. ' гследоз&низ динамической устойчивости гидрозппаратов привода буросбоечной машины //Механизация горных работ: Межвуз.сб.науч .тр., вып.2 /Кузбас.политехи, ин-т. - Кемерово, 1978. - С.147-153.

10. Скорняков Н.М., Начев К.В. Номограмма для расчёта параметров настройки узла имитации нагрузки в абораторном стенде //Механизация горнах работ: Межвуз.сб.науч.тр., выл.2 /Кузбас. политехи,ин-т.- }1емерово, 1978. - С.153-157.

11. Великан, j В.И., Скорняков Н.М. О кинематике калиге-wo-ра бурового станка //Механизация горных ра?от: Нелвуэ.сб.науч. тр., вып.З /Кузбас.политехи.ин-т.- Кемерово, ItoO. - C.I29-I32.

12. Скорняков Н.М., Начев К.В. Использование клиновых ьеха-Hi.jMOB з устройствах- ориентация для патрона буровой маггины //Механизация горных работ: Меявуз.сб.чауч.гр., вып.З /'Кузбас.полк-г техн.ин-т.- Кемерово, 1980. - С.138-145.

13. Скорняков Н.М, Об использовании гидродинамической муфти в приводе Еращателя буровой машины типа БГА //Механизация горных работ: Сб.науч.тр. /Кузбас.политехи.ин-т.- Кемерово, 1984.

- С.98-102.

14. Скорняков Н.М., Щероаков ¡О.С. Основы метода проектирования механизации вспомогательных операций для буровых машин //Механизация очистну и проходческих работ: Сб.науч.тр. /Кузбас. политехи.ш 1-т. - Кемерово, 1985, - C.I02-I09.-

15. Скорняков Н.М., Щербаков D.C. Некоторые зопрссн проектирования механизированных буровых машин //Механизация горных работ: Медвуз.сб.науч.тр. /Кузбас,политехи.ик-т.- Кемерово, 1986. - С.71-75.

16. Скорняков Н.М., Щербакоь D.C. Основные прлкцины метода проектирования структур манилулятороЕ буровых магии /Механизация горных работ: МезкЕуз.сб.науч.гр, /Кузбас.политехи.ин-т.- Кемерово, 1989, - / .64-70.

17. Скорняков Н.М. Функциональный критерий для оценки технического уровня буровых станков //Механизация горных работ: Межвуз.сб,науч.тр. /Кузбас.политехи.к"-г.- Кемерово, 1990.

- C.II2-II4," *

18. Скорняков Н.М. .Анализ компоновок буровых станком с различными типами механизмов подачи /Кузбас.политехи.v -т.- Кемерово, 1991. - 22 с. - Детскир. в ЦШШуголь 12.04.91, $ 5266.

19. Скорняков K.M. Закономерности компоновке буровых станков с механизмом подачи в виде сдвоенных гидроцилиндров /Кузбас.политехи, ин-т. - Кемерово, тг391.- 20 с. Депокир. в ЦНйЭИуголь 22.04.91, № 5270.

20. Скорняков K.M. Определение высоты бурового станка по вписываеыости в сечение горной выработки./Кузбас.политехи.ин-т.-- Кег/ерово, 1991. - 7 с, - Депонир. в ЦНИЭИуголь 12.05,91,

№ 5284.

21. Скорняков Н.М. Методика комплексной оценки параметров бурового уганка на стадии проектирования: Тез.докл.dcecor '..семи-, нара в ИГД им.Скочинс^.лго.- М., 1991. - С. 35.

22. Скорняков Н.М. Показатели комплексной оценки технического уровня боровых станков //Механизация горных работ: Сб.науч.тр. /Кузбвс.политехи.ин-т.- Кемерово, J.992. - С. 83-87.

23. Ериолае"' Е.С., Логунов С.Н., Скорнякоз Н.М. Лабораторные .1 промышленны- испытания бурового станка Б45-120 //Механизация горьых работ: Сб.науч.тр. /Кузбас.политехи.ин-г.- Кемерово,1992.-С. 87-92.

24. A.c. № 7392x2 СССР, МКИ2 Е 21 В 19/14. Устройство для приема и выдачи штанг на буровом станке /М.С.Сафохин, И.Д.Богомолов, F.. М. Скорняков и др.; Опубл. 05.06.80, Бгал. № 21.

25. A.c. № 739228 СССР, МК'4 Е 21 С 9/00, Е 21 В 3/02,

Е 21 С I/I0C. Патрон бурового станка /М.С.Сафохин, И.Д.Богомолов, Н.М.Скорняков и др.; Опубл. 05.06.8С. Бил. № 21,

26. A.c.843620 СССР, МКИ3 Е 21 С 11/00. Захват манипулятора /М.С.^фохин, В.А.Акулов, Н.М.Скорняков и др.; Опубл. 23.07.81, Бюл. S 27. ^ .

27. A.c. № 874962 СССР, МКИ3 Б 21 В 19/10. Устройство для хранения к подачи буровых штанг /М.С.Сафохин, И.Д.Богомолов', Ü.M.Скорняков и др.; Опубл. 23.I0.bj., Бюл. №39.

20. A.c. » 876951 СССР, M^l3 Е 21 В 19/10. Устройство для удержания бурового става /М.С.Сафохин, И.Д.Богомолов, Н.М.Скорняков и др.; Опубл. 30.10.81, Бюл. $ 40.

29. A.c. » 876952 СССР, МКИ3 Е 21 В 19/10. Устройство для удержания бурового става /М.С.Сафохин, И.Д.Богомолов, Н.М.Скорняков и др: Опубл. 30.10.81, Бюл. № 40.

30. A.c. № 935609 СССР, MK"3 S 21 С 9/üu, Е 21 В 2/02,

Е 21 С 1/00. Патрон буросбозчной машины /М.С.Сафохин, И.Д.Богомолов, Н.Ы.Скорняков и др.; Опубл. 15.06.82, Бгал. № 22.

31. A.c. № 949172 СССР, МКИ3 Е 21 С 9/00, Е 21 В 3/02. рон бурового станка /М.С.Сафохин, И.Д.Богомолов, Н.М.Скорняков и др.; ОпуТл. 07.08.Я1, Вол. № 29.

32. A.c. J? 9567ч2 СССР, МКИ3 Е 21 В 19/10. Устройство для удержания бурового става /М.С.СауОхин, И.Д.Богомолов, Н.М.Скорняков и др.; Опубл. 07.09.82, Бил. № 33.

33. A.c. № 962608 СССР, МКИ3 Е 21 С 9/С , Е 21 В 3ГЛ. Патрон буровой машины /М.С.Сафохин, И.Д.Богомолов, Н.М.Скорняков и др.; Опубл. 36.09.82, Бюл. № 36.

34. A.c. № 968380 СССР, МКИ3 Е 21 С 9/00, Е 21 В 3/02. Патрон (? -ровоЙ машины/М.С. Ja$oxHH, И.Д.Богомолов, Н.М.Скорняков и др.; Опубл. 23.10.82, Бюл. Г 39.

35. A.c. I0I6498 СССР, МКИ3 Е 2- С 1/100. Буросбоечная машины /М.С.Сафохин, И.Д.Богомолов, K.M.Скорняков и др; Опубл. 07.05.83, Бюл. # 17 '

36. A.c. » 328473 СССР, МКИ3 Е 21 В ^/08. Устройство для измерения осевых усилий в буровом ставе /М.С.Сафохин, Л.Е.Мамзть-ев» H.to.Скорняков к др.; Опубл. 07.Q8.Q7, Бол. № 29.

37. A.c. № 17001903 СССР, МКИ3 * 21 С х/00, S 21 В 7/00. Способ бурения горизонтальных и слабонаклонных сквазгин /М.С.Сафо-хин, Л.Е.Ыамр-ьев, Н.М.Скорняков и др.; Опубл. 30.12.91, Бюл. »48.