Бурильная машина

 

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для вращательного бурения. Цель изобретения - повышение КПД, использование установленной мощности при расширении режимных параметров машины. Бурильная машина содержит буровую штангу 1 с инструментом 2, жестко закрепленную на винте-шпинделе (ВШ) 3, автономные приводы вращения и подачи с асинхронными короткозамкнутыми двигателями (Д) 4,8, кинематически связанными с ВШ 3, дифференциально-винтовой механизм привода подачи с винтовой гайкой 11 и блок управления. При этом ВШ 3 охвачен втулкой 7 привода вращения, установленной на нем с возможностью осевого перемещения. Блок управления имеет контролер 16, связанный входами с датчиками скорости вращения 12,13 ВШ 3 и гайки 11, осевого усилия 14 и крутящего момента 15. Роторы 6,10 Д 4,8 установлены соосно и выполнены полыми. В полости ротора 6 установлена втулка 7, а в полости ротора 10 - гайка 11. Статоры 5,9 Д 4,8 жестко связаны с их корпусами. В выходную цепь контролера 16 введены частотные преобразователи (П) 17,18, через которые выходы контролера 16 электрически связаны со статорами 5,9. При возрастании на штанге 1 момента сопротивления скорость вращения ротора 6 уменьшается. Информация об этом с датчиков 12, 13 и 15 поступает в контролер 16, откуда управляющий сигнал поступает в П 17, где увеличивается частота и напряжение питания Д 4. В результате скорость вращения Д 4 увеличивается до необходимой величины. При уменьшении скорости вращения ротора 10 информация об этом с датчиков 12 и 14 поступает в контролер 16, управляющий сигнал от которого поступает в П 18. В результате частота и напряжение питания на Д 8 изменяется так, что скорость вращения Д 8 увеличивается. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) (51)5..Е 21 С 1/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPbITHRM

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4386563/23-03 (22) 04. 03. 88 (46) 30. 05. 90. Бюл. 11" 20 (71) Фрунзенский политехнический институт (72) Л.Т. Дворников и А,7, Пономарев (53) 622.233,056 (068.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 571593, кл . В 21 (; 1/00, 1975 °

Авторское свидетельство СССР

tI - 1357563, кл. Е 21 С 1/10 1985. (54) БУРИЛЬНАЛ ИАШИНА (57) Изобретение относится к горной промьппленности и предназначено для вращательного бурения, Пель изобретения — повышение КПД, использование установленной мощности при расширении режимных параметров машины. Бурильная машина содержит буровую штангу 1 с инструментом 2, жестко закрепленную на винте-шпинделе (ВШ) 3, автонг мные приводы вращения и подлчи с асинхронными короткозамкнутыми двигателями (Д) 4,8, кинематически связанными с BLl 3, дtiфФetрi нцHальпо винтовой механим привода п.эдачи с винтовой гайкой 11 и блок управлечи:, При этом ВШ 3 охвачен втулкой 7 привода вращения, уст ано вле иной на нем с возможностью осевого перемещения.

Блок управления имеет контроллер 16, связанный входами с датчиками скорости вращения 12, 13 ВШ 3 и гайки

11, осевого усилия 14 и крутящего момента 15. Роторы 6, 10 . 1 4,8 установлены соосНо и выполнены полыми °

B полости ротора 6 установлена втул— ка 7, а в полости ротора 10 — гайка

11, Статоры 5,9 Д 4,8 жестко связаны с их корпусами. В выходную цепь контроллера 16 введены частотные преобразовалели (П) 17, 13, через кото1567764

10 рые выходы контроллера 16 электрически связаны со статорами 5,9. При возрастании иа атанге 1 момента сопротивления скорость вращения ротора

6 уменьшается. Информация об этом с датчиков 12, 13 и 15 поступает в контроллер 16, откуда упражпяющий сигнал поступает в П 17, где увеличивается частота и напряжение питания Д 4. В результате скорость

Изобретение относится к горной про- 15 мьппленности, в частности к бурильным машинам вращательного действия.

Цель изобретения — повышение КПД, использование установленной мощности при расширении режимных парамет- 2р ров машины.

На фиг.! приведена комбинированная схема бурильной машины; на фиг ° 2 — регулировочная характеристика приводов при 11 = сопв ; на 25 фиг. 3 — то же, при 11 т= var.

Бурильная машина включает буровую штангу 1 с интсрументом 2, жестко закрепленную на винте-шпинделе 3, автономные приводы вращения и подачи и блок управления. Привод вращения содержит асинхронный короткоэамкнутый двигатель 4 с корпусом. Двигатель 4 имеет неподвижный статор

5 и ротор 6. Вал роторй б выполнен полым и в нем установлена жестко связанная с ним втулка 7, внутри которой установлен с возможностью осевого смещения посредством шпоночноГо соединения Винт шпиндель 3 При 40 вод подачи содержит асинхронный короткоэамкнутый двигатель 8 с неподвижным статором 9, жестко связанным с корпусом и полым ротором 10, внутри которого установлена жестко свя- 45 занная с ним винтовая гайка 11, образующая дифференциально-винтовой механизм с винтом — шпинделем 3.

Роторы б и 10 установлены соосно. Бурильная машина снабжена датчиками 12 и 13 скорости вращения соответственно винта-шпинделя 3 и гайки

11, датчиками 14 осевого усилия и

15 крутящего момента. Блок управления содержит контроллер 16, входами связанной с датчиками 15, 14, 12 и 13, а выходами — через частотные преобразователи 17 и 18 соответственно со статорами 5 и 9 двигателей 4 вращения Д 4 увеличивается до необходимой величины. При уменьшении скорости вращения ротора 10 информация об этом с датчиков 12 и 14 поступает в контроллер 16, управляющий сигнал от которого поступаеЪ в П

18. В результате частота и напряжение питания на Д 8 изменяется так, что скорость вращения Д 8 увеличивается. 3 ил. и 8. Преобразователи частоты ТПЧ! (17) и ТПЧ2 (18) в свою очередь связаны с силовой питающей сетью.

Соотношение мощности приводов подачи и вращения составляет 1:8. Соответственно, мощность преобразователей приводов составляет также 1:10, Преобразователи частоты снабжены схемой аварийной защиты.

Устройство работает следующим образом.

AcHHxpoHHblH двигатель 4 приводит во вращение ылицевую втулку 7 вала ротора 6, в свою очередь вращающую винт-ыпиндель 3, поступательное движение которого осуществляется через гайку 11 ротора 10 асинхронного двигателя 3 подачи. Удельная подача шпинделя формируется эа счет разности скоростей вращения двигателей подачи 3 и вращения 4, Текущая информация с датчиков )3 и )2 (Тгl, Тг2) скоростей вращения соответственно двигателей подачи и вращения, а также с датчиков крутящего момента 15 и осевого усилия )4 поступает в управляющее устройство контроллер 16, где после обработки по заложенному в контроллер алгоритму оптимального управления согласно заданному или заданным критериям качества в виде управляющих сигналов поступает в частотные преобразователи 17 (ТПЧ1) и )3 (ТПЧ2), изменяющие частоту вращения асинхронных электродвигателей соответственно приводов вращения и подачи.

В режиме холостого хода осуществляется запуск привода вращения, затем через некоторый интервал времени включается призод подачи. При этом частота враще ротора 10 привода подачи подстраивается таким образом, чтобы удельная подача

1567764! я в

Р 1 где ы„- угловая скорость привода подачи; м — угловая скорость привода вращения.

Режим бурения, т.е. скорость вращения и величина крутящего момента привода вращения, а также величина удельной подачи и осевого усилия вырабатываются управляющим устройством (контроллером) 16.

На основе заданного критерия качества управления оптимальной энергоемкости буримой среды обеспечивается максимальная произнодительность при максимуме КПД использования установленной мощности приводов ° При изменении физико-механических снойстн горных пород, износа инструмента, заштыбонки штанги изменяются и нагрузки на инструмент, при этом осуществляется автоматический поиск и поддержание оптимального уровня режимов бурения, Возрастание крутящего момента на буровой штанге I момента сопротивления вращательного инструмента 2 приводит к уменьшению скорости вращения 30 ротора 6 асинхронного двигателя 4, Информация с датчиков 12 скорости вращения штанги I и датчика 15 крутящего момента поступает в контрллер 16, где происходит обработка ее по заложенному алгоритму, после чего управляющий сигнал поступает н частотный преобразователь 17 (ТПЧ1), где увеличивается частота и напряжение питания асинхрон— ного днигателя 4 н таком соотношении, 40 что

U/Â = сопя!. (фиг.2), 45

50 ния. где U — напряжение питания;

 — частота питающей сети.

В результате чего увеличивается скорость вращения асинхронного двигателя 4 до необходимой для данной по физико-механическим свойствам буримой среды, Асинхронным двигателем S подачи происходит передача к инструменту 2 на выбранной из семейства механической характеристики частотно-регулируемого привода необходимого крутящего момента, Возрастание осевого усилия подачи штанги по оси бурения приводит к умены, ению скорости вращения ротора 10 двигателя S подачи. Информация с датчика 12 c sopocTH нрашенчя гайки, жестко свяэанной с роторс и двигателя 8 подачи, и дачтика 4 осевого усилия поступает в контроллер 16, где происходит обр -ботка ее по заложенному алгори1 у, лосле чего управляющий сигнал поступает на частотный преобразоват,.ль 18 (ТПЧ2) °

В результате частота и напря*ение питания на двигателе изменяются в соотношении (фиг.3), в результате чего увеличивается скорость вращения асинхронного днигателя 8 подачи до необходимой для данной по физико-механическим свойствам буримой среды и по кинематической пепи 7,3, 1i за счет разности скоростей вращения гайки 11 и винта-шпинделя 3 происходит передача к инструменту 2 необходимой удельной подачи и осевого усилИя, регулируя тем саум толщину стружки, т ° е ° на гру з ку на главный привод вращения °

В процессе бурения при встрсче с твердыми включениями, превышающими предельные энергетические ноэ— можности привода для их ра piпения ср аб атыв ае т схема предел но-токонзой защиты, происходит отвод инструмента от забоя,. смена JII знийногп инструмента на алмазный HTIH комбинир»ванный инструмент и переход на нысп— коскоростное бурение, Попадание рабочего инструмента 2 в экстрел1альпые условия, такие как попадание его н трещину, встреча с тнердыми нклкчениями, определяющими предельные энергетические нозможности бурения данной машиной, предельный текущий износ, или аварийная полпмк» раб»чего инструмента 2, уменьшает скорость подачи, увеличивается усилие подачи.

Так как основной преобразователь частоты (ТПЧ1) снабжен схемой защиты по предельной нагрузке, определяющей предельные энергет| ческие возможности привода нращения, то это приводит к срабатыванию схемы защиты и к отключению двигателя 4 привода нращеТиристорный преобраз ователь частоты 18 (ТПЧ 2) привода подачи также снабжен схеллой защиты, но вниду того, что инерционность привода подачи на порядок ниже, чем инерционность привода вращения — иэ гримерного спптношения их мощностей 1:10, то схема защиты привода подачи среагирует

1567764 где P „полез ная мощность;

Пon

P — потребляемая мощность, на любой из выбранных, согласно заложенного алгоритма в контроллере, механических характеристик (фиг,2) .

35 быстрее, чем схема защиты привода вращения. Так ка полярность вращения винта-шпинделя 3 и гайки 11 противоположная то при отключении приво1

5 да подачи остановится гайка 11, а винт-шпиндель 3 будет вывинчпваться из нее и уводить от забоя рабочий инструмент 2,.

Так как скорость вращения винта10 шпинделя 3 практически не оказывает влияния на величину реактивного усилия подачи, то режим подачи задается только частотным преобразователем

18 (ТРЧ2), На величину реактивного

15 крутящего момента и осевого усилия оказывает существенное влияние удельная подача, износ рабочего инструмента 2, условия бурения (вынос выбуренной мелочи), физико-механические

20 свойства бурения пород, Условием, определяющим начало объемного разрушения данной породы с рабочим инструментом 2 является осевое усилие Рд °

Изменяя удельную подачу при изменении физ ико-механических свойств бур ения породы, осуществляют дозированное изменение нагрузки на привод вращения, добиваясь максимального КПД

P tton

Ч. =

ПотР

Формула,изобретения

Бурильная машина, включающая буровую штангу с инструментом, жестко закрепленную на винте-шпинделя, автономные приводы вращения и подачи с асинхронными короткозамкнутыми двигателями, кинематически связанными с винтом-шпинделем, дифференциальновинтовой механизм привода подачи с винтовой гайкой, втулку привода вращения, охватывающую винт-.шпиндель и установленную на нем с возможностью осевого перемещения, и блок управления, имеющий контроллер, связанный входами с датчиками скорости вращения шпинделя и винтовой гайки, осевого усилия и крутящего момента, отличающаяся тем, что, с целью повышения 1(ПД, использования установленной мощности при расширении режимных параметров машины, роторы короткозамкнутых асинхронных двигателей установлены соосно и выполнены полыми, в полости ротора одного из двигателей установлена втулка привода вращения, а в полости ротора второго двигателя — винтовая гайка дифференциально-винтового механизма привода подачи, при этом статоры короткозамкнутых асинхронных двигателей жестко связаны с их корпусами, а в выходную цепь контроллера введены частотные преобразователи, через которые выходы контроллера электрически связаны со статорами короткозамкнутых асинхронных двигателей.

1567764

Фиа3

Составитель О. Собин

Редактор Н. Киитулинец Техред М.Дидык Корректор М. Кучерявая

3 ак аз 1 309 Тираж 390 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101