Вращатель-буровой станок
Авторы патента:
Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для вращательного бурения скважин. В устройстве применен одноосный монтаж всех узлов, шпиндель выполнен шлицевым и установлен с возможностью осевого перемещения относительно приводного двигателя. Механизм осевой подачи бурового инструмента выпоолнен в виде пары гидроцилиндров, закрепленных на корпусе приводного двигателя соосно с ним и шпинделем. Штоки гидроцилиндров соединены через траверсу со свободным концом шпинделя, от которого осевая нагрузка, создаваемая рабочими поршнями гидроцилиндров, передается на буровой инструмент. 4 ил.
Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для вращательного бурения скважин.
Параметры оборудования этого типа независимо от его назначения тесно связаны с конструкцией вращателей и характерными для них механизмами подачи. Поэтому конструкция вращателя является основным, определяющим элементом. Отдельные конструкции вращателей выполняют функции буровых станков. Известны механические вращатели, основными элементами которых являются корпус, шпиндель с продольным каналом под бурильные трубы и зажимными патронами на нем; приводная втулка, от которой шпиндель получает вращение, редуктор, состоящий из конической пары зубчатых колес, связывающих вращатель с трансмиссией и обеспечивающих отбор мощности на вращение от приводного двигателя и механизм осевой подачи шпинделя с буровыми трубами (Кардыш В.Г. и др. Современные зарубежные буровые станки и установки. М. Недра, 1976; Блинов Г. А. и др. Техника и технология высокоскоростного бурения. M. Недра, 1982). Недостатками таких вращателей являются сложность схем, большой вес и габариты, низкий КПД, что обусловлено наличием в его конструкции громоздкой, металлоемкой, подверженной высоким динамическим нагрузкам зубчатой трансмиссии, работа которой сопровождается большими механическими потерями энергии при ее передачи от приводного двигателя шпинделю с буровым инструментом и высокими уровнями вибрации всей конструкции при бурении скважин. Известен также электрический вращатель, содержащий приводной электродвигатель с полым валом, соединенный с буровым инструментом для передачи ему вращения, механизм осевой подачи, установленный на направляющей раме (Воздвиженский Б. И. и др. Разведочное колонковое бурение. М. Госгеоиздат, 1957). Данный вращатель сам по себе выполняет функции бурового станка и принят нами за прототип. В данном вращателе буровом станке приводной двигатель с буровым инструментом подвижно установлен на направляющей раме с опорными колонками, с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно нее. Осевая нагрузка через натяжное устройство (цепная передача) передается непосредственно на приводной двигатель с буровым инструментом [1] Основным недостатком конструкции известного вращателя является то, что осевое усилие на буровой инструмент передается в зависимости от приводного двигателя, что вызывает усиленную вибрацию всей конструкции. Основными причинами этого является подвижное крепление приводного двигателя на направляющей раме и за счет люфтов и зазоров двигатель колеблется относительно направляющей рамы и передает их буровому инструменту. На эти колебания накладываются крутильные колебания самого бурового инструмента, возникающие в процессе бурения скважин. Другими недостатками являются громоздкость, металлоемкость конструкции, а за счет высокого уровня вибрации повышенная энергоемкость и снижение производительности работ. Известны гидравлические, пневматические и др. вращатели с аналогичными кинематическими схемами (см. вышеуказанную литературу). Указанные вращатели обладают теми же недостатками, что и прототип. Исключением в отдельных из них является то, что одни имеют возможность плавного регулирования частоты вращения бурового инструмента (например СКБ-7), другие обладая этим, являются только вращателями без осевого перемещения шпинделя. В дополнение к изложенному следует отметить, что анализ существующего бурового оборудования показывает, что взаимное расположение основных рабочих и вспомогательных механизмов, их кинематическая и конструктивная связь в значительной части обуславливает недостатки конструкций, отмеченные выше. Так, в механических вращателях (описанных выше) приводной двигатель и механизм передачи вращения от него шпинделю (трансмиссия) монтируются по горизонтальной оси, а шпиндель, несущий буровой инструмент, по вертикальной. В этом случае разнонаправленный осевой монтаж обуславливает проявление разнонаправленных сил инерции, образующихcя движущимися узлами конструкций (в соответствии со своими массами и частотой вращения), что приводит к увеличению уровня вибрации всей конструкции и повышению металлоемкости отдельных ее узлов и деталей для обеспечения их надежности (например, угловой резуктор). В свою очередь повышение уровня вибрации конструкции и бурового инструмента, приводит к снижению проходки и повышению удельной мощности затрачиваемой на бурение. К аналогичным последствиям приводит и несоосная компоновка основных узлов в электрических и других вращателях приведенных при описании прототипа. Существенно влияет компоновка и на эксплуатационные возможности буровой техники, поскольку от нее зависит насколько оборудование обеспечивает и отвечает технологическим требованиям бурения в различных условиях, в частности бурение наклонных, горизонтальных и восстающих скважин. Целью изобретения является упрощение конструкций вращателей и совмещение в них основных функций бурового станка, снижение уровня вибрации при бурении скважин и повышение КПД. Поставленная цель достигается тем, что в отличие от известного вращателя-бурового станка, содержащего приводной двигатель, механизм вращения бурового инструмента и механизм осевого его перемещения, в предлагаемом вращателе буровом станке все узлы конструкции непосредственно взаимосвязаны на одной оси. Для передачи осевого усилия на буровой инструмент независимо от приводного двигателя предусмотрен шпиндель, который посажен непосредственно в плавнорегулируемый приводной тяговый двигатель с полым ротором с возможностью осевого перемещения в нем. Для передачи синхронного вращения шпиндель входит в зацепление с внутренней рабочей поверхностью ротора приводного двигателя, выполненной ответной шпинделю фигурной формы. Механизм осевой подачи (перемещения) бурового инструмента соединен со свободным концом шпинделя и закреплен на кожухе приводного двигателя соосно с валом его ротора и шпинделем, несущего буровой инструмент. Часть отличительных признаков (шпиндель, механизм осевой подачи (перемещения) соединен со свободным концом шпинделя) известны из конструкций других вращателей. В то же время патентный поиск показал, что в формуле, по предлагаемой конструкции, содержатся следующие существенные отличия: все узлы конструкции непосредственно взаимосвязаны на одной оси. Шпиндель с возможностью осевого перемещения расположен непосредственно в полом роторе приводного плавнорегулируемого двигателя. Механизм осевого перемещения закреплен на одной оси с валом ротора приводного двигателя и шпинделем. На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство; на фиг. 2 то же, вид сбоку; на фиг. 3 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 4 общий вид предлагаемого устройства. Оно содержит приводной плавно регулированный тяговый двигатель 1 с полым ротором 2. Шпиндель 3 фигурной формы с зажимными патронами автоперехвата 4 и гидропатроном 5 установлен внутри полого ротора 2, который на внутренней поверхности имеет форму ответную шпинделю 3. Шпиндель 3 установлен соосно с ротором 2 и механизмом осевого перемещения шпинделя 3 с буровым инструментом, включающего закрепленные на корпусе приводного двигателя 1 гидроцилиндры 6 и 7, рабочие штоки которых соединены с траверсой 8. Шпиндель 3 установлен с возможностью осевого перемещения относительно внутренней рабочей поверхности ротора 2, для этого он выполнен с гарантированным радиальным зазором относительно внутренней поверхности ротора 2 и соединен своим свободным концом с траверсой 8 механизма осевого перемещения. В корпусе траверсы 8 в месте ее соединения со шпинделем 3 установлен подшипниковый узел 9, включающий набор радиальных и упорных подшипников, первые из которых воспринимают радиальные нагрузки от вращения шпинделя 3, а вторые осевые нагрузки, передаваемые траверсой 8 на шпиндель 3. На корпусе приводного двигателя 1 имеются фланцы 10 для установки конструкции на свои опоры 11. Разворот конструкции относительно осей фланцев 10 несущих места крепления конструкции обеспечивает возможность бурения скважин под любым углом к горизонту. Устройство снабжено известной системой автоперехвата при осевой подачи бурового инструмента (применяется, например, в станках СКБ-7), которая на чертеже не представлена в целях его упрощения. Наиболее целесообразно в качестве приводного двигателя 1 использовать тяговые электродвигатели постоянного тока. Тогда конструкция комплектуется тиристорным преобразователем тока (например, типа АТРК) для питания электродвигателя и плавной регулировки частоты вращения шпинделя 3. В этом случае в качестве приводного двигателя должен быть использован определенный тип тяговых электрических машин, обладающих возможностью плавного регулирования частоты вращения их ротора в широких диапазонах, с одновременным регулированием крутящего момента, развиваемого ими (например, типа ДК-207, ДК-120 и их модификации). Устройство работает следующим образом. После включения приводного двигателя 1 его полый ротор 2 передает вращение шпинделю 3, в свою очередь шпиндель 3 приводит во вращение буровой инструмент. Одновременно в верхние полости гидроцилиндров 6 и 7 нагнетается под давлением рабочая жидкость (в это время нижние полости гидроцилиндров соединены со сливом). Усилие, создаваемое давлением жидкости на рабочих порциях гидроцилиндров 6 и 7, передается через их штоки и траверсу 8 на шпиндель 3 и далее на буровой инструмент, обеспечивая его осевое движение в процессе проходки скважины. После достижения траверсой 8 крайнего нижнего положения включается система автоперехвата. Нижние полости гидроцилиндров 6 и 7 соединяются с линией нагнетания, а верхние со сливом. В результате поршни и штоки указанных гидроцилиндров движутся вверх, возвращая траверсу 8 и шпиндель 3 в верхнее исходное положение без остановки вращения станка, после чего рабочий процесс продолжается в описанном порядке. Одноосный взаимосвязанный монтаж всех узлов конструкции (приводного двигателя с полым ротором, шпинделя, механизма передачи вращения шпинделю от приводного двигателя и механизма осевого перемещения шпинделя) упрощает конструкции известных буровых станков. В частности, ликвидирует громоздкую и тяжелую направляющую раму с колонами, служащую в прототипе в качестве направляющей опоры для возвратно-поступательного совместного перемещения приводного двигателя с буровым инструментом, а в сравнении с конструкциями станков типа СКБ-7, ЗИФ-1200 мр Д-2000 Атлас Копко, СКБ-4 и др. громоздкую энергоемкую трансмиссию передачи регулируемого вращения от приводного двигателя шпинделю. Одноосный взаимосвязанный монтаж узлов конструкции надежно обеспечивает снижение уровня вибрации как самой конструкции, так и бурового инструмента, так как только в этом случае силы инерции, развиваемые движущимися узлами конструкции (ротор приводного двигателя, шпиндель) и связанного с ней бурового инструмента, направлены по одной оси и не входят в противоречие друг с другом. Взаимосвязанность всех узлов на одной оси (как показали производственные испытания) обеспечивает возможность работы конструкции длительное время с высокой частотой вращения (1000-2000 об/мин) шпинделя с буровым инструментом, так как не имеет ограничений, создаваемых промежуточными звеньями в других кинематических схемах. Только взаимосвязь всех узлов конструкции на одной оси, создающих стабильные условия работы бурового инструмента на высоких частотах вращения, обеспечивает развитие центростремительных сил (эффект самоцентрирования) бурового инструмента, приводящих к резкому снижению сил трения между буровым инструментом и стенками скважин и, соответственно, к резкому снижению затрат мощности на бурение и интенсивному росту проходки скважин. Конструктивные особенности предлагаемого вращателя бурового станка дают возможность создать на его базе самостоятельный унифицированный вращатель буровой станок для глубин 0-2200 м, что позволит заменить классы серийно выпускаемых буровых станков и обеспечить их полную унификацию. Производственные испытания предлагаемой буровой конструкции показали, что с ее применением механическая скорость проходки возрастает на 58% а коммерческая на 31-44% в сравнении с серийно выпускаемыми станками ЗИФ-1200 мр и СКБ-7, а наработка на отказ составила 2604 ч при остановки конструкции в рабочем состоянии, что подтверждает ее высокую надежность и долговечность.Формула изобретения
ВРАЩАТЕЛЬ-БУРОВОЙ СТАНОК, включающий приводной плавнорегулируемый двигатель с полым ротором, шпиндель, который установлен в полом роторе с возможностью осевого перемещения и входит в прямое зацепление с внутренней рабочей поверхностью ротора для синхронного с ним вращения, механизм осевого перемещения шпинделя и размещенный на конце шпинделя буровой инструмент, отличающийся тем, что в качестве приводного двигателя использован размещенный в кожухе реверсивный электродвигатель, а механизм осевого перемещения шпинделя выполнен в виде закрепленных на кожухе приводного двигателя соосно с ротором последнего двух гидроцилиндров и траверсы с гидропатроном, при этом траверса смонтирована на свободном конце шпинделя и связана со штоками гидроцилиндров.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
Похожие патенты:
Буровой станок // 1782278
Изобретение относится к горной промышленности , в частности к устройствам для образования разгрузочных пазов
Ударно-поворотный механизм // 2033520
Изобретение относится к области горной промышленности и строительства, а именно к машинам ударно-поворотного действия
Буровой станок // 2029081
Изобретение относится к средствам бурения шпуров и скважин и может быть использовано в горнодобывающей промышленности
Буровой станок // 2029081
Изобретение относится к средствам бурения шпуров и скважин и может быть использовано в горнодобывающей промышленности
Буровой станок // 2026981
Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для вращательного бурения скважин
Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам для фиксации рабочего инструмента машины ударного или ударно-вращательного действия, и может быть использовано в буровых машинах при образовании выемок в горных породах или в искусственных материалах
Изобретение относится к устройствам для бурения горизонтальных и наклонных скважин, а именно к буровым ставам, и может быть использовано в горном деле и строительстве
Изобретение относится к технологии проведения скважин некруглого сечения, преимущественно для выемки полезного ископаемого, в условиях тонких угольных пластов тупиковыми скважинами и может применяться для проведения дегазационных и вентиляционных скважин, а также для проведения разрезных печей
Буровой станок // 2026488
Изобретение относится к горной промышленности и позволяет увеличить долговечность рабочего оборудования за счет снижения нагрузки на мачту и исключить динамическую нагрузку на мачту в режиме пуска привода в работу
Устройство для бурения шпуров // 2023151
Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для бурения шпуров при проходческих и очистных работах
Ударно-поворотный механизм // 2100597
Изобретение относится к горной промышленности и строительству и может быть использовано в ручных бурильных молотках
Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для вращательного бурения скважин
Изобретение относится к области горной промышленности и может быть использовано при устройстве лучевых дренажных скважин при осушении обводненных горных пород в горнодобывающих отраслях промышленности, при строительстве промышленных площадок, дренаже мелиорируемых сельскохозяйственных земель, при добыче нефти и т.п
Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при бурении прямолинейных скважин
Ударно-поворотный механизм // 2118454
Изобретение относится к горной промышленности и строительству, может быть использовано в ручных перфораторах
Бурильное устройство с усовершенствованным автоматическим разъединительным ключом (варианты) // 2123573
Изобретение относится к горному делу, в частности к бурильным устройствам для бурения взрывных скважин, и включает станину, размещенную на станине мачту, автоматический разъединительный ключ для поворота одной секции буровой трубы по отношению к другой для их разъединения, ключ имеет зажимную щеку, приводимую в действие силовым цилиндром так, что сила, вызванная воздействием цилиндра на щеку, расположенную со стороны трубы, не уменьшает усилие зажима, а отвинчивающий цилиндр расположен таким образом, что создаваемый им момент прижимает ключ к трубе, устройство включает также крутящее приспособление, установленное с возможностью поворота по отношению к мачте, причем поворот упомянутого приспособления направляется тремя пальцами, а зажимная щека установлена с возможностью поворота на одном из пальцев, направляющих движение крутящего приспособления, при этом на крутящем приспособлении установлена обжимка, а между обжимкой и зажимной щекой расположены по меньшей мере одна прокладка, причем способ закрепления прокладок обеспечивает их удобную установку и удаление, изобретение обеспечивает удобную работу с трубами различного диаметра с необходимым усилием без нарушения целостности соединений труб
Погрузочная машина // 2123593
Изобретение относится к оборудованию для производства погрузочных работ в подземных условиях, а именно к погрузочным машинам с боковой разгрузкой
Рабочий орган бурильной машины // 2132909
Изобретение относится к области строительства и горного дела, в частности применимо для разработки прочных грунтов и горных пород