Анализ вращательного бурения

 

В статье рассмотрены вопросы управления вращательным бурением резцовым инструментом при бурении крепких горных пород. Выполнено сравнение нескольких способов управления усилием подачи и показана связь показателей с условиями бурения при изменении крепости породы, затуплении режущего инструмента, и при заклинивании буровой штанги. Показаны закономерности формирования скорости бурения, усилия подачи, момента сопротивления вращению, удельной подачи при различных методах управления процессом вращательного бурения. Приведено сравнение адаптивного процесса бурения с бурением при свободной подаче.

Ключевые слова: адаптивное управление; вращательное бурение; режущий инструмент; бурильная штанга.

 

Вращательное бурение горных пород является одним из наиболее важных и часто используемых процессов в строительстве, при разведке и добыче полезных ископаемых, наряду с другими известными методами бурения, такими как: шарошечное, ударно -вращательное, струйное, термическое и др.

При бурении неглубоких скважин, или шпуров для буро-проходческих работ, при бурении отверстий под анкерное крепление в коммунальном хозяйстве и в гражданском строительстве, в других отраслях, используются бурильные машины вращательного типа, оснащенные резцовым инструментом (коронками).

Наибольший интерес представляет вопрос вращательного бурения пород и грунтов относительно высокой прочности. Как правило, при бурении мягких пород и грунтов силовые нагрузки на режущий инструмент и на бурильную машину относительно невысоки и вопросы рационального управления бурением возникают реже.

Вращательное бурение обеспечивается двумя движениями исполнительного органа: вращением штанги с режущей частью и движением этой части вдоль оси штанги в направлении бурения. Первое движение характеризуется частотой вращения штанги (n) и моментом сопротивления вращению (Mвр). Второе движение характеризуется скоростью поступательного движения штанги в направлении бурения (скоростью подачи Vп) и силой сопротивления этому движению Rп, точнее усилием со стороны бурильные машины (усилием подачи Fп), которое должно быть больше этой силы сопротивления и обеспечивать скорость подачи. Таким образом, управление процессом вращательного бурения может обеспечиваться лишь регулированием двух параметров: частотой вращения штанги (n) и усилием подачи (Fп) или скоростью подачи (Vп). В теории бурения рассматриваются следующие основные методы управления этими параметрами:

а) — постоянная частота вращения и постоянное усилие подачи;

б) — переменная частота вращения и постоянное усилие подачи;

в) — постоянная частота вращения и переменное усилие подачи;

г) — переменна частота вращения и переменное усилие подачи;

д) — переменная частота вращения и постоянная скорость бурения, (Vбур);

Наряду с приведенными выше методами управления бурением используются и другие прогрессивные подходы в управлении. Например, адаптивное управление вращательным бурением, характеризуется автоматическим изменением усилия подачи (Fп) в зависимости от величины момента сопротивления вращению (Мвр), при любой частоте вращения штанги [1]:

Fп = f(Мвр),

или при управлении, когда контролируется и регулируется, так называемая удельная подача (S)- углубление штанги за один оборот.

Сравнение методов управления усилием подачи.

Сопоставим три варианта управления процессом вращательного бурения путем изменения усилия подачи, используя качественный анализ закономерностей, изложенных в работе [2].

1. Метод «Свободная подача».
2. Метод «Принудительная подача».
3. Метод «Адаптивная подача».

«Свободная подача», соответствует режиму бурения, когда усилие подачи постоянное:Fп = const. Это усилие определяется постоянным давлением в гидроцилиндрах подачи, или, в случае, когда усилие подачи обусловлено постоянным, весом бурильной головки и/или весом привода вращения.

«Принудительная подача» соответствует условиям, когда скорость поступательного перемещения буровой штанги постоянна, не зависимо от силы сопротивления усилию подачи и величины вращающего момента на штанге, т. е. когда постоянна удельная подачи:S = const, или Vбур =Vп = const.

Под адаптивным управлением процессом бурения понимается такое управление, когда усилие подачи и частота вращения штанги автоматически изменяется адекватно изменению условий бурения. А адаптивная подача соответствует условию, когда усилие подачи изменяется адекватно изменению момента сопротивления вращению.

Рассмотрим некоторые закономерности при различных способах управления усилием подачи, в частности рассмотрим влияние условий бурения на скорость бурения и момент сопротивления вращению, для следующих факторов:

1.                Изменение крепости буримой породы;
2.                Изменение степени затупления режущего инструмента;
3.                Изменение степени заштыбовки (зажатия) или искривления буровой штанги.

В основу анализа закономерностей и показателей вращательного бурения положены известные научные разработки [3], [4]; прежде всего эмпирические расчетные выражения, связывающие условия работы режущего инструмента с показателями бурения [5]. Использованы также материалы докладов на международных конференциях в МГГУ на «Неделе горняка» [6,7] а также научные результаты работы аспирантов и соискателей [8,9].

На рис. 1 приведены зависимости скорости бурения (Vбур), момента сопротивления вращению (Мвр)и частоты вращения штанги (n) от контактной прочности (Рк) буримого материала в режиме свободной подачи c учетом ограничений в управлении [10].

а б

Рис. 1. Влияние прочности буримого материала: а — зависимость скорости бурения (Vб) от контактной прочности (Рк) буримого материала; б — зависимость момента сопротивления вращению (Мвр) и частоты вращения штанги (n) от контактной прочности (Рк)буримой породы; Fпi — усилие подачи, Fпi=const,Fп1 > Fп2 >Fп3; Vmin — предельно минимальная скорость бурения; Vmax — максимальная скорость бурения

 

Как видно на рис. 1 с увеличением крепости буримой породы, момент сопротивления вращения штанги уменьшается, а частота вращения штанги увеличивается. Это связано с тем, что с увеличением прочности буримого материала уменьшается глубина резания. И, следовательно, уменьшаются приведенное усилие резания, момент сопротивления вращению, удельная подача и скорость бурения. Однако, если ступенчато или плавно перейти на увеличенное усилие подачи, то это уменьшение можно компенсировать. (См.рис.1а). Замечание: для оптимальных условий бурения [9], с увеличением крепости буримого материала частота вращении штанги должна уменьшаться.

На рис. 2 приведены зависимости скорости бурения, момента сопротивления вращению, частоты вращения от приведенной площадки затупления резца.

На рис.3 приведены зависимости показателей бурения в режиме зажатия буровой штанги заштыбовкой или при её искривлении при свободной подаче.

Рис. 2. Зависимость скорости бурения, момента сопротивления вращению, частоты вращения штанги от приведенной площадки затупления резца. Fпi — усилие подачи, Fпi=const,Fп1 > Fп2 >Fп3; Vmin — предельно минимальная скорость бурения; Vmax — максимальная скорость бурения;

 

Рис. 3. Зависимости показателей бурения в режиме зажатия буровой штанги заштыбовкой или при её искривлении.

 

Как видно на графиках, при свободной подаче зажатие штанги не вызывает изменений в усилии подачи, так как при этом методе управления бурением усилие подачи не связано с другими параметрами бурения.

При этом частота вращения штанги в некоторых пределах уменьшается, уменьшается и скорость бурения, вплоть до остановки вращения.

Далее рассмотрим изменение показателей бурения при принудительной подаче. При этом возможны два вида управления усилием подачи: — поддержанием постоянной удельной подачи (S=Vбур /n= const), — поддержанием постоянной скорости бурения (Vбур =Vп= const).

Бурение при постоянной удельной подаче означает бурение при постоянном отношении скорости бурения к частоте вращения штанги.

При этом методе управления бурением, усилие подачи формируется условиями бурения: — заданным значением удельной подачи и — крепостью буримой породы. Если крепость породы изменяется, то адекватно этому изменению формируется и усилие подачи, которое ограничено минимальным Vmin и максимальным Vmax значениями.

.

Рис. 4. Зависимость скорости бурения (Vб)и усилия подачи (Fп) от прочности буримой породы (Рк), при трех значениях удельной подачи (S1,S2,S3), S1>S2>S3.

 

На рисунке 4 приведены зависимости скорости бурения и усилия подачи от прочности буримой породы при трех значениях удельной подачи.

Как видно, при относительно небольшой удельной подаче (S3) возможно бурение породы повышенной крепости, но при этом скорость бурения уменьшится (Vбур3).

Аналогично изменяется и момент сопротивления вращению (Рис.5). При этом процессе бурения ограничивающим фактором может быть и момент сопротивления вращению, вследствие чего при относительно больших удельных подачах возможно бурение относительно мягких пород.

Этот режим ограничен предельной величиной усилия подачи, и прочностными характеристиками всей бурильной машины.

При затуплении режущего инструмента скорость бурения не уменьшается, но существенно возрастают усилие подачи и момент сопротивления вращению, при этом увеличивается риск поломки режущего инструмента.

При адаптивном управлении, усилие подачи автоматически увеличивается при уменьшении момента сопротивления вращению так, чтоскорость бурения уменьшается незначительно, и момент вращения уменьшается незначительно.

Рис. 5. Зависимость момента сопротивления вращению и частоты вращения от прочности породы при подачах S1 < S2 < S3

 

Это показано на рисунках 6 и 7. Для сравнения приведены зависимости, полученные при свободной подаче.

Рис. 6. Зависимость скорости бурения от прочности буримого материала, в пределах ограничений, Vба –скорость бурения при адаптивной подаче, Vбс — скорость бурения при свободной подаче.

 

Рис. 7. Зависимость момента сопротивления вращению и частоты вращения штанги в зависимости от крепости породы, индекс «с» -свободная подача, индекс «а» — адаптивная подача.

 

При затуплении режущего инструмента и адаптивной подаче, увеличение площадки затупления автоматически приводит к увеличению усилия подачи, что обеспечивает относительно не большое снижение момента сопротивления вращению, и незначительное увеличение частоты вращения штанги, что обеспечивает незначительное снижение скорости бурения, в пределах ограничений (Рис. 8).

При заклинивании или изгибе бурильной штанги, значительно увеличивается сопротивление вращению, что вызывает уменьшение усилия подачи или автоматический реверс скорости подачи- штанга извлекается из скважины до состояния, пока момент сопротивления вращению не уменьшится до номинального значения [11].

Рис. 8. Зависимость момента сопротивления момента и частоты вращения от затупления режущего инструмента, индекс «с» -свободная подача, индекс «а» — адаптивная подача.

 

Выполним анализ взаимодействия резца с разрушаемым материалом при адаптивном управлении усилием подачи.

Если усилие резания увеличивается или приближается к предельному значению, то при постоянном, неизменном, усилии подачи (Fп =const), появляется вероятность поломки резца, или деформация державки, или поломка армировки резца. Необходимо усилие резания уменьшать. Для этого необходимо знать, от каких параметров и режимов зависит усилие резания. Известно, что усилие резания зависит от глубины резания [3], которая определяется, наряду с другими условиями, усилием подачи. Следовательно, для снижения усилия резания необходимо уменьшить усилие подачи. И наоборот, если усилие резания меньше заданного, рационального, необходимо увеличить усилие подачи, т. е. увеличить глубину резания (толщину стружки). Это регулирование при адаптивном управлении выполняется автоматически [11].

 

Литература:

 

1.      Водяник Г. М. и др. Сверление горных пород самонастраивающейся буровой машиной — В кн.: Горный породоразрушающий инструмент. Киев.,1970, с. 116 -129.
2.      Лемешко М. А. Адаптивное управление процессом резания горных пород. Монография / М. А. Лемешко; М-во образования и науки Российской Федерации, Гос. образовательное учреждение высш. проф. образования «Южно-Российский гос. ун-т экономики и сервиса» (ГОУ ВПО «ЮРГУЭС»). Шахты, 2010, 67с.
3.      Резание угля // А. И. Берон, Е. З. Позин, В. А. Казанский и др. — М: Госготехиздат,1962. — 364 с.
4.      Лемешко М. А., Волков Р. Ю. Метод адаптивного процесса резания горных пород./ Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2014, С. 46–50
5.      Сысоев Н. И., Мирный С. Г. Основы теории функционирования бурильных машин вращательного действия. Уч. пособие, Юж.- Рос. Гос. Тех. Ун-т (НПИ).- Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006.104 с.
6.      Лемешко М. А. Стенд для исследования адаптивного процесса бурения с не силомоментными обратными связями / Горный информационно — аналитический бюллетень (Научно-технический журнал). 2005. № 4. С. 314–315.
7.      Лемешко М. А., Васин М. А. Динамические характеристики адаптивного привода бурильной машины с гидродвигателем вращения и гидроцилиндром подачи. / Новое слово в науке и практике: гипотезы и апробация результатов исследований. 2014. № 10. С. 69–73.
8.      Лемешко М. А., Волков Р. Ю. Использование метода электрогидравлической аналогии для моделирования работы адаптивной бурильной машины. /Технико-технологические проблемы сервиса. 2014. № 3 (29). С. 62–65
9.      Lemeshko M. A., Vasin M. A., Saj D. E. Mathematical Model Of Optimal Control Rotary Drilling Machines / Eastern European Scientific Journal. 2014. № 3. С. 193–197.
10. Лемешко М. А., Трифонов А. В. Математическая модель ограничений адаптивного управления машинами вращательного бурения./ Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2012. № 2. С. 207–210.
11. Адаптивная машина вращательного бурения. Патент RU 2473767 29.07.2011 /Лемешко М. А., Трифонов А. В.