Повышение эффективности передачи энергии ударных импульсов по ставу штанг при бурении скважин малых диаметров
На правах рукописи
Казанцев Антон Александрович ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ УДАРНЫХ ИМПУЛЬСОВ ПО СТАВУ ШТАНГ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН МАЛЫХ ДИАМЕТРОВ Специальность 05.05.06 – «Горные машины»
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Кемерово – 2009 2
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Юргинский технологический институт (фили ал) Томского политехнического университета»
Научный консультант: доктор технических наук, профессор, Саруев Лев Алексеевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Рындин Владимир Прокопьевич кандидат технических наук, директор ООО «КузНИИшахтострой» Григоренко Юрий Дмитриевич
Ведущая организация: Восточный научно-исследовательский горнорудный институт (ОАО «ВостНИГРИ», г. Новокузнецк)
Защита состоится 25 июня 2009 г. в 12 часов на заседании диссертационного со вета Д 212.102.01 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет» по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28. Факс (3842) 36 16-
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образова тельного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский гос ударственный технический университет» Автореферат разослан мая 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета А.Г. Захарова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы Около 10 % железных руд и около 40 % руд цветных металлов в России до бывается подземным способом. Наиболее распространенным и эффективным способом разрушения горных пород средней и высокой крепости являются буро взрывные работы, этим способом отбивается около 50 % руды, из них скважина ми малого диаметра – 15 %, которые, однако, требуют больших энергозатрат и затрат труда на бурение шпуров и скважин. Трудоемкость буровзрывных работ составляет 15–30 % общей трудоемкости очистной выемки руды. С увеличением крепости пород в первую очередь возрастает трудоемкость буровых работ при разработке подземных руд. Сокращение сроков их проведения и увеличение про изводительности труда требуют непрерывного совершенствования буровой тех ники.
Для бурения скважин малых диаметров (40–70 мм) в породах средней кре пости и выше используются буровые установки с выносными вращательно ударными механизмами. При этом энергия ударника в виде волны деформации сжатия передается по составному буровому инструменту к забою. С целью по вышения скорости бурения скважин были созданы конструкции мощных вынос ных вращательно-ударных узлов. Технический переворот в области бурения скважин связан с внедрением в горной промышленности гидроударных буровых машин (ГБМ) вращательно-ударного действия, что позволило увеличить энергию удара с 200–250 Дж (у ПБМ) до 500–800 Дж. Однако повышение энергии удара ограничивается прочностью составного бурового инструмента, так как диаметр скважин не изменился, то бльшую ударную мощность и крутящий момент пере дают через штангу и соединение прежних размеров. Именно эти детали стали сдерживать дальнейшее развитие буровой техники. В связи с этим весьма акту альным становится вопрос модернизации бурового инструмента, которая поз волила бы увеличить его работоспособность и повысить производительность труда при бурении скважин.
Диссертационная работа связана с выполнением научно-исследовательской работы по гранту «Разработка средств интенсификации бурения скважин малых диаметров в подземных условиях», выделенному Томским политехническим университетом и НИОКР «Исследование динамики и разработка гидроимпульс ной системы подачи инструмента бурового станка для повышения безопасности работы угольных шахт бурением дегазационных скважин малого диаметра из подземных горных выработок» по конкурсу «УМНИК» Фонда содействия разви тию малого предпринимательства в научно-технической сфере, поддержанных в 2008 г.
Цель работы заключается в повышении эффективности передачи энергии ударного импульса через резьбовые соединения буровых штанг.
Идея работы заключается в использовании шпилек, как соединительных элементов става штанг, имеющих преимущество перед муфтами тем, что энергия импульса передается через соединение штанг без значительного рассеивания.
Задачи работы.
1. Провести анализ работы резьбовых соединений при вращательно-ударном нагружении и разработать новые технические решения соединения штанг для бу рения скважин малых диаметров.
2. Провести анализ распределения напряжений в соединении штанг нового типа при нанесении ударов и действии крутящего момента.
3. Определить коэффициенты передачи энергии, амплитуды и длительности ударных импульсов при вращательно-ударном нагружении става штанг с соеди нением нового типа.
Методы выполнения исследований. В процессе выполнения работы ис пользовались как общенаучные, так и специальные методы исследований, вклю чая научное обобщение, методы теории упругости, волновую теорию удара Сен Венана, преобразование Лапласа для волнового уравнения. Для исследования волн деформаций в буровом ставе и резьбовых соединениях использовался метод тензометрирования с применением теории математической статистики для обра ботки опытных данных.
Научные положения, выносимые на защиту:
резьбовое соединение буровых штанг шпилькой, в отличие от муфтового со единения, способствует снижению осевого рассеивания энергии ударного им пульса при прохождении его через соединение буровых штанг;
при совместном действии ударов и крутящего момента в соединительном эле менте шпилечного типа происходит снижение величины касательных напря жений в элементах соединения в связи со смещением напряжений по попереч ному сечению;
коэффициенты относительного изменения энергии и амплитуды ударного им пульса при вращательно-ударном бурении скважин в шпилечном резьбовом соединении штанг выше, чем в муфтовом соединении.
Научная новизна:
впервые установлены закономерности распределения напряжений в резьбовых соединениях штанг шпилькой;
установлено, что при совместном нанесении ударов и действии крутящего момента в соединительном элементе шпилечного типа величина касательных напряжений снижается в 3,5 раза, а величина остаточных нормальных напря жений, возникающих от прохождения ударного импульса ниже в 22,5 раза, чем в муфтовом соединении;
установлено, что при бурении скважин малого диаметра с уменьшением под водимой энергии импульса к буровому ставу потери энергии ударного им пульса в соединениях штанг шпилькой, по сравнению с муфтовым соединени ем уменьшаются в 1,52 раза.
Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций и полученных результатов подтверждается применением апробированных методов теории упругости, волновой теории удара с экспериментальной проверкой на натураль ных образцах различных конструкций бурового инструмента;
расчетом погреш ностей измерений (не более 5% при 95% доверительной вероятности) и провер кой полученных результатов, применением апробированного комплекса измери тельной и регистрирующей аппаратуры на основе методики УИПУ-4М ООО «Удар-МАШ», разработанной ИГД им. А. А. Скочинского, соответствующей стандарту ISO 2787.
Личный вклад. Автором проведены исследования распространения сило вых импульсов по ставу штанг шпилечного соединения, а также исследования по анализу потерь энергии силовых импульсов в резьбовых соединениях, обработа но более 500 осциллограмм силовых импульсов, формируемых шестью различ ными бойками, при распространении их по трем буровым ставам в искусствен ных скважинах. По результатам исследований получены зависимости изменения энергии, амплитуды силы, длительности силовых импульсов при их формирова нии и распространении по буровому ставу на длине до 36 м. Проведен сравни тельный анализ характера распределения напряжений от прохождении силовых импульсов через муфтовое и шпилечное соединения буровых штанг.
Практическая ценность работы.
Предложенный новый альтернативный тип соединения буровых 1.
штанг – шпилькой, позволит существенно увеличить долю передаваемой энергии импульса, направленную на разрушение горных пород.
Использование гидроипмульсного силового механизма в узлах бу 2.
рильных головок вместо ударных узлов буровых машин в качестве источника волн деформаций сжатия позволит увеличить энергию силового импульса за счет увеличения его длительности до 5000 мкс и интенсифицировать процесс буре ния.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Результаты работы использованы ООО «Томская горнодобывающая ком пания» (г. Томск) в проекте «Промышленная эксплуатация Борусского место рождения жадеитов» и ООО «Горный инструмент» (г. Новокузнецк) при изготов лении опытной партии буровых штанг с соединениями шпилечного типа для бу рения дегазационных скважин на шахтах Кузбасса.
Результаты работы использованы в учебном процессе при изучении техни ки вращательно-ударного бурения скважин по учебной дисциплине «Горные ма шины и оборудование. Введение в специальность».
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на меж дународных симпозиумах студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 20042008), международных научно практических конференциях «Современные техника и технологии» (Томск, 2004, 20072008), университетских конференциях «Знания, умения, навыки – путь к созданию новых инженерных решений» (Томск, 2007) и «Проблемы совершен ствования горных машин и оборудования» (Кемерово, 2006), Всероссийских конференциях «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» (Юрга, 2005, 20072008), а также на научных семинарах в Юргинском техноло гическом институте (филиале) Томского политехнического университета.
Публикации.
По теме диссертации всего опубликована 31 научная работа, в том числе монография, 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК России и 10 патентов РФ на полезную модель.
Структура и объем работы.
Диссертация выполнена на 153 страницах текста. Она состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 149 наименований, и содержит 55 рисунков, 8 таблиц и 3 приложения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформули рована цель, научная новизна, практическая значимость, основные положения, защищаемые в работе.
В первой главе проведен анализ работ по изысканию рациональных спо собов совершенствования буровых машин ударного действия и применяемых конструкций бурового инструмента.
Создание и совершенствование буровых машин ударного действия сопро вождались решением следующих основных задач: формирование в волноводе ударных импульсов с рациональными параметрами и обеспечение наилучшей пе редачи энергии бойка в штангу;
передача волны деформации по упругим волно водам с минимальными потерями энергии;
обеспечение оптимального преобразо вания энергии волн деформации в работу разрушения породы;
снижение вредно го воздействия на элементы ударного механизма импульсов, отраженных от об рабатываемой среды;
разработка средств измерения энергетических параметров волновых ударных процессов во время работы бурильной машины.
Существенный вклад в исследования обозначенных задач в ставее штанг при вращательно-ударном способе бурения подземных скважин малых диаметров внесли О. Д. Алимов, Е. В. Александров, В. Д. Андреев, А. И. Бажал, А. И. Белов, Ю. Д. Бессонов, В. И. Власюк, В. Ф. Горбунов, С. Н. Гудимов, Л. Т. Дворников, И. Е. Ерофеев, К. И. Иванов, В. В. Каменский, Г. М. Кашкаров, Г. М. Крюков, В. К. Манжосов, Н. Ф. Медведев, А. Ф. Панамарчук, А. А. Репин, Л. А. Саруев, А. Л. Саруев, А. С. Сердечный, Б. Н. Серпенинов, Б. Н. Смоляницкий, В. Б. Соколинский, И. Г. Шелковников, В. И. Чирьев, А. Г. Цуканов, Е. Ф. Эпштейн и др. За рубежом этими вопросами занимались Ф.К. Арндт, С. Такаока, К. Ферхарст, Г. Фишер, И. Хоукс, П. Чакраварти и др.
Рассматривая задачу о продольных волнах сжатия, распространяющихся в упругих стержнях необходимо принимать во внимание, что формулы о распреде лении напряжений, действующих в ударной системе, основаны на решении вол нового уравнения по теории Сен-Венана, которая основывается на допущении, что при ударе стержней контакт соударяющихся тел осуществляется по всей по верхности соударения. При этом напряжения и деформации в телах распростра няются не мгновенно, а с конечной скоростью ударной волны с0.
Движение волны при этом описывается одномерным волновым дифферен циальным уравнением:
2u 2 u c0 2.
t 2 x Рассмотрим движение волны в тонком упругом стрежне (буровом ставе) при ударе двух тел (рис. 1), фиксированном на одном конце и подвергающемся удару с другого конца жестким блоком массы m, движущимся со скоростью V.
Рис. 1. Удар жесткой массы m о конец упругого стержня. Волна сжатия интен сивности – распространяется со скоростью с В этом простом примере будем рассматривать продольную волну сжатия (–), движущуюся слева направо вдоль стержня со скоростью с0. За время dt фронт волны продвинется на расстояние dx=c0dt и элемент массы Adx приобре тает скорость V при действии импульса давления. Здесь – плотность материала, А – площадь поперечного сечения стержня (штанги). Закон сохранения количе ства движения для элемента стержня имеет вид:
Adt ( Adx)V Ac0Vt, то есть c0V. (1) Элемент будет сжат на величину du=Vdt, так что его относительная дефор мация равна du V. (2) dx c0 E Исключая и V из уравнений (1) и (2), получаем выражение для скорости распро странения волны (импульса) напряжения:
c0 E /, 1/ (3) которая является характеристикой материала. Так как упругие деформации малы, то скорость частиц стержня V значительно меньше скорости распространения волны с0. При этом для волны сжатия частицы движутся в том же направлении, что и волна, а для волны растяжения – картина противоположная. Начальное напряжение сжатия в стержне определяется выражением (1). Ударник замедляет ся от действия сжимающей силы в стержне при их взаимодействии, дальнейшее развитие процесса соударения зависит от соотношения масс ударника и стержня.
Во второй главе дан анализ методов измерения напряжений в соединени ях буровых штанг, изложена методика экспериментальных исследований процес са распространения силовых импульсов по ставу штанг, принятая к проведению экспериментов, а также методика математической обработки экспериментальных данных.
В работе обоснован и предложен альтернативный способ соединения буро вых штанг – шпилькой, при котором соединительный элемент находится внутри соединяемых штанг, а штанги контактируют торцами, условно показанный гори зонтально на рис. 2. Данный тип соединения является альтернативным для любых способов бурения и обладает следующими преимуществами и недостатками:
преимущества:
конструкция соединительного элемента уменьшает вероятность заклинивания става штанг в скважине;
при использовании штанг одинакового диаметра возможно использование ко ронок диаметром на 510 мм меньше, чем при использовании штанг, соединя емых муфтой;
облегчение выноса буровой мелочи из скважины;
недостатки:
необходима высадка штанг внутрь, либо сварка трением резьбовых участков, изготавливаемых отдельно;
у большинства буровых станков хвостовик соединяется с буровым ставом муфтой, что при применении шпилек потребует либо замены хвостовика, либо изготовление переходника.
Рис. 2. Соединение буровых штанг шпилькой Для проведения исследований был использован буровой став шпилечного соединения диаметром 33,5 мм. Для формирования бурового става использова лись стандартные бурильные трубы. Резьба стандартная круглого профиля с ша гом 12 мм. Нагружение ударами производилось с помощью 6 цилиндрических бойков различных диаметров, длины и массы, размеры даны в табл. 1. Для срав нения результатов были использованы 2 буровых става диаметром 32 и 40 мм, соединенные муфтами. Длины буровых ставов были одинаковы и составляли м каждый.
Таблица Параметры бойков № бойка 1 2 3 4 5 Поршень бурильной Диаметр, мм 34 34 38 74 машины БУ-70У Длина, мм 330 700 450 309 255 Вес бойка, кг 2,4 5 6,4 7,4 8,15 15, С помощью известных методов математической статистики определены доверительные интервалы математического ожидания, необходимое и достаточ ное число опытов (не менее четырех).
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований распределения напряжений в элементах резьбовых соединений буровых штанг.
Схема прохождения импульса через шпилечное резьбовое соединение представлена на рис. 3.
Рис. 3. Схема передачи ударного импульса через резьбовое соединение Приложение импульса P(t) в сечении z = 0 характеризует удар бойком по хвостовку става штанг. Длины участков става 0zl1 (до шпильки) и l2zl (после шпильки) предполагаются больше длительности импульса P(t), чтобы не учиты вать влияние концов стержней на работу рассматриваемого соединения.
Изучение схемы прохождения импульса через соединение буровых штанг сводится к решению системы четырёх волновых уравнений для каждого из участков, на которые условно разделено соединение. При этом:
t1 = 0 – начало приложения нагрузки P(t) к торцу штанги в точке z = 0;
t2 = 0 – начало передачи импульса в резьбовую часть штанг;
t3 = 0 – начало передачи им пульса из штанги через контакты витков резьбы в шпильку (t3 = t2);
t4 = 0 – нача ло выхода импульса из соединения.
Уравнение для первой штанги от ударного торца до шпильки составлено на основе волнового уравнения распространения волн в длинных стержнях:
2u1 2 u E c0 2 ;
0 z1 l1 ;
c0 (4) t1 z Уравнение для резьбовых частей штанг:
R u2 u 2 u2 2 u C c0 (u2 u3 ) ;
0 z2 l2 ;
(5) A2 A2 t2 t t2 z 2 Уравнение для шпильки:
R u2 u 2 u2 2 u C c0 (u2 u3 ) ;
0 z2 l2 ;
(6) A3 A3 t2 t t2 z 2 Уравнение для части штанги, расположенной после соединения:
2 u4 2 u c0 ;
z4 0;
(7) t4 z 2 где u1, u2, u3, u4 – смещения сечений (участков) штанг и шпильки;
A1, A2, A3, A4 – площади поперечных сечений участков штанг и шпильки;
с0 и – соответственно скорость звука и плотность материала;
С – жесткость взаимодействия «штанга – шпилька» на единицу длины;
R – эквивалентный коэффициент вязкого трения на единицу длины.
Для решения уравнений было применено преобразование Лапласа.
а б Рис. 4. Силовые импульсы в резьбовом соединении штанг:
а места наклейки тензорезисторов (1, 2 и 3) на деталях соединения;
б импуль сы, зафиксированные тензорезисторами: 1 в штанге до резьбовой части, Р уд;
у торца штанги, Р1;
3 в средней части шпильки, Р2;
шт и ш увеличение де формации резьбовой части штанги и шпильки Силовой импульс, проходя через резьбовое соединение, вызывает последо вательное снятие растягивающей нагрузки в контактах витков резьбы К1, К2, К3,…, К8 (рис. 4, а), и раскладывается на силы, действующие отдельно на штангу и на шпильку. При этом сумма абсолютного изменения этих сил равна Руд = Р1 + Р2, то есть силе импульса. В момент прохождения силового импульса через со единение резьбовая часть штанги получает дополнительное усилие сжатия Р 1, а растягивающая сила, действующая на шпильку, уменьшается на величину Р2 и происходит довинчивание соединения, при этом усилие затяжки возрастает на определенную величину и в штанге, и в шпильке.
Рис. 5. Зависимости остаточных напря- Рис. 6. Зависимости остаточных жений в резьбовых участках штанг от напряжений в резьбовых участках предударной скорости бойка V (при штанг от крутящего момента:
mб=const):
1, 2 соответственно для шпилечного шпилечное муфтовое и муфтового соединения при нагру соединение: соединение:
жении только крутящим моментом Т;
1 Т = 49 Нм;
1 Т = 49 Нм;
1, 2 соответственно при нагруже 2 Т = 147 Нм;
2 Т = 147 Нм;
нии крутящим моментом и ударными 3 Т = 245 Нм 3 Т = 245 Нм импульсами Рис. 7. Касательные напряжения в шпильке:
1, 5, 10, 15, 30 – число ударных импульсов На рис. 5 и 6 приведены зависимости остаточных напряжений от влияния предударной скорости бойка и крутящего момента после прохождения импульса.
Из представленных зависимостей видно, что напряжения в шпильках ниже, чем муфтах в 2–2,5 раза.
Для расчета на прочность резьбовых соединений штанг важно знать, как изменяются касательные напряжения в соединении при действии крутящего мо мента, усилия подачи и нанесении ударов.
Снижение величины касательных напряжений в соединительных элементах при прохождении через них ударного импульса, объясняется тем, что витки резь бы соединительного элемента разгружаются от растягивающей нагрузки от уси лия затяжки соединения. В данный момент времени происходит его довинчива ние и увеличиваются контактные нагрузки в торцах двух соединяемых штанг и, соответственно, возрастает доля передаваемого через них крутящего момента.
На рис. 7. показаны зависимости касательных напряжений в шпильке от нанесения ударов бойком по штанге со скоростью 5,1 м/с при крутящем моменте 196 Нм. При нанесении нескольких ударов по штанге касательные напряжения уменьшаются и, приблизительно через 30 ударов, с тензометров поступает ли нейный сигнал, свидетельствующий о разгрузке шпильки примерно в 3,5 раза.
В четвертой главе приводятся результаты исследований передачи энергии и амплитуды ударных импульсов, передаваемых по трем ранее обозначенным бу ровым ставам, которые нагружались шестью цилиндрическими бойками, раз личной массы, длины и диаметра. В результате чего с помощью тензодатчиков снимались осциллограммы (на рис. 8 и 9 представлены в обработанном виде) си ловых импульсов в пяти точках бурового става на длине – 1, 9, 18, 27 и 36 м.
Результаты исследований показали (рис. 10), что наибольшие потери энер гии и амплитуды импульса происходят на первых 9 метрах скважины из-за нало жения продольных волн деформации на поперечные волны. Как показали резуль таты исследования наиболее стабильные и высокие коэффициенты передачи энергии и амплитуды ударных импульсов были у бурового става шпилечного со единения, кроме случая при ударе самым тяжелым бойком. Отсутствие преиму щества в этом случае объясняется высокими удельными нагрузками в шпилечном соединении, так как площадь поперечного сечения последнего меньше в 1,7 и 2,5 раза соответственно для муфтовых ставов диаметрами 32 и 40 мм. Величина коэффициентов передачи энергии, амплитуды и длительности ударных импуль сов приведена в табл. 2.
Таблица Относительное изменение энергии, амплитуды и длительности ударных импульсов в ставах штанг на длине 36 м став W/W0 A/A0 T/T 33,5 0,70,75 0,750,85 1,031, 32 0,570,73 0,680,8 1,31, 40 0,340,82 0,450,82 1,21, Шпилечный став 33,5 мм Муфтовый став 32 мм Муфтовый став 40 мм Рис. 8. Ударные импульсы в буровых ставах при ударах бойком № (боек 34 мм, длиной 300 мм. Vуд=7 м/с. 1 см = 10 т) Шпилечный став 33,5 мм Муфтовый став 32 мм Муфтовый став 40 мм Рис. 9. Ударные импульсы в буровых ставах при ударах бойком № (боек 75 мм, длиной 450 мм. Vуд=7 м/с. 1 см = 10 т) Боек №1 Боек № 1 1,4 Ti/To 1 1,4 Ti/To Wi/Wo Wi/Wo 1, 0, 0,9 1, 0,8 1, 1, 0, 1, 0, 0,7 1, 0,6 0,6 0 9 18 27 36 L, м 0 9 18 27 36 L, м Ai/Ao, Ai/Ao, Wi/Wo 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 9 18 27 36 L, м 0 9 18 27 36 L, м Шпилечный став 33,5 мм (тип А) Ai/Ao, 1 1,4 Ti/To Ai/Ao, 1 1,5 Ti/To Wi/Wo Wi/Wo 0,9 1,4 0,9 1, 0,8 1, 0,8 1, 0,7 1, 0,7 1, 0,6 1, 0,6 0,5 0 9 18 27 36 L, м 0 9 18 27 36 L, м Муфтовый став 32 мм (тип Б) 1 1,4 Ti/To Ai/Ao, 1 1,5 Ti/To Wi/Wo Wi/Wo 0,9 1,4 1, 0, 0,8 1, Относительное изменение 1, амплитуды силы А, энергии W и 0,8 1, 0, длительности Т ударного импульса в ставе штанг Ф33,5 мм 0,6 1,1 1, 0, со шпильками. Боек № 0,5 Ti/To 0,6 0,4 0,9 0 9 18 27 36 L, м 1 1, 0,3 0,8 Ai/Ao, Ai/Ao, Wi/Wo 0 9 18 27 36 L, м 0,9 1, 0, 0,8 1, 0, 0,7 1, 0, 0,6 1, 0,5 0, 0 9 18 27 36 L, м 0,4 0, Муфтовый став 40 мм (тип В) 0,3 0, Рис. 10. Зависимости0относительного изменения энергии, амплитуды и длитель L, м 9 18 27 ности ударных импульсов в ставах штанг Энергия ударного импульса Vуд=7 м/с Энергия ударного импульса Vуд=5 м/с Амплитуда ударного импульса Vуд=7 м/с Амплитуда ударного импульса Vуд=5 м/с Длительность ударного импульса Vуд=7 м/с Длительность ударного импульса Vуд=5 м/с Как видно из табл. 2, параметры ударного импульса определяются парамет рами соединения буровых штанг и ударника и зависят от типа резьбового соеди нения штанг, причем коэффициент передачи энергии в буровом ставе с соедине ниями шпилечного типа в меньшей степени зависит от параметров ударника, что позволяет сделать вывод о лучшей прогнозируемости потерь энергии в резьбовых соединениях при вращательно-ударном бурении скважин и о том, что передача энергии ударного импульса происходит без значительного рассеивания в сопря жении штанг и соединительного элемента.
Проблема повышения производительности бурильных машин с выносными вращательно-ударными механизмами привела к необходимости разработки гид роимпульсного силового механизма (рис. 11), как источника направленных высо коэнергетических импульсов для интенсификации процесса бурения горных по род средней крепости.
Рис.11. Принципиальная схема гидроимпульсного механизма:
ГП – гидропульсатор в виде плунжерной пары и кулачкового механизма с приво дом;
ПЦ – пнемвмоцилиндр;
ГЦ1 – силовой гидроцилиндр (основной);
ГЦ2 – си ловой гидроцилиндр, имитирующий сопротивление среды;
Ш – буровая штанга;
Р1, Р2, Р3 – гидрораспределители;
М1, М2 – манометры;
Б – баллон сжатого воз духа или компрессор;
Н – насос;
Эд – электродвигатель;
КПУ – предохранитель ный клапан;
DP1, DP2, DP3 – датчики давления;
DT1, DT2 – тензодатчики;
DL – датчик перемещения На основании результатов экспериментальных исследований было установ лено, что длительность импульса давления равна 510 -3 с, что на порядок выше длительности удара в существующих ударных узлах современных буровых ма шин. Данное время соответствует длине волны, распространяющейся по ставу штанг, равной 25 м. Буровых установок и станков с аналогичной длительностью импульса не существует ввиду необходимости применения слишком длинного бойка (~12,5 м). Однако, необходимо повышать длительность импульса силы су ществующих буровых машин, так как при этом повышается величина энергии силового импульса. Ввиду большой длительности импульса, сформированной гидроимпульсным механизмом, его энергия, даже при максимальном значении силы всего в 40 кН, значительна и достигает 130 Дж.
Заключение В диссертации изложено новое решение задачи повышения эффективности передачи ударного импульса по ставу штанг для бурения скважин малых диамет ров, имеющее существенное значение для улучшения качества техники бурения скважин в горной промышленности и подземном строительстве.
Основные результаты работы заключаются в следующем:
1. Предложены технические решения:
а) конструкций резьбовых соединений штанг для вращательно-ударного спо соба бурения, позволяющие повысить эффективность передачи энергии удар ного импульса. Разработан и научно обоснован новый тип соединения буро вых штанг шпилькой, основной отличительной особенностью которого яв ляется то, что соединительный элемент полностью скрыт внутри соединяемых штанг, а штанги контактируют торцами. Для обеспечения прочности размеры соединения подобраны так, что площадь торцевых поверхностей штанг не ме нее площади сечения в основном теле штанги, нормального к штанге. Пред ложенный тип соединения является альтернативным муфтовому.
б) разработан и испытан в лабораторных условиях гидроимпульсный силовой механизм, который является источником направленных высокоэнергетических импульсов для интенсификации процесса бурения скважин в породах средней крепости. При этом энергия импульсов достигала 130 Дж, а длительность им пульсов составляла 5000 мкс.
2. Основной причиной разрушения резьбовых соединений является взаимодей ствие витков резьбы штанги и соединительного элемента при динамических нагрузках. Нормальные напряжения изгиба в шпильке увеличиваются по ли нейному закону с повышением скорости удара бойка и величины крутящего момента, при этом остаточные напряжения в шпильках в 22,5 раза ниже, чем в муфтах при одном и том же крутящем моменте и предударной скорости бой ка. Касательные напряжения в шпильках после прохождения ударных импуль сов уменьшаются в 3,5 раза.
3. Коэффициент относительного изменения энергии (W/W0) ударного импульса в буровом ставе шпилечного соединения 33,5 мм на длине 36 м составил 0,70,75, коэффициент относительного изменения амплитуды (A/A0) ударного импульса составил 0,750,85, а коэффициент увеличения длительности (T/T0) импульса составил 1,031,12.
Основное содержание диссертации опубликовано в рецензируемых издани ях, рекомендованных ВАК России, в следующем составе:
1. Казанцев, А. А. Техника бурения подземных скважин и анализ динамики колонны штанг малого диаметра при вращательно-ударном нагружении:
Монография / А. А.Казанцев, Л. А. Саруев, А. Л. Саруев. – Юрга : Изд-во ЮТИ ТПУ, 2007. – 127 с.
2. Саруев, Л. А. Разработка и исследование гидромеханической системы формирования силовых импульсов в ставе штанг для интенсификации вращательного бурения / Л. А. Саруев, А. А. Казанцев // Известия Томского политехнического университета – 2008. – Т. 313. – № 1. – с. 75- 3. Методика исследования технико-экономической эффективности машин для бурения подземных скважин малых диаметров / А. В. Шадрина, А. Л.
Саруев, Л. А. Саруев, А. А. Казанцев // Известия Томского политехнического университета – 2008. – Т. 312. – № 1. – с. 56- 4. Саруев, Л. А. Влияние конструкции резьбовых соединений буровых штанг на эффективность работы буровой колонны / Л. А. Саруев, А. А. Казанцев // Горное оборудование и электромеханика – 2007. – № 3. – с. 18- 5. Саруев, Л. А. Совершенствование вращательно-ударного бурения скважин малого диаметра / Л. А. Саруев, А. А. Казанцев // «Горный Журнал».
Специальный выпуск. «Цветные металлы» – 2006. – № 4. – с. 42.
6. Казанцев, А. А. Анализ экспериментальных исследований передачи ударных импульсов по ставу штанг с различными соединительными элементами / Проблемы геологии и освоения недр: IX международный симпозиум имени ак. М. А. Усова студентов и молодых ученых. Томск: 9– 11 апр. 2005 г. Изд-во ТПУ, с. 566–568.
7. Казанцев, А. А. Исследование статических касательных напряжений в элементах резьбовых соединений буровых штанг / Проблемы геологии и освоения недр: IX международный симпозиум имени ак. М. А. Усова студентов и молодых ученых. Томск: 9–11 апр. 2005 г. Изд-во ТПУ, с. 568– 569.
8. Казанцев, А. А. Зависимость работы буровой колонны при вращательном бурении от конструкции резьбовых соединений штанг / Проблемы геологии и освоения недр: X международный симпозиум имени ак. М.А. Усова студентов и молодых ученых. Томск: 3–7 апр. 2006 г. Томск: Изд-во ТПУ, с. 202–204.
9. Казанцев, А. А. Методика расчета напряжений в резьбовых соединениях штанг при продольном ударе / Проблемы геологии и освоения недр: X международный симпозиум имени ак. М. А. Усова студентов и молодых ученых. Томск: 3-7 апр. 2006 г. Изд-во ТПУ, 2007. – с. 204–205.
10. Казанцев, А. А. Динамические процессы в буровой колонне при вращательно-ударном бурении скважин малых диаметров / А. А. Казанцев, Л. А. Саруев // Современные техника и технологии: XIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых 26-30 мар. 2007 г Сборник трудов в 3-х томах. Т. 1. – ТПУ, Томск :
Изд. ТПУ, 2007. – с. 313–315.
11. Патент на полезную модель № 49880. Россия. МПК Е21В 17/042 Резьбовое соединение буровых штанг / Л. А. Саруев, А. Л. Саруев, А. А. Казанцев;
заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Томский политехн. ун-т.
№ 2005117642/22;
заявл. 07.06.2005;
опубл. 10.12.2005, Бюл. № 34. – 2 с.
12. Патент на полезную модель № 60590. Россия. МПК Е21В 17/042 Резьбовое соединение бурильных труб / А. А. Казанцев, Л. А. Саруев, А. Л. Саруев;
заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Томский политехн. ун-т.
№ 2006115096/22;
заявл. 02.05.2006;
опубл. 27.01.2007, Бюл. № 3. – 2 с.
13. Патент на полезную модель № 60591. Россия. МПК Е21В 17/042 Резьбовое соединение буровых штанг / А. А. Казанцев, Л. А. Саруев, А. Л. Саруев;
заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Томский политехн. ун-т.
№ 2006115097/22;
заявл. 02.05.2006;
опубл. 27.01.2007, Бюл. № 3. – 2 с.
14. Патент на полезную модель № 71369. Россия. МПК Е21В 6/02, B25D 16/ (2006.01) Буровой станок для проходки скважин в подземных условиях / А. В. Шадрина, А. А. Казанцев, А. Л. Саруев, Л. А. Саруев;
заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Томский политехн. ун-т. № 2007130179/22;
заявл. 06.08.2007;
опубл. 10.03.2008, Бюл. № 7. – 2 с.
15. Патент на полезную модель № 79926. Россия. МПК Е21В 17/042 (2006.01) Ниппельное соединение буровых штанг / А. В. Шадрина, А. А. Казанцев, Л. А. Саруев, А. Л. Саруев;
заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Томский политехн. ун-т. № 2008130004/22;
заявл. 21.07.2008;
опубл.
20.01.2009, Бюл. № 2. – 2 с.
Подписано к печати 22.05.2009 г.
Формат 60х84/16. Бумага офсетная Плоская печать. Усл. печ. л. 1,10. Уч.-изд. л. 1.
Тираж 100 экз. Заказ 994 а. Цена свободная.
ИПЛ ЮТИ ТПУ Ризограф ЮТИ ТПУ.
652000, Юрга, ул. Московская, 17.