RU2148144C1

RU2148144C1 - Pulse-action rotator

Info

Publication number: RU2148144C1
Application number: RU97117417A
Authority: RU
Inventors: И.Д. Чернышов; И.С. Афанасьев; И.М. Гинзбург
Original assignee: Всероссийский научно-исследовательский институт методики и техники разведки (ВИТР)
Priority date: 1997-10-20
Filing date: 1997-10-20
Publication date: 2000-04-27

Abstract

FIELD: mining machinery and equipment. SUBSTANCE: pulse-action rotator can be used in drilling machines and particularly in rotary-feeding mechanisms. Pulse-action rotator has electric motor, reduction unit, and oscillation generator which is made up of power-driven shaft and moving rotor connected to power-driven shaft. Stator is connected with reduction unit and is installed for possible interaction with rotor. Stator is provided with cams, rotor is provided with rollers. Rotor is spring-biased along axis of power-driven shaft which is located in stator bearings for possible rotation and axial displacement together with rotor. Such design of rotator in which oscillation generator is made in the form of spring-cam mechanism allows for producing torsional vibrations simultaneously with striking pulses when drilling hard rock matter. This widens range of drilling operations. In addition, drilling operation duty is adjusted automatically by means of same spring-cam mechanism when axial thrust of tool depends on hardness of rock matter. This is done without use of special tools and without stopping of drilling process. Application of pulse-action rotator allows for reducing power input, increasing productive capacity together with simplification of design. EFFECT: higher efficiency. 3 dwg

Description

Изобретение относится к горному делу и предназначено для использования во вращательно-подающих механизмах. The invention relates to mining and is intended for use in rotary-feeding mechanisms.

Одной из наиболее важных проблем, возникающих в процессе бурения, является обеспечение автоматического регулирования режимных параметров бурения в зависимости от проходимых горных пород различной крепости. Решение этой проблемы могло бы значительно повысить производительность бурения, обеспечить оптимальный подбор породоразрушающего инструмента. One of the most important problems arising in the process of drilling is to automatically control the operating parameters of drilling, depending on the rocks passed of various strengths. A solution to this problem could significantly increase drilling productivity and ensure optimal selection of rock cutting tools.

Известен целый ряд технических решений (см. авт. свид. N 566928, 667664, 692965, 1547395, 1613592 и др.), в которых в зависимости от крепости горных пород регулируют осевую нагрузку с помощью различных средств. Например, путем регулирования скорости подачи или расхода промывочной жидкости (авт. свид. N 1547395, 1613592) или выполнения возбудителя колебаний в виде планетарно-дифференциального механизма (авт. свид. N 1579966, 692965) и др. A number of technical solutions are known (see ed. Certificate N 566928, 667664, 692965, 1547395, 1613592, etc.), in which, depending on the strength of the rocks, the axial load is controlled by various means. For example, by adjusting the feed rate or flow rate of flushing fluid (ed. Certificate N 1547395, 1613592) or by performing an oscillation agent in the form of a planetary differential mechanism (ed. Certificate N 1579966, 692965), etc.

Общими недостатками этих устройств являются высокое энергопотребление, сложная конструкция возбудителя колебаний, а также невозможность использования для бурения твердых пород, таких как гранит. Common disadvantages of these devices are high energy consumption, the complex design of the exciter, and the inability to use hard rocks such as granite for drilling.

Известен вращатель бурового станка (см. авт. свид. N 566928), который потребляет значительно меньше энергии. Он содержит привод электродвигателя; корпус, в котором установлено водило; передаточный механизм, кинематически связанный с пакетом валов; эксцентрики-дебалансы, соединенные с водилом, и шпиндель, установленный внутри водила, при этом на боковых наружных поверхностях водила и шпинделя закреплены наклонно пружинные элементы, а на внутренних боковых поверхностях соответственно корпуса и водила выполнены наклонные зубья для зацепления с пружинными элементами. Known rotator drilling rig (see ed. Certificate. N 566928), which consumes significantly less energy. It contains an electric motor drive; the housing in which the carrier is installed; a transmission mechanism kinematically connected to the shaft package; eccentric unbalances connected to the carrier and the spindle mounted inside the carrier, while the spring elements are fixed obliquely to the lateral outer surfaces of the carrier and the spindle, and the inclined teeth are made on the inner side surfaces of the body and carrier, for engagement with the spring elements.

Благодаря эффекту аккумулирования энергии в упругодеформируемых пластинах и равномерной их загрузкой путем последовательного включения в работу этот вращатель позволяет плавно регулировать крутящий момент в зависимости от крепости буримых пород. Due to the effect of energy storage in elastically deformable plates and their uniform loading by successive switching on, this rotator allows you to smoothly adjust the torque depending on the strength of drill rocks.

Недостатками этого устройства являются довольно сложная конструкция, высокая трудоемкость в изготовлении и размещении пружинного элемента и наклонных зубьев, отсюда - низкая надежность устройства в целом. The disadvantages of this device are the rather complicated design, the high complexity in the manufacture and placement of the spring element and the inclined teeth, hence the low reliability of the device as a whole.

Наиболее близок по конструкции, количеству существенных признаков и более высокой надежности к заявляемому решению импульсный вращатель (см. авт. свид. N 667664), содержащий электродвигатель, редуктор и ведомый вал, соединенный с возбудителем крутильных колебаний. Возбудитель выполнен в виде подвижного ротора и статора с неподвижными электромагнитами. Ротор соединен с ведомым валом, подпружинен относительно статора, соединенного в свою очередь с редуктором. В состав вращателя входят также ведущее звено и набор электромагнитов. The closest in design, number of essential features and higher reliability to the claimed solution is a pulsed rotator (see auth. Certificate. N 667664) containing an electric motor, gearbox and driven shaft connected to a torsional vibration exciter. The causative agent is made in the form of a movable rotor and a stator with fixed electromagnets. The rotor is connected to the driven shaft, spring-loaded relative to the stator, which in turn is connected to the gearbox. The rotator also includes a leading link and a set of electromagnets.

Работает устройство следующим образом. The device operates as follows.

При включении электродвигателя осуществляется вращение ведущего звена, которое через электромагниты, контакты, редуктор и пружину передается на ведомый вал. В то же время ротор тормозится или разгоняется электромагнитами, при этом вал при своем вращении создает крутильные колебания. Электромеханический возбудитель может с различной периодичностью воздействовать возмущающей силой на ротор, регулируя тем самым амплитудно-частотную характеристику вибратора. Отсутствие рабочих звеньев, передающих динамические нагрузки, позволяет повысить надежность и долговечность его работы. When the motor is turned on, the drive link is rotated, which is transmitted through the electromagnets, contacts, gearbox and spring to the driven shaft. At the same time, the rotor is braked or accelerated by electromagnets, while the shaft during its rotation creates torsional vibrations. The electromechanical pathogen can act with a disturbing force on the rotor at different intervals, thereby regulating the amplitude-frequency characteristic of the vibrator. The absence of working links transmitting dynamic loads, improves the reliability and durability of its work.

Недостатком этого устройства является необходимость в наличии отдельного возбудителя электромагнитных колебаний и некоторая сложность в управлении системой электромагнитов. The disadvantage of this device is the need for a separate causative agent of electromagnetic waves and some complexity in controlling the system of electromagnets.

Это в целом ведет к повышению сложности вращателя и его энергозатрат. Кроме того, данный вращатель, как и нижеперечисленные, способен возбуждать только крутильные колебания, в то время как при встрече с такими породами, как гранит, требуются ударные импульсы. This generally leads to an increase in the complexity of the rotator and its energy consumption. In addition, this rotator, as well as the ones listed below, is able to excite only torsional vibrations, while when meeting with rocks such as granite, shock pulses are required.

Целью изобретения является упрощение конструкции вращателя, снижение энергозатрат и повышение производительности бурения путем создания наряду с крутильными колебаниями ударных импульсов и автоматического регулирования осевой нагрузки в зависимости от крепости проходимых пород. The aim of the invention is to simplify the design of the rotator, reduce energy consumption and increase drilling productivity by creating, along with torsional vibrations, shock pulses and automatic regulation of axial load depending on the strength of rocks passed.

Поставленная цель достигается тем, что в импульсном вращателе, содержащем двигатель, редуктор, ведомый вал и возбудитель колебаний, выполненный в виде подпружиненного по оси ведомого вала ротора, жестко соединенного с ведомым валом, и статора, соединенного с редуктором, статор снабжен кулачками, а ротор - роликами с возможностью взаимодействия с кулачками статора, при этом ведомый вал пропущен через статор и размещен в статоре в подшипниках с возможностью осевого перемещения вместе с ротором. This goal is achieved in that in a pulse rotator containing an engine, gearbox, driven shaft and vibration exciter, made in the form of a rotor spring-loaded along the axis of the driven shaft, rigidly connected to the driven shaft, and a stator connected to the gearbox, the stator is equipped with cams, and the rotor - rollers with the possibility of interaction with the cams of the stator, while the driven shaft is passed through the stator and placed in the stator in bearings with the possibility of axial movement together with the rotor.

Физическая сущность заявляемого предложения состоит в том, что пружинно-кулачковый возбудитель создает эффект аккумулирования энергии, благодаря которому к рабочему инструменту помимо постоянной осевой нагрузки прикладывается дополнительная, которая в момент минимальной скорости вращения преобразовывается в ударную нагрузку. В результате получается вращение импульсное, а подача инструмента - пульсирующая. The physical essence of the proposed proposal lies in the fact that the spring-cam exciter creates the effect of energy storage, due to which, in addition to the constant axial load, an additional one is applied to the working tool, which at the moment of minimum rotation speed is converted into shock load. As a result, the rotation is pulsed, and the feed of the tool is pulsating.

Таким образом, для возбуждения крутильных или ударных импульсов не требуется дополнительных механизмов, а для их управления - отдельной аппаратуры, что существенно снижает энергопотребление и упрощает конструкцию вращателя. Кроме того, регулирование осевой нагрузки осуществляется автоматически без остановки процесса бурения, что повышает его производительность. Thus, additional mechanisms are not required to excite torsional or shock pulses, and separate equipment is required for their control, which significantly reduces power consumption and simplifies the design of the rotator. In addition, the axial load is controlled automatically without stopping the drilling process, which increases its productivity.

Рассмотрим пример конкретного выполнения заявляемого устройства. Consider an example of a specific implementation of the claimed device.

На фиг. 1 представлено заявляемое устройство - общий вид сбоку, в разрезе; на фиг. 2 - то же, разрез А-А; на фиг. 3 - то же, разрез Б-Б. In FIG. 1 presents the inventive device is a General side view, in section; in FIG. 2 - the same, section aa; in FIG. 3 - the same, section BB.

Устройство содержит двигатель 1, соединенный через редуктор 2 со статором 3. Статор 3 снабжен кулачками 4, выполненными с возможностью взаимодействия с роликами 5 ротора 6. Профиль кулачков 4 и роликов 5 может быть выполнен как с цилиндрической, так и с конической образующей. В качестве роликов 5 могут быть использованы подшипники скольжения, качения и игольчатые. В состав устройства входит также ведомый вал 7, на который надет упругий элемент 8 (витые или тарельчатые пружины), размещенный в стакане 9. Ротор 6 жестко закреплен с валом 7, один конец которого установлен в опорно-упорных подшипниках 10, а другой - в аналогичных подшипниках 11 с возможностью осевого перемещения совместно с ротором 6 и соединен с породоразрушающим инструментом (не показан). The device comprises a motor 1, connected through a gearbox 2 to the stator 3. The stator 3 is equipped with cams 4 configured to interact with the rollers 5 of the rotor 6. The profile of the cams 4 and rollers 5 can be made with either a cylindrical or conical generatrix. As the rollers 5 can be used bearings, rolling and needle. The device also includes a driven shaft 7, on which an elastic element 8 (coil or plate springs) is worn, located in the cup 9. The rotor 6 is rigidly fixed to the shaft 7, one end of which is installed in the thrust bearings 10, and the other in similar bearings 11 with the possibility of axial movement together with the rotor 6 and is connected with a rock cutting tool (not shown).

В подшипниках 11 размещен также хвостовик стакана 9, верхняя периферийная поверхность которого является упорным ограничителем для ротора 6 при перемещении его вниз и сжатии упругого элемента 8, на верхнюю часть которого опирается ротор 6. Зазор между ротором 6 и стаканом 9 не должен превышать величину сжатия упругого элемента 8. Жесткость элемента 8 выбирают исходя из мощности двигателя 1. The bearings 11 also have a shank of the cup 9, the upper peripheral surface of which is a stop limiter for the rotor 6 when moving it down and compressing the elastic element 8, on the top of which the rotor 6 rests. The gap between the rotor 6 and the cup 9 should not exceed the amount of elastic element 8. The stiffness of element 8 is selected based on the power of the engine 1.

Для осуществления процесса бурения включают электродвигатель 1 и нагружают вращатель постоянной осевой нагрузкой. Двигатель 1 передает вращение через редуктор 2 на статор 3. Кулачки 4 статора 3 набегают на ролики 5 ротора 6, приводя последний во вращение вместе с валом 7, стаканом 9 и породоразрушающим инструментом, причем вал 7 при вращении совершает крутильные колебания. Одновременно ротор 6 под воздействием на него кулачков 4 статора 3 перемещается вниз в осевом направлении и поджимает пружину 8, нагружая дополнительной осевой нагрузкой вал 7 и породоразрушающий инструмент. To carry out the drilling process, the electric motor 1 is turned on and the rotator is loaded with a constant axial load. The engine 1 transmits the rotation through the gearbox 2 to the stator 3. The cams 4 of the stator 3 run on the rollers 5 of the rotor 6, bringing the latter into rotation together with the shaft 7, the glass 9 and the rock cutting tool, and the shaft 7 during rotation rotates. At the same time, the rotor 6, under the influence of the cams 4 of the stator 3, moves axially down and compresses the spring 8, loading the shaft 7 and the rock cutting tool with an additional axial load.

При разбуривании мягких пород осуществляется небольшое поджатие пружины 8, воздействующей на ротор 6. Скорости вращения статора 3 и ротора 6 остаются практически одинаковыми. When drilling soft rocks, a small compression of the spring 8 is applied, which acts on the rotor 6. The rotational speeds of the stator 3 and rotor 6 remain almost the same.

При встрече твердых пород возрастает момент, который передается от породоразрушающего инструмента валу 7 и через него - пружине 8, осуществляя максимальное сжатие последней. Пружина 8 сильно поджимает ротор 6, в результате чего ролики 5 могут проскальзывать относительно кулачков 4 статора 3, и вращение ротора 6 тормозится. Интенсивность импульсов вращения и подачи в этом случае становится наибольшей и породоразрушающий инструмент переходит в режим ударно-вращательного бурения. When hard rocks meet, the moment increases, which is transmitted from the rock cutting tool to the shaft 7 and through it to the spring 8, maximizing the compression of the latter. The spring 8 strongly compresses the rotor 6, as a result of which the rollers 5 can slip relative to the cams 4 of the stator 3, and the rotation of the rotor 6 is inhibited. The intensity of the rotation and feed pulses in this case becomes the greatest and the rock cutting tool goes into the shock-rotary drilling mode.

В случае остановки вала 7 (перегрузки, прихваты, прижоги инструмента) вращение ротора 6 прекращается и вращатель переходит в режим ударно-импульсного бурения, что способствует высвобождению вала 7 и ликвидации возможной аварии. In the event of a shaft 7 stop (overloads, tacks, tool burns), the rotation of the rotor 6 stops and the rotator switches to the shock-pulse drilling mode, which helps to release the shaft 7 and eliminate a possible accident.

В целом частота и интенсивность импульсов вращения и подачи может регулироваться в каждом отдельном случае величиной постоянной осевой нагрузки. In general, the frequency and intensity of the rotation and feed pulses can be regulated in each individual case by the value of the constant axial load.

Для разбуривания твердых малоабразивных пород можно использовать породоразрушающий инструмент с клинообразной режущей частью. For drilling hard non-abrasive rocks, a rock cutting tool with a wedge-shaped cutting part can be used.

Из описания конструкции и работы заявляемого устройства видно, что возбуждение как крутильных колебаний, так и ударных импульсов осуществляется одним пружинно-кулачковым механизмом. Тем же механизмом обеспечивается и управление режимных параметров бурения в зависимости от крепости разбуриваемых пород в широком диапазоне - от вращательного до ударно-импульсного и без остановки процесса бурения. From the description of the design and operation of the claimed device it is seen that the excitation of both torsional vibrations and shock pulses is carried out by a single spring-cam mechanism. The same mechanism also ensures control of drilling operating parameters depending on the strength of the drilled rocks in a wide range - from rotational to shock-impulse and without stopping the drilling process.

Благодаря выполнению статора и ротора в виде кулачкового механизма, а ведомого вала - подпружиненным относительно ротора оказалось возможным создать эффект аккумулирования энергии. За счет этого обеспечивается плавное автоматическое регулирование нагружением породоразрушающего инструмента осевой нагрузкой. Due to the implementation of the stator and rotor in the form of a cam mechanism, and the driven shaft - spring-loaded relative to the rotor, it was possible to create the effect of energy storage. This ensures smooth automatic control by loading the rock cutting tool with axial load.

В отличие от заявляемого устройства возбудитель крутильных колебаний в прототипе выполнен в виде ротора, подпружиненного относительно статора, а управление колебаниями осуществляется системой электромагнитов. В такой конструкции вращателя для создания и управления электромагнитными колебаниями требуется дополнительная аппаратура, которая повышает энергозатраты и усложняет в целом конструкцию вращателя. In contrast to the claimed device, the torsional vibration exciter in the prototype is made in the form of a rotor spring-loaded relative to the stator, and the oscillations are controlled by a system of electromagnets. In this design of the rotator, additional equipment is required to create and control electromagnetic oscillations, which increases energy consumption and complicates the overall design of the rotator.

Кроме того, при разбуривании твердых пород требуется остановка процесса бурения и подключение дополнительного возбудителя ударных колебаний, а в случае возникновения аварийной ситуации (прижоге инструмента, его перегрузке и т.п.) нарушается работоспособность устройства. Все это приводит к снижению производительности бурения. In addition, when drilling hard rocks, it is necessary to stop the drilling process and connect an additional causative agent of shock vibrations, and in the event of an emergency (burning of the tool, its overload, etc.), the device’s performance is impaired. All this leads to a decrease in drilling performance.

Из сказанного следует, что заявляемый вращатель проще по конструкции, требует значительно меньше энергозатрат и позволяет существенно повысить производительность бурения. From the foregoing it follows that the inventive rotator is simpler in design, requires significantly less energy and can significantly increase drilling productivity.

Работоспособность заявляемого устройства была проверена на стендовых испытаниях макета в условиях, приближенных к реальным. Испытания дали положительные результаты - механическая скорость бурения возросла на 30%. The performance of the claimed device was tested on bench tests of the layout in conditions close to real. The tests gave positive results - the mechanical drilling speed increased by 30%.

Claims

A pulse rotator comprising a motor, a gearbox, a driven shaft, and an exciter, made in the form of a rotor spring-loaded along the axis of the driven shaft of the rotor rigidly connected to the driven shaft, and a stator connected to the gearbox, characterized in that the stator is equipped with cams and the rotor with rollers with the possibility of interaction with the cams of the stator, while the driven shaft is passed through the stator and placed in the stator in bearings with the possibility of axial movement together with the rotor.