RU2765931C1

RU2765931C1 - Device for stabilization of dynamic loads in roller-bit drilling rig of blast holes with differential friction system of bit supply to bottomhole

Info

Publication number: RU2765931C1
Application number: RU2021119593A
Authority: RU
Inventors: Эдуард Анатольевич Загривный
Original assignee: Эдуард Анатольевич Загривный
Priority date: 2021-07-05
Filing date: 2021-07-05
Publication date: 2022-02-07

Abstract

FIELD: drilling of soil or rocks.

SUBSTANCE: invention relates to a device for stabilizing dynamic loads in a system for feeding a working member to the bottom of a roller-bit drilling rig (RBDR) of blast holes. Device includes a mass of a supply system with a support assembly, a drilling assembly with a rolling bit, two plunger hydraulic cylinders, the housings of which are fixed on the RBDR body in the attachment assembly, and their plunger cavities are connected by a high-pressure hydraulic line, to which are connected: a high-pressure plunger oil station with a controlled electric drive, a pneumatic hydraulic accumulator through an adjustable throttle, a check valve and a ball valve. Between the mass and the plunger hydraulic cylinders there are two friction drives with flexible traction elements, tackle systems with the adopted multiplicity factors and two devices for generating acting forces, each of which consists of two rectangular links, two of which are fixed together with housings of hydraulic cylinders are connected to RBDR housing, and the other two are movable, shifted relative to fixed links by 90°, on which, depending on the multiplicity of tackles, the corresponding number of blocks on one axis is installed. A differential system for feeding the bit to the bottomhole by friction drives with flexible traction elements is formed.

EFFECT: improvement of efficiency of RBDR with rope-tackle feed system with friction drive with a flexible pulling member by stabilizing the level of dynamic loads in the entire range of operating modes using a differential system for feeding the bit to the bottomhole, which enables to extract the dynamic pressure component from the total pressure on the bottomhole, to reduce the intrinsic frequency of the feed system and to ensure stabilization of dynamic loads in the pneumohydraulic suspension of the drilling rod.

4 cl, 8 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области бурения нефтяных, газовых и взрывных скважин, в частности к способу и устройству стабилизации динамических нагрузок во вращательно-подающей системе станка шарошечного бурового взрывных скважин. Изобретение может применяться при создании пневмоподвески исполнительных органах горных машин: очистных и проходческих комбайнов, камнерезных машин и машин в других областях промышленности с высокими динамическими нагрузками.The invention relates to the field of drilling oil, gas and blast wells, in particular to a method and device for stabilizing dynamic loads in the rotational feed system of a roller-cone drilling blast hole. The invention can be used in the creation of air suspension for the executive bodies of mining machines: shearers and tunneling machines, stone-cutting machines and machines in other industries with high dynamic loads.

При работе станков шарошечного бурения взрывных скважин (СБШ) на твердых и трещиноватых породах наблюдаются интенсивные вибрации в виде продольных колебаний бурового става с частотой 6-8 Гц с амплитудой до 0,5-1 см, которые часто сопровождаются потерей поперечной устойчивости бурового става.During the operation of cone drilling blastholes (CBS) on hard and fractured rocks, intense vibrations are observed in the form of longitudinal vibrations of the drilling string at a frequency of 6-8 Hz with an amplitude of up to 0.5-1 cm, which are often accompanied by a loss of lateral stability of the drilling string.

По ярко выраженному на осциллограммах виду и величине амплитуды колебаний бурового става в режимах без вмешательства оператора в управление параметрами можно оценить это явление резонансными колебаниями. Происхождение этих колебаний можно объяснить близостью частот собственных колебаний системы подачи с частотами возмущения, а также процессами разрушения забоя [5, 6, 7, 8]. Сформированные продольные усилия в шарошечном долоте при безотрывном движении по разрушаемому забою передаются по гибкому звену (рабочему канату) в узел крепления рабочего каната к корпусу СБШ.According to the type and magnitude of the oscillation amplitude of the drilling string clearly expressed on the oscillograms in modes without operator intervention in the control of parameters, this phenomenon can be assessed by resonant oscillations. The origin of these oscillations can be explained by the proximity of the frequencies of natural oscillations of the supply system with the frequencies of the perturbation, as well as by the processes of destruction of the face [5, 6, 7, 8]. The formed longitudinal forces in the cone bit during non-separated movement along the breakable bottom are transmitted through the flexible link (working rope) to the attachment point of the working rope to the SBSh body.

Такие режимы занимают до 15% и более от чистого времени бурения и сопровождаются высокой динамической нагруженностью силовых систем, определяющей высокую аварийность и низкий коэффициент эксплуатационной надежности. По мнению некоторых авторов, повышенные вибрации буровых станков снижают производительность станков в 1,5-2,0 раза. Они же являются основной причиной неполного использования станков, пониженной стойкости долот, высокой аварийности станков. Кроме того, занимая широкий спектр частот (от 3 Гц до 200-400 Гц), они оказывают весьма вредное действие на обслуживающий персонал. Особенно вредны и опасны для здоровья человека низкочастотные вибрации 6-8 Гц, которые приводят к «резонансам» некоторых органов человека, вызывая неприятные ощущения, повышая утомляемость и являясь источником профессионального, так называемого «вибрационного» заболевания. Уровень вибраций при бурении крепких пород часто намного выше допускаемого санитарными нормами.Such modes take up to 15% or more of the net drilling time and are accompanied by high dynamic loading of power systems, which determines the high accident rate and low operational reliability. According to some authors, increased vibrations of drilling rigs reduce the productivity of rigs by 1.5-2.0 times. They are also the main reason for the incomplete use of machines, reduced durability of bits, and high accident rate of machines. In addition, occupying a wide range of frequencies (from 3 Hz to 200-400 Hz), they have a very harmful effect on maintenance personnel. Especially harmful and dangerous for human health are low-frequency vibrations of 6-8 Hz, which lead to "resonances" of some human organs, causing discomfort, increasing fatigue and being a source of a professional, so-called "vibration" disease. The level of vibrations when drilling hard rocks is often much higher than allowed by sanitary standards.

Известно, что для человека комфортной частотой является частота 60-90 периодов (шагов) в минуту (1,0-1,5 Гц). Поэтому в автопроме для легковых автомобилей собственная частота кузова принимается равной 0,5-1,5 Гц.It is known that a comfortable frequency for a person is a frequency of 60-90 periods (steps) per minute (1.0-1.5 Hz). Therefore, in the automotive industry for cars, the natural frequency of the body is assumed to be 0.5-1.5 Hz.

Отличительными особенностями внешней динамики СБШ являются высокие давления долота на забой (20-30 тонн) при относительно малом углублении за один оборот долота (2-4 мм), которое и является технологической нагрузкой. Указанные значения давлений на забой задаются неизменными во времени. Однако на практике при бурении крепких и трещиноватых пород динамические составляющие достигают до 20-30% от заданного постоянного давления на забой. Кроме этого незначительное различие собственно частоты колебаний системы подачи (6-8 Гц) и частоты возмущений работы трехшарошечного долота при скорости вращения долота (120-130 об/мин) (6-7 Гц) при бурении прочных пород в околорезонансных режимах приводит к формированию волнообразного забоя. Выделение динамической составляющей из указанного общего давления на забой представляет собой немалую техническую сложность. Видимо, по этой причине горные машины обладают высокой динамической нагруженностью. Известно, что машины с такими характеристиками становятся неработоспособными.Distinctive features of the external dynamics of the SBS are high bit pressure on the bottomhole (20-30 tons) with a relatively small deepening per bit revolution (2-4 mm), which is the technological load. The indicated bottomhole pressure values are set unchanged over time. However, in practice, when drilling hard and fractured rocks, the dynamic components reach up to 20-30% of the given constant bottomhole pressure. In addition, a slight difference in the actual frequency of oscillations of the feed system (6-8 Hz) and the frequency of disturbances in the operation of a tricone bit at a bit rotation speed (120-130 rpm) (6-7 Hz) when drilling strong rocks in near-resonance modes leads to the formation of a wave-like slaughter. The selection of the dynamic component from the specified total bottomhole pressure is a considerable technical difficulty. Apparently, for this reason, mining machines have a high dynamic loading. It is known that machines with such characteristics become inoperable.

Анализ известных средств, направленных на устранение этих недостатков, показывает, что используемый в настоящее время способ снижения вибраций станков шарошечного бурения путем снижения эквивалентного коэффициента жесткости силовой цепи (контура) системы подачи реализуется двумя видами устройств: наддолотными амортизаторами и надштанговыми амортизаторами.An analysis of the known means aimed at eliminating these shortcomings shows that the currently used method for reducing the vibrations of roller drilling machines by reducing the equivalent stiffness coefficient of the power circuit (circuit) of the supply system is implemented by two types of devices: bit shock absorbers and rod shock absorbers.

Известен амортизатор наддолотный в описании к изобретению №264295, МПК Е21В 17/06 от 08.12.1968, опубл. 03.03.1970, включающий корпус, шток, выполненный в виде усеченного конуса и эластичный элемент, размещенный между штоком и корпусом, при этом шток снабжен хвостовиком, выполненным в виде усеченной пирамиды.A shock absorber is known in the description of the invention No. 264295, IPC E21B 17/06 dated 12/08/1968, publ. 03/03/1970, including a housing, a rod made in the form of a truncated cone and an elastic element placed between the rod and the housing, while the rod is provided with a shank made in the form of a truncated pyramid.

Недостатки: эта конструкция имеет низкую степень регулирования нагрузочной способности и нерегулируемую собственную частоту колебаний. Недостаток амортизатора заключается в невозможности управлять величиной коэффициента жесткости и необходимости изменения конструкции мачты.Disadvantages: this design has a low degree of regulation of the load capacity and unregulated natural oscillation frequency. The disadvantage of the shock absorber is the inability to control the value of the stiffness coefficient and the need to change the design of the mast.

Известен наддолотный амортизатор, в описании к изобретению №386122, МПК Е21В 17/06 от 28.05.1966, опубл. 14.06.1973, включающий эластичный элемент, корпус и вал, выполненные с винтовой нарезкой и образующие винтовую пару, снабженный соединенной с корпусом гибкой диафрагмой и двумя дисками, причем, вал выполнен с уступами, между которыми размещены диски, а гибкая диафрагма, диски и вал образуют камеру, в которой размещен эластичный элемент.Known bit shock absorber, in the description of the invention No. 386122, IPC E21V 17/06 dated 05/28/1966, publ. 06/14/1973, including an elastic element, a body and a shaft made with a screw thread and forming a screw pair, equipped with a flexible diaphragm connected to the body and two disks, moreover, the shaft is made with ledges between which the disks are placed, and the flexible diaphragm, disks and shaft form a chamber in which the elastic element is placed.

Недостатки: невозможность управлять величиной коэффициента жесткости и необходимость изменения конструкции мачты.Disadvantages: the inability to control the value of the stiffness coefficient and the need to change the design of the mast.

Известен надштанговый амортизатор станков шарошечного бурения, в описании к изобретению US 3746330, МПК F16D 3/78, F16F 15/14, F16F 15/10 от 1971-10-28, опубл. 1973-07-17, который устанавливается между ведущим и ведомым валом для гашения продольных колебаний бурового става станка шарошечного бурения, состоящий из станины и двух комплектов резиновых дисков - упругих элементов.Known rod shock absorber roller drilling machines, in the description of the invention US 3746330, IPC F16D 3/78, F16F 15/14, F16F 15/10 from 1971-10-28, publ. 1973-07-17, which is installed between the drive and driven shaft to dampen the longitudinal vibrations of the drill rod of the roller drilling machine, consisting of a frame and two sets of rubber disks - elastic elements.

Недостаток амортизатора: высокий уровень продольных вибраций бурового става и необходимость изменения конструкции мачты.Disadvantage of the shock absorber: a high level of longitudinal vibrations of the drilling string and the need to change the design of the mast.

Наиболее близким аналогом является вращательно-подающая система бурового станка шарошечного бурения взрывных скважин, представленная в патенте РФ №2740961 «Способ стабилизации динамических нагрузок в станках шарошечного бурения взрывных скважин с дифференциальной системой подачи долота на забой и устройство для его реализации», в котором защищен новый принцип создания дифференциальных систем подачи горных машин.The closest analogue is the rotational-feeding system of a drilling rig for roller drilling of blastholes, presented in the patent of the Russian Federation No. the principle of creating differential supply systems for mining machines.

В планах развития отечественной буровой техники предусматривается создание станков шарошечного бурения диметром до 320-350 мм.The plans for the development of domestic drilling equipment provide for the creation of roller-cone drilling machines with a diameter of up to 320-350 mm.

Основной производитель шарошечных станков в России ОАО «Рудгормаш» изготавливает по заявкам предприятий ряд новых буровых станков: СБШ-250/270-60, оснащенных электрическим лебедочным (в основном фрикционным) механизмом подачи рабочего органа; тяжелые СБШ-270/311 КП для железнорудных карьеров. Более благоприятны системы подачи с тяговой лебедкой, как это имеет место на станках СБШ-250/270-60 (РД-10) и СБШ-320. Стойкость буровых долот при системе подачи с тяговой лебедкой оказывается более высокой. Однако серьезным недостатком этих станков с фрикционной подачей является высокий уровень продольных вибраций бурового става, переходящих в поперечные колебания, которые делают бурение невозможным.The main manufacturer of roller-cone rigs in Russia, OJSC Rudgormash, manufactures a number of new drilling rigs at the request of enterprises: SBSh-250/270-60, equipped with an electric winch (mainly friction) mechanism for feeding the working body; heavy SBSh-270/311 KP for iron ore quarries. Feeding systems with a traction winch are more favorable, as is the case on the SBSh-250/270-60 (RD-10) and SBSh-320 machines. The durability of drill bits with a pull winch feed system is higher. However, a serious disadvantage of these friction feed rigs is the high level of longitudinal vibrations of the drill string, which turns into transverse vibrations, which make drilling impossible.

Таким образом, технической проблемой, существующей в настоящее время, является отсутствие надежных, эффективных способов и устройств стабилизации динамических нагрузок станков шарошечного бурения взрывных скважин с канатно-полиспастными фрикционными системами подачи.Thus, the current technical problem is the lack of reliable, effective methods and devices for stabilizing the dynamic loads of blast hole drills with rope-reel block friction feed systems.

Создание предлагаемого изобретения направлено на решение данной проблемы, а именно, на создание эффективного и простого в реализации устройства стабилизации динамических нагрузок станков шарошечного бурения взрывных скважин с дифференциальными канатно-полиспастными фрикционными приводами с гибкими тяговыми органамиThe creation of the proposed invention is aimed at solving this problem, namely, at creating an effective and easy-to-implement device for stabilizing the dynamic loads of blast hole cone drilling machines with differential cable-reeving friction drives with flexible traction bodies.

Технический результат заключается в повышении эффективности работы станков шарошечного бурения с канатно-полиспастной системой подачи фрикционным приводом с гибким тяговым органом путем стабилизации уровня динамических нагрузок во всем диапазоне рабочих режимов с помощью дифференциальной системы подачи долота на забой, позволяющей выделить из полного давления на забой динамическую составляющую давления, снизить собственную частоту системы подачи в 3-4 раза и обеспечить стабилизацию динамических нагрузок в пневмогидравлической подвеске бурового става с точностью не хуже 1-2% от максимального давления на забой.The technical result consists in increasing the efficiency of roller-cone drilling machines with a cable-and-reel system of supply by a friction drive with a flexible traction body by stabilizing the level of dynamic loads in the entire range of operating modes using a differential bit feed system to the bottomhole, which makes it possible to isolate the dynamic component from the total pressure on the bottomhole pressure, reduce the natural frequency of the supply system by 3-4 times and ensure the stabilization of dynamic loads in the pneumo-hydraulic suspension of the drilling string with an accuracy of no worse than 1-2% of the maximum bottomhole pressure.

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве стабилизации динамических нагрузок в системе подачи рабочего органа на забой станка шарошечного бурения (СБШ) взрывных скважин, включающем массу 5 системы подачи с опорным узлом 4, буровой став с шарошечным долотом 22, два плунжерных гидроцилиндра 19 с плунжерами 20, корпусы которых закреплены на корпусе СБШ в узле крепления 21, а их плунжерные полости соединены гидромагистралью 14 высокого давления, к которой подключены: плунжерная маслостанция 18 высокого давления с регулируемым электроприводом, пневмогидроаккумулятор (ПГА) 15 через регулируемый дроссель 16, обратный клапан 17 и шаровой кран 13, между массой 5 и плунжерными гидроцилиндрами 19 размещены два фрикционных привода с гибкими тяговыми органами (канатами) 9, полиспастными системами с принятыми коэффициентами кратности (3, 5, 7) и двумя устройствами формирования действующих сил. Причем каждое из устройств формирования действующих сил состоит из двух прямоугольных звеньев, два из которых 25 неподвижно вместе с корпусами гидроцилиндров 19 соединены с корпусом 21 СБШ, а два других 24 - подвижные, смещенные относительно неподвижных звеньев 25 на девяносто градусов, на которых в зависимости от кратности полиспастов установлено соответствующее число блоков 11 на одной оси (точка е). При этом формируется дифференциальная система подачи долота на забой фрикционными приводами 9 с гибкими тяговыми органами (канатами).The technical result is achieved due to the fact that in the device for stabilizing dynamic loads in the system for supplying the working body to the bottom of the roller-cone drilling machine (CBS) of blast holes, including the mass 5 of the supply system with the support unit 4, the drilling string with the roller-cone bit 22, two plunger hydraulic cylinders 19 with plungers 20, the bodies of which are fixed on the body of the SBSh in the mount 21, and their plunger cavities are connected by a high-pressure hydraulic line 14, to which are connected: a high-pressure plunger oil station 18 with a controlled electric drive, a pneumatic hydraulic accumulator (PHA) 15 through an adjustable throttle 16, a check valve 17 and ball valve 13, between the mass 5 and plunger hydraulic cylinders 19 there are two friction drives with flexible traction elements (ropes) 9, pulley systems with accepted multiplicity factors (3, 5, 7) and two devices for generating active forces. Moreover, each of the devices for generating the acting forces consists of two rectangular links, two of which 25 are fixed together with the bodies of the hydraulic cylinders 19 connected to the body 21 of the SBSH, and the other two 24 are movable, displaced relative to the fixed links 25 by ninety degrees, on which, depending on multiplicity of chain hoists set the corresponding number of blocks 11 on one axis (point e). In this case, a differential system for feeding the bit to the bottomhole is formed by friction drives 9 with flexible traction elements (ropes).

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами и схемами, показанными на фигурах 1-8.The essence of the invention is illustrated by drawings and diagrams shown in figures 1-8.

На фигуре 1 показана:Figure 1 shows:

принципиальная трехкратная канатно-полиспастная схема (правая сторона) подачи СБШ с фрикционным приводом с гибким тяговым органом (стальным канатом), где: 1 - электродвигатель системы вращения бурового става, 2 - редуктор вращателя, 3 - шинношлицевая муфта, 4 - опорная балка, 5 - подвижные массы с опорной балкой системы подачи, 6, 7 - верхние блоки полиспаста, 8 - фрикционные барабаны, 9 - фрикционный привод с гибким тяговым органом (канатом), 10 - рабочий канат системы подачи, (m) - неподвижная относительно корпуса точка максимального значения тягового усилия, (е) - узел крепления неподвижных обводных блоков, установленных на одной оси 11, к корпусу СБШ, 12 - узлы крепления концов каната;principal three-fold rope-reel-and-reel scheme (right side) for supplying SBSH with a friction drive with a flexible traction body (steel rope), where: 1 - electric motor of the drilling string rotation system, 2 - rotator gearbox, 3 - splined coupling, 4 - support beam, 5 - moving masses with a support beam of the supply system, 6, 7 - upper blocks of the chain hoist, 8 - friction drums, 9 - friction drive with a flexible traction element (rope), 10 - working rope of the supply system, (m) - fixed point of maximum values of tractive force, (e) - attachment point of fixed bypass blocks mounted on the same axis 11, to the body of the SBSh, 12 - attachment points of the ends of the rope;

На фигуре 2 (фото) - фрикционный привод системы подачи: 1 - электродвигатель, 2 - редуктор, 3 - фрикционный барабан.In figure 2 (photo) - the friction drive of the supply system: 1 - electric motor, 2 - gearbox, 3 - friction drum.

На фигуре 3 показана схема (правая сторона) канатно-полиспастной дифференциальной системы подачи с фрикционным приводом с гибким тяговым органом, где: 13 - шаровой кран, 14 - маслопровод высокого давления, 15 - пневмогидравлический аккумулятор, 16 - регулируемый дроссель гидравлический, 17 - обратный клапан, 18 - плунжерная маслостанция с регулируемым электроприводом, 19 - плунжерный гидроцилиндр, 20 - плунжер гидроцилиндра, 21 - узел крепления гидроцилиндра с корпусу СБШ, (е) - точка крепления нижних обводных блоков 11, переведенная в неудерживающую подвижную связь с плунжером 20.The figure 3 shows a diagram (right side) of a rope-relay differential feed system with a friction drive with a flexible traction body, where: 13 - ball valve, 14 - high pressure oil line, 15 - pneumohydraulic accumulator, 16 - adjustable hydraulic throttle, 17 - reverse valve, 18 - plunger oil station with adjustable electric drive, 19 - plunger hydraulic cylinder, 20 - hydraulic cylinder plunger, 21 - attachment point of the hydraulic cylinder to the SBSh body, (e) - attachment point of the lower bypass blocks 11, transferred to a non-retaining movable connection with the plunger 20.

На фигуре 4 показаны:Figure 4 shows:

4а - расчетная схема пневмоподвески бурового става с долотом 22 при безотрывном движении долота по забою с микропрофилем 23 и подвижной массы 5; усилие плунжера 20 задается давлением в магистрали 14 в гидроцилиндре 19, элементами (13, 15, 16, 17) формируется система переменной структуры (СПС) во всех режимах;4a is a design diagram of the air suspension of a drilling string with a bit 22 with continuous movement of the bit along the bottomhole with a microprofile 23 and a moving mass 5; the force of the plunger 20 is set by the pressure in the line 14 in the hydraulic cylinder 19, the elements (13, 15, 16, 17) form a system of variable structure (ACS) in all modes;

4б - траектория движения породоразрушающего органа при работе системы переменной структуры (СПС), где S - координата забоя.4b - the trajectory of the movement of the rock cutting body during the operation of the variable structure system (VSS), where S is the coordinate of the bottomhole.

На фигуре 5 показана принципиальная схема действия дифференциальной (разностной) системы и пример ее применения;The figure 5 shows a schematic diagram of the operation of a differential (difference) system and an example of its application;

На фигуре 6 - схема соединения элементов канатной полиспастной дифференциальной системы подачи с фрикционным приводом с гибким тяговым органом и направления действия сил;The figure 6 is a diagram of the connection of the elements of the cable pulley differential feed system with a friction drive with a flexible traction body and the direction of the forces;

На фигуре 7 показана конструктивная схема устройства подвижного узла (е) соединения плунжера 20 гидроцилиндра пневмогидроподвески, где:The figure 7 shows a structural diagram of the device of the movable unit (e) of the connection of the plunger 20 of the hydraulic cylinder of the pneumohydraulic suspension, where:

7а - при отсутствии давления на забой;7a - in the absence of pressure on the bottomhole;

7б - режим бурения: при задании и увеличении усилий в системе фрикционной подачи на забой, блоки 11 полиспаста системы подачи перемещаются в подвижном звене 24 - вверх, h - ход плунжера, 19 - корпус пневмогидроцилиндра; 24 - подвижное звено; 25 - неподвижное звено.7b - drilling mode: when setting and increasing efforts in the friction feed system to the bottom, blocks 11 of the chain hoist of the feed system move in the moving link 24 - up, h - stroke of the plunger, 19 - body of the pneumatic hydraulic cylinder; 24 - moving link; 25 - fixed link.

На фигуре 8 показана принципиальная схема модернизации (правая сторона), например, СБШ-270ИЗ путем включения в конструкцию станка дифференциальной системы подачи с фрикционным приводом с гибким тяговым органом и устройством подвижного узла (е) С неудерживающим соединением плунжера 20 и осью с блоками 11.The figure 8 shows a schematic diagram of the modernization (right side), for example, SBSh-270IZ by including in the machine design a differential feed system with a friction drive with a flexible traction body and a movable unit device (e) With a non-retaining plunger connection 20 and an axis with blocks 11.

Система «подача - забой» представляет собой колебательную систему с кинематическим возбуждением со стороны разрушаемого забоя, координаты которого зависят от давления на него, а также как от мгновенных (настоящих), так и от предшествующих значений координат забоя, т.е. систему с предысторией процесса [5, 6, 7, 8]. Известно, что такие системы, обладающие «памятью», описываются дифференциальными уравнениями с запаздывающим аргументом и обладают особенностью, заключающейся в том, что даже при эффективном демпфировании они могут иметь неустойчивые нулевые решения. С практической точки зрения важно уметь выбирать динамические параметры системы подачи таким образом, чтобы система обладала свойством самовыравнивания забоя. При таком выборе параметров всегда в системе будет минимизировано кинематическое возбуждение со стороны забоя, Указанное свойство систем с памятью ярко проявляется в различных горных машинах, разрушающих забой.The "feed - face" system is an oscillatory system with kinematic excitation from the side of the face to be destroyed, the coordinates of which depend on the pressure on it, as well as on both instantaneous (real) and previous values of the face coordinates, i.e. a system with a history of the process [5, 6, 7, 8]. It is known that such systems with “memory” are described by differential equations with a retarded argument and have the peculiarity that even with effective damping they can have unstable zero solutions. From a practical point of view, it is important to be able to choose the dynamic parameters of the supply system in such a way that the system has the property of self-leveling the face. With such a choice of parameters, the kinematic excitation from the side of the face will always be minimized in the system. The indicated property of systems with memory is clearly manifested in various mining machines that destroy the face.

Как уже отмечалось, при бурении с частотой вращения бурового става, равной 120-130 оборотов в минуту (2 оборота в секунду), при 3-х шарошечном долоте возникают значительные резонансные колебания бурового става в продольном направлении. Частота этих колебаний равна утроенной частоте вращения долота и составляет 6.0-8.0 Герц. Тогда, принимая собственную частоту колебаний, близкую к околорезонансной частоте, равной ω_С = 40 рад/с, массу системы подачи m₂= 4000 кг, коэффициент эквивалентной жесткости системы подачи С₁ определится выражением:As already noted, when drilling with a drilling string rotation frequency of 120-130 revolutions per minute (2 revolutions per second), with a 3-cone bit, significant resonant oscillations of the drilling string occur in the longitudinal direction. The frequency of these oscillations is equal to three times the frequency of rotation of the bit and is 6.0-8.0 Hertz. Then, assuming a natural oscillation frequency close to the near-resonant frequency equal to ω _С = 40 rad/s, the mass of the supply system m ₂ = 4000 kg, the coefficient of equivalent rigidity of the supply system С ₁ is determined by the expression:

Тогда:Then:

Размах усилия, передаваемый на корпус СБШ при амплитуде А = 0,005 м, будет иметь значения:The range of force transmitted to the body of the SBS with an amplitude of A = 0.005 m will have the following values:

При заданном давлении на забой P₀ = 20, силы, действующие на корпус СБШ в режимах вибраций, максимальные:At a given pressure on the bottomhole P ₀ = 20, the forces acting on the body of the SBSh in vibration modes are maximum:

минимальные:

minimum:

Учитывая, что связь между координатой х (центр масс) и координатой s (координата забоя) слабая, координата х может считаться равной нулю х=0. Это означает, что корпус станка остается неподвижным при безотрывном движении по следу породоразрушаемого инструмента (резца, шарошечного долота) по неплоскому забою (с синусоидальным микропрофилем). Так как в некоррелированных системах демпфирование близко к нулю, усилие первого приближения, передаваемое на корпус СБШ при безотрывном движении ИО по забою, примет вид:Given that the relationship between the x-coordinate (center of mass) and the s-coordinate (bottom-hole coordinate) is weak, the x-coordinate can be considered equal to zero x=0. This means that the body of the machine tool remains motionless during continuous movement along the track of a rock cutting tool (cutter, cone bit) along a non-planar bottomhole (with a sinusoidal microprofile). Since in uncorrelated systems the damping is close to zero, the first approximation force transmitted to the body of the SBS during continuous movement of the TS along the bottom will take the form:

где А - амплитуда координаты забоя.where A is the amplitude of the bottom hole coordinate.

Показано, что при малом демпфировании и работе на околорезонансной частоте, усилия в системе подачи распределяются таким образом, что при бурении скважин на забое устанавливаются зоны забоя с минимальным и зоны с максимальным давлением на забой [6].It is shown that with low damping and operation at a near-resonance frequency, the forces in the supply system are distributed in such a way that when drilling wells at the bottomhole, bottomhole zones with a minimum and zones with a maximum pressure on the bottomhole are established [6].

В этом режиме в различных точках забоя потребляется разная энергия, что приводит к различию мгновенных скоростей бурения в этих точках. Это явление приводит к отклонению формы забоя от плоскости и к росту трех «волн» (по числу шарошек) на забое.In this mode, different energy is consumed at different bottomhole points, which leads to a difference in instantaneous drilling speeds at these points. This phenomenon leads to a deviation of the shape of the bottom from the plane and to the growth of three "waves" (according to the number of cutters) at the bottom.

Часто высота этих «волн» может возрастать настолько, что продольные вибрации приводят к потере поперечной устойчивости бурового става и созданию аварийной ситуации. Такие интервалы бурения через незначительные отрезки времени могут исчезать самостоятельно. В противном случае возникает аварийная ситуация, которая устраняется машинистом путем изменения режима бурения и приводит к снижению производительности СБШ, а также к снижению стойкости шарошечного долота и повышенной аварийности станка в целом [5, 6,].Often the height of these "waves" can increase so much that longitudinal vibrations lead to the loss of lateral stability of the drilling string and the creation of an emergency. Such drilling intervals can disappear on their own after short periods of time. Otherwise, an emergency occurs, which is eliminated by the driver by changing the drilling mode and leads to a decrease in the performance of the SBSH, as well as to a decrease in the durability of the cone bit and an increased accident rate of the machine as a whole [5, 6,].

Сравнительная оценка действия системы подвески СБШ со сниженным эквивалентным коэффициентом жесткости при работе в околорезонансной зоне выполняется при следующих условиях:A comparative evaluation of the performance of the SBSh suspension system with a reduced equivalent stiffness coefficient when operating in the near-resonance zone is performed under the following conditions:

1. Масса системы подачи СБШ m=4000 кг.1. Weight of the SBS supply system m=4000 kg.

2. Коэффициент жесткости скорректированной системы подвески принимается, как:2. The stiffness coefficient of the adjusted suspension system is taken as:

где С_К, С_Н - коэффициенты жесткости корректированной и некоррелированной систем подвески соответственно.

where C _K , C _N are the stiffness coefficients of the corrected and uncorrelated suspension systems, respectively.

3. Собственная частота:3. Natural frequency:

Из этого следует, что снижение коэффициента жесткости в десять раз приводит к снижению собственной частоты до 2 Гц, (приблизительно, в 3-4 раза). Снижение собственной частоты в три раза делает невозможным появление резонансных колебаний в номинальных режимах работы СБШ. Однако при малом демпфировании и стохастической нагрузке на забое в колебательной системе подачи будут возникать резонансные колебания на собственной частоте 2 Гц, что проверено на СБШ и очистных угольных комбайнах.It follows from this that a decrease in the stiffness factor by a factor of ten leads to a decrease in the natural frequency to 2 Hz, (approximately 3-4 times). Reducing the natural frequency by a factor of three makes it impossible for the occurrence of resonant oscillations in the nominal operating modes of the SBS. However, with low damping and a stochastic load at the bottom in the oscillatory feed system, resonant oscillations will occur at a natural frequency of 2 Hz, which has been tested on SBS and coal shearers.

Компромиссное решение может быть получено при формировании в пневмогидравлической подвеске ИО системы переменной структуры (СПС) (фигура 4а). Такие системы часто придают колебательным системам ряд полезных свойств. При значении скорости перемещения долота: s'>0 (движение от забоя) происходит с относительно малыми коэффициентами демпфирования и жесткости, а при: s'<0 (движение на забой) с высоким коэффициентом демпфирования, равным или большим критического (фигура 4б). Известно, что в колебательной системе с коэффициентом демпфирования, равным критическому коэффициенту жесткости (критическое сопротивление), колебания вырождаются в прямую линию, не пересекая горизонтальную ось симметрии.A compromise solution can be obtained by forming a variable structure system (SPS) in the pneumohydraulic suspension of the TS (figure 4a). Such systems often impart a number of useful properties to oscillating systems. When the value of the bit movement speed: s'>0 (movement from the bottom) occurs with relatively small damping and stiffness coefficients, and when: s'<0 (movement to the bottom) with a high damping coefficient equal to or greater than the critical one (figure 4b). It is known that in an oscillatory system with a damping coefficient equal to the critical stiffness coefficient (critical resistance), the oscillations degenerate into a straight line without crossing the horizontal axis of symmetry.

Известно, что достаточным условием устойчивости СПС является устойчивость одной из структур. При этом колебательная система вырождается в неколебательную систему, в которой не проявляются резонансные режимы. Такие системы подачи долота на забой с СПС легко реализуются на базе гидравлических элементов: пневмогидравлических аккумуляторов (ПГА), гидроцилиндров, дросселей, обратных клапанов.It is known that a sufficient condition for the stability of an SPS is the stability of one of the structures. In this case, the oscillatory system degenerates into a non-oscillatory system in which resonant modes do not appear. Such bit feed systems with SPS are easily implemented on the basis of hydraulic elements: pneumohydraulic accumulators (PGA), hydraulic cylinders, throttles, check valves.

Предполагая, что при:

и

координата s (траектория движения инструмента) изменяется, как показано на фиг. 3б линия - 2. При этом, при движении по траектории, обозначенной точками 1-2-3, размах колебаний принимается менее 0,01 м и менее А = 0,005 м = 0,5 смAssuming that at:

and

the s coordinate (tool path) changes as shown in FIG. 3b line - 2. At the same time, when moving along the trajectory indicated by points 1-2-3, the oscillation range is taken to be less than 0.01 m and less than A \u003d 0.005 m \u003d 0.5 cm

Тогда размах динамической составляющей усилия, передаваемого на корпус, составит приблизительно:Then the range of the dynamic component of the force transmitted to the body will be approximately:

Относительная величина динамического усилия в корректированной системе подачи определится несколько меньшим выражением:The relative value of the dynamic force in the corrected feed system is determined by a somewhat smaller expression:

При снижении коэффициента жесткости в 10 раз, динамическое усилие снижается в двадцать раз. Высокая эффективность СПС широко используется на практике.With a decrease in the stiffness coefficient by 10 times, the dynamic force is reduced by a factor of twenty. The high efficiency of SPS is widely used in practice.

Дифференциальные методы широко применяются в науке и технике при исследовании и управлении поступательного, вращательного и колебательного движений, при измерении и управлении давлений газа и жидкостей, при измерении и управлении в электротехнике и электроприводе и т.д.Differential methods are widely used in science and technology in the study and control of translational, rotational and oscillatory movements, in the measurement and control of gas and liquid pressures, in the measurement and control in electrical engineering and electric drives, etc.

Дифференциальный (разностный) метод измерений, в котором измеряемая величина: давление долота на забой, состоит из постоянной заданной и динамической составляющей от разрушения забоя, сравнивается с однородной заданной величиной (давление плунжера цилиндра подвески с давлением от пневмогидроаккумулятора), имеющей известное значение, незначительно отличающееся от измеряемой величины, в котором измеряется разность между этими величинами.Differential (difference) measurement method, in which the measured value: the pressure of the bit on the bottomhole, consists of a constant given and dynamic component from the destruction of the bottomhole, is compared with a homogeneous given value (pressure of the plunger of the suspension cylinder with pressure from the pneumatic accumulator), which has a known value, slightly different from the measured quantity, in which the difference between these quantities is measured.

При дифференциальном методе измерения полное уравновешивание не производят, а разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, отсчитывается по шкале прибора.With the differential method of measurement, complete balancing is not performed, and the difference between the measured value and the value reproduced by the measure is read off the scale of the instrument.

Пример: измерение массы на равноплечих весах, когда воздействие измеряемой массы на весы частично уравновешивается массой гирь, а разность масс отсчитывается по шкале весов, градуированной в единицах массы (фигура 5).Example: measurement of mass on equal-arm scales, when the effect of the measured mass on the scales is partially balanced by the mass of the weights, and the mass difference is read off on the scale of the scales, graduated in units of mass (figure 5).

На фигуре 6 показана схема соединения элементов канатно-полиспастной дифференциальной системы подачи с фрикционным приводом с гибким тяговым органом и направления действия сил. Здесь показана конструктивная расчетная схема СБШ с канатной - полиспастной дифференциальной системой подачи долота на забой фрикционным приводом с гибким тяговым органом 9.The figure 6 shows the connection diagram of the elements of the rope-relay differential feed system with a friction drive with a flexible traction body and the direction of the forces. Shown here is a constructive design scheme of the SBSH with a rope - pulley differential system for feeding the bit to the bottomhole by a friction drive with a flexible traction body 9.

Рассмотрим подробнее действие дифференциальной схемы подачи с фрикционным приводом.Let us consider in more detail the operation of a differential feed scheme with a friction drive.

Режим 1. Скорость вращения долота равна нулю. При этом заданное усилие фрикционного привода равно и противонаправленно усилию плунжера (20). Разность сил равна нулю.Mode 1. Bit rotation speed is zero. In this case, the specified force of the friction drive is equal and opposite to the force of the plunger (20). The force difference is zero.

Режим 2. Долото вращается по неразрушаемому забою. Координаты забоя равны нулю. Статический режим сохранится. Точка (е) сохраняет неподвижное положение.Mode 2. The bit rotates along an indestructible bottom hole. The face coordinates are equal to zero. The static mode will remain. Point (e) remains stationary.

Режим 3. При неизменных заданных силах долото работает на разрушаемом забое. Баланс сил нарушается и точка (е) под действием динамических сил совершает продольные колебания. Размах колебании определяется величиной координат забоя, собственной частотой колебаний системы подачи (емкостью ПГА) и настройкой СПС.Mode 3. With constant given forces, the bit works on the bottom to be destroyed. The balance of forces is disturbed and the point (e) under the action of dynamic forces performs longitudinal oscillations. The oscillation range is determined by the value of the face coordinates, the natural frequency of the supply system oscillations (the capacity of the CHA) and the SPS setting.

Будем считать, что в системе подачи определены динамические параметры (масса, коэффициент жесткости и демпфирования) и, например, принят следующий алгоритм управления, обеспечивающий заданные рабочие режимы бурения, и выполняющий следующее:We will assume that dynamic parameters (mass, stiffness and damping coefficient) are defined in the feed system and, for example, the following control algorithm is adopted that provides the specified drilling operating modes and performs the following:

1. Выбран диапазон рабочих режимов бурения, в котором применяется стабилизация динамических нагрузок (например, 20-40 тонн).1. A range of drilling operating modes has been selected, in which stabilization of dynamic loads is used (for example, 20-40 tons).

2. Назначено желаемое число режимов (например, 4-8).2. The desired number of modes has been assigned (eg 4-8).

3. Вычислены давления в ПГА 15, при которых давление плунжера 20 в точке (е) равно заданному давлению на забой.3. The pressures in PHA 15 are calculated, at which the pressure of the plunger 20 at point (e) is equal to the specified bottomhole pressure.

4. После задания давления на забой фрикционным приводом 9 включается насос высокого давления 18 и устанавливается в ПГА 15 давление газа, при котором усилие плунжера 20 в точке (е) устанавливается равным заданному усилию на забой.4. After setting the bottomhole pressure by the friction drive 9, the high-pressure pump 18 is turned on and the gas pressure is set in the PHA 15, at which the force of the plunger 20 at point (e) is set equal to the specified bottomhole force.

5. Разработан алгоритм и реализуется схема ручного или автоматического управления режимами бурения.5. An algorithm has been developed and a scheme for manual or automatic control of drilling modes is being implemented.

Особенности дифференциальной системы подачиFeatures of the differential feed system

1. При постановке бурового става с долотом 22 на забой и при отсутствии заданного давления на забой это давление определяется давлением зарядки ПГА 15, при котором усилие на плунжере 20 составит 0.6-0.8 номинального давления, например, 18 тонн. После задания значения давления на забой и при повышении усилия в системе фрикционного привода с гибким тяговым органом 9 и в системе блоков канатно-полиспастной системы давление начинает подниматься до точки заданного режима. При этом автоматически (или вручную) включается электропривод плунжерного насоса 18 высокого давления и поднимается давление в ПГА 15 и плунжерном гидроцилиндре 19 до значения, при котором давление плунжера (точка е) равно усилию заданного режима бурения с учетом коэффициента полиспастности. При этом усилие давления на забой (точка m) и усилие плунжера в точке (е) равны между собой и противонаправлены. Система находится в статическом равновесии. Следует отметить, что усилия в точках (m) и (е) в статическом режиме всегда равны между собой.1. When setting the drilling string with bit 22 to the bottom and in the absence of a given pressure on the bottom, this pressure is determined by the charging pressure of the PGA 15, at which the force on the plunger 20 will be 0.6-0.8 of the nominal pressure, for example, 18 tons. After setting the value of the pressure on the face and increasing the effort in the friction drive system with a flexible traction body 9 and in the system of blocks of the rope-reel system, the pressure begins to rise to the point of the specified mode. In this case, the electric drive of the high-pressure plunger pump 18 is automatically (or manually) turned on and the pressure in the PGA 15 and the plunger hydraulic cylinder 19 rises to a value at which the plunger pressure (point e) is equal to the force of the specified drilling mode, taking into account the haul ratio. In this case, the bottomhole pressure force (point m) and the plunger force at point (e) are equal and opposite to each other. The system is in static equilibrium. It should be noted that the forces at points (m) and (e) in the static mode are always equal to each other.

2. При бурении плоского забоя точка (е) неподвижна, так как координаты забоя равны нулю, динамическая составляющая давления на забой отсутствует, статическое состояние сохраняется.2. When drilling a flat bottom, point (e) is stationary, since the bottomhole coordinates are equal to zero, there is no dynamic component of pressure on the bottomhole, the static state is preserved.

3. При отклонении формы забоя 23 от плоскости появляется динамическая составляющая, определяемая координатами забоя, нарушая баланс сил забоя и пневмоподвески. Эти значения координат передаются по гибкому звену в узел (е), в виде кинематического возмущения, определяемого координатами забоя. Величина этих движений, выделенных с помощью применения дифференциального (разностного) метода, измеряется миллиметрами. Действия постоянных равных усилий плунжера 20 и долота 22 на забой 23 выполняются управляемым давлением в ПГА (15) ив гидроцилиндре 19 пневмоподвески взаимно уничтожаются, а перемещение точка (е) зависит только от выделенного значения координат забоя (микропрофиля забоя).3. When the shape of the face 23 deviates from the plane, a dynamic component appears, determined by the coordinates of the face, breaking the balance of forces of the face and air suspension. These coordinate values are transmitted through the flexible link to the node (e), in the form of a kinematic perturbation, determined by the bottom hole coordinates. The magnitude of these movements, identified using the differential (difference) method, is measured in millimeters. The actions of constant equal efforts of the plunger 20 and the bit 22 on the bottomhole 23 are carried out by controlled pressure in the PGA (15) and in the hydraulic cylinder 19 of the air suspension they cancel each other out, and the displacement of point (e) depends only on the selected value of the bottomhole coordinates (bottomhole microprofile).

4. Усилие, передаваемое на корпус станка через гидроцилиндр 19, определяется эквивалентным коэффициентом жесткости системы подачи и размахом колебаний плунжера 20 в точке (е). В свою очередь, эквивалентный коэффициент жесткости системы подачи определяется объемом ПГА 15. Чем больше емкость ПГА, тем ниже собственная частота системы подачи.4. The force transmitted to the body of the machine through the hydraulic cylinder 19 is determined by the equivalent coefficient of rigidity of the feed system and the swing of the plunger 20 at point (e). In turn, the equivalent coefficient of rigidity of the supply system is determined by the volume of PGA 15. The larger the capacity of PGA, the lower the natural frequency of the supply system.

Известно, что снижение частоты собственных колебаний системы в четыре раза снижает коэффициент жесткости колебательной системы в 16 раз, При этом усилие, передаваемое на корпус станка, снижается во много раз.It is known that a four-fold decrease in the frequency of natural vibrations of the system reduces the stiffness coefficient of the oscillatory system by 16 times, while the force transmitted to the machine body is reduced many times over.

На фигуре 7 представлено устройство формирования действующих сил в дифференциальной системе подачи с фрикционным приводом с гибким тяговым органом. Устройство состоит из двух прямоугольных звеньев, одно из которых 25 неподвижно соединено с корпусом СБШ, а другое 24 - подвижное, смещенное относительно неподвижного звена 25 на девяносто градусов, на котором установлено два нижних блока 11 на одной оси. В неподвижном звене закреплен плунжерный гидроцилиндр с корпусом 19 и плунжером 20. На фигуре 7а показано положение плунжера 20 и блоков 11 при отсутствии сил в дифференциальной системе подачи с фрикционным приводом с гибким тяговым органом. При этом плунжер 20 выдвинут полностью под действием давления зарядки пневмогидавлического аккумулятора (ПГА) 15.The figure 7 shows a device for the formation of acting forces in a differential feed system with a friction drive with a flexible traction body. The device consists of two rectangular links, one of which 25 is fixedly connected to the SBS case, and the other 24 is movable, offset relative to the fixed link 25 by ninety degrees, on which two lower blocks 11 are installed on the same axis. A plunger hydraulic cylinder with a housing 19 and a plunger 20 is fixed in the fixed link. Figure 7a shows the position of the plunger 20 and blocks 11 in the absence of forces in the differential feed system with a friction drive with a flexible traction body. In this case, the plunger 20 is fully extended under the action of the charging pressure of the pneumohydraulic accumulator (PGA) 15.

На фигуре 7б показан режим бурения: при задании и увеличении усилий в системе фрикционной подачи на забой блоки 11 полиспаста системы подачи перемещаются в подвижном звене 24 вверх. При этом давление в плунжерном гидроцилиндре автоматически повышается до давления, при котором встречно направленное усилие на плунжере не сравняется с заданным усилием системы подачи. Такие автоматические разностные (дифференциальные) режимы позволяют выделить динамическую составляющую давления на забой во всех режимах, определяемую микропрофилем (координатами) забоя и коэффициентом жесткости силовой цепи системы подачи (фигура 5, 6).The figure 7b shows the mode of drilling: when setting and increasing the effort in the system of frictional feed to the bottom, the blocks 11 of the chain hoist of the feed system move upwards in the movable link 24. In this case, the pressure in the plunger hydraulic cylinder automatically rises to a pressure at which the opposite force on the plunger does not equal the given force of the supply system. Such automatic differential (differential) modes make it possible to isolate the dynamic component of the pressure on the bottomhole in all modes, determined by the microprofile (coordinates) of the bottomhole and the stiffness factor of the power circuit of the supply system (figure 5, 6).

Особо следует отметить замечательное свойство дифференциальных систем подачи долот на забой СБШ взрывных скважин, которое заключается в возможности снижать собственную частоту колебаний массы 5 до значений (1,0-2.0) Герц. Такое снижение собственной частоты при использовании СПС исключает резонансные колебания во всех режимах работы СБШ при существенном снижении динамических нагрузок при бурении крепких и трещиноватых пород.Of particular note is the remarkable property of differential systems for supplying bits to the bottom of SBS blastholes, which consists in the ability to reduce the natural frequency of the mass 5 oscillations to values of (1.0-2.0) Hertz. Such a decrease in natural frequency when using SPS eliminates resonant oscillations in all modes of operation of the SBS with a significant reduction in dynamic loads when drilling hard and fractured rocks.

В традиционных современных системах подачи узел (е) связан с корпусом СБШ. При этом колебательная система представлена массой вращательно - подающего механизма и упругим элементом в виде рабочего каната подачи. Поэтому собственная частота колебаний этого контура близка к частоте возмущений (6-8 Герц), а коэффициент жесткости: 5-6 т/см. Следует отметить, что при бурении «мягких» пород резонансные режимы вибраций отсутствуют. Поэтому создание второго «умного» забоя на другом конце рабочего каната обеспечит спокойную работу во всех режимах бурения. Этот «забой» обеспечивает собственную частоту колебательного контура системы подачи 1.0-2.0 Гц, а применение обратного клапана и регулируемого дросселя преобразует его в неколебательную систему переменной структуры с малым коэффициентом жесткости, в 15-20 и более меньшим, чем в традиционной системе.In traditional modern delivery systems, the node (e) is associated with the body of the SBS. In this case, the oscillatory system is represented by the mass of the rotational feed mechanism and the elastic element in the form of a working feed cable. Therefore, the natural oscillation frequency of this circuit is close to the perturbation frequency (6-8 Hertz), and the stiffness coefficient: 5-6 t/cm. It should be noted that when drilling "soft" rocks, there are no resonant vibration modes. Therefore, the creation of a second “smart” bottom at the other end of the working rope will ensure smooth operation in all drilling modes. This "downhole" provides the natural frequency of the oscillatory circuit of the supply system 1.0-2.0 Hz, and the use of a check valve and an adjustable throttle converts it into a non-oscillatory system of variable structure with a low stiffness factor, 15-20 or more less than in the traditional system.

В целом можно отметить, что применение дифференциальных фрикционных систем подачи долота на забой имеет следующие преимущества.In general, it can be noted that the use of differential friction systems for feeding the bit to the bottom has the following advantages.

1. Позволяет компенсировать постоянные равные заданные усилия: усилие давления на забой и встречное равное усилие плунжера пневмоподвески. При этом удается выделить динамическую составляющую из полного давления на забой.1. Allows you to compensate for constant equal given forces: pressure force on the bottomhole and counter equal force of the air suspension plunger. In this case, it is possible to isolate the dynamic component from the total pressure on the bottom hole.

2. Позволяет обеспечивать стабилизацию динамических нагрузок во всем диапазоне рабочих режимов СБШ;2. Allows to ensure the stabilization of dynamic loads in the entire range of operating modes of the SBSh;

2. Уровень стабилизации при максимальных давлениях на забой не хуже 1-2%; от максимальных давлений.2. The level of stabilization at maximum bottomhole pressures is not worse than 1-2%; from maximum pressures.

3. Снижение собственной частоты в системе подачи до 1.0-2.0 Гц позволяет надежно уйти от резонансных колебаний на рабочих режимах.3. Reducing the natural frequency in the supply system to 1.0-2.0 Hz allows you to reliably get away from resonant oscillations in operating modes.

4. Использование системы с переменной структурой позволяет исключить резонансные колебания на собственной частоте системы подачи и управлять траекторией движения породоразрушающего инструмента;4. The use of a system with a variable structure makes it possible to exclude resonant oscillations at the natural frequency of the feed system and control the trajectory of the rock cutting tool;

5. Все вышеперечисленное позволяет увеличить давление на забой на 20-30% и более при модернизации действующих современных СБШ.5. All of the above allows you to increase the pressure on the bottomhole by 20-30% or more during the modernization of existing modern SBSh.

Канатно-полиспастные системы с фрикционным приводом с гибким тяговым органом подачи достаточно широко применяются в мировой практике при создании буровых станков шарошечного бурения взрывных скважин. Как правило, в таких системах отсутствуют корректирующие устройства для существенного снижения коэффициента жесткости, и, следовательно, снижения высоких динамических нагрузок при бурении крепких и трещиноватых пород.Rope-and-reel systems with a friction drive with a flexible traction feeder are widely used in world practice in the creation of drilling rigs for roller-cone drilling of blast holes. As a rule, in such systems there are no corrective devices to significantly reduce the stiffness coefficient, and, consequently, reduce high dynamic loads when drilling hard and fractured rocks.

Предлагаемое устройство стабилизации динамических нагрузок СБШ с фрикционным приводом с гибким тяговым органом подачи работает следующим образом.The proposed device for stabilizing dynamic loads SBS with a friction drive with a flexible traction feeder operates as follows.

1. Вращательно-подающий механизм отключен.1. The rotary feeder is disabled.

Шаровой кран 13 открыт, плунжер 20 цилиндра 19 пневмогидравлической подвески бурового става с шарошечным долотом 22 занимает нижнее положение под действием зарядного давления газа в ПГА(15). При этом усилие натяжения канатов составляет 0,6-0,8 номинального давления долота на забой, которое определяется произведением площадей плунжеров 20 гидроцилиндров 19 на зарядное давление газа в ПГА 15. При перекрытом шаровом кране 13 система подачи принимает заводские динамические характеристики.The ball valve 13 is open, the plunger 20 of the cylinder 19 of the pneumohydraulic suspension of the drilling string with the cone bit 22 takes the lower position under the action of the charging gas pressure in the CHA (15). At the same time, the tension force of the ropes is 0.6-0.8 of the nominal pressure of the bit at the bottom, which is determined by the product of the areas of the plungers 20 of the hydraulic cylinders 19 and the charging gas pressure in the PHA 15. When the ball valve 13 is closed, the supply system takes on factory dynamic characteristics.

2. Система подачи включена. Вращение долота отсутствует.2. Feed system included. There is no bit rotation.

При включении электропривода фрикционного привода с гибким тяговым органом 9 полиспаст начинает сокращаться, перемещая буровой став с долотом 22 на забой. При постановке долота на забой движение бурового става прекращается, а усилие в полиспасте начинает возрастать.When the electric drive of the friction drive with a flexible traction body 9 is turned on, the chain hoist begins to shrink, moving the drilling string with the bit 22 to the bottom. When the bit is placed on the bottom, the movement of the drilling string stops, and the force in the chain hoist begins to increase.

Когда фрикционный привод сформирует заданное усилие на забое, автоматически (или вручную) включается электропривод маслостанции 18, который закачивает масло в масляную магистраль высокого давления 14 до тех пор, пока давление масла в ПГА не достигнет значения, которое обеспечивает усилие на плунжере 20 гидроцилиндра 19 в точке (е) равному и противонаправленному усилию, заданному давлению на забой.When the friction drive generates a predetermined force at the bottom, the electric drive of the oil station 18 is automatically (or manually) turned on, which pumps oil into the high pressure oil line 14 until the oil pressure in the PHA reaches a value that provides force on the plunger 20 of the hydraulic cylinder 19 in point (e) equal and opposing force given bottom hole pressure.

3. Бурение с максимальными давлением на забой и частотой вращения долота.3. Drilling with maximum bottomhole pressure and bit speed.

При безотрывном движении резца (шарошки) по следу на плоском забое низкочастотная переменная составляющая силового воздействия в системе подачи в продольном направлении бурового става отсутствует.With the continuous movement of the cutter (cone) along the track on a flat bottom, the low-frequency variable component of the force in the feed system in the longitudinal direction of the drilling string is absent.

Заданная постоянная составляющая усилия давления долота на забой рабочими канатами подачи 10 уравновешивается усилиями на плунжерах 20 гидроцилиндров 19.The given constant component of the bit pressure force on the bottomhole by the working feed lines 10 is balanced by the forces on the plungers 20 of the hydraulic cylinders 19.

При безотрывном движении долота по волнообразному забою система подачи получает периодическое кинематическое возбуждение с размахом колебаний в продольном направлении, определяемое координатами забоя.With continuous movement of the bit along the wavy bottom, the feed system receives periodic kinematic excitation with a range of oscillations in the longitudinal direction, determined by the coordinates of the bottom.

При движении долота от забоя рабочая жидкость из цилиндра пневмогидроподвески 19 вытесняется через обратный клапан 17 в пневмогидравлический аккумулятор 15, а при движении долота на забой: из пневмогидравлического аккумулятора вытесняется через регулируемый дроссель 16 с критическим или большим значением коэффициента демпфирования в цилиндр пневмоподвески, образуя неколебательную систему с переменной структурой и обеспечивая отсутствие резонансных колебаний во всех паспортных режимах работы станков шарошечного бурения.When the bit moves away from the bottom, the working fluid is displaced from the pneumatic-hydraulic suspension cylinder 19 through the check valve 17 into the pneumatic-hydraulic accumulator 15, and when the bit moves towards the bottom: it is displaced from the pneumatic-hydraulic accumulator through the adjustable throttle 16 with a critical or large value of the damping coefficient into the pneumatic suspension cylinder, forming a non-oscillatory system with a variable structure and ensuring the absence of resonant vibrations in all passport operating modes of roller drilling machines.

Динамическая составляющая давления на забой (коэффициент жесткости С) σ (кНм) определяется выражением:The dynamic component of bottomhole pressure (stiffness coefficient C) σ (kNm) is determined by the expression:

где F_m - максимальное давление долота на забой, δ - принятый размах колебаний долота 0,01 м при движении по волнообразному забою, V_m (см³) - объем сжатого газа пневмогидравлического аккумулятора при максимальном давлении долота F_m на забой, S_п (см²) - площадь поршня гидроцилиндра 19 пневмоподвески. Принятый размах 0,01 м превращает (11) в коэффициент жесткости «пневмопружины» гидроцилиндра 19 с ПГА пневмогидравлической подвески.where F _m is the maximum pressure of the bit on the bottomhole, δ is the accepted range of vibrations of the bit 0.01 m when moving along the wave-like bottomhole, V _m (cm ³ ) is the volume of compressed gas of the pneumohydraulic accumulator at the maximum pressure of the bit _Fm on the bottomhole, S _p ( cm ² ) - the area of the piston of the hydraulic cylinder 19 of the air suspension. The accepted range of 0.01 m turns (11) into the coefficient of rigidity of the “pneumatic spring” of the hydraulic cylinder 19 with the PGA of the pneumohydraulic suspension.

Пример определения параметров дифференциальной системы подачи станка шарошечного бурения с канатно-полиспастной системой и фрикционным приводом с гибким тяговым органом 9.An example of determining the parameters of the differential feed system of a roller drilling machine with a rope-and-reel system and a friction drive with a flexible traction body 9.

Принятые параметры:Accepted parameters:

1. Максимальное давление на забой - F_m=42 тонны.1. Maximum bottomhole pressure - F _m =42 tons.

2. Емкость ПГА - Q=20 литров.2. PGA capacity - Q=20 liters.

3. Площадь плунжера пневмогидроподвески - q=80 см².3. The area of the pneumohydraulic suspension plunger - q=80 cm ² .

4. Число цилиндров пневмогидроподвески - n=2 шт. 4. The number of cylinders of pneumohydraulic suspension - n=2 pcs.

5. Степень стабилизации динамических нагрузок при F_m=42 т. и размахе колебаний σ=0,01 м. - не хуже 2%.5. The degree of stabilization of dynamic loads at F _m \u003d 42 tons and the range of oscillations σ \u003d 0.01 m - not worse than 2%.

6. Собственная частота колебаний при F_m=42 т. - 1,5-2,5 Гц.6. Natural oscillation frequency at F _m =42 tons - 1.5-2.5 Hz.

7. Режимы бурения F_m=21, 31, 36, 42 тонн.7. Drilling modes F _m =21, 31, 36, 42 tons.

8. Масса подвижных частей системы подачи m=5000 кг.8. Mass of moving parts of the supply system m=5000 kg.

Учитывая массу подвижных частей системы подачи, при создании системой подачи усилия в пункте 7 давления на забой примут значения 21, 31, 36, 42 тонн.Taking into account the mass of the moving parts of the supply system, when the supply system creates forces in point 7, the pressure on the bottom will take on the values of 21, 31, 36, 42 tons.

1) Давление газа в ПГА при максимальным давлением на забой:1) Gas pressure in CHA at maximum bottomhole pressure:

2) Давление зарядки ПГА при минимальном давлении на забой:2) PHA charging pressure at minimum bottomhole pressure:

3) Объем сжатого газа при максимальном давлении на забой:3) Compressed gas volume at maximum bottom hole pressure:

4) Изменение давления в ПГА при перемещении плунжера гидроцилиндра на 0,01 метра:4) Change in pressure in PGA when moving the plunger of the hydraulic cylinder by 0.01 meters:

5) Изменение давления на забой при перемещении плунжеров гидроцилиндров на 0,01 м (коэффициент жесткости):5) Change in pressure on the bottomhole when moving the plungers of hydraulic cylinders by 0.01 m (stiffness coefficient):

6) С учетом последовательно соединенных канатов и пневмоподвески бурового става эквивалентный коэффициент жесткости подающей системы равен:6) Taking into account the series-connected ropes and air suspension of the drilling string, the equivalent coefficient of rigidity of the supply system is equal to:

где коэффициенты жесткости:where the stiffness coefficients:

C_Σ = 598000 N⋅м - эквивалентный системы подачи, С_ПП= 675000 N⋅м - пневмопружины пневмоподвески, С_КР = 6400000 Н⋅м - рабочего каната системы подачи.C _Σ \u003d 598000 N⋅m - equivalent to the supply system, С _PP = 675000 N⋅m - air suspension air springs, С _КР = 6400000 N⋅m - working rope of the supply system.

7) Собственная круговая частота колебаний в системе подачи:7) Natural circular frequency of oscillations in the feed system:

8) Собственная частота колебаний в системе подачи:8) Natural oscillation frequency in the feed system:

9) Коэффициент жесткости в колебательной системе подачи:9) Rigidity factor in the oscillatory feed system:

10) Степень стабилизации:10) Degree of stabilization:

Представленный расчет справедлив для классической линейной колебательной системы, состоящей из массы подвижных частей системы подачи и упругого элемента с эквивалентным коэффициентом жесткости системы подачи при последовательном соединении канатов подачи и цилиндров пневмоподвески без применения переменной структуры колебательного контура системы подвески. Применение СПС приводит исходную колебательную систему в неколебательную систему.The presented calculation is valid for a classical linear oscillatory system consisting of a mass of moving parts of the supply system and an elastic element with an equivalent stiffness coefficient of the supply system with a series connection of the supply cables and air suspension cylinders without using the variable structure of the oscillatory circuit of the suspension system. The use of SPS brings the original oscillatory system into a non-oscillatory system.

Примечания:Notes:

1. Собственная частота колебаний дифференциальной системы подачи с пневмоподвеской бурового става составит приблизительно (1-2) Гц, что значительно меньше частоты (6-8 Гц) возмущения и исключает резонансные колебания в рабочих режимах.1. The natural oscillation frequency of the drilling string air-suspended differential feed system will be approximately (1-2) Hz, which is much less than the frequency (6-8 Hz) of the disturbance and eliminates resonant oscillations in operating modes.

2. В силу малого демпфирования и стохастического характера возмущающих воздействий в системе подачи будут возникать резонансные колебания на собственной частоте (1,5-2) Гц.2. Due to the low damping and the stochastic nature of the disturbances in the supply system, resonant oscillations will occur at a natural frequency of (1.5-2) Hz.

3. Применение переменной структуры в колебательном контуре системы подачи позволяет исключить резонансные режимы во всех паспортных режимах и управлять траекторией движения породоразрушающего инструмента по забою.3. The use of a variable structure in the oscillatory circuit of the supply system makes it possible to exclude resonant modes in all passport modes and control the trajectory of the rock cutting tool along the bottomhole.

4. В примере степень стабилизации принята для размаха колебаний 1 см. В реальных условиях при таком размахе координат на забое динамические усилия будут достигать аварийных значений. Применение переменной структуры в колебательном контуре системы подачи позволит снизить размах и динамические нагрузки в 10-20 и более раз по сравнению с некорректированной системой подачи.4. In the example, the degree of stabilization is taken for a fluctuation range of 1 cm. In real conditions, with such a range of coordinates at the bottom, the dynamic forces will reach emergency values. The use of a variable structure in the oscillatory circuit of the supply system will reduce the span and dynamic loads by 10-20 or more times compared to an uncorrected supply system.

5. Если в некорректированной системе подачи неподвижный конец рабочего каната закрепляется непосредственно на корпусе СБШ, то в дифференциальной системе подачи он соединяется с корпусом СБШ через последовательно соединенные рабочий канат подачи и пневмопружину, коэффициент жесткости которой в 10-20 раз меньше жесткости каната подачи.5. If in the uncorrected feed system the fixed end of the working rope is fixed directly on the SBS body, then in the differential feed system it is connected to the SBS body through a working feed cable and a pneumatic spring connected in series, the stiffness coefficient of which is 10-20 times less than the feed cable stiffness.

Источники информацииSources of information

1. Авторское свидетельство СССР №264295, кл. Е 21 В 17/06, 1966.1. Author's certificate of the USSR No. 264295, class. E 21 B 17/06, 1966.

2. Авторское свидетельство СССР №386122, кл. Е21В 17/06, 1966.2. Author's certificate of the USSR No. 386122, class. E21B 17/06, 1966.

3. United States Patent, Drill Stem shock absorber, US 3746330, 1973.3. United States Patent, Drill Stem shock absorber, US 3746330, 1973.

4. Патент РФ №2482259 2013. Вращательно-подающая система бурового станка.4. Patent of the Russian Federation No. 2482259 2013. Rotary-feeding system of a drilling rig.

5. Загривный Э.А. «Динамические модели и устойчивость подсистемы "исполнительный орган-забой" горной машины» Автореф. докторской диссертации, СПб, 1996.5. Zagrivny E.A. "Dynamic models and stability of the subsystem "executive body-slaughter" of a mining machine" Abstract of the thesis. doctoral dissertation, St. Petersburg, 1996.

6. Загривный Э.А., Басин Г.Г. Формирование внешней динамики горных машин. "Записки горного института», г. СПб, 2016, т 217, с. 140-149.6. Zagrivny E.A., Basin G.G. Formation of the external dynamics of mining machines. "Notes of the Mining Institute", St. Petersburg, 2016, v. 217, pp. 140-149.

7. Загривный Э.А., Басин Г.Г. Обоснование рациональных параметров систем подачи станков шарошечного бурения. // «Научная перспектива», г. Уфа, 2016, №2, С. 39-44.7. Zagrivny E.A., Basin G.G. Substantiation of rational parameters of feed systems for roller drilling machines. // "Scientific Perspective", Ufa, 2016, No. 2, pp. 39-44.

8. Загривный Э.А. Басин Г.Г. Синтез устойчивой подающей системы станка шарошечного бурения при работе на разрушаемом забое. /«Журнал научных и прикладных исследований», г. Уфа, 2016, №3, С. 137-142в.8. Zagrivny E.A. Basin G.G. Synthesis of a stable feed system for a roller drilling machine when working on a breakable bottomhole. / "Journal of Scientific and Applied Research", Ufa, 2016, No. 3, pp. 137-142c.

9. Загривный Э.А., Поддубный Д.А. Стабилизация динамических нагрузок во вращательно-подающей системе станка шарошечного бурения взрывных скважин / Сборник научных статей по итогам работы Международного научного форума Наука и инновации-современные концепции (г. Москва, 3 мая 2019 г.). - Москва: Издательство Инфинити, 2019.9. Zagrivny E.A., Poddubny D.A. Stabilization of dynamic loads in the rotary-feed system of a blast hole roller drilling machine / Collection of scientific articles based on the results of the work of the International Scientific Forum Science and Innovation-Modern Concepts (Moscow, May 3, 2019). - Moscow: Infiniti Publishing House, 2019.

10. РИ РФ №2740961 «Способ стабилизации динамических нагрузок в станках шарошечного бурения взрывных скважин с дифференциальной системой подачи долота на забой и устройство для его реализации» - 2020 г.10. RI RF No. 2740961 "Method of stabilizing dynamic loads in blast hole cone drilling machines with a differential bit feed system to the bottom and a device for its implementation" - 2020

Claims

1. A device for stabilizing dynamic loads in the system for supplying the working body to the bottomhole of a roller-cone drilling machine (CBS) for blastholes, including a mass 5 of the supply system with a support assembly 4, a drilling rig with a roller-cone bit 22, two plunger hydraulic cylinders 19 with plungers 20, the bodies of which are fixed on the body of the SBSh in the attachment point 21, and their plunger cavities are connected by a high-pressure hydraulic line 14, to which are connected: a high-pressure plunger oil station 18 with an adjustable electric drive, a pneumatic accumulator (PGA) 15 through an adjustable throttle 16, a check valve 17 and a ball valve 13, which differs the fact that between the mass 5 and the plunger hydraulic cylinders 19 there are two friction drives with flexible traction elements 9, pulley systems with accepted multiplicity factors and two devices for generating active forces, each of which consists of two rectangular links, two of which 25 are fixed together with the housings hydraulic cylinders 19 are connected to body 21 SBSh, and the other two 24 are movable, displaced relative to the fixed links 25 by 90°, on which, depending on the multiplicity of chain hoists, the corresponding number of blocks 11 is installed on one axis, while a differential system for feeding the bit to the bottomhole by friction drives 9 with flexible traction organs.

2. The device according to claim 1, characterized in that plunger hydraulic cylinders are used as hydraulic cylinders 19 of the air suspension of the drilling string.

3. The device according to p. 1, characterized in that the multiplicity of pulley systems is 3, 5, 7.

4. The device according to claim. 1, characterized in that the traction bodies are made in the form of ropes.