Содержание к диссертации
стр.
ВВЕДЕНИЕ 5
I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЯ II
1.1. Средства и способы проходки скважин II
Способы разрушения грунта (породы) II
Машины механического бурения 12
Тенденции развития бурильно-крановых машин.... 14
Анализ эксплуатационных данных бурильно-крано-вых машин. Основные виды отказов 19
Защита элементов бурильно-крановых машин от перегрузок 32
Грунтовый фон Народной Республики Болгарии.... 36
Обзор исследований динамической нагруженности бурильных машин 42
Анализ нагрузок и сил, действующих на рабочее оборудование бурильной машины 42
Исследования динамических нагрузок бурильных маши н 45
Методы определения динамических нагрузок на рабочем органе и в приводе при работе машины в неоднородных грунтах 49
1.4. Выводы. Цель и задачи исследования 52
2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
БКМ ПРИ БУЇЕНИИ СКВАЖИН В ГРУНТАХ С КАМЕНИСТЫМИ
ВКЛЮЧЕНИЯМИ 55
Структура динамической модели бурильно-крановой машины 55
Формирование сопротивлений на рабочем органе
бурильно-крановой машины при его встрече с твердым
включением 59
2.2.1.Возможные варианты взаимодействия одиночного резца с препятствием. Виды разрушения прочных пород.59
2.2.2.Усилия, действующие на резец при встрече трудно
преодолимых препятствий 65
2.2.3.Деформативные свойства грунтовой среды, в которой
находится препятствие 69
2.2.4 .Колебательный характер силы резания 74
Динамические характеристики бурильно-крановой машины. Движущие силы 76
Определение динамических нагрузок на рабочем органе бурильно-крановой машины при встрече с препятствием 82
2.4.1.Составление эквивалентной динамической схемы БКМ.82
2.4.2.Уравнения движения масс динамической модели бу
рильно-крановой машины. Граничные случаи форми
рования динамических нагрузок 85
2.4.3.Алгоритм и программа для решения уравнений дви
жения бурильно-крановой машины на ЭВМ 90
2.5. Анализ результатов теоретического исследования
динамического нагружения элементов БКМ при встре
че ее с препятствием 93
2.5.1.Анализ влияния параметров структурных звеньев
машины на динамическую нагруженность рабочего
об орудования 93
2.5.2.Исследование влияния характеристики грунтовой
среды и препятствия на динамические нагрузки
элементов БКМ 97
2.5.3.Максимальные нагрузки на бурильном оборудовании
при разрушении каменистого препятствия 103
2.5.4. Работа ограничителя максимальных нагрузок в
приводе бурильно-крановой машины НО
2.6. Методика приближенного расчета динамических
нагрузок бурильно-крановой машины 118
2.6.1. Динамические нагрузки при рассмотрении рабочего оборудования БКМ,как одномассной системы..118
2*6.2. Динамические нагрузки бурильно-крановой машины
при стопорений ее рабочего органа 126
2.7. Выводы 134
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРУЗОК БКМ 137
3.1. Моделирование встречи резца БКМ с препятствием137
Цель и задачи экспериментального исследования 137
Методика проведения эксперимента 139
Обработка экспериментальных данных 155
Результаты экспериментов, их анализ и сопоставление с данными теоретического исследования 161
Анализ экспериментальных данных по определению нагрузок в трансмиссии бурильно-крановой машины170
Выводы 175
4. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И ВШОДЫ 179
4.1. Практические рекомендации 179
Порядок определения максимальных динамических нагрузок бурильной машины 179
Определение частотно-амплитудных характеристик муфты предельного момента 181
4.2. Основные выводы 182
ЛИТЕРАТУРА 185
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 199
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 201
Введение к работе
В планах развития народных хозяйств СССР и HP Болгарии предусмотрено расширение сетей телефонной связи и электропередач/1,2/. За годы УШ пятилетки в HP Болгарии должны быть сооружены линии электропередач протяженностью 650-700 км /2/.Для этого ежегодно требуется бурить значительное количество скважин под опоры и столбы ограждения.
Проход скважин,глубиной до 3,5 м. в грунтах І-ІУ категории осуществляется преимущественно бурильными и бурильно-крановыми машинами вращательного действия.
Выполнение непрерывно возрастающего объема бурильных работ должно обеспечиваться не только увеличением парка машин,но и повышением их технико-экономических показателей.Важным направлением дальнейшего совершенствования бурильных машин является оптимизация основных параметров их рабочего оборудования.
Создание универсальных ,экономичных,но вместе с тем надежных и долговечных бурильных установок неразрывно связано с разработкой рациональных методов расчёта нагрузок на их детали и узлы. Существенно важное влияние на процесс бурения,на прочность рабочего оборудования и привода оказывают динамические явления,происходящие во время работы машины в грунтах с каменистыми и иными включениями. В момент встречи резца с таким включением возникают пиковые динамические нагрузки.Резец при этом воспринимает также максимальный крутящий момент двигателя.Производительность машины резко снижается. Увеличивает с я расход режущего инструмента не только из-за быстрого и большого износа,но и частых его поломок.Кроме того,при поломке резца возникают дополнительные статические и динамические нагрузки, что может привести к выводу из строя ответственных и дорогостоящих деталей привода и металлоконструкций машины.
В приводах исполнительных органов бурильных машин предельные усилия ограничиваются за счёт установки предохранительных устройств. Однако эти устройства характеризуются малой точностью срабатывания и большой инерционностью,Наряду с этим надо указать на отсутствие методики расчёта предельных усилий срабатывания предохранительных устройств.
Поэтому наиболее целесообразно определять расчётное значение нагрузок в приводе исполнительного органа на основании закономерностей их формирования на рабочем органе.Нагрузки в элементах бурильных машин вращательного действия определяются большим числом факторов, которые надо выделить и учесть при расчётах.Установить эти факторы и разработать методы их учёта-одна из важнейших задач динамики этой группы машин.
В свете решений ХХУІ съезда КПСС,Ноябрьского (1982 г.Пленума ЦК КПСС,XII съезда БКП и Программы Национальной конференции по качеству (март 1984 года)/3/,задача повышения надежности и эффективности бурильно-крановых машин является актуальной и своевременной.
В связи с этим, настоящая работа посвящена исследованию динамических нагрузок,возникающих в приводе и на рабочем органе бури-льно-крановой машины при встрече труднопреодолимого препятствия.
Ранее проведенными исследованиями выявлены факторы,влияющие на формирование статических усилий,действующих на рабочий орган при бурении.Однако,до настоящего времени,ряд вопросов,касающихся физической картины взаимодействия бурильного оборудования с каменистым включением и возникающих при этом динамических нагрузок, остался, нерешенным ..Недостаточно изучено влияние параметров предохранительных устройств на процессы,происходящие в трансмиссии БКМ при их срабатывании.
На основе вышеизложенного,целью настоящего исследования явилось изучение картины взаимодействия бурильного оборудования с
твердыми включениями с учетом влияния параметров машины, характеристик препятствия и грунтовой среды на формирование динамиче-ских нагрузок при работе в неоднородных грунтах.
С использованием аналитико-экспериментального метода исследования, поставленная в работе цель была достигнута решением следующих задач:
-выявление основных факторов, вызывающих перегрузки БКМ при их работе в неоднородных грунтах с включениями;
-разработка математической модели бурильное оборудование-препятствие -грунтовый фон и алгоритма программы ее решения на ЭВМ;
-анализ влияния динамических параметров машины, характеристик препятствия и грунтовой среды на динамическую нагруженность БКМ;
-экспериментальная проверка основных теоретических положений в лабораторных и полевых условиях;
-определение основных параметров муфты предельного момента и эффективности ее использования для ограничения нагрузок в трансмиссии БКМ;
-разработка методики инженерного расчета динамических нагрузок.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и приложения и содержит в целом 212 страниц, в том числе 117 страниц машинописного текста, б таблиц, 79 рисунков, список литературы из 143 наименований и два приложения объемом 14 страниц.
В первой главе работы представлен обзор научно-технической литературы по исследованию нагрузок и сил, действующих на бурильное оборудование,динамических нагрузок бурильных машин и методики их определения в приводе и на рабочем органе землеройных машин при работе в неоднородных грунтах.Опыт эксплуатации и проведенные исследования показали,что существует ярко выраженная динамичность процесса бурения.Анализом грунтового фона Народной Республики Бол-
гарди установлено,что тяжелые грунты с каменистыми включениями составляют около hl% грунтов всей территории страны.
На основе результатов проведенного обзора сформулированы указанные выше цель и задачи исследования.
Во второй главе проведено аналитическое исследование динамических нагрузок бурильно-крановой машины при бурении скважин в грунтах с каменистыми включениями.Составлена пятимассная разветвленная динамическая модель БКМ, взаимодействующей с препятствием.Математическая модель бурильное оборудование-препятствие-грунт учитывает деформации грунтовой среды,в которой находится препятствие. Рассмотрены возможные варианты взаимодействия одиночного резца с препятствием и граничные случаи распределения энергии двигателя между двумя потребителями-насосом гидропривода вертикальной подачи и механизмом вращения бурильной штанги с рабочим органом.Составленные уравнения движения учитывают нелинейную характеристику двигателяДля решения и анализа системы дифференциальных уравнений составлены четыре программы аналитического счёта на ЭВМ.Проведен анализ влияния параметров структурных звеньев машины,характеристик каменистых включений и грунтовой среды на динамическую нагруженность бурильного оборудования и трансмиссии в случае сто-порения о непреодолимое препятствие.Рассмотрено ограничение максимальных нагрузок БКМ вследствие возможных разрушений препятствия-резания и раскалывания.Исследовано влияние муфты предельного момента на динамические нагрузки,возникающие в трансмиссии машины при стопорений ее рабочего органа.В частности,определены возможности исключения биения в случае срабатывания предохранительного элемента фрикционного типа Лана инженерная методика расчёта динамических нагрузок БКМ.Проведен сравнительный анализ нагрузок,возникающих в режиме стопорения машины,полученных машинным счётом и на основе приближенной методики с учётом и без учёта деформа-
тивных свойств среды.
В третьей главе описана методика проведения эксперимента,анализ и сопоставление полученных данных с результатами теоретического исследования.Основные положения теоретического исследования динамических процессов и пригодность математической модели бурильно-крановой машины для определения детерминированных нагрузок бурильной штанги и на резцах машины подтвердились приемлемой сходимостью результатов.
Целью исследования БКМ в полевых условиях было определение величин, действующих на бурильной штанге нагрузок при ее стопорений.
Научная новизна работы заключается в следующем.Составлена эквивалентная динамическая схема бурильно-крановой машины при встрече каменистого включения,учитывающая нелинейную характеристику двигателя и нелинейность упругой системы препятствие-грунт.Получены аналитические зависимости,позволяющие оценить влияние динамических характеристик структурных звеньев машины,свойств препятствия и грунтовой среды на характер протекающих процессов в трансмиссии и бурильном оборудовании в режиме стопорения.Установлены основные закономерности формирования динамических нагрузок на бурильной штанге и резцах при встрече одиночного препятствия.Разработан алгоритм расчёта и составлена программа для определения максимальных динамических нагрузок.Предложена методика приближенного расчёта динамических нагрузок в трансмиссии и на бурильном оборудовании.
Достоверность и степень обоснованности научных положений и выводов,сформулированных в работе, подтверждаются:
-необходимым объемом опытов,применением современных методов исследований и обработки экспериментальных данных ;
-исследованиями .выполненными на экспериментальном стенде и натурной машине ;
-удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований и экспериментов.
Практическая ценность работы заключается в предложенном методе анализа формирования динамических нагрузок в элементах трансмиссии при взаимодействии рабочего органа БКМ с препятствием, положенном в основу методики приближенного определения максимальных динамических нагрузок в режиме стопорения и позволяющем на стадии проектирования прогнозировать действующие нагрузки, а также в получении расчетных характеристик муфты предельного момента.
На защиту выносятся следующие положения:
эквивалентная структурная схема бурильно-крановой машины, взаимодействующей с каменистым включением;
математическая модель "бурильное оборудование-препятствие-грунтовая среда";
методика приближенного расчета максимальных динамических нагрузок БКМ в режиме стопорения;
- частотные характеристики муфты предельного момента.
Внедрение результатов исследования осуществлено в Харьковском
тресте Южэлектромонтаж и в Таллинском тресте Эстэлектросетьстрой. Выполненные исследования включены в два отчета по НИР, зарегистрированные во Всесоюзном научно-техническом центре информации, в статью ж. "Горные, строительные и дорожные машины", вып. 35, 1985 г. Отдельные этапы работы над диссертацией докладывались на 47-й и 48-й научно-технических сессиях ХАДИ (1983 г., 1984 г.), Республиканской научно-технической конференции "Повышение эффективности зем-л еройно-транс портных машин" (г. Харьков,* 1984 г.), Научно-технической конференции болгарсктх аспирантов и стажеров, обучающихся в СССР (г. Москва, 1983 г.).
