УДК 622:658.011.56; 622.233 Козленко Евгений Валерьевич магистрант гр. АУ-М-12

УДК 622:658.011.56; 622.233
Козленко Евгений Валерьевич
магистрант гр. АУ-М-12
Научный руководитель: Певзнер Леонид Давидович
проф., д.т.н.
зав. кафедрой АТ
Московский государственный горный университет
АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ВРАЩЕНИЯ БУРОВОЙ
УСТАНОВКИ
AUTOMATION OF ROTATION RIG
Бурение шпуров машинами вращательного действия в мягких и
средней крепости породах характеризуется высокой эффективностью
процесса при условии рационального сочетания кинематических и
силовых параметров. Так при «свободной» подаче резца (когда усилие
подачи Рос. постоянно) скорость бурения Vб зависит не только от
прочностных свойств буримой породы, конструктивных параметров резца,
но и от частоты вращения штанги nоб. Поскольку условия контактного
взаимодействия резца с забоем постоянно меняются в процессе бурения
даже одного шпура глубиной 2,0..2,5м, то требуется постоянное плавное
или дискретное изменение частоты вращения [1]. Настраивая частоту
вращения на рациональное значение и поддерживая её в процессе бурения,
можно не только повысить скорость бурения, но и снизить удельный
расход резцов за счет увеличения пути резания до предельного износа.
Управление частотой вращения может быть ступенчатым и плавным,
ручным и автоматическим. Ручное управление при ступенчатом либо
плавном изменении частоты вращения основывается на субъективной
оценке эффективности процесса бурения оператором и в этом случае
наибольший эффект будет у оператора с большим опытом работы.
Автоматическое управление может осуществляться несколькими
известными способами:
а) применением адаптивного привода, полностью реализующего
установленную мощность привода бурильной установки;
б) автоматизацией процесса бурения с использованием законов
управления, которые установлены на основе статистического анализа
результатов экспериментальных исследований вращательного бурения
шпуров;
в) автоматического программного управления с контролем состояния
бурового инструмента, породного забоя и оценке эффективности самого
процесса бурения.
42
Результаты исследований процесса бурения шпуров позволили
установить закономерности влияния частоты вращения штанги на скорость
бурения и износ инструмента [2] . Математическим моделированием
получены зависимости изменения скорости бурения во времени (рис. 1)
для случаев с постоянной частотой вращения nоб =300 мин-1 (линия 1) и
переменной, настраиваемой на оптимальную величину в пределах от 290
до 42 мин-1 (линия 2). Повышение скорости бурения обусловлено двумя
факторами: снижением интенсивности затупления резца, что даёт
приращения скорости ΔVб(Fзат.) (на графике от линии 1 до линии 3);
влиянием скоростного фактора, что даёт непосредственное приращение
ΔVб(nоб.) (на графике от линии 3 до линии 2).
Рис. 1. Зависимости изменения скорости бурения (Vб) во времени (t) при
различных способах управления (nоб) по породе крепостью f=8 единиц.
На основе полученных моделированием результатов в [2]
предлагается способ управления частотой вращения штанги бурильных
установок вращательного действия, заключающийся в периодической
настройке частоты вращения на величину, обеспечивающую максимум
скорости бурения. Это позволяет повысить надежность и точность
управления частотой вращения штанги без ее остановки, за счет того, что
определение максимальной скорости бурения и соответствующая ему
частота вращения, осуществляются непосредственно в процессе бурения
забоя, без применения каких бы то не было эмпирических зависимостей и
законов.
Практическая реализация поддержания квази оптимального значения
частоты вращения штанги nоб, бурильной установки вращательного
43
действия, предлагается осуществлять по алгоритму приведенному на
рис. 2.
В начале процесса бурения подаётся команда плавно изменить
частоту вращения резца от 25 до 700 мин-1 (рис. 2а), с помощью частотного
привода, в течение интервала времени Δt. Во время этой процедуры
микропроцессор на основе данных скорости вращения штанги и скорости
бурения определяет оптимальное значения частоты вращения,
соответствующее максимальной скорости бурения (рис. 2б). После этого
микропроцессор устанавливает оптимальную частоту вращения штанги,
для системы вращателя и бурильная установка работает в установленном
режиме более продолжительный интервал времени ti , чем Δt. В процессе
бурения, по мере затупления бурового резца, оба этапа периодически
повторяются. Соотношение периодов определения оптимальной частоты
вращения Δt к периоду установленного режима ti бурения 1:5.
Рис. 2. Алгоритм управления частотой вращения:
а) изменение частоты вращения во времени;
б) изменение скорости бурения в зависимости от частоты вращения и
времени бурения.
Моделирование электропривода вращателя буровой установки.
В модели адаптации системы бурения (рис. 3) представлены: блок 1 модель сигнала поступающего с датчика скорости бурения (рис.4) . Блок 2
и сумматор 3 моделируют сравнение предыдущей величины скорости с
текущей. На рис. 5. представлен график показывающий разность
предыдущего сигнала и действующего, когда скорость бурения начинает
падать то предыдущее её значение становиться больше последующего и
44
график переходит в отрицательную область, блок 4 выставляет флаг ,
который даёт команду на ключ 6 остановить увеличение напряжения
задания скорости вращения двигателя с блока 5 , это происходит в тот
момент когда напряжение задания соответствует максимальной скорости
бурения (рис. 6). Следовательно, установленное значение напряжения
задания скорости соответствует максимальной скорости бурения. Далее
через 20 секунд процесс повторяется. В данной модели представлен только
один цикл настройки системы на максимальную скорость бурения. Для
удобства и наглядности моделирования, в качестве сигнала поступающего
с датчика скорости бурения, был взят синусоидальный сигнал, который
наиболее приближается по виду к реальному [3] , однако модель может
отрабатывать сигнал любой формы.
Рис. 3. Модели адаптации системы бурения.
Рис. 4. Модель сигнала скорости бурения.
45
Рис. 5. График разности предыдущего сигнала скорости бурения и
действующего.
Рис. 6. График зависимости изменения напряжения задания от изменения
скорости бурения 1-напраяжение задания, 2- напряжение скорости
бурения.
На рис. 7. представлена модель электропривода с векторным
управлением и системой адаптации бурения. На рис. 8 – графики
зависимости скорости вращения и скорости бурения, как из них видно,
повышение сигнала задания скорости вращения двигателя продолжается
до тех пор пока скорость бурения возрастает. Максимальная скорость
бурения данной породы достигается при скорости вращения двигателя 50
рад/с .
Данная модель системы управления является самонастраивающейся
на различные породы присутствующие при бурении шпуров, её
достоинством является возможность анализа поведения системы при
различных крепостях породы.
46
Рис. 7. Модель электропривода с векторным управлением и системой
адаптации бурения
Рис. 8. График зависимости изменения скорости вращения двигателя от
изменения скорости бурения
1 - скорость вращения двигателя, 2 - напряжение скорости бурения.
47
Литература.
1. Загороднюк В.Т. Автоматизация самоходных бурильных
установок. – Ростов н/Д: Изд-во Ростов. Ун-та, 1975. – 208 с.
2. Громов С.Ю., Сладков С.В., Сысоев Н.И., Мирный С.Г. Способ
управления частотой вращения штанги бурильных установок
вращательного действия// Студенческая весна – 2004: Материалы 53-й
науч.-техн. конф. студ. и аспирантов ЮРГТУ (НПИ)/ Юж.-Рос. гос. тех.
ун-т.- Новочеркасск: ООО НПО «ТЕМП», 2004. – С.107-109.
3. Малевич Н.А. Горнопроходческие машины и комплексы. Учебник
для вузов 2-е изд., перераб. и доп. – М., Недра, 1980. – 384с.
Аннотация.
В данной статье приведена модель электропривода вращателя
буровой установки. Построена модель электропривода с системой
адаптации бурения. Рассчитаны параметры привода и составлена
структурная схема.
This paper presents a model of electric spinner rig. A model of the electric
drive system to adapt drilling. The parameters of the drive and made up the
block diagram.
Ключевые слова.
бурение, скорость, привод, шпур, модель, крепость
drilling, speed, drive, hole, the model castle
48