4. Расчет пружинно-гидравлического зажимного патрона вращателя.

При проведении расчета определим окружное, осевое и полное усилие, передаваемое ведущей трубе, расчетное усилие, дополнительное и общее усилие гидроцилиндра, раскрепляющего патрон, максимальный крутящий момент и определим площадь кольцевого поршня патрона.

Пружинно-гидравлические зажимные патроны шпиндельных буровых станков предназначены передавать буровому инструменту окружное усилие , соответствующее крутящему моменту на шпинделе, и усилие подачи , определяемое технологией бурения.

Зажимной патрон соединяется с бурильной трубой кулачками. Сила сцепления между кулачками и бурильной трубой должна обеспечить передачу максимального крутящего момента, соответствующего окружного усилия и одновременно максимального усилия механизма подачи.

Суммарное усилие, передаваемое зажимным патроном:

(4.1)

Схематическое изображение гидропатрона представлено на рис. 3.

Рис.4 Гидропатрон (1-поршень, 2-подшипник, 3-обойма, 4-плашка,

5-пружина, 6- шпиндель патрона).

Принцип действия патрона заключается в зажиме бурильной трубы с помощью плашек 4, прижимаемых к ней клиновой обоймой 3, перемещающейся в осевом направлении. Сила прижатия плашек к трубе определяется в зависимости от клинового угла между поверхностями обоймы и плашек и силой перемещения обоймы.

Рис.5 Схема сил действующих на обойму а и кулачок б.

Условие равновесия обоймы:

(4.2)

Условие равновесия кулачка:

(4.3)

Гидравлический зажимной патрон имеет более высокую стоимость и несколько усложняют конструкцию бурового станка, однако их применение уменьшает опасность травматизма и сокращает затраты времени на перекрепление. Оснащение шпинделя гидропатронами позволяет автоматизировать процесс перекрепления и выполнять его без остановки вращения бурильной колонны. В этом случае вращатель оборудуется двумя гидропатронами: верхним – нормально закрытым и нижним – нормально открытым.

Рассчитаем пружинно-гидравлический зажимной патрон для шпиндельного бурового станка типа СКБ-5. Начальные условия примем N = 30 кВт; бурильные трубы СБТН-68, d_раб = 68 мм, масса 1 м трубы 7,05 кг; промывочная жидкость – вода; осевая нагрузка на коронку ; частота вращения бурового снаряда 340 мин^-1; коэффициент кратковременной перегрузки электродвигателя λ = 1,75; КПД передачи мощности от двигателя к шпинделю станка η = 0,85; давление масла в гидросистеме p ≤ 5 МПа.

Максимальное значение крутящего момента без учета инерционных нагрузок определяется величиной мощности двигателя станка и минимальной частотой вращения шпинделя:

(4.2)

где N - номинальная мощность двигателя; N_ст – потери мощности в станке, N_ст = 4,5 кВт.

, (4.4)

где n - частота вращения бурового снаряда.

Определим окружное усилие по формуле:

, (4.5)

где М_кр.(max) - максимальное значение крутящего момента при максимальной частоте вращения; d_раб - наружный диаметр ведущей трубы.

Осевое усилие согласно выражению:

, (4.6)

где G - вес бурильной колонны, P_при - осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент.

Вес бурового снаряда:

, (4.7)

Полное усилие, передаваемое ведущей трубе:

, (4.8)

где Р₀ - окружное усилие, направленное нормально к осевому усилию механизма подачи (Р_п).

Сила прижатия кулачков:

, (4.9)

где μ_с = 0,20÷0,45 - коэффициент сцепления между зубьями кулачка и трубой, зависит от внедрения зубьев кулачков в тело трубы.

В зажимном патроне 4 плашки, т.е., на каждую из них действует сила прижатия:

Сила перемещения обоймы патрона при зажатии плашек:

, (4.10)

где - коэффициент трения скольжения, = 0,10÷0,15, =10⁰

Жесткость пакета пружин зажимного патрона:

, (4.11)

где λ_р – рабочая осадка пружин (примем λ_р = 18 мм).

Дополнительная деформация пружин при освобождении бурильной трубы в патроне при раздвижении кулачков до максимального диаметра, примем d_max = 70 мм:

, (4.12)

где - дополнительная деформация пружин, - диаметр увеличенного отверстия в патроне для свободного прохода ведущей трубы.

Дополнительное усилие, развиваемое гидравлическим цилиндром при раскреплении патрона и деформации пружин:

(4.13)

(4.14)

Площадь кольцевого поршня патрона:

, (4.15)

где - давление масла в гидросистеме станка. Величина при заданном давлении в гидросистеме станка определяет размеры цилиндра гидропатрона.

Полученное значение соответствует кольцу с наружным и внутренним диаметрами 200 мм и 189 мм соответственно.

В результате расчета получено значение суммарного усилия передаваемого зажимным патроном равное . В соответствии с технической характеристикой станка возможное усилие подачи . Отсюда следует, что станок сможет обеспечить полученное значение усилия передаваемого зажимным патроном.

Заключение.

В курсовом проекте выполнен проверочный расчет вращателя станка СКБ-5.

Приведены основные сведения о буровом станке, его технические характеристики. В результате расчета определен диапазон изменения частот вращения. Ступенчатое регулирование скоростей вращения не совсем удовлетворяет технологическим требованиям по сравнению с бесступенчатым. Вместо требуемой частоты устанавливается большее или меньшее ее значение, что приводит к снижению технико-экономических показателей бурения в результате уменьшения износостойкости породоразрушающего инструмента или механической скорости бурения.

Также проведен расчет радиальных и осевых усилий передаваемых от гидропатрона вращателя к ведущей трубе.

Результаты расчетов удовлетворяют заявленным техническим характеристикам бурового станка СКБ-5.

Список литературы.

1. А.Н. Кирсанов, В.П. Зиненко, В.Г. Кардыш Буровые машины и механизмы. М.: Недра, 1981. 448с.

2. И.Г. Шелковников, В.С. Литвиненко Инженерные расчеты бурового оборудования и инструмента: Учеб. пособие. Санкт-Петербургский горный ин-т. СПб, 2000. 86 с.

3. И. Г. Шелковников Прикладная буровая механика: Учеб. пособие. СПб. СПбГИ 1997.

4. Руководство по эксплуатации «Станок колонкового бурения СКБ-5». М.: Машинэкспорт.

19