1.2 Общие сведения о буровых станках (установках) со шпиндельным вращателем
Станки со шпиндельным вращателем (далее – станки) имеют, как правило, моноблочную компановку – привод, трансмиссию, вращатель, лебедку и механизм подачи в одном блоке.
Далее будут изложены общие вопросы, устройства и эксплуатации станков различных классов и особенности для конкретных исполнений.
В состав станка входит: основание; привод; муфта сцепления; трансмиссия; лебедка (кроме станков БСК); вращатель с механизмом подачи; гидравлическая система; электрооборудование.
Основанием станка служит рама (станина) с механизмом перемещения и закрепления станка. Рама – сварная конструкция, состоящая из продольных балок, жестко связанных между собой и имеющих направляющие, по которым перемещается станок (или станина, на которой собраны его узлы).
Механизм перемещения и закрепления станка типа ЗИФ (рис.1) состоит из гидроцилиндра перемещения, гидрозамка, струбцин с регулируемыми клиньями, ограничивающими вертикальное и боковое перемещение станка, регулировочных болтов.
Рис. 1.1 Механизм перемещения и закрепления станка типа ЗИФ
На станках типа СКБ (рис.1.2) струбцины с клиньями отсутствуют. Верхняя плоскость рамы (станины) обработана, к ней прикрепляются болтами и зафиксированы штифтами направляющие планки, образующие пазы. Чтобы обеспечить свободное перемещение станка без заеданий и предотвратить его вибрацию при бурении, боковой зазор и зазор по высоте должен быть не более 0,3 мм. Последний обеспечивается стальными прокладками.
Для станков типа БСК механизм перемещения – вручную.
Привод станков имеет следующие исполнения:
от асинхронного электродвигателя;
от электродвигателя постоянного тока с тиристорным выпрямителем;
от дизельного двигателя;
Рис. 1.2 Рама (станина)
Прокладка; 2 болт; 3 – стержень для крепления гидроцилиндра;
4 – болт; 5 – плпнка направляющая; 6 – рама (танина)
Муфта сцепления сухая, однодисковая (СКБ-4, постоянно замкнутая, рис.1.3) или двухдисковая (не постоянно замкнутая) предназначена для плавного подключения станка к приводному двигателю. Применяется при переключении скоростей в коробке передач, при включении вращателя или лебедки, для быстрой остановки станка, для кратковременного включения вращателя и т.д.
Трансмиссия (коробка скоростей с раздаточным редуктором) предназначена для передачи вращения от двигателя вращателю и лебедке, для изменения частоты вращения бурового снаряда и скорости подъема его из скважины.
Лебедка - предназначена для спуска и подъема бурового снаряда, обсадных труб и разгрузки массы бурового снаряда при бурении с ведущей трубой.
На большинстве буровых станков установлены лебедки планетарного типа. Кинематическая схема планетарной лебедки дана на рис. 4. Вал лебедки 15, приводимый в движение шестерней 12, свободно вращается в двух двухрядных сферических подшипниках. На валу жестко (на шпонках) посажена шестерня 3, получившая название солнечной. Тормозная крышка 5, водило 8 и барабан 10 на валу посажены свободно, на шарикоподшипниках.
Рис. 1.3 Муфта сцепления
1 – корпус; 2 пружина; 3 - диск нажимной; 4 –кулачок,
5 – крестовина; 6 – планка; 7 – втулка; 8 – винт; 9 – диск ведомый
Барабан 10 лебедки с левой стороны имеет расточку, в которой запрессован зубчатый венец 6, с правой стороны – тормозной шкив 13. Зубчатый венец 6 находится в постоянном зацеплении с тремя сателлитами 1, вращающимися на шарикоподшипниках 4, установленных в гнездах тормозной шайбы 5 и водила 8. Тормозная шайба и водило скреплены между собой шестью болтами и образуют вместе с сателлитами и шарикоподшипниками отдельный блок, вращающийся на шариковых подшипниках 9 и 2 на валу 15. Сателлиты, сцепляясь с венцом 6, находятся одновременно в зацеплении с солнечной шестерней 3.
Рис.1. 4 Кинематическая схема плпнетарной лебедки
Для управления лебедкой предусмотрено два колодочных тормоза: тормоз подъема 7 и тормоз спуска 11. Если передать вращение с помощью шестерни 12 на вал 15, одновременно затормозив тормозной шкив барабана тормозом спуска 11, вал лебедки будет вращаться, значит, будет вращаться и шестерня 3. Зубчатый венец 6 неподвижен, так как барабан заторможен. Сателлиты, вращаясь вокруг своих осей, вынуждены обкатываться по зубчатому венцу 6. Тормозная шайба 5 и водило 8 вращаются, увлекаемые сателлитами 1. Канат на барабане в этом случае не наматывается и не разматывается. Если затормозить шайбу 5 тормозом подъема 7 (тормоз спуска в этом случае нужно обязательно отпустить), то сателлиты вынуждены будут вращаться только вокруг своей оси. Вращение от солнечной шестерни 3 через сателлиты будет передаваться зубчатому венцу 6 и вместе с ним барабану лебедки. Канат наматывается на барабан – идет подъем груза. Если тормозной шкив барабана и тормозная шайба будут расторможены, барабан 10 под действием подвешенного на канате груза начнет вращаться в обратную сторону, разматывая канат.
Лебедки станков глубокого бурения имеют водяное охлаждение. На рис.5 дана кинематическая схема лебедки с водяным охлаждением. Тормоз спуска у них левый. Вращение на вал 1 лебедки поступает от зубчатой полумуфты 15. на валу жестко (на шпонках) крепится солнечная шестерня 2. Солнечная шестерня постоянно зацеплена с тремя сателлитами 3, сидящими на осях на двух шарикоподшипниках. Оси сателлитов жестко закреплены в барабане 7, посаженном на валу свободно (на шарикоподшипниках). На валу 1 свободно сидит тормозная крышка 5 с внутренним зубчатым венцом 4, с которым зацепляются все сателлиты. На рисунке изображен условно только один сателлит, а другие два, расположенные по окружности через 1200, не видны.
Рис.1. 5. Кинематическая схема лебедки с водяным охлаждением
При вращении вала в солнечной шестерне 2 сателлиты, оставаясь на месте (барабан 7 неподвижен), передают вращение через венец 4 тормозной крышке 5. Нажав на колодочный тормоз 6, останавливают крышку 5, а с нею и венец 4. Сателлиты начинают двигаться по венцу 4 и заставляют вращаться барабан 7, на который наматывается канат, и идет подъем груза. Для остановки поднятого груза нажимают на тормоз спуска 9, а тормоз подъема 6 отпускают.
Спуск груза осуществляют торможением тормоза спуска. Для охлаждения тормозного шкива в нем имеется водяная рубашка 8, в которую подводится по штуцеру 12 и шлангу 13 вода. Забирая тепло, вода по шлангу 10 и штуцеру 11 уходит в бак. Лебедка с помощью роликовых подшипников закреплена в кронштейнах 14.
Лебедка станков с плавнорегулируемым приводом имеет только стояночный тормоз, см. СКБ-7.
Вращатель - предназначен для вращения бурового снаряда. Вращатель бывает шпиндельный и роторный. Шпиндельный вращатель передает вращение буровому снаряду через бурильную трубу, закрепленную в шпинделе двумя зажимными патронами. Труба, вращаясь со шпинделем, может вместе с ним подниматься и опускаться, а, следовательно, разгружать снаряд или создавать дополнительную нагрузку. Роторный вращатель в отличие от шпиндельного вращает бурильную трубу, не воздействуя на нее в осевом направлении. Эта труба многогранного сечения (трехгранник или квадрат) называется ведущей.
Шпиндельный вращатель станков типа ЗИФ изображен на рис.6. Корпус вращателя оснащен двумя гидроцилиндрами, в которых поршни 2 через штоки 3 связаны со шпинделем 5 и траверсой 4. Направляющие штоки 3, соединящие траверсу с корпусом вращателя, служат для защиты сальников от вибрации, возникающей в шпинделе и рабочих штоках при бурении.
При подаче масла в цилиндры снизу (под поршни) поршни поднимаются вверх и поднимают штоки, траверсу и шпиндель, а следовательно, и всю колонну труб. Если же подавать масло в цилиндры сверху, то поршни будут опускаться и тянуть вниз траверсу, а через нее – шпиндель с патронами, передавая нагрузку на колонну бурильных труб.
Зажим трубы осуществляется патронами, которые бывают механи-ческими и гидравлическими. Механический патрон (рис.7) состоит из стального корпуса, двух подвижных частей, закрепленных на одной оси, стяжного блока, пружины для их разведения, зажимных кулачков 7 и 8. Кулачки имеют насечку (резьбу). Верхний и нижний патроны комплектуются зажимными кулачками для разных диаметров труб.
Рис. 6 Вращатель станка ЗИФ
Для бурения в мягких породах, чтобы не перекреплять патроны, применяют длинную трехгранную ведущую трубу и специальный патрон с трехгранным отверстием (рис. 7, б), который навинчивается на верхнюю часть шпинделя. На нижний конец шпинделя навинчивается направляющая втулка-патрон для центрирования нижнего конца ведущей трубы.
Рис.7 Механический зажимной патрон
А – нижний патрон, 1 – корпус; 2,3 – подвижные части; 4 – ось наметки; 5 – стяжной болт; 6 пружина; 7 – кулачок с правой насечкой;
8 – кулачок с левой насечкой; 9 – стопорная шайба; 10 – стопорный винт; 11 – бодт;
Б – верхний патрон; 1 – корпус; 2 – зажимной болт; распорное кольцо; кулачок
Современные буровые станки оснащаются пружинно-гидравлическими зажимными патронами (рис. 8).
Шпиндель 1 пружинно-гидравлического патрона соединен со шпинделем 10 вращателя при помощи прямоугольной резьбы, которая передает осевые нагрузки, и с шлицевой муфтой 9, передающей крутящий момент.
Ведущая труба зажимается четырьмя кулачками 7 с помощью тарельчатых пружин 2, передающих осевую нагрузку через клиновые соединения. Разжимаются кулачки усилием гидравлического давления.
Гидравлический цилиндр 3 патрона установлен на фланце 11 траверсы вращателя и соединен маслопроводом с краном управления. При повышении давления в цилиндре поршень 4 через упорный подшипник 5 и обойму 6 сжимает тарельчатые пружины 2. Обойма, перемещаясь вниз, разводит при помощи Т-образных пазов кулачки 7 в радиальном направлении, освобождая трубу.
Кулачки перемещаются в пазах шпинделя 1 патрона. Сверху патрон защищен крышкой 8. Закрепление и раскрепление трубы гидропатроном осуществляются с пульта управления.
В нижнем гидропатроне механическое усилие, создаваемое четырьмя пружинами, разводит кулачки, а при подаче масла в цилиндр нижнего патрона зажимает рабочую штангу. Пружины патрона предварительно поджаты с помощью гайки 17, зафиксированной на шпинделе нижнего патрона 14 вращателя стопорным винтом.
Гидравлическая система предназначена для привода исполнительных механизмов с гидроприводом.
Применение гидросистемы: облегчает труд бурильщика; позволяет достаточно точно регулировать и контролировать нагрузку на коронку; дает возможность бурильщику отбивать контакты пород различной крепости; не допускает падения бурового инструмента при обрывах и встрече пустот; применять механизм подачи как гидравлический домкрат и как пресс; позволяет механизировать и автоматизировать перекрепление патронов шпинделя; позволяет применять гидравлические трубодержатели и труборазвороты; позволяет поднимать и опускать мачты; механизирует перемещение бурового станка по раме при освобождении устья скважины; облегчает ручной подъем снаряда от забоя при отключении электроэнергии или поломке двигателя.
Гидросистема станка предусматривает выполнение следующих операций: перемещение шпинделя вверх или вниз и остановка его в любом положении; нагрузки на забой или разгрузки веса бурового снаряда с контролем давления в процессе бурения; подъем бурового снаряда патронами вращателя (обратный перехват); аварийный подъем бурового снаряда цилиндрами вращателя при остановке двигателя; управление верхним и нижним гидравлическими патронами; перемещение станка от скважины или к скважине с фиксацией его на раме; автоматическое и полуавтоматическое перекрепление бурового снаряда гидропатронами в процессе бурения без остановки вращения.
Рис.1.8 Пружинно-гидравлический зажимной патрон
Гидросистема станка (рис. 9) конструктивно включает в себя: а) маслобак; б) блок гидравлического управления; в) маслонасос; г) ручной насос, смонтированный на баке; д) электрозолотник системы автоперехвата.
Маслобак разделен перегородкой на две полости: всасывающую и сливную. В маслобаке смонтированы ручной насос и всасывающий фильтр. На съемной крышке имеется заливная горловина с сеткой и маслоуказатель.
Маслонасос представляет собой блок, состоящий из сдвоенного маслонасоса, соединенного эластичной муфтой с электродвигателем или редуктором отбора мощности. Сдвоенный маслонасос состоит из 2-х отдельных пластинчатых насосов, смонтированных в общем корпусе и приводимых в действие от одного приводного валика. Пластинчатые насосы имеют разделенные нагнетательные выводы и общее всасывание.
Рис.1.9 Схема гидравлической системы бурового станка
1 – переходная плита с электрозолотником; 2 – указатель давления;
3 – прибор управления; 4 – регулятор подачи; 5 – распределитель;
6 – вентиль; 7 – фильтр; 8 – маслоблок; 9 – золотник отключения указателя давления; 10 – маслонасос; 11 – гидроблок; 12 – гидроцилиндр подачи;
13 – цилиндр перемещения станка; 14 – плита с клапанами; 15 – блок гидравлического управления; 16 – золотник быстрого подъема;
17 – распределительная плита.
Ручной насос, двухплунжерный, с вертикальным расположением плунжеров, связанных шестерней, имеет клапанную коробку с шариковыми клапанами: всасывающим и нагнетательным, служит для аварийного подъема инструмента и установки станка в исходное положение при остановке двигателя.
Электрооборудование предназначено для питания электродвигателя бурового станка (для станков с электроприводом), контрольно-измерительной аппаратуры, приводов вспомогательных механизмов (механизм свинчивания-развинчивания бурильных труб, глиномешалка и др.), цепей освещения буровой установки и др.
Электрооборудование буровых станков с приводом от электродвигателя получает электропитание от магистральной линии электропередачи трехфазного тока напряжением 380 В, частотой 50 Гц.
Электрооборудование буровых станков с приводом от дизеля имеет автономный источник электрической энергии – синхронный генератор переменного тока мощностью 6,25 кВА, напряжением 400 В, частотой 50 Гц и генератор дизеля, осуществляющий подзарядку аккумуляторов.
Пусковая и защитная электроаппаратура буровых станков с приводом от электродвигателя размещена в шкафу управления, предназначена для управления работой электродвигателей главного привода, промывочного насоса, глиномешалки.
Управление электродвигателем механизма свинчивания и развинчивания бурильных труб осуществляется с выносного пульта.
Электроаппаратура буровых станков с приводом от дизеля размещена в магнитной станции и щитке управления и предназначена для управления работой электродвигателей глиномешалки, механизма свинчивания и развинчивания бурильных труб.