2. Буровые станки со шпиндельным вращателем.

Сначала тридцатых и до пятидесятых годов прошлого века бурение геологоразведочных скважин на ТПИ осуществлялось только станками со шпиндельным вращателем, затем для отдельных неглубоких скважин в осадочных породах изредка применялись роторные буровые установки АВБ-3-100, УРБ-2А, УРБ-3АМ. В семидесятые годы для разведочного бурения стали применять станки с подвижным вращателем – за рубежом широко, наравне со шпиндельными станками, в нашей стране - только одна установка с подвижным вращателем (не считая установок с вертикальным валом) УРБ-2А2, и то для бурения неглубоких скважин в мягких породах. До настоящего времени для бурения геологоразведочных скважин в скальных порода при разведке ТПИ в нашей стране преобладает применение буровых станков со шпиндельным вращателем.

В СССР до 1929 года работали в основном шведские станки «Крелиус», С 1929 года стал выпускаться наш отечественный станок КАМ-300. а с 1938 года станок КАМ-500. Последний стал основным станком геологоразведочного бурения на ТПИ, заменив, тоже очень популярный, «Крелиус Б-3». Эти станки были с ручной рычажной подачей. В конце сороковых годов, (сразу после войны) были разработаны и внедрены в производство легкие шпиндельные станки с винтовой подачей для бурения неглубоких (до 150 метров) разведочных скважин в твердых породах:- ГП-1 и станки завода имени Воровского - ЗИВ-75 и ЗИВ-150. В 1949 - 1953 годах Ленинградским заводом им. Фрунзе. в порядке послевоенной конверсии, были разработаны весьма эффективные для своего времени шпиндельные буровые станки с гидравлической подачей серии ЗИФ – ЗИФ-300, ЗИФ-650 и ЗИФ-1200. эти станки имели четыре скорости вращения с максимальной частотой 480 об/мин, что отвечало применяемой тогда технологии твердосплавного и дробового бурения. По мере внедрения алмазного бурения, требующего высокие обороты вращения, станки ЗИФ-650 и ЗИФ-1200 были модернизированы – добавлен двухступенчатый редуктор – стало 8 скоростей вращения с максимальным значением соответственно 800 и 600 об/мин. и добавлены индексы – М - ЗИФ-650М и ЗИФ-1200МР ( есть вариант ЗИФ-1200МРК с десятиступенчатой коробкой передач от автомашины КАМАЗ с максимальной частотой 820 об/мин.). Но, главная модернизация заключалась в замене механических зажимных патронов на пружинно гидравлические!

В начале семидесятых годов были разработаны и стали применяться специально для геологоразведочного бурения более современные шпиндельные буровые станки серии «СКБ»: - СКБ-2 – 50/100 (сделано два образца – один в музее РГГРУ на Сергиево-Посадском полигоне, в серию не пошел, поскольку решили оставить ранее выпускавшийся БСК-2-100); СКБ-3, - было выпущено около 200 штук в самоходном варианте, однако из-за слабости ряда узлов дальнейшего применения не получил; СКБ-4 и СКБ-5 - широко применяются; СКБ-6 – в серию не пошел (предпочтение отдано старому, но надежному станку ЗИФ-1200МР) и СКБ-7.

Главным достоинством этих станков является система ручного, а еще лучше, автоматического перекрепления гидравлических зажимных патронов! –«перехват» Больше новых шпиндельных станков у нас не создавалось и сейчас работают: СКБ-4, СКБ-5, СКБ-7, а также старые надежные станки ЗИФ-650М и ЗИФ-1200МР и его современные модификации: ЗИФ-1200МРК (с десятискоростной коробкой передач от КАМАЗа) и ЗИФ-1200МРКБ с плавным частотнорегулируемым электроприводом, получившие новые названия СКТО-65 и СКТО-75, соответственно.

Рассмотрим механическое устройство шпиндельного вращателя.

Вернемся к исходу – станки с ручной рычажной подачей и механическими зажимными патронами. Как уже указывалось выше, основная задача вращателя передавать на ведущую трубу, а через нее и на весь буровой снаряд и ПРИ вращательное движение, крутящий момент и осевое усилие для регулирования осевой нагрузки на ПРИ. Для решения первой части этой задачи шпиндель должен на время бурения жестко и надежно соединяться с ведущей трубой, а после исчерпания «хода шпинделя», он должен легко отсоединяться от ведущей трубы и подниматься в исходное положение. На концах шпинделя имеются два зажимных патрона (в некоторых станках один). В старых станках, включая станки серии ЗИФ до их модернизации, применялись механические зажимные патроны. Рис. 44а, б, которые позднее были заменены пружинно-гидравлическими. Рис.44в.

Рис. 44.

Операция по возвращению шпинделя в исходное верхнее положение называется «перекрепление патронов». При механических патронах процесс перекрепления («перехват») патронов занимал много времени, требовал значительных физических усилий и требовал остановки вращения, отрыва ПРИ от забоя с последующей постановкой его на забой с вращением, что приводило к повышенному износу ПРИ и возможности разрушения керна.

Установка на станках ЗИФ пружинно- гидравлических патронов (одного верхнего, нижний патрон оставался механическим, но использовался в помощь верхнему только в самых тяжелых условиях бурения) частично улучшила, облегчила и ускорила процесс перекрепления патронов, однако главный недостаток старых шпиндельных станков при перекреплении – остановка вращения и нарушение процесса бурения оставался. С появлением следующей серии шпиндельных станков «СКБ» с системой «перехват» и «автоперехват» и двумя гидропатронами этот главный недостаток был успешно (если только эта система работала) устранен и перекрепление патронов может производиться без остановки вращения и нарушения процесса бурения.

Вторая часть задачи, выполняемой шпинделем – регулирование осевой нагрузки на ПРИ или скорости углубки, зависит от системы «подачи» С позиции развития техники выше было показано, как решалось регулирование осевой нагрузки в старых станках с ручной подачей. (КА2М-300, КАМ-500 смотри рис. 40).

Следующий вариант подачи в шпиндельных станках - винтовая или дифференциальная оказался намного прогрессивнее, чем ручная рычажная, и хотя у нас в геологоразведочном бурении такие станки уже не применяют (а зря, я считаю, что станок ГП-1 вполне мог бы успешно конкурировать со станком с гидравлической подачей БСК-2 РП), зарубежные фирмы продолжают выпускать станки с дифференциальной подачей. Выше была рассмотрена схема работы механизма подачи станка ГП-1 (смотри рис. 43). Поскольку идея работы дифференциальной (винтовой) подачи не легко воспринимается рассмотрим ее подробнее.

Идея винтовой подачи заключается в использовании того, что вращательное движение винта относительно неподвижной гайки преобразуется в его осевое перемещение, а при сопротивлении этому перемещению (со стороны породы забоя), крутящий момент на гайке создает осевое усилие на винте. Но при неподвижной гайке скорость перемещения винта жестко связана с частотой вращения винта, поскольку в данном случае винтом является шпиндель, а скорость его перемещения зависит от буримости породы, то такая жесткая схема не подходит. В дифференциальной винтовой подаче буровых станков используется мягкая схема, когда и гайка и винт (шпиндель с левой прямоугольной резьбой) вращаются в одну сторону, но частота вращения гайки может меняться от нуля до величины больше частоты вращения шпинделя. Тогда при остановке гайки, шпиндель будет быстро вывинчиваться из нее и подниматься вверх, а если гайка вращается быстрее шпинделя, то шпиндель будет вывинчиваться из гайки вниз. Кинематическая схема механизма подачи через промежуточный валик и две пары шестерен сделана так, что ускоренное вращение на «гайку подачи» передается через управляемый фрикцион. Поворачивая маховичек вправо можно с разной силой сжимать диски фрикциона и тем самым увеличивать скорость вращения гайки подачи и соответственно скорость осевого перемещения шпинделя. Если сопротивление породы на забое не позволит шпинделю двигаться так быстро, то диски фрикциона будут проскальзывать, и скорость осевого движения шпинделя будет соответствовать скорости бурения. Момент трения при проскальзывании дисков фрикциона будет создавать пропорциональную осевую нагрузку на шпинделе. Таким образом, поворотом маховичка можно плавно регулировать осевую нагрузку на ПРИ. Когда гайка подачи передает осевое усилие на шпиндель, со стороны шпинделя на нее будет действовать сила реакции, направленная вверх. Гайка подачи имеет осевой люфт и ее торец соединен с кольцевым поршнем в полости, заполненной маслом, Сила реакции, приложенная к гайке, передается через поршень на масло и давление в полости с маслом фиксируется манометром. Следовательно, при винтовой подаче может качественно регулироваться и контролироваться величина осевой нагрузки на ПРИ, при минимальных габаритах (и стоимости) бурового станка, по сравнению с системами гидравлической подачи. Имевшиеся станки с винтовой подачей (ГП-1, ЗИВ-75 и ЗИВ-150), были рассчитанные на бурение сравнительно неглубоких скважин, где вес снаряда меньше нужной осевой нагрузки на ПРИ, и имели механизм подачи только для создания дополнительного усилия на шпинделе. Некоторые зарубежные станки с винтовой подачей, имея систему с двумя фрикционами, создающими усилие и вниз и вверх, позволяют бурить, как с дополнительной нагрузкой, так и с разгрузкой, т.е. более глубокие скважины.

Наконец, современный вариант подачи – гидравлическая подача используется почти во всех шпиндельных, в большинстве станков с подвижным вращателем. В настоящее время, в нашей стране выпускается и применяется весь нормальный ряд шпиндельных станков с гидравлической подачей для бурения скважин глубиной от 100 до 2000 метров: БСК-2РП, СКБ-4, СКБ-5, СКБ-7, ЗИФ-650М (СКТО-65), ЗИФ-1200МР (СКТО-75) и гибрид между шпиндельным и подвижным вращателем БАК 1200/2000 и станки с подвижным вращателем АБ -2, АБ-5 и РБК-4, а также установка УРБ-2А-2. Поскольку на сегодняшней день это основные отечественные станки для бурения геологоразведочных скважин при разведке ТПИ, стоит подробно ознакомиться с механической (кинематической) и гидравлической схемами этих станков.

Механическая часть бурового станка предназначена для передачи вращения и крутящего момента от двигателя до исполнительных органов – вращателя и лебедки. Начнем с СКБ-4, а затем рассмотрим, чем отличаются схемы других шпиндельных станков. Кинематическая схема станка, СКБ-4 приведена на рис. 45.

Рис. 45.

Вращение и момент передаются от двигателя через фрикцион (муфту сцепления) на первичный вал коробки передач и через пару шестерен постоянного зацепления на промежуточный вал. На промежуточном валу жестко закреплены и вращаются с постоянной частотой 5 шестерен, первая из которых получает вращение с первичного вала, еще 3 шестерни находятся в постоянном зацеплении с шестернями, свободно установленными на вторичном валу, а пятая находится в зацеплении с шестерней дополнительного валика. На вторичном валу между шестерней первичного вала и первой шестерней вторичного вала, а также между второй и третьей шестернями вторичного вала на шлицах (на скользящей посадке) имеются две зубчатые муфты торцевого зацепления, управляемые рукояткой переключения передач. Эти муфты могут поочередно включаться в зацепление с постоянно вращающимися шестернями вторичного вала. При включении муфты с третьей шестерней вторичного вала получаем первую скорость вращения на вторичном валу, при включении той же муфты со второй шестерней вторичного бала, получаем вторую скорость. Включение другой муфты с первой шестерней вторичного вала дает третью скорость, включение той же муфты напрямую с шестерней первичного вала дает четвертую скорость (прямая передача). На вторичном валу имеется еще одна подвижная на шлицах – четвертая шестерня, которая может включаться в зацепление со второй шестерней дополнительного валика, при этом на вторичный вал будет передаваться вращение уже в другую сторону – получается левое вращение (задняя скорость коробки передач). Таким образом, на выходе из КПП мы имеем 4 правых и одну левую скорости вращения. Из коробки передач вращение передается в промежуточную (раздаточную) коробку. Промежуточная коробка выполняет 3 функции: перемещает вращение выше КПП для удобства расположения вращателя и лебедки, удваивает количество скоростей на вращателе (т.е. служит двухступенчатым редуктором) и позволяет распределять вращение на вращатель или на лебедку (могут быть включены одновременно и вращатель и лебедка). В промежуточной коробке три вала (не считая входного вала из КПП) – на первом валу (снизу вверх) получает вращение из КПП двойная шестерня, в зацеплении с меньшей из этой пары находится шестерня, свободно установленная на втором валу (вал привода вращателя) шестерня с боковым зубчатым венцом. На этом же валу на шлицах находится вторая меньшая шестерня, которая может включаться либо с большой шестерней нижнего вала, либо входить в зацепление с уже вращающейся шестерней на своем валу. Таким образом, на шпиндель (через коническую пару шестерен) будет передаваться два диапазона(по четыре скорости) скоростей правого вращения и две скорости левого вращения. Третьий (верхний) вал служит валом лебедки и получает четыре скорости вращения из КПП Вал лебедки вращается постоянно при включенной КПП и вращает шестерню со скользящей посадкой на шлицах, которая служит, и для включения лебедки в работу, и является «солнечной» шестерней планетарного механизма лебедки.

Лебедка станка СКБ-4, как и других станков СКБ – планетарного типа. Лебедка бурового станка должна обладать максимальной оперативностью и плавностью в управлении, т.е. плавным независимым от нагрузки включением подъема и быстрым, но плавным торможением. Планетарный механизм,(рис. 46) в котором включение подъема осуществляется торможением (в данной схеме) шкива водила с закрепленными в нем осями «сателлитов» обеспечивает указанные условия работы лебедки.

Рис. 46

Принцип работы планетарного механизма заключается в том, что вращение солнечной шестерни передается трем шестерням сателлитам, оси которых закреплены в диске - «водиле», установленном свободно на подшипниках на валу лебедки. Другой стороной сателлиты находятся в зацеплении с «венцовой» шестерней запрессованной (в схеме а) в шкив барабана лебедки. Таким образом, сателлиты имеют два варианта вращения: при свободном состоянии водила и неподвижной венцовой шестерне сателлиты совершают сложное движение – они, вращаясь вокруг своей оси, катятся по внутренним зубьям венцовой шестерни, оси сателлитов с водилом вращаются вокруг оси вала лебедки (пунктирная линия). Когда мы плавно тормозим шкив водила – «тормоз подъема», оси сателлитов плавно останавливаются и сателлиты начинают вращать венцовую шестерню, т.е. барабан лебедки (сплошная линия) Будет подъем груза. Для остановки подъема надо одновременно отпускать ручку тормоза подъема и нажимать ручку тормоза спуска. Спуск выполняется при отпущенном тормозе подъема и регулируется тормозом спуска. По другому варианту (схема б) венцовая шестерня жестко закреплена в диске водила, а оси сателлитов закреплены в барабане лебедки. Здесь для подьема груза надо затормозить водило, венцовая шестерня остановится, сателлиты начнут катиться по венцовой шестерне и оси сателлитов начнут вращать барабан лебедки.

СТУДЕНТАМ СЛЕДУЕТ ОБРАТИТЬ ВНИМАНИЕ на то, что, к огромному сожалению, в некоторых справочниках и учебниках могут быть изображены схемы станков и другого оборудования, имеющие грубые, стыдные для уважаемых авторов ошибки! Причем некоторые ошибки, (например, в изображение схемы планетарного механизма лебедки) переходит из учебника в учебник почти 60 лет. Студенты попробуйте сами найти ошибки с схеме станка приведенной из солидного справочника на рис. 47.

Рис. 47

Гидравлическая система станка СКБ-4 наглядно отражает все достоинства гидросистем наших станков с гидравлической подачей, главной из которых является система автоперехвата. Рис. 48.

Рис. 48.

Гидросистема современных шпиндельных буровых станков, и СКБ-4 в частности, включает источник действия – сдвоенный маслонасос и три исполнительных органа со своими системами управления: 1.- гидроцилиндры с системой управления и регулирования усилий и движений шпинделя, 2 – гидравлические зажимные патроны с системой «перехват» и «автоперехват» и 3 - система передвижения станка к скважине и от скважины.

Для управления действиями шпинделя и перемещением станка масло из маслобака правым маслонасосом (рис.48) через обратный клапан (КО2) попадает в нагнетательную линию, от которой имеются отводы на манометр (МН2), манометр-дриллометр (указатель усилий на шпинделе) с предохранительным клапаном (МН3 и Р7), далее между нагнетательной и сливной линиями установлен главный орган регулирования – дроссель (регулятор давления ДР2). После дросселя линия подходит к золотнику быстрого подъема (Р5), где она может подключаться к сливу или закрываться . Еще до дросселя нагнетательная линия, подходит к главному органу управления – золотнику - распределителю (Р6), имеющему пять положений с ручным управлением поворотом ручки. Из золотника управления жидкость под давлением может направляться в верхние или нижние полости цилиндров подачи шпинделя (Ц1) или в цилиндр перемещения станка (Ц4).

От левого маслонасоса масло через фильтр (Ф2) и обратный клапан (\КО1) с отводом на манометр подходит к золотнику (Р2) управления гидропатронами (Ц2 и Ц3).

Гидравлическая система может выполнять три операции: бурение, перекрепление (перехват) патронов и перемещение станка. Рассмотрим последовательно работу гидросистемы:

- Бурение – для выполнения бурения главный золотник устанавливается либо в положение «шпиндель вниз», когда» вес снаряда недостаточен и бурение ведется с дополнительной нагрузкой ( Сос = Gсн. + Fшп.)- нагнетательная линия соединяется с верхними полостями цилиндров подачи, нижние полости цилиндров соединены со сливом (через золотник Р6), либо в положение «шпиндель вверх» и бурение ведется с разгрузкой (Сос.= Gсн. – Fшп).

Насос для данного станка имеет производительность (подачу) – Qнас.= 18 л/мин. и развивает давление до Рнас.= 6,3 МПа.

При бурении с дополнительной нагрузкой в верхние полости цилиндров будет поступать столько масла в единицу времени сколько позволит скорость бурения - Qвпц= Vб (Sцил - Sшт) все остальное масло (Qсл.= Qнас – Qвпц.) идет через дроссель на слив обратно в бак. Проходя через дроссель, жидкость преодолевает гидравлические сопротивления обратно пропорциональные размеру проходного сечения дросселя, которое регулируется поворотом винта, вплоть до полного перекрытия проходного сечения. Чем больше будет перекрыт дроссель, тем больше будет давление в нагнетательной линии и, следовательно, в верхних полостях цилиндров и соответственно будет больше усилие на шпинделе и осевая нагрузка на ПРИ. Таким образом, поворотом штурвальчика дросселя можно изменять дополнительное к весу снаряда усилие на шпинделе от 0 до 40 кН, т.е. Сос = Gсн.+ (0 -:- 40 кН.).

При бурении с разгрузкой Нагнетательная линия подсоединена к нижним полостям цилиндров, но!, поскольку идет бурение, шпиндель будет двигаться вниз, и объем нижних полостей цилиндров будет уменьшаться, следовательно, масло пойти в нижние полсти цилиндров не может. Более того, часть масла из нижних полостей будет вытесняться в нагнетательную линию, и через дроссель на слив будет проходить все масло, которое качает насос, и еще то масло, которое выдавливается из нижних полостей цилиндров. Давление в нагнетательной линии и в нижних полостях цилиндров поддерживается и регулируется сопротивлениями в дросселе, осевая нагрузка при этом будет Сос.= Gсн.- Fшп. Если перекрыть дроссель так, что давление, и соответственно усилие на шпинделе вверх, будет больше веса снаряда, то снаряд будет подниматься вверх и гидравлика станка будет работать как домкрат, развивая усилие до 60 кН, что используется при прихватах бурового снаряда.

Есть еще одно положение гидросистемы управления движением шпинделя – «быстрый подъем». В данном станке это положение включается автоматически при перехвате гидропатронов, но в других станках с гидроподачей, оно может включаться вручную, Быстрый подъем нужен для сокращения времени на перекрепление патронов (это потери времени при бурении), поскольку при положении «шпиндель вверх», шпиндель поднимется за время, за которое маслонасос (при закрытом дросселе) заполнит объем полостей цилиндров, т.е. t = Vцил / Qнас. Но можно поднять шпиндель быстрее. Для этого верхние и нижние полости цилиндров соединяются между собой и с нагнетательной линией и дроссель полностью закрывается, в нагнетательной линии и обеих полостях цилиндров поднимается давление. Внутри цилиндра находятся поршень и, присоединенный к нему шток. Шток через герметичный сальник выходит из цилиндра. Давление в нижней полости цилиндра действует на всю площадь поршня и создает силу Fн = P · Sпор. Давление в верхних полостях цилиндров (такое же по величине) действует на площадь поршня минус площадь штока!, и, следовательно, Fв =P · (Sп. - Sшт.).

На шпиндель будет действовать результирующая сила вверх Fвв = Fн – Fв. и, когда сила Fвв., по мере роста давления, превысит вес шпинделя, шпиндель будет быстро подниматься вверх. Во сколько раз быстрее он поднимется в этом положении, чем при положении «шпиндель вверх»? Все масло, которое качает насос, пойдет в нижние полости, кроме того, масло, вытесняемое из верхних полостей, тоже пойдет в нижние полости цилиндров. Следовательно, насосу надо заполнить объем, который занимали штоки, и шпиндель поднимется во столько раз быстрее, во сколько раз объем штока меньше объема цилиндра т.е. tбп /tп = Vц/Vшт = Sц /Sшт . Для станка СКБ-4 это примерно в 3,2 раза. В данной схеме включение «быстрого подъема» осуществляется переключением золотника быстрого подъема (Р5). При этом перекрывается слив из главного золотника независимо от его положения («шпиндель вниз» или «шпиндель вверх») и соединяются линии из нижних и верхних полостей цилиндров. Жидкость из верхних полостей цилиндров перетекает в нижние полости через золотник быстрого подъема и обратный клапан (КД1).

Наиболее интересной (и прогрессивной) частью гидросистемы станков серии СКБ является «перехват» и «автоперехват».

Главным недостатком шпиндельных буровых станков считался малый ход шпинделя – в наших станках 40 – 60 см., в зарубежных до 1,1 метра. В старых станках и в станках с одним зажимным гидропатроном, после углубки на ход шпинделя (40 – 60 см.) надо остановить вращение бурового снаряда, приподнять снаряд на 5 – 10 см. (оторвать от забоя ПРИ), удержать приподнятый снаряд натяжением троса лебедки за сальник-вертлюг, затем открепить зажимной патрон и только тогда быстрым подъемом поднять шпиндель вверх и закрепить зажимной патрон в верхнем положении шпинделя. То, что на эту операцию тратилось дополнительное время, не так важно- главная беда заключалась в том, что прерывался процесс бурения, и каждый раз приходилось начинать процесс заново – включать вращение, плавно доводить ПРИ до забоя и постепенно восстанавливать осевую нагрузку. При таких перерывах процесса бурения происходил дополнительный износ ПРИ, усиливалась возможность самозаклинивания керна. Система «перехват» практически полностью устраняет этот недостаток, т.е. перекрепление патронов происходит без остановки бурения «на ходу» и делает шпиндельные станки конкурентно способными со станками с подвижным вращателем.

Система управления зажимными патронами включает два пружинно-гидравлических патрона, - верхний, закрепленный на шпинделе, постоянно зажатый под действием мощных пружин, и нижний постоянно разжатый, тоже удерживаемый в разжатом состоянии мощными пружинами. Под пружинами в этих патронах находятся кольцевые маслоцилиндры, поршни которых под давлением масла могут разжимать верхний патрон и, наоборот зажимать нижний патрон. Работает система таким образом.: Левый маслонасос подает масло через фильтр (Ф2) и обратный клапан (КО1) к четырехпозиционному распределительному золотнику (Р2) с ручным управлением. Четыре положения это:

I. «закрепить» – верхний патрон закреплен пружинами (давление масла туда не подается), нижний патрон раскреплен пружинами (давление масла туда тоже не подается); масло, которое качает насос через электрозолотник (Р3) (золотник, который перекрывает слив из нагнетательной линии, когда концевой выключатель включает электромагнитную тягу при «автоперехвате») свободно проходит на слив.

II. «раскрепить» - в этом положении золотника сливная линия (через электрозолотник) закрыта, нагнетательная линия через перекидной клапан (РК1) соединяется с верхним патроном, давление масла поднимает кольцевой поршень, сжимает пружины и раскрепляет верхний патрон.

III «перехват» - это самое интересное положение - нагнетательная линия соединяется через два перекидных клапана (РК1 и РК2) с верхним патроном и через блокировочный золотник (Р4) и обратный клапан (КО3) с нижним патроном. Пружины в патронах и в блокировочном золотнике подобраны так, что при нарастании давления сначала закрепится нижний патрон! (обратите внимание, что в этот момент вращение на шпиндель передается через оба патрона), и в блокировочном золотнике открывается линия к золотнику быстрого подъема, а затем, только после достижения давления определенной величины, раскрепляется верхний патрон - теперь вращает шпиндель только нижний патрон - эстафета вращения передана. При дальнейшем росте давления срабатывает золотник быстрого подъема и, независимо в каком положении главного золотника шло бурение, начнется быстрый подъем шпинделя с раскрепленным вращающимся верхним патроном. Когда шпиндель достигнет верхнего положения, ручка распределительного золотника переводится в положение «закрепить» - нагнетательная линия левого насоса соединяется со сливом, давление падает, верхний патрон закрепляется, затем! срабатывает блокировочный золотник и раскрепляется нижний патрон и золотник быстрого подъема возвращается в исходное положение. Бурение продолжается практически без перерыва. Небольшая (10-15 сек.) задержка осевого движения ведущей трубы по мере углубки скважины компенсируется распрямлением сжатой части бурильной колонны.

IV. «Обратный перехват» - применяется при необходимости перекрепить патроны без быстрого подъема, например для того, чтобы при сохранении вращения (зажимается нижний патрон и открепляется верхний) переместить верхний патрон в нижнее положение и затем, поставив положение «закрепить», поднимать с вращением буровой снаряд, В положении золотника «обратный перехват нагнетательная линия соединяется так же, как и в положении «перехват», только линия к золотнику быстрого подъема закрыта.

Наконец, главное достоинство гидросистемы – «Автоперехват» выполняется при положении распределительного золотника в обычном для процесса бурения - «закрепить» и включенной электролинии на концевые выключатели, соединенные с электрозолотником (Р3). Все очень просто и очень эффективно! Когда шпиндель при бурении дойдет до своего нижнего положения, он толкает нижний концевой выключатель и тем самым включает электромагнит электрозолотника, тот в свою очередь перекрывает слив и автоматически начинается перехват патронов с быстрым подъемом шпинделя (верхний патрон разожмется, нижний патрон зажмется – бурение не останавливается). Когда шпиндель дойдет до своего верхнего положения, он толкает верхний концевой выключатель, который выключает электрозолотник, тот возвращается пружиной в исходное положение, слив открывается, патроны возвращаются в исходное положение и бурение продолжается с ранее установленной осевой нагрузкой. Процесс происходит полностью автоматически, даже при отсутствии бурильщика, и будет продолжаться до окончания замера ведущей трубы. («Замером» называется длина части ведущей трубы от верхнего патрона шпинделя до бурового сальника).

Последняя операция, которую выполняет гидросистема станка – перемещение станка «к скважине» и «от скважины». Станок передвигают от скважины, когда закончено бурение и надо освободить устье скважины для подъема и спуска бурового снаряда. После спуска бурового снаряда станок пододвигают к скважине. Эти движения устанавливаются ручкой главного золотники в соответствующие положения. Интерес здесь заключается в том, что вместо «тупой» системы с двумя парами трубок (нагнетание и слив к каждой полости цилиндров) задача решается двумя трубками и «гидрозатвором». Из схемы видно, что когда давление масла подходит к одной из полостей цилиндра перемещения станка, оно открывает клапан своей полости и толкает разъединительный поршень, который открывает клапан другой полости, соединяя ее со сливом.

Гидросистема станка СКБ-5 (рис. 49) отличается тем, что вместо ручных золотников применены золотники с электромагнитным управлением. В станке СКБ-7 более сложная система с электрозолотниками и добавлена еще одна функция – гидравлическое управление тормозами лебедки. (рис. 50).

Рис.49.

Рис. 50.

Станки с подвижным вращателем.

Принципиальное отличие подвижного вращателя в старом варианте (УРБ-2А-2 и некоторые зарубежные станки) от шпиндельного и роторного в том, что он не пропускает через себя ведущую трубу, а присоединяется к ее верхнему концу. При этом ведущей трубы как таковой нет, а ее роль выполняет очередная верхняя бурильная труба. Наращивание снаряда при этом происходит после углубки на длину хода вращателя, путем отвинчивания вращателя от бурильной трубы, подъема его в верхнее положение и навинчивание на верхний конец бурового снаряда очередной трубы. Очевидно длина бурильных труб при этом не более хода вращателя. Изначально подвижные вращатели применялись с пятидесятых годов для шнекового бурения. Действительно, вращение на шнековую колонну можно передавать только через верхний конец шнека (шнек не пролезет в отверстие ротора или шпинделя). Весьма любопытно была решена задача перемещения вращателя в одном из первых станков шнекового бурения - БС-3А. На раме автомашины установлены четыре двухметровые стойки с зубчатой нарезкой. На стойках установлена подвижная рама, на которой расположены бензиновый двигатель, коробка передач, собственно вращатель и передача на шестерни, находящиеся в зацеплении с зубьями на стойках. Вращение на вал с шестернями могло осуществляться от двигателя (для подъема рамы с вращателем в верхнее положение) и штурвалом вручную при бурении для подачи шнеков по мере углубки скважины. Но основная схема станков с подвижным вращателем для шнекового бурения – вертикальный вал со скользящим вдоль него вращателем. Такую схему имели и первые шнековые установки УШБ-1 и УГБ-50М (последняя сейчас используется на нашей учебной практике) и современные установки серий ПБУ, ЛБУ и их производные. Если первые установки имели длину вертикального вала и, следовательно, ход вращателя 1,5 – 3,0 метра, то современные установки с приводом вращателя от вертикального вала имеют длину вала и ход вращателя до 7 метров. Сейчас рекламируются однотипные установки ЛБУ-50, АЗА-3, ПБУ-2, УШ-2Т4, УБВ-000 и другие.

В начале семидесятых годов была создана буровая установка УРБ-2А2 с подвижным вращателем с приводом от гидромотора, расположенного непосредственно на корпусе вращателя. Эта установка имеет ход вращателя 5,2 метра и на ней можно наращивать снаряд по мере углубки уже стандартными бурильными трубами разведочного бурения (длина трубы обычно 4,5 метра, с замком 4,7 метра). Установка оказалась универсальной и стала широко использоваться и для шнекового и для геологоразведочного вращательного бурения с циркуляцией очистного агента и с этой установкой стали применять наиболее прогрессивный способ бурения – бурение комплектом с гидротранспортом керна (КГК и КПК). В последнее время было создано несколько новых буровых установок с подвижным вращателем с гидромотором: УГБ-Л, УГБ001, УБСГ02, УСГ-002, УСГ-010, УБВ-218 и другие. Эти установки предназначены для бурения в мягких породах и имеют невысокую частоту вращения – 60 – 325 об./мин. За рубежом в эти годы широко применялись станки с подвижным вращателем и для высокооборотного алмазного бурения (Diamec и другие) с небольшим ходом вращателя до 3,2 – 3,7 метра и с частотой вращения до 1200 – 1500 об./мин.. У нас для бурения геологоразведочных скважин были сделаны малые установки с подвижным вращателем– переносная УКБ 12,5/25 с бензиновым двигателем на вращателе ( ее самоходный вариант УКБ 12,5/25С используется у нас на учебной практике) с ходом вращателя 1,2 метра и с ручной цепной подачей и разборная установка УПБ-100Р (стоит в лаборатории – в аудитории 106) и самоходный вариант на тракторе УПБ-100ГТ с гидромотором, с ходом вращателя 3,5 м. и с частотой вращения до 1400 об./мин. В последнее время в нашей стране созданы более современные станки для геологоразведочного бурения с подвижным вращателем с гидромоторами (высокооборотные с частотой вращения до 700 – 1500 об/мин.) ББУ-000 «Опенок», КМБ-3М, АБ-2, АБ-5. За исключением маленькой УКБ-12,5/25, все буровые установки с подвижным вращателем имеют гидравлическую систему подачи. Передача на вращатель движения и усилий непосредственно от штоков гидроцилиндров возможна только при небольшой величине хода вращателя до 3,0 м. На рис.51 приведена общая кинематическая схема станка с большим ходом вращателя УРБ-2А-2 При большей длине хода вращателя передача на него движения и усилий осуществляется сочетанием гидроцилиндра с тросовой или (реже) цепной талевой (полиспастной) системой. Такое сочетание позволяет получить ход вращателя вдвое больше чем ход штока (и длины цилиндра) и, что очень важно при спуско-подъемных операциях вращателем (без лебедки) скорость движения вращателя тоже удваивается по сравнению со скоростью штока. Как это получается видно из схемы на рис.52, на котором представлена схема подачи установки УРБ-2А-2 с относительно большим ходом вращателя (слева), и схема подачи станка с малым ходом вращателя.

Рис. 51.

Рис. 52.

Из общего ряда шпиндельных буровых станков для геологоразведочного бурения выпадают два наиболее мощных станка для бурения скважин до глубины 2000 и 3000 метров

Для скважин глубиной до 2000 метров, кроме станков ЗИФ-12000МР (СКТО-75) и СКБ-7, в литературе приводятся данные на удивительный станок БАК-1200/2000, вращатель которого представляет собой гибрид шпиндельного и подвижного вращателей. Идея старая – решили совместить шпиндель с пустотелым валом электродвигателя от троллейбуса (двигатель постоянного тока с плавным регулированием частоты вращения) Таким образом, весь станок состоит из двигателя – он же шпиндельный вращатель, системы гидравлической подачи, отдельной грузовой лебедки и пульта управления. Полностью отсутствует трансмиссия (фрикцион, коробка передач, промежуточная коробка) Такой вращатель имеет ход 800 мм. (у СКБ-7 и ЗИФ-1200МР всего 600 мм.). рис.53. Недостатком этого станка можно считать отсутствие «автоперехвата» т.е. каждое перекрепление зажимного патрона после исчерпывания хода вращателя происходит с остановкой вращения.

Рис. 53.

Второе исключение – станок СКБ-8, хотя он формально входит в серию станков СКБ, но это станок с типичным роторным вращателем и с подачей с троса лебедки, правда с автоматом подачи на барабане лебедки (рассмотрен выше).

Для получения представления о перспективе техники бурения геологоразведочных скважин на ТПИ можно ознакомиться с характеристиками спроектированного «роботизированного» бурового станка РБК-4. Станок имеет числовое программное управление, автоматизацию практически всех производственных процессов, выполняются измерения более 20 параметров (а вот измерение самого нужного параметра бурения – рейсовой скорости бурения – не предусмотрено!) Рис. 54. По своей конструкции и характеристике станок соответствует уровню лучших станков зарубежных фирм.(Далее текст из рекламного сайта «Геомаша», ? ? мои).

Рис. 54.

Роботизированная буровая установка РБК-4.

Глубина бурения установкой РБК-4 при использовании труб различного типоразмера: стальных 68 мм - 350 м; ССК-76 - 400 м, стальных 54 мм - 500 м, ССК-59 и стальных труб 42 мм - 700 м, ЛБТН-54 - 800 м и ЛБТН-42 - 1000 м. Буровая установка РБК-4 содержит: - буровой агрегат БА-РБК-4, имеющий в своем составе систему числового программного управления и промывочный насос НБ-4-160/63 с плавнорегулируемым гидростатическим (повидимому гидравлическим) приводом и с насосом-водозабором  для жидких добавок к промывочной жидкости, а также замкнутую циркуляционную систему, имеющую в своем составе емкость с промывочной жидкостью и блок очистки промывочного раствора от шлама; - инструментальный блок БИ-РБК-4 с двумя бортовыми накопителями для бурильных труб, устройствами для обслуживания колонковых труб и керна, устройствами для измерения и заточки алмазных коронок, емкостью и нагревателем технической воды, а также стандартными геофизическими зондами для скважинного каротажа (?) и кабиной оператора. Блоки оснащены гидродомкратами с системой автогоризонтирования. Инструментальный блок на трубной базе может работать независимо от буровой установки. Укрытие - полужесткое полное. Буровой агрегат БА-РБК-4 размещен на шасси полуприцепа тракторного ОЗТП-9554, а блок инструментальный БИ-РБК-4 - на шасси тракторного прицепа ОЗТП-8572. Буровая установка может иметь три транспортных положения: в сцепе друг с другом (цугом), раздельная транспортировка бурового и инструментального блока, подтаскивание на ограниченное расстояние лебедкой или гусеничным тягочем и три рабочих положения: продольное (основное), параллельное со сцепными устройствами в противоположные стороны и без инструментального блока. Комплекс может транспортироваться трактором ДТ150К, ДТ151 или «Кировцем».