книги из ГПНТБ / Ребрик Б.М. Вибрационное бурение скважин

ромеханизма с двумя ооиками, а также совместно с Е. Ю. Малиновским и Ю. М. Гольди­ ным разработана методика математического моделирова­ ния задач динамики вибрационных и ударно-вибрационных ма­ шин.

Динамика ударно-колебательных систем с двумя степенями свободы (двухмассных вибромолотов) подробно изучена Ю. М. Гольдиным. Различные принципиальные схемы вибро­ молотов показаны на рис. 4.

20

РЕЖИМЫ КОЛЕБАНИЙ ПРУЖИННОГО ВИБРОМОЛОТА И ЗАТРАТЫ МОЩНОСТИ

Под режимом работы вибромолота обычно понимается ха­ рактер колебаний его ударной части. К основным параметрам режима колебаний относятся: скорость удара, частота ударов или Число і, представляющее собой отношение частоты вынуж­ дающего усилия к частоте ударов, величина отскока ударной части, скорость вращения дебалансов. Последний параметр в процессе работы вибромолота (с приводом от асинхронного электродвигателя) сохраняет постоянную величину.

Все возможные режимы колебаний ударной части могут быть подразделены на три вида: 1) периодические (основные—• одноударные и дополнительные); 2) непериодические; 3) пере­ ходные. При периодическом режиме основные его кинематиче­ ские параметры (скорость удара, величина отскока и др.) остаются неизменными в течение неопределенно длительного времени. При непериодическом режиме его кинематические параметры без видимой закономерности изменяются от удара к удару. К переходным режимам отнесены режимы, реализую­ щиеся при запуске вибромолота и его остановке, а также при переходе от одного периодического режима работы к другому. Таким образом, непериодический режим работы вибромолота может рассматриваться как непрерывная серия различных переходных режимов.

Вработе вибромолота как пружинного, так и беспружинного

взависимости от условий может реализоваться множество различных периодических режимов, которые легко могут быть вычислены на основе существующей детерминированной теории,

атакже непериодический режим. Однако прогнозирование ус­ ловий во многих случаях осуществить невозможно, поэтому значительный интерес представляет экспериментальное изучение этих режимов. Для случая непериодической работы вибромо­ лота экспериментальные исследования (наряду с моделирова­ нием), по-видимому, являются единственно возможным путем

изучения основных особенностей колебаний ударной части. Для оценки режима работы вибромолота во многих случаях может оказаться достаточным снятие и анализ виброграммы колебаний ударной части. Число «всплесков» на виброграмме между двумя соседними ударами с известной степенью при­ ближения может отождествляться с числом і. Зная і и скорость вращения дебалансов, можно легко вычислить число ударов

вибромолота.

Для пружинных вибромолотов периодический режим коле­ баний является основным рабочим режимом. На рис. 5 при­ ведены характерные виброграммы, соответствующие различным одноударным режимам работы пружинного вибромолота, сня­ тые методом осциллографирования (по С. И. Лукомскому).

21

Чем больше число і, тем труднее обеспечить устойчивый режим работы вибромолота. Наиболее устойчивым режимом является

ввесьма сложных электромеханических условиях.

1.В пружинных вибромолотах электродвигатели, как пра­ вило, встраиваются в ударную часть и являются составным элементом последней, а дебалансы размещаются непосредствен­ но на валах электродвигателей. Таким образом, электродвига­

тели участвуют не только в колебаниях ударной части, но и в нанесении ударов. Вследствие этого они испытывают воздействие периодических динамических нагрузок. Указанные нагрузки весьма значительны по величине (до 400000 Н).

2. Технологическая особенность использования вибромолотов при бурении такова, что последние за смену включаются до 100 и более раз. Это предопределяет работу электродвигателей в повторно-кратковременном режиме, причем их запуск произво­ дится под нагрузкой.

3. Вследствие наличия ударов вращение роторов с дебалан­

22

лому периодическому закону. Благодаря этому, а также колеба­ ниям самого электродвигателя происходят существенные нару­ шения расчетных электромагнитных процессов, снижается cos<p,

бурения при наличии определенных условий), когда потребляе­ мая электродвигателями мощность может резко возрасти, что также приведет к нагреву и перегоранию обмоток статора.

К настоящему времени проделана большая работа по соз­ данию виброударостойких электродвигателей для вибромолотов. Плодотворные работы в этом направлении проведены ВНИИЭМом в содружестве с ВНИИстройдормашем и ЦНИИСом. Для пропитки и заливки обмоток применялся компаунд М'БК-1. Основная цель работ состояла в том, чтобы создать детали и узлы электродвигателей, которые могли бы длительное время выдерживать значительные ударно-вибра­ ционные нагрузки. Однако для успешного решения вопроса разработки вибростойких электродвигателей необходимо, по­ мимо работ, направленных на увеличение прочности деталей и узлов, проводить всесторонние исследования внутренних элек­ тромагнитных процессов, а также мгновенных загрузок и тепло­ обмена электроприводов. Такие исследования необходимы для обоснованного выбора, мощности двигателя, обеспечения нор­ мального температурного режима и правильной оценки к. п. д. вибромолота.

В работе И. И. Быховского [18] показано, что при работе вибромолота происходит весьма значительный скачок угловой скорости при ударе ударной части об ограничитель. Естественно предположить, что скачок угловой скорости является следст­ вием резко возросшей нагрузки и, следовательно, мощность, потребляемая электродвигателем в момент удара, также должна возрасти.

Экспериментальные исследования режимов загрузки элект­ родвигателей пружинного вибромолота, проведенные автором, показали, что потребляемая электродвигателями мощность при работе вибромолота имеет пульсирующий характер, а частота пульсаций соответствует частоте ударов. Об этом, в частности,

изготовленный вибромолот ВГ-4М с двумя электродвигателями типа AB 42—4 мощностью по 2,8 кВт каждый, со скоростью вращения 1420 об/мин. Момент . дебалансов вибромолота 0,9 кг-м, жесткость пружинной подвески 4250 Н/см, вес удар­ ной части 150 кг, зазор между ударниками н наковальнями 6 мм.

Величина мгновенной мощности, потребляемой вибромоло­ том, колеблется с частотой ударов от 0,8 до 9,3—13,0 кВт

23

(среднее значение пиков соответствует примерно 10 кВт). Повидимому, мощность по осциллограммам, равная 0,8—1 кВт, является мощностью холостого хода и в моменты времени, соот­ ветствующие этим значениям мощности, внешняя нагрузка на электродвигатели отсутствует.

Рмс. 6. Осциллограмма тока и мощности, потребляемых алекгродшігателяміі вибромолота ВГ-4М под нагрузкой при работе на стенде.

случае вибромолот работал в режиме і=2. Зная число оборо­ тов электродвигателей под нагрузкой, легко можно вычислить

тели, испытывая нагрузки пульсирующего характера при сред­ нем значении мощности 5,2 кВт, имеют среднее условное сколь­ жение 0,02, в то время как обычная статическая мощность при ее номинальном значении 5.6 кВт будет восприниматься при скольжении 0,053. К. п. д. электродвигателей вибромолота мо­ жет быть приближенно оценен величиной 0.5—0,6.

24

Статический момент Q0e силы тяжести дебалансов рассчи­ тывается по формуле, полученной на основе выражения (44),

и отрицательные зазоры, при которых возможны колебания с ударами, максимальные ускорения при ударе и т. д. Более под­ робные сведения о выборе и расчете параметров пружинного вибромолота приведены в работе [62].

ТЕОРИЯ ВИБРОМОЛОТА С ПОСТОЯННОЙ ВОССТАНАВЛИВАЮЩЕЙ СИЛОЙ

(БЕСПРУЖИННОГО ВИБРОМОЛОТА)

Динамическая модель беспружинного вибромолота представ­ лена на рис. 7. Исследования этой модели проводили Д. Д. Бар­

26

щей установке МН-7 было проведено подробное исследование

вое движение, которое реализуется при других начальных усло-

Р

виях. При значениях параметров R и-~---- , близких к единице,

^max

Рис. 8. Область существования и устойчивости одно­ ударных решений:

(рис. 8). Это означает, что таким значениям параметров систе­

границ в сторону больших значений — . Область, соответст- ■^max

вующая 7=1, значительно расширяется с ростом времени удара Ту. Далее А. Д. Дорохова и С. И. Лукомский [44] отмечают, что при моделировании рассматриваемой системы с временем удара, отличным от нуля, замечено, что с ростом і области при­ тяжения предельных циклов в фазовом пространстве очень быстро сужаются. Для осуществления режима с і= 3 требова­ лась очень точная установка начальных условий. Использование такого режима работы на практике (і>3) крайне затрудни­ тельно. Поэтому, по их мнению, наиболее рационально исполь­ зовать простейший одноударный режим с і= 1.

28

В принципе, для практических целей не исключается выбор таких параметров вибромолота, которые бы располагались в одной из областей устойчивого одноударного режима. Наименее чувствительным к внешним воздействиям, как отмечалось, яв­ ляется режим с і=1. Однако для осуществления этого режима

молотов, предназначенных для бурения скважин, при сущест­ вующем уровне развития теории практически невозможно.

Номинальная мощность привода беспружинного вибромолота

шипниках и других элементах передач, в работе [65] представ­ лено в виде

РЕЖИМЫ КОЛЕБАНИИ БЕСПРУЖИННОГО ВИБРОМОЛОТА

Уравнение движения ударной части беспружинного вибромолота

Ранее отмечалось, что для непериодического режима коле­ баний беспружинного вибромолота получить уравнение Движе­ ния ударной части в общем виде не представляется возможным. Однако модель, представленная на рис. 7, при постоянном ко­ эффициенте R является полностью детерминированной, и при задании начальных условий в принципе можно определить, на­ пример, величину перемещения, соответствующую любому мо­ менту времени t.

Решение указанной задачи может быть получено на основе представления движения ударной части как суммы переносного и относительного движений. Модель, соответствующая такому представлению, дана на рис. 9.

Особенность предлагаемой методики состоит в том, 'что по­ нятие силы в ней не используется. Исследование ограничи­

29