ДИНАМИЧЕСКИ УРАВНОВЕШЕННЫЙ БУРОВОЙ СНАРЯД НA ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ ДЛЯ ВЗЯТИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ПОДЛЕДНИКОВЫХ ОЗЁР В АНТАРКТИДЕ За. СТАТЬЯ. Динамически уравновешенный буровой снаряд нa
 Скачать 0.78 Mb.
|
|
УДК 621.398 Динамически уравновешенный буровой снаряд нa грузонесущем кабеле для взятия донных отложений подледниковых озёр в Антарктиде Загривный Э.А.*, Поддубный Д.А.** * Санкт-Петербургский горный университет, Россия, Санкт-Петербург, zagrivniy@yandex.ru ** Санкт-Петербургский горный университет, Россия, Санкт-Петербург, poddubniy.da@yandex.ru Аннотация. Санкт-Петербургский горный университет с 1970 года проводит бурение глубокой скважины на станции Восток в Антарктиде. Разработанный уникальный буровой комплекс для бурения ледников не приспособлен для взятия донных проб подледниковых озёр. В 1995 году были начаты работы по созданию технических средств бурения донных отложений. Разработан динамически уравновешенный буровой снаряд с авторезонансным электроприводом Ключевые слова: авторезонанс, буровой снаряд, грузонесущий кабель, автоколебания, электротехнический комплекс, синхронный электродвигатель. DYNAMICALLY BALANCED DRILLING MACHINE FOR A LOAD-CARRYING CABLE FOR TAKING BOTTOM SEDIMENTS OF SUBGLACIAL LAKES IN ANTARCTICA Zagrivny EA, * Poddubny DA ** * Saint Petersburg Mining University, Russia, Saint-Petersburg, zagrivniy@yandex.ru ** Saint Petersburg Mining University, Russia, Saint-Petersburg, poddubniy.da@yandex.ru Annotation. Since 1970 the St. Petersburg Mining University has drilled a deep well at the Vostok station in Antarctica. The developed unique drilling complex for drilling glaciers is not suitable for taking bottom samples of subglacial lakes. In 1995, work was begun to create technical means for drilling bottom sediments. A dynamically balanced drill with autoresonance electric drive was developed. Key words: autoresonance, drilling tool, load-carrying cable, auto-oscillation, electrotechnical complex, synchronous electric motor. Введение. Силами Ленинградского горного института и Арктического и антарктического научно-исследовательского института на станции Восток с 1970 года проводилось бурение скважины с целью изучения строения ледника и восстановления палеоклимата на Земле. В 1995году под станцией Восток в Антарктиде на глубине 3600-4000 метров было открыто уникальное подледниковое озеро. С достаточно высокой определенностью стало очевидным, что после вскрытия этого озера мировое научное сообщество поставит задачу взятия донных проб. Активная разработка электротехнического комплекса для бурения донных пород водоёмов на базе бурового снаряда на грузонесущем кабеле в Горном университете началась с 1995 года. К моменту вскрытия озера Восток на глубине 3769,3 метра 5 февраля 2012 года работы по решению задачи бурения донных пород озера значительно продвинулись [1]. Динамически уравновешенный буровой снаряд Для решения поставленной задачи были разработаны и защищены патентами РФ буровые динамически уравновешенные буровые снаряды (ДУБС) на грузонесущем кабеле, алгоритмы и схемы управления возбуждением и поддержанием авторезонансных возвратно-вращательных движений ротора электродвигателя привода колонковой трубы с буровой коронкой, датчик скорости и положения ротора для управления возбуждением и поддержанием авторезонансных колебаний ротора [2-7]. Проведены теоретические и лабораторные исследования динамических процессов в электромеханической системе бурового снаряда. На основе полученных данных разработан электротехнический комплекс и его физический макет (рисунок 1). Отличительными особенностями динамически уравновешенного бурового снаряда от известных являются отсутствие редуктора и распорной системы, воспринимающей реактивный момент при работе породоразрушающего инструмента на забое, что упрощает конструкцию и обеспечивает надежную работу снаряда в ледовых скважинах и в металлической обсадной колонне Динамически уравновешенный буровой снаряд (ДУБС) на грузонесущем кабеле для бурения донных пород озера Восток (рисунок 1,б) представляет собой двухмассовую электромеханическую колебательную систему с электроприводом возвратно-вращательного движения (рисунок 1,а). Роторная часть ДУБС 5,8,9 с алмазной буровой коронкой 10 соединена со статорной частью 2,6,7 пружиной кручения 4 [7].  а) б) Рисунок 1 - а) Конструктивная схема ДУБС: 1 - грузонесущий кабель; 2 - кабельный замок; 3 – приводной вентильный электродвигатель с электроотсеком; 4 –пружина кручения; 5 – крепежное кольцо на роторе; 6 – статорная труба; 7 –крепежное кольцо в статорной трубе; 8 – вал ротора; 9 – колонковая труба; 10 – буровая коронка. б) расчетная схема ДУБС. в) Графики процесса установившихся вынужденных колебаний на резонансной частоте электромеханической системы. г) Принципиальная схема электротехнического комплекса с динамически уравновешенным буровым снарядом на грузонесущем кабеле: 1 – управляемый преобразователь переменного тока в постоянный; 2 – грузонесущий кабель; 3 – центральная экранированная жила грузонесущего кабеля; 4 – ДУБС; 5 – обмотка датчика скорости; 6 – датчик забоя; СУ- система управления; ДТ – датчик тока; ДН – датчик напряжения; L – дроссель; U2 – напряжение на выходе инвертора. д) Поперечное сечение грузонесущего кабеля марки КГ1х1,5+6х2,5-125-200. е) Результаты бурения на полнотелом кирпиче марки М-150 и полученный керн. В зависимости от схем соединения обмоток статора трехфазного синхронного электродвигателя при питании от однофазного автономного инвертора тока и реверсировании электромагнитного момента в точках нулевой скорости ротора можно получать в электромеханической колебательной системе динамически уравновешенного бурового снаряда заданные авторезонансные возвратно-вращательные колебания ротора с размахом 60, 120, и 180 геометрических градусов [6]. При действии на статор J1 и ротор J2 разнонаправленных моментов М1=М2=М углы поворотов этих частей относительно неподвижного узлового сечения А-А определяются соотношениями (рисунок1,б) , . (1) где - полный угол закручивания торсиона (пружины кручения), рад (рис1,б,в,г). Схема соединения обмоток статора (рисунок 2б) позволяет получить колебания ротора относительно статора с размахом колебаний 180 геом. градусов. На рисунке 2а представлены потокосцепления ротора и статора при подаче напряжения по выбранной схеме . а)  I II III Рисунок 2 – а) схемы потокосцеплений ротора и статора при начальной установке ротора (II) и различных направлениях токов в обмотках статора (I), (III), б) схема соединений источника питания и обмоток статора авторезонансного вентильного электропривода возвратно – вращательного движения Учитывая, что в рассматриваемом случае все обмотки размещены на статоре, а потокосцепление ротора определяется постоянными магнитами, то при определении электромагнитного момента в режиме установившихся вынужденных колебаний в электроприводе возвратно-вращательного движения удобно пользоваться выражением : (2) где ψS - потокосцепление статора, ψR=const - потокосцепление ротора [5,7]. Выражение для максимального электромагнитного момента при φ =90 геом. градусов можно представить в виде: работы ДУБС: (3) где, Для поддержания авторезонансных колебаний электропривода ДУБС необходимо реверсировать электромагнитный момент двигателя в точках, когда скорость ротора относительно статора равна нулю, т.е. в каждом полупериоде колебаний момент электродвигателя и скорость ротора должны быть синфазны [3]. Реализовать этот закон управления можно с помощью замкнутой системы управления со специальным датчиком скорости и положения [4]. На рисунке 3 приведены осциллограммы токов и напряжений, полученные в ходе экспериментальных исследований на лабораторном физическом макете ДУБС. На них видно, что схема управления в точках, когда скорость ротора равна 0 (UДС=0В) формирует управляющее импульсы, которыми осуществляется реверс электромагнитного момента приводного электродвигателя.  Основные научные выводы и результаты: 1. К достоинствам динамически уравновешенного бурового снаряда можно отнести возможность получения предельно допустимых средних линейных скоростей резания породоразрушающего инструмента, которые при гармоническом законе движения определяются амплитудой, частотой колебания и диаметром коронки, то есть: ; ; , (4) где Vср, Vmax – соответственно средняя и максимальная скорости, м/с; А – амплитуда колебаний, рад; – резонансная частота электромеханической системы, 1/с; D – диаметр коронки, м. 2. Разработанная система автоматического управления авторезонансным электроприводом обеспечивает режим движения буровой коронки с амплитудой 300, 600 и 900.геометрических градусов. 3. Разработанная методика позволяет определить скорость вращательного движения ДУБС вокруг своей оси при работе в авторезонансном режиме со сложным движением буровой коронки в несимметричном режиме в зависимости от резонансной частоты электромеханической системы, амплитуды колебаний и нагрузки на буровой коронке. 4. В результате исследований разработана математическая модель ДУБС, которая позволяет проводить анализ нормальных, анормальных и аварийных режимов работы, а также исследовать работу ДУБС в несимметричном режиме авторезонансных колебаний. 5. С помощью компьютерных средств проведено имитационное моделирование и исследование симметричных и несимметричных режимов работы ДУБС подтвердило устойчивость резонансных автоколебаний с комбинированной нагрузкой. 6. По результатам исследований ЭМС ДУБС защищено шесть диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук и получено шесть патентов РФ. 7. Следует особо отметить, что выполненные теоретические, экспериментальные и проектные работы позволяют создать полноразмерный буровой комплекс для бурения донных отложений озёр. Нет сомнений, что такой комплекс будет полезен для исследования донных отложений уникального озера Байкал. Предлагается совместными усилиями создать для уникального озера уникальный буровой комплекс. Библиография Васильев Н.И., Лейченков Г.Л., Загривный Э.А. Перспективы получения образцов донных отложений подледникового озера Восток // Записки Горного института: РИЦ СПГУ, - г. СПб. - Т. 22 – 2017 - С. 199-208 Загривный Э.А., Фоменко А.Н., Иваник В.В Электромеханический колонковый буровой снаряд / Патент РФ на полезную модель №95728 // от 11.12.2009 г. Загривный Э.А., Гаврилов Ю.А. Способ возбуждения и регулирования авторезонансных колебаний в электроприводе возвратно-вращательного движения // Патент Российской Федерации, № 2410826 // Бюл. №3, 27.01.2011. Загривный Э.А., Фоменко А.Н., Иванник В.А., Гаврилов Ю.А., Губарь Н.С. Бесконтактный датчик скорости вращения и положения ротора. // Патент Российской Федерации №2488122. // Бюл. № 20, 10.07.2010 Загривный Э.А., Губарь Н.С., Поддубный, Д.А. Лабораторные экспериментальные исследования динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле с авторезонансным электроприводом возвратно – вращательного движения.// «Народное хозяйство республики Коми»// г. Воркута, №1, 2013г. - С.39-44. Загривный Э.А., Поддубный, Д.А. Электротехнический комплекс на основе динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле. / Э.А. Загривный, Д.А. Поддубный.// Сборник докладов всероссийской научно-технической конференции «Проблемы научно-технического прогресса в бурении скважин»// г. Томск, 2014г. - С. 41-54 Загривный Э.А., Поддубный, Д.А. Буровой снаряд на грузонесущем кабеле с бездатчиковым управлением авторезонансным вентильным электроприводом. Э.А. Загривный, Д.А. Поддубный.// «Известия Тульского государственного университета. Технические науки»// г. Тула, №3, 2016г. – С. 178-187 |