Устройство для автоматического управления процессом шарошечного бурения

Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик Оп ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ а 901478(51)М. Кл Е 21 В 44/00 с прнсоелиненнем заявки Рй 1 Ъаударстааиимй комитет СССР(23) Приоритетва делам иэабретеиий и открытий(53) УДК 622.24,08 (088.8 Э Дата опубликования описания 30.0 1.82 Л,И.Балагуров, Д.НЛапаренко, А.Г,Афанас и И.И.Хошмухамедов72) Авторы изобретения сударственный проектно-конструкторский следовательский институт по автоматизапромышленности (Гипроуглеавтоматизац 71) Заявите) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ШАРОИЕЧНОГО БУРЕНИЯ к автомати оцессов на вля ются берении за- мерных На ущно стро ния пр вклюца щателя ци,Изобретение относитсяэации, произ водст венных пркарьерах.Известно устройство для автомати цеского управления процессом бурени шарошецными буровыми станками, кото рое включает регулируемый привод вращателя, дроссельный гидропривод подачи, серводвигатель дросселя, да цик скорости подачи и блок регулирования нагрузки 111.Недостатками устройства я то, цто им не обеспечиваются с минимальной энергоемкостью щита бурового станка от чрез динамических нагрузок. олее близким по техническойи к предлагаемому являетсятво автоматического управле ессом шарошецного бурения,ее регулируемый привод вралинейный гидродвигатель по"тцики скоростей приводов вращения и подачи, гидронасос, усилитель и три элемента сравнения(21.Основные недостатки известногоустройства определяются тем, цто им осуществляется подача бурового инструмента на забой с помощью дроссельного регулирования давления в гидросистеме привода подачи беэ четкого согласования скоростей вращения и топодачи бурового става, При таком при" воде подачи основным управляющим воздействием является давление, дополнительно регулируют скорость подачи и вращения бурового става, Следовательно, процесс бурения эави" сит от трех регулируемых координат, которые взаимосвязаны и, кроме того, корректируются в зависимости от уровня вибрации бурового станка, определяемого датциком виброскорости, Очевидно, цто использование в процессе .управления трех координат затрудняет ведение процесса бурения на оптимальном уровне, т,е. при минималь 3 901 ц 7ной энергоемкости разрушения горнойпороды, поскольку весьма трудно установить в процессе бурения их взаимосвязь как при визуальном наблюдении за процессом, так и с помощьюсредств автоматики, Кроме того,дроссельное регулирование не обеспечивает плавного регулирования скорости подачи долота на забой прирезких изменениях крепости буримой 10породы. Например, при резком уменьшении крепости породы буровойинструмент как бь 1 проваливается впороду, что сопровождается его заклиниванием и выходом из строя. Помимо 15этого, дроссельное регулирование является нелинейным и медленно действующим, поскольку регулятор давления.представляет собой интегрирующеезвено. Это исключает возможность по Остроения быстродействующих, достаточно эффективных систем защиты буровыхстанков от вибрации, К отмеченномуследует добавить, что использованиев качестве датчика вибрации датчика 25виброскорости также является фактором, снижающим быстродействие защитыбурового станка от вибрации, целесообразнее измерять виброускорение, которое характеризует уровень вибрации зос некоторь и опережением,Таким образом, недостатки известного устройства состоят в том, чтооно не обеспечивает плавности пода"чи долота на забой, необходимойэффективности защиты бурового станка от вибрации, что существенно снижает его производительность, не устраняет возможность заклинивания буро"ного инструмента при резких изменениях крепости буримой породы, не обес.печивает процесса бурения с минимальной энергоемкостью с необходимой точностью, обладает малым быстродействием при работе в режиме ограничителя вибрации и других перегрузок.Цель изобретения - повышение ка"чества управления процессом бурения. Указанная цель достигается тем,что устройство снабжено датчикомвиброускорения, блоком определениясреднего значения виброускорения,блоком задания отношения скоростейприводов подачи и вращения и после довательно соединенными блоком коррекции скорости подачи и блоком регулирования скорости вращения гидронасоса, выход которого подключен 8 4к гидронасосу, а ко входу блока коррекции скорости подачи через последовательно соединенные первый и второй элементы сравнения и усилитель подключен выход блока задания отношения скоростей приводов подачи ивращения, причем ко второму входупервого элемента сравнения и ко второму входу усилителя подключенвыход блока опредения среднего значения виброускорения, ко входу которого и ко второму входу второго блока сравнения подключен выход датчика виброускорения, к третьему входувторого элемента сравнения подключен датчик скорости привода подачи,а выход первого элемента сравнениясоединен с одним из входов третьегоэлемента сравнения, ко второму входукоторого подключен датчик скоростипривода вращения,На чертеже изображена блок-схемапредлагаемого устройства.Устройство включает регулируе- .мый привод 1 вращателя, состоящийиз элемента 2 сравнения, двигателя 3 с элементами управления им, датчика ч скорости привода вращения,блок 5 задания отношения скоростейподачи и вращения бурового става,элемент 6 сравнения контура коррекции скоростей подачи и вращения, эле"мент 7 сравнения привода подачи, усилитель 8 с регулируемым коэффициентом усиления, блок 9 коррекции скорости привода подачи, блок 1 О регулирования скорости, вращения гидронасоса, регулируемый гидронасос 11, линейный гидродвигатель 12 подачи бурово"го става, датчик 13 скорости линейного гидродвигателя подачи, датчик1 ч виброускорителя, блок 15 определения среднего значения виброускорения с задатчиком уровня срабатывания. 1Выход датчика виброускорения подключен ко входу элемента сравнения привода подачи и блока определения среднего значения виброускорения с задатчиком уровня срабатывания, соединенного выходом со входами усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и элемента сравнения контура коррекции скоростей вращения и подачи, другой вход которого соеди" нен с блоком задания отношения скоростей подачи и вращения бувового става, а выход подключен ко входу регулируемого привода вращаля и5 90117 другому входу элемента сравнения привода подачи, третий вход которого соединен с датчиком скорости линейного гидродвигателя подачи, а выход подклюцей к цепочке последовательно соединенных блока регулирования скорости подачи, блока регулирования эксцентриситета или скорости вращения гидронасоса, регулируемого гидронасоса, линейного гидроднигате О ля подачи, датчика скорости линейного гидродвигателя подачи.Устройство работает следующим образом.На выходе блока 5 задания отно шения скоростей подачи и вращения бурового става формируется сигнал, пропорциональный этому отношению. Этим сигналом, проходящим через блок 6 сравнения, задаются максимальные 20 скорости подачи и вращения, обеспечивающие максимальную производительность бурового станка при максималь" ном отношении скоростей, т,е. при максимальном внедрении зуба шарошки 25 в разрушаемую породу, цто следует из выражения Ч=ЬЬям ЛЧ1 сь)Ф " Я45 гдеСогласно теории механического разрушения горных пород энергоемкость разрушения минимальна при максимальном сколе, т.е. в данном случае при максимальном значении и, Следовательно, выбором скоростей подачи и вращения на,максимальном уровне при максимальной глубине внедрения зуба шарошки и достигается разрушение по 55 роды с минимальной энергоемкостью и с максимальной производительностью.Регулирование скоростей подачи и вращения осуществляется устройстгде Ч - скорость подачи долота назабой;и - глубина внедрения зуба шарошки н породу,скорость вращения буровогостава;в - число шарошек долота;коэффициент, учитывающийуменьшение скорости буренияиз-за неполного скалыванияпороды между зубьями. Из приведенной формулы 8 6вом в функции отклонения их текущихзначений от заданных, которые пропорциональны выходному сигналу блока 6,Гекущие значения скоростей измеряются датчиками 1 скорости и 13, а сиг-.налы отклонения определяются элементами 2 и 7 сравнения, Сигнал отклонения скорости вращения от заданногозначения отрабатывается приводомвращателя с блоками 3 управления им.Сигнал отклонения скорости подачит.е. выходной сигнал блока 7, усиливается усилителем 8, преобразуетсяблоком 9 коррекции скорости, приводаподачи с целью обеспечения необходимого качества регулирования скорости подачи, преобразуется блоками10 регулирования эксцентриситета илискорости вращения гидронасоса в изменение эксцентриситета или скоростивращения гидронасоса 11, благодарячему изменяется его производительность, а следовательно, скорость подачи линейного гидродвигателя 12 подачи. Давление н гидросистеме гидро"привода подачи и пропорциональноеему давление долота на забой при таком регулировании скоростей подачии вращения бурового става формируется автоматически пропорционально крепости буримой породы.Однако при бурении с минимальнойэнергоемкостью разрушение породы неявляется оптимальным в смысле динамической нагруженности бурового 35станка. При увеличении крепости бу"римой породы и больших скоростяхвращения долота возрастает вибра"ция бурового станка, что определя"ется несоответствием скорости приложения усилия к породе к скорости .ееразрушения. С увеличением крепостибуримой породы скорость вращениядолота должна уменьшаться.Очевидно, что энергоемкость разрушения породы в этом случае необ"ходимо сохранить на минимальном уронне, что достигается при снижениискорости вращения долота таким жеснижением скорости подаци его на забой. Эта задача в устройстве решается блоками 15,6 и 11, Увеличениеуровня вибрации фиксируется датчиком 14 вибрации. Блоком 15 выявляется сигнал среднего значения виброускорения за период колебания, кото.рый при достижении заданного пре.дела вычитается в элементе 6 из выходного сигнала блока 5. Следователь"510 35 20 25 Зо 35 40 45 50 нопри увеличении вибрации бурового станка одновременно и в равнойстепени снижается как скорость вращения, так и скорость подачи, а глубина внедрения зуба шарошки остается постоянной. Давление долота назабой по-прежнему определяется крепостью буримой породы,Дальнейшее понижение уровня вибра"ции может быть достигнуто некоторымснижением глубины внедрения зубашарашки, т.е. отходом от критерияминимума энергоемкости разрушения.С этой целью в устройстве выходнойсигнал датчика виброускорения подается в элемент 7 сравнения, благодаря чему осуществляется демпфированиеколебаний скорости подачи буровогостава на забой, так как сигналвиброускорения есть первая производ"ная от сигнала виброскорости, Крометого, как известно из теории динамики горных машин, уровень вибрациисущественно зависит от параметровпривода, осуществляющего подачуинструмента на забой . Особенно существенное влияние оказывает коэффициент жесткости механической характеристики привода, который зависитот коэффициента передачи разомкнутой системы управления им, УрВвеньвибрации снижается, если коэффициентпередачи разомкнутой системы при увелицении вибрации в определенных пределах уменьшается. Использование этого фактора в устройстве осуществляется с помощью усилителя 8 с переменным коэффициентом усиления, регулируемым от выходного сигнала блока 15.Использование изобретения позволяет повысить производительность буР ового станка за счет оптимизациипроцесса бурения породы, повышаетдолговечность его работы вследствиеболее эффективного снижения уровнявибрации, снижает расход буровогоинструмента, Согласно современнымпредставлениям производительностьбурового станка при этом возрастаетна 25-50,формула изобретенияУстройство для автоматическогоуправления процессом шарошечногобурения, содержащее регулируемыйпривод вращателя, датчики скоростей приводов вращения и подачи,линейный гидродвигатель подачи,гидронасос, усилитель и три элемента сравнения, о т л и ц а ю щ е е с я.тем, что, с целью повышения качества управления, оно снабжено датчиком виброускорения, блоком определения среднего значения виброускорения, блоком задания отношенияскоростей приводов подачи и вращения и последовательно соединеннымиблоком коррекции скорости подачии блоком регулирования скорости вра"щения гидронасоса, выход которогоподключен к гидронасосу, а ко входублока коррекции скорости подачичерез последовательно соединенныепервый и второй элементы сравненияи усилитель подключен выход блоказадания отношения скоростей приводовподачи и вращения, причем ко второму входу первого элемента сравненияи ко второму входу усилителя подключен выход блока определения среднего значения виброускорения, ковходу которого и ко второму входувторого блока сравнения подключенвыход датчика виброускорения, ктретьему входу второго элемента сравнения подключен датчик скорости привода подачи, а выход первогс элемента сравнения соединен с однимиз входов третьего элемента сравнения, ко второму входу которого подключен датцик скорости привода вращения.Источники информациипринятые во внимание при экспертизе1. Баккала Р.А и др. Система ав"томатизации процесса вращательногобурения, - Торный журчал", 19 б 3,Ю 12,2. Буткин В,Д, и Жуковский А,А,Система автомати цеского упр авл енияпроцессом шарошечного бурения, - Горный журнал", 1972, У 9 (прототип).