Устройство для автоматического управления процессом шарошечного бурения

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Е 21 В 44/00 с прнсоелиненнем заявки РЙ3Ъаударстааннмй комитет

СССР (23) Приоритетна делам изобретений и открытий

Опубликовано 0.01.82. Бюллетень Р1е 4 (53) УДК 622.24.08 (088.8) Дата опубликования описания 30.0 1.82

Л.И.Балагуров, Д.НЛапаренко, А.Г.Афанас и И.И.Хошмухамедов (72) Авторы изобретения

Государственный проектно- конструкторский исследовательский институт по автоматиза промышленности (Ги проу глеа втомати з ац (7!) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ШАРОИЕЧНОГО БУРЕНИЯ

Изобретение относится к автоматизации, производственных процессов на карьерах.

Известно устройство для автоматического управления процессом бурения шарошечными буровыми станками, кото5 рое включает регулируемый привод вращателя, дроссельный гидропривод подачи, серводвигатель дросселя, датчик скорости подачи и блок регулито рования нагрузки 111.

Недост ат ками уст рой ст ва я вля ются то, что им не обеспечиваются берение с минимальной энергоемкостью и защита бурового станка от черезмерных динамических нагрузок.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство автоматического управления процессом шарошечного бурения, включающее регулируемый привод вращателя, линейный гидродвигатель подачи, датчики скоростей приводов вращения и подачи, гидронасос, усилитель и три элемента сравнения(23.

Основные недостатки известного устройства определяются тем, что им осуществляется подача бурового инструмента на забой с помощью дроссельного регулирования давления в гидросистеме привода подачи беэ четкого согласования скоростей вращения и подачи бурового става. При таком приводе подачи основным управляющим воздействием является давление, дополнительно регулируют скорость подачи и вращения бурового става.

Следовательно, процесс бурения зависит от трех регулируемых координат, которые взаимосвязаны и, кроме того, корректируются в зависимости от уровня вибрации бурового станка, определяемого датчиком виброскорости. Очевидно, что использование в процессе . управления трех координат затрудняет ведение процесса бурения íà оптимальном уровне, т.е. при минимагь3 90147 ной энергоемкости разрушения горной породы, поскольку весьма трудно установить в процессе бурения их взаимосвязь как при визуальном наблюдении за процессом, так и с помощью средств автоматики. Кроме того, дроссельное регулирование не обеспечивает плавного регулирования скорости подачи долота на забой при резких изменениях крепости буримой 10 породы. Например, при резком уменьшении крепости породы буровой инструмент как бь1 проваливается в породу, что сопровождаетGR его заклиниванием и выходом из строя. Помимо 1s этого, дроссельное регулирование является нелинейным и медленно действующим, поскольку регулятор давления .представляет собой интегрирующее звено. Это исключает возможность по- ув строения быстродействующих, достаточно эффективных систем защиты буровых станков от вибрации. К отмеченному следует добавить, что использование в качестве датчика вибрации датчика 2s виброскорости также является фактором, снижающим быстродействие защиты бурового станка от вибрации, целесообразнее измерять виброускорение, которое характеризует уровень вибрации зо с некоторь и опережением, Таким образом, недостатки известного устройства состоят в том, что оно не обеспечивает плавности пода" чи долота на забой, необходимой эффективности защиты бурового станка от вибрации, что существенно снижает его производительность, не устраняет возможность заклинивания буро" ного инструмента при резких изменениях крепости буримой породы, не обеспечивает процесса бурения с минимальной энергоемкостью с необходимой точностью, обладает малым быстродействием при работе в режиме ограничите- 4> ля вибрации и других перегрузок.

Цель изобретения - повышение качества управления процессом бурения.

Указанная цель достигается тем, что устройство снабжено датчиком виброускорения, блоком определения среднего значения виброускорения, блоком задания отношения скоростей приводов подачи и вращения и после довательно соединенными блоком коррекции скорости подачи и блоком регулирования скорости вращения гидронасоса, выход которого подключен

8 4 к 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 и вращения, причем ко второму входу первого элемента сравнения и ко второму входу усилителя подключен выход блока опредения среднего значения виброускорения, ко входу которого и ко второму входу второго блока сравнения подключен выход датчика виброускорения, к третьему входу второго элемента сравнения подключен датчик скорости привода подачи, а выход первого элемента сравнения соединен с одним иэ входов третьего элемента сравнения, ко второму входу которого подключен датчик скорости привода вращения.

На чертеже изображена блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство включает регулируе- . мый привод 1 вращателя, состоящий из элемента 2 сравнения, двигателя 3 с элементами управления им, датчика 4 скорости привода вращения, блок 5 эадания отношения скоростей подачи и вращения бурового става, элемент 6 сравнения контура коррекции скоростей подачи и вращения, элемент 7 сравнения привода подачи, усилитель 8 с регулируемым коэффициентом усиления, блок 9 коррекции скорости привода подачи, блок 10 регулирования скорости, вращения гидронасоса, регулируемый гидронасос 11, линейный гидродвигатель 12 подачи бурового става, датчик 1З скорости линейного гидродвигателя подачи, датчик

14 виброускорителя, блок t5 определения среднего значения виброускорения с задатчиком уровня срабатывани

Выход 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 соединен с блоком задания отношения скоростей подачи и вращения бурового става, а выход подключен ко входу регулируемого привода враща := ля и

5 90147 другому входу элемента сравнения привода подачи, третий вход которого соединен с датчиком скорости линейного гидродвигателя подачи, а выход подключеН к цепочке последовательно соединенных блока регулирования скорости подачи, блока регулирования эксцентриситета или скорости вращения гидронасоса, регулируемого гидронасоса, линейного гидродвигате- )O ля подачи, датчика скорости линейного гидродвигателя подачи.

Устройство работает следующим образом.

На выходе блока 5 задания отношения скоростей подачи и вращения бурового става формируется сигнал, пропорциональный этому отношению.

Этим сигналом, проходящим через блок

6 сравнения, задаются максимальные р0 скорости подачи и вращения, обеспечивающие максимальную производительность бурового станка при максималь" ном отношении скоростей, т.е. при максимальном внедрении зуба шарошки в разрушаемую породу, что следует из выражения ч= 1кЬям ф, 2,1, Ч

1СЬ)Ф 4 С >

45 где

Согласно теории механического разрушения горных пород энергоемкость разрушения минимальна при максимальном сколе, т.е. в данном случае при максимальном значении h. Следовательно, выбором скоростей подачи и вращения на.максимальном уровне при максимальной глубине внедрения зуба шарошки h достигается разрушение по55 роды с минимальной энергоемкостью и с максимальной производительностью.

Регулирование скоростей подачи и вращения осуществляется устройстгде Ч - скорость подачи долота на забой;

h - глубина внедрения зуба шарошки в породу, скорость вращения бурового става, m - -число шарошек долота; коэффициент, учитывающий уменьшение скорости бурения из-за неполного скалывания породы между зубьями.

Из приведенной формулы

8 6 вом в функции отклонения их текущих значений от заданных, которые пропорциональны выходному сигналу блока 6.

Гекущие значения скоростей измеряются датчиками 4 скорости и 13, а сиг-. налы отклонения определяются элементами 2 и 7 сравнения» Сигнал отклонения скорости вращения от заданного значения отрабатывается приводом вращателя с блоками 3 управления им.

Сигнал отклонения скорости подачи т.е. выходной сигнал блока 7, усиливается усилителем 8, преобразуется блоком 9 коррекции скорости . привода подачи с целью обеспечения необходимого качества регулирования скорости подачи, преобразуется блоками

10 регулирования эксцентриситета или скорости вращения гидронасоса в изменение эксцентриситета или скорости вращения гидронасоса 11, благодаря чему изменяется его производительность, а следовательно, скорость подачи линейного гидродвигателя 12 подачи. Давление в гидросистеме гидропривода подачи и пропорциональное ему давление долота на забой при таком регулировании скоростей подачи и вращения бурового става формирует30 ся автоматически пропорционально крепости буримой породы. Однако при бурении с минимальной энергоемкостью разрушение породы не является оптимальным в смысле динамической нагруженности бурового

35 станка. При увеличении крепости бу" римой породы и больших скоростях вращения долота возрастает вибрация бурового станка, что определяется несоответствием скорости прило40 жения усилия к породе к скорости .ее разрушения. С увеличением крепости буримой породы скорость вращения долота должна уменьшаться.

Очевидно, что энергоемкость разрушения породы в этом случае необ" ходимо сохранить на минимальном уров не, что достигается при снижении скорости вращения долота таким же снижением скорости пода и его на забой. Эта задача в .устройстве решается блоками 15,6 и 14. Увеличение уровня вибрации фиксируется датчиком 14 вибрации. Блоком 15 выявляется сигнал среднего значения виброускорения за период колебания, который при достижении заданного пре.дела вычитается в элементе 6 из выходного сигнала блока 5. Следователь"

901478

I5

Зо

50 но, при увеличении вибрации бурового станка одновременно и в равной степени снижается как скорость вращения, так и скорость подачи, а глубина внедрения зуба шарошки остается постоянной. Давление долота на забой по-прежнему определяется крепостью буримой породы.

Дальнейшее понижение уровня вибрации может быть достигнуто некоторым снижением глубины внедрения зуба шарашки, т.е. отходом от критерия минимума энергоемкости разрушения.

С этой целью в устройстве выходной сигнал датчика виброускорения подается в элемент 7 сравнения, благодаря чему осуществляется демпфирование колебаний скорости подачи бурового става на забой, так как сигнал виброускорения есть первая производ" ная от сигнала виброскорости, Кроме того, как известно из теории динамики горных машин, уровень вибрации существенно зависит от параметров привода, осуществляющеro подачу инструмента на забой . Особенно существенное влияние оказывает коэффициент жесткости механической характеристики привода, который зависит от коэффициента передачи разомкнутой системы управления им, Уровень вибрации снижается, если коэффициент передачи разомкнутой системы при увеличении вибрации s определенных пределах уменьшается. Использование этого фактора в устройстве осуществляется с помощью усилителя 8 с переменным коэффициентом усиления, регулируемым QT выходного сигнала блока I5 °

Использование изобретения позволяет повысить производительность бур ового станка за счет оптимизации процесса бурения породы, повышает долговечность его работы вследствие более эффективного снижения уровня вибрации, снижает расход бурового инструмента, Согласно современным представлениям производительность бурового станка при этом возрастает на 25-50 . формула изобретения

Устройство для автоматического управления процессом шарошечного бурения, содержащее регулируемый привод вращателя, датчики скоростей приводов вращения и подачи, линейный гидродвигатель подачи, гидронасос, усилитель и три элемента сравнения, о т л и ч а ю щ е е с я. тем, что, с целью повышения качестsa управления, оно снабжено датчиком виброускорения, блоком определения среднего значения виброускорения, блоком задания отношения скоростей приводов подачи и вращения и последовательно соединенными блоком коррекции скорости подачи и блоком регулирования скорости вра" щения гидронасоса, выход которого подключен к 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 и вращения, причем ко второму входу первого элемента сравнения и ко второму входу усилителя подключен выход блока определения среднего значения виброускорения, ко входу которого и ко второму входу второго блока сравнения подключен выход датчика виброускорения, к третьему входу второго элемента сравнения подключен датчик скорости привода подачи, а выход первогс элемента сравнения соединен с одним из входов третьего элемента сравнения, ко второму входу которого подключен датчик скорости привода вращения.

Источники информации принятые во внимание при экспертизе

1. Баккала P.À и др. Система ав" томатизации процесса вращательного бурения, - Торный журчал", 19á3, М 12, 2. Буткин В.Д. и Жуковский А.А, Система автомати ческого упр авл ения процессом шарошечного бурения, - Гор« ный журнал", 1972, Н 9 (прототип).