Буровой станок. Патентно-информационный обзор существующих конструкций. Описание разработанного изделия

ВВЕДЕНИЕ

Горнодобывающая промышленность на современном этапе характеризуется интенсивным развитием открытого способа разработки полезных ископаемых, при котором первоочередным процессом является бурение разведочных скважин. В связи с этим, вопросы совершенствования техники и технологии геолого- разведочного бурения приобрели особо важное значение.

Из различных способов проходки разведочных скважин в горной промышленности наиболее эффективным оказался способ шарошечного бурения, получивший широкое применение как на открытых разработках, так и на подземных - при добыче нефти и газа.

Однако при бурении скважин глубиной до 50 метров применение станков шарошечного бурения является не рациональным по сравнению с применением буровых станков  шнекового бурения.

Главным достоинством бурения шнеками является то, что без применения промывки, которую часто бывает трудно организовать при мелком бурении, разрушение породы и транспортировка её на поверхность производится одновременно.

Целью данного курсового проекта является разработка мобильного станка бурового шарошечного бурения для бурения геологоразведочных скважин глубиной до 30 метров и диаметром до 180 мм.

КП-10.00.00.000 ПЗ

Лист

4

Изм

Лист

№  докум.

Подп.

Дата

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Патентно-информационный анализ

В ходе выполнения курсового проекта был проведен патентно-информационный поиск, в результате которого было найдено большое количество патентов, как на буровые станки со шнековым рабочим органом, так  и на отдельные механизмы и узлы.

В общем, передвижные буровые установки шнекового бурения, обеспечивающие бурение скважин различного назначения широко распространены. Так, например, итальянской фирмой “Apageo Segelm” выпускаются небольшие станки  “Apafor 22” и “Apafor 30” для бурения скважин различного характера. Известны так же буровые станки фирмы “АТЛАС КОПКО”, МКСМ-800 (Курганского машзавода), ПУМ-500, 600 и 1000 (Уралвагонзавода),  BOBCAT-500 и 600 фирмы “CLARK” , машины фирмы “GENLMAX Champion”.

У нас широкое распространение получили буровые станки  российских заводов   “Стройдормаш” (рис.1) и “Уралмаш” (рис.2)

Рисунок 1 – Буровой станок УРБ-2М завода “Стройдормаш”

КП-10.00.00.000 ПЗ

Лист

5

Изм

Лист

№  докум.

Подп.

Дата

Рисунок 2 – Буровой станокУРБ-2А-2Б и УБР-2М завода “Уралмаш”

КП-10.00.00.000 ПЗ

Лист

6

Изм

Лист

№  докум.

Подп.

Дата

Главным достоинством рассмотренной техники для бурения шнеками является то, что без применения промывки, которую часто бывает трудно организовать при мелком бурении, разрушение породы и транспортировка её на поверхность производится одновременно.

Однако на вращение в скважине шнека требуется значительно большая мощность, чем на холостое вращение бурильных труб, кроме того вязкий, липкий материал транспортируется шнеком не всегда удовлетворительно.

Ниже представлено несколько найденных патентов.

КП-10.00.00.000 ПЗ

Лист

7

Изм

Лист

№  докум.

Подп.

Дата

1.2. Описание разработанного изделия

В процессе выполнения курсового проекта мне необходимо было спроектировать станок разведочного бурения для бурения скважин глубиной до 30м и диаметром до 180 мм на базе тракторного шасси.

По аналогии с уже существующей установкой разведочного бурения УРБ-2А-2, разработанная мною установка (рис.3) со всеми механизмами, входящими в её состав, смонтирована на собственной раме 1, прикреплённой к тракторному шасси “Беларус” и приводится в действие от его двигателя.

Установка имеет: сварную односекционную мачту, подъём – опускание которой осуществляется при помощи двух гидроцилиндров 7; перемещающийся по мачте вращатель 9 с гидроприводом, который используется в процессе бурения, наращивания бурильных шнеков без отрыва породоразрушающего инструмента от забоя и выполняет совместно с лебёдкой 6 по средствам канатов и полиспаста 8 работу по спуску – подъёму инструмента и его подачу при бурении.

Управление установкой полностью гидрофицировано, в том числе подъём – опускание мачты, и сконцентрировано на пульте управления 11. С целью повышения устойчивости станка там установлена два аутригера 12.

КП-10.00.00.000 ПЗ

Лист

15

Изм

Лист

№  докум.

Подп.

Дата

Рисунок 3 – Схема разрабатываемой установки

КП-10.00.00.000 ПЗ

Лист

16

Изм

Лист

№  докум.

Подп.

Дата

2. РАСЧЁТЫ

2.1. Общий расчёт сборочной единицы

В качестве сборочной единицы для расчёта был выбран редуктор вращателя, кинематическая схема которого представлена на рис.

Рисунок 4 – Схема редуктора

Прежде чем начинать расчёт редуктора необходимо найти требуемую мощность, частоту вращения и крутящий момент на выходном валу редуктора.

2.1.1 Выбор основных параметров рабочего органа

В качестве рабочего органа при шнековом бурении вместо бурильных труб используются шнеки, которые при вращении транспортируют породу с забоя на поверхность.

Шнеком называется такой транспортёр, в котором рабочим органом является винт, вращающийся в неподвижной трубе (скважине). Шнек, применяемый в бурении представляет собой полый вал с укрепленной на нём винтовой поверхностью из толстого листового железа. Снизу шнек несёт резец, который разрушает породу забоя. Ввинчиваясь в породу, как в гайку, шнек передвигает её к поверхности по своим винтовым линиям.

Итак, в качестве резца примем режущее двухпёрое долото РК4М из хромоникелевой стали 12ХН2 (ГОСТ 1245-83 ) с диаметром D = 180 мм, позволяющее бурить породы с приведенным пределом прочности = 20 МПа.

Наружный диаметр шнека D₁ для уменьшения трения о стенки скважины должен быть приблизительно на 10% меньше диаметра долота. Принимаем D₁=0,160 м.

Ход винтовой линии шнека Н составляет в среднем (1,1-1,2) D₁. Принимаем Н=175 мм.

КП-10.00.00.000 ПЗ

Лист

17

Изм

Лист

№  докум.

Подп.

Дата

2.1.2. Мощность, необходимая для работы вращателя

1. Потребное усилие подачи на долото Р_ос для разрушения породы

 кН,

где к_з – коэффициент, учитывающий затупление инструмента; к=1;

D – диаметр долота; D=0,180 м. ;

h  – величина заглубления шнека; h=0,015 м. ;

 – приведенный предел прочности породы; =20 МПа.

2. Потребный момент вращения долота М₁ , необходимый для разрушения породы

 кН м,

где z – количество зубьев на долоте; z=2;

μ₁– коэффициент трения породы о сталь; µ₁=1.

3. Минимальная частота вращения шнека

с^-1,

где β – угол наклона винтовой линии шнека; β=30;

μ₂– коэффициент трения породы о породу; µ₂=1,2.

D₁– диаметр шнека; D₁=0,160 м.

4. Максимальная теоретическая производительность шнека

 м³/ч ,

где п_вр – предельная частота вращения долота; п_вр=2 с^-1;

d – диаметр вала шнека; d=0,06;

к – коэффициент просыпания породы в зазор между шнеком и стенками скважины; к=0,8.

5. Момент, необходимый для обеспечения подъёма породы шнеком

кВт,

где v_под– предельная частота вращения долота; v_под =0,02 м/с ;

ρ – плотность породы; ρ=1,8т/м³.

к_р– коэффициент разрыхления породы; к_р=1,3.

Н – глубина бурения породы; Н=30 м.

6. Мощность двигателя вращателя

 кВт.

КП-10.00.00.000 ПЗ

Лист

18

Изм

Лист

№  докум.

Подп.

Дата

2.1.2. Расчёт общего передаточного числа редуктора

Для нормальной работы бурового станка необходимо выполнение следующих условий:

1.  Мощность приводного двигателя вращателя должна быть не меньше расчётной (N_вр=36,9 кВт).

2.  Частота вращения вращателя должна быть больше расчётной минимальной частоты вращения. Примем предельную частоту вращения вращателя равной 2 об/c.

Итак, приняв в качестве приводного двигателя гидромотор мощностью 40кВт и номинальной частотой вращения вала 1470 с^-1, общее передаточное число редуктора

Подбираем числа зубьев зубчатых колес исходя из значения передаточных чисел, размеров раздаточной коробки и принимая во внимание конструкцию аналоговой техники.

.

.

КП-10.00.00.000 ПЗ

Лист

19

Изм

Лист

№  докум.

Подп.

Дата

2.2. Расчёт параметров основных элементов

2.2.1. Проектный расчёт зубчатой передачи

Рассчитывать будем наиболее быстороходную цилиндрическую пару.

Для шестерни 1 принимаем материал сталь 45. Термическая обработка – нормализация, твердость 205 HB.

Для шестерни 2 принимаем материал сталь 45. Термическая обработка – нормализация, твердость 175 HB.

Предел контактной выносливости

 МПа;

 МПа.

Допускаемые контактные напряжения

 МПа;

 МПа;

где    z_№1=1;   z_№2=1;

S_H =1,1 – коэффициент запаса прочности.

Расчетное межосевое расстояние

мм,

где    к_а =49 – коэффициент, зависящий от типа зацепления;

y_а =0,315  – коэффициент ширины шестерни;

Т₂  – момент на валу II;

 Нּм,

где     N = 250 кВт ─ мощность двигателя.

Модуль зацепления:

 мм;

Значение  m_t округляем до ближайшей величины в соответствии с ГОСТ. Окончательно принимаем m_t = 4 мм.

Число зубьев зубчатого колеса 1

.

Окончательно принимаем z₁=23.

Число зубьев зубчатого колеса 2

Диаметры делительных диаметров колёс:

мм;

мм.

КП-10.00.00.000 ПЗ

Лист

20

Изм

Лист

№  докум.

Подп.

Дата

Диаметры вершин зубьев колёс:

мм;

мм.

Диаметры впадин зубьев колёс:

мм;

мм.

Уточняем межосевое расстояние:

a_w = (d_w1+d_w2)/2 = (92+368)/2 = 230 мм

Ширина венцов:

мм;

 мм.

Окружная сила в зацеплении скорость колёс:

 Н.

Окружная скорость колёс:

 м/с.

По таблице выбираем 7 степень точности.

Удельная окружная динамическая сила

Н/мм,

где     – коэффициент, учитывающий влияние вида зубчатой передачи и модификации профиля зуба ( табл.4.2.10, [1]); ;

 – коэффициент, учитывающий влияние разности шагов зацепления зубьев шестерни и колеса ( табл.4.2.12, [1]); ;

Удельная расчётная окружная сила в зоне её наибольшей концентрации:

Н

Коэффициент, учитывающий динамическую нагрузку в зацеплении:

Удельная расчётная окружная сила

Н/мм

Расчётное контактное напряжение

Н/мм

-условие прочности выполняется.

КП-10.00.00.000 ПЗ

Лист

21

Изм

Лист

№  докум.

Подп.

Дата

2.2.2. Расчёт валов

Принимаем [t_k] = 25 МПа для стали 45.

Быстроходный вал:

dв >=  м

Итак, принимаем:

·  Под присоединительный конец вала выбираем диаметр вала: 50,0 мм.

·  Под 1-й элемент (манжета) выбираем диаметр вала: 55,0 мм.

·  Под 2-й элемент (подшипник) выбираем диаметр вала: 60,0 мм.

·  Под 3-й элемент (ведущий) выбираем диаметр вала: 65,0 мм.

·  Под 4-й элемент (подшипник) выбираем диаметр вала: 60,0 мм.

Диаметры остальных валов назначаем исходя из конструктивных соображений и в соответствии с аналогичными конструкциями.

2.2.3. Проверка шпоночных соединений

Рассмотри шестерню на быстроходном валу.

Для данного элемента подбираем одну призматическую шпонку со скруглёнными торцами 15x8x36. Размеры сечений шпонки и пазов и длины шпонок по ГОСТ 23360-78 (см. табл. 8,9[1]).

Материал шпоноки - сталь 45 нормализованная.

Напряжение смятия и условие прочности проверяем по формуле 8.22[1].

σсм = Т / (dвала x (l - b) x (h - t1)) =

= 26000 / (50 x (36 - 15) x (8 -4 )) = 6,19 МПа  <=  [σсм]

где  Т = 26000 Н мм - момент на валу;

dвала = 50 мм - диаметр вала;

h = 8 мм - высота шпонки;

b = 15 мм - ширина шпонки;

l = 36 мм - длина шпонки;

t1 = 4 мм - глубина паза вала.

Допускаемые напряжения смятия при переменной нагрузке и при стальной ступице [σсм] = 75,0 МПа.

Проверим шпонку на срез по формуле 8.24[1].

σср = Т / (dвала x (l - b) x b) =

= 26000 / (50 x (36 - 15) x 15) = 1,65 МПа  <= [σср]

Допускаемые напряжения среза при стальной ступице [σср]=0,6 [σсм] =45 МПа.

Все условия прочности выполнены.

КП-10.00.00.000 ПЗ

Лист

22

Изм

Лист

№  докум.

Подп.

Дата

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИЗДЕЛИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Перед началом работы необходимо: осмотреть установку, проверить крепления насосов и маслобаков к раме, состояние и натяжку канатов талевой системы, затяжку болтов вращателя; проверить уровень масла в раздаточной коробке установки, вращателе и масляном баке, при необходимости долить до нормы; убедиться нет ли подтекания масла в соединениях механических узлов и гидросистемы.

В процессе работы и в перерывах необходимо проверять надёжность включения всех механизмов установки и надёжность фиксации всех рукояток управления; проверять на ощупь нагрев подшипников раздаточной коробки, вращателя, масляных насосов и гидромотора; проверять герметичность системы под давлением.

В конце работы необходимо очистить от грязи и вымыть установку; устранить все неисправности, обнаруженные в процессе работы; произвести ежедневные смазочные работы.

КП-10.00.00.000 ПЗ

Лист

23

Изм

Лист

№  докум.

Подп.

Дата

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсового проекта был спроектирован буровой станок шнекового бурения, который располагается на тракторном шасси “Беларус”. Станок буровой состоит из лебёдки, сварной односекционной мачты, бурового вращателя с гидравлическим приводом, насосной станции и комплекта шнеков. Предназначен для бурения: сейсморазведочных, структурно-картировочных скважин, геологоразведочных скважин на все виды полезных ископаемых, взрывных скважин, водозаборных скважин. Буровая установка может применяться для инженерно-геологических изысканий и обустройства скважин при строительстве различных сооружений на глубину до 30 м и диаметром 180мм.

КП-10.00.00.000 ПЗ

Лист

24

Изм

Лист

№  докум.

Подп.

Дата

ЛИТЕРАТУРА

1.  Нанкин Ю.А. Станки вращательного бурения. М. :Изд-во “Недра”, 1970. – 328 с.

2.  Кислов Н. В., Шавель В. В. Разработка графической части курсовых и дипломных проектов. Мн. : БПИ. 1983. - 42.

3.  Кузьмин А. В.,  Чернин И. М., Козинцов Б. С. Расчеты деталей машин. Справочное пособие. Мн. :  Высш. шк., 1986. - 400с.

4.  Курмаз Л. В., Скойбеда А. Т.  Детали машин. Проектирование. Мн. : БГПА, 2000.  - 176 с.

5.  Петренко С. М. Основы проектирования объемных гидроприводов горных машин: Учебно-метод. пособие. Мн. : БНТУ, 2003. - 97с.    

6.   Казаченко Г.В., Кислов Н.В. Методическое пособие по курсу “ Торфяные машины и комплексы”. – Мн.:БПИ, 1985 – 52с.;

КП-10.00.00.000 ПЗ

Лист

 м.

3.1.2. Определение центра давления машины

1) Координаты центра давления машины в рабочем положении

 м;

 м;

2)  Координаты центра давления машины в транспортном положении

 м;

 м

3.1.3. Определение нагрузки на колёса машины

Для определения нагрузки на ходовые колёса машины рассмотрим схему представленную на рис.

Рис. 

Итак, суммарная нагрузка на колёса автомобиля с учётом поперечного крена равна:

 кН

Найдём нагрузку на переднюю ось автомобиля:

25

Изм

Лист

№  докум.

Подп.

Дата