Параметры шпиндельных вращателей

Параметры шпиндельных вращателей определяют исходя из требований, предъявляемых технологиями бурения:

• диаметр проходного отверстия шпинделя определяется максимальным диаметром применяемых бурильных труб с учетом зазора 3-5 мм для обеспечения свободного прохода их через шпиндель;
• длина хода шпинделя влияет на время, затрачиваемое на его перекрепление. Этот парамеф обычно выбирают в пределах 400-600мм (большее значение в станках для бурения более глубоких скважин);
• частотная характеристика оценивается диапазоном изменения частот вращения и диапазоном регулирования, числом частот в диапазоне и значениями промежуточных частот;
• диапазон регулирования частоты вращения, определяемый с отношением

              (12.102)

где n_max и _nmin - максимальное и минимальное значение частоты вращения. Их выбирают такими, чтобы возможно полнее удовлетворять требованиям основного технологического процесса при бурении процессу разрушения горных пород.

Основой для расчета минимальной n_min максимальной значений частот вращения служат нижнее ω_min и верхнее ω_max, значения рациональных окружных скоростей породоразрушающих инструментов, а также их диаметры, опрределяемые типовой конструкцией скважин:

n_min=60ω_min/(π·D_max)           (12.103)

n_max=60ω_max/(π·D_min)            (12.104)

где D_max и D_min соответственно максимальный и минимальный диаметры породоразрушающего инструмента.

Для реализации n_max, необходимо ее сравнение с n_1э полученной из энергетических соображений, рассчитываемой из уравнения баланса мощности при длине бурового снаряда, равной номинальной глубине скважины.

При определении n_min учитываются вес типоразмеры породоразрушающих инструментов, применяемых при бурении скважины типовой конструкции (исключением может быть породоразрушающий инструмент для бурения под направляющую трубу).

Для наиболее распространенных типов породоразрушающих инструментов ω_min (в м/с), используемых при бурении разрушенных, абразивных или весьма твердых пород, имеют следующие значения:

• твердосплавные коронки и лопастные долота - 0,5-0,6
• алмазные коронки и шарошечные долота - 0,4-0,5
• твердосплавные коронки со среднечастотными гидроударниками - 0,12

При определении n_min следует принять, что перекрываемая первой обсадной колонной часть разреза представлена мягкими породами, содержащими твердые прослойки, включения гравия, гальки и т.п.

Значения ω_max(в м/с):

• алмазные коронки при бурении монолитных малоабразивных пород - 3-5
• твердосплавные коронки - 1,5-2
• твердосплавные коронки при использовании среднечастотных гидроударников - 06-0,8
• шарошечные долота - 1,2-1,4

Максимальную частоту вращения n_max, определенную в соответствии с требованиями технологии алмазного бурения, целесообразно рекомендовать для реализации, если она не превосходит значения и найденного по формуле:

n_в=n_н[1+1,6(N_хв/N)^1,7]       (12.105)

где n_в - максимальная частота вращения бурового снаряда номинальной длины (на конечной глубине скважины), мин^-1; N_хв - мощность на холостое вращение бурового снаряда номинальной длины при частоте вращения nн, кВт; N - номинальная мощность двигателя бурового станка, кВт.

Рекомендуемое число частот вращения 8≤А≤12. Каждая из ступеней определяется зависимостью:

           (12.106)

Для расчета усилий, передаваемых зажимным патроном ведущей трубе при бурении, рассмотрим схему верхнего пружинно-гидравлического постоянно замкнутого патрона (рис. 12.14). Рис. 12.14. Схема гидропатрона Кулачки 2 опираются на уступы шпинделя 1 и могут перемещаться в радиальном направлении при осевом смещении обоймы 3. Число кулачков зависит от размера проходного отверстия патрона. В патронах с небольшим проходом сечением   применяют два кулачка. Осевое смещение обоймы, опирающейся на подшипник 4, происходит при движении поршня 5 и сжатии   или   растяжении рабочих пружин б. Осевое усилие Р от рабочих пружин б передается на обойму и за счет наличия наклонных под углом а поверхностей каната с кулачком  трансформируется  в радиальное усилие R (рис. 12.15). Рис.12.15. Схема сил, действующих на обойму и кулачок Усилие, действующее и гидромеханическом патроне (в кН) определяется из выражения           (12.107) где R сила прижатия кулачка к ведущей трубе; ƒ=0,10÷0,15 - коэффициент трения скольжения            (12.108) Здесь Рсц — сила сцепления между кулачками и ведущей трубой; μс = 0,20÷0,45, коэффициент сцепления между зубьями кулачка и трубой, а для кулачка с твёрдосплавными ставками μс=0,9. Если зажимной патрон имеет два кулачка, то сила притяжения каждого кулачка           (12.109) где Рсц - полное усилие, передаваемое ведущей трубе

          (12.110)

Здесь Р₀ - окружное усилие, направленное нормально к осевому усилию механизма подачи (Р_п).

               (12.111)

где М_кр.(max) - максимальное значение крутящего момента (М_кр) при максимальной частоте вращения; d_в.т - наружный диаметр ведущей трубы.

Осевое усилие (максимальное усилие механизма подачи)

Рn=G-Pпри,             (12.112)

Где G - вес бурильной колонны, P_при - осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент

            (12.113)

где N - номинальная мощность двигателя; N_ст - мощность, затрачиваемая на привод станка.

• Расчет параметров шпиндельного вращателя