Алексеев В.В., Соловьев А.С. Автоматизированный электропривод станков шарошечного бурения. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

двигатель типа АО2-92-6. Привод подачи бурового инструмента

осуществляется гидросистемой, которая содержит двигатели

маслостанции. Как правило, это асинхронные двигатели с

короткозамкнутым ротором (см. таблицу).

Технические характеристики двигателей

Обоз-

на-

чение

Наименование привода

Тип

Мощ-

ность,

кВт

Частота

вращения,

об/мин

М1 Электродвигатель левой

гусеницы

МТКВ-412-8 22 685

М2 Электродвигатель правой

гусеницы

МТКВ-412-8 22 685

М3 Двигатель маслостанции АО2-52-4 10 1460

М4 Двигатель маслостанции АО2-62-6 13 960

М5 Электродвигатель вентилятора

отдува

Специальный

двигатель

10 2950

М6 Электродвигатель насоса

закачки воды

АО2-32-4 3 1460

М7 Двигатель привода насоса

смесителя ОНО-2

АО2-42-4 5,5 1450

М8 Двигатель маслонасоса

фильтра

АО2-22-4 1,5 1460

М9 Электродвигатель

компрессора

А3-315М-2

или

А102-2М

200 2960

Электродвигатель вентилятора

охлаждения компрессора

АО-51-4 4,5 1440

Электродвигатель пускового

маслонасосного компрессора

АО-32-4 1 1410

Электродвигатель тали АОС32-6 0,85 960

Вспомогательное электрооборудование содержит

приводы компрессоров, ходовых механизмов, вентилятора отсоса

пыли, лебедки бурового става (выполняется на двигателе

повышенного скольжения), вентилятора обдува электродвигателя

вращателя. Все приводы выполняются на базе асинхронных

двигателей с короткозамкнутым ротором. Кроме того,

вспомогательное оборудование включает в себя систему отопления

кабины машиниста, которая содержит: центробежный вентилятор с

приводом от асинхронного двигателя мощностью 0,6 кВт;

трубчатый воздушный нагреватель из трех элементов мощностью по

6 кВт каждый. Подогрев масла в баке гидросистемы станка

осуществляется с помощью трубчатых нагревателей.

Аппаратура управления, защиты и сигнализации

состоит из станции управления, панели автоматов и пускателей

пульта управления,

поста управления, выносного пульта

управления.

Аппаратура освещения. На всех станках есть наружное и

внутреннее освещение. Для ремонтного освещения имеется

переносная лампа и две штепсельные розетки.

Схема вспомогательных электроприводов и систем бурового

станка СБШ-250МН представлена на рис.2 (привод вращателя

рассмотрен в разделе 4). Трансформатор ТV1 типа ТС3-4/0,5 служит

для питания напряжением 220

В цепей управления и освещения

станка, а асиметр АС автоматически отключает вводной

выключатель при однофазных замыканиях на землю. Подача

питания в цепи управления осуществляется автоматическим

выключателем QF3, подключение силовых электроприемников к

сети напряжением 380 В - выключателями А3712, А3114, АП50-3М.

Установленная мощность силового электрооборудования 386

кВт. Три жилы гибкого кабеля КРШК 3х150 + 1х50, подающие

напряжение 380 В, присоединяются к кабельному вводу станка, а

четвертая заземляющая жила - к его корпусу. Вводной

автоматический выключатель (QF1) типа А3712 имеет

электромагнитный привод, позволяющий управлять им из кабины

машиниста.

На станке имеются три пульта: пульт управления процессом

бурения - основной, пульт управления компрессором и пульт

управления ходом. Шкафы управления расположены в машинном

отделении.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ПРИВОДОВ

БУРОВЫХ СТАНКОВ

Рассмотрим способы выбора мощности главного привода

станка шарошечного бурения - вращателя. Ввиду широкого

применения станков, необходимость выполнения расчетов этих

приводов возникает чаще

всего.

Режим работы вращателя характеризуется большой

неравномерностью нагрузки, вызванной изменением свойств забоя,

характером процесса разрушения, возникновением значительных

вибраций при работе станка.

При расчете мощности электропривода вращателя бурового

станка используется эмпирическая методология.

Существует две основные методики расчета.

В первой предполагается, что в нормальном режиме работы,

т.е. при бурении без пробуксовок шарошки

должны перекатываться

по забою, сминая и скалывая участки породы. Внедрение зубьев в

породу происходит за счет усилия подачи При расчете усилий,

возникающих в механизме вращения рабочего инструмента,

предполагается, что сжимающие и скалывающие силы принимают

одинаковое участие в разрушении породы и определяются

прочностью пород при бурении.

В соответствии с этой методикой

средняя мощность

двигателя вращателя в киловаттах определяется выражением:

·w

= ————— , (1)

1000 ·kpd

где M

- момент сопротивления бурению на шарошке, Нм, w

частота вращения долота, рад/с, kpd - коэффициент полезного

действия механизма вращателя (0,65).

Момент M

(Н·м), необходимый для вращения долота, можно

найти по формуле:

·D

·k

= ————— , (2)

100· z

где N

- сопротивление породы скалыванию zs шарошек, Н, D

диаметр долота, см, k

- коэффициент, учитывающий трение в

подшипниках шарошек и бурового става о стенки скважины

= 1,12), zs - число шарошек в долоте (zs =3).

Для определения сопротивления N

(Н) скалыванию

используется формула:

·D

·b

·z

= —————— , (3)

20000

где H

- глубина внедрения шарошки в породу, см, b

- средняя

прочность породы при вращательном бурении, Па, которая

приводится для основных типов пород в [9].

В формуле (3) глубина внедрения шарошки в породу Hst

(толщина стружки) (см) вычисляется следующим образом:

= ————— , (4)

·z

·n

где V

- скорость бурения, см/мин, K

- коэффициент, учитывающий

уменьшение скорости бурения из-за неполного скалывания породы

между зубьями K

= 0,5, n

- частота вращения долота, об/мин.

Скорость бурения зависит от частоты вращения долота n

крепости буримых пород f

и усилия подачи N

. Область

рекомендуемых значений усилия подачи (Н) долота диаметром D

достаточной для инженерных расчетов точностью определяется

уравнением:

= (0,6...0,7) ·f

·D

·1000 , (5)

где f

- коэффициент крепости по шкале М.М.Протодьяконова.

Зависимость скорости бурения V

= f(n

, N

, f

, D

) (см/мин)

приведена ниже:

, см b

, Мпа f

, об/мин N

, кН V

, см/мин

20 18,2-51,5

51,5-62.5

62.5-86

86-112

112-146,5

146,5-162

2-4

4-6

6-10

10-12

12-14

14-16

150-160

140-160

120-130

105-120

80-110

25-40

100-120

120-150

160-180

180-200

200-320

25 62,5-86

86-112

112-146,5

146,5-162

162-198

6-10

10-12

12-14

14-16

16-20

180-200

200-300

180-200

260-300

180-200

30 86-112

112-146,5

146,5-162

162-198

10-12

12-14

14-16

16-20

450

500

550

Скорость вращения двигателя вращателя n

определяется

передаточным числом редуктора i

= i

·n

. (6)

Более подробно методика расчета мощности привода

вращателя станков шарошечного бурения и других приведена в

работе[9].

Согласно другой методике, средняя мощность главного

привода станка шарошечного бурения ориентировочно может быть

определена по формуле

F· n

P = ——— ·((D·(h

+ z

·h

))

0,5

, (7)

28000

где F - осевое усилие, кН, n

- частота вращения долота, об/мин, D -

диаметр долота, дм, h

- средний уровень разрушаемой породы, мм,

- вылет штырей шарошки, мм (h

= 3), z

- коэффициент

использования инструмента при внедрении в разрушаемую породу.

Величины h

и z

зависят от расхода воздуха Q на продувку

скважины. В частности,

= h

·f(Q) . (8)

Зависимость расчетных коэффициентов от расхода

воздуха на продувку скважины показаны ниже

Q 2 4 6 8

/(мин дм

)

f(Q) 1,8 1,3 1,0 0,8

(Q) 0,5 0,37 0,25 0,12

Мощность двигателя, определяемая по формуле (7), должна

обеспечивать работу при максимальных параметрах режима бурения

). Номинальная мощность двигателя (P

) должна быть больше

полученной (P

) на 20-30 % с учетом трения буровой штанги и

шарошки о стенки скважины, трения качения в опорах шарошки (P

= 1,3 P

Для расчета мощности двигателя по данным методикам

разработаны программы расчета на ПЭВМ на языке Турбобейсик.

Тексты программ приведены в приложениях 1, 2, в которых приняты

те же обозначения, что и в формулах (1)-(8).

4. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ВРАЩАТЕЛЕЙ БУРОВЫХ СТАНКОВ

Технические требования к электроприводу

Назначение: электропривод основного рабочего механизма -

вращателя бурового станка.

Вращатель служит для

передачи крутящего момента

буровому снаряду, приводящему в действие через редуктор

породоразрушающий инструмент и обеспечивает совместно с

механизмом подачи необходимый режим бурения.

Условия работы характеризуются большой неравномерностью

нагрузки, вызванной изменением свойств забоя, характером процесса

разрушения, возникновением значительных вибраций при работе станка.

При бурении вращатель работает в длительном режиме - S1.

При спуско-подъемных операциях подъемник работает в

повторно-кратковременном режиме, а периоды работы под

нагрузкой чередуются с периодами работы вхолостую и с

остановками. ПВ составляет (25...40)%.

Диапазон регулирования 1:10.

Точность поддержания

скорости во всех статических

режимах - (5...10)%.

Допустимое перерегулирование скорости - (5...10)%.

Перегрузочная способность во всем диапазоне - (2,5...3)Мн.

Напряжение питания 380 В (304...437 В) или 6 кВ.

Средневзвешенный коэффициент мощности не менее 0,75 (с

учетом наличия компенсирующих устройств).

Система управления должна обеспечивать:

а) автоматическое ограничение тока двигателя (крутящего

момента);

б) автоматическое ограничение вибрации;

в) автоматическое управление по критерию

постоянства

мощности на вращение или другого критерия, обеспечивающего

наибольшую производительность или наименьшую стоимость 1 м

проходки;

г) взаимосвязанное управление приводом вращателя и

приводом подачи (и расходом промывочной смеси).

Виды управления: ручное и автоматическое.

Защита электропривода

а) от перегрузки и коротких замыканий;

б) от длительной работы с током, близким к максимально

допустимому, в

режиме постоянства мощности;

в) нулевая защита от включения напряжения при нулевых

сигналах задания, в том числе при нулевом значении

потокосцепления (при векторном управлении);

г) от обрыва цепей возбуждения двигателей постоянного

тока.

Системы контроля и сигнализации

а) замыканий на землю в цепях управления;

б) включения всех вспомогательных приводов (с подачей

сигнала в цепи нулевой защиты), в т.ч. вентиляторов системы

охлаждения;

в) токов нагрузки электроприводов и напряжений цепей

управления (контроль по приборам);

г) скорости бурения;

д) осевого усилия.

Условия эксплуатации должны соответствовать

климатическим зонам У и

ХЛ и категории помещений 2 и 1

(последние - для элементов оборудования вне машинного

помещения).

Электропривод вращателя должен обеспечивать высокую

производительность бурения, ограничение крутящего момента и

вибрации станка.

Электрические приводы вращателей станков шарошечного

бурения с нерегулируемым асинхронным приводом, применявшиеся

в первых модификациях станков (П-25), не удовлетворяли данным

требованиям. Эти приводы не позволяли менять

скорость при

изменении условий бурения, при забуривании, для устранения

вибраций, возникающих при работе станка. Эти требования

определили необходимость применения регулируемых

электроприводов. Так, у первых станков БСШ-1М, БСШ-2М и их

модификации 2СБШ-200 привод вращателя был выполнен по

системе Г-Д с возбуждением генератора от электромашинного

усилителя. В системе электропривода

применялись обратные связи

по напряжению генератора и ЭМУ. В этих станках для измерения

скорости имелись тахогенераторы, однако они использовались лишь

для контроля скорости машинистом по показанию таховольтметра.

Станок БАШ-320, разработанный институтом Гипроникель,

имел привод по системе СМУ-Д, т.е. двигатель вращателя получал

питание от трехфазного силового магнитного усилителя через

выпрямительный

мост.

У современных станков СБШ-250МН применяются

электроприводы вращателя по системе ТП-Д с серийными

тиристорными агрегатами, имеющими следующие технические

данные.

Параметры ТЕ3-250/460-У2 ТПЕ-200-460-У2.1

Напряжение питания, В

380

−

380;400;415;440

Номинальное выходное напряжение, В 460 460

Номинальный выходной ток, А 250 200

Диапазон регулирования выходного

напряжения, %

0-100

Номинальное входное напряжение

источника возбуждения (РИВ), В

220

Номинальное выходное напряжение

РИВ, В

115;220

Диапазон регулирования напряжения

РИВ, %

0-150

0-100

Номинальный выходной ток РИВ, А 15 13

КПД, не менее 0,94 0,94

Коэффициент мощности, не менее 0,85 0,87

Масса,

не более, кг 500 290

Габаритные размеры, мм 800x750x1700 800x750x1100

Функциональная схема агрегата ТПЕ-200-460-У2.1

приведена на рис. 3. Силовая часть преобразователя подключена к

трехфазной сети 380 В через контактор К1, автоматический

выключатель Q1 и токоограничивающие реакторы L1...L3. Силовая

часть источника питания обмотки возбуждения (РИВ) подключается

к сети через автоматический выключатель Q3. Для ограничения тока

в этой цепи применены токоограничивающие резисторы (блок

резисторов БР).

Силовой

тиристорный мост МС выполнен по симметричной

трехфазной мостовой схеме, т.е. представляет собой нереверсивный

управляемый выпрямитель. Система импульсно-фазового

управления (СИФУ) управляется от системы регулирования,

построенной по принципу последовательной коррекции с

подчиненным регулированием. Система регулирования -

двухконтурная. В контур регулирования тока входят регулятор тока

пропорционально-интегрального типа, датчик тока (ДТ) и