Доклад, представленный на международной конференции "NO-DIG - 2010". Авторы - Л.Е.Маметьев, Ю.В.Дрозденко, Кафедра горных машин и комплексов, Кузбасский государственный технический университет; О.В.Любимов, Кафедра прикладной механики, Кузбасский государственный технический университет, (Россия, г.Кемерово).
Постановка проблемы
Совокупность климатических, экологических, экономических, технических и социальных факторов, свойственная Кузбассу и Сибирскому региону в целом, делает технологии бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций привлекательными с точки зрения потенциальных заказчиков оборудования и услуг. Однако широкий диапазон грунтовых условий, диаметров и протяженности прокладываемых коммуникаций требует от исполнителя наличия нескольких типоразмеров бурошнековых установок, что влечет затраты на приобретение, хранение и содержание достаточно большого парка техники. Налицо необходимость создания универсального оборудования, адаптируемого под условия заказчика.
Исследования, проводимые кафедрой горных машин и комплексов Кузбасского государственного технического университета на протяжении нескольких десятилетий, позволяют считать одним из перспективных средств реализации бестраншейных технологий комплексы бурошнекового типа.
Возможные варианты решения
Применение в составе машинного агрегата бурошнековой машины электропривода вращения бурового става позволяет, несмотря на явную неоптимальность массогабаритных показателей, активно использовать в качестве компонентов хорошо зарекомендовавшие себя конструкции редукторов, а также насосные станции, используемые в горном оборудовании, тем самым сокращая конструкторскую и технологическую подготовку.
С учетом этого, в течение ряда лет кафедрой горных машин и комплексов КузГТУ было разработано и изготовлено на базе установки УБСР-25 и станков БГА-2, БГА-4 и БГА-2М пять машин горизонтального бурения со шнековыми буровыми ставами диаметром 0,48 м и 0,135 м. Основные сведения о технических характеристиках машин приведены в таблице 1. Все бурошнековые машины оснащены гидравлическими механизмами подачи и отличаются компоновочными схемами, расположением опорных элементов и гидроцилиндров перемещения.
Кафедрой также были сконструированы и испытаны в составе действующих бурошнековых комплексов машинные агрегаты, снабженные гидроприводом вращения. Это благоприятно сказалось на габаритах и массе, а также расширило диапазон возможных статических и динамических режимов нагружения агрегатов, необходимость в которых возникает при бурении. Однако это приводят к необходимости создания уникального выносного гидравлического оборудования и осложнению эксплуатации в условиях низких температур.
Лабораторно-промышленные испытания предлагаемых компоновочных схем.
Проведенные лабораторные исследования на полноразмерных стендах комплекта бурошнекового инструмента позволили оценить режимные параметры различных способов бурения горизонтальных и слабонаклонных скважин.
В дальнейшем были произведены обширные промышленные исследования различных комплектов бурового оборудования (рис.1 ,2, 3). Бурение осуществлялось в глине с естественной влажностью W=20 – 30 %.Увлажнение продуктов разрушения производилось до влажности W=45 – 55% . Увлажнение продуктов бурения приводило к существенному снижению мощности на вращение бурового инструмента как при бурении прямым ходом, так и при расширении скважины. Зависимость мощности на вращение бурового инструмента от длины скважины при бурении прямым ходом скважины диаметром 0,54м и её расширении с увлажнением и без увлажнения продуктов разрушения представлены на (рис.4).
Рис.1 а-бурошнековая машина с электрическим приводом; б- бурошнековая машина с гидравлическим приводом
Рис.2 Схема проведения горизонтальной скважины для газопровода в г.Новокузнецке: 1-бурошнековаяустановка; 2-емкость в жидкостью; 3-рабочий котлован; 4-якорь; 5-теплотрасса; 6-бетонная опора; 7-промежуточный котлован; 8-свая; 9-расширитель обратного хода; 10-железнодорожный путь; 11-кожух; 12-приемный котлован
Это позволило оценить достоверность данных о процессах функционирования комплектов бурошнекового оборудования, реализующих различные способы одноэтапных и двухэтапных технологических схем бурения, и получить обобщающие научно-технические рекомендации по режимам бурения и совершенствованию бурошнековых машин.
При проведении испытаний фиксировались: мощность, потребляемая электродвигателем вращателя; напряжение в сети; частота вращения вала электродвигателя; скорость и усилие подачи бурового инструмента на забой. В комплект измерительной аппаратуры входил приборный комплекс для регистрации электрических характеристик, манометрический комплект. Определение требуемого расхода воды осуществлялось по расчету, а его установление и контроль производились путем измерения времени наполнения мерной емкости. Влажность продуктов разрушения контролировалась путем отбора и высушивания проб. Усилие подачи регулировалось с помощью предохранительного клапана насосной станции. Частота вращения устанавливалась путем подбора звездочек цепной передачи, и переключением скоростей редуктора.
Рис. 3 Схема встречного последовательного бурения коммуникационной (а) и канализационной (б)горизонтальных скважин на шахте Романовская в г.Березовский
Рис.4 Зависимость мощности вращателя при бурении от длины скважины 1,3 – “сухое” бурение; 2,4,5,6 – бурение с увлажнением
Испытания показали, что одной из наиболее универсальных конструкций подшипниковых узлов, пригодных для использования в качестве опорно-якорных устройств рабочих органов, а также в качестве опорно-центрирующих устройств шнекового бурового става и прицепных приспособлений, является конструкция, представлена на рис. 4.
Рис.4 Конструкция подшипникового узла.
В конструкции рационально скомпонованы подшипники качения радиального и упорного типа, она имеет определенный потенциал в отношении массогабаритных и энергетических характеристик, а также в отношении повышения эксплуатационной надежности.
Перспективным вариантом повышения работоспособности данной конструкции является использование в ее составе радиальных подшипников качения с твердосмазочным антифрикционным заполнителем (АФЗ) в защищенном от разрушения варианте. АФЗ занимает внутреннее пространство подшипника и выполняет самосмазывающие и самогерметизирующие функции.
Выводы:
- наиболее перспективной технологией, обеспечивающей снижение энергозатрат, стоимости, удобство эксплуатации и размещения бурошнекового оборудования, является двухэтапное бурение скважин путем первоначальной проходки пионерной горизонтальной скважины и последующего ее разбуривания расширителями обратного хода.
- установлено, что переход продуктов разрушения в текучее состояние при их искусственном увлажнении позволяет повысить коэффициент заполнения шнекового бурового става до 0,45 (при отсутствии переброса), до 1,0 (с перебросом) и снизить крутящий момент на транспортирование глины в 4-9 раз, угля в 3-4раза, песка в 2-3 раза по сравнению с сухим способом бурения для всех испытанных типов буровых ставов.
- рекомендовано использование типовых узлов серийно выпускаемого оборудования для применения в бурошнековых комплексах с целью сокращения конструкторской и технологической подготовки и выявлены рациональные конструкции подшипниковых узлов с твердосмазочным антифрикционным заполнителем.
Комментарии 0