авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Обоснование рациональных режимов работы авторезонансного электропривода динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ФОМЕНКО Александр Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АВТОРЕЗОНАНСНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДИНАМИЧЕСКИ УРАВНОВЕШЕННОГО БУРОВОГО СНАРЯДА НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ

Специальность 05.09.03 Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2011

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.



Научный руководитель:

доктор технических наук, проф.

Загривный Эдуард Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, проф.

Прокофьев Геннадий Иванович,

кандидат технических наук

Минин Алексей Сергеевич

Ведущее предприятие ФГУ НПП “Севморгео”.



Защита диссертации состоится 20 июня 2011 г. в 14 час 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, 21 линия, дом. 2, ауд. № 7212.



С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан 19 мая 2011 г.



УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н., профессор В.В. ГАБОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Электромеханические колонковые буровые снаряды на грузонесущем кабеле в составе буровых комплексов применяются при бурении ледников в Антарктиде, Арктике, Гренландии и др. Достоинствами этих комплексов являются высокая мобильность, низкая металлоёмкость, отсутствие бурильных колонн.

Использование электромеханического бурового снаряда на грузонесущем кабеле, разработанного в СПГГИ (ТУ) и запатентованного в РФ, позволило получить наивысшие мировые результаты при бурении в Антарктиде на станции Восток (3720 м по данным на февраль 2011 г.). Электромеханические буровые снаряды, разработанные в США, Дании, Франции и Японии принципиально не отличаются от разработанного в РФ.

В отличие от традиционных, разрабатываемые в СПГГИ (ТУ) и запатентованные в РФ динамически уравновешенные буровые снаряды (ДУБС) не требуют применения бурильной колонны, редуктора и распорных устройств и могут применяться для взятия проб донных отложений рек, озёр, морей и океанов, подледникового озера Восток в Антарктиде, многорейсового бурения в шельфовых зонах с бортов неспециализированных судов, вскрытия продуктивных пластов, очистки призабойных зон нефтяных и газовых скважин, а также скважин на пресные и минеральные воды, что для традиционных недостижимо. В литературных источниках работ по ДУБС не обнаружено.





Одним из актуальных вопросов при создании ДУБС с авторезонансным электроприводом возвратно-вращательного движения (ВВД) является обоснование рациональных режимов работы ДУБС с авторезонансным электроприводом ВВД, решению которого и посвящена настоящая работа.

Работа базируется на результатах исследований Блехмана И.И., Бобина Н.Е., Богданова А.А., Вайсберга Л.А., Васильева Н.И., Горшкова Л.К., Загривного Э.А., Кудряшова Б.Б., Луковникова В.И., Нагаева Р.Ф., Чистякова В.К, Тимошенко С.П., Усольцева А.А., Усынина Ю.С., Фоменко Ф.Н., Шестакова В.М. и др.

Цель работы разработка резонансного автоколебательного электропривода для реализации возвратно-вращательного (симметричный режим) и сложного вращательного и возвратно-вращательного (несимметричный режим) движений буровой коронки для расширения технологических возможностей применения ДУБС.

Задачи исследования включают разработку:

1. Математической модели ДУБС для исследования нормальных, анормальных и аварийных режимов работы ДУБС.

2. Системы автоматического управления авторезонансным электроприводом ДУБС с несимметричными автоколебаниями буровой коронки.

3. Имитационной модели для исследования симметричных и несимметричных режимов работы ДУБС.

4. Лабораторного макета и экспериментальные исследования авторезонансного электропривода ВВД ДУБС в симметричных и несимметричных режимах работы.

5. Методики определения основных динамических параметров ДУБС с пружиной кручения в качестве упругого элемента.

6. Методики определения средней скорости вращательного движения ДУБС вокруг своей оси при работе в несимметричном режиме.

Идея работы. Эффективная работа ДУБС с комбинированной нагрузкой на буровой коронке (аддитивная комбинация сухого, вязкого трений и случайной составляющей) обеспечивается как в симметричном, так и в несимметричном режимах резонансных автоколебаний, при этом для симметричного режима формирование момента выполняется на каждом полупериоде колебаний, а для несимметричного на каждом периоде в точках нулевой скорости ротора электродвигателя.

Научная новизна:

1. Разработан алгоритм управления режимами резонансного электропривода ДУБС на грузонесущем кабеле со сложным движением буровой коронки.

2. Получена аналитическая зависимость средней скорости вращения ДУБС вокруг своей оси в зависимости от резонансной частоты электромеханической системы и нагрузки на буровой коронке.

Защищаемые научные положения:

1. Несимметричный режим автоколебаний буровой коронки с целью получения сложного вращательного и возвратно-вращательного движений для повышения эффективности бурения реализуется путем подачи напряжения на обмотки электродвигателя длительностью полпериода один раз в период и реверсирования электромагнитного момента синфазно со скоростью ротора в точках нулевой скорости ротора.

2. Средняя скорость вращения ДУБС вокруг своей оси в сложном движении определяется произведением резонансной частоты электромеханической системы, заданной амплитуды колебаний и коэффициента, который зависит от нагрузки на буровой коронке, при этом скорость вращения увеличивается с увеличением нагрузки на буровой коронке.

Методы исследований. Теоретические исследования, имитационное моделирование электромеханической системы с использованием пакета MATLAB, анализ полученных результатов. Экспериментальные исследования режимов работы макета на лабораторном стенде с разработанной системой управления авторезонансным электроприводом, снятие осциллограмм и анализ полученных результатов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов базируется на использовании известных положений теоретической механики, электромеханики, теории автоматизированного электропривода, методов моделирования с применением ЭВМ, и сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований не хуже 90-95 %.

Научная ценность результатов исследования заключается в разработке:

1. Имитационной модели электромеханической системы ДУБС для исследования нормальных, анормальных и аварийных режимов работы ДУБС.

2. Экспериментального стенда, имитирующего работу ДУБС с электроприводом возвратно-вращательного движения на основе электродвигателя с явнополюсным ротором в несимметричном режиме колебаний ДУБС.

Практическая значимость работы заключается в разработке:

1. Конструктивной схемы ДУБС (патент РФ № 95728).

2. Системы управления авторезонансным электроприводом ДУБС, обеспечивающей несимметричный режим работы.

3. Источника питания для реализации несимметричного режима колебаний ДУБС.

Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований обсуждались на Всероссийской конференции «Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2008 г.); ежегодной конференции молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ), 2007-2009 гг.); ежегодной Международной конференции молодых ученых «Challenges and Solutions in Mineral Industry» во Фрайбергской горной академии (Германия, Фрайберг, 2009).

Личный вклад автора:

1. Разработана математическая модель для исследования нормальных, анормальных и аварийных режимов работы ДУБС.

2. Получена зависимость скорости вращательного движения бурового снаряда вокруг своей оси при работе ДУБС в несимметричном режиме колебаний от резонансной частоты электромеханической системы, амплитуды колебаний и нагрузки на буровой коронке.

3. Реализована система управления авторезонансным электроприводом ДУБС, обеспечивающая несимметричный режим колебаний.

4. Разработана имитационная модель для исследования работы ДУБС в симметричном и несимметричном режимах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент на изобретение РФ, а также получено положительное решение о выдаче патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 82 наименований, содержит 72 рисунка и 24 таблицы. Общий объем работы – 122 страницы.

Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы цель и идея работы.

В первой главе проведен анализ существующих электромеханических буровых комплексов на грузонесущих кабелях.

Во второй главе представлены математическая модель электромеханической системы ДУБС с двумя степенями свободы и методика определения скорости вращательного движения ДУБС вокруг своей оси при работе в несимметричном режиме.

В третьей главе представлены имитационная модель электропривода ВВД и результаты исследований нормальных, анормальных и аварийных режимов работы ДУБС с симметричными и несимметричными колебаниями буровой коронки.

В четвертой главе представлены экспериментальный лабораторный стенд и макет ДУБС с электроприводом ВВД для исследований авторезонансных режимов, приведены результаты экспериментальных исследований.

В заключении отражены выводы и рекомендации по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Несимметричный режим автоколебаний буровой коронки с целью получения сложного вращательного и возвратно-вращательного движений для повышения эффективности бурения реализуется путем подачи напряжения на обмотки электродвигателя длительностью полпериода один раз в период и реверсирования электромагнитного момента синфазно со скоростью ротора в точках нулевой скорости ротора.

Буровой снаряд представляет собой двухмассовую колебательную электромеханическую систему (ЭМС) с электроприводом возвратно-вращательного движения (рис. 1а). Статорная часть 2, 5, 10 погружного маслозаполненного асинхронного двигателя соединена с роторной частью 4, 8, 9 упругим элементом – пружиной кручения 6. Использование пружины кручения вместо ранее применяемого торсиона позволяет уменьшить габаритные размеры снаряда и применить электродвигатель с выводом одного конца вала ротора.

Статорная часть с моментом инерции J1 под действием электромагнитного момента ЭД МЭМ перемещается на угол 1 в неподвижной системе координат (рис. 1б). Роторная часть с моментом инерции J2 под действием того же электромагнитного момента МЭМ поворачивается на угол 2 в противоположном направлении. Возвратно-вращательное движение статорной части относительно роторной происходит относительно неподвижного узлового сечения А-А упругого элемента, расположение которого зависит от соотношения моментов инерции и нагрузок на статорную и роторную части ДУБС. Со стороны упругого элемента, представленного пружиной кручения с жесткостью c, на статорную J1 и роторную J2 части действуют упругие моменты Mу12=Mу21, определяемые углом закручивания и коэффициентом жёсткости пружины кручения. Со стороны буровой коронки и колонковой трубы на роторную часть с моментом инерции J2 и на статорную часть ДУБС с моментом инерции J1 действуют момент сопротивления MС.

В ранее выполненных работах при построении математической модели электромеханической системы ДУБС за обобщенные координаты принимался полный угол закручивания , что приводило к более простому математическому описанию системы, но не позволяло проводить исследования анормальных и аварийных режимов. Поэтому в работе за обобщенные координаты принимаются углы поворота статорной 1 и роторной 2 частей.

При построении математической модели электромеханической системы ДУБС использовалось уравнение Лагранжа второго рода

, (1)

где T – кинетическая энергия системы, Дж; П – потенциальная энергия системы, Дж; D – диссипативная функция системы (энергия вязкого трения), Дж; Qi – обобщенные силы, n – число степеней свободы.

Рис. 1. а) конструктивная и б) расчетная схемы ДУБС:

1 - грузонесущий кабель; 2 - кабельный замок; 3 - ЭД с электроотсеком; 4 - ротор ЭД; 5 - статорная труба; 6 – пружина кручения; 7 - подшипниковый узел; 8 – колонковая труба; 9 - буровая коронка, 10 - статор ЭД

Кинетическая энергия системы

. (2)

Потенциальная энергия системы

. (3)

Диссипативная функция системы

. (4)

Учитывая особенности системы: равные и разнонаправленные моменты M, действующие на роторную и статорную части колебательной электромеханической системы с резонансной частотой , наличие узлового сечения O-O1, которое в процессе колебаний остается неподвижным, можно записать

, (5)

где c1 и c2 – коэффициенты жесткости частей пружины кручения; с – коэффициент жесткости пружины кручения, ;  - момент инерции ЭМС, .

Подставляя выражения (2), (3) и (4) в уравнение (1), получим уравнения движения ДУБС

, (6)

где - электромагнитный момент двигателя.

Уравнение (6) позволяет проводить анализ нормальных режимов (нагрузка сосредоточена на буровой коронке, а на статорной части не превышает 5-10 %), анормальных и аварийных режимов работы ДУБС (работа в вязкой среде, заклинивание статорной или роторной частей бурового снаряда), а также исследовать симметричные и несимметричные режимы работы.

Полученная система имеет одну резонансную частоту и две парциальные частоты и колебательных систем с одной степенью свободы, из которых состоит исходная система, при этом

.

При заклинивании статорной или роторной частей ДУБС резонансная частота электромеханической системы становится равной парциальной частоте или соответственно. Величину парциальных частот можно оценить, пользуясь основными динамическими параметрами ДУБС, полученными при расчете (табл. 1), и выражением (5) для определения частоты колебаний электромеханической системы. Парциальная частота при заклинивании статорной части ДУБС ()

.

Аналогично для парциальной частоты при заклинивании статорной части ДУБС ()

.

Таблица 1

Основные технологические и динамические параметры ДУБС

Окружная скорость буровой коронки , м/с 3.2
Внешний диаметр буровой коронки DВНЕШ, м 0.132
Частота колебаний ЭМС fP, Гц 30
Момент инерции статорной части снаряда J1, кгм2 0.462
Момент инерции роторной части снаряда J2, кгм2 0.079
Коэффициент жесткости пружины с, Нм/рад 2400
Амплитуда колебаний статора , рад 0.077
Амплитуда колебания буровой коронки , рад 0.447
Мощность нагрузки на буровой коронке , кВт 4.0
Электромагнитный момент, Нм 128
Коэффициент эквивалентного вязкого трения , Нмс/рад 1.127


Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.