Файл: Ребрик Б.М. Вибрационное бурение скважин.pdf

Изложенная выше простейшая теория колебаний вибровоз­ будителя рассматривает последний как неавтономную систему. В такой системе закон изменения вынуждающей силы задается. Рассмотрение задачи о неравномерности вращения дебалансов под влиянием колебаний их оси вращения, момента силы тяже­ сти относительно оси вращения и сопротивлений вращению ва­ ла дебалансов впервые дано И. И. Быховским [19]. Им установ­ лено, что валы дебалансов не вращаются равномерно, а совер­ шают крутильные колебания сложной формы, при этом на ос­ новной тон колебаний накладывается ряд обертонов. Вынуж­ дающее усилие в этом случае нельзя рассматривать как изме­ няющееся строго по гармоническому закону. В некоторых слу­ чаях амплитуда главной гармоники углового ускорения вала принимает весьма большие значения (свыше 5000 с-2). Ампли­ туда колебаний мощности двигателя также может быть доста­ точно большой свыше 3U номинальной мощности). Значитель­ ной величины может достигнуть амплитуда третьей гармоники ускорения корпуса (свыше двух ускорений силы тяжести).

РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ВИБРОВОЗБУДИТЕЛЕЙ

Основными параметрами центробежного вибровозбудителя являются: статический момент массы дебалансов, скорость их вращения, амплитудное значение вынуждающей силы, вес виб­ ровозбудителя, амплитуда колебаний, потребляемая мощность. Необходимо указать, что теоретических соотношений, позволяю­ щих определять указанные параметры вибровозбудителей,, предназначенных для бурения, в зависимости, например, от скорости вибробурения, глубины скважины и свойств грунтов не существует. В некоторых работах такие соотношения приво­ дятся для случая погружения свай, однако эти соотношения настолько громоздки, что использовать их для практических расчетов затруднительно. Поэтому параметры центробежных вибровозбудителей подбирают на основе практического опыта. Поскольку такие возбудители для бурения в настоящее время практически не применяются (они вытеснены вибромолотами, главным образом беспружинными), подробно останавливаться на выборе этих параметров не будем.

Для эффективного бурения скважин глубиной до 15—20 м, диаметром до 168 мм в глинистых грунтах статический момент дебалансов в'ибровозбудіителя должен быть не менее 2,0 кг-м; скорость вращения дебалансов Должна находиться в пределах 800—1500 об/мин; вес — в пределах 300—500 кг. Имея указан­ ные исходные данные, можно рассчитать другие параметры; вибровозбудителя и мощность электродвигателя.

14

Ориентировочно амплитуда колебаний вибровозбудителя может быть вычислена по формуле

влияние массы грунта, принимающей участие в колебаниях (по данным М. Г. Ефремова, для суглинков и глин ос«> —0,7—0,85; для супесей щ-о = 0,85; для мелкозернистых песков а<х>=0,9—0,95).

Амплитудное значение вынуждающей силы рассчитывается

Вычисленную по формуле (29) мощность следует увеличить на 25—30%, поскольку формула (29) не учитывает потерь на трение в вибровозбудителе, а также на дополнительные элек­ трические потери в электродвигателе, возникающие в процессе его колебаний.

В практике разработки вибровозбудителей, как на это ука­ зывает И. И. Быховский, встречались случаи очень больших ошибок в определении мощности электродвигателей. В связи с этим возникла необходимость разработки критерия максималь­ ной мощности, т. е. мощности, потребляемой вибровозбудителя­ ми при самых неблагоприятных условиях. Такой критерий был установлен И. И. Быховским на основе анализа широкого клас­ са линейных и нелинейных систем, описываемых дифференци­

следует пользоваться формулой (29), проверяя полученные ре­ зультаты по формуле (30). В случае существенных различий необходимо учитывать возможность возрастания мощности до значенйй, подсчитанных по последней формуле.

15

При подборе электродвигатели может возникнуть необходи­ мость в корректировке параметров вибровозбудителя. Для уменьшения потребляемой мощности рекомендуется снижать скорость вращения дебалансов. Если вибровозбуднтель проек­ тируется для бурения несвязных песчаных грунтов, потребляе­ мую мощность можно снижать за счет уменьшения статического момента дебалансов. Вес вибровозбудителя обычно является прямой функцией выбранных параметров. Искусственно увеличи­ вать вес вибровозбудителей не рекомендуется.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ и ТЕОРИЯ ВИБРОМОЛОТА С ЛИНЕЙНОЙ ВОССТАНАВЛИВАЮЩЕЙ СИЛОЙ (ПРУЖИННОГО ВИБРОМОЛОТА)

Вибромолот представляет собой ударно-вибрационную маши­ ну, у которой колебания рабочего органа закономерно сопро­ вождаются ударами о другие элементы машины или об обраба­ тываемую среду.

/ — электродвигатели; 2 — ударная плита; 5 — пружины; •/ — наголовник; 5 — бу­ ровой снаряд.

Вибромолот, принципиальная схема которого показана на рис. 3, а, может быть представлен в виде динамической модели (рис. 3, б). Вводятся допущения: 1) система является неавто­ номной; 2 ) внешняя сила синусоидальна; 3) удар происходит мгновенно и характеризуется коэффициентом восстановления скорости R; 4) при свободном движении (в интервале между ударами потери энергии отсутствуют; 5) возможны устойчивые периодические движения с периодом, равным периоду вынуж­ дающей силы или кратным ему.

16

При обозначениях, принятых на рис. 3, б, уравнение движе­ ния для промежутков между ударами запишется следующим образом:

Условия для начала и конца движения между двумя после­

вынуждающей силы к частоте ударов; щ и и2 — абсолютные ве­

Гщах

уравнение движения (31) и условия (32) принимают следую­ щий вид;

,Х0Ш(0-

удара; а— р— — безразмерный зазор (может быть как по­

ложительным, так и отрицательным, причем в последнем слу­ чае физически вместо зазора осуществляется натяг).

Решение уравнения (34) имеет вид

библиотека СССР |

Так как абсолютная величина ударной скорости и.\ всегда положительна, то для |< 1 из выражения (38) для <р0 следует, что sin сро отрицателен, а уголь фо заключен между 180° іи 360°. Для рассматриваемого режима работы вибромолота это озна­ чает, что дебалансы в момент удара могут двигаться только вверх.

Оптимальный режим работы вибромолота будет при наиболь-

ношении частот и постоянном R для каждого значения і имеется ■своя величина оптимального зазора. Однако при всех оптималь­ ных зазорах величина наибольшей скорости остается постоян­ ной, не зависящей от і. Величина щ шах возрастает с увеличе­ нием R и I при %< 1.

Для нулевого зазора оптимальный режим работы вибро­ молота отмечается, если

Абсолютная скорость движения ударной части в момент удара при работе вибромолота в оптимальном режиме при ну­ левом зазоре записывается в виде

2Q08CÜ

(43)

Мощность, идущая на удары, для этих же условий опреде­ лится по формуле

18

пределах 0—0,2 в зависимости от массы и жесткости ограни­ чителя.

Мощность, потребляемую вибромолотом, можно рассчитать,

где пу — число ударов в 1 с.

Из опыта эксплуатации вибромолотов установлено, что пре­ дельная величина ударной скорости, при которой удается обес­

Задачу о движении колеблющейся массы, ударяющейся об ограничитель, основываясь на работе [78], с некоторыми уточ­ нениями рассматривал также П. С. Лившиц, С. А. Цаплиным [88] эта задача проаналиизрована для случая работы вибро­ молота с частотой ударов, кратной числу оборотов дебалансов. В работах [7, 8, 9] подробно рассмотрены задачи движения вибромолота с подвижным и неподвижным ограничителем, с учетом двух степеней свободы и т. д.

Л. В. Беспаловой [12] рассчитаны области существования устойчивых режимов колебаний для случая, когда R = 0, в ко­ ординатах X и £. В соответствии с этим, кроме одноударных режимов ( і= 1, 2, 3 и т. д.), в работе вибромолота может наб­ людаться множество других режимов (двухударных, с останов­ ками и т. д.).

Экспериментальные исследования режимов работы вибро­ молотов, проведенные С. И. Лукомским [61], показали, что про­ стейшая теория с неподвижным ограничителем вполне может быть применена длярасчета вибромолота.

. Весьма важным направлением при дальнейшем изучении ре­ жимов работы вибромолотов является использование электрон­ ных моделирующих установок. Работы в этом направлении, проведенные А. М. Ашавским [4], Е. Ю. Малиновским, Л. Б. За­ рецким [63], Ю. М. Гольдиным [35] и другими, оказались весьма плодотворными. В частности, было выявлено, что использова­ ние больших скоростей удара при незначительных массах удар­ ной части менее выгодно, чем применение ударника с большей массой, но с меньшими ударными скоростями.

Существенное уточнение в сложившееся представление о ха­ рактере вращения дебалансов в пружинных вибромолотах дано И. И. Быховсмим. Им рассмотрены колебания угловой скорости дебалансов, обусловленные наличием, ударов корпуса вибро­ возбудителя об ограничитель, и получено выражение для изме­ нения угловой скорости дебалансов до и после удара

19