Структура и рациональные параметры головного снаряда установок для бестраншейной направленной прокладки скважин

Отечественный и зарубежный опыт применения установок направленной прокладки скважин показывает высокую эффективность их использования на многих строительных объектах, особенно в стесненных городских условиях. В настоящее время область применения установок статического прокола скважин значительно расширяется за счет разработки систем пространственной ориентации прокладываемых скважин.

Объективная необходимость в оборудовании для направленной прокладки горизонтальных скважин малого диаметра значительна и обосновывается низким уровнем технического состояния подземных инженерных коммуникаций большинства городов России. Актуальность этой проблемы напрямую связана с повышением требований к сохранности природной среды и производительности машин при соблюдении комплекса технических ограничений при строительстве и реконструкции различных объектов. Эта проблема требует решения ряда задач, связанных с созданием и внедрением новых управляемых установок и систем управления движением исполнительных органов технологических машин в пространстве.

Проектирование установок для управляемого статического прокола и их исполнительных органов — пространственно-ориентируемых мани-пуляционных механизмов требуют их исследования, создания основ их расчета и конструктивной проработки. Специфические условия работы механизмов, связанные с особенностями внешних нагрузок, требуют дополнительных исследований применяемых схем с точки зрения их струк-турообразования, кинематического, статического и энергетического анализа. Методы направленной прокладки скважин, применяемые ранее в основном для предотвращения нежелательного искривления, в последнее время все более широко и успешно используются для прокладки скважин сложного профиля, содержащих проектные криволинейные интервалы [1].

С этой целью применяются специальные технические средства и технологические приемы, основывающиеся на возможности надежного и быстрого ориентирования исполнительного органа головного снаряда в требуемом направлении [2, 3]. При строительстве и реконструкции различных объектов наиболее сложной и трудоемкой операцией является прокладка различных подземных горизонтальных коммуникаций под существующими сооружениями, городскими улицами и т. п., трудоемкость которых существенно снижается при использовании бестраншейных способов в сочетании с контролем и оперативной коррекцией траектории.

Выполняемая работа обеспечивает возможность создания, на основе разработанных пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов, универсальных головных снарядов для направленной прокладки горизонтальных и наклонных скважин, приспособленных для дальнейшей автоматизации и использования их в качестве управляемых отклонителей.

В последние годы вопросам создания управляемых в пространстве манипуляционных механизмов уделяется большое внимание, о чем свидетельствуют работы ДонУГИ, Московского и Ленинградского горных университетов, Южно-Российского государственного технического университета (ЕЛИ) и др. Исследованиям теории и практики ориентирования головных снарядов в пространстве посвящены работы ряда специалистов: А. А. Алейникова, С. С. Сулакшина, А. Г. Булгакова, Г. М. Водяника, В. Т. Загороднюка, Д. М. Крапивина, В. В. Ленченко, Е. Л. Лиманова, С.А. Ще-петкова, М. С. Сафохина и др. Исследования за рубежом были проведены, Г. Вудсом, А. Лубинским (США), фирмой «Дайнадрилл» (США), Tracto-Technik (Германия) и др. Исследованиями кинематических пар пространственных манипуляционных механизмов занимаются: Л. Т. Дворников, Э. Я. Живаго, Д. Н. Решетов, Д. Д. Тавхелидзе и др.

Соответствие диссертации научному плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления «Теория и принципы построения автоматизированных машин, робототехнических и мехатронных устройств и систем», утвержденного Ученым советом ЮРГТУ (НПИ) 25.04.1998 г., по госбюджетной теме кафедры «Строительные, дорожные и коммунальные машины» ЮРГТУ (НПИ): П53−804 «Теория, принципы создания и диагностики машин и агрегатов для строительства и предприятий стройиндустрии».

Цель работы. Повышение эффективности направленной прокладки горизонтальных скважин путем совершенствования конструкций установок за счет реализации пространственного управления положением головного снаряда с заданной точностью при наименьшей энергоемкости процесса с учетом физико-механических свойств грунтов.

Идея работы. Обеспечить необходимое положение в пространстве сопряженных звеньев новых кинематических пар, лежащих в основе предложенных пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов, за счет регулируемой разности угловых скоростей их звеньев и разработанных: способа направленной прокладки скважинсистем управления и конструкций головных снарядов с рациональными параметрами, обоснованными математической моделью взаимодействий в системе «грунт — пространственно-ориентируемый манипуляционный механизм — головной снаряд — став — система контроля и управления».

Защищаемые научные положения:

— заданное положение манипуляционных механизмов обеспечивается регулируемой разностью угловых скоростей сопряженных звеньев кинематической пары, лежащей в основе этих механизмов, за счет однонаправленного или встречного движения их звеньев;

— структурный синтез и кинематический анализ исполнительных пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов, а также синтез кинематических пар для заданных технологических требований на основании анализа числа степеней их подвижности обеспечивают возможность создания синтезированной шарнирной системы, состоящей из минимального числа кинематических пар высших классов;

— выбором оптимальных геометрических параметров пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов и угловых скоростей вращения их звеньев обеспечивается высокая степень управляемости с технологически требуемыми показателями точности отработки траектории движения и высокая плотность траектории движения выходного звена механизма при минимальной величине отклонений действительной траектории от заданной;

— на управляемость головного снаряда основное влияние оказывают силы, прилагаемые к боковым поверхностям его исполнительного органапространственно-ориентируемого манипулядионного механизма со стороны уплотняемого грунта, численное значение которых зависит от величины эксцентриситета;

— величина разности боковых усилий, прилагаемых со стороны грунта к диаметрально противоположным поверхностям асимметричного наконечника, достигает максимума при внедрении последнего на глубину соответствующую высоте наконечникастабилизация осевого усилия при статическом проколе грунта происходит при заглублении наконечника, соответствующем его удвоенной длинеосевое усилие — Рос, необходимое для этого, пропорционально объему вытесненного и уплотненного наконечником грунта — Угр, с учетом сопротивления среды внедрению за счет уплотнения, а форма наконечника не оказывает значительного воздействия на осевое усилие после внедрения на глубину, превышающую его удвоенную высоту, и влияет только на управляемость головного снаряда.

Новизна научных положений заключается: в установлении наиболее значимых критериев отбора конструктивных, функциональных и структурных признаков на основе структурной классификации способов и технических средств горизонтальной прокладки технических скважин, позволяющих учитывать известные технические решения и генерировать новыев установлении зависимости осевого усилия, необходимого для внедрения наконечника в грунт, от его геометрических параметров, формы и физико-механических свойств грунтав установлении зависимости сил сопротивления грунта вдавливанию асимметрично установленного наконечника на поверхностях контакта его с грунтом — отклоняющих сил от объема сжатия грунтав установлении критериев выбора параметров головного снаряда и его пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма, обеспечивающих возможность рационального управления направленной прокладкой горизонтальных скважин для ведения головного снаряда по расчетной траектории.

В работе защищаются: пространственно-ориентируемые манипу-ляционные механизмыкинематические схемы и конструкции головного снаряда для прокладки направленных горизонтальных скважинспособ корректирования направления прокладки скважинновый рабочий орган с переменным сечениемматематические модели, позволяющие производить вычислительные эксперименты процесса взаимодействия головного снаряда с грунтомфункциональная схема управления головным снарядом для направленной прокладки горизонтальных скважиносновные положения методики выбора оптимальных параметров головного снаряда с учетом зависимости необходимого осевого усилия от геометрических параметров его пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма и физико-механических свойств грунта.

Значение работы. Научное значение:

— разработаны новые способы пространственной ориентации мани-пуляционных механизмов для корректирования направления прокладки скважин;

— на основании структурного синтеза и кинематического анализа исполнительных пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов для заданных технологических требований обоснована возможность создания синтезированной шарнирной системы, состоящей из минимального числа кинематических пар высших классов;

— разработаны математические модели взаимосвязи критериев управляемости при прокладке заданной трассы от геометрических параметров головного снаряда и параметров его взаимодействия с грунтом;

— установлен интервал стабилизации осевого усилия;

— установлены критерии выбора геометрических параметров головного снаряда и значимость влияния формы пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов головных снарядов на управляемость и на сопротивления внедрению при прокладке скважин.

Практическое значение имеют: разработанные и запатентованные способ и устройство для корректирования направления прокладки скважин, рабочий орган головного снаряда, защищенные патентами РФконструкции и математические модели взаимодействия головного снаряда и става с грунтом в системе «грунт — пространственно-ориентируемый мани-пуляционный механизм — головной снаряд — став — силовая установка" — математические модели, инженерная методика и программное обеспечение: управления головным снарядом и контроля его положения, решений прямой и обратной задачи кинематики, взаимодействий головного снаряда с грунтом и выбора его оптимальных параметровразработанные способы пространственного ориентирования, пространственно-ориентируемые ма-нипуляционные механизмы на их основефункциональная схема установки направленной прокладки скважинопытный образец полномасштабного управляемого головного снаряда.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: использованием современных методов исследований, среди которых: методы структурного анализа пространственных механизмов, методы аналитической геометрии и теории механизмов и машинметодикой выбора для заданных технических условий параметров головного снаряда установки направленной прокладки скважинприменением теории планирования полного факторного эксперимента и методов математической статистики при обработке его результатовадекватностью результатов расчета и экспериментальных исследований.

Внедрение результатов диссертационных исследований.

Результаты исследований рекомендуются при проектировании головного снаряда — отклонителя для направленной прокладки скважин методом статического прокола и подтверждаются актом внедрения результатов исследований Северо-Кавказским представительством государственного научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела в г. Шахты Ростовской областииспользованы при разработке экспериментального образца управляемого головного снарядаотклонителя для условий статического прокола технических скважин.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-технических конференциях (1994;2001 г. г.) ШИ (ф) ЮРГТУ (НПИ), на научно-практической конференции ЮжноРоссийского отделения Академии горных наук (1998 г.) (г. Шахты, Ростовской обл.), на международном симпозиуме «Неделя Горняка», Московский Государственный Горный университет, 2000;2001 г. (г. Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей, получе- -но 3 патента России.

Автор выражает глубокую признательность доктору технических наук, профессору Щепеткову С. А. за его вклад в становление данной работы на ее начальном этапе, научное руководство, прерванное его безвременной смертью.

5.7 Выводы по главе.

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Практически подтверждена эффективность разработанных ма-нипуляционных механизмов для их работы в качестве отклоняющих механизмов в ГС с рациональным управлением траекторией прокладываемой скважины.

2. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили возможность создания установки для управляемого прокола и эффективность принятого способа корректирования направления прокладываемой скважины за счет разности скоростей вращения звеньев разработанных ПОММ при их встречном или однонаправленном движении. Эффективность управления ГС при этом зависит от соотношения сил, прилагаемых к выходному звену ПОММ в плоскости проявления эксцентриситета, а траектория движения ГС может быть представлена как последовательный ряд перемещений оси става от действия осевого усилия.

3. Величина разности боковых усилий, прилагаемых со стороны грунта к диаметрально противоположным поверхностям асимметричного наконечника, достигает максимума при внедрении последнего на глубину соответствующую высоте наконечника — Н.

4. Стабилизация Рос при статическом проколе грунта происходит при заглублении наконечника, соответствующем 2Н. Величина, необходимого для этого осевого усилия пропорциональна Угр, с учетом сопротивления среды внедрению за счет уплотнения.

5. Форма наконечника не оказывает значительного воздействия на Рос после внедрения на глубину, превышающую 2Н, и влияет только на управляемость ГС. Отношение Рос /УГр представляет собой линейную зависимость для каждого типоразмера наконечника и изменяется в зависимости от акон.

6. Разработан инструмент с переменным сечением для прокладки скважин методом статического прокола.

7. Разработана методика расчета параметров головного снаряда установки направленной прокладки скважин методом статического прокола.

8. Проведенные экспериментальные и теоретические исследования позволяют создавать установки направленной прокладки скважин методом статического прокола со следующими показателями: скорость управляемой прокладки скважины не ниже 8 м/час, минимально возможный радиус искривления скважины около 38 м (при диаметре скважины 130 мм), точность ориентирования головного снаряда до 1,5 мм, точность отработки заданной траектории скважины в пределах 1°-г4° на 1 метре прокладки (при общей длине скважины до 100 м) с последующей компенсацией на следующем шаге внедрения.

заключение

.

В диссертационной работе дано решение важной научно-технической задачи — по повышению эффективности направленной прокладки горизонтальных скважин путем совершенствования конструкций установок за счет реализации пространственного управления положением головного снаряда с заданной точностью при наименьшей энергоемкости процесса с учетом физико-механических свойств грунтов.

Повышение эффективности направленной прокладки горизонтальных скважин достигается обеспечением необходимого положения в пространстве сопряженных звеньев новых кинематических пар, лежащих в основе предложенных пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов, за счет регулируемой разности угловых скоростей их звеньев и разработанных: способа направленной прокладки скважинсистем управления и конструкций головных снарядов с рациональными параметрами, обоснованными математической моделью взаимодействий в системе «грунт — пространственно-ориентируемый манипуляционный механизм — головной снаряд — став — система контроля и управления».

Основные научные выводы и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. Проведенный СКА обосновывает идентичность основных процессов известных способов разработки скважин, что позволило проводить все начальные стадии испытаний на более простых установках статического прокола.

2. Разработан способ корректирования направления движения головного снаряда за счет поочередного вращения во встречных направлениях звеньев управляемого пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма при контроле его положения относительно продольной оси снаряда и последующей коррекции этой оси относительно вертикали, независимо от возможного поворота става, являющегося измерительной базой.

3. Разработаны пространственно-ориентируемые манипуляцион-ные механизмы, состоящие из одного шарнирного соединения и выполненные на базе новых кинематических пар первого класса «плоскость-плоскость» и «шар-лунка». Разработаны конструкции управляемых головных снарядов, на основе пространственно-ориентируемых манипуляцион-ных механизмов, а также функциональная схема установки направленной прокладки скважин.

4. Высокая плотность траектории движения выходного звена пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма (до 1,5 мм) при минимальной величине отклонений действительной траектории от заданной реализуется при соблюдении следующих условий: iti/n^l, n/n^l и Пд/П]П2>3,5.

5. На управляемость головного снаряда основное влияние оказывают силы, прилагаемые к боковым поверхностям его пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма со стороны уплотняемого грунта, численное значение которых зависит от величины эксцентриситета и достигает максимума при внедрении пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма на глубину соответствующую высоте его выходного звена. Траектория движения головного снаряда может быть представлена как последовательный ряд перемещений оси става от действия осевого усилия.

6. Форма наконечника головного снаряда не оказывает значительного воздействия на осевое усилие после его внедрения на величину, превышающую его удвоенную длину, и влияет только на управляемость головным снарядом, а с точки зрения управления наконечник должен иметь переменное сечение и гиперболическую образующую боковой поверхности.

7. Стабилизация осевого усилия при статическом проколе грунта достигается при внедрении наконечника на величину хода по оси скважины, соответствующую удвоенной длине наконечника, а величина необходимого для этого осевого усилия пропорциональна объему уплотненного и вытесненного грунта, с учетом сопротивления среды внедрению за счет уплотнения.

8. Проведенные в работе экспериментальные и теоретические исследования позволяют создавать управляемые головные снаряды — откло-нители для прокладки скважин методом статического прокола со следующими показателями: точность ориентации искривления — 0,9- стабильность искривления — 0,954- технико-экономическая эффективность — 0,9262- ожидаемый показатель безаварийности — 0,86- скорость управляемой прокладки скважины не ниже 8 м/часминимально возможный радиус искривления скважины около 38 м (при диаметре скважины 130 мм) — точность ориентирования головного снаряда до 1,5 ммточность отработки заданной траектории скважины в пределах 1°-г4° на 1 метре прокладки (при общей длине скважины до 100 м) с последующей компенсацией на следующем шаге внедрения.

9. Расчетный экономический эффект составляет 1 900 000 рублей на каждые 1000 м прокладываемых управляемых скважин.