CC BY
62
-------------------------------- © Л.Е. Маметьев, Ю.В. Дрозденко,
О.В. Любимов, 2011
Л.Е. Маметьев, Ю.В. Дрозденко, О.В. Любимов
РОЛЬ ОПОРНЫХ ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ В БУРОВОЙ И ГОРНО-ТРАНСПОРТНОЙ ТЕХНИКЕ
Рассмотрены технологические схемы, приемлемые для проходки горизонтальных и слабонаклонных скважин, нашедшие экспериментальное и практическое подтверждение.
Ключевые слова: технологические схемы, буровая техника, горно-
транспортная техника, подшипниковые узлы, горизонтальные скважины, слабонаклонные скважины.
Лрактика разработки скважин для прокладки трубопроводов диаметром 800...1200 мм и более показала абсолютное преобладание комплексов, осуществляющих разработку грунта буровым инструментом различной конструкции с последующим подтягиванием трубы-кожуха. Другие методы (прокол, продавливание) реализуются в основном для прокладки труб малого диаметра, в частности, менее 100 мм.
Как видно из рис. 1, графически отражающего результаты анализа конструкций устройств транспортирования разработанного грунта, применяемых на комплексах для проходки горизонтальных скважин (опыт Германии), предпочтение отдается способу транспортировки с помощью шнековых устройств (34,6 % технических решений), а также гидротранспортировке (34,9 % технических решений) - вследствие специфических преимуществ, присущих каждому из этих способов. В то же время имеются попытки создания ряда технических устройств, использующих комбинированно положительные свойства двух основных способов (26,1 %). На долю циклических способов (контейнерный и др.) приходится лишь 4,4 % [1].
Способ бурения горизонтальных скважин путем механического разрушения забоя и удаления продуктов бурения шнековым ставом реализован в целом ряде машин, созданных в России. К ним относятся установки УГБ-2, УГБ-4, УГБ-5, ГБ-1421, ГБ21621, установки конструкции трестов "Уралсибтрансстрой", "Оргтех-строй", Главкузбассстроя, Кузбасского государственного технического университета.
Кафедрой горных машин и комплексов КузГТУ в 1970-е -2000-е годы накоплен большой опыт проектирования и эксплуатации в промышленности бурошнековых установок. Разработаны технологические схемы, приемлемые для проходки горизонтальных и слабонаклонных скважин, нашедшие экспериментальное и практическое подтверждение. Большое внимание уделяется вопросам совершенствования бурового инструмента для передачи крутящего момента и усилия подачи от бурошнековой машины на забой и обеспечения разрушения, а также средствам погрузки и транспортирования буровой мелочи к устью скважины.
В результате правильно выбранной технической политики, соответствующей данным, изложенным выше, успешно осуществлены промышленные внедрения в условиях трестов "Уралэнерго-строй", "Кузбассэнергострой" бурошнековых комплексов, созданных на базе установки УБСР-25, буровых станков БГА-2, БГА-4, БГА-2М, обеспечивших бестраншейную прокладку подземных переходов в условиях энергетических объектов большой важности, сложных сопряжений транспортных коммуникаций, плотной городской застройки.
Вместе с тем, опыт эксплуатации бурошнековых агрегатов позволил выявить ряд проблем, связанных с транспортированием грунта:
1) ухудшение работы шнекового става при работе с вязким грунтом. Это проявляется в недостаточной интенсивности перемещения бурового шлама при работе в ряде режимов, а иногда и в невозможности обеспечения перемещения;
2) ограниченная дальность транспортировки разбуренного грунта шнековых буровым ставом. Удлинение шнекового става, повышенные требования к прочности и надежности приводят к увеличению массы оборудования, а следовательно, к увеличению потерь на холостое трение. Это существенно влияет на требуемую мощность привода установки. Повышенные габариты и масса влияют также на трудоемкость доставки и монтажа элементов бурошнекового оборудования. В связи с возникающей необходимостью в проведении скважин длиной 100-150 м и более возникает необходимость в снижении затрат энергии на бурение;
3) интенсивный износ шнеков, определяемый воздействием на их поверхность транспортируемого грунта, а также в значительной мере их взаимодействием со стенками скважины или
Рис. 1. Использование различных способов транспортирования грунта проходческими комплексами для горизонтальных скважин (опыт Германии)
инвентарной обсадной трубы - в случае, если шнековый став относительно них не отцентрирован;
4) разрыв технологической цепи транспортирования продуктов бурения, связанный с отсутствием в имеющихся бурошнековых системах механизированных средств, обеспечивающих механизированную уборку разработанного грунта от шнекобуровой машины и его выдачу со дна котлована на бровку или в транспортное средство;
5) недостаточная надежность опорно-якорных и опорно-центрирующих устройств бурошнекового става, делающая невозможным длительное бурение без технического обслуживания.
В результате теоретических и экспериментальных исследований на кафедре горных машин и комплексов КузГТУ были предложены новые способы двухэтапного бурения горизонтальных и слабонаклонных скважин, при реализации которых повышение эффективности проходки и транспортирования достигается посредством целенаправленного изменения физико-механических свойств продуктов разрушения путем их увлажнения до границы текучести. При этом реализуются положительные качества как шнекового, так и гидравлического способов транспортирования продуктов разрушения, теряющих способность к налипанию. Возрастает скорость проходки, энергоемкость бурения снижается при этом в 2...3 раза, в отдельных случаях до 5 раз, что в принципе позволяет использовать данные способы при сооружении скважин длиной 100-150 м и более, в чем имеется в настоящее время насущная потребность [2].
Техническая реализация этого осложнена тем, что до сих пор не получила решения проблема обеспечения надежности подшипниковых узлов расширителей, опорно-центрирующих устройств бурошнекового става, опор прицепных устройств, а также подшипниковых узлов, входящих в комплекс систем непрерывного транспортирования продуктов бурения на бровку котлована. Они эксплуатируются в условиях интенсивного взаимодействия с частицами разработанного грунта, что делает невозможным длительное бурение без технического обслуживания. Традиционные подходы к конструированию не позволяют обеспечить требуемую наработку на отказ, которая для данных узлов выражается временем, затрачиваемым на бурение одной скважины.
На рис. 2 представлены типовая технологическая схема и оборудование для двухэтапного бурения горизонтальных скважин с указанием подшипниковых узлов, лимитирующих его работоспособность, на рис. 3 - 6- общий вид узлов.
Забойный опорно-якорный подшипниковый узел, представленный на pис.3, при малых габаритах (для снижения сопротивления перемещению продуктов разрушения) должен надежно обеспечивать легкость вращения расширителя и шнекового става и воспринимать действующие с их стороны значительные комбинированные нагрузки. Практика использования в данной конструкции стандартных подшипников качения и уплотнений при бурении горизонтальных скважин в условиях строительных объектов треста "Уралэнергострой" показала, что активное воздействие продуктов разрушения, особенно увлажненных, приводит к сгоранию уплотняющих веществ, проникновению бурового шлама в фрикционную зону подшипников с последующим отверждением, их преждевременному износу, поломкам, заклиниванию. Наработка на отказ при этом составила 34,3 % от требуемой.
Жесткие требования по снижению радиальных и осевых (для сокращения разрывов шнековой спирали) габаритов при одновременном гарантированном подвешивании секции шнека внутри инвентарной обсадной трубы предъявляются к многочисленным опорно-центрирующим подшипниковым узлам. Промышленные испытания бурошнековых машин, осуществленные в условиях треста "Кузбассэнергострой", показали полную непригодность для использования в данных узлах подшипников скольжения. Принятая к эксплуатации конструкция узла, изображенная на pис.4, оснащенная стандартными подшипниками качения и уплотнениями, не отвечает требованиям надежности по аналогичным с вышеописанным узлом причинам, т.к. обеспечивает наработку на отказ лишь 42,8% от требуемой.
Работоспособность подшипникового узла прицепного устройства, изображенного на pис.5, определяет возможность протаскивания трубы-кожуха, служащей крепью для пробуриваемой скважины. Эксплуатация данного узла осложняется образованием вблизи него так называемой призмы волочения высотой 0,3...0,5 м, состоящей из грунта, непогруженного в шнековый буровой став. Тяжелые условия работы опоры приводят
Рис. 2. Технологическая схема и оборудование для двухэтапного бурения горизонтальных скважин:
1 - забойный опорно-якорный подшипниковый узел; 2 - опорно-центрирующие подшипниковые узлы; 3 - узел прицепного устройства; 4, 5, 6 - подшипниковые узлы конвейерной системы
Рис. 3. Забойный опорно-якорный подшипниковый узел
к быстрой потере подшипниками работоспособности, наработка на отказ составляет 22,6% от требуемой.
Поскольку не накоплена в достаточном количестве информация об использовании в составе бурошнековых комплексов систем непрерывного транспорта, интерес представляют данные о работоспособности их подшипниковых узлов в сходных с вышеописанными условиях [3], полученные кафедрой прикладной механики КузГТУ.
Создание и эксплуатация опор качения конвейерных систем также зачастую осуществляется на базе традиционных общемашиностроительных методик, что, естественно, сказывается на ресурсных характеристиках данных опор, а также на достоверности прогнозирования этих характеристик.
На рис.6 представлен общий вид отказавшей типовой опоры.
Для скребковых и ленточных конвейеров наиболее характерными являются увеличение нагрузок, возникающих при транспортировании разрушенной горной массы, случайный
Рис. 5. Подшипниковый узел прицепного устройства
Рис. 6. Отказавшая типовая опора конвейерной системы
характер нагружения материала при его распределении по длине конвейера. Конструкция конвейера, длина, количество приводов, скребковых цепей, размеры рештачного става, форма и шаг скребков, число зубьев звездочки также определяют формирование нагрузок. Имеются исследования [3], подтверждающие большое значение для формирования нагрузок горно-геологических условий работы. При этом реальный срок службы конвейеров составляет 33-38% от паспортного.
На рис. 7 приведены результаты оценки причин отказов скребковых конвейеров (по данным предприятий по подземной добыче угля г. Киселевска). Сотрудниками кафедры прикладной механики выяснено, что значительную долю отказов составляют поломки подшипников концевой головки. Регламентированное техническое обслуживание данных подшипниковых узлов затруднено вследствие сложности доступа, ограниченности пространства, плохой освещенности, высокого уровня заштыбованности. Это приводит к
тому, что осуществляется лишь полная замена подшипников концевых головок.
Неисправности
электрического
оборудования.
30.0%
Поломка
подшипников концевой головки, 25,0%
деформация рештаков, 10,0%
Износ и
Разрыв цепи, 20.0%
Поломка зубьев шестерен редуктора и звездочки, 15,0%
Рис. 7. Результаты оценки причин отказов скребковых конвейеров (по данным шахт г Киселевска)
В тяжелых условиях эксплуатируются элементы непрерывных транспортных систем ряда производств обогатительного отраслевого комплекса. При этом ресурсные характеристики подшипниковых узлов значительно ниже расчетных.
Техническая экспертиза отказавших подшипниковых узлов конвейерного транспорта позволила выявить несколько характерных картин потери подшипниками качения работоспособности.
Проникающая через нарушенное уплотнение узла полидис-персная пыль попадает в фрикционную зону подшипника качения, где смешивается с закладной пластичной смазкой, ухудшая ее качество. По мере накопления частиц в незаменяемой смазке происходит их уплотнение в твердую неразрушающуюся массу. Подшипник теряет работоспособность в результате заклинивания тел качения уплотненной смесью частиц пыли и остатков смазки при практически не нарушившихся параметрах геометрии и качества поверхности деталей. Общий вид подшипника качения, которому присуща данная картина отказа, представлена на рис. 8, а.
Используемая в подшипниковых узлах закладная пластичная смазка под воздействием влаги через нарушенное уплотнение частично вымывается из фрикционной зоны подшипника, а также
выгорает при наличии температурных полей. Образующийся на поверхностях качения подшипника коррозионный
б)
Рис. 8. Общий вид отказавших подшипников качения: а - отказ в результате заклинивания тел качения; б - отказ в результате абразивного износа
слой интенсивно разрушается под абразивным воздействием частиц пыли, проникающих в фрикционную зону. Общий вид под-
шипника, подверженного данному виду отказа, приведен на рис. 8, б.
Рассмотренные выше разновидности отказов подшипников качения, имеющихся в бурошнековом и горно-транспортном оборудовании, характеризуются процессами нарушения герметичности фрикционной зоны и функции смазывания.
Таким образом, налицо необходимость в качественном изменении подходов к проектированию опорных подшипниковых узлов. Дальнейшее их совершенствование должно быть направлено на возможно более полное сохранение свойств смазки и уплотнения в течение заданного срока эксплуатации.
--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кюн Г., Шойбле Л., Шлик Г. Закрытая прокладка непроходных трубопроводов. Под ред. В.П.Самойлова и А.В.Сладкова. - М.: Стройиздат, 1993. - 168 с.
2. Маметьев Л.Е. Обоснование и разработка способов горизонтального бурения и оборудования бурошнековых машин. Диссертация д.т.н. - Кемерово: КузПИ, 1992.
3. Дубровский В.П., Котурга В.П., Латышенко М.П., Любимов О.В. Исследование отказов подшипников качения, работающих в тяжелых условиях. -Автоматизация и механизация в машиностроении: Тез. докл. зональной научнопрактической конференции, Кемерово, 1988, часть 1, с. 67-68. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------
Маметьев Л.Е. — доктор технических наук, профессор кафедры горных машин и комплексов.
Дрозденко Ю.В - старший преподаватель кафедры горных машин и комплексов Любимов О.В. - старший преподаватель кафедры прикладной механики ГОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет»
