Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса. Постановка задач исследований 13
1.1 Область применения средств и способов прокладки скважин, технология выполнения работ 13
1.2 Классификация кинематических пар 20
1.3 Анализ взаимодействия рабочего органа головного снаряда с грунтом 28
1.4 Технические предпосылки создания новых средств управления звеньями пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов 30
1.5 Выводы и задачи исследований 35
2 Обоснование способа корректирования направления движения механизма 37
2.1 Обобщение принципов систематизации устройств для прокладки горизонтальных скважин. Структурно-конструктивный анализ 37
2.2 Обоснование способа корректирования направления движения головного снаряда 42
2.3 Обоснование синтеза одноконтактных кинематических пар 46
2.4 Выводы по главе 49
3 Анализ структуры, кинематики и кинетостатики пространственно-ориентируемых механизмов 51
3.1 Структурный синтез пространственно-ориентируемых манипуляционных механизмов 51
3.2 Решение прямой и обратной задач кинематики для обеспечения оперативной установки выходного звена пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма в требуемое положение 56
3.3 Кинетостатический анализ силовых характеристик пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма 78
3.4 Выводы по главе 81
4 Разработка установки направленной прокладки скважин методом статического прокола и кинетостатический анализ ее силовых характеристик 84
4.1 Расчет головного снаряда для направленной прокладки горизонтальных скважин методом статического прокола 84
4.2 Определение силовых характеристик привода головного снаряда 93
4.3 Исследование взаимодействий в системе «пространственно-ориентируемый манипуляционный механизм головного снаряда - став - грунт» 101
4.4 Выводы по главе 109
5 Экспериментальные исследования. Внедрение результатов ис следований 111
5.1 Экспериментальные исследования принятого способа корректирования направления прокладки скважин 111
5.2 Экспериментальные исследования взаимодействия инструмента с грунтом 119
5.3 Разработка и экспериментальные исследования опытного образца головного снаряда для направленной прокладки горизонтальных скважин методом статического прокола 135
5.4 Экспериментальные исследования установки направленной прокладки горизонтальных скважин 142
5.5 Выбор оптимальных геометрических параметров внедряемых наконечников исходя из условия управляемости
Методика расчета параметров головного снаряда установки направленной прокладки скважин методом статического прокола. 153
Выводы по главе 163
Заключение 165
Список литературы
- Классификация кинематических пар
- Обоснование способа корректирования направления движения головного снаряда
- Решение прямой и обратной задач кинематики для обеспечения оперативной установки выходного звена пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма в требуемое положение
- Определение силовых характеристик привода головного снаряда
Введение к работе
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-ггуляционных 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 f2, 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 (НПИ) и др. Исследованиям теории и практики ориентирования головных снарядов в пространстве посвящены работы ряда специалистов: А.А. Алейникова, С.С. Сулакшина, AT. 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), Tractoechnik (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 (НІЖ): П53-804 «Теория, принципы создания и диагностики машин и агрегатов для строительства и предприятий стройиндусгрии».
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 скважин; систем управления и конструкций головных снарядов с рациональными параметрами, обоснованными математической моделью взаимодействий в системе «фунт — 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 органа -пространственно-ориентируемого манипуляционного 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 наконечника; стабилизация осевого усилия при статическом проколе грунта происходит при заглублении наконечника, соответствующем его удвоенной длине; осевое усилие - Рос, необходимое для этого, пропорционально объему вытесненного и уплотненного наконечником грунта - Vzp) 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 новые; в установлении зависимости осевого усилия, необходимого для внедрения наконечника в грунт, от его геометрических параметров, формы и физико-механических свойств грунта; в установлении зависимости сил сопротивления грунта вдавливанию асимметрично установленного наконечника на поверхностях контакта его с грунтом - отклоняющих сил от объема сжатия грунта; в установлении критериев выбора параметров головного снаряда и его пространственно-ориентируемого манштуляндонного механизма, обеспечивающих возможность рационального управления направленной прокладкой горизонтальных скважин для ведения головного снаряда по расчетной траектории,
В работе защищаются: пространственно-ориентируемые манипу-ляционные механизмы; кинематические схемы и конструкции головного снаряда для прокладки направленных горизонтальных скважин; способ корректирования направления прокладки скважин; новый рабочий орган с переменным сечением; математические модели, позволяющие производить вычислительные эксперименты процесса взаимодействия головного снаряда с грунтом; функциональная схема управления головным снарядом для направленной прокладки горизонтальных скважин; основные 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 РФ; конструкции 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 параметров; разработанные способы пространственного ориентирования, пространственно-ориентируемые ма-нипуляционные механизмы на их основе; функциональная схема установки направленной прокладки скважин; опытный образец полномасштабного управляемого головного снаряда.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: использованием современных методов ис следований, среди которых: методы структурного анализа пространственных механизмов, методы аналитической геометрии и теории механизмов и машин; методикой выбора для заданных технических условий параметров головного снаряда установки направленной прокладки скважин; применением теории планирования полного факторного эксперимента и методов математической статистики при обработке его результатов; адекватностью результатов расчета и экспериментальных исследований.
Внедрение результатов диссертационных исследовании
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 области; использованы при разработке экспериментального образца управляемого головного снаряда -отклонителя 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 Южно-Российского 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, по луче- • 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.
Классификация кинематических пар
Известно, что любая механическая система образуется из звеньев, тем или иным образом связанных между собой. Связи в ней, как правило, являются голономными, то есть такими, которые требуют непосредственного геометрического контакта звеньев. Кинематические пары являются одним из основных компонентов механических систем. Структурно любая механическая система представляет собой звенья и связи между ними (кинематические пары). От вида кинематических пар во многом зависят относительные движения звеньев и всей
С целью системы в целом. Исследование кинематических пар с точки зрения их особенностей сводится к исследованию геометрических форм соприкасающихся поверхностей звеньев и условий взаимного соприкосновения этих поверхностей. Согласно трудам Л.Т. Дворникова и Э.Я. Живаго /19], полная классификация кинематических пар возможна с учетом шести критериев: - числа независимых относительных движений; - комплекса независимых относительных движений; - числа контактов геометрических элементов звеньев; - комплекса контактов геометрических элементов звеньев; - комплекса зависимых относительных движений.выявления возможных различий между кинематическими парами, установления места каждой из них с выделением лишь ей присущих особенностей, эти критерии в настоящей работе принимаем как систему стратов, определив их следующим образом.
Под числом независимых относительных движений будем понимать число степеней свободы кинематической пары или ее класс согласно классификациям Х.И. Гофмана, П.О. Сомова, А.П. Малышева, В.В. Добровольского и И.И. Артоболевского J20]
Под комплексом независимых относительных движений будем понимать характер и вид относительных движений звеньев. По классификациям С.Н. Кожевникова, С.Н. Добровольского и И.И. Артоболевского возможны 15 видов относительных движений звеньев, представленные как вращательное движение - В, поступательное - П и их возможные сочетания в зависимости от класса кинематической пары [20, 21]
Под числом контактов геометрических элементов звеньев (по Л.Т. Дворникову и Э.Я. Живаго) понимаем характер соприкосновения элементов кинематической пары. Согласно этому страту все пары делятся на пять категорий: одно -, двух -, трех -, четырех - и пятиконтактные [19]. Всего в настоящее время известно 14 одноконтактных кинематических пар-Систематическое изучение одноконтактных связей позволяет заключить, что неодноконтактные кинематические пары могут быть созданы пу 22 тем совмещения в единую конструктивную схему названных четырнадцати во всех их возможных соответствиях по следующему алгоритму /19/.
Кп(но)- Кп(о), где Кп(но) — кинематическая пара неодноконтактная (Кп2, КпЗ, Кп4, Кп5), Б Кп(о) - комплекс одноконтактных кинематических пар (Кп1). Стрелка в выше приведенной формуле равноценна выражению «состоит из», то есть кинематическая пара второго класса образована из двух пар первого класса.
Таким образом, согласно Л.Т. Дворникову и Э.Я. Живаго /19J. - кинематическая пара 1 класса единственная — ПС(1) (в скобках указано количество реализованных кинематических пар); - из 6 возможных кинематических пар 2 класса реализуются 5 -1К(3) и 2К(2); - из 25 ситуаций создания кинематических пар 3 класса реализуются 17 - 1К(5), 2К(8) и ЗК(4); - из 63 ситуаций создания кинематических пар 4 класса реализуются 42 - 1К(3), 2К(24), ЗК(11) и 4К(4); - из 70 ситуаций создания кинематических пар 2 класса реализуются 59 - 1К(2), 2К(28), ЗК(21), 4К(6) и 5К(2).
Итак, всего, согласно алгоритму образования неодноконтактных кинематических пар, возможно создание 166 ситуаций; из них пар первого класса - 1, пар второго класса — 6, пар третьего класса - 25, пар четвертого класса - 64 и пар пятого класса - 70. Реализовано 124 кинематические пары: первого класса — 1, второго класса — 5, третьего класса — 17, четвертого класса - 42 и пятого класса - 59.
При реальном изготовлении звеньев, имеющих различные геометрические элементы, возможно появление дополнительных зависимых движений, которые в конкретных случаях могут оказаться нарушающими закон движения ведомых звеньев - вредными, или специально проектируемыми — полезными. Таким образом, необходимо учитывать число и комплекс зависимых движений, имеющих место в той или иной кинематической паре. Согласно исследованиям Л.Т. Дворникова и Э.Я. Живаго возможно создание 167 кинематических пар различных классов с зависимым движением, из них отличающихся друг от друга 120: первого класса - одну, второго -восемь, третьего - 27, четвертого - 46 и пятого — 38.
В большинстве случаев зависимые движения являются вредными, и при создании новых механизмов, для соблюдения требуемых законов перемещения, скоростей и ускорений их необходимо устранить путем подбора такой кинематической пары, где зависимые движения не совершались бы. В некоторых случаях зависимые движения бывают необходимыми, как, например, при осуществлении винтового движения.
По числу зависимых относительных движений кинематические пары делятся на пять видов. Так, для пары первого класса, допускающей пять независимых относительных движений, зависимым может быть лишь одно движение, а для пар пятого класса, позволяющих осуществлять одно независимое движение, зависимыми могут быть от одного до пяти движений. По комплексу зависимых относительных движений кинематические пары подразделяются на 15 видов (табл. 1.2).
Иная точка зрения Х.И. Гофмана и П.О. Сомова состоит в том, что образование кинематических пар происходит по соприкасающимся поверхностям звеньев, и пары классифицируются не по виду контактирующих поверхностей звеньев, а по «способу зацепления тел между собой». Пары разделяются в этом случае на точечные, линейчатые и поверхностные, с выделением еще как особого вида пары траекторной.
Обоснование способа корректирования направления движения головного снаряда
На основании СКА, в качестве перспективного принят способ управления, основанный на создании момента, разворачивающего ПОММ, изменяющий геометрию ГС. При его реализации рассмотрены два пути решения, основанные на применении двухподвижных сочленений.
1. Управляемый ГС с постоянным эксцентриситетом Управляемый ГС, состоит из корпуса 1 (рис. 2.2), содержащего привод 2, и асимметричного инструмента 3 с эксцентриситетом е [8]. Ориентирование в заданном направлении производится путем поворота инструмента 3 при помощи привода 2. ТС предназначен для прокладки следующих скважин: - малого диаметра с заданным радиусом кривизны. Эксцентриситет инструмента е рассчитывается исходя из необходимого радиуса кривизны скважины; - малого диаметра сложного профиля. Достижение необходимого радиуса кривизны прокладываемой скважины достигается изменением плоскости действия эксцентриситета или заменой инструмента. Прямолинейное движение ГС и става осуществляется циклической стабилизацией инструмента в диаметрально противоположном направлении на каждом последующем шаге продвижения ГС. Изменяя очередность и длительность циклов стабилизации можно получать траекторию любой кривизны - от прямолинейной до максимальной, определяемой величиной принятого эксцентриситета е и ограниченной жесткостью става. Достоинства рассмотренного способа корректирования направления движения ГС: простота реализации; возможность прокладки скважин длиной до 30 метров по заданной пространственной траектории при максимально простых конструкциях управляемого ГС и способе управления с заданным радиусом кривизны.
Недостатки данного способа: необходимость постоянной смены циклов стабилизации ГС для прокладки прямолинейных участков скважины; эксцентриситет є, в силу конструктивных особенностей ПОММ, является постоянной величиной и для изменения предельных значений радиуса кривизны траектории скважины необходимо извлекать ГС из скважины.
2. Управляемый ГС с изменяемой геометрией (переменным эксцентриситетом)
Конструкция ГС предусматривает изменение угла наклона ПОММ по отношению к его оси. Пример реализации подобного устройства на основе двухподвижного сочленения приведен на рис, 2.3 [8]. Управляемый ГС с изменяемой геометрией состоит из хвостовой части 1, соединяющей ГС со ставом; корпуса ГС 2 со встроенным приводом и ПОММ, который состоит из отклоняющего звена 3, выполненного в виде усеченного круглого цилиндра, одно из оснований которого располагается под углом а к другому его основанию; выходного звена 4 представляющего собой совокупность круглого прямого конуса и усеченного круглого цилиндра с углом скоса (X одного из оснований. Ориентирование в заданном направлении осуществляется путем взаимного расположения звеньев 3 и 4 ПОММ друг относительно друга и относительно корпуса ГС. Для этого встроенный в ГС привод осуществляет одну из двух функций: - поворот отклоняющего 3 и выходного звена 4 в одном направлении, но с разными угловыми скоростями, соответственно а 2 и з\ Управляемый головной снаряд с постоянным эксцентриситетом рабочего органа Условные обозначения: 1 — корпус ГС; 2 - встроенный привод; 3 - асимметричный инструмент, представленный в виде круглого конуса с эксцентриситетом е Управляемый головной снаряд с переменным (управляемым) эксцентриситетом ПОММ
Условные обозначения: 1 - хвостовая часть ГС, соединяющая его с ставом; 2 - корпус ГС; 3 -отклоняющее звено ПОММ, с углом наклона одного из оснований к другому ее, 4 — выходное звено ПОММ; ю &2, &з — угловые скорости, соответственно става, отклоняющего и выходного звеньев ПОММ - поворот отклоняющего 3 и выходного звена 4 в противоположных направлениях с разными или одинаковыми угловыми скоростями а 2 и со3. При этом изменяется угол отклонения между осью выходного звена и осью ГС, максимальная величина которого, как и минимальный радиус кривизны траектории, зависят от углов скоса звеньев ПОММ. Конструкция ГС допускает вращение става с некоторой угловой скоростью &ь ГС предназначен для прокладки скважин сложного профиля с повышенной точностью реализации заданной траектории.
Достоинства рассмотренного способа корректирования направления движения ГС заключаются в возможности прокладки скважин длиной до 100 метров по заданной пространственной траектории любой кривизны без замены его ПОММ, и возможности расположения выходного звена последнего по оси ГС, что позволяет обеспечить прямолинейность отдельных участков без переориентации ПОММ. Недостаток этого способа заключается в сложности изготовления ГС.
Для предложенных конструкций ГС способ управляемой прокладки заключается в возможности осуществления корректирования направления ГС в момент разработки скважины за счет специального ПОММ с изменяемой геометрией. При этом осуществляется контроль положения выходного звена ПОММ относительно его продольной оси и положения оси снаряда относительно вертикали независимо от возможного поворота става, являющегося измерительной базой. Необходимое положение ПОММ в пространстве обеспечивается регулированной разностью угловых скоростей его сопряженных звеньев, вращающихся в одном или во встречных направлениях.
Решение прямой и обратной задач кинематики для обеспечения оперативной установки выходного звена пространственно-ориентируемого манипуляционного механизма в требуемое положение
Для управления ПОММ путем корректирования направления его движения необходимо установить зависимость между координатами вершины выходного звена механизма в локальной относительной системе координат с глобальной системой координат.
Предлагаемый механизм приводится во вращение электродвигателем посредством двух передаточных устройств с постоянным передаточным числом. Угол отработки привода ё можно выразить через значения угловых перемещений выходного звена / и отклоняющего звена $ (Рис. 3.4). В этом случае задача определения управляющих воздействий на привод ПОММ сводится к определению угла отработки привода, и решение задач кинематики выглядит следующим образом /70/. - прямая задача кинематики состоит в определении координат вершины выходного звена по известному значению угла поворота приводного вала механизма; - обратная задача кинематики предусматривает определение угловых перемещений приводного вала механизма по заданному положению вершины выходного звена.
При решении поставленных задач примем ряд допущений: - за начальное положение ПОММ принимаем соосное расположение звеньев механизма, возможное только при совпадении их плоскостей симметрии и осей вращения; - при каждом последующем корректировании координат выходного звена механизма необходимо предварительно приводить его в начальное положение, контролируя при этом положение оси относительно оси вращения; - звенья механизма вращаются относительно неподвижной системы координат XYZ в одном направлении с угловыми скоростями coj и 0)2, которые связаны между собой соотношениями: a i = п2а 2 или / = П2Р2, б = пфі = Піп2 где а і, а 2 - угловые скорости соответственно выходного и отклоняющего звеньев механизма; пи Щ - передаточные числа соответственно первого и второго редукторов; 5 угол отработки привода; - звенья механизма, изображенного на рис. 3.3, б), вращаются относительно неподвижной системы координат XYZ в противоположных -направлениях с разными угловыми скоростями a j и о которые связаны между собой выше указанными соотношениями; - звенья механизма, изображенного на рис. 3.3, в), вращаются относительно неподвижной системы координат XYZB следующем порядке: вращающий момент получает только одно из звеньев механизма, вызывая при этом отклонение оси вращения выходного звена относительно отклоняющего на заданный угол (Зі = я/7;, или Si = np2); на втором этапе вращаются оба звена относительно оси Z с одинаковыми скоростями для вывода вершины выходного звена в заданный квадрант ( = nfij = /).
В начальном положении звенья механизма представляют собой круглый прямой цилиндр, при этом минимальная образующая выходного звена механизма совпадает с максимальной образующей отклоняющего звена и наоборот. Свяжем с выходным звеном механизма систему координат XJYJZ}, а с отклоняющим - . так, чтобы плоскости, образованные осями X], Yi и Х2і Y2 были параллельны круглым основаниям соответствующих звеньев, а оси Z} и Z2 совмещались с осями вращения. В начальном положении выбранные системы координат совпадают с глобальной системой координат XYZ (рис. 3,4). Тогда повороты выходного звена на некоторый угол Pi и отклоняющего — на р2 можно представить как повороты локальных координатных систем Xj YJZJ и X2Y2Z2 друг относительно друга вокруг точки Ot являющейся центром сочленения и относительно глобальной системы координат XYZ. Для определения вь образованного осями вращения OZ и OZj при их повороте друг относительно друга и относительно системы координат XYZнеобходимо определить зависимость/? i,2-f(f 1,2) и найти проекцию оси OZi на плоскость XOY. Рассмотрим поворот отклоняющего звена вокруг оси ОО} относительно системы координат XYZ на некоторый между первоначальным положением плоскости симметрии EAA}Ei и последующим BDDj (рис. 3.5).
Определим угол у2 между ЕА и EJAJ (рис. 3.5): rQ1Bsina (O.B-O.AcosBJsina р2 - arctg cos а cos а 0,А = arctg(cos B2tga) где OjB OjA - радиус R основания звена ПОММ (рис. 3.5). Аналогичное уравнение получим и для выходного звена: Ф, = arctg(cos fytga).
Используя несложные геометрические расчеты, определим, что любому значению ф2 будут соответствовать две линии АгО и KiO, принадлежащие эллиптическому основанию отклоняющего звена и образующие с круглым основанием угол р2 (аналогично для основания выходного звена). Любой усеченный круглый цилиндр (рис. 3.5) в плоскости симметрии будет иметь максимальный = Ла. Отрезок HJLJ (линия деления), проходящий через точку О и перпендикулярный плоскости симметрии усеченного круглого цилиндра, образует с осью вращения OOj плоскость HLLJHJ, делящую прямой усеченный цилиндр на две части. Ту часть, которой принадлежит максимальная образующая цилиндра DDt (обозначим Птахі) будем называть зоной подъема, а часть цилиндра с минимальной образующей в точке В (обозначим H ni) зоной спуска.
Определение силовых характеристик привода головного снаряда
Достижение технического результата обеспечивается применением двух муфт обгона, взаимодействующих с электродвигателем посредством редуктора и передающих момент поочередно на выходное и отклоняющее звенья ГС посредством карданного шарнира.
Способ корректирования направления прокладкой скважины включает оперативную установку ПОММ и заключается в возможности его установки в русле скважины в любое положение относительно оси ГС, в том числе строго по его оси, за счет поочередного вращения звеньев ПОММ во встречных направлениях. Положение выходного звена ПОММ контролируется относительно продольной оси ГС, с последующей коррекцией этой оси относительно вертикали, независимо от возможного поворота става, являющегося измерительной базой [65].
Управляемый ГС содержит выходное звено 1 ПОММ, ось которого имеет возможность отклонения от продольной оси ГС и посредством карданного шарнира 2 соединена с центральным валом 3, проходящим через отклоняющее звено 4 ПОММ и жестко соединенную с ним обойму 5; две муфты обгона 6 и 7, расположенные концентрически одна внутри другой и соединенные посредством стакана 8 шпоночным соединением 9 с редуктором 10, получающим вращающий момент от электродвигателя 11, размещенного в корпусе 12. Муфта обгона 6 своим внешним кольцом соединена с обоймой 5, а внутренним - со стаканом 8. Муфта обгона 7 внешним кольцом соединена со стаканом 8, а внутренним с центральным валом 3.
Управляемый ГС работает следующим образом.
Электродвигатель 11 через понижающую передачу - редуктор 10 передает вращающий момент посредством шпоночного соединения 9 стакану 8. Конструкцией ГС предусматривается вращение вала электродвигателя, как по часовой стрелке, так и против.
При вращении вала электродвигателя 11 по часовой стрелке вращающий момент посредством редуктора 10 и шпоночного соединения 9 передается стакану 8. При этом внешнее и внутреннее кольцо муфты обгона 7 входят в зацепление, приводя во вращение центральный вал 3 и посредством карданного шарнира 2 выходное звено 1 ПОММ, сканирующее при движении поверхность отклоняющего звена 4. В муфте обгона 6 при рассматриваемом направлении вращения внутренне кольцо не входит в зацепление с внешним кольцом, т. е. стакан 8 не передает вращение обойме 5 и отклоняющее звено 4 остается неподвижным.
При вращении вала электродвигателя 11 против часовой стрелки вращение в том же направлении получают: редуктор 10, стакан 8 посредством шпоночного соединения 9, внутреннее кольцо муфты обгона 6 которое входит в зацепление с внешним кольцом и приводит во вращение обойму 5 с отклоняющим звеном 4 ПОММ. Внешнее кольцо муфты обгона 7 вращается со стаканом 8, не входя в зацепление с внутренним кольцом. Центральный вал 3 и карданный шарнир 2 остаются неподвижными. Положение выходного звена 1 зависит от положения вращаемого отклоняющего звена 4 ПОММ.
Достоинством этой конструкции ГС является высокая точность реализации заданной траектории движения, а главным недостатком сложность его практической реализации и высокая стоимость изготовления из-за наличия муфт обгона.
В качестве базовой принята конструкция ГС, разработанная на кафедре «Электрификация и автоматизация производства» ШИ (ф) ЮРГТУ (НИИ), и реализующая способ корректирования направления движения для выполнения операции переориентирования за счет применения ПОММ, звенья которого имеют возможность вращения в одном направлении, но с разными угловыми скоростями [65].
ГС содержит выходное звено 1 ПОММ, соединенное посредством карданного шарнира 2 с центральным валом І, проходящим через отклоняющее звено 4 ПОММ, представляющее собой усеченный круглый цилиндр, и жестко соединенную с ней обойму 5; зубчатую передачу 6; редуктор 7 и электродвигатель 8, размещенные в корпусе 9. Центральный вал 3 соединяется с электродвигателем 8 посредством редуктора 7, а обойма получает вращающий момент от электродвигателя 8 посредством зубчатой передачи 6 и редуктора 7.
Управляемый ГС работает следующим образом.
Электродвигатель 8 через редуктор 7 передает вращающий момент центральному валу 5, приводящему в движение выходное звено 1 ПОММ посредством карданного шарнира 2. Отклоняющее звено 4 ПОММ и жестко соединенная с ней обойма 5 приводятся во вращение от центрального вала 3 посредством дополнительной зубчатой передачи 6, предназначенной для создания разности угловых скоростей звеньев 4ж1 ПОММ. При этом звенья 1 и 4 механизма вращаются друг относительно друга и корпуса ГС, и выходное звено 1 ПОММ описывает некоторую траекторию, отклоняясь от продольной оси ГС, Положение выходного звена 1 в скважине задается углом поворота вала электродвигателя 8. Для возможности установки выходного звена 1 по оси ГС звенья ПОММ выполнены с одинаковым углом скоса эллиптических оснований. Таким образом, обеспечивается оперативная установка ПОММ в любое нужное положение относительно оси ГС, в том числе строго по его оси. К достоинствам данной конструкции относятся: ее техническая простота; расширенная область применения предлагаемого ГС за счет прохождения криволинейных трасс и возможности обхода препятствий; возможность выведения скважины в заданную точку с первой прокладки, без использования стартовых скважин.
