Определение рабочей области подачи жидкости на привод забивного пробоотборника с гидродвигателем

Каракозов А.А., Рязанов А.Н., Пилипец В.И.
Источник: Сборник трудов кафедры ТТГР - Донецк: ДонНТУ, 2005.

В результате анализа преимуществ и недостатков современных грунтоносов и пробоотборников в Донецком национальном техническом университете предложена принципиальная схема и разработана конструкция забивного пробоотборника с гидродвигателем. Пробоотборник используется в качестве съемного приспособления при бурении глубоких (до 200 м по грунту при глубине моря до 150 м) инженерно-геологических скважин на континентальном шельфе. Принцип работы пробоотборника заключается в том, что поршневой гидродвигатель дифференциального действия создает возвратно-поступательное перемещение подпружиненных захватов, которые при ходе вверх поднимают боек и освобождают его в конце хода. Боек, падая, наносит удар по наковальне, заглубляя керноприемный снаряд в грунт. Перемещающиеся вниз захваты соединяются с бойком и цикл повторяется.
Результаты изучения динамики поршневой группы приводного гидродвигателя пробоотборника представлены в работе . Моделирование выполнялось с учетом изменения массы поршневой группы на рабочем ходе вверх и вниз с использованием разработанной на кафедре ТТГР ДонНТУ методики проектирования гидроударных машин.
Анализ математической модели позволяет установить зависимость периода (Т) рабочего цикла гидродвигателя от расхода (Q) подаваемой на его привод жидкости (см. рисунок).
Рабочая область изменения параметра Q определяется с одной стороны, требованиями к частоте ударов забивного пробоотборника, с другой стороны, минимально возможной подачей, обеспечивающей подъем бойка из нижнего положения в верхнее.
Рисунок - Графическое представление зависимости для определения рабочей области изменения расхода жидкости на привод гидродвигателя пробоотборника
Согласно действующих нормативных документов отбор проб грунтов с ненарушенной структурой обеспечивается применением пробоотборников с частотой ударов не более 1 Гц. Проведенные расчеты показывают, что для выполнения предъявляемого требования расход жидкости на привод гидродвигателя разработанной конструкции (при величине рабочего хода S поршневой группы 0,5 м) не должен превышать 75 л/мин.

где k - коэффициент, учитывющий разрежение за поршнем при гидроударе; r - плотность жидкости; с - скорость распространения гидроударной волны; VТ - скорость жидкости в подводящем трубопроводе перед гидроударом; mВВ - масса поршневой группы при движении вверх; V1 - скорость поршня в конце рабочего хода; g - ускорение силы тяжести; R - сила механического трения; f - рабочая площадь поршня; tВВ - продолжительность хода вверх.

Правая часть неравенства, равная сумме веса поршневой группы и силы механического трения, - величина постоянная. Левая же представляет собой силу давления жидкости в цилиндре гидродвигателя пробоотборника и зависит от величины гидроударного и дополнительного давления. При невозможности повышения первого путем уменьшения площади подводящего трубопровода (колонны бурильных труб) она определяется только расходом рабочей жидкости Q. Как показывают расчеты, при выбранных конструктивных параметрах пробоотборника диаметром 89 мм подъем бойка массой 50 кг в верхнее положение будет происходить при подачи жидкости на привод гидродвигателя не менее 55 л/мин. В этом случае ожидаемая частота ударов пробоотборника составит 0,7 Гц.
Таким образом, рабочая область подачи жидкости на привод разработанного забивного пробоотборника с гидродвигателем составляет 55…75 л/мин. Этот диапазон изменения технологического параметра обеспечивает частоту ударов пробоотборника в пределах 0,7…1 Гц, которая гарантирует отбор монолита без нарушения структуры образца.