IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение

Освоения новых месторождений, и совершенствования технологий горных работ, невозможно без процессов бурения скважин. Они применяются при буровзрывных работах, а также для добычи полезного ископаемого геотехнологиями.

Основным направлением повышения производительности и эффективности работы буровых станков является совершенствование систем приводов и технических средств управления, а также обеспечение надежности процесса бурения и в этой области многое зависит от процессов проектирования буровых станков

Широкие возможности решения этой задачи открываются в настоящее время системы автопроектирования. Это позволяет рассматривать технологические агрегаты бурового станка как модели.

В работе будет рассмотрена 3D модель процесса нагружения бурового устройства, с созданием моделей основных конструктивных элементов.

Для бурения пород повышенной крепости, как в мировой, так и в отечественной практике используют станки с исполнительными органами ударно-вращательного действия. Вместе с тем, разработанные за последние годы высоко-энерговооруженные станки нового технического уровня с погружными пневмоударниками повышенного давления на российских горнодобывающих предприятиях не нашли достаточно широкого применения.

Несоответствие рекомендованных и фактических значений долговечности инструмента особенно отрицательно сказывается на эффективности бурения пород повышенной крепости, в том числе при разработке месторождений полиметаллических руд. В значительной мере это связано с отсутствием пространственных моделей.

1.Технология работ, где применением буровых станков.

1.1Анализ технологических работ с применением буровых станков.

Разработка месторождений открытым способом делится на следующие этапы: подготовка поверхности карьерного поля, снос зданий и сооружений, перенос шоссейных и же­лезных дорог, линий электропередачи и т.п., горно-капитальные работы в период строительства карьера заключаются в проведении капитальных траншей для обеспечения транспортного доступа к рабочим горизонтам карьера и разрезных траншей для создания первоначального фронта горных работ, удалении не­которого объема вскрышных пород для вскрытия запасов полез­ного ископаемого перед пуском карьера в эксплуатацию; горно­подготовительные работы в период эксплуатации карьера - в проведении горных выработок для вскрытия очередного рабо­чего горизонта; вскрышные и добычные работы.

Подготовка поверхности и осушение месторождения, горно-капитальные и горно-подготовительные работы выполняются последовательно в период строительства карьера. В период экс­плуатации горно-подготовительные и вскрышные работы выпол­няются параллельно с добычными, опережая их в пространстве и времени.

Горно-подготовительные, горно-капитальные, вскрышные и добычные работы выполняются по определенной технологической схеме, включающей следующие производственные процессы: подготовка горных пород к выемке; выемочно-погрузочные работы; перемещение горной массы: разгрузка и складирование полезного ископаемого; отвалообразование.

Разнообразие горно-геологических условий месторождении требует различной механизации и технологии открытых горных работ.

Подготовка горных пород к выемке производится в целях обеспечения безопасности горных работ, необходимого качества добываемого сырья, технической возможности и наилучших ус­ловий применения средств механизации последующих процес­сов. Подготовка включает: обеспечение устойчивости откосов уступов; осушение горных пород, подлежащих извлечению в данный период разработки; разупрочнение и изменение их агрегатного состояния; разрушение (разрыхление) породного массива и другие виды воздействия на горные породы для об­легчения их выемки.

Подготовка к выемке может осуществляться механическими способами (исполнительными органами горных машин), гидрав­лическими способами (нагнетанием, насыщением водой, рас­творением), физическими способами (электромагнитным и термическим воздействием), химическим, комбинированными и взрывным способами. Выбор способа подготовки горных пород к выемке зависит, прежде всего, от вида, агрегатного состояния и свойств пород в массиве, мощности предприятия, наличных технических средств, предъявляемых требований к качеству добываемого сырья, а также от природных условий ведения работ. Затраты на подготовку к выемке составляют от 5 до 40 % общих затрат на горные работы.

Выемка мягких, песчаных и естественно мелкоразрушенных пород успешно производится всеми видами выемочно-погрузоч­ного оборудования. При этом подготовка совмещена с выемкой и производится одними и теми же средствами механизации.

Выемка плотных пород также может осуществляться непо­средственно из массива выемочными машинами с повышенными усилиями копания. Если усилия, развиваемые выемочными ма­шинами, недостаточны, производится подготовка таких пород к выемке, которая заключается в их предварительном механи­ческом рыхлении или взрывании на сотрясение.

1.2Технологические основы буровых работ.

Для разведки, вскрытия или добычи твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых, а также для различных вспомогательных целей в горных породах бурят вертикальные, горизонтальные или наклонные шпуры и скважины.

Бурение — процесс сооружения горной выработки цилиндрической формы путем разрушения горных пород в торцевом забое.

Буровой станок — буровая машина, установленная на самоходной платформе или передвижной раме, применяемая для бурения взрывных и разведочных скважин и шпуров при открытой и подземной разработке полезных ископаемых, при сплошных камерных и особенно этажно-камерных и блоковых системах разработки для бурения скважин.

Шпуром принято называть искусственное цилиндрическое углубление в горных породах диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м.

Скважиной называют искусственное цилиндрическое углубление в горных породах диаметром более 75 мм и глубиной более 5 м.

Бурение производится с помощью буровой установки — комплекса оборудования, включающего буровую вышку (мачту), силовой привод, механизм передвижения, оборудование для механизации спуско-подъемных операций и очистки скважин и др.

Для ведения буровзрывных работ бурят шпуры или скважины, в которые помещают взрывчатое вещество (ВВ).

В общей технологии открытых горных работ буровзрывные работы являются одним из основных и трудоемких производственных процессов. На долю буровзрывных работ приходится в среднем от 16 до 32 % всех затрат, необходимых для добычи твердых полезных ископаемых.

В нашей стране ежегодно бурятся десятки миллионов метров взрывных скважин и шпуров, и с каждым годом объемы бурения растут.

От качества рыхления горных пород зависят производительность погрузочного и транспортного оборудования, его долговечность и эффективность эксплуатации.

Дальнейшее развитие буровой техники предусматривает: создание станков для бурения скважин диаметром до 400 мм шарошечными долотами; разработку новых способов бурения; совершенствование автоматизации управления режимами бурения и вспомогательными операциями; снижение времени на спуско-подъемные операции в 1,5—2 раза; осуществление бурения взрывных скважин глубиной до 18—24 м без наращивания буровых штанг; разработку невращающихся буровых ставов; использование стабилизаторов и амортизаторов; совершенствование и внедрение на станках шарошечного бурения электровибробуров; освоение новых типов шарошечных долот и дополнительных устройств к ним и более интенсивное применение станков комбинированного бурения.

Характеристики буровых станков:

-Диаметрбурения — до 200 мм;

-Глубина бурения — до 52 м;

-Частота вращения инструмента — до 3,3 с-1;

-Крутящий момент — до 10 кН;

-Скорость подачи — до 0,4 м/с;

-Усиление подачи — до 200 кН;

-Размер блина штанги — до 4250 м;

-Скорость передвижения станка — до 1,36км/ч;

-Давление на грунт — до 0,1МПа;

-Мощность двигателей установленная — до 337кВт;

-Габариты в рабочем положении: длина — до 10300 мм, ширина — до 4900 мм, высота — до 18200мм;

-Масса — до48,2т;

Классификация буровых станков:

-Буровые станки вращательного бурения шарошечными долотами;

-Буровые станки вращательного бурения резцовыми коронками;

-Буровые станки ударно-вращательного бурения;

-Буровые станки комбинированного бурения;

-Буровые станки ударно-канатного бурения;

Буровые станки классифицируются по характеру (способу) разрушения горной породы, типу привода и назначению (рисунок1.1).

Рисунок 1.1: Классификация буровых станков для открытых работ.

Бурение горной породы можно производить механическим и немеханическим способами. Механический способ реализуется в машинах ударного, вращательного, ударно-вращательного бурения, когда разрушение горной породы производится инструментом под действием прикладываемых к нему силовых нагрузок.

Ударный способ бурения осуществляется в результате нанесения ударов инструмента по породе. Удары можно наносить по хвостовику бура, лезвие которого, внедряясь, разрушает некоторый объем породы. После каждого удара буровой инструмент принудительно поворачивается и постепенно разрушает породу по всему сечению скважины. Этот способ бурения используется в бурильных машинах — перфораторах.

Для бурения скважин в сложных горно-геологических условиях с перемежающимися' породами различной крепости и структуры высоты на забой под действием собственного веса. Ударом создаются большие удельные нагрузки на лезвие коронки, что более эффективно для разрушения хрупких горных пород. Поворот инструмента происходит под действием упругих сил закручивания каната, на котором подвешен буровой инструмент. Так осуществляется бурение станками ударно-канатного бурения.

При ударно-вращательном способе бурения буровой инструмент непрерывно вращается вокруг своей оси и по нему наносятся удары. Осевое усилие прикладывается к инструменту для нейтрализации сил отдачи, действующих на него в момент удара. Этот способ применяется в станках ударно-вращательного бурения с погружными пневмо-ударниками. Немеханическим (физическим) способом производится термическое, взрывное, гидравлическое, электро-гидрав-лическое, ультразвуковое и комбинированное бурение.

По типу привода буровые станки делятся на электрические и тепловые, работающие от двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

По назначению буровые станки делятся на машины для бурения шпуров и небольших скважин и для бурения скважин среднего и большого диаметра.

Основные параметры буровых станков — диаметр, глубина и угол наклона пробуриваемой скважины.

Наибольшее распространение на открытых горных работах получили станки вращательного бурения шарошечными долотами, которыми выполняется около 80 % всех объемов бурения. Остальные 20 % объема выполняются станками вращательного бурения резцовыми коронками, ударно-вращательного и комбинированного бурения. Кроме того, на открытых горных работах еще находятся в эксплуатации станки ударного бурения.

1.3 Станки вращательного бурения шарошечными долотами

К станкам вращательного бурения относятся станки шарошечного бурения, предназначенные для бурения вертикальных и наклонных скважин в породах средней крепости и крепких. Разрушение породы осуществляется шарошечным долотом, во время вращения которого при постоянном усилии подачи зубья шарошек скалывают и раздавливают горную породу.

Рисунок 1.2: Конструктивная схема станка вращательного бурения шарошечными долотами.

Станки шарошечного бурения (рисунок 1.2) имеют шарошечное долото, укрепленное на конце штанги 2. Вращатель 3 сообщает штанге вращение, а механизм подачи 4 подает ее на забой. Разрушенная горная порода удаляется сжатым воздухом или водовоздушной смесью, поступающей в скважину по пустотелым буровым штангам.

1.4 Станки ударного бурения.

К станкам ударного бурения относятся станки ударно-канатного бурения. Ударный способ бурения используется также в перфораторах, которые применяются на карьерах для бурения шпуров в негабаритных кусках горной породы, при добыче декоративного камня и др.

Станки ударно-канатного бурения находят преимущественное применение при проходке скважин на воду, гидрогеологических, водопонижающих и взрывных скважин, а также при геологической разведке россыпных и других месторождений.

Этими станками бурят вертикальные скважины диаметром 200—900 мм на глубину 50— 500 м в породах различных категорий крепости.

Рисунок 1.3: Конструктивная схема станка ударно-канатного бурения

Станки ударно-канатного бурения (рисунок 1.3) имеют тяжелый (1000—3000 кг) буровой снаряд U подвешенный на канате 2. Кривошипно-шатунный механизм 3 с помощью оттяжного блока 4 периодически поднимает и опускает буровой снаряд, который лезвием долота, имеющим форму клина, наносит удары по породе забоя. Накапливаемая при падении кинетическая энергия при ударе долота по породе расходуется на ее разрушение. Привод всех механизмов осуществляется через главный вал 5 от двигателя 6 с помощью муфт и шкивов, что позволяет независимо включать любой механизм станка.

Для получения скважины круглого сечения и равномерного разрушения породы в забое долото с ударной штангой после каждого удара во время его подъема над забоем скважины поворачивается на угол от 15 до 60°. При подъеме бурового снаряда канат натягивается и раскручивается, что приводит к поворачиванию бурового снаряда. При ударе снаряда о забой натяжение каната ослабевает и замок, соединяющий канат со штангой (долотом), поворачивается под действием закручивающих усилий каната.

Чистка скважин при бурении крепких пород производится через 0,4—0,9 м, при бурении слабых пород через 0,9—1,5 м и более.

Основной недостаток станков этого типа — малая частота ударов (45—60 мин) ограничивающая их производительность. Увеличить частоту, так как продолжительность падения бурового снаряда зависим от ускорения свободного падения и высоты инструмента (0,8—1 м).

1.5 Оборудование для бурового станка.

Выбор бурового оборудования и инструмента (станка, мачты, насоса, силового привода, бурильных труб, аварийного, вспомогательного и технологического инструмента) для бурения скважин является многофакторной задачей, правильное решение которой во многом обусловливает качество и экономичность решения геологической задачи, поставленной перед буровыми работами.

На выбор конкретного инструмента или оборудования влияют одновременно несколько факторов, каждый из которых, в свою очередь, в той или иной мере оказывает влияние на выбор других видов технических средств. Задачу, таким образом, следует решать взаимосвязано и комплексно, что позволяет эффективно использовать всю номенклатуру выбранного оборудования и инструмента.

Для полного учета всех факторов и их взаимосвязей, влияющих на выбор оборудования и инструмента, на всех этапах проектирования и проведения буровых работ рекомендуется учитывать схему выбора оборудования и инструмента (рисунок 1.4), в которой показаны основные связи различных элементов технологии бурения скважин.

В САПР такая классификация определена как многомерная, по ней создается база данных иерархическая структура, когда каждый ее элемент является таблицей. В рамках уровней таблицы, создается входящее программное обеспечение, которое заканчивается решением целевой задачи. Созданная база является проектной, а придоработки ее уровнями и таблицами, накопление и обработки эксплуатационных данных и данных с датчиков оборудования, она превращается в управляющую для систем бурения с обратной связью с массивом.

При этом определяющими факторами являются:

- глубина скважины;

- целевое назначение скважины;

- вид полезного ископаемого;

- характеристика горных пород;

С учетом выбранного способа бурения, геолого-технических условий бурения скважины и ее конструкции выбирается породоразрушающий инструмент, вид промывочной жидкости, определяются оптимальные параметры режима бурения.

Рисунок 1.4:Информационная модель выбора бурового оборудования и инструмента.

С учетом режима бурения, а также глубины скважины и ее диаметра выбирается тип бурильной колонны, определяется масса, а также необходимая для этих условий мощность привода бурового станка, а затем и тип бурового станка. Одновременно с разработкой конструкции скважины устанавливается наибольшая длина и масса обсадной колонны, оценивается возможность возникновения аварийных ситуаций, их характер и меры, необходимые для предупреждения осложнений и ликвидации аварий.

В зависимости от вида промывочной жидкости, ее расхода, необходимого для обеспечения оптимального процесса бурения, а также глубины и диаметра скважины, типа бурильной колонны определяются параметры бурового насоса и выбирается его тип.

Выбор типа буровой мачты или вышки обусловлен общей массой бурильной колонны и наибольшей массой обсадной колонны. Кроме того, при выборе следует учитывать наибольшие усилия, которые могут возникнуть в мачте от ветровых нагрузок и при ликвидации аварий в скважине.

Буровой инструмент - общее название механизмов и приспособлений, применяемых при бурении скважин, шпуров и ликвидации аварий, возникающих в скважине. По назначению выделяют буровой инструмент технологический (для производства работ, связанных непосредственно с процессом бурения скважин), вспомогательный (для свинчивания и развинчивания бурильных колонн, подтаскивания, подъема, спуска и удержания на весу или в стволе ротора элементов бурильной колонны, штанг и обсадных труб), аварийный (метчики, колокола, труболовки, труборезки, фрезеры, торпеды, печати, домкраты и др.), специальный для бурения скважин в заданном направлении (отклонители, опорно-центрирующие приспособления, ориентаторы и др.).

Вспомогательный буровой инструмент - инструмент, предназначенный для обслуживания бурового технологического инструмента. Служит для выполнения спуско-подъемных операций с бурильными и обсадными трубами, предотвращения или устранения осложнений в скважине, разобщения пластов и других вспомогательных работ при бурении.

Буровая штанга.

Буровая штанга представляет собой стальную трубу с хвостовыми резьбами. Она предназначена дляпередачи усилий (работы удара и крутящего момента) отвращателя и поршня-ударника на резец (буровую коронку, шарожку),соединения наземным оборудованием буровой установки с оборудованием для бурения на дне скважины. Также буровая штанга пользуется для передачи бурового раствора буровому долоту, и подъема, спуска или вращения установки донного отверстия вместе с буровым долотом.

Буровая штанга для ударного бурения состоит из хвостовика, стержня и соединительной головки с резьбой или конусом для соединения с буровой коронкой; изготовляется из шестигранной, круглой, восьмигранной или прямоугольной (реже ромбической) буровой стали длиной от 0,5 до 9,6 м.

При перфораторном бурении скважин штанги соединяются между собой муфтами или ниппелями.

Для вращательного бурения шпуров штанга изготовляется из витой буровой стали различной длины и имеет с одного конца полость для стержня резца, а с другого - хвостовик. Для вращательного шнекового - из цельнотянутой трубы, на которую навита реборда из полосового железа толщиной 4-5 мм; ширина реборды выбирается с таким расчетом, чтобы двойная ее величина увеличивала диаметр трубы. По концам трубы с одной стороны закрепляется хвостовик, с другой - гнездо хвостовика второго бура или буровой коронки. Хвостовик и гнездо для него имеют отверстие, через которое проходит шплинт, предохраняющий их от разъединения.

Штанги выполняются из углеродистой стали, определенной марки. Материал должен отличаться высокой прочностью, твердостью, надежностью при долгом сроке использования, что обеспечивает безопасность бурового процесса. Согласно требованиям ГОСТ механические свойства буровых штанг должны соответствовать следующим параметрам:

- Временное сопротивление разрыву, МПа (кг/мм2), не менее 86 (70);

- Предел текучести, МПа (кгс/мм2), не менее 490 (50);

- Относительное удлинение, %, не менее 12;

На поверхности штанги буровой ни в коем случае не должно быть трещин, пленок и закатов и других явных дефектов. Однако допускается наличие дефектов, не выводящих толщину стенки за минимально допустимые размеры и слой окалины, не препятствующий осмотру.

При осовоении месторождений любых видов полезных ископаемых важной составляющей является бурение скважин с использованием пневмоударников. Пневмоударникпредставляет из себя забойную пневманическую машину с ударным действием, которая имеет беззолотниковую воздухораспределительную систему с подводом сжатого воздуха, направленного в рабочие камеры цилиндра и с центральным выхлопом отработанного воздуха, который выходит через канал буровой установки.

По своему действию в некотором смысле пневмоударникисхожи с отбойным молотком, например, с механизмом воздухораспределения. Именно от работы этой машины зависит не только скорость, но и качество бурения. К основным достоинствам пневмоударников относятся: лёгкость забуривания, при бурении по трещеноватым и разрушенным породам не происходит заклинивания буровых коронок, при работе происходит эффективная очистка забоя от шлама. Они имеют не только высокую производительность, но и повышенную стойкость при бурении. Современные пневмоударники имеют клапанное или бесклапанное воздухораспределение.

Рабочие циклы бесклапанного пневмоударника и его взаимодействие с долотом делятся на четыре этапа (рисунок 1.5):

Рисунок 1.5:Рабочие циклы бесклапанного пневмоударника и его взаимодействие с долотом (примечание: черный цвет - воздух высокого давления, темно-серый – вытяжной воздух, светло-серый – атмосферный воздух; 1,2,3,4 – циклы соответственно).

Поднятие пневмоударника с забоя скважины приводит к опусканию буровой коронки на удерживающие кольца коронки. Поршень следует за коронкой для того, чтобы опереться на поверхность удара коронки. Затем воздух высокого давления направляется через буровую коронку в основные вытяжные отверстия поршня и через нижнюю камеру, которая обычно питает поршень при обратном ходе. Теперь пневмоударник находится в положении максимальной продувки. Для возобновления бурения пневмоударник снова опускается на забой скважины.

Выбор моделей и типов пневмоударников во многом зависит от крепости пород, от рабочего давления на выходе, от угла и направления бурения.

Для бурения скважин используются пневмоударники, имеющие диаметр от 80 до 165мм. Благодаря им можно проводить работы в горных породах, которые имеют высокую или среднюю прочность, подземным или открытым способом, а также в абразивных, разрушенных или трещеноватых породах. Их используют при изыскательских работах, при геологоразведочном бурении и при бурении взрывных скважин.

Пневмоударники буровых установок играют значительную роль в горнодобывающей промышленности, являясь поставщиком полезных ископаемых необходимых для развития различных отраслей экономики. Использование прогрессивных и современных способов бурения позволяет добывать сырьевые ресурсы, которые способствую развитию многих отраслей промышленности.

Долото буровое-основной элемент бурового инструмента для механического разрушения горной породы на забое скважины в процессе её проходки. Долото буровоекак правило, закрепляют в конце бурильной колонны, которая передаёт ему осевое и окружное усилие, создаваемое буровой установкой.

2. Совершенствование бурового станка.

2.1 Анализ методов проектирования.

Если процесс проектирования осуществляется человеком при взаимодействии с компьютером, то проектирование называется автоматизированным, если нет, то, соответственно, неавтоматизированным. Проектирование, при котором все преобразования описания объекта и алгоритма его функционирования осуществляются компьютером без вмешательства человека, называется автоматическим, соответствующие системы – системами сквозного проектирования.

Нас будет интересовать, в первую очередь, автоматизированное проектирование, которое и является предметом САПР.

Применение систем автоматизации проектирования (САПР) – это подход, при котором проектирование превращается в единый информационно связанный человеко-машинный процесс. САПР – не коллекция программ, а комплекс средств, в котором функции человека и машины рационально распределены и научно обоснованы.

Цель САПР – повышение качества проектов, снижение материальных затрат, сокращение сроков проектирования и ликвидация тенденции к росту числа проектировщиков, а также повышение производительности их труда.

Предметом САПР являются формализация проектных процедур, структурирование и типизация процессов проектирования, постановка, модели, методы и алгоритмы решения проектных задач, способы построения технических средств, создание языков описания проблем, баз данных и баз знаний, а также вопросы их объединения в единую проектирующую систему.

В соответствии с ГОСТ САПР – это организационно-техническая система, входящая в структуру проектной организации и осуществляющая проектирование при помощи комплекса средств автоматизированного проектирования (КСАП). КСАП – это совокупность различных видов обеспечения автоматизации проектирования.

CAE (Computer-AidedEngineering) – компьютерные системы инженерного анализа для решения таких задач, как:

-Прочностной анализ (все виды расчетов на прочность конструкций методом конечных элементов);

-Теплофизические расчеты;

-Пластический анализ (анализ пластической деформации и оценка технологичности изготовления деталей методом литья под давлением);

Примером полнофункциональной CAE-системы является система ANSYS американской фирмы SwansonAnalysisSystems.

Ведущие мировые производители программного обеспечения для автоматизации проектирования, как правило, поставляют на рынок интегрированные универсальные системы, удовлетворяющие требованиям проектирования и изготовления изделий в различных отраслях промышленности. Эти системы содержат в себе возможности автоматизации всех трех аспектов и называются соответственно CAD/CAM/CAE системами.

Основные особенности современныхCAD/CAM/CAE-систем:

СAD-подсистемы обеспечивают:

-Черчение; твердотельное, поверхностное и каркасное 3-х мерное моделирование; моделирование «больших» сборок;

-Фотореалистическое отображение;

-Конструирование и раскрой из листовых материалов;

-Поддержку промышленных графических стандартов (IGES, DXF, STEP и др.);

-Вывод документации во всех основных чертежных стандартах (ANSY, ISO, DIN, ЕСКД и т.д.);

СAM-подсистемы обеспечивают:

-Эффективную подготовку управляющих программ для оборудования с ЧПУ;

-Быстрое генерирование постпроцессоров для различных систем ЧПУ и контроллеров;

CAE-подсистемы являются полномасштабными (т.е. полностью решающими весь спектр задач без каких-либо ограничений) и обеспечивают все виды инженерного анализа.

Полные версии систем функционируют на основных типах рабочих станций (как правило, на UNIX- платформах).

Классификация САПР – это система понятий для установления связей между ними для точного ориентирования в многообразии понятий. Классификация фиксирует место объекта в системе.

ГОСТ предлагает классификацию САПР по следующим признакам:

-По типу, разновидности, сложности объекта;

-По уровню автоматизации проектирования (АП);

-По комплексности АП;

-По характеру и числу выпускаемых документов;

-По числу уровней в структуре ПО;

Классификация по типу, или по назначению:

-САПР изделий машиностроения;

-САПР изделий приборостроения;

-САПР технологических процессов в машино и приборостроении;

-САПР объектов строительства;

-САПР технологических процессов в строительстве;

-САПР программных модулей;

-САПР организационных систем;

-Резерв;

-Резерв;

Однако, универсальные САПР могут успешно применяться в различных предметных областях. Кроме того, время внесло свои коррективы, и данную классификацию САПР можно представить следующим образом:

-Машиностроительные – разработка широчайшего спектра изделийот создания аэрокосмических систем до проектирования кофеварок и кухонных комбайнов;

-Изделия микроэлектроники– проектирование и моделирование функционально-логических, принципиальных и монтажных схем, печатных плат с автоматическим размещением элементов изделий, автотрассировка;

-Электротехнические – разработка принципиальных схем и схем подключения электротехнического оборудования, его пространственная компоновка, ведение баз данных готовых изделий;

-Архитектурные – трехмерное проектирование архитектурно-строительных конструкций, расчет специальных конструкций типа крыш, типовые статические расчеты строительных конструкций, ведение баз данных стандартных элементов, планирование территорий под строительство, проектирование ландшафтов и интерьеров;

-Оборудование промышленных установок и сооружений – создание принципиальных схем установок, пространственная разводка трубопроводов и кабельных трасc, проектирование систем отопления, водоснабжения, канализации, электроснабжения, вентиляции и кондиционирования, ведение баз данных оборудования, трубопроводной арматуры, готовых электротехнических изделий;

-Геоинформационные системы – оцифровка данных полевой съемки, анализ геодезических сетей, построение цифровой модели рельефа, создание в векторной форме карт и планов, ведение электронного картографического архива;

Составные структурные части САПР – подсистемы, которые обеспечивают получение законченных проектных решений. По назначению подсистемы разделяют на проектирующие и обслуживающие.

Проектирующие выполняют проектные процедуры и операции (например, логическое проектирование, конструкторское проектирование). Обслуживающие осуществляют поддержку работоспособности проектирующих подсистем (например, информационный поиск, документирование, графическое отображение).

Выделим следующие принципы создания САПР:

-Принцип системного единства обеспечивает целостность системы и иерархичность проектирования отдельных элементов и всего объекта проектирования;

-Принцип информационного единства. Использование в подсистемах единых обозначений, проблемно-ориентированных языков, способов представления информации;

-Принцип совместимости обеспечивает совместное функционирование составных частей САПР и сохраняет открытую структуру в целом;

-Принцип типизации ориентирует на преимущественное создание и использование типовых и унифицированных подсистем, инвариантных к промышленным объектам. Типизации подлежат элементы, имеющие перспективу многократного применения;

-Принцип развития обеспечивает пополнение, совершенствование и обновление составных частей САПР, а также взаимодействие и расширение взаимосвязи с другими автоматизированными системами различного назначения;

При создании САПР как нового изделия необходимо реализовать все стадии и этапы проектирования.

На первой стадии (предпроектные исследования) производится обследование той организации или подразделения, которая будет выполнять проектирование (например, конструкторского бюро), изучается предмет автоматизации, оформляется отчет, в котором проводится анализ существующих отечественных и зарубежных аналогов и дается предварительное технико-экономическое обоснование создания САПР. Отчет согласовывается в установленном на предприятии порядке.

Далее пишется техническое задание (ТЗ) на разработку САПР, где формулируются цели создания САПР, назначение, область применения, обосновывается оптимальный вариант системы, дается общее описание процесса проектирования, указываются ответственные исполнители, примерные сроки выполнения работ. Техническое задание разрабатывается, согласовывается и утверждается исполнителем совместно с заказчиком. На этой стадии завершается так называемое внешнее проектирование.

Внутреннее проектирование.

На стадии технического предложения осуществляется выбор рациональных вариантов САПР с учетом ТЗ, обоснование, дополнительные требования к САПР; обоснование и описание выбранного варианта; технико-экономическое обоснование; предложения по организации работ на следующих стадиях.

На стадии эскизного проекта разрабатываются принципиальные решения по созданию САПР и формам проектной документации, по структуре подсистем, требования к языкам проектирования.

На стадии технического проекта принимаются окончательные решения по созданию САПР, которые опять согласовываются и утверждаются.

Стадия рабочего проектирования предполагает создание подробной рабочей документации по САПР в целом и по ее подсистемам и компонентам. Результатом стадии рабочего проектирования является рабочий проект (РП), который включает в себя всю необходимую рабочую документацию.

Помимо детальной структуры САПР и подсистем, в РП входит документация информационного обеспечения – БД, правила заполнения; документация программного обеспечения – спецификация, тексты, порядок испытаний; документация математического, методического, лингвистического обеспечений; документация организационного обеспечения; методика и программа испытаний КСАП.

Следующая стадия проектирования САПР предполагает изготовление, отладку и испытание так называемых несерийных компонентов САПР. Помимо программного обеспечения здесь могут изготавливаться и отлаживаться специализированные технические средства, не выпускаемые серийно промышленностью, например, некоторые средства сопряжения различных устройств.

На заключительной стадии осуществляется сдача САПР в промышленную эксплуатацию, которая включает в себя, в частности, обучение пользователей, строительно-монтажные работы, если таковые необходимы, комплексную отладку САПР, опытную эксплуатацию, проведение приемочных испытаний, устранение замечаний, выявленных при испытаниях и, наконец, собственно сдачу системы в промышленную эксплуатацию.

2.2 Обоснование выбора проектирования в ANSYS.

ANSYS - это гибкое, надежное средство проектирования и анализа. Она работает в среде операционных систем самых распространенных компьютеров - от РС до рабочих станций и суперкомпьютеров. Особенностью программы является файловая совместимость всех членов семейства ANSYS для всех используемых платформ. Многоцелевая направленность программы (т.е. реализация в ней средств для описания отклика системы на воздействия различной физической природы) позволяет использовать одну и ту же модель для решения таких связанных задач, как прочность при тепловом нагружении, влияние магнитных полей на прочность конструкции, тепломассоперенос в электромагнитном поле. Модель, созданная на РС, обеспечивает всем пользователям программы удобные возможности для решения широкого круга инженерных задач.

Как новичкам, так и опытным пользователям эта программа предлагает непрерывно растущий перечень расчетных средств, которые могут учесть разнообразные конструктивные нелинейности; дают возможность решить самый общий случай контактной задачи для поверхностей; допускают наличие больших (конечных) деформаций и углов поворота; позволяют выполнить интерактивную оптимизацию и анализ влияния электромагнитных полей, получить решение задач гидроаэродинамики и многое другое - вместе с параметрическим моделированием, адаптивным перестроением сетки, использованием р-элементов и обширными возможностями создания макрокоманд с помощью языка параметрического проектирования программы ANSYS (APDL). Система меню (на основе разработки фирмы Motif) обеспечивает ввод данных и выбор действий программы с помощью панелей диалога, выпадающих меню и окон списка, помогая пользователю управлять программой. Средства твердотельного моделирования включают в себя представление геометрии, основанное на использовании сплайновой технологии NURBS, геометрических примитивов и операций булевой алгебры (выполняемых модулем SHAPES фирмы XOX Corp., который встроен в программу ANSYS).

Модуль программы ANSYS DesignDataAccess (DDA) обеспечивает передачу в программу моделей, созданных средствами компьютерного проектирования (CAD), что исключает повторение выполненной прежде работы. Назначение модуля DDA состоит в том, чтобы дать пользователю возможность получить результаты конечно-элементного анализа, которые в полной мере обусловлены исходной информацией, содержащейся в проектной разработке, а также предоставить современные и самые совершенные средства обмена данными. Программные средства серии DDA Connection могут работать совместно с разработками многих ведущих поставщиков CAD-программ, включая компании ParametricTechnologyCorporation, EDS/Unigraphics и ComputervisionCorporation. Последней версией этой серии является программное средство DDA Interactive, позволяющее использовать для конечно-элементного анализа непосредственно CAD-модели за счет современного интефейса и установлению взаимосвязи между CAD-информацией и данными, требующимися для проведения анализа. Кроме того, возможности анализа и оптимизации программы ANSYS легко переносятся на CAD-модели за счет использования форматов IGES и STEP для пересылки геометрии или соответствующего интерфейса ведущих CAD-программ.

Все функции, выполняемые программой ANSYS, объединены в группы, которые называются процессорами. Программа имеет один препроцессор, один процессор решения, два постпроцессора и несколько вспомогательных процессоров, включая оптимизатор. Препроцессор используется для создания конечно-элементной модели и выбора опций для выполнения процесса решения. Процессор решения используется для приложения нагрузок и граничных условий, а затем для определения отклика модели. С помощью постпроцессора пользователь обращается к результатам решения для оценки поведения расчетной модели, а также для проведения дополнительных вычислений, представляющих интерес.

В программе ANSYS используется одна, центральная, база данных для всего набора сведений, относящихся к модели и результатам решения. Сведения о модели (включая данные о геометрии твердотельной и конечно-элементной моделей, свойствах материалов и т.д.) записываются в базу данных на стадии препроцессорной подготовки. Нагрузки и результаты решения записываются процессором решения. Данные, полученные на основе результатов решения при их постпроцессорной обработке, записываются постпроцессором. Сведения, внесенные одним из процессоров, доступны, при необходимости, для других процессоров. Например, общий постпроцессор может считывать данные, относящиеся к решению и модели, а затем использовать их для постпроцессорных вычислений.

Программа ANSYS является средством, с помощью которого создается компьютерная модель или обрабатывается CAD-модель конструкции, изделия или его составной части; прикладываются действующие усилия или другие проектные воздействия; исследуется отклики системы различной физической природы в виде распределений напряжений и температур, электромагнитных полей. Программа используется для оптимизации проектных разработок на ранних стадиях, что снижает стоимость продукции. Все это помогает проектным организациям сократить цикл разработки, состоящий в изготовлении образцов-прототипов, их испытаний и повторном изготовлении образцов, а также исключить дорогостоящий процесс доработки изделия.

В ряде случаев испытания образцов являются нежелательными или невозможными. Программа ANSYS уже применялась в подобных ситуациях, включая и такие области биомеханических приложений, как протезирование тазобедренного сустава и создание внутриглазных линз. Другие значимые приложения программы касаются широкой области применения: от узлов изделий тяжелого машиностроения до интегральных микросхем.

Разработчики, использующие программу ANSYS, могут выявить возможные недостатки проекта или найти его оптимальный вариант до начала изготовления или эксплуатации продукции. Так, например, одна проектная фирма использовала средства оптимизации программы для изменения конструкции гибкого диска автомобильной муфты сцепления. Ставилась цель повысить число циклов до разрушения и достигнуть более равномерного распределения напряжений при наличии ограничений на геометрию и механические свойства материала диска. При проведении оптимизации была выполнена серия расчетов для параметрической модели диска, автоматически меняющей выделенные размеры до получения оптимальной формы диска. Результаты расчетов показали, что разница между крайними значениями эквивалентных напряжений в диске уменьшилась на 27 %, максимальные напряжения уменьшились на 28 %, а время до разрушения возросло на 35 %. Программа ANSYS позволила уменьшить количество дорогостоящих образцов, изменить жесткость диска и найти нужные геометрические размеры.

Конечно-элементный анализ с помощью программы ANSYS может помочь значительно уменьшить расходы на проектирование и изготовление, добавить уверенности разработчику в правильности принятых им решений. Конечно-элементный анализ наиболее эффективен на концептуальной стадии проекта. Он также полезен при верификации окончательного варианта разработки перед проведением испытаний образцов.

Анализ, который проводится с помощью программы ANSYS, состоит из трех стадий: препроцессорная подготовка, получение решения и постпроцессорная обработка. На стадии препроцессорной подготовки задаются необходимые для решения исходные данные. Пользователь выбирает координатные системы и типы конечных элементов, указывает упругие постоянные и физико-механические свойства материала, строит твердотельную модель и сетку конечных элементов, выполняет необходимые действия с узлами и элементами сетки, задает уравнения связи и ограничения. Можно также использовать модуль статистического учета для оценки ожидаемых размеров файлов и затрат ресурсов памяти.

В программе ANSYS координатные системы используются для размещения в пространстве геометрических объектов, определения направлений степеней свободы в узлах сетки, задания свойств материала в разных направлениях и для управления графическим изображением и содержанием выходных результатов. Можно использовать декартовы, цилиндрические, сферические, эллиптические и тороидальные системы координат; все они могут быть расположены и ориентированы в пространстве произвольным образом.

Исходные данные, введенные при препроцессорной подготовке, становятся частью центральной базы данных программы. Эта база данных разделена на таблицы координатных систем, типов элементов, свойств материала, ключевых точек, узлов сетки, нагрузок и т.д. Как только в таблице появляются некоторые данные, на них становится возможным ссылаться по входному номеру таблицы. Например, могут быть определены несколько координатных систем, которые активизируются простой ссылкой на соответствующий номер системы (входной номер таблицы). Кроме того, существует набор команд управления базой данных, чтобы выделить некоторую ее часть для определенных операций. Выделение необходимых данных можно проводить по местоположению геометрических объектов, графическим примитивам твердой модели, типам конечных элементов, видам материалов, номерам узлов и элементов и т.п. Так, например, сложные граничные условия можно легко указать или изменить, используя геометрическое представление модели, а не номера узлов или элементов. Пользователь имеет возможность ввести обширную информацию, относящуюся к данной расчетной модели, но программа будет использовать только ту ее часть из базы данных, которая необходима для определенного вида анализа.

Еще одним удобным способом выбора данных является разделение модели на компоненты или слои, представляющие собой группы геометрических объектов, которые определены пользователем для ясности или логической организации процесса. Компоненты могут быть окрашены в разные цвета, чтобы выделить различные части сложной модели.

Программа ANSYS снабжена обширным набором средств для создания геометрической модели, что позволяет легко и быстро строить конечно-элементную модель реальной инженерной системы. Существуют три разных способа генерации модели: импорт модели, твердотельное моделирование и непосредственное создание модели. Каждый из методов обладает только ему присущими уникальными возможностями и преимуществами. Пользователь может выбрать любой из этих методов или использовать их комбинацию для построения расчетной модели.

Программа ANSYS делает возможным быстрое и удобное построение сетки высокого качества для CAD-моделей. При этом используются многочисленные средства управления качеством сетки.

После того как построена твердотельная модель, ее конечно-элементный аналог (т.е. сетка узлов и элементов) может быть создана всего лишь одним обращением к меню программы. В программе ANSYS предусмотрено четыре способа генерации сетки: использование метода экструзии, создание упорядоченной сетки, создание произвольной сетки (автоматически) и адаптивное построение.

Программа ANSYS предоставляет в распоряжение пользователя надежные генераторы произвольной сетки, с помощью которых она может наноситься непосредственно на модель достаточно сложной геометрии - без необходимости строить сетку для отдельных частей и затем собирать их в единую модель. Произвольную сетку можно строить из треугольных, четырехугольных и четырехгранных элементов. Генераторы произвольной сетки имеют в наличии основной и дополнительный построители, что повышает гибкость выбора для пользователя и вероятность получения сетки удовлетворительного качества.

Пользователь получает результаты анализа на стадии решения, после того как в процессе препроцессорной подготовки построена расчетная модель. Эта фаза применения программы ANSYS состоит в задании вида анализа и его опций, нагрузок и шага решения и заканчивается запуском на счет конечно-элементной задачи.

Выбранный вид анализа указывает программе, какие разрешающие уравнения следует использовать для решения данной задачи. Самый общий набор доступных категорий расчета состоит из средств решения прочностных и тепловых задач, средств анализа при действии электростатических, электрических и электромагнитных полей, решения задач гидроаэродинамики и связанных задач.

Каждая категория расчетов включает несколько их отдельных типов, как например, статический и динамический типы прочностных расчетов. Выбором опций можно дополнительно определить особенности проводимого анализа. Так, например, для решения нелинейных уравнений имеется возможность указать один из нескольких вариантов метода Ньютона-Рафсона.

Заданные нагрузки и ограничения определяют граничные условия для расчетной модели. К нагрузкам относятся ограничения степеней свободы, сосредоточенные, распределенные, объемные и инерционные усилия. Конкретный вид нагрузок зависит от вида проводимого анализа (например, приложенная в точке нагрузка может быть сосредоточенной силой при прочностном анализе или тепловым потоком при расчете теплопередачи).

На стадии получения решения имеется возможность изменить свойства материала и атрибуты конечного элемента, например, толщину, активизировать или деактивировать элементы (опции “есть” - birth и “нет” - death), указать ведущие степени свободы (MDOF) и определить условия в зазорах.

После того как все соответствующие параметры заданы, может быть выполнено и само решение. Пользователь поручает программе решить определяющие уравнения и получить результаты для выбранного вида анализа. В вычислительном отношении это самая интенсивная часть анализа, не нуждающаяся, однако, во вмешательстве пользователя. Она требует самых значительных затрат компьютерного времени и минимальных затрат времени пользователя.

2.3 Моделирование бурового инструмента в программе ANSYS.

С ростом сложности проектируемых объектов сроки и стоимость такого проектирования оказываются чрезмерно большими. Поэтому возникла необходимость в переходе от физического экспериментирования к математическому моделированию, замене эвристических приемов оценок, определении параметров и оформлении документации алгоритмизированными процедурами.

В данном дипломном проекте была представлена общая схема буровой штанги построенная в Ansys. Решение задачи НДС проводилось с помощью пакета программы ANSYS.

Одной из главных целей этого проекта является создание напряженно-деформированного состояния буровой штанги при равномерно распределенном давлении.

В различных областях техники получили широкое распространение детали, имеющие форму полого или сплошного цилиндра, зачастую подвергающиеся динамическим нагрузкам и большим контактным давлениям. Указанное, накладывает повышенные требования к надежности данных деталей в различных условиях эксплуатации, в том числе и экстремальных.

Для обеспечения высокой надежности многие детали подобного рода обрабатываются на первых этапах изготовления безотходными методами, которые, как правило, улучшают их физико-механические свойства. К таким методам, в частности, относятся поперечная ковка, поперечная и поперечно-винтовая прокатка, при которых цилиндры подвергаются циклическомунагружению.

Решение трехмерной упругопластической задачи о напряженно-деформированном состоянии цилиндра в условиях циклического радиального сжатия представляет значительные трудности. Однако процесс разрушения циклически деформируемого цилиндра, с позиций чисто феноменологических, может быть представлен как результат изменения напряженно-деформированного состояния данного тела в зависимости от геометрических факторов, условий на контуре, остаточных напряжений, вызванных упрочнением материала. Это позволяет в основном свести трехмерную задачу к ряду плоских, а исследование напряженно-деформированного состояния цилиндра в условиях циклического радиального сжатия провести с учетом каждого из факторов в отдельности.

В настоящее время бурение скважин, многоцелевое производство и современная промышленность предлагает большой выбор технических средств и технологий, в которых требуется разбираться, чтобы принять правильное решение. В условиях рыночной экономики и жесткой конкуренции между недропользователями к специалистам геологам предъявляются соответствующие требования, так как от его квалификации и знаний, порой на уровне интуиции, может зависеть успех всего предприятия.

Моделирование бурового инструмента в условиях его заклинивания в результате высокого износа твердых элементов бурового долота.

Условие нагружения: зажимаем буровое долото по всем осям и задаем вращательное усилие на долото с учетом рабочего давления бурового станка фирмы AtlasCopcoDM 45 P=25 бар =2,5 МПа, рисунок 2.1:

Рисунок 2.1.

Рисунок 2.2; 2.3: видим напряженно-деформированное состояния бурового инструмента в результате решения задачи в ANSYS:

Рисунок 2.2

Рисунок 2.3

Моделирование бурового инструмента в условиях его рабочего состояния, при бурений скважины.

Условие нагружения: зажимаем буровое долото по всем осям, также зажимаем буровую штангу с другой стороны и задаем вращательное усилие с учетом рабочего давления бурового станка фирмы AtlasCopcoDM 45 P=25 бар =2,5 МПа, на буровое долото и штангу.

В результате решения задачи в ANSYS видим напряженно-деформированное состояния бурового инструмента в различных условиях рисунок 2.4, 2.5, 2.6:

Рисунок 2.4

Рисунок 2.5

Рисунок 2.6

Рисунок 2.4, 2.5, 2.6 : деформирование буровой штанги и соединения пневмоударником в результате неправильной центраций при бурений скважины.

Здесь представлены причины низкой эффективности эксплуатации и основные причинызаклинивания при бурений скважин. Повышение эффективности бурения возможно в результате совершенствования навыков операторов буровых станков, своевременное замена буровой коронки при ее сильном износе и усовершенствование конструкций бурового инструмента в целом, а также улучшения твердости твердого сплава, применяемого в производстве буровых коронок.

Наиболее частыми причинами отказов отечественных трехшарошечных буровых долот являются заклинивание опор скольжения, а также уменьшение скорости бурения из-за потери вооружения. К заклиниванию опор приводят: 1 разрушение герметизирующих уплотнений; износ серебряного покрытия; ухудшение смазывающих свойств пластичных смазок. Последнее в значительной мере зависит от несовершенства системы смазки, приводящее к перегреву, преждевременному износу деталей опор и повышению вероятности схватывания трущихся поверхностей. Это побуждает долотостроителей искать пути совершенствования конструкции системы смазки.

Проектирование и разработка 3 d модели трёхшарошечного бурового долота. Примем конструкцию долота, которая может быть создана и без применения технологии литья. В данном случае она состоит из полого усеченного конуса (рисунок 2.7) к которой приварена конусная приставка большего диаметра (рисунок 2.9), а к ней вертикальная приставка к которой уже крепится конусное долото с шарошками. В данном случае изображена одна приставка, но конструкция допускает двух и трёх шарошечное крепление. Силовой анализ конструкции, тем не менее, произведём для схемы с одной приставкой, так как с учётом обеспечения максимальной надёжности работы рассматривается схема с максимальным нагружением. Такая схема возможна при встрече соседних долот например с пустотами или низкопрочными участками породы. Т.е. будет реализована не симметричная схема нагружения. Заметим, что именно эта возможность и обеспечивается 3d моделированием. Выполнение конструкции долота из элементов имеющих параллельные оси позволяет в дальнейшем рассматривать и более сложные активно управляемые элементы нагружающие породу.

Для создания модели используем команду создания объемов. На рисунках 2.10 - 2.16 представлены этапы построения корпуса бурового трехшарошечного долота.

Рисунок 2.10

Рисунок 2.11

Рисунок 2.12

Построение сопровождается генерацией сетки для проверки работоспособности создаваемой модели долота (рисунок 2.10).

Рисунок 2.13

Далее строится лапа (секция) долота и проводится проверка с помощью построения сетки.

Рисунок 2.14

Построение шарошки ведется с помощью команды генерации объемов вращением поверхности относительно осей

5

Рисунок 2.15

Рисунок 2.16

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной научной работе, рассмотрен процесс шарошечного бурения в которое может быть применено в различных условиях, и может обеспечить существенное повышение эффективности работы оборудования

1. Для оптимизация процесса бурения и подбора типа долот необходимо создание программных моделей

2. Главным элементом в процессе бурения является долото, которое особенно влияет на эффективность работы.

3. Разработаны модели нагружения долота в скважине с учетом конструктивных элементов станка

4. Рассмотрено построение модели шарошечного долота на основе средств и методов автопроектирования. Модель состоит из полого усеченного конуса, к которой приварена конусная приставка большего диаметра, а к ней вертикальная приставка, к которой уже шарнирно крепится конусное долото с шарошками. Поскольку оцениваются максимальные напряжения возникаюшие во всей конструкции, то расчёт выполнен для конструкции с одной вертикальной приставкой, хотя допустимо двух и трёхшарошечное крепление. Выполнение конструкции долота из элементов имеющих параллельные оси для каждого из конусных долот позволяет в дальнейшем рассматривать и более сложные активно управляемые элементы нагружающие породу.

5. С экономической точки зрения рациональной конструкцией долота является конструкция, обеспечивающая минимум эксплуатационных затрат на 1 метр проходки при бурении в конкретных геологических условиях, к таким системам можно отнести трёхшарошечное долото. Расчеты показывают, что экономия на 1 м проходки шарошечными долотами составляет 6959 тенге по сравнению с алмазными.

35

Код для цитирования: Скопировать