ASFEU – Mechatronické systémy

Dňa 1. februára 2011 spoločnosť Geothermal Anywhere (dnes GA Drilling) ako prijímateľ začala implementovať projekt s názvom „Autonómne robustné mechatronické systémy pre ultra hlboké geotermálne vrty“ a kódom ITMS 26220220139 spolu so svojím partnerom Žilinskou univerzitou v Žiline.

Hlavným cieľom projektu je výskum a realizácia inovatívnych mechatronických systémov pre extrémne podmienky ultra hlbokých geotermálnych vrtov.

Projekt sa realizuje prostredníctvom troch hlavných aktivít a dvoch podporných aktivít projektu. Dĺžka projektu aplikovaného výskumu je 36 mesiacov, čo predstavuje optimálnu dobu na dosiahnutie stanovených cieľov projektu.

Čiastkové výsledky projektu

Pohybovo-aretačný systém

V rámci projektu “Autonómne robustné mechatronické systémy pre ultra hlboké geotermálne vrty” sa výskumníci zaoberali pohybovo-aretačným systémom, ktorý je mechatronický systém slúžiaci na pohyb PLASMABITu vo vrte. Pohybovo-aretačný systém plní dve úlohy. Prvou úlohou je zabezpečenie pohybu smerom dole a hore a druhou je prichytenie PLASMABITu pomocou kotviacich (aretačných) jednotiek k stene vrtu z dôvodu, že PLASMABIT musí byť v určitej vzdialenosti od dna vrtu. Pohybovo-aretačný systém pohybuje PLASMABIT smerom dole, keď rozrušuje horninu a rýchlosť pohybu je závislá od rýchlosti rozrušovania horniny. Smerom hore sa pohybuje PLASMABIT, keď je potrebné urobiť preventívnu údržbu, alebo keď je vrt vyvŕtaný. Schémy jednotlivých zariadení sú na obrázku nižšie.

Komponenty pohybovo-aretačného systému

Pohybovo-aretačný systém môžeme rozdeliť na dva nezávislé systémy a to na pohybový systém a aretačný systém. Pre zabezpečenie pohybu pohybového a aretačného systému uvažujeme s dvomi alternatívami a to realizácia pomocou elektrických pohonov, alebo hydraulických pohonov. Pohybový a aretačný systém sa skladá z menších častí, ktoré označujeme ako pohybové a aretačné jednotky. Každá pohybová jednotka, alebo aretačná jednotka, ktorá je realizovaná pomocou elektrického pohonu, sa skladá z elektrického motora, riadiacej a napájacej elektroniky, prevodovky a uchytenia, ktoré je pevne spojené s PLASMABITom. Ako elektrický motor sa budeme prednostne uvažovať s asynchrónnym motorom, pretože jeho konštrukcia je najjednoduchšia a aj jeho ovládanie. Pri použití elektrických pohonov s permanentnými magnetmi nevieme spoľahlivo povedať ako ich ovplyvní prostredie počas rozrušovania horniny – vysoká teplota prostredia, a ako sa zmenia ich vlastnosti. Riadiaca a napájacia elektronika sa skladá z frekvenčného meniča, ktorého parametre závisia podľa použitého elektrického motora, a riadiacej elektroniky, ktorá zabezpečuje sledovanie potrebných snímačov a komunikáciu s nadriadeným systémom. Napájanie frekvenčného meniča bude zo zdroja jednosmerného napätia napr. 600 V. Prevodovka by sa mala skladať minimálne z dvoch stupňov. Prvý stupeň nám cez veľký prevod zníži otáčky motora. Tu sa predpokladá s použitím prevodoviek ako sú napríklad planétové, harmonické, alebo ložiskový reduktor TwinSpin. Druhý stupeň realizuje prevod rotačného pohybu na pohyb lineárny. Na daný prevod sa používajú buď klasické skrutkové prevodovky, alebo guľôčkové skrutkové prevodovky.

Povrch pohybovo-aretačného prvku

Naši výskumní pracovníci sa zaoberali výskumom styčnej plochy aretačného prvku. Študovali realizácie, kde aretačný prvok sa skladá z viacerých prvkov – článkov. Články sú prepojené rotačnými väzbami do celku (pásu), ktorý dokáže pomerne presne kopírovať miesto dotyku aretačného prvku a steny vrtu. Príklady aretačných prvkov realizovaných pomocou pásu sa nachádzajú na obrázku nižšie.

 

Demonštrátor aretačného mechanizmu

Demonštrátor aretačného mechanizmu je navrhovaný ako univerzálne zariadenie tak, aby prioritne slúžil na overenie navrhovanej koncepcie aretačného systému. Demonštrátor aretačného mechanizmu môžeme podľa funkcie rozdeliť na zariadenie aretačného prvku a testovacie zariadenia. Ideový návrh demonštrátora je možné vidieť na obrázku nižšie, na základe ktorého bol pomocou softvéru CATIA vytvorený 3D model konštrukcie aretačného mechanizmu a výrobné výkresy jednotlivých častí.

Demonštrátor sa skladá z týchto častí: elektrického motora (1), prevodovky (2), vodiaceho vedenia efektora aretačného prvku (3), držiaka efektora (4) so vzorkou efektora (5), držiaka (6) pre vzorku steny vrtu (7) a lineárneho vedenia pre držiak (8). Okrem týchto zariadení sa v demonštrátore nachádza menič pre riadenie pohybu elektrického pohonu a dva tenzometrické snímače, ktoré sú určené na meranie aretačnej sily vytváranej efektorom a ťahovej sily držiaka vzorky steny vrtu. Zariadenie aretačného prvku slúži na overenie mechanickej časti koncepcie aretačného prvku a na overenie vyvíjaného vlastného riadenia elektrického pohonu, t.j. na overenie pracovného cyklu aretačného prvku.

Demonštrátor pohybového mechanizmu

Výskumní pracovníci spolupracovali na synergickom modulatívnom návrhu riešenia nosnej konštrukcie posuvu mechatronického systému. Po prvej etape, ktorou bolo definovanie vstupných požiadaviek a parametrov pristúpili k tvorbe ideového návrhu riešenia posuvnej konštrukcie, rozkreslenej v 2D. V skúmanom prípade výskumní pracovníci riešili návrh nosnej konštrukcie posuvu a funkcionalitu a modularitu jednotlivých komponentov. Výsledkom je konsenzuálny návrh takéhoto zariadenia integrujúci požadované funkcie do predmetného návrhu.

Testovanie otočných vzpier aretácie

Výskumní pracovníci sa zaoberali testovaním vhodnosti riešenia otočných vzpier ako aretačného prvku na vrte s nerovnou geometriou. Ako testovací vrt bol použitý predzhotovený otvor priemeru 100-110 mm. Pri testoch sa zistilo, že pri kontakte jednej strany vzpery vznikalo veľké dotatočné zaťaženie. Napätie by bolo možné zmierniť zvýšením počtu kontaktov, avšak takéto riešenie nieje aplikovateľné v zariadení priemeru 88 mm. Výskumní pracovníci budú v nasledujúcom projektovom období pokračovať v testovaní aretačných systémov s cieľom identifikovať najvhodnejší systém pre hĺbkové geotermálne vrty.

Testovanie obrátenej klieštiny a výkyvných pák

V tomto monitorovacom období sa výskumní pracovníci zaoberali testovaním aretačného prvku na princípe výkyvných mechanizmov. Principiálny posun bol v použití pohonov, kde stiahnutím časti modulu sa vysunuli segmenty. Z dôvodu odstránenia problému s blokovaním prúdenia kvapalín pozdĺž zariadenia vrtu sa vysúvali aretačné jednotky striedavu. Daný typ aretačného prvu fungoval s obmedzeniam, navyše však komplikoval prepojenie modulo, keďže bolo nutné pridať ďalšie delenie a dodatočný pohyb. Ďalej sa testovali mechanizmu výkyvných pák. Prenos sily bol zabezpečený pomocou lineárneho motoru. Výhodou tohto systému, ktorá bola overená testovaním je samosvornosť. Pri zastavení motoru sa tieto aretačné jednotky zaaretovali a zabezpečovali pozíciu v geotermálnov vrte.