Введение к работе
Актуальность работы
Для добычи полезных ископаемых используются большой спектр машин различного функционального назначения. Широко используют при бурении самоходную технику, на которой применяют буровые головки, обеспечивающие проходку шпуров и скважин. Сокращение сроков проведения буровых работ невозможно без совершенствования буровой техники. При создании и усовершенствовании машин для горной промышленности разработчики придерживаются следующих тенденций: повышение производительности; обеспечение безопасности, снижение уровня шума и вибрации и др.
В Томском Политехническом Университете в 1976 году под руководством О.Д. Алимова и В.Ф. Горбунова, Л.А. Саруевым, П.Я. Крауиньшом и другими был создан безбойковый гидроимпульсный механизм для разрушения массива горных пород. Но по ряду причин, во многом организационных и не связанных с его технической сущностью, он не был доведен до промышленного производства. Однако идеи, заложенные в его конструкцию, не потеряли своей актуальности, и могут являться основой для дальнейшего развития этого перспективного направления.
В связи с этим становится актуальным создание для бурильных установок гидроимпульсного механизма, который генерирует импульс силы воздействием на жидкость поршнем, с последующей передачей этого импульса на буровую штангу.
Степень разработанности
Существенный вклад в исследование и создание гидроударных систем внесли результаты работ, проведенных такими учеными, как Алимов О. Д., Басов С. А., Горбунов В. Ф., Ешуткин Д. Н., Ушаков Л. С, Янцен И. А., Сердечный А.С., Городилов Л.В. и других.
Несмотря на большое количество работ, связанных с изучением рабочих процессов гидроударных механизмов для интенсификации процессов бурения, задача определения параметров гидроимпульсного механизма, работающего в безударном режиме на резонансном явлении, не раскрыта в полном объеме.
Идея работы заключается в использование вариативности параметров и конструкции гидроимпульсного механизма для формирования импульса с заданными характеристиками.
Цель работы - обоснование параметров, принципиальной и конструктивной схемы гидроимпульсного механизма для бурильных установок.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:
-
Установить граничные значения конструктивных параметров гидроимпульсного механизма для его эффективной работы.
-
Определить зону регулирования параметров работы импульсного генератора (блока ввода) гидроимпульсного механизма.
3. Обосновать и разработать конструктивную схему гидроимпульсного механизма обеспечивающую повышение его энергетических параметров.
Научная новизна диссертации
-
Определены параметры гидроимпульсного механизма, такие как сила поджатия, жесткость пружины и инерционная масса, обеспечивающие эффективную работу механизма в принятых ограничениях для буровых головок.
-
Установлено, что с изменением инерционной массы гидроимпульсного механизма, рабочая частота уменьшается, а энергия импульсов увеличивается.
-
Определены закономерности влияния формы входного сигнала на амплитуду формируемого импульса гидроимпульсного механизма, определяющие зону регулирования параметров работы импульсного генератора (блока ввода).
4. Обоснована конструктивная схема гидроимпульсного механизма без
нелинейного элемента в системе, в которой гидропульсатор и плунжер распо
ложены соосно с гидроцилиндром, что обеспечивает повышение энергетиче
ских параметров формируемого импульса передаваемого к забою.
Теоретическая и практическая значимость работы
Выполненные в диссертационной работе исследования позволяют разрабатывать и конструировать новый класс ударных узлов. Результаты, полученные при помощи математической модели изучаемого гидроимпульсного механизма, позволяют ускорить разработку опытного образца близкого к техническим требованиям горных машин.
Методы исследования. При решении поставленных задач в работе использованы аналитические и вычислительные методы с применением математического моделирования, а именно метод моделирования динамических процессов, метод планирования экспериментов и обработки результатов, а также использованы классические положения теоретической механики и гидромеханики.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Эффективная работа гидроимпульсного механизма в качестве буровой головки достигается при граничных значениях параметров в следующих пределах: сила поджатия от 10 до 17 кН; жесткость пружины поджатия от 40 до 60 кН/м; инерционная масса от 20 до 50 кг.
-
Изменение значений инерционной массы гидроимпульсного механизма от 20 до 50 кг, приводит к снижение рабочей частоты на 36 % при этом энергия импульса увеличивается на 63 %.
-
Изменение формы входного импульса гидроимпульсного механизма с синусоидальной на прямоугольную, увеличивает амплитуду формируемого импульса на 25 %.
-
Конструкция гидроимпульсного механизма, в которой гидропульсатор и плунжер расположены соосно с гидроцилиндром с непосредственным воздействием на жидкость, обеспечивает энергию импульса соответствующую значениям современных гидроударных машин.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается использованием стандартных программ расчета, методов моделирования и экспериментальным подтверждением основных теоретических выводов.
Апробация работы.
Основное содержания работы, ее отдельные положения и результаты докладывались и получили одобрение на следующих конференциях:
XVII - XVIII - XIX Международный научный симпозиум имени академика М. А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр», г. Томск, 2013-2015 гг.
VII - VIII - IX Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения», г. Томск, 2013 - 2015 гг.
Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, посвященной 60-летию кафедры бурения скважин «Проблемы научно-технического прогресса в бурении скважин», г. Томск, 2014 г.
II Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Современное состояние и проблемы естественных наук» г. Юрга, 2015 г.
IV Международная научно-техническая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике», г. Томск, 2015 г.
III Международная научно-практическая конференция «Инновации на транспорте и в машиностроении», г. Санкт- Петербург, 2015 г.
XXIII - XXIV Международный научный симпозиум «Неделя горняка», г. Москва, 2015-2016 гг.
Работа проводилась при финансовой поддержке гранта на выполнение научно-исследовательских работ «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.»), договор Все исследования проводились в Томском политехническом университете.
Публикации.
По теме диссертационного исследования автором опубликовано 20 работ, в том числе 3 статьи в изданиях рекомендованных ВАК РФ, и 3 статьи в журналах, включенных в базу SCOPUS.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, заключения, приложений и содержит 146 страниц текста, 62 рисунка, 8 таблиц, 6 приложений и список литературы содержащий 126 наименований.