Введение к работе
Актуальность работы. Наиболее распространенным и эффективным способом разрушения горных пород средней и высокой крепости являются буровзрывные работы, которые однако требуют больших затрат труда на бурение шпуров и скважин. Бурение составляет свыше 30% трудоемкости работ проходческого цикла. Сокращение сроков проведения подготовительных выработок и увеличение производительности труда требуют непрерывного совершенствования буровой техники.
Вращательно-ударный способ бурения шпуров является наиболее эффективным. Эффективность этого способа по сравнению с вращательным и ударно-поворотным бурением доказана практикой и многочисленными исследованиями.
Большим достижением в области бурения шпуров и скважин при проведении горных выработок различного назначения является широкое применение гидроударных буровых машин (ГБМ) вращательно-ударного действия, что позволило увеличить производительность бурения в крепких породах почти в три раза по сравнению с аналогичными пневматическими бурильными машинами (ПНБ).
В ГБМ энергия единичного удара увеличилась до 500-1000 Дж при частоте ударов 25-200 Гц, то есть ударная мощность возросла до 20-40 кВт (например, СОР 1440 фирмы " Атлас Копко "- 20 кВт, СОР 4050 -40 кВт).
Применение гидравлического привода обеспечило уменьшение удельных затрат времени на вспомогательные работы при бурении за счет механизации и автоматизации. Вырос уровень автоматизации процесса разрушения пород при бурении с учетом их крепости, трещинова-тости и абразивности. Скорость бурения возрастала по мере развития буровой техники примерно пропорционально энергии удара. Следовательно, большое значение для практики имеет проблема измерения энергии и частоты ударов.
Чтобы увеличить скорость бурения, конструкторам пришлось коренным образом изменить бурильную головку. Энергоносителем вместо сжатого воздуха стала жидкость. Пневматические машины имеют низкий кпд. Общий кпд, который определяется как отношение мощности, передаваемой по буровой штанге, к мощности, потребляемой приводным двигателем компрессорной установки, составляет в шахтных усло-
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ|
БИБЛИОТСКА |
виях 2-6 %. Таким образом, потери энергии в компрессорной станции, пиевмоссти и буровой машине достигают 94-98 %. В гидравлических бурильных машинах вращательно-ударного действия используется в качестве энергоносителя поток жидкости под давлением 10-20 МПа, вместо воздуха под давлением 0,6-1 МПа. Плотность жидкости значительно превышает плотность сжатого воздуха. В результате возросла мощность, подводимая к гидравлической бурильной машине для преобразования в ударные импульсы. Поскольку диаметр шпуров не изменился, то в современных бурильных машинах большую ударную мощность передают через детали ударной системы прежних размеров. Это обстоятельство стало ограничителем дальнейшего развития буровой техники, так как механические напряжения в деталях возросли до предельных значений.
Анализ отечественной и зарубежной литературы показывает, что в конструкциях современных бурильных машин ударного действия не полностью используются возможности этого способа бурения для достижения высокой производительности.
Например, для разрушения породы расходуется лишь около 20 % энергии ударного импульса, так как волновые сопротивления породы и бурового инструмента не совпадают. Это вызывает отраженные импульсы растяжения и сжатия в штанге, энергия которых рассеивается в системе "штанга - бурильная головка".
Отраженные ударные импульсы снижают усталостную прочность штанги, разрушают бурильную головку, создают акустический шум и снижают производительность бурения. Отсюда возникает необходимость защиты бурильной головки от отраженных импульсов сжатия.
Недостаточно исследованы ударные системы, составленные из материалов с различной акустической жесткостью. Применение последних позволяет в широких пределах изменять продолжительность и форму ударных импульсов, что открывает путь к оптимизации процессов разрушения породы.
Нет четкого представления о влиянии формы ударных импульсов (например, при использовании виброимпульсов) на глубину внедрения коронки в породу.
Прямые и отраженные ударные импульсы в бурильных машинах имеют длительность в несколько сотен микросекунд. Примерно такое же время длится процесс разрушения породы при ударе. Измерение импульсов такой длительности представляет определенные трудности,
так как воздействие импульса на измерительную систему очень кратковременно. Несовершенство измерительной техники и методов измерения не позволяет определять энергию и частоту ударов, количество отраженной от забоя энергии, производить оценку качества бурильных машин в производственных условиях и совершенствовать их ударные системы. Поэтому необходимо разрабатывать новые методики измерения параметров ударных импульсов и воплощать их в конкретных конструкциях измерительных приборов.
На прочность штанги и шум влияют высокочастотные составляющие спектра прямого ударного импульса, генерируемого при соударении бойка и хвостовика штанги. Следует изучить вклад этих высокочастотных составляющих в общую энергию импульса и возможность их фильтрации. Высокочастотные составляющие спектра ударного импульса можно устранить, например, осуществляя соударение бойка и хвостовика штанги через слой жидкости.
Эксперименты и расчеты показывают, что несущая способность слоя жидкости достаточно велика. В пределах тех скоростей соударения, которые наблюдаются в современных бурильных машинах, по окончании удара между плоскими соударяющимися поверхностями остается тонкий разделяющий слой жидкости, влияющий на процесс соударения.
В работе изложены результаты исследований, проведенных автором в период с 1970-2000 годы по тематическим планам КузНИИшахто-строй, Кузбасского политехнического института и Кузбасского государственного технического университета.
Целью работы является разработка методов измерения энергетических параметров и совершенствование динамики волновых процессов в ударных системах бурильных машин.
Идея работы состоит в использовании интегральных характеристик ударных импульсов упругой деформации штанги для измерения силовых и энергетических параметров волновых процессов бурильных машин ударного действия в процессе их работы и применении акустически разнородных материалов для снижении динамических нагрузок в ударных системах.
Задачи исследований: 1. Теоретически обосновать эффективность измерения энергии ударных импульсов в штангах бурильных машин интегральным способом с применением аналоговых и цифровых методов.
-
Разработать методику измерения интегральным способом параметров прямых и отраженных ударных импульсов, позволяющую определять основные энергетические характеристики бурильных машин вращательно-ударного действия.
-
Разработать аналоговые и цифровые устройства для измерения энергии и частоты ударов бурильных машин в промышленных условиях, основанные на принципе селекции прямых и отраженных ударных импульсов в штанге.
-
Создать программу для моделирования на ЭВМ процесса формирования и распространения импульсов продольной деформации в ударных системах различной конфигурации, в том числе, комбинированных систем, состоящих из деталей, выполненных из акустически разнородных материалов.
-
На базе проведенных исследований разработать мероприятия по усовершенствованию ударных систем бурильных машин вращательно-ударного действия для снижения уровня динамических нагрузок в них и повышения эффективности разрушения породы.
Методы исследований
В процессе выполнения работы использовались общенаучные и специальные методы исследований, включая научное обобщение, волновую теорию удара Сен-Венана, метод Даламбера для решения волнового уравнения, методы статистических испытаний математической модели (метод Монте-Карло). При моделировании на ЭВМ волновых процессов для составления алгоритмов и программ применялся метод кусочных волн. В лабораторных исследованиях широко использовались тензометрирование, методы преобразования аналогового сигнала в цифровой код с вводом в ЭВМ и дальнейшей его обработкой по разработанным программам. Анализ экспериментальных данных осуществлялся с применением основных методов математической статистики. Испытания устройств для измерения энергетических параметров волновых процессов в штангах пневматических и гидравлических машин вращательно-ударного действия проводились на заводах-изготовителях.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Методы измерения ударной мощности, энергии и частоты ударов
бурильных машин, отличающиеся тем, что они основаны на принципе
селекции в реальном времени ударных импульсов упругой деформации
буровой штанги и использования для определения энергетических па-
раметров их интегральных характеристик.
-
Принципы действия аналоговых и цифровых устройств для измерения энергетических параметров волновых процессов, основанные на измерении относительной деформации штанг, селекции во времени и в пространстве ударных импульсов и их интегральной обработки, при этом буровая штанга используется как измерительный инструмент и линия задержки.
-
Метод тарировки аналоговых устройств для измерения энергетических параметров бурильных машин, частота ударов которых составляет 10-100 Гц, отличающийся тем, что информация о энергии импульса на выходе устройства сохраняется только до прихода очередного импульса, что позволяет проводить тарировку устройства одиночными ударами на вертикальном копре.
-
Метод снижения амплитуды отраженных ударных волн сжатия, поступающих по штанге к бурильной машине и разрушающих ее, отличающийся тем, что для фильтрации этих волн используются волноводы из акустически разнородных материалов.
-
Способ изменения спектральных характеристик ударного импульса за счет соударения через слой жидкости. При таком ударе срезаются высокочастотные составляющие импульса, это способствует снижению шума от вибрации штанги.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается необходимым объемом теоретических и экспериментальных исследований, выполненных с помощью проверенных на практике методов: прикладного математического анализа; преобразования Фурье; волновой теории удара; статистического моделирования по методу Монте-Карло; моделирования ударных процессов на ЭВМ; лабораторных исследований с использованием современных приборов; разработкой и изготовлением натурных опытных образцов аналоговых и цифровых устройств для измерения энергетических параметров бурильных машин ударного действия, испытанных на образцах горных машин в условиях заводов-изготовителей.
Научная новизна:
1. Разработан новый метод измерения энергетических параметров бурильной машины ударного действия во время ее работы путем селекции во времени и в пространстве первого импульса относительной де-
формации штанги, вызванного ударом, и интегрирования возведенной в квадрат функции деформация-время. Это позволяет измерять поток энергии в виде импульсов упругой деформации, который проходит через сечение штанги.
-
Созданы аналоговые и цифровые устройства для измерения энергетических параметров волновых процессов в штангах бурильных машин ударного действия, основанные на принципе использования интегральных характеристик импульсов, временной и пространственной их селекции. Буровая штанга в схеме устройства используется в качестве измерительного устройства и линии задержки.
-
Разработаны устройства, позволяющие тарировать одиночными ударами приборы для измерения энергетических параметров бурильных машин с частотой ударов от 20 до 100 Гц.
-
Разработана модель для исследования распространения импульсов в ударной системе и в фильтре из объемно сжатого эластомера, предназначенного для защиты бурильной головки от отраженных ударных волн.
-
Создала математическая модель процесса соударения через слой жидкости. Установлены зависимости толщины разделяющего слоя от параметров соударения и свойств жидкости.
Личный вклад заключается в теоретическом обосновании методов и средств измерения энергетических параметров бурильных машин ударного действия; в разработке принципов действия приборов для измерения энергии и частоты ударов бурильных машин интегральным методом по импульсам деформации штанги; в исследовании с помощью статистического моделирования влияния точности отдельных аргументов на конечный результат при измерении энергии удара; в создании алгоритма расчета ударной системы на ЭВМ методом кусочных волн; в обосновании использования интегрального метода для измерения энергетических параметров ударных импульсов; в теоретическом обосновании определения эквивалентной продолжительности импульсов произвольной формы по массе бойка и сечению штанги; в создании и исследовании фильтра из объемно сжатого эластомера для защиты бурильной головки от отраженных ударных волн. Личный вклад автора заключается также в установлении закономерностей процесса соударения через слой жидкости и ее влияние на спектральные характеристики ударного импульса, определяющие интенсивность и частоты шума, излучаемого буровой штангой; в обосновании использования виброимпульсов для разрушения по-
роды; в установлении явления электрической поляризации буровой штанги, возникающей при ударе.
Автору принадлежат практически все реализованные в диссертации научные, методические и технические идеи. Автор лично участвовал в проведении исследований и испытаний в лабораторных и производственных условиях в качестве ответственного исполнителя или научного руководителя НИР. Часть работ выполнена В.Е. Беспаловым, Ю.Н. Торгунаковым, В.М. Романовым, А.Н. Величко под научным руководством и участии автора.
Практическое значение работы заключается в том, что полученные результаты позволяют:
> создавать аналоговые и цифровые измерительные комплексы
для измерения и исследования энергетических параметров бурильных
машин ударного действия в процессе их работы;
"У исследовать энергетические и силовые характеристики процесса разрушения породы при бурении;
У осуществить выбор параметров и конструкции фильтров для зашиты бурильных машин от отраженных ударных волн;
У моделировать на ЭВМ волновые процессы в ударных системах бурильных машинах;
> создать основу для разработки бурильных механизмов, ис
пользующих импульсные крутящие моменты и виброимпульсы для по
вышения эффективности разрушения породы при бурении.
Реализация выводов и рекомендаций
Материалы диссертационной работы в виде разработанных методик, опытных образцов приборов, конструкций фильтров отраженных ударных волн, устройств для разъема конусных соединений, программ для ЭВМ прошли проверку на Кузнецком машиностроительном заводе (г. Новокузнецк), СКВ самоходного горного оборудования (г. Москва) при разработке и испытаниях вращательно-ударных машин с пневматическими и гидравлическими ударными узлами.
Методики расчетов, алгоритмы и программы используются в учебном процессе КузГТУ при выполнении курсовых и дипломных работ.
Апробация работы
Результаты исследований и материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной технической конференции " Проблемы создания и внедрения самоходных бурильных устано-
вок" (г. Фрунзе, 1974 г.); на республиканской конференции "Научно-технический прогресс в области механизации подземных горных работ" ( г. Алма-Ата , 1979 г.), на научно-технической конференции, посвященной 70-летию Дальневосточного политехнического института (г. Владивосток, 1988 г.); на технических семинарах в КузНИИшахто-строй и Кузмашзавода (г. Кемерово, г. Новокузнецк, 1975-2000 гг.); на Всероссийской научно-практической конференции " Перспективы развития технологий и средств бурения" (г. Кемерово, 1995 г.); на конференции "Механизация горных работ" ( г. Кемерово, 1997 г.); на ежегодных научных конференциях Кузбасского государственного технического университета (г. Кемерово, 1975-1999 гг.); на Международных конференциях "Динамика систем, механизмов и машин" (г. Омск, 2002 г.); " Динамика и прочность горных машин" (г. Новосибирск, 2001г.); "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (г. Кемерово, 2002 г.); "Динамика и прочность горных машин" ( г. Новосибирск, 2003 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 52 печатных работ, в состав которых входит 8 авторских свидетельств.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и содержит 340 страниц, 88 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 223 наименований.