Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования 10
1.1. Способы бурения шпуров и их основные особенности 10
1.2. Модели взаимодействия режущих инструментов с разрушаемым массивом при вращательном бурении 16
1.3. Модели взаимодействия режущих инструментов с разрушаемым массивом при вращательно-ударном бурении 24
1.4. Анализ конструкций стендов для исследования процесса бурения 31
1.5. Анализ конструкций бурильных машин, обеспечивающих автоматизацию процесса бурения шпуров 36
1.6. Анализ критериев управления режимными параметрами бурения 52
Выводы по главе 1 и задачи исследований 53
2. Методика и техника исследований 56
2.1. Основные положения методики исследования 56
2.2. Выбор и обоснование методов планирования эксперимента 57
2.3. Выбор и характеристика горных пород для исследований 58
2.3. Разработка конструкции экспериментального стенда и подбор измерительной аппаратуры 59
Выводы по главе 2 65
3. Экспериментальные исследования влияния частоты вращения, частоты импульсов осевого усилия и крутящего момента на теоретическую скорость бурения 67
3.1. Методика проведения экспериментальных исследований 67
3.2. Исследование влияния импульсов крутящего момента на теоретическую скорость бурения 69
3.3. Исследование влияния совместного наложения импульсов осевого усилия и крутящего момента на теоретическую скорость бурения 78
Выводы по главе 3 88
4. Разработка математической модели функционирования бурильной машины мехатронного класса 90
4.1 Выбор и обоснование критерия управления режимными параметрами бурения 90
4.2 Разработка алгоритма функционирования бурильной машины мехатронного класса. 98
4.3 Математическая модель функционирования бурильной машины мехатронного класса 108
4.4 Проверка математической модели функционирования бурильной машины мехатронного класса на адекватность 110
Выводы по главе 4 111
5. Разработка алгоритма управления, структурной схемы мехатронной бурильной машины и рекомендаций по выбору бурового инструмента и режимных параметров бурения шпуров 113
5.1 Разработка алгоритма управления режимными параметрами бурения шпуров мехатронной бурильной машиной 113
5.2 Разработка и обоснование структурной схемы мехатронной бурильной машины реализующей предложенный алгоритм управления режимными параметрами бурения 117
5.3 Разработка рекомендаций по выбору бурового инструмента и режимных параметров бурения шпуров серийными машинами 119
Выводы по главе 5 121
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 123
Литература 127
- Модели взаимодействия режущих инструментов с разрушаемым массивом при вращательно-ударном бурении
- Выбор и обоснование методов планирования эксперимента
- Исследование влияния импульсов крутящего момента на теоретическую скорость бурения
- Проверка математической модели функционирования бурильной машины мехатронного класса на адекватность
Модели взаимодействия режущих инструментов с разрушаемым массивом при вращательно-ударном бурении
Первое представление о процессе резания хрупких металлов как о двухфазном процессе разрушения (дробление и скалывание) высказал профессор Петербургского института корпуса горных инженеров Тиме Иван Августович в 80-х годах XIX века. Немного позднее, в начале XX века, были сделаны первые попытки описания механизма разрушения горных пород при резании-строгании и при вращательном бурении Гуськовым В.А. Однако данное описание основывалось на большом числе допущений и поэтому его можно рассматривать лишь как первое приближение.
Следующие крупные исследования были проведены лишь спустя 50 лет проф. М.И. Слободкиным [5]. В своей работе автор представил аналитическое описание процесса резания угля. Разрушаемый массив угля был принят как изотропное тело, соответственно подчинявшееся законам упругости. Эта работа вызвала большую дискуссию в среде исследователей, так как исходные положения были автором идеализированы. Однако именно споры вокруг этой работы в последующем привели к бурному развитию теории резания угля и пород. Значительный вклад в исследование процессов, протекающих при вращательном бурении (сверлении) горных пород, внесли научные школы, руководимые профессорами: В.Г. Михайловым [6], О.Д. Алимовым и Л.Т. Дворниковым, М.Г.Крапивиным, Н.И. Сысоевым, а также работы Н.Г. Покровского, И.А. Остроушко, В.В. Царицына, Л.А. Шрейнера, Е.Ф. Эпштейна, Э.В. Рылева и др.
Е.Ф. Эпштейн [7] рассматривал процесс разрушения породы буровым резцом следующим образом: к буровому резцу прикладывается сила резания Z, обеспечивающая создание крутящего момента Мкр и осевая нагрузка, обеспечивающая усилие подачи Ру, при этом порода оказывает сопротивление разрушению. Для оценки сопротивляемости породы разрушению были введены специальные параметры Rz и Ry , называемые критическими напряжениями при внедрении и скалывании соответственно. Значения этих параметров предлагалось определять экспериментально с учетом конструктивных параметров инструмента. Значение угла скола породы принимали постоянной величиной, равной 20, не зависимо от параметров Rz и Rr Значение сил, необходимых для разрушения предлагалось рассчитывать по зависимостям:
Л.А. Шрейнер [8] заменил предложенные Е.Ф. Эпштейном значения Rz и Ry на более универсальный параметр рш - твёрдость породы на вдавливание штампа, и представил процесс разрушения горной породы в виде многократного скачкообразного углубление режущей кромки инструмента в породу с совпадающим по фазе скачкообразным изменением нагрузки. Параметр рш является более универсальным так как для его определение не связано с необходимостью учитывать геометрические параметры инструмента. При анализе процесса разрушения Л.А. Шрейнер учитывает угол уклона линии резания, вводит понятие шага скалывания, а угол скола породы предлагает считать равным 30-35.
Г.Н. Покровский [9] считал невозможным достаточно полно учесть такие сложные явления как проявление фактора времени и масштабного фактора, действия на резец двух пар сил, вызванных равнодействующей сил трения, приложенной в разных точках лезвия. И поэтому им было предложено, что основные закономерности бурения должны быть описаны эмпирическими зависимостями. Им были сделаны следующие выводы: - элементы скалывания стабильно повторяются в направлении, как вдоль линии резания, так и по радиусу шпура; - образование элементов скалывания иногда происходит одновременно по всей длине режущей кромки; - отдельные элементы могут скалываться ниже плоскости резания; - угол скалывания составляет 18-25.
Значительный вклад в исследование работы резцов при вращательном бурении внесли ученные под руководством профессора В.Г. Михайлова. Так в работе [10] был рассмотрен процесс разрушения породы резцом с учетом влияния неравномерности износа лезвия по длине и переднего угла. Было принято, что скалывание породы происходит одновременно по всей длине кромки резца и угол скалывания составляет 25. Все указанные параметры были учтены в расчётных зависимостях Ру и Мкр.
Исследования О.Д. Алимова и А.Т. Дворникова [11] подтвердили периодичность как внедрения резца в породу, так и сколообразование пород передней гранью. Ими установлено: - важным элементом в изучении процесса разрушения породы при вращательном бурении является представление о начале каждого разрушения как о классическом деформировании и уплотнении породы перед резцом; - периодичность скола породы приводит к колебанию величины крутящих моментов и осевых усилий, причём амплитуда колебаний момента тем больше, чем больше толщина стружки и выше крепость породы; - скалывание породы происходит не одновременно и не всегда по всей длине режущей кромки; неодновременность скалывания на разных лезвиях приводит к миграции мгновенной оси вращения резца, что приводит к нарушению цилиндрической формы шпура.
М.Г. Крапивин [12] сделал вывод, что при удельных подачах 2...3 мм/об пылевидное ядро не образуется вообще или его роль в процессе разрушения не существенна. В расчётных зависимостях по определению значений усилия подачи и крутящего момента на резце данный вывод не нашел отражения, так же как и влияние величины угла наклона линии резания, а свойства горных пород оценивались экспериментально определяемой характеристикой – сопротивление породы дроблению.
В.В. Ленченко [13] предложил схему разрушения породы при резании, позволяющую, по мнению автора, определить основные параметры процесса разрушения - объём породы, дробимой резцом по известным характеристикам породы и заданной толщине стружки, высоту контакта резца с породой, размеры и количество стружек скола. Автором так же было отмечено, что динамичность процесса разрушения при резании более высокая, чем при бурении. Для объяснения этого явления им была рассмотрена детерминированная схема процесса разрушения породы режущей кромкой при бурении. На основании сделанных допущений: скалывание элементов происходит по концентрическим траекториям с шириной равной ширине скола крупного элемента, в пределах этой полосы процесс разрушения происходит циклически с определенной длиной пути цикла. Им получены детерминированные уравнения динамики процесса бурения, в результате анализа которых был сделан вывод о том, что при бурении существенное влияние на величину средних значений силовых параметров оказывает величина площадки затупления Fзат. Амплитуды мгновенных значений нагрузки зависят: от геометрии режущей кромки, изменяющейся в процессе
Выбор и обоснование методов планирования эксперимента
Для проведения экспериментальных исследований, направленных на определение влияния частоты импульсов осевого усилия и крутящего момента, накладываемых на вращающийся инструмент, на теоретическую скорость бурения были выбраны представительные породы угольных формаций, либо горные породы, с аналогичными им свойствами, с показателями крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова в диапазоне от f = 5 до f = 10, так как в этой области наблюдается неоднозначность выбора способа бурения. Образцы породы имели цилиндрическую форму диаметром 63 мм.
Физико-механические свойства пород определялись в лаборатории физики горных пород кафедры «Нефтегазопромысловые и горные машины и оборудование» ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова. Контактная прочность горных пород определялась по методу Л.И. Барона и Л.Б. Глатмана [78] на прессе ПСУ-10 (ГОСТ 8905-58, заводской номер 3768).
Для исследования процессов, протекающих при бурении шпуров в горных породах с различными физико-механическими свойствами, известен ряд технических решений стендов направленных на изучение процесса сколообразования перед передней гранью резца, режимов бурения вращательным, вращательно-ударным и ударно-поворотным способом, контактных температур и др. [11, 16, 79, 80, 81]. Однако, для исследования режимов бурения горных пород с одновременным наложением на буровой инструмент импульсов осевого усилия и крутящего момента, потребовалось разработать и изготовить новую конструкцию стенда оригинальной конструкции, отвечающую предъявляемым к ней требованиям [82]. Конструкция стенда для исследования режимов бурения горных пород защищена патентом на изобретение [83].
Стенд (рис. 2.1-2.3) содержит раму 1, опорную плиту 2, закрепленную неподвижно на раме 1, отрезок буровой штанги 3 с буровым инструментом 4, две опоры 5 и 6 отрезка буровой штанги, закрепленные на опорной плите 2, два ударных механизма-возбудителя импульсов осевых усилий 7 и импульсов крутящего момента 8, стойки 9 и 10, закрепленные на опорной плите 2, предназначенные для закрепления на них соответственно ударных механизмов-возбудителей 7 и 8, тензометрическое звено-цилиндр 11 для передачи от ударного механизма-возбудителя импульсов осевых усилий 7 импульсов осевых усилий на отрезок буровой штанги 3 и размещения датчика 12, тензометрическое звено-рычаг 13, для передачи от ударного механизма-возбудителя импульсов крутящего момента 8 импульсов крутящего момента на отрезок буровой штанги 3 и размещения датчика 14, вращатель 15 с закрепленным на его валу образцом породы 16, податчик 17, предназначенный для закрепления в нем вращателя 15, гидроцилиндр подачи 18 для создания усилия подачи. В патронах ударных механизмов-возбудителей 7 и 8 установлены соответственно наконечники 19 и 20.
Тензометрическое звено-рычаг 13 закреплено на отрезке буровой штанги 3 при помощи болта 21. Стенд работает следующим образом. Образец породы 16 закрепляется на валу вращателя 15 и прижимается к буровому резцу 4, закрепленном на отрезке штанги 3, посредством включения гидроцилиндра 18. При включении вращателя 15 образец породы начинает вращаться и резец 4 под действием усилия подачи, создаваемого гидроцилиндром 18, внедряется в образец породы. Осевая нагрузка, возникающая на отрезке буровой штанги 3, через тензометрическое звено-цилиндр 11, передается на наконечник 19 ударного механизма-возбудителя 7. Реактивный момент, возникающий на отрезке штанги 3, через тензометрическое звено-рычаг 13, передается на наконечник 20 ударного механизма-возбудителя 8. Усилие подачи регистрируется датчиком 11, а крутящий момент датчиком 14. Данный режим работы стенда соответствует вращательному способу бурения, причем усилие подачи бурового инструмента и частота вращения образца породы регулируются независимо друг от друга. Это позволяет подбирать оптимальные соотношение между этими параметрами и тем самым повысить точность измерения режимных параметров бурения.
При включении в работу механизма-возбудителя импульсов осевых усилий 7 на отрезок буровой штанги 3 через тензометрическое звено-цилиндр 11 передаются осевые импульсы. Данный режим работы стенда соответствует вращательно-ударному способу бурения, причем каждый механизм, участвующий в создании необходимых для данного способа бурения движений, имеет возможность индивидуального регулирования, что позволяет повысить точность измерения режимных параметров бурения при данном способе бурения.
Исследование влияния импульсов крутящего момента на теоретическую скорость бурения
Для создания алгоритма функционирования бурильной машины мехатронного класса и дальнейшего построения на его основе имитационной математической модели бурильной машины необходимо определить последовательность операций, выполняемых микропроцессорным блоком управления.
Нами был составлен обобщенный алгоритм функционирования бурильной машины мехатронного класса (рис. 4.5)
На первом этапе работы алгоритма в подпрограмме «Определение начальных параметров бурения» осуществляется выбор минимальной и максимальной частоты вращения инструмента, а также необходимое осевое усилие с учетом накладываемых требований и ограничений.
В подпрограмме «Определение технической скорости бурения во вращательном режиме» производится поиск частоты вращения инструмента в заданном диапазоне, обеспечивающей такое значение теоретической скорости бурения, при котором будет достигнут максимум технической скорости.
Далее в подпрограмме «Определение технической скорости бурения в режиме с наложением импульсов осевого усилия и крутящего момента» осуществляется поиск рациональной частоты совместного наложения на инструмент импульсов осевого усилия и импульсов крутящего момента для определенной рациональной частоты вращения, при которых будет обеспечиваться максимум технической производительности.
В подпрограмме «Принятие решения о способе бурения и его режимных параметрах» осуществляется сравнение технической скорости бурения во вращательном режиме и технической скорости в режиме с наложением импульсов осевого усилия и крутящего момента. На основании проведенного сравнения определяется целесообразность бурения в режиме с наложением импульсов осевого усилия и крутящего момента.
В подпрограмме «Имитация работы бурильной машины» производится имитация работы бурильной машины с выбранными режимными параметрами бурения до наступления заданного условия (снижение скорости бурения). После достижения ограничения производится проверка окончания бурения и целесообразности дальнейшего бурения установленным инструментом (по величине минимально допустимой скорости бурения, обусловленной экономической целесообразностью). Если бурение установленным инструментом далее не целесообразно, то осуществляется его замена и процедура выбора способа бурения и его режимных параметров повторяется сначала. Если же бурение целесообразно, то осуществляется корректировка режимных параметров бурения путем повторной работы подпрограмм «Определение технической скорости бурения во вращательном режиме», «Определение технической скорости бурения в режиме с наложением импульсов осевого усилия и крутящего момента», «Принятие решения о способе бурения и его режимных параметрах» с учетом увеличившейся проекции площадки затупления инструмента и бурение продолжается с уточненными параметрами.
Далее составим алгоритм работы подпрограммы «Определение начальных параметров бурения»
Далее для определенного значения удельной подачи S, находится величина усилия подачи инструмента на забой P. После определения величины усилия подачи P она сравнивается с максимальным усилием подачи инструмента на забой, реализуемым машиной Pmax. При превышении расчетного усилия подачи P максимального Pmax, усилие подачи принимается максимальным, и производится перерасчет удельной подачи S для максимального усилия подачи. В конце работы подпрограммы «Определение начальных параметров бурения» выводится на экран или на печать определенные параметры (n, P, S). Значение частоты вращения n в дальнейшем является максимальной.
Проверка математической модели функционирования бурильной машины мехатронного класса на адекватность
Хронометражные наблюдения за процессом бурения шпуров самоходной бурильной установкой УБШ-313А буровыми резцами типа РШНО, выполненные нами в забое ВПШ-500 (запад) «Шахтоуправление «Обуховская», имели целью установление затрат времени на основные и вспомогательные операции в процессе обуривания забоя. Эти сведения позволили провести оценку адекватности составленной математической модели и разработать рекомендации по выбору режимных параметров бурения и типа бурового инструмента. Задачи хронометражных наблюдений за процессом бурения шпуров: - установить затраты времени на замену бурового инструмента, наведение инструмента на шпур, забуривание резца в шпур, непосредственное бурение шпура, время обратного хода податчика; - установить общие затраты времени на бурение каждого отдельно взятого шпура; - установить затраты времени на бурение комплекта шпуров, пробуриваемых одним резцом по породе; - установить характер и интенсивность износа резцов, применяемых для бурения шпуров. В процессе хронометражных наблюдений за процессом бурения шпуров были отобраны образцы горной породы для испытаний в лаборатории ЮРГПУ(НПИ) на контактную прочность и абразивность.
Бурение шпуров производилось самоходной бурильной установкой УБШ-313А буровыми резцами типа РШ-140, армированных алмазно-твердосплавными пластинами.
Результаты хронометражных наблюдений за процессом бурения представлены в приложении 2.
По результатам проведенных наблюдений были разработаны следующие рекомендации: - в условиях забоя ВПШ-500 (запад) шахты ОАО «Шахтоуправление «Обуховская» возможно применение менее дорогостоящих резцов типа РП 42, армированных пластинами из вольфрамо-кобальтового твердого сплава.
Для достижения резцами РП-42 соизмеримых показателей скорости бурения с резцами РШ-140 необходимо в процессе бурения обеспечить максимальные значения осевого усилия, реализуемые бурильной установкой, а также снизить частоту вращения буровой штанги до 80-100 об/мин применительно 121 к породам данной крепости и абразивности (крепость породы по шкале М.М. Протодьяконова - 7-9 ед., абразивность а = 25-30 мг); - при бурении шпуров по углю наблюдается нестабильность изменения скорости бурения, вызванная непостоянством осевого усилия, так как, в отличие от бурения шпуров по породе, величина давления в гидросистеме устанавливалась произвольно ниже максимально возможной величины необходимой при бурении шпуров по породе. Для устранения этого недостатка следует применять на машине фиксированные положения регулятора давления. - совмещение операций по замене инструмента с операциями по переходу от пробуренного шпура к следующему позволяет сократить время, затрачиваемое на непроизводительные операции, и тем самым повысить техническую скорость бурения на 10-15% при бурении по породе. Для этого следует оснастить бурильную установку устройством для автоматической замены инструмента, разработанной в ЮРГПУ(НПИ). Выводы по главе 5 1. Разработан алгоритм управления режимными параметрами бурения шпуров для бурильных машин мехатронного класса, позволяющий определять рациональное сочетание режимных параметров бурения, а также накладываемых на инструмент импульсов осевого усилия и крутящего момента, обеспечивающих достижение максимальной технической скорости бурения. Предложенный алгоритм также позволяет решать задачу по определению целесообразности наложения на буровой резец импульсов осевого усилия и крутящего момента в зависимости от приращения теоретической скорости бурения. 2. Обоснована структурная схема бурильной машины мехатронного класса включающая: 122 - механизм подачи инструмента на забой с возможностью плавного изменения величины усилия подачи; - механизм вращения буровой штанги с возможностью плавного изменения частоты вращения при постоянном крутящем моменте; - механизмы возбуждения импульсов осевого усилия и крутящего момента; - датчики частоты вращения и импульсов, осевого усилия и скорости бурения, обеспечивающих измерение параметров в реальном масштабе времени; - сервоприводов основных исполнительных механизмов, а именно вращателя, податчика и генераторов импульсов осевого усилия и крутящего момента; - микропроцессорный блок управления, обеспечивающий прием данных с датчиков частоты вращения, осевого усилия и скорости бурения, вычислительные операции, связанные с определением текущих параметров бурения, и формирование управляющего сигнала для сервоприводов вращателя, податчика и генератора импульсов осевого усилия и крутящего момента; 3. На основании результатов хронометражных наблюдений за процессом бурения шпуров на ОАО «Шахтоуправление «Обуховская» даны рекомендации по выбору типа бурового инструмента и режимных параметров бурения обеспечивающих повышение эффективности бурения шпуров вращательным способом машинами серийного исполнения.
