Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. STRONG Анализ современных способов проведения выработок в слабоустойчивых породах и совершенствование процесса проходческих работ при строительстве метрополитена 9
1.1. Общая характеристика современных способов проведения выработок в условиях ОАО «Метрострой» STRONG 9
1.1.1. Анализ проходки без щита методом сплошного забоя 12
1.1.2. Анализ проходческих комбайнов 14
1.1.3. Анализ проходческих машин и комбайнов ударного действия 18
1.1.4. Анализ проходческих щитов 21
1.1.5. Результаты сравнения рассмотренных способов проведения выработок в условиях шахт ОАО «Метрострой» 24
1.2. Анализ существующих конструкций пневмо- и гидромолотов и бурильных головок, их ударных систем и принципа действия 25
1.2 1. Анализ параметров гидроударников 26
1.2.2. Возможные модернизации конструкций пневмо- и гидроударников 29
1.3. Анализ методик расчета и стендовых исследований гидро- и пневматических машин ударного действия 30
1.3.1. Определение производительности машин ударного действия 33
1.3.2. Анализ методик расчета ударных систем бурильных головок 36
1.3.3. Методы определения кпд передачи удара 38
1.4. Постановка задач исследования 42
Глава 2. Обоснование параметров исполнительного органа ударного действия агрегата для проходки выработок метро 44
2.1. Предпосылки создания проходческого агрегата для проведения спецвыработок с использованием исполнительного органа ударного действия 45
2.1.1. Анализ производительности проходческого комплекса, агрегатированного исполнительным органом ударного действия 50
2.1.2. Анализ производительности проходческого агрегата, оснащенного фрезой с гидравлическим приводом 52
2.1.3. Обоснование рационального типа исполнительного органа ударного действия проходческого комплекса для шахт ОАО «Метрострой» 56
2.2. Теоретическое обоснование соотношения параметров ударной системы гидро- и пневмоударников 61
2.3. Аналитическая модель пневмо- и гидроударника 68
2.3.1. Модель одиночного ударника 69
2.3.2. Модель сдвоенного ударника 71
2.3.3. Анализ аналитической модели пневмо- и гидроударников 73
2.4. Модель конечных элементов динамического ударного взаимодействия 74
2.5. Предварительный анализ построенной модели 75
2.5.1. Ударное столкновение короткого ударника и длинной штанги 75
2.5.2. Анализ результатов модели ударного взаимодействия короткого ударника и длинной штанги 78
2.6. Моделирование и оптимизация трёхстержневой ударной системы 78
2.6.1. Описание модели трёхстержневой ударной системы 78
2.6.2. Оптимизация переноса импульса 79
2.6.3. Анализ моделирования трёхстержневой ударной системы 81
2.7. Выводы по теоретическим исследованиям 82
Глава 3. Экспериментальные исследования модели сдвоенной ударной системы пневмо- и гидроударников 83
3.1. Постановка задач экспериментальных исследований 83
3.2. Стендовые исследования ударных систем «поршень-боек-штанга»... 83
3.2.1. Исследование ударных систем на стенде с баллистическим маятником 84
3.2.2. Исследования эффективности разрушения пород различных свойств 90
3.2.3. Исследования эффективности разрушения кембрийских глин 95
3.3. Анализ результатов экспериментальных исследований ударных систем «поршень-боек-инструмент» 98
Глава 4. Разработка перспективных средств механизации при проведении спецвыработок и станционных тоннелей в условиях ОАО «Метрострой» 101
4.1. Постановка задач теоретических и экспериментальных исследований новых средств механизации проходческих работ 101
4.2. Обоснование рациональной конструкции ударной системы исполнительного органа комплекса для проведения спецвыработок в условиях ОАО «Метрострой» 101
4.3. Обоснование облика перспективных конструкций механизации проведения спецвыработок небольшой протяженности в условиях ОАО «Метрострой» 104
4.3.1. Комплекс для проведения выработок в слабоустойчивых породах при строительстве метрополитенов с обеспечением сохранности поверхностных сооружений 104
4.3.2. Компоновка конструкции проходческого комплекса, агрегатированного исполнительным органом ударного действия для проходки спецвыработок и станционных тоннелей 107
4.4. Исследование экономической эффективности использования проходческого комплекса с исполнительным органом ударного действия при проведении спецвыработок в условиях ОАО «Метрострой» 113
4.4.1. Определение капитальных затрат по новому варианту (механизированный проходческий комплекс на базе шагающего крепеустановпщка ТУ-4ГП, агрегатированного исполнительным органом ударного действия) 114
4.4.2. Капитальные затраты по базовому варианту (способ сплошного забоя с использованием ручных пневмомолотков) 117
Заключение 120
Литература 122
Приложения 133
- Анализ существующих конструкций пневмо- и гидромолотов и бурильных головок, их ударных систем и принципа действия
- Теоретическое обоснование соотношения параметров ударной системы гидро- и пневмоударников
- Стендовые исследования ударных систем «поршень-боек-штанга»...
- Обоснование рациональной конструкции ударной системы исполнительного органа комплекса для проведения спецвыработок в условиях ОАО «Метрострой»
Введение к работе
Санкт-Петербурга ведется как по кембрийской глине забоями, подверженными
объемным вывалам, так и, особенно в тоннелях южного направления, забоями,
имеющими прослойки крепких пород. В настоящее время строительство
спецвыработок и станционных тоннелей небольшой протяженности в условиях ОАО
«Метрострой» осуществляется бесщитовой проходкой отбойными молотками с
применением ручного труда и механизированного укладчика тоннельной обделки
(УТМ). Для устранения ручного труда необходимы средства механизации разработки
забоя. При этом целесообразно для массивов различного состава применение
исполнительных органов сменных типов. Могут использоваться как резцовый
инструмент на планшайбах и коронках (для мягких сухих глин), так и ударные
исполнительные органы для разработки забоев с крепкими прослойками.
Указанные средства механизации должны работать в призабойной зоне шириной до 1 м и высотой до 10 м, вписываться в комплексы с высокоэффективными гидравлическими силовыми манипуляторами и пневматическими или гидравлическими ударниками.
Использование ударников может значительно повысить эффективность разработки забоя, однако известные отечественные малогабаритные ударники (отбойные молотки, пневмо- или гидроломы), а также гидроударники зарубежных фирм (Atlas Сорсо, Копе, Krupp и др.) имеют либо большие габариты по длине, либо недостаточную энергию удара, поэтому необходим ударник, отличающийся высокой эффективностью разрушения породы при малых габаритах. Таким требованиям отвечают устройства с ударными системами «поршень-боек-инструмент», основанными на использовании процесса дребезга. Как показал анализ исследований таких ударных систем, расчет их параметров требует уточнения необходимых и достаточных условий протекания процесса дребезга бойка.
Целью работы является обоснование рациональных параметров ударного устройства исполнительного органа агрегата для проведения выработок в условиях ОАО «Метрострой» на основе оптимизации ударного процесса в системе «поршень-
6 боек-инструмент».
Идея работы: разработка ударной системы ударного исполнительного органа комплекса для проходки спецвыработок и подземных станционных тоннелей, основанного на использовании ударной системы «поршень-боек-инструмент», эффективной за счет дребезга бойка и возвращения в забой отраженных от породы волн.
Работа соответствует специальности шифра 05.05.06. - Горные машины, ее формуле, а также пунктам «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы машин и оборудования и их элементов», «Обоснование и выбор конструктивных и схемных решений машин и оборудования во взаимосвязи с горнотехническими условиями, эргономическими и экологическими требованиями» области исследования.
Защищаемые научные положения
1. Интенсификация передачи энергии удара породоразрушающему
инструменту обеспечивается в процессе работы ударной системы «поршень-боек-
инструмент» при ходе бойка как промежуточного упругого элемента не более 5 мм и
его массе, на порядок меньшей массы поршня-ударника, что дает возможность
увеличения производительности проходческого агрегата для проведения
спецвыработок и станционных тоннелей на 20-30%.
2. Результаты экспериментальных исследований работы системы «поршень-
боек-инструмент» показывают возможность усиления ударного импульса за счет
энергии упругой волны на 15-20%, повышения его длительности на 20-25%,
амплитуды высокочастотных составляющих интегрального ударного импульса на
15-20%, что реализуется при достижении дребезга бойка (повторяющегося
высокочастотного соударения с уменьшением амплитуды) как упругого элемента и
обеспечивает увеличение степени трещиноватости и поверхности обнажения
разрушаемой породы при росте до 25 % глубины проникновения в нее
разрушающих инденторов.
Основные задачи исследования: 1. Анализ существующих и выявление перспективных способов и технических
средств ведения проходческих работ в условиях ОАО «Метрострой», а также анализ существующих конструкций пневмо- и гидроударников, принципа их действия и методик расчета.
Разработка механико-математической модели ударных процессов в системе «поршень-боек-инструмент», аналитическое и компьютерное исследование параметров ударной системы.
Разработка методики определения параметров ударных систем «поршень-боек-инструмент» и проведение стендовых экспериментов для оценки энергетических характеристик таких систем.
4. Обоснование компоновочной схемы комплекса для проходки
спецвыработок и разработка эффективного ударного устройства с принципиально
новой системой передачи удара.
Методы исследований При решении поставленных задач использовался метод исследований, включающий теоретическую и экспериментальную части. В теоретическую часть входило исследование параметров ударных систем бурильных машин на основе методов теоретической механики, теории колебаний, стереомеханической и волновой теорий и метода конечных элементов. Экспериментальные исследования включали в себя проведение серии опытов на лабораторных стендах с широкими возможностями регулировки основных параметров. Результаты экспериментов обрабатывались методами математической статистики.
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке теоретических основ для создания исполнительного органа ударного действия агрегата для проходки спецвыработок и станционных тоннелей, основанного на применении ударной системы «поршень-боек-инструмент», повышение эффективности работы которого возможно за счет дребезга бойка и возвращения к забою отраженных волн.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, полученных в диссертации, подтверждается использованием современных методов теории
8 колебаний, численных методов решения уравнений, методов математического моделирования с помощью ЭВМ, достаточным и обоснованным объемом и представительностью выполненных экспериментов, удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований с применением современных средств измерений.
Практическая ценность работы заключается в разработке:
технологической схемы проходки спецвыработок и станционных тоннелей небольшой протяженности в условиях ОАО «Метрострой»;
конструктивной схемы перфоратора с ударной системой «поршень-боек-инструмент»;
рекомендаций по модернизации конструкций бурильных головок ударного действия;
- экспериментального стенда, обеспечивающего исследование ударных систем
бурильных головок в широком диапазоне изменения режимных параметров;
методики расчета параметров ударной системы «поршень-боек-инструмент»;
сдвоенной ударной системы в конструкции исполнительного органа проходческого комплекса
Реализация результатов работы
Результаты исследований в виде рекомендаций и инженерной методики расчета ударных систем «поршень-боек-инструмент», а также вариантов принципиально новых схем (на уровне патентов) технологии проходческих работ при проведении спецвыработок и станционных тоннелей небольшой протяженности переданы в ОАО «Метрострой» (Санкт-Петербург).
Апробация работы
Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы обсуждались на Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, 2006 - 08); Международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (Орел, 2006); научной конференции молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2005-06); межкафедральных семинарах ГЭМФ СПГГИ (ТУ) (2005 - 08).
Анализ существующих конструкций пневмо- и гидромолотов и бурильных головок, их ударных систем и принципа действия
Эффективность и простота использования сделали пневмо- и гидромолоты практически незаменимым инструментом при строительстве и реконструкции зданий, дорог, при вскрытии подземных сооружений - тепловых магистралей, газопроводов, трубопроводов, телефонных и силовых кабелей, при прокладке тоннелей, для разрушения отслуживших срок сооружений, а также безвзрывной проходки горных выработок и т. п. Сфера их применения расширяется с каждым годом. Сегодня конструкторы интенсивно работают над снижением создаваемой молотом шумовой нагрузки и повышением его эффективности при одновременном снижении массы. В конструкциях современных гидромолотов используют автоматические устройства выбора режима нагружения по энергии и частоте удара. В некоторых моделях молотов применена автоматическая система ударного нагружения, оперативно реагирующая на изменение сопротивления. Гидромолот приводится в работу при определенном значении смещения инструмента, характеризующего его правильную установку на объекте обработки. Основные направления модификации и использования пневмо- и гидромолотов можно определить на основе теоретических исследований, проводимых совместно с специалистами СПГГИ (ТУ) и СПГУ [7, 111]. Такими направлениями являются: обоснование параметров и типа пневмоударников, формы ударного импульса и выбор конструкции ударных систем в зависимости от типа разрушаемой породы.
Гидроударник — гидравлическое устройство ударного действия, предназначенное для преобразования энергии потока рабочей жидкости в механический импульс. Современные гидроударники различных фирм-производителей имеют во многом аналогичные конструкции и включают следующие основные узлы (рис. 1.9): рабочий инструмент; поршень-боек; золотник и клапаны управления; гидропневматические аккумуляторы; корпусные детали; защитный кожух; амортизаторы и уплотнения. Энергия удара гидроударника оценивается кинетической энергией бойка в момент его соударения с рабочим инструментом: где А уд — энергия удара, Дж; п — частота ударов в секунду. С начала серийного выпуска (середина 1960-х годов) мощность и размеры гидроударников постоянно увеличиваются, возрастает и количество фирм-разработчиков. В настоящее время известно свыше 300 моделей гидроударников, выпускаемых более 50 фирмами-производителями, среди которых наибольшего успеха достигли зарубежные фирмы, например, «Копе», «Rammer» (Финляндия), «Кшрр» (Германия), «Kent», «Ingersoil-Rand» (США), «Atlas Сорсо» (Швеция) и др. В России гидроударники серийно выпускают Тверской и Ковровский экскаваторные заводы, ОАО «Московский станкостроительный завод». Внимание, уделяемое созданию гидроударников, объясняется их преимуществами по сравнению с пневматическими машинами — экономичность, более высокий КПД, компактность, обеспеченная более высоким давлением рабочего тела, меньший уровень шума и вибрации вследствие отсутствия выхлопа отработанного воздуха в атмосферу. В научно-технической литературе и различных проспектах [18, 37, 42, 44, 61, 75, 76, 100, 103, 105, 121] представлены сведения о выпускаемых моделях пневмо- и гидроударников, в том числе отбойных молотках и бутобоях.
Однако ряд фирм в технических характеристиках отдельных моделей не указывают один из основных параметров — энергию единичного удара, поэтому данные, позволяющие выполнить анализ по отдельным показателям, охватывают от 137 до 238 моделей (N). На основании имеющихся данных построены гистограммы распределения гидроударников по мощности, энергии единичного удара и КПД (см. рис. 1.10 -1.12). На основании выполненного анализа и сопоставления параметров гидроударников, разработанных зарубежными и отечественными фирмами и организациями, установлено: преобладающее количество гидроударников создано на основе гидрокинематической схемы с управляемой камерой рабочего хода с дифференциальным включением бойка и переключением силового распределителя по положению бойка; - выходные параметры гидроударников согласованы с технологическим назначением, поэтому распределены в широком диапазоне по энергии от 120 (ручные отбойные молотки и перфораторы) до 320000 Дж (сваепогружные копры) и частоте ударов от 8 до 3000 в минуту; - параметрические ряды гидроударников ряда зарубежных фирм захватывают диапазон энергии единичного удара от 140 до 9000 Дж; - коэффициент полезного действия современных гидроударников составляет 0,6.. .0,7, а при наличии стабилизирующей системы - до 0,8; - мощность 40% гидроударников не превышает 10 кВт, хотя у отдельных моделей достигает 40 кВт; - плотность энергии в рабочем инструменте преимущественно выдерживается в диапазоне 0,12...0,3 Дж/мм\ В проведенном анализе не учитывалась энергия, передаваемая рабочему инструменту гидроударника, а так же напряжения, возникающие в инструменте при прохождении ударного импульса.
Теоретическое обоснование соотношения параметров ударной системы гидро- и пневмоударников
Проведенные стендовые исследования (см. Главу 3) удара поршня-ударника по абсолютно жесткой штанге, т.е. реализация процесса «дребезг -квазипластический удар», а также исследование единичных соударений поршня через боек в штангу позволили получить осциллограммы, описывающие формы ударного импульса, вид и последующая обработка которых подтверждают возможность реализации процесса дребезга бойка, получения квазипластического удара и повышения коэффициента полезного действия удара поршня через боек в торец хвостовика штанги [13, 81, 86, 87, 88, 89,106,114,115]. После соударения поршня (и/или бойка) и штанги по длине последней распространяется продольная упругая волна. Общее время распространения этой волны равно [1, 2, 3, 5, 6, 16, 56, 58, 81 и др.]: где 1шт — длина штанги, м; с - скорость продольной упругой волны, м/с (см. формулу 1.9. главы 1). Если это время Теол существенно больше времени соударения Туд, то взаимодействие между штангой и ударником описывается теорией стереомеханического удара абсолютно твердых тел. Согласно этой теории, при таком соударении выполняется закон сохранения общего количества движения. При неподвижной перед ударом штанги можно записать уравнение количества движения: где mj и m2 — массы штанги вместе с коронкой и ударника, V - доударная скорость ударника, V+ и V2 - послеударные значения скоростей штанги и ударника. В соответствии с рекомендациями теории колебаний [56] массу штанги (mi) следует принимать равной одной трети ее длины (mj = шшп/3). При этом выполняется известное уравнение восстановления относительной скорости ударника: где R - коэффициент восстановления, зависящий от материала и формы соударяемых тел (в методике Р.Ю. Подэрни [70] обозначается как кх). При соударении стальных тел R = 5/9 , либо рассчитывается для конкретных параметров соударяющихся тел [43].
Решение системы двух линейных уравнений с двумя неизвестными дает выражения для послеударных скоростей: При абсолютно упругом соударении общее энергетическое соотношение выражается следующим образом: В левой части этого равенства стоит первоначальная кинетическая энергия ударника. Первое и второе слагаемое справа характеризуют послеударные энергии штанги и ударника. Последнее слагаемое определяет энергетические потери при ударе на пластические деформации, разрушение соударяющихся тел в зоне контакта и прочие. Последующее разрушение породы осуществляется благодаря высвобождению послеударной кинетической энергии штанги. Динамика процесса движения сдвоенного ударника описывается как процесс соударения, в котором участвуют три тела: штанга-боек-поршень. Теоретически принцип работы можно проследить по рис. 2.12. Исходя из механико-математической модели, представленной на рис. 2.12, получили следующие выражения: В результате несложных математических преобразований получаем формулу определения напряжения в штанге: Полученные значения отображены на графике (см. рис. 2.13) в пределах первого полупериода.
Полученные данные не противоречат экспериментальным (см. рис. 3.9 Главы 3). Как видно из рис. 3.9, время дребезга попадает в ожидаемые значения полупериода. колебания для реализации поставленной задачи необходимо выполнить следующее условие: время удара должно быть меньше времени дребезга, которое должно быть, в свою очередь, меньше времени распространения волны (Тдр «Твол). Причем время цикла ограничивается значением частоты ударов, например, для ПП-54 равно 1/30 с (см. рис. 2.14). где m2+m 2=m2, при этом меньшая часть ударника (т2) должна быть определенной массы. Соотношение масс ударной системы выбирается, исходя из условия, что абсолютно неупругое соударение будет более выгодным, если масса штанги т.] мала, то есть: m2 ml{2R + R2), что было обосновано в работе [69]. Это неравенство является критерием при расчете рациональных параметров бойка и является необходимым, но не достаточным условием для повышения эффективности неупругого соударения ударника и штанги. Коэффициент при h в рассматриваемом квадратном уравнении (a-h2 + b-h + с = 0) при различных соотношениях масс ударной системы для различных R предствлен в табл. 2.7.
Стендовые исследования ударных систем «поршень-боек-штанга»...
В соответствии с поставленной в работе целью и задачами необходимо было провести следующие стендовые исследования для подтверждения выбранных гипотез и теоретических расчетов: - обоснование конструкции экспериментальной установки; - определение параметров ударной системы, расчет соотношений масс «боек-ударник»; установление параметров процесса дребезга и соотношения передаваемых ударной системой импульсов в штангу для одинарных и сдвоенных ударников; - предварительные испытания разработанной конструкции стенда; - проведение испытаний при использовании бойков изготовленных из различных материалов, устанавливаемых на различных начальных расстояниях от штанги; - обработка полученных осциллограмм, их спектров и дифференциальных и интегральных преобразованных видов; - проведение испытаний сдвоенной ударной системы на стенде с баллистическим маятником; - исследования эффективности разрушения пород различных свойств при использовании классической ударной системы и ударной системы из трех тел (по методу Шарпи [9, 23]). - анализ результатов стендовых экспериментов. 3.2. Стендовые исследования ударных систем «поршень-боек-штанга» Результаты численного анализа с использованием программного пакета ANSYS/LS-DYNA (см. Главу 2) показали, что в ударной системе «поршень-боек-инструмент» эффективность передачи импульса от ударника в преграду выше ( 30%), чем в случае соударения двух тел. Такой эффект обусловлен возникновением, так называемого, режима «дребезга» (порционного отбора энергии от ударника), определяющего квазипластический механизм соударения.
Применение в конструкциях пневмо- и гидроударников ударников [59, 108], состоящих из бойка и собственно ударника, имеют большие преимущества, в том числе повышение КПД передачи удара и скорости отбойки породы. Для повышения передачи энергии удара и эксплуатационных показателей буровых средств может использоваться сдвоенная ударная система, которая работает по схеме «ударник-боек-инструмент».
Для повышения эффективности работы гидро- и пневмоударников необходимо детально исследовать взаимосвязь основных параметров элементов их ударных систем. Исследования параметров целесообразно проводить в лабораторных условиях на специальных стендах, а окончательные рекомендации выдавать на основании промышленной проверки и корректировки вышеуказанных результатов.
Методика проведения экспериментальных исследований предусматривает проверку всех 4-х эффектов, присутствующих при использовании в перфораторах ударной системы «поршень — боек-штанга (инструмент)» для бойков малой массы: рост энергии прямого ударного импульса за счет квазипластического удара; ослабление крепости забоя при прохождении в него ударного импульса, состоящего из семейства коротких импульсов большой амплитуды; демпфирование переотраженных волн бойком, а также создание импульсов заданной формы, продолжительности и амплитуды.
Для моделирования процессов соударения ударника со штангой с параметрами подобными тем, что возникают при работе пневмо- и гидроударников, было проведено 3 этапа исследований ударных систем.
Методика исследований предусматривает изучение влияния на энергию удара переменных параметров ударной системы (массы поршня и бойка, их предварительные зазоры и др.) при разрушении пород [106]. Схема стенда представлена на рис. 3.1. Общий вид экспериментальной установки (стенда) представлен на рис. 3.2.
Методика исследований заключалась в следующем (рис. 3.1): датчики размещались на стрежне-штанге 3 стенда и в стержне 10 баллистического маятника 11. Стержень 10 баллистического маятника 11 выполнен в виде стальной трубы такого же диаметра, что и стержень-штанга 3 стенда, а его длина превышала длину поршня-ударника 2 более чем в два раза. Угол отклонения баллистического маятника 11 пропорционален величине напряжения, передаваемого в стержень маятника, и измерялся электрическим потенциометром (угломером) 12. Первый датчик 13 регистрировал продольные колебания напряжений в штанге 3 стенда при прохождении ударного импульса и располагался на расстоянии 300 мм от нагружаемого торца штанги. Второй датчик 14 размещался на расстоянии 30 мм от конца стержня 10 баллистического маятника 11 и регистрировал на осциллографе колебания напряжений при прохождении ударного импульса через стык между штангой 3 и стержнем 10 маятника при различных режимах ударного воздействия.
К баллистическому маятнику 11 вместо стержня 10 можно устанавливать образцы пород различных свойств, а измерения колебания напряжений в исследуемых образцах при прохождении ударного импульса можно осуществлять также как и со стержнем 10, т.е. при помощи размещения датчика на расстоянии 30 мм от торца образца или же размещением датчика на торце образца с другой стороны от стыка между образцом и стержнем-штангой 3 стенда.
Оба датчика 13 и 14 выполнены из пьезопленки - ПВДФ в виде полоски шириной 2 мм, длиной 70 мм и толщиной 30 мкм. Токосъем с пьезодатчиков осуществлялся с помощью медных токосъемников толщиной 50 мкм. Датчики позволяли регистрировать упругие колебания с разрешением не хуже 0,5 мкс.
Разгон стального поршня-ударника 2 осуществлялся за счет импульсного магнитного поля соленоида 9, размещенного на трубе 1 из нержавеющей стали с внутренним диаметром, равным диаметру поршня-ударника 2 и бойка 4. Импульсное магнитное поле в соленоидной катушке 9 возбуждалось при разряде конденсаторной батареи (С) через тиристор 7, при подаче управляющего импульса напряжения с генератора 6. При этом скорость стального поршня-ударника 2 могла меняться за счет изменения напряжения заряда конденсатора и варьироваться в пределах 5-10 м/с. Измерение скорости поршня-ударника 2, а также расстояние между поршнем и бойком, осуществлялось через предусмотренное в стальной трубе 1 смотровое окно 8. Погрешность измерений не превышала 1-2%. От лазера 16 часть луча через первое зеркало 17, установленное под углом 45 к лучу, отражалась на первый фотодиод 15, а другая часть луча преломлялась зеркалом и поступала на второе зеркало 17, установленное под таким же углом 45, отражалась на 2-й фотодиод 15. Расстояние между фотодиодами 15 составляло 17мм. Оба фотодиода подключались к электронно-счетному частотомеру ЧЗ-34А, который фиксировал время прохождения сигналов от первого фотодиода ко второму. Зная расстояние между фотодиодами и время прохождения сигнала между первым и вторым фотодиодами, вычислялась скорость поршня. Скорость стального поршня-ударника, с размерами (24х200)мм и отверстием по оси 8 мм, могла достигать 15 м/с при заряде конденсаторной батареи до 900 В.
Обоснование рациональной конструкции ударной системы исполнительного органа комплекса для проведения спецвыработок в условиях ОАО «Метрострой»
В результате сравнительной эффективности глубины погружения лезвий долота и силы удара инструмента (см. рис. 2.8, 2.9 Главы 2) гидроударниками различных типов видно, что гидроударники Роксон 150 имеют, в сравнении с другими рассматриваемыми ударниками, пониженную энергию удара и повышенную частоту удара, для условий шахт ОАО «Метрострой» позволяют производить отбойку породы со скоростью в среднем в 1,2 раза выше других гидроударников.
Кроме того, гидроударники Роксон 150 имеют шпицевую часть штока поршня, которая может быть легко укорочена на 20-25 мм для установки бойка такой же длины и получения эффекта «дребезга» (см. главу 2). Таким образом, модернизация гидроударника Роксон 150 может дать прирост скорости отбойки породы приблизительно в 1,3-1,4 раза в случае решения вопроса подбора материала для изготовления бойка и обоснования уточненной его конструкции.
На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований (см. главу 2, 3) разработана конструкция ударно-вращательной бурильной головки, которая может работать и как пневмоударник (в дальнейшем пневмоударник) [66], техническим результатом которой является повышение КПД передачи удара за счет обеспечения процесса «дребезга» вспомогательного бойка между основным бойком и штангой.
Технический результат достигается тем, что пневмоударник, содержащий породоразрушающий инструмент (штанга с коронкой), корпус с размещенным в нем поворотным механизмом и сдвоенным ударником, включающим основной и вспомогательный бойки, воздухораспределительную систему, поворотную и концевую буксы, согласно изобретению вспомогательный боек установлен в направляющих, его сечение имеет форму многогранника, а отношение длины L бойка к его ширине Ъ выбирают из неравенства ЫЬ \,5, причем соотношение масс сдвоенного ударника и штанги должно удовлетворять условию т2 -ml(2R + R2), где т/ - масса штанги, кг; т2 - масса сдвоенного ударника, равная сумме масс основного и вспомогательного бойков, кг; R — коэффициент восстановления скорости, т.е. отношение высоты отскока металлического шарика при абсолютно упругом ударе к высоте, с которой он падает на стальную плиту.
Предлагаемый пневмоударник представлен на рис. 4.1, а на рис. 4.2 показан процесс «дребезга».
Процесс «дребезга» формирует в штанге не классический «колокольный» импульс, формируемый при ударе сплошным ударником, а серию коротких импульсов большой амплитуды, суммарная продолжительность которых примерно равна продолжительности импульса от сплошного ударника, а суммарная энергия на 20% выше [59, 64, 66]. Проходя через штангу, эти импульсы интенсифицируют процесс разрушения породы, а, следовательно, повышают эффективность бурения. основным бойком и штангой Следует отметить, что для осуществления процесса «дребезга» вспомогательного бойка относительно основного бойка и штанги необходимо исключить осевое вращение вспомогательного бойка и его перекашивание в концевой буксе, что достигается рациональным выбором соотношения между длиной бойка и его шириной, а также наличием направляющих.
Такое выполнение пневмоударника повышает надежность работы конструкции, т.к. исключается необходимость механического сцепления основного и вспомогательного бойков при помощи пружинной защелки, а также повышает КПД передачи удара за счет возникновения процесса «дребезга» вспомогательного бойка между основным бойком и штангой.
На основе описанной конструкции в настоящее время разработаны рабочие чертежи, изготовлены опытные образцы, которые будут испытываться в различных условиях.
