Введение к работе
Актуальность темы. На сегодняшний день рост городов, совершенствование их инфраструктуры повышают требования к ведению горных работ при устройстве тоннелей и прокладке инженерных коммуникаций в условиях небольших глубин, а также наличия на поверхности зданий и сооружений, обуславливают необходимость создания технических средств, обеспечивающих образование выработок с минимальным воздействием на окружающий массив. В значительной степени этим условиям отвечают машины реализующие технологию проходки выработок малого сечения методом горизонтально направленного бурения (ГНБ). При этом обеспечивается сохранение устойчивости и целостности вмещающих пород, комплект оборудования компактен и мобилен, не требуется значительных территорий, времени для подготовки, выполнения работы. В то же время эффективность работы породоразрушающего инструмента таких машин существенно зависит от прочности разрушаемых пород, что затрудняет их широкое использование. Нами была предложена конструкция бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний, которая реализует динамическое воздействие на массив с целью снижения нагрузок на инструменте. Однако отсутствие описания механизма функционирования встроенного генератора гидродинамических колебаний не позволяет обосновать его конструктивное исполнение и задать эффективные рабочие режимы. Кроме того, не установлены закономерности изменения показателей работы бурильной головки машины ГНБ с встроенным генератором гидродинамических колебаний, что и определяет актуальность диссертации.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР и ОКР ТулГУ и Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов, а также при поддержке целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2010 гг.)» (рег. номер 2.2.1.1/3942) и федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (гос. контракт №П1120).
Целью работы являлось установление новых и уточнение существующих закономерностей изменения показателей работы встроенного в бурильную головку генератора гидродинамических колебаний в зависимости от конструктивного исполнения и реализуемых гидравлических параметров бурения, обеспечивающих повышение эффективности разрушения горных пород.
Идея работы заключалась в том, что эффективное разрушение горных пород бурильной головкой достигается использованием в её конструкции встроенного генератора гидродинамических колебаний с конструктивными параметрами, заданными на основе установленных закономерностей работы.
В работе использован комплексный метод исследований, включающий научное обобщение и анализ основных результатов ранее выполненных теоретических и экспериментальных работ в области исследования гидродинамических излучателей, основанных на эффекте Польмана-Яновского; эксперимен-
тальные исследования работы генератора гидродинамических колебаний, встроенного в бурильную головку машины ГНБ; обработку результатов экспериментов методами теории вероятности и математической статистики.
Научные положения, выносимые на защиту:
- работа встроенного генератора гидродинамических колебаний описывается математической моделью обтекания вибрационной пластины и формирования погружной струи рабочей жидкости, основанной на решении уравнения Навье-Стокса, второй теории турбулентности Прандтля и решении системы уравнений Толмена;
- амплитуда колебаний вибрационной пластины зависит от расстояния от выходного отверстия струеформирующей насадки до консольного конца пластины, причем существует расстояние, при котором амплитуда достигает максимальных значений, зависящих от вязкости рабочей жидкости, коэффициента расхода струеформирующей насадки и рабочего давления;
- максимальная эффективность работы бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний достигается при подаче рабочей жидкости под давлением, соответствующим резонансному режиму колебаний вибрационной пластины, которое для предложенной конструкции устройства составляет 1,8 МПа.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана математическая модель работы пластины встроенного генератора гидродинамических колебаний, основанная на решении уравнения Навье-Стокса с учетом полуэмпирической модели турбулентности, учитывающая особенности формирования набегающей струи рабочей жидкости, описанной на основе второй теории турбулентности Прандтля, с учетом безразмерных профилей скорости и показателя турбулентной вязкости;
- выявлено расстояния от выходного отверстия струеформирующей насадки до вибрационной пластины, при котором амплитуда колебаний достигает максимальных значений;
- получена расчетная формула для определения максимальной амплитуды колебаний вибрационной пластины в зависимости от вязкости рабочей жидкости, коэффициента расхода струеформирующей насадки и рабочего давления, позволяющая обосновать конструктивное исполнение инструмента и режимы его работы;
- установлена эффективность использования генератора гидродинамических колебаний встроенного в конструкцию бурильной головки машины ГНБ, выразившаяся в снижении нагрузок на инструменте;
- определено давление рабочей жидкости, вызывающее резонансные процессы во встроенном генераторе гидродинамических колебаний, при которых разрушение массива происходит с максимальным снижением нагрузок на инструменте и получена формула для расчета уровня снижения нагрузок в зависимости от давления рабочей жидкости и прочностных характеристик массива;
- разработан метод расчета параметров генератора гидродинамических колебаний, позволяющих встроить его в конструкцию бурильной головки машины ГНБ, рассчитать режимы работы и обосновать возможность расширения области применения серийно выпускаемых машин на более крепкие породы.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается представительным объемом проведенных экспериментов; корректной обработкой экспериментальных данных методами теории вероятности и математической статистики и подтверждается удовлетворительной сходимостью расчетных величин с результатами экспериментов, полученными в условиях стенда и производственной площадки (средняя величина относительной погрешности не превышает 20 %).
Практическое значение работы:
- разработана оригинальная конструкция бурильной головки машины ГНБ с встроенным генератором гидродинамических колебаний, обеспечивающая расширение области применения серийно выпускаемых машин на более крепкие породы;
- разработана «Методика расчета геометрических параметров и режимов работы бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний»;
- разработана прикладная программа для персональных компьютеров, позволяющая осуществить расчет геометрических параметров бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний, с учетом гидравлических параметров машины и физико-механических свойств массива.
Реализация работы. «Методика расчета геометрических параметров и режимов работы бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний» принята ООО «БЕЛРА-Центр» к использованию при проектировании машин ГНБ. Результаты исследований внедрены в учебные курсы «Горные машины и оборудование подземных выработок» и «Расчет и проектирование горных машин и комплексов» для студентов Тульского государственного университета, обучающихся по специальности «Горные машины и оборудование». Программное обеспечение используется при курсовом и дипломном проектировании. Конструкция разработанной бурильной головки машины ГНБ с встроенным генератором гидродинамических колебаний защищена патентом РФ на полезную модель.
Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные ее положения докладывались и получили одобрение: на VII Региональной молодежной научно-практической конференции Тульского государственного университета «Молодежные инновации» (г. Тула, 2013 г.); на Международной научно-практической конференции «Вопросы образования и науки в ХХI веке» (г. Тамбов, 2013 г.); на V Международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (г. Орел, 2013 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей из них 3 в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 141 странице машинописного текста, содержит 49 рисунков, 29 таблиц, список использованной литературы из 109 наименований и 2 приложения.
