Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Критический анализ методик расчета и особенностей конструкций пневматических бурильных головок 9
1.1 Перспективы использования бурильных головок на шахтах и рудниках 9
1.2 Анализ и особенности применение перфораторов с усиленной продувкой.. 17
1.3 Анализ проходческих машин с исполнительными органами ударного действия 19
1.3.1 Анализ способов проходки выработок в слабоустойчивых породах 24
1.3.2 Критический анализ исполнительных органов комплексов для
строительства выработок в глинах для условий СПб ОАО «Метрострой» 26
1.4 Анализ методик расчета параметров ударных и исполнительных органов при разрушении пород 30
1.5 Анализ расчетных алгоритмов производительности исполнительных органов ударного действия и перфораторов 35
1.6 Выводы по главе 1 38
Глава 2 Теоретические исследования по обоснованию конструкции и параметров перфоратора с ударной системой «поршень-боек-штанга» с усиленной продувкой
2.1 Этапы НИОКР создания серийного образца, модернизированного перфоратор ПП-54С2М2М 40
2.2. Анализ волновых процессов в элементах ударной системы. 41
2.3 Теоретические расчеты ударной системы. Понятие о квазипластическом ударе и явление «дребезга» 51
2.4 Квазипластический удар. Условия возникновения «дребезга» в ударных системах «поршень-боек-штанга» 53
2.5 Расчет модернизированной ударной системы «поршень-боек-штанга» перфоратора ПП-54С2М2 58
2.6 Исследование динамики ударной системы поршень-боек-штанга перфоратора ударного действия 62
2.7 Анализ вариантов конструктивных схем ударной системы «поршень-боек-штанга» для перфоратора ПП-54 65
2.8 Исследование динамики ударной системы
2.9 Исследования конструкций узлов перфоратора с использованием ANSYS и Inventor 75
2.10 Конструктивные схемы перфораторов с ударной системой «поршень-боек-инструмент» с сухой продувкой 81
2.11 Выводы по главе 2 84
Глава 3 Экспериментальные исследования процесса разрушения пород перфораторами 85
3.1 Постановка задач экспериментальных исследований 85
3.2 Лабораторные исследования 85
3.3 Предварительные промышленные испытания перфоратора ПП-54С2М на Кировском руднике ОАО «Апатит» 90
3.4 Методика проведения экспериментальных исследований
3.4.1 Обоснование набора исходных данных 93
3.4.2 Методика проведения многофакторного эксперимента
3.5 Испытания перфораторов ПП54С2 на заводах ГП «ЗУМК» 95
3.6 Выводы по главе 3 111
Глава 4 Разработка конструкций перфораторов-ударников для проходческих комплексов по разрушению массива кембрийских глин 112
4.1 Перфоратор с цилиндрическим бойком 112
4.2 Проходческий комплекс с тюбинговой крепью для проведения вспомогательных выработок на основе перфоратора-ударника 114
4.3 Методика обоснования основных параметров перфоратора, ударных исполнительных органов комбайнов 123
4.4 Технико-экономическое обоснование целесообразности использования разработанного комплекса 124
4.5 Выводы по главе 4 130
Заключение 131
Список литературы 133
- Анализ проходческих машин с исполнительными органами ударного действия
- Анализ волновых процессов в элементах ударной системы.
- Методика проведения многофакторного эксперимента
- Методика обоснования основных параметров перфоратора, ударных исполнительных органов комбайнов
Анализ проходческих машин с исполнительными органами ударного действия
Проходческие и добычные высокопроизводительные буровые станки позволяют увеличить объемы производства и, тем самым, снизить себестоимость продукции, но имеются и достаточно серьезные недостатки их использования [12, 28, 59]: высокая стоимость оборудования (десятки миллионов рублей за единицу); значительные затраты на ремонт (высокая стоимость запчастей); необходимость специального обучения и высокой квалификации персонала; применение данного оборудования возможно только в выработках большого сечения (что ведет к значительному удорожанию подготовительных работ).
Собственно сами ГБГ, для которых необходима индивидуальная маслостанция, в сравнении с пневматическими бурильными головками (ПБГ) имеют недостатки: происходят выбросы в рудничную атмосферу масляных микроскопических капель; необходимо производить охлаждение и отчистку масла; требуется использование значительно более точного изготовления деталей, при котором существенно увеличивается их цена; величина энергии удара имеет ограничение по стойкости коронок [59, 75].
ПБГ в рудниках предпочтительнее ГБГ по следующим условиям [16, 28, 29]: выброс в рудничную атмосферу воздуха без примесей; на несколько порядков пониженная стоимость; существенная простота в обслуживании и ремонте.
Таким образом, можно сказать, что ПБГ, в сравнении с ГБГ, не смотря на то, что характеризуются более низкой скоростью бурения, с учетом малых размеров и веса, простоты ремонта, низкой стоимости и пониженной требовательности к квалификации персонала, сохраняют предпочтение использования при проходке выработок малого сечения, например, для электровозной откатки, восстающих выработок и при выполнении вспомогательных работ. Кроме того, себестоимость бурения шпуров ПБГ часто может быть несколько ниже, чем бурение ГБГ, что вызвано их повышенной стоимостью и близкими значениями производительности за смену.
Применение более дешевых, российских средств бурения на рудниках позволяет осуществить загрузку отечественных заводов горного машиностроения стабильными заказами, обеспечить в смежных отраслях дополнительные рабочие места.
Как будет показано ниже, пневмогидравлические и гидравлические молоты [14, 18, 23, 59] широко используются в конструкциях проходческих комбайнов и строительных экскаваторах и служат для разрушения крепких пород и материалов для строительства, в данных работах представлены расчеты этих молотов, но возможный рост их эффективности при использовании модернизированных ударных систем в указанных исследованиях не предусмотрены.
В исследованиях ИГД СО РАН [18] анализируются пневматические молоты, названные «Тайфун», апробация которого показала, что энергия удара поршня может быть повышена путем уменьшения воздействия воздушной подушки перед поршнем-ударником при его движении к исполнительному органу, однако здесь использование сдвоенных ударников по конструктивным соображениям не рассматривалось.
Приведенный выше анализ указывает на актуальность и песпективность совершенствования ПБГ.
При использовании ПБГ и больших удельных нагрузках на коронку, пластинки выходят из строя, раскалываясь и не выдерживая нормального количества заточек. Исследования средств бурения с наложением вибрации на коронку [29], а так же испытания ударных систем «поршень-боек-штанга» [106], позволяют сделать вывод о возможности в этом случае увеличения стойкости коронки. По мнению Лукьянова В.Г., конструкции ПБГ, имеющих частоту до 100 ударов в 1 с, способны увеличить скорость бурения до 5 раз. Применение высокочастотных перфораторов, к сожалению имеющих высокий уровень шума, возможно только при дистанционном управлении и автоматизации всего процесса бурения.
Б. И. Воздвиженский [59] указывает, направления, которые могут привести к приросту ударной мощности ПБГ: повышение рабочего давления; совершенствование компоновки ударного механизма; повышение коэффициента передачи ударной мощности от поршня к коронке.
В системе пневмоударного механизма повышение рабочего давления может достигаться посредством использования сжатого воздуха повышенного и высокого давления. Рост ударной мощности в 2,8 раза теоретически соответствует увеличению давления воздуха с 0,5 до 1 МПа, а при дальнейшем увеличении до 2 МПа – в 8 раз и т.д. Эксперименты применения сжатого воздуха давлением до 1,2 МПа и давления до 2 МПа установили правильность теоретических положений. Бурение типовыми перфораторами при давлении воздуха 1,2 МПа повышает скорость бурения в три-четыре раза, что сопровождается снижением в полтора раза и более удельного расхода воздуха на бурение одного метра шпура. При этом зафиксировано понижение удельного расхода инструмента. К сожалению, при этом, отмечен рост уровня шума на 10-15 дБ, и вибрации. Использование сжатого воздуха давлением 2 МПа при бурении перфораторами увеличивает скорость бурения в семь и более раз, но при этом низкая прочность коронок приводила к быстрому выходу их из строя.
Как показывает опыт зарубежных фирм («Atlas Copco» и др.), применение в ГБГ (погружных пневмоударниках) давления воздуха выше 2,4 МПа указывает обоснованность такого направления роста производительности ПБГ [36, 37, 97]. Оптимизация параметров большинства элементов конструкции и значительный рост КПД достигается посредством увеличения среднего индикаторного давления в системе пневмоударной машины, однако, существуют достаточно высокие потери давления сжатого воздуха из-за малых площадей сечений каналов в воздухопроводящих элементах (кранах, шлангах и пр.). Одно из направлений обеспечения роста ударной мощности пневматической машины - модернизация параметров ее конструктивных элементов. Параметром, определяющим величину ударной мощности пневмоударной машины, является величина рабочей площади поршня-ударника. Так если увеличить рабочую площадь в 2 раза, то мощность растет в 2,8 раза, а при увеличении площади поршня в 3 раза, мощность растет в 6 раз и т.д. Повышение площади поршня можно обеспечить увеличением диаметра и числа головок поршня на одном штоке, работающих в индивидуальных камерах, или увеличением количества поршней, участвующих в нанесении ударов по буровому инструменту. С ростом давления воздуха увеличивается ударная мощность пневмоударной машины, что происходит одновременно за счёт повышения энергии удара и частоты ударов. Выше говорилось, что рост частоты ударов в 3 раза не вызывает сильного влияния на долговечность ГБГ и коронки.
Анализ волновых процессов в элементах ударной системы.
Особую роль при работе перфораторов играют такие показатели, как, скорость бурения, шум, вибрация и расход воды [16], при этом исследуемый перфоратор устанавливают горизонтально на пневматическом по датчике. Для определения скорости бурения определяют время и глубину бурения, по которым вычисляют скорость бурения. Максимальная скорость бурения перфораторов различных типоразмеров зависит от величины усилий нажатия, значение которых находятся в пределах 750 - 1200 Н. Величина угла установки пневмоподдержки при создании усилий в указанных пределах должна исключать необходимость вмешательства оператора в поддержание перфоратора в горизонтальном положении. Измерение шума. ГОСТ 10750-80 устанавливает шумовые характеристики машин - уровни звуковой мощности в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц.
Звуковая мощность LР=Lm +101g —, (1.2) где Lm – средний уровень звукового давления в октавной полосе. Уровень звукового давления измеряется прибором (шумомером) с линейной частотной характеристикой и полосовыми фильтрами; S – площадь измерительной поверхности, м2; S0 = 1 м2. ГОСТ предусматривает измерение шумовых характеристик четырьмя методами, в том числе, методом свободного звукового поля. ГОСТ 10750-80 предусматривает измерение шумовых характеристик перфораторов по четвертому методу (измерение шумовых характеристик на расстоянии 1 м от наружного контура машины) при горизонтальном бурении штангой длиной 1,8 м с коронкой диаметром 40 мм гранитного блока на глубину 0,61 м, и в номинальном режиме работы перфоратора. В качестве измерительной аппаратуры используются шумомеры датской фирмы «Брюль и Кьер» и другие, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 8.055 – 73. К сожалению, перфораторы семейства ПП не отвечают существующим требованиям по уровню шума, поэтому модернизация перфораторов для снижения уровня шума может считаться весьма актуальной. В работах Юнгмейстера Д.А., Непрана М.Ю. и др. [59, 60, 106] доказан факт возможности снижения уровня вибрации у перфораторов с ударной системой «поршень-боек-инструмент», поэтому работа по созданию серийного перфоратора с указанной ударной системой очень важна. При измерении вибрационных характеристик перфораторов, работающих вертикально вниз (без пневмоподдержки), сила действия оператора на рукоятку не должна превышать 200 Н. Длина буровой штанги не более 1,5 м.
Анализу виброударных взаимодействий горных машин с породой посвящены многочисленные работы [13, 17], однако эти работы носят теоретический характер, их результаты не применимы для перфораторов.
Важными работами по ударному разрушению пород следует считать работы профессора Асатура К.Г., который утверждал, что при разрушении ударным инструментом массива от удара по поверхности в механике [9], «в развитие задачи Герца о соударении двух шаров, обычно рассматривается как квазистатическая задача для упругого полупространства. В качестве нагрузки может прикладываться действие жесткой сферы, цилиндра, жесткого штампа и др. Пренебрежение инерционными членами в уравнениях динамики при нагружении равносильно предположению, что: 1) контактное усилие в любой момент времени уравновешивается реакцией полупространства, находящегося в строго статическом напряженно-деформированном состоянии; 2) за элементарный промежуток времени происходит бесконечно малое изменение всех статических параметров в бесконечно большой области; 3) в начальный момент удара сила взаимодействия на контакте равна нулю любой площади соприкосновения и скорости ударника V0.
При этих предположениях изменение напряжений массива во времени получается без учета их волнового характера. Согласно такому расчету, если не происходит разрушения, кинетическая энергия ударника к некоторому моменту времени соприкосновения полностью переходит в потенциальную энергию упругой деформации, и в последующем, в затухающие колебания массы. В том случае, если удар предназначен для разрушения, в нем кинетическая энергия используется лишь частично – в количестве, необходимом для достижения массивом критического состояния. Избыток кинетической энергии, согласно теории предельной теории прочности, используется для разрушения лишь тогда, когда он настолько велик, что может обеспечить его второй акт». Этот тезис важен для исследования ударных систем «поршень-боек-инструмент» и будет использован в дальнейшей работе.
Эта теория проверялась в опытах [100] удара стержней, имеющих полусферические наконечники диаметром от 1,25 до 10 мм, на образцах из кварцита или стекла. Отклонение опытной кривой от теоритической формулы начиналось после того, как ударное усилие достигало 30% от разрушающего. Картина распада образца из стекла была близка к теоретическим данным; образовались концентрические трещины разрыва на поверхности и глубинные – сдвига внутри массива.
Методика проведения многофакторного эксперимента
Полученное значение зазора свидетельствует о произошедшем одновременном соударении поршня-ударника, бойка и хвостовика штанги.
При этом, как видно из таблицы 2.1, если для ударной системы «поршень-боек-штанга» (при соблюдении соотношения масс по Нагаеву Р.Ф.) продолжительность колебательного процесса волн сжатия-растяжения в штанге или поршне больше времени движения бойка в сужающемся зазоре между поршнем и штангой, то происходит устойчивый процесс дребезга бойка и квазипластический удар поршня в штангу (временной процесс затухания волн сжатия-растяжения в штанге и поршне [13, 54] больше времени движения бойка от поршня к штанге и от штанги к поршню). Это условие выполняется при использовании стальных элементов ударной системы: скорость звука в штанге более 5500 м/с; использования забурников или коротких штанг длина - не более 1м [54].
Поэтому боек при ударе о штангу/поршень получает дополнительный удар от отраженной волны, а коэффициент восстановления скорости Rб - ш для бойка и штанги/поршня должен быть больше классического R для металлических торцованных поверхностей при единичном ударе цилиндром из неподвижного положения относительно неподвижной полуплоскости, не имеющей отраженных волн сжатия. Боек частями способен передать всю кинетическую энергию поршня штанге. Превышение энергии, накопленной в упругом элементе – бойке, выше остаточной энергии в поршне может отбросить его, снижая время обратного хода. Низкая энергия бойка при его последнем ударе в боек вызывает «слипание» всех трех соударяющихся тел, что может быть названо «квазипластическим ударом», Rп-ш = 0.
Как показали предварительные лабораторные исследования, выполненные совместно с Лавренко С.А. [47], а, колебательный волновой процесс в тензометрической штанге lш = 0,5 затухает за 210-2 c, а в поршне lп = 0,2 м за 510-4 c, при этом число циклов прохождения волны сжатия-растяжения по элементу ударной системы n составляет 5…8. Время движения бойка в зазоре 1-3 мм составляет 1,510-4 – 3,4510-5. Однако на время движения бойка оказывает влияние большое число случайных факторов, таких как переменное давление сжатого воздуха, трения бойка о поверхности ствола, трение бойка о поверхность воздушной трубки, возможное изменение, как геометрических параметров воздушной трубки, так и ее соосности поворотной буксе перфоратора. Из приведенных графиков и таблицы 2.1 видно, что время движения бойка меньше времени протекания волновых процессов в поршне/штанге, из рисунка 2, а видно, что в связи со сложностью точного расчета времени движения бойка оно может быть различным: зоны А, Б и на рисунке 2, а. Поэтому весьма вероятно, что время удара бойка в поршень/штангу могут совпадать со временем прихода к их торцам волны максимального растяжения, что вызывает отталкивание бойка и приведет к повышению R. Повышенные значения R дает большие величины передаваемых в штангу ударных импульсов, что подтверждается указанными выше расчетами параметров баллистического маятника.
Энергия удара поршня машин ударного действия преобразуется в полезную работу разрушения забоя посредством передачи ударом энергии поршня коронке (буру и т.д.) и, далее, в породу [44, 50, 68]. Можно повысить КПД передачи удара исполнительному органу за счет увеличения доли энергии поршня, передаваемой штанге, чем выше КПД, тем больше производительность перфоратора и эффективнее бурение. Для повышения КПД передачи удара [45], как было указано выше, предложена новая конструкция ударной системы с ведением бойка малой массы между поршнем и штангой – ударная система «поршень-боек-штанга». В этой системе воздействие ударника на штангу «сопровождается серией повторяющихся, учащающихся микроударов бойка в штангу/поршень, что приводит к возникновению «дребезга» бойка», при этом можно говорить об увеличении пластичности удара поршня в штангу без изменения физических свойств соударяющихся элементов. Реализуется квазипластический удар [57, 58], а КПД передачи удара от поршня в штангу в таком случае выше. Поршень-ударник после удара практически не отскакивает, а отводится сжатым воздухом.
Указанная конструкция ударной системы перфоратора, исследуемая в данной работе, должна обладать ресурсом, сопоставимым с ресурсом не модернизированного ПП-54. В то же время усовершенствованная конструкция позволит получить ряд экспериментально установленных эффектов (эксперименты проводились в ОАО «Апатит» по специально разработанной методике их проведения), улучшающих работу перфоратора сразу по нескольким направлениям [57,68]: 1) происходит квазипластический удар (смотри выше), что приводит к росту передаваемого ударного импульса и увеличению скорости бурения; 2) дребезг бойка ведет к созданию ударного импульса сложной формы, «состоящего из цуга (семейства) подимпульсов вместо одиночного колоколообразного», что приводит к повышению эффективности разрушения породы за счет рост ее трещиноватости, увеличению скорости бурения; 3) для коротких штанг за счет дребезга бойка происходит эффект отражения волн от забоя (демпфирование ударной нагрузки), что позволяет снизить уровень вибрации и шума перфоратора при снижении риска возникновения профессиональных заболеваний бурильщика.
Методика обоснования основных параметров перфоратора, ударных исполнительных органов комбайнов
При проверочных рудничных испытаниях модернизированных перфораторов получены данные, подтвердившие теоретические расчеты, эти результаты исследований проверялись на лабораторном стенде в Горном университете, испытания проводились совместно с М.Ю. Непраном [68]. Стенд для исследования моделей ударных систем (рисунок 3.1) создан на основе электрического перфоратора Dauer, расположенного на станине из швеллеров, и штанги, изготовленной из стали 40Х, на которой установлены два пьезодатчика, связанные с осциллографом, фиксирующим параметры ударного импульса. Этот стенд позволяет исследовать ударные системы, в том числе «поршень-боек-штанга», для получения экспериментальных графиков формы ударного импульса и анализировать параметры ударного устройства для оптимизации процесса соударения тел в системе «поршень-боек-инструмент». Сравнение осциллограмм работы разных ударных систем, полученных на стенде, показало значительные отличия формы ударного импульса системы «поршень-боек-штанга» от типовой (поршень-штанга). При этом определена возможность генерирования разных форм импульса путем варьирования конструкциями бойка, что очень важно для эффективного разрушения пород различных свойств [68].
Обработка результатов стендовых исследований произведена совместно с Пивневым В.А. [68] с использованием графических и аналитических данных, полученных при осциллографировании ударного импульса ударных систем разных конструкций. Обработка баз данных, созданных в компьютере после накопления результатов экспериментов, производилась с использованием стандартного пакета лицензионного программного обеспечения «Origin», который дает возможность делать подробный анализ волновых процессов, зафиксированных в измерительной штанге при работе ударной системы.
Волновые процессы, протекающие в ударной системе «поршень-штанга», выражаются всплеском ударной нагрузки большой амплитуды с последующим снижением интенсивности волновых процессов. Анализ волнового процесса ударной системы «поршень-боек-штанга» показал, что в измерительной штанге после начала ударного процесса происходит постепенное нарастание амплитуды колебаний вплоть до момента основного соударения поршня через боек в штангу, возникающего при соединении всех трех тел ударной системы: поршня, бойка и штанги. Впоследствии происходит аналогичный процесс затухания волновых колебаний (рисунок 3.2 – рисунок 3.3) [68].
На рисунках 3.2 – 3.3 прослеживается, что ударный процесс в системе «поршень-боек-штанга» имеет более значительный спектр ударной нагрузки, а это подтверждает возможность интенсификации разрушения пород.
Ударные импульсы напряжений в штанге стенда при различных режимах ударного воздействия представлены на рис. 3.4. Из рисунка 3.4 видно, что форма ударного импульса в системе «поршень-боек-инструмент» переменна, имеются всплески подимпульсов, так как в штангу проходит сложная волна напряжения, являющая собой объединение многократного удара бойка в штангу. Нижняя кривая на рисунке 3.4, записывающая процесс системы «поршень-боек-штанга», показывает, что датчик от удара бойка фиксирует малый импульс (около 40 мс) колоколообразной формы, после чего импульсы сливаются на графике общей огибающей. При этом видно, что это более чем 5 импульсов с переменной амплитудой и продолжительностью. На этом же графике видно, что общая суммарная продолжительность импульса 180 мс, а это превышает показания датчиков при исследовании импульса стандартной ударной системы (рисунок 3.4, верхние кривые), продолжительность составляет 120-130 мс.