Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние исследований процессов в ударных системах бурильных машин
1.1. Основные пути развития буровой техники 17
1.2. Проблемы совершенствования бурильных машин ударного действия 18
1.3. Контроль энергетических параметров
бурильных машин ударного действия 22
1.4. Методы определения энергии и частоты ударов бурильных машин 24
1.5. Определение энергетических параметров по импульсам упругой деформации штанги 26
1.6. Пути совершенствования вращательно-ударного бурения шпуров 28
1.7. Эффективность ударного способа разрушения породы при бурении шпуров 35
Выводы 41
ГЛАВА 2. Волновые процессы в ударных системах бурильных машин
2.1. Одномерная модель распространения волн при ударе...44
2.2. Формирование ударных импульсов и передача энергии по штанге бурильной машины 47
2.3. Расчет параметров ударного импульса, генерируемого цилиндрическим бойком 54
2.4. Интегральный метод расчета параметров ударных импульсов 59
2.5. Обобщенная амплитуда и длительность импульсов 61
Выводы 70
ГЛАВА 3. Моделирование на эвм волновых ударных процессов в бурильных машинах
3.1. Основные положения 73
3.2. Принципы построения вычислительной модели 75
3.3. Геометрическая модель ударной системы 80
3.4. Взаимодействие системы инструмент - горная порода 86
Выводы 94
ГЛАВА 4. Ударная мощность, энергия и частота ударов бурильных машин
4.1. Определение энергетических параметров бурильных машин 98
4.2. Общие требования к методу определения энергетических параметров ударных процессов 4.3. Определение частоты и энергии удара 102
4.4. Структурная схема устройства ИЭУ-1 104
4.5. Определение энергетических параметров пневматических бурильных машин вращательно-ударного действия 109
4.6. Особенности определения энергетических параметров гидроударников 115
4.7. Аналоговый интегратор с памятью 119
4.8. Устройство ИЭУ-1/4 для измерения частоты и энергии ударов 123
4.9. Оценка ошибок измерения 128
4.10. Определение энергетических параметров гидроудар ников 133
4.11. Токосъемник 138
Выводы 140
ГЛАВА 5. Цифровой метод измерения энергетических параметров машин ударного действия
5.1. Общие положения 143
5.2. Аналого-цифровое преобразование сигналов 145
5.3 Ввод информации в микро-ЭВМ 151
5.4. Определение относительной деформации штанги 154
5.5. Блок-схема измерительной системы 155
5.6. Ввод информации со штанги бурильной машины в ПК 158
5.7. Внешние устройства интерфейса 165
5.8. Использование звуковых карт для ввода аналоговых сигналов с информацией об ударных процессах в ПК 167
5.9. Применение диагностического прибора для оцифровки сигналов тензодатчиков установленных на штанге 173
5.10. Статистическое моделирование устройства (метод Монте- Карло) для определения энергетических параметров ударных волновых процессов 173
Выводы 180
ГЛАВА 6. Снижение динамических нагрузок в деталях ударных бурильных машин
6.1. Соударение тел, разделенных слоем жидкости 183
6.2. Экспериментальные исследования соударений через
слой жидкости 192
6.3. Определение продолжительности удара контактным способом 199
6.4. Влияние слоя жидкости между поверхностями соударения на спектральные характеристики импульсов 203
6.5. Фильтр отраженных ударных волн 215
6.6. Шпиндельный узел вращательно-ударной бурильной машины 233
6.7. Метод разъема конусных соединений буровой штанги вращательно-ударной бурильной машины 238
6.8. Распространение ударных импульсов в естественно закрученных стержнях 241
6.9. Электрические процессы при распространении ударных волн в штангах бурильных машин 248
Выводы 254
Заключение
- Проблемы совершенствования бурильных машин ударного действия
- Формирование ударных импульсов и передача энергии по штанге бурильной машины
- Геометрическая модель ударной системы
- Определение энергетических параметров пневматических бурильных машин вращательно-ударного действия
Введение к работе
Одним из наиболее распространенных и эффективных способов 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.
Достаточно широко применяется вращательно-ударный способ бурения шпуров. Эффективность этого способа доказана практикой и многочисленными исследованиями [15, 28, 113, 114]. В последнее время намечается тенденция замены его на ударно-поворотный.
Большим достижением в области бурения шпуров и скважин при проведении горных выработок различного назначения является широкое применение гидроударных буровых машин (ГБМ) враща-тельно-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, трещиноватости 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 условиях 2-6 %. Таким образом, потери энергии в компрессорной станции, пневмосети 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 некоторым 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" [4, 15, 16, 30, 31, 81, 86].
9 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 бурильных машин, 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 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 и принципы работы устройств для определения параметров ударных импульсов.
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, осуществляя, например, соударение бойка и хвостовика 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 1970-2003 годы по тематическим планам КузНИИшахтострой, Кузбасского политехнического института и Кузбасского государственного технического университета.
Целью работы является разработка методов определения 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 определения 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:
Теоретически обосновать эффективность определения энергии ударных импульсов в штангах бурильных машин интегральным способом.
Разработать методику определения интегральным способом энергетических параметров прямых и отраженных ударных импульсов в ударных системах бурильных машин вращательно-ударного действия.
Разработать экспериментальные устройства для определения энергии и частоты ударов бурильных машин в промышленных уело- виях, 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 рекомендации 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. Использование интегральных характеристик выделенных в реальном времени импульсов ударной деформации буровой штанги для определения энергетических параметров волновых процессов в
12 ударной системе бурильной машины
Аналитический способ преобразования ударного импульса произвольной формы в прямоугольный, эквивалентный по энергии и количеству движения.
Принцип работы устройств для определения в реальном времени энергетических параметров волновых процессов в бурильных машинах ударного действия по интегральным характеристикам импульсов относительной деформации штанги, выделенных путем селекции в пространстве и времени.
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.
Математическую модель соударения твердых тел через слой жидкости и характер изменения спектральных характеристик ударного импульса по сравнению с жестким ударом.
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 метод определения энергетических параметров бурильной машины ударного действия во время ее работы путем се-
13 лекции во времени и в пространстве первого импульса относительной деформации штанги, вызванного ударом, и интегрирования возведенной в квадрат функции деформация-время. Это позволяет измерять поток энергии, который проходит через сечение штанги в виде энергии волн упругой деформации.
2. Созданы экспериментальные устройства и методы тарировки их одиночными ударами для определения энергетических параметров волновых процессов в штангах бурильных машин ударного действия с частотой ударов от 20 до 100 Гц, основанные на принципе использования интегральных характеристик импульсов, временной и пространственной их селекции. Буровая штанга при этом используется в качестве измерительного устройства и линии задержки.
Установлены аналитические зависимости для преобразования произвольного по форме импульса относительной деформации буровой штанги в прямоугольный, эквивалентный по энергии и количеству движения, с обобщенными амплитудой и продолжительностью.
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.
Создана математическая модель процесса соударения твердых тел через слой жидкости. Установлены зависимости толщины разделяющего слоя жидкости от ее свойств и параметров соударения, а также характер изменения спектров импульсов по сравнению с жестким ударом.
Личный вклад заключается в теоретическом обосновании методов и средств определения энергетических параметров бурильных машин ударного действия; в разработке принципов действия устройств для определения энергии и частоты ударов бурильных машин интегральным методом по импульсам деформации штанги; в исследовании с помощью статистического моделирования влияния п. точности отдельных аргументов на конечный результат при определении энергии удара; в создании алгоритма расчета ударной системы на ЭВМ методом кусочных волн; в обосновании использования интегрального метода для определения энергетических параметров ударных импульсов; в теоретическом обосновании 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 её влияние на спектральные характеристики ударного импульса, определяющие интенсивность и частоты шума, излучаемого буровой штангой; в обосновании использования виброимпульсов для разрушения породы; 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 устройства для определения и исследования энергетических параметров бурильных машин ударного действия в процессе их работы; исследовать энергетические и силовые характеристики процесса разрушения породы при бурении; осуществить выбор параметров и конструкции фильтров для защиты бурильных машин от отраженных ударных волн; > моделировать на ЭВМ волновые процессы в ударных системах бурильных машинах;
У создать основу для разработки бурильных механизмов, использующих импульсные крутящие моменты и виброимпульсы для повышения эффективности разрушения породы при бурении. Реализация выводов и рекомендаций
Материалы диссертационной работы в виде разработанных методик, опытных образцов устройств, конструкций фильтров отраженных ударных волн, приспособлений для разъема конусных соединений, использующих интерференцию ударных волн, программ для ЭВМ прошли проверку на Кузнецком машиностроительном заводе (г. Новокузнецк), СКБ 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 установок" (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 КузНИИшахтострой и Кузмапгзавода (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 51 печатная работа, в состав которых входит 8 авторских свидетельств.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и содержит 330 страниц, 88 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 223 наименований.
Проблемы совершенствования бурильных машин ударного действия
Использование удара при бурении горных пород имеет многовековую историю. Сейчас известны ударно-поворотное, ударно-вращательное и вращателъно-ударное бурение шпуров. Наиболее эффективным для пород выше средней крепости является вращателъно-ударное бурение.
Технический переворот в области бурения шпуров и скважин при добыче полезных ископаемых подземным способом связан с применением в горной промышленности самоходных буровых установок и станков с пневматическими буровыми машинами и особенно с внедрением гидроударных буровых машин враща-тельно-ударного действия.
Увеличение скорости бурения шпуров в крепких породах ПБМ вращательно-ударного действия по сравнению с ПБМ ударно-поворотного действия явилось следствием применения для вращения штанги отдельного двигателя, что позволило увеличить энергию удара бойка с 50-100 Дж у ПБМ ударно-поворотного действия до 200-220 Дж у ПБМ вращательно-ударного действия. Замена пневматической энергии на гидравлическую привела к увеличению энергии удара ГБМ до 500-1000 Дж, а частота ударов возросла с 3000-3500 до 9000-12000 ударов в минуту. Гидравлика обеспечивает более высокий уровень автоматизации процесса разрушения пород при бурении с учетом их крепости, трещи-новатости и абразивности. Снизилось время на вспомогательные операции.
Применение самоходных пневматических буровых машин с ПБМ вращательно-ударного действия повысило в промышленном масштабе сменную производительность бурения на 300% по сравнению с ПБМ ударно-поворотного действия. Замена ПБМ на ГБМ вращательно-ударного действия увеличила скорость бурения шпуров и скважин в крепких породах в 1,5-2 раза и значительно улучшила санитарно-гигиенические условия труда рабочих благодаря снижению вибрации, уровня шума (на 8-17 дБ) и ликвидации масляных аэрозолей в забоях горных выработок [113].
Однако ГБМ требуют высокой точности изготовления деталей, специальных масел при эксплуатации в среде с повышенной влажностью и запыленностью атмосферы. ГБМ имеют энергию удара и момент вращения в несколько раз больше, чем ПБМ вращательно-ударного и ударно поворотного действия. Это предъявляет более высокие требования к прочности бурового инструмента, воспринимающего, и передающего ударные и крутильные нагрузки от буровой машины на породу. Применяемый буровой инструмент (штанги, коронки, форма и геометрия твердых вставок) для бурения крепких пород ПБМ оказался не пригодным для бурения крепких пород ГБМ с большей ударной мощностью и крутящим моментом.
Поскольку диаметр шпуров не изменился, то большую ударную мощность передают через штангу и коронку прежних размеров. Именно эти детали стали сдерживать дальнейшее развития буровой техники, так как механические напряжения в них возросли до предельных значений.
Совершенствование машин ударного действия предусматривает повышение их производительности, увеличение надежности и долговечности элементов машин, уменьшение энергозатрат, необходимых для выполнения определенного технологического процесса и улучшение условий труда. Повышение производительности машины может быть достигнуто увеличением ее мощности и повышением эффективности передачи энергии в обрабатываемую среду. Это вызвало необходимость поиска способов формирования в ударной системе волн деформаций с рациональными параметрами, которые позволяли бы передавать по волноводу, без его разрушения, как можно большую энергию с минимальными потерями, обеспечивая при этом эффективное разрушение породы.
Для решения этой проблемы до настоящего времени проведены обширные исследования процесса формирования волн деформаций бойками различной геометрии и поиска конструкций бойков, создающих волны деформации с рациональными параметрами. Большой вклад в исследование процессов формирования и распространения волн деформаций внесли работы К. И. Иванова и В. Д. Андреева [29, 31, 80, 81-90], Е. В. Александрова, Д.М. Алабужева, В.Б. Соколинского [2-7, 176-179]. Эти процессы изучались Л. И. Бароном и Ю. Г. Коняшиным [38, 39, 97, 98 ], О. Д. Алимовым, Л. Т. Дворниковым и И. Д. Шапошниковым [15, 27, 65, 66], В.Ф. Горбуновым, Л.А. Саруевым [51-59, 173], А. А. Мясниковым, Б. Т. Тагае-вым [62-64], И. П. Никоновой, Г. Н. Покровским, Б. Н. Серпенино-вым [120], В. К. Манжосовым и В. Э. Еремьянц, Б.Н. Стихановским [180, 181] и др. Из зарубежных исследователей, внесших значительный вклад в изучение процессов формирования волн деформаций в упругих волноводах, следует отметить А. Сирса [214], Ф. Арндта [36,37,207], Г. Фишера [189], Ч. Ферхарста [210], П. Датта [209]и ДР-
Формирование ударных импульсов и передача энергии по штанге бурильной машины
В настоящее время широкое распространение получили гидравлические бурильные машины, форма ударника которых приближается к цилиндрической, т.е. имеет менее выраженный ступенчатый характер по сравнению с пневматическими установками. Рассмотрим параметры ударного импульса в стержне при ударе цилиндрическим бойком.
Формулы о распределении напряжений, действующих в ударной системе, основаны на решении волнового уравнения по теории Сен-Венана [49], которая основывается на допущении, что при соударении стержней контакт соударяющихся тел осуществляется но всей поверхности соударения. В случае равных сечений в плоскости контакта отсутствуют отраженные волны и импульсы напряжений имеют прямоугольную форму.
Решение волнового уравнения для цилиндрических стержней разного диаметра [160] имеет достаточно точное решение, когда длина стрежня не менее чем 2-4 раза превышает длину бойка.
При ударе цилиндрическим бойком по стержню меньшего диаметра в последнем возникает импульс упругой деформации, состоящий из нескольких ступеней, убывающих по амплитуде. Амплитуда пой ступени определяется по формуле Рп— -ЯШ , (2.4) где Рп- амплитуда сил при пом проходе волны напряжения в бойке; Е- модуль упругости материала стержней; F\- площадь сечения ударника; и- скорость соударения; Энергию импульса можно определить [207] по формуле A = EF2c\s2(t)dt, (2.8) где Е - модуль упругости материала штанги; 7 " площадь сечения штанги; С - скорость распространения импульса в штанге; г -продолжительность импульса; e{t) - относительная деформация штанги. Для вычисления энергии удара по формуле (2.8) на осциллограмме ударного импульса измеряют амплитуды через малые интервалы времени At. Затем строят импульс по амплитудам напряжений, возведенным в квадрат, и графическим интегрированием определяют его площадь
Эту трудоемкую операцию можно несколько упростить, если энергию ударного импульса представить следующим образом.
Поскольку штанга перед ударом находилась в покое, а после удара в бойке не осталось энергии (считаем, что импульс не дошел до конца штанги и отраженных волн нет), то согласно [208] mv = EF2\s(t)dt, где т,и- масса и скорость бойка перед ударом. Отсюда о т \e(t)dt. Кинетическая энергия бойка перед ударом определяется по известной формуле
Эквивалентная продолжительность импульса равна отношению массы бойка к "массовому расходу" вещества через сечение штанги площадью 7 , если скорость в этом сечении будет равна скорости перемещения ударного импульса С.
Применяя гидравлическую аналогию, можно сказать, что t3 это время за которое масса вещества пройдет через данное сечение штанги, если его скорость будет с. Из волновой теории удара следует, что S = c \e(t)dt, (2.11) где S - перемещение сечения штанги за время удара. Подставив (2.11) в (2.10), получим А = mS ні
Если сечение бойка, больше сечения штанги, то вся кинетическая энергия бойка преобразуется во время удара в энергию ударного импульса то mS .....2 ...п2 отсюда 2t 2 S = vt3. (2.12) Q Из уравнения (2.11), (2.12) и так как g — —g} U t3 -\s(t)dt (2.13)
Следовательно, эквивалентная продолжительность импульса численно равна площади под графиком нормированной функции относительной деформации.
Энергию удара можно определить по смещению сечения штанги. Из выражений (2.9) и (2.11) А- 2т Ь (214 Этот вариант удобно применять, если датчик измеряет смещение сечения штанги во время удара. Выразив модуль упругости через плотность и скорость ударной волны, формулу (2.8) можно преобразовать в A = pF2c3 s2(t)dt. (2 15) г
Следовательно, формулы (2.8), (2.9), (2.14), (2Л5) могут быть положены в основу алгоритмов приборов для измерения энергии ударов бурильных машин.
Применение формулы (2.9) дает возможность исключить квадратор из функциональной схемы прибора, заменив его нелинейной шкалой, а формула (2.14) позволяет использовать для измерения энергии удара датчик перемещений.
Определим расчетным путем для конкретной ударной системы величину кинетической энергии бойка и энергию импульса, вычисленную по формуле (2.8) и (2.9).
Геометрическая модель ударной системы
Образование продольных волн напряжений при соударении двух элементов и законы их распространения достаточно хорошо изучены и применялись многими авторами для расчета динамических напряжений, образующихся в буровых штангах [8, 27, 29,36, 42, 83, 91, 194, 210 и др.].
Обычно применялись ударники сравнительно простой геометрии. Формы измеренных волн напряжений хорошо согласуются с расчетными, если сгладить резкие изменения в величинах напряжений, возникающих в результате многократных отражений.
Значительно сократить время на исследование позволяет вычислительный эксперимент.
Основой вычислительного эксперимента является математическое моделирование, теоретической базой - прикладная математика, а технической - быстродействующие ПК. Использование вычислительного эксперимента имеет в каждой конкретной задаче свои специфические возможности.
Первым этапом этого процесса является создание математической модели, которая состоит из набора математических уравнений, описывающих процесс.
На втором этапе разрабатывается метод расчета сформулированной математической задачи, т.е. создание вычислительного алгоритма. Это совокупность цепочек алгебраических формул, по которым ведутся вычисления.
Вычислительный эксперимент имеет «многовариантный» характер, так как решение любой прикладной задачи зависит от многочисленных входных параметров. Третий этап вычислительного эксперимента - создание программы для реализации разработанного алгоритма на ЭВМ. Четвертый этап - проведение расчетов на ЭВМ.
В этом этапе вычислительного эксперимента проявляется его сходство с натурным. Если при натурном эксперименте исследователь задает вопросы природе, то при вычислительном эксперименте вопросы задаются математической модели, которая перед этим тестируется на решении задач, имеющих известное решение.
Затем с помощью математического моделирования предсказывается поведение исследуемого объекта в условиях, где эксперименты пока не проводились или где они вообще невозможны. Фактически при этом осуществляется диалог человек-машина.
По результатам вычислительного эксперимента делается анализ и выводы. Если появляются какие-либо необычные формы протекания изучаемого процесса, которые заинтересуют исследователя, то математическая модель модифицируется, усложняется и начинается новый цикл вычислительного эксперимента.
Исходная математическая задача, решение которой проводится в вычислительном эксперименте, описывается, как правило, дифференциальными и интегральными уравнениями. Язык дифференциальных уравнений непосредственно электронной вычислительной машины недоступен. ЭВМ имеет дело с числами, которые она может только складывать и вычитать.
Поэтому построение решения с помощью ЭВМ означает прямое вычисление его при заданных исходных значениях определяющих параметров задачи.
Правила, по которому ведутся эти вычисления, составляют содержание вычислительного алгоритма.
Решение исходной дифференциальной задачи, описывающей некоторый физический процесс, ищется в пространственно-временной области в каждой точке. При построении решения численными методами вычислить его значение во всех точках области невозможно, так как число этих точек неограниченно.
В этом случае ограничиваются вычислением решения в конечном числе точек области. Их множество называется сеткой, а сами точки узлами сетки. Основная задача теории численных методов состоит в конструировании алгоритмов, которые при минимальных затратах машинного времени позволяли бы получать решения с достаточной точностью.
Принципы построения вычислительной модели
В основу построения модели для вычисления форм импульсов, их распространения по штанге взята работа Р. Саймона [171].
Основные зависимости, связанные с образованием волн напряжения при соударении двух элементов базируется на волновой теории Сен-Венана, которая основывается на допущении, что контакт соударяющихся элементов происходит по всей плоскости соударения. В случае равных сечениях в плоскости контакта отсутствуют отраженные волны.
Распространение волны в стержне описывается одномерным волновым уравнением (2.1). Решение волнового уравнения имеет вид (2.3).
Ударные системы бурильных машин обычно состоят из цилиндрических тел различных диаметров и длины. В такой системе сравнительно просто проследить за волнами напряжения в течении нескольких передач и отражений и тем самым рассчитать какая часть волны доходит до коронки. С увеличением количества отраженных импульсов расчет становится более громоздким.
Определение энергетических параметров пневматических бурильных машин вращательно-ударного действия
Испытание прибора ИЭУ-1 проводились на Кузнецком машиностроительном заводе (г. Новокузнецк) на бурильных машинах БУ-1 и БГА-1.
Прибор ИЭУ-1 тарировался одиночными ударами на вертикальном копре по энергии удара. Тарировка начиналась с нижних значений энергии ударов, соответствующих обозначенным делениям шкалы прибора, например, 10 Дж, 20 Дж, 30 Дж и т.д. Максимальное значение шкалы соответствовало 100 Дж. Шкала прибора была линейная для всех значений энергии ударов. Это подтверждает правильность выбора принципа действия прибора по измерению энергии удара путем интегрирования квадрата функции деформация-время.
Показания прибора не изменялись, если удары постоянной энергии наносились бойками различной конфигурации. Постоянство энергии удара сохранялось за счет изменения высоты падения бойка.
Таким образом, прибор измерял энергию удара независимо от формы волны ударной деформации, генерируемой бойком. После того, как шкала прибора была протарирована на копре одиночными ударами, определяли энергию прямоугольного тариро-вочного импульса, вырабатываемого специальной электрической схемой прибора. Эту энергию устанавливали на шкале прибора перед проведением измерений на бурильной головке.
Измерения энергии и частоты ударов на бурильной головке проводилась на буровой штанге, которая применялась при тарировке прибора. Штанга с коронкой упиралась в чугунный блок и включался ударник.
По манометру устанавливалось номинальное давление сжатого воздуха. Когда головка выходила на устойчивый режим работы ударника, снимались показания индикаторов частоты и энергии ударов.
Как показали испытания, значения частоты и энергии ударов по показаниям ИЭУ-1, и по заводской методике, путем графического интегрирования ударного импульса отличались не более чем на 5%.
Испытания показали также значительные отклонения энергетических параметров отдельных бурильных головок в зависимости от качества регулировки и смазки. Это еще раз подчеркивает необходимость тщательной подготовки перед испытанием бурильных головок. Особенно это касается смазки механизма и регулировки вылета торца хвостовика.
Тарировка штанги с хвостовиком и без хвостовика показала, что хвостовик практически не влияет на показания прибора.
Во время испытаний проводилось осциллографирование импульсов, снимаемых с контрольных точек прибора. На рис. 4.5. показаны осциллограммы ударных импульсов в штанге, генерируемых головкой БГА-1. Частота ударов f=40 Гц, энергия удара 60 Дж. Из этой осциллограммы следует, что ударные импульсы достаточно быстро затухают, так как штанга была оснащена коронкой. Затухание ударных импульсов в штанге происходило за 2,5-10 3 (при периоде ударных импульсов Т=1,66-10"2с), что исключало взаимное наложение импульсов от смежных ударов и обеспечивало надежную селекцию импульсов.
Осциллограмма ударного импульса в штанге машины БГА-1 показана на рис. 4.6.(а). Первый импульс, выделяемый селектором на мультивибраторе № 2, перемещается к коронке. Второй импульс отражался от забоя как импульс сжатия, так как коронка на конце штанги упиралась в массивный металлический блок. Прямоугольный импульс мультивибратора № 2 (рис. 4.6, б) показывает время (500-10"6с), на которое открываются ключом временные "ворота " для пропуска ударного импульса, прошедшего на интегратор. На рис. 4.7, (а) показана осциллограмма импульсов индукционного датчика, вызывающего срабатывание селектора.
Осциллограмма импульсов после квадратора показана на рис. 4.8, (б). Из осциллограммы следует, что схема селекции пропускает в измерительный тракт только возведенный в квадрат первый ударный импульс, который включает в себя всю информацию об энергии удара.
Установлено, что в заводских условиях, при питании прибора от сети 50 Гц, наблюдается проникновение импульсных электрических помех от работающего электрооборудования (сварки, ТВЧ) в цепи прибора. Поэтому при измерениях в таких условиях рекомендуется цереключить прибор на питание от внутренних батарей.
Испытания показали, что электронные схемы прибора работают нормально. Измерение энергетических параметров бурильных машин имеет существенное значение для повышения эффективности буровых работ.
Перспективным направлением является измерение частоты и энергии ударов по импульсным напряжениям в штанге. Электронный прибор ИЭУ-1, как показали проведенные испытания, обеспечивает оценку этих параметров с достаточной для практики точностью (в пределах 4 %), не требуя какой-либо разборки машины. Эксперименты в заводских условиях установили хорошую помехоустойчивость прибора при измерениях и удобство пользования им.
Большим преимуществом прибора является возможность его тарировки одиночными ударами известной энергии. Методика измерения параметров бурильных машин с помощью прибора ИЭУ-1 вполне пригодна для заводского контроля энергетических параметров бурильных машин ударного действия при их изготовлении.
