Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1 Классификация способов бурения скважин 8
1.2 Применение скважин малого диаметра в горной промышленности и техника для их создания 13
1.3 Анализ конструкции существующих пневмоударников для бурения скважин малого диаметра 17
Глава 2. Обоснование выбора конструктивной схемы погружного пневмоударника малого диаметра 22
2.1 Требования, предъявляемые к погружным пневмоударным машинам 22
2.2 Выбор и обоснование конструктивной схемы для пневмоударника малого диаметра 24
2.3 Выводы 35
Глава 3. Определение энергетических и конструктивных параметров погружного пневмоударника малого диаметра 36
3.1 Общие принципы создания расчетных моделей средствами ПК 36
3.2 Создание расчетной модели пневмоударника малого диаметра 38
3.3 Исследование процессов воздухораспределения в пневмоударнике 46
3.4 Выводы 58
Глава 4. Стендовые испытания пневмоударника АШ-43м 59
4.1 Стенд для проведения испытаний 59
4.2 Методика проведения испытаний 66
4.3 Исследование процессов бурения шпуров малого диаметра пневмоударником при стендовых испытаниях 71
4.4 Анализ результатов стендовых испытаний пневмоударника АШ-43м 79
4.5 Выводы 83
Глава 5. Методика расчета основных параметров погружного пневмоударника
малого диаметра 84
Библиографический список 91
- Анализ конструкции существующих пневмоударников для бурения скважин малого диаметра
- Выбор и обоснование конструктивной схемы для пневмоударника малого диаметра
- Создание расчетной модели пневмоударника малого диаметра
- Исследование процессов бурения шпуров малого диаметра пневмоударником при стендовых испытаниях
Введение к работе
Актуальность работы. Шпуры и скважины малого диаметра (40-45 мм)
широко применяются в современной горной промышленности. Они
используются как разведочные, гидрогеологические, сейсмические,
структурные, взрывные, наблюдательные, а также применяются для сооружения анкерной крепи. При реализации современных технологий добычи полезных ископаемых подземным способом существует необходимость бурения шпуров и скважин малого диаметра.
Угольные пласты с трудно обрушаемыми кровлями составляют четвертую
часть всех отрабатываемых подземным способом пластов в Кузбассе и с
увеличением глубины ведения очистных работ их доля постоянно возрастает.
Основной проблемой при их отработке является склонность кровли к
зависанию на огромных площадях. Это может привести к е внезапному
обрушению и, как следствие, к человеческим жертвам и материальным
потерям, связанными с ударной волной, прямыми динамическими
воздействиями, взрывами метана. Для решения отмеченной проблемы разработана и внедряется в производство технология направленного гидроразрыва, позволяющая обрушать кровлю небольшими блоками. Идея способа заключается в создании специальными инструментами на стенках предварительно пробуренных скважин малого диаметра инициирующих щелей с их последующей герметизацией и развитием в нужном направлении под действием давления нагнетаемой рабочей жидкости.
Во многих случаях такие работы ведутся в горных породах крепостью выше 80-100 МПа. Станки вращательного бурения, которые широко распространены в горном производстве, в этих условиях малоэффективны.
Применение ударно-вращательного способа бурения с использованием погружных пневмоударников при проходке шпуров и скважин малого диаметра может существенно улучшить показатели эффективности процесса: возрастает скорость бурения, снижаются энергозатраты и стоимость. Пневмоударники обеспечивают высокую прямолинейность скважины, что обусловлено ударным методом разрушения породы на забое, большой жесткостью снаряда, небольшой величиной разработки ствола скважины по диаметру и высокой механической скоростью бурения.
Поэтому разработка пневмоударника малого диаметра с энергией удара, обеспечивающей повышение скорости бурения по породам средней крепости, является актуальной задачей. При этом диаметр корпуса машины будет ограничен диаметром скважины (45 мм), а длина корпуса ограничена расстоянием от бурового станка до забоя скважины (750 мм).
Целью диссертационной работы является выбор и обоснование параметров погружного пневмоударника малого диаметра (40-45 мм) для бурения шпуров и скважин в горных породах средней крепости.
Идея работы заключается в применении беззолотниковой схемы
воздухораспределения, обеспечивающей эффективное использование
поперечного сечения корпуса машины, для достижения максимальных значений энергии удара пневмоударника малого диаметра.
Объект исследования – погружной пневмоударник малого диаметра.
Предмет исследований – рабочий цикл погружного пневмоударника малого диаметра.
Задачи исследования:
– обосновать схему воздухораспределения, позволяющую обеспечить при ограничениях диаметра и длины погружного пневмоударника малого диаметра, максимально возможные энергетические характеристики;
– определить конструктивные параметры погружного пневмоударника, позволяющие максимально эффективно использовать подводимую энергию сжатого воздуха;
– провести экспериментальные исследования погружного пневмоударника малого диаметра при бурении шпуров и скважин.
Методы исследований. В работе применен комплексный подход, включающий: научный анализ и обобщение опыта в области создания пневматических ударных машин; исследования рабочего цикла погружного пневмоударника на расчетной схеме и экспериментально.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Беззолотниковая схема воздухораспределения, содержащая три рабочие камеры, две из которых последовательно соединены между собой и обеспечивают разгон ударника в период прямого хода, является более эффективной для пневмоударника малого диаметра (40-45 мм), так как обеспечивает наибольшую энергию удара.
-
Максимальная энергия удара пневмоударника малого диаметра (40-45 мм), выполненного по беззолотниковой схеме воздухораспределения, достигается при расположении кромки впускного канала в камеру прямого хода на расстоянии 47-53 % полного хода ударника, а кромки выпускного канала на расстоянии 35-39 % полного хода ударника. За точку отсчета принято положение ударника в момент удара.
-
Максимальная скорость проходки шпуров и скважин малого диаметра (40-45 мм) в породах с пределом прочности от 30 до 150 МПа при пневмоударном бурении обеспечивается при усилии подачи на забой 4600-6200 Н, и скорости вращения бурового става 130-205 об/мин.
Достоверность научных положений подтверждается сходимостью расчетных и экспериментальных значений энергетических характеристик, полученных с использованием современных методов исследований.
Научная новизна диссертации:
– обоснована возможность увеличения энергии удара в беззолотниковом погружном пневмоударнике малого диаметра за счет введения в его конструкцию трех рабочих камер, две из которых последовательно соединены между собой и обеспечивают разгон ударника в период прямого хода;
– установлено отношение величины открытия впускных и выпускных каналов к длине рабочего хода ударника, при котором обеспечивается наибольшая энергия удара;
– определены диапазоны значений скорости вращения и усилия подачи бурового става на забой, при которых достигается максимальная скорость проходки шпуров и скважин пневмоударником малого диаметра в породах крепостью от 30 до 150 МПа.
Личный вклад автора заключается в выборе принципиальной схемы погружного пневмоударника малого диаметра, в обосновании основных параметров, в разработке расчетной схемы, в проведении стендовых и натурных испытаний опытного образца, в обработке полученных результатов.
Практическая ценность работы:
– разработана конструкция погружного пневмоударника малого диаметра, обеспечивающая проходку скважин в горных породах со скоростью в 1,2-1,4 раза превышающей бурение вращательным способом;
– определены рациональные режимы пневмоударного бурения по породам крепостью от 30 до 150 МПа, обеспечивающие максимальную скорость проходки шпуров и скважин малого диаметра (40-45 мм);
– разработана методика расчета основных параметров погружного пневмоударника для бурения шпуров и скважин малого диаметра.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на Всероссийской научной конференции «Горняцкая смена», Новосибирск, 2013 г., 2015 г.; Международном научном симпозиуме «Неделя горняка», Москва, 2015 г., 2016 г.; Международной конференции «Перспективы инновационного развития угольных регионов России», Прокопьевск, 2014 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 научных работ, в том числе 5 в журналах, входящих в перечень ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 98 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 78 наименований, содержит 65 рисунков, 15 таблиц.
Анализ конструкции существующих пневмоударников для бурения скважин малого диаметра
В современной горной промышленности для создания скважин малого диаметра используют переносные перфораторы, пневматические сверла, анкероустановщики. В переносных перфораторах реализован ударно-поворотный способ бурения, ударный узел находится в корпусе машины. Энергия удара передается на забой через буровую штангу, и чем длиннее буровая штанга, тем больше полезной энергии тратится на упругие волны и внутреннее трение. Данная особенность переносных перфораторов существенно ограничивает глубину буримых скважин. В пневматических сверлах и анкероустановщиках реализован вращательный способ бурения, который не позволяет разрушать породы средней и высокой крепости, что существенно ограничивает область применения данных машин.
Применение погружного пневмоударника для бурения скважин малого диаметра позволит исключить недостатки перфораторов и пневмосверел. В отличие от перфораторов, в пневмоударнике ударный механизм расположен непосредственно перед забоем, что позволяет максимально эффективно использовать энергию удара на разрушение породы. В отличие от пневмосверел, пневмоударное бурение позволяет разрушать породы средней и высокой крепости.
На данный момент существует несколько моделей пневмоударников малого диаметра, но они предназначены для работы на высоком давлении сжатого воздуха (1-2,5 МПа). Таким образом, использование данных машин не представляется возможным из-за отсутствия требуемого давления в условиях шахт и рудников России. Следовательно, существует потребность в погружном пневмоударнике, который работаем на обычном давлении сжатого воздуха, используемого в рудниках и шахтах России (0,5-0,6 МПа).
При создании пневмоударников малого диаметра возникает ряд трудностей связанных с ограничениями размеров машины. Рабочие камеры и ход ударника ограничены габаритами корпуса машины, что затрудняет обеспечение необходимой энерговооруженности. Для достижения требуемой энергии удара необходимо использовать максимально эффективную конструкцию машины. Малые размеры рабочих деталей предъявляют особые требования к материалам для их изготовления. Требования, предъявляемые к пневмоударникам малого диаметра, более подробно рассмотрены в главе 2.
Для эффективного бурения погружным пневмоударником пород средней и высокой крепости необходимо обеспечить энергию удара достаточную для разрушения забоя, а также обеспечить необходимую частоту ударов и расход сжатого воздуха.
При вдавливании породоразрушающего элемента в породу действует контактное давление рк, определяемое отношением осевой нагрузки Go к площади опорной или контактной поверхности Sk породоразрушающих элементов, соприкасающихся с породой на забое в данный момент времени, рк= Go/ Sk (1) Под действием контактного давления в породе возникает напряжение, получившее название контактного напряжения. В зависимости от величины контактного давления процесс разрушения породы может протекать по-разному. Обычно выделяются два основных вида разрушения: объемное и усталостное.
Объемное разрушение происходит в том случае, когда в породе под действием контактного давления рк создаются напряжения, существенно превышающие твердость горной породы на вдавливание Нв, рк Нв [2]. В этом случае процесс разрушения захватывает значительную область породы, в которой образуется лунка той или иной величины. В результате разрушения горной породы происходит внедрение рабочего органа на некоторую глубину.
Усталостное разрушение пород происходит в том случае, если возникающие под торцом породоразрушающего инструмента контактные напряжения оказываются меньше твердости породы, т.е. рк Нв. Однако после неоднократно повторяющихся воздействий такой нагрузки на один и тот же участок забоя может наступить разрушение породы в некотором объеме. Поэтому такой вид разрушения можно назвать усталостно-объемным. Это объясняется тем, что под действием многократно повторяющейся нагрузки происходят изменения механических свойств, в частности твердости породы [2].
При бурении пневмоударником малого диаметра, будет реализовываться усталостно-объемный вид разрушения горных пород, так как объемный вид разрушения не может быть реализован из-за малой энергии удара машины и высокой крепости буримой породы.
В мировой практике до настоящего времени не найдено точных соотношений между числом ударов на один оборот штанги, крепостью породы и энергией удара, позволяющим бурить породы различной крепости с наибольшим эффектом. Таким образом, главной задачей данной работы является создание погружного пневмоударника малого диаметра с максимально возможными энергетическими характеристиками в заданных геометрических ограничениях (диаметр корпуса: не более 40 мм; длина корпуса: не более 750 мм).
Шпуры и скважины малого диаметра (40-45 мм) широко применяются в подземных условиях рудников и шахт: 1. Скважины для анкерной крепи. Данные скважины используются для установки различных видов анкеров, таких как канатные, трубные и т.д. Анкерная крепь предназначена для упрочнения массива горных пород и повышения его устойчивости. 2. Нагнетательные скважины. Данный вид скважин предназначен для закачки в угольные пласты воды или газа, с целью снижения концентрации опасных газов. 3. Скважины для обрушения кровли. Для обрушения кровли в подземных условиях применяют технологию направленного гидроразрыва, позволяющую обрушить кровлю отдельными блоками. 4. Наблюдательные скважины. В данные скважины устанавливается различная аппаратура, предназначенная для наблюдения за состоянием горного массива. 5. Разведочные скважины. Предназначены для поиска и определения границ залежей полезных ископаемых. 6. Сейсмические скважины. Предназначены для установки специальной аппаратуры для исследования горного массива путем излучения и регистрации сейсмических волн. Для создания шпуров и скважин малого диаметра (40-45 мм) в подземных условиях применяется следующее оборудование: 1. Перфораторы пневматические (рисунок 2). Предназначены для бурения шпуров и скважин ударно-поворотным способом. Могут использоваться с дополнительными податчиками. Перфораторы пневматические хорошо зарекомендовали себя в шахтах и рудниках из-за простой надежной конструкции. Недостатком данных машин является то, что энергия удара передается от ударного механизма к забою через буровую штангу, что негативно сказывается на скорости бурения с увеличением длины бурового става. Глубина бурения данных машин ограничена 10-12 метрами, в зависимости от твердости буримой породы.
Выбор и обоснование конструктивной схемы для пневмоударника малого диаметра
Сжатый воздух через переходник 7 поступает в полость Г ударника 4, откуда через каналы В подается в камеру обратного хода Б. Передний центральный выхлоп из этой камеры осуществляется через канал А хвостовика 2 инструмента 1, в качестве которого используется шарошечное долото или пневмоударная буровая коронка. Камера прямого хода Е не имеет выхлопного тракта и постоянно наполнена сжатым воздухом. В полость Д сжатый воздух не подводится. Корпус 3 не имеет продольных и радиальных каналов (пневмоударник закрытого типа). Через трубку 5 дополнительно подается сжатый воздух для улучшения очистки забоя, расход воздуха определяется проходным сечением сменного сопла 6.
В настоящее время большое внимание уделяется созданию пневмоударников с бесклапанным воздухораспределением. Изменение направления движения сжатого воздуха в этом случае достигается путем перекрытия соответствующих каналов поршнем-ударником. Пневмоударники с бесклапанным воздухораспределением, по сравнению с клапанными, имеют меньший расход свободного воздуха, более простую и надежную конструкцию.
Комбинированное (клапанно-беззолотниковое) воздухораспределение. Вариант схемы с комбинированной системой воздухораспределения [25], представлен на рисунке 13, разработка ИГД СО АН СССР.
Отличается применением трубчатого золотника 2 расположенного внутри ударника 1. При перекидке золотника попеременно открываются каналы А и Б ударника, а также меняется положение отсечных кромок, управляющих впуском сжатого воздуха в рабочие: камеры цилиндра. Схема дает возможность удлинить участки пути ударника, на которых подается воздух как при обратном, так и при прямом ходе, и в результате повысить мощность ударного механизма.
Дроссельное воздухораспределение. Вариант схемы с дроссельной системой воздухораспределения [25], представлен на рисунке 14, разработка ИГД СО АН СССР.
Сжатый воздух поступает через переходник 3, а затем через канал Г корпуса 1 и калиброванные отверстия (дроссели) А и Е непрерывно подается в рабочие камеры Б и Д цилиндра, в котором перемещается ударник 2. Выхлоп -радиальный, через выхлопное окно В.
Не все системы воздухораспределения возможно реализовать в диаметре корпуса 40 мм, ввиду их конструктивных особенностей. Таким образом, системы с воздухораспределительной трубкой и каналами в корпусе не поместятся в заданное сечение.
Для выбора и обоснования конструктивной схемы пневмоударника необходимо смоделировать существующие, хорошо зарекомендовавшие себя, пневмоударники с различными системами воздухораспределения в малом диаметре корпуса (40 мм). Для этого воспользуемся теорией, предложенной Суднишниковым Б. В. в [26]:
«Машину, выбранную в качестве прототипа, можно рассматривать как модель создаваемой машины, выполненную в некотором масштабе. Таким образом, при переходе от прототипа к новой машине необходимо: все осевые размеры прототипа изменить в раз, диаметральные размеры - в д/р/сс раз, а массу ударника и других инерционных элементов - в раз. При этом удельный расход сжатого воздуха и скорость соударения ударника с инструментом не изменятся».
Следует отметить, что применение соотношений к расчету новых машин можно рекомендовать только в том случае, если условия эксплуатации новой машины и прототипа таковы, что коэффициент отскока ударника от инструмента у обеих машин примерно одинаков.
Смоделируем пневмоударники с комбинированной (рисунок 15), клапанной (рисунок 16), дроссельной (рисунок 17) системами воздухораспределения в диаметре корпуса 40 мм. Диаметр и длина корпуса ограничены параметрами станка и диаметром буримой скважины. Сведем основные параметры полученных моделей в таблицу 4, вместе с параметрами пневмоударника, разработанного в ИГД СО РАН, для дальнейших расчетов энергетических показателей машин.
Создание расчетной модели пневмоударника малого диаметра
Для исследования процессов воздухораспределения в пневмоударной машине АШ-43м воспользуемся расчетной моделью, созданной ранее при помощи программы SimulationX. Полученная модель позволяет изменять геометрические параметры пневмоударника, и одновременно наблюдать за изменением энергетических параметров машины. Для определения рациональных значений основных геометрических параметров, проведем анализ энергетических параметров пневмоударника при различных вариантах расположения основных кромок камер прямого и обратного хода [32].
Расположение вкускной кромки камеры прямого хода (рисунок 33), является важным геометрическим параметром машины ударного действия, так как данная кромка определяет длину холостого хода машины, переводит машину с холостого хода на рабочий, устанавливает размер воздушной подушки.
Расположение кромки камеры прямого хода изначально было установлено таким образом, чтобы ее открытие происходило на расстоянии 37 мм после начала движения ударника, находившегося в крайнем левом положении. Изначальное расположение кромки было предложено исходя из мирового опыта конструирования подобных машин [33]. Для дальнейших исследований необходимо проанализировать основные энергетические параметры машины при изменении расположения кромки от 27 мм до 47 мм с шагом 2 мм. Данный диапазон обусловлен конструктивными ограничениями АШ-43м, выходя за рамки которых, нарушается устойчивая работа машины [34]. Результаты, полученные в ходе исследования, представлены в таблице 7.
Проанализировав данные таблицы 7, можно сделать вывод, что максимальное значение энергии удара достигается при расположении впускной кромки камеры прямого хода от 33 мм до 37 мм от крайнего левого положения ударника. Этот диапазон будет являться рациональным для расположения данной кромки. Далее рассмотрим еще один не менее важный конструктивный параметр ударной машины, такой как расположение выпускной кромки камеры прямого хода (рисунок 35). Данная кромка открывает выхлопные окна, после чего начинается выхлоп отработанного воздуха на забой скважины. Так же выхлопная кромка устанавливает величину прямого хода ударника, что в свою очередь является одним из важнейших факторов для энергетических показателей машины.
Расположение кромки выхлопного канала в конструкторской документации изначально было установлено таким образом, чтобы ее открытие происходило на расстоянии 23 мм после начала движения ударника, находившегося в крайнем левом положении. Изначальное расположение кромки было предложено исходя из мирового опыта конструирования подобных машин [35, 36]. Для дальнейших исследований необходимо проанализировать основные энергетические параметры машины при изменении расположения кромки от 13 мм до 33 мм с шагом 2 мм. Данный диапазон обусловлен конструктивными ограничениями АШ-43м, выходя за рамки которых, нарушается устойчивая работа машины. Результаты, полученные в ходе исследования, представлены в таблице
Проанализировав данные таблицы 8, можно сделать вывод, что максимальное значение энергии удара достигается при расположении кромки выпускного канала от 25 мм до 31 мм от крайнего левого положения ударника. Этот диапазон будет являться рациональным для расположения данной кромки.
После исследований, направленных на выявление рационального расположения основных кромок погружного пневмоударника АШ-43м, в конструкцию реальной машины были внесены изменения в соответствии с полученными диапазонами значений, которые обеспечивают максимальную энергию единичного удара [37]. В погружном пневмоударнике присутствует несколько трущихся поверхностей, зазор между которыми устанавливается на стадии проектирования машины. В процессе эксплуатации зазоры между трущимися поверхностями увеличиваются, и как следствие, увеличивается интенсивность перетечек воздуха между камерами, что способствует снижению энергетических параметров машины [38].
Дальнейшие исследования будут направлены на определение зависимостей энергетических параметров погружного пневмоударника от величины зазоров между трущимися поверхностями. Величина зазоров между рабочими камерами является одним из важнейших параметров при конструировании машины ударного действия, так как данные зазоры в большей степени определяют интенсивность перетечек воздуха между соседними камерами и, как следствие, эффективность использования энергоносителя. При помощи расчетной модели, созданной в программе SimulationX, определим зависимости энергетических характеристик АШ-43м от величины зазоров между следующими камерами (рисунок 37): торцевая камера прямого хода и камера обратного хода, камера обратного хода и кольцевая камера прямого хода, кольцевая камера прямого хода и камера атмосферного давления.
Исследование процессов бурения шпуров малого диаметра пневмоударником при стендовых испытаниях
Буровой модуль СБП (рисунок 44) устанавливается в горной выработке (например, штреке) на двух раздвижных стойках 1, и распирается опорами 2 с помощью винтов. Неподвижные нижние стойки 1 соединяются жестко между собой кронштейнами 3 и 4. Одновременно нижние стойки являются направляющими для редуктора - вращателя 5. На кронштейне 3 жестко закреплены два пневмоцилиндра 6, штоки которых проходят через отверстия в кронштейне 3 и при помощи пальцев крепятся к коромыслу 7. Коромысло в свою очередь, шарнирно соединяется двумя тягами 8 с корпусом редуктора - вращателя 5. При втянутых штоках пневмоцилиндров редуктор - вращатель находится в нижнем положении. В переходник редуктора вставляется штанга 9. На забойный конец штанги устанавливается погружной пневмоударник 11.
После этого включается редуктор - вращатель и подается команда пневмоцилиндрам 6 на выдвижение штоков. При этом, буровой став вместе с редуктором - вращателем подаётся на забой, включается пневмоударник и начинается процесс бурения. После окончания бурения вращение штанги останавливается, прекращается подача воздуха в пневмоударник, штанга закрепляется на кронштейне рычагами 10. Затем пневмоцилиндры переключаются на втягивание штока, редуктор - вращатель отделяется от штанги и устанавливается в нижнее исходное положение, после чего производится установка очередной штанги 9, которая одним концом вставляется в переходник редуктора, а другим прикручивается к первой штанге и процесс бурения продолжается. По окончании бурения на полную глубину скважины, буровой став разбирается с помощью перехватывающего зажимного устройства на кронштейне 3 с рычагами 10.
Стенд для проведения испытаний погружного пневмоударника АШ-43м представляет собой жесткую пространственную раму, на которой закреплены: буровой модуль СПБ, блок буримой породы, пульт управления. Испытаний проводились на натурном стенде, расположенном в бетонном корпусе площадки «Зеленая горка» ИГД СО РАН (рисунок 45).
Подача воздуха в пневмодвигатель и пневмоцилиндры, а также подача воздушно-водяной смеси в пневмоударник, производилась дистанционно с пульта управления (рисунок 46). В процессе первичных испытаний выполнялись следующие работы: проверка удобства монтажа бурового модуля; отработка приёмов управления модулем; проверка взаимодействия основных составных частей модуля; оценка работоспособности и надёжности системы управления; оценка эффективности разрушения и продувки забоя скважины.
Бурение шпуров в ходе испытаний осуществлялось при помощи забурника БИ-741 конструкции ООО «Горный инструмент», зубья которого оснащены твёрдосплавными пластинами. Испытаниями подтверждена работоспособность стенда и удобство управления его основными элементами.
Для определения рациональных режимов бурения с использованием пневмоударника АШ-43м необходимо провести серию испытаний данной машины. Для проведения испытаний погружной пневмоударник был установлен на исследовательский стенд. Испытания проводились следующим образом: на стенд подавался сжатый воздух под давлением 0,6 МПа, далее через пульт управления, воздух подавался в цилиндры подачи, пневмодвигатель и пневмоударник через штангу. Далее начинался процесс бурения шпура [51]. После начала бурения плавно увеличивалось давление воздуха в цилиндрах подачи и пневмодвигателе до максимального значения. В процессе испытаний определялась скорость бурения в зависимости от усилия подачи бурового става на забой и частоты вращения буровой штанги [52]. Для обеспечения достоверности полученных данных и исключения ошибок измерения каждый замер производился не менее десяти раз, при одинаковых условиях эксперимента [53, 54, 55]. Во время испытаний бурились шпуры диаметром 45 мм.
Для фиксирования экспериментальных данных стенд был оснащен следующей записывающей аппаратурой (рисунок 47): датчики давления, акселерометр, тахометр; датчик перемещения штанги. Все данные фиксировались одновременно с помощью персонального компьютера. 1, 2, 3 - датчики давления; 4 - акселерометр; 5 - тахометр; 6 - датчик перемещения Рисунок 47 - Схема установки записывающей аппаратуры на стенде
Для регистрации давления в подводящих траках исследовательского стенда использовались пьезоэлектрические датчики, передающие электрический заряд через сетевой микропроцессорный одноканальный усилитель заряда типа 5011 на АЦП Е 14-140. АЦП Е 14-140 является малогабаритным многофункциональным измерительным модулем, подсоединяемым к персональному компьютеру через USB-интерфейс. Базовые функции АЦП Е 14-140: мультиплексирование каналов, цифровой асинхронный ввод-выход. В процессе исследования процессов бурения использовалась измерительная аппаратура швейцарской фирмы Kistler instrumente AG и немецкой фирмы RF. Трехканальный измерительный тракт для регистрации давления в камерах пневмоударника, а также в магистралях домкратов подачи и в пневмодвигателе вращателя бурового станка состоял из первичных преобразователей (датчиков) давления и согласующих усилителей. Регистрация сигналов производилась на персональном компьютере с соответствующим программным обеспечением. Использовались пьезодатчики фирмы Kistler instrumente AG типа 701А. Техническая характеристика данных датчиков представлена в таблице 13.
В соответствии с технической документацией и рекомендациями фирмы, для соединения датчиков были использованы специальные кабели с низким уровнем помех. Перед измерением они проходили процедуру короткого замыкания для снятия накопившегося статического заряда. Длина соединительных кабелей, примерно, 10 м. Перед каждой серией экспериментов проводилась тарировка датчиков на специальном тарировочном столе, разработанном в ИГД СО РАН (рисунок 48). Данный тарировочный стол позволяет создавать избыточное давление на входе пьезодатчика, которое контролируется при помощи манометра. Одновременно датчик подключается к усилителю и далее к персональному компьютеру, где так же фиксируется избыточное давление на входе датчика. После производится оценка расхождения показаний манометра на тарировочном столе и давления, полученного при помощи компьютера, данное расхождение не должно превышать 5% [56]. После успешной тарировки пьезодатчиков можно приступать к выполнению эксперимента.