автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование и выбор рациональной частоты вращения штанги машин для сверления шпуров в породах повышенной крепости и абразивности

На правах рукописи

! Мирный Сергей Георгиевич

ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ШТАНГИ МАШИН ДЛЯ СВЕРЛЕНИЯ ШПУРОВ В ПОРОДАХ ПОВЫШЕННОЙ КРЕПОСТИ И АБРАЗИВНОСТИ

Специальность 05.05.06 - Торные машины"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск - 2005

Работа выполнена в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) на кафедре «Нефтегазопромысловые и горные машины и оборудование».

Научные руководители: Доктор технических наук, профессор

Крапивин Михаил Гаврилович

Доктор технических наук, профессор Сысоев Николай Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Хазанович Григорий Шнеерович; кандидат технических наук, с. н. с. Карабанов Михаил Гаврилович

Ведущая организация: Московский государственный

горный университет

Защита диссертации состоится 5 июля 2005 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.04 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132,107 ауд. главного корпуса

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Автореферат разослан « б » иКМЬ 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Н. А. ГЛЕБОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: В мире около 40 % подготовительных и вскрывающих выработок при подземном способе добычи полезных ископаемых приходится на долю буровзрывного способа (БВС). Кроме этого, бурение шпуров осуществляется под анкерную крепь при комбайновой проходке, а при строительстве тоннелей и других подземных коммуникаций - для укрепления сводов и прилегающих к нему пластов горных пород. В угольной промышленности России более 50% объема подготовительных и вскрывающих выработок, проводимых с помощью БВС, приходится на Восточный Донбасс, на шахтах которого менее 10% выработок проводятся комбайновым способом.

Несмотря на возрастающие объемы добычи угля, показатель удельного объема проведения выработок в последние годы имеет тенденцию к снижению. Тем не менее, буропогрузочные работы являются основными при проведении подготовительных выработок и занимают от 60 до 75% времени проходческого цикла. На один метр длины выработки среднего сечения приходится до 40 метров шпуров, на бурение которых тратится до 2-х часов времени.

Крепость пород в подготовительных забоях шахт Восточного Донбасса такова, что в более чем половине из них применяется вращательный способ бурения.

Поэтому совершенствование техники сверления шпуров по-прежнему остается актуальной задачей, решение которой возможно на строгой научной основе. Выбор рациональных режимных параметров (частота вращения штанги Поб, осевое усилие Ру, количество промывочной жидкости 0) применительно к конкретным условиям и поддержание их в процессе бурения позволит повысить эффективность эксплуатации инструмента и бурильных машин. В настоящее время достижения в области управляемого привода и микропроцессорной техники позволяют на качественно новом уровне подойти к решению данной задачи и создавать горное оборудование нового технологического уровня, которое повысит производительность труда в горнодобывающей промышленности страны.

Соответствие диссертации плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выг

промысловых и горных машин и оборудования ЮРГТУ (НИИ) в соответствии с научным направлением ЮРГТУ (НПИ) «Компьютерное моделирование процессов и технологий горного производства как основы создания систем автоматизированного проектирования и управления» и планами госбюджетных тем: П-53-576 «Изыскание путей повышения эффективности механических способов разрушения горных пород, разработка методов повышения качества и создание высокопроизводительных инструментов горных машин и комплексов»; П-53-661 «Разработать и создать проходческо-закладочный комплекс для проведения выработок без постоянного присутствия людей в подготовительном забое при скреперо-струговой выемке пологих пластов некондиционной мощности», являющейся частью КЦНТП "Уголь", приказ МВ и ССО РСФСР № 73 от 28.01.86г.; 1.11.05 «Разработка научных основ создания мехатронных технологий горных, нефтегазодобывающих и строительных производств».

Цель работы. Повысить эффективность процесса бурения шпуров бурильными машинами вращательного действия в породах повышенной крепости и абразивности на основе обоснования и выбора рациональной частоты вращения огганги.

Идея работы. Увеличение скорости бурения и стойкости резцов достигается выбором и периодическим изменением в процессе бурения частоты вращения буровой штанги в зависимости от крепости буримых пород и степени затупления инструмента.

Научные положения, разработанные лично соискателем: - при вращательном бурении (сверлении шпуров) удельное количество сколов породы зависит не только от глубины срезаемой стружки, но и от разницы между внешним и внутренним радиусами резца, что приводит к повышению затрат энергии на разрушение; развитие трещин под торцовой площадкой резца, приводящих к ослаблению породного массива, зависит от времени её воздействия на подрезцовую зону, обратно пропорционального частоте вращения буровой штанги. Эти факторы заметно увеличивают влияние частоты вращения резца на величину усилия подачи и крутящего момента;

- с увеличением частоты вращения штанги возрастают величины усилия подачи и крутящего момента на резце, независимо от конструктивных параметров режущей части инструмента и крепости породы;

- достижение максимальных значений механической скорости бурения и стойкости резца возможно за счет настройки начального значения частоты его вращения на максимум по крепости породы и последующей корректировки её величины в зависимости от затупления инструмента и возможных изменений крепости породы.

Новизна научных положений состоит в следующем:

- уточнен механизм сколообразования породы перед передней гранью бурового резца в зависимости от толщины стружки и радиусов кривизны траекторий движения внешних и внутренних точек режущих кромок инструмента, позволяющий объяснить причины влияния частоты вращения на рост затрат энергии на разрушение; удельное количество сколов при бурении шпуров 042...43мм увеличивается в 3,0...3,3 раза по отношению к резанию при линейной траектории движения резца с адекватными значениями ширины и толщины стружки;

- впервые установлено, что пропорционально увеличению частоты вращения резца, уменьшается величина слоя породы нарушенного трещинами под торцовой площадкой резца, что приводит к росту удельных затрат энергии на разрушение;

- установлены взаимосвязи силовых параметров с частотой вращения резца, характеризующиеся линейным увеличением значений осевого усилия и крутящего момента на резце с ростом частоты вращения. Данное явление имеет место при разных типах и крепости пород, а также разных конструкциях режущей части бурового инструмента;

- уточнены зависимости для расчета средних значений усилия подачи и крутящего момента при вращательном бурении шпуров, отличающиеся от из-

вестных учётом влияния частоты вращения резца, что позволяет повысить точность расчетов в среднем на 30...35% и применять их с учетом установленных закономерностей сколообразования породы для математического моделирования функционирования бурильных машин,

- разработан способ и алгоритм управления частотой вращения буровой штанги при вращательном бурении, а также реализующие их технические решения, обеспечивающие повышение скорости бурения и стойкости инструмента, отличающиеся тем, что частота вращения в процессе бурения периодически настраивается на рациональное значение.

Значение работы.

Научное значение работы состоит в совершенствовании теории функционирования бурильных машин вращательного действия.

Практическое значение работы заключается в установлении конкретных закономерностей процесса вращательного бурения, разработке способа управления частотой вращения штанги бурильных машин вращательного действия и технических решений, реализующих данный способ.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использован комплексный метод, включающий обобщение и анализ проведенных исследований, экспериментальные методы исследований. Для исследования процесса трещинообразования применен метод люминесцентной дефектоскопии, для исследования процесса сколообразования и влияния частоты вращения резца на скорость и силовые параметры применен метод тензометрирования нагрузок при бурении на натурных стендах. Полученные результаты были обобщены и применены в математическом моделировании на современных ПЭВМ.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается использованием теоретически обоснованных и проверенных методов исследования, периодической поверкой приборов и аппаратуры соответствующими службами, соблюдением необходимого порядка проведения экспериментов и применением статистических методов их обработки, сходимостью

расчетных данных с результатами опытов, применением современных ПЭВМ для выполнения расчетов и обработки полученных результатов, оценкой адекватности разработанной математической модели, а также достаточной представительностью объема экспериментов, позволяющим с вероятностью 0,95 утверждать, что ошибки результатов не превышают 15-20%.

Т Внедрение результатов диссертационных исследований.

Результаты исследований настоящей работы исполыованьг в ННЦ-ИГД им. А.А.Скочинского для обоснования параметров создаваемых бурильных машин и выбора режимов бурения существующими машинами, в учебном процессе кафедры нефтегазопромысловых и горных машин и оборудования при выполнении курсовых и дипломных проектов соответствующей тематики.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-технических конференциях: (1985-89, 1998-2004г.г ) ЮРГТУ (НИИ); на научном семинаре «Новое в теории, технологии и технике бурения» 21-23 ноября 1991г. ННЦ-ИГД им. А.А.Скочинского (г. Люберцы Московской Обл.); на международном симпозиуме «Неделя горняка -2004», Московский государственный горный университет, (г. Москва); на 7-й международной научно-технической конференции «Новые техно.км ии управления движением технических объектов» 15-17 декабря 2004г. ЮРГТУ (НПИ), (г. Новочеркасск).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 9 статей и авторское свидетельство на изобретение.

Автор выражает признательность д-ру техн. наук, проф. Н.И. Сысоеву и коллективу кафедры «Нефтегазо промысловые и горные машины и оборудование» ЮРГТУ (НПИ) за оказанную поддержку и методические советы на различных этапах исследований и оформления работы.

s

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертационной работы приводится анализ состояния вопроса и осуществляется постановка задач исследований. Сверление шпуров и резание массива различными очистными и проходческими машинами широко применяется в горнодобывающей промышленности страны. Значительный вклад в развитие науки о резании и сверлении угля и пород, создание буро-погрузочных систем, а также исследования режимов функционирования соответствующих машин, внесли труды таких ученных как О.Д. Алимов, Л.И. Барон, A.A. Берон, В.А. Бреннер, И.Д. Богомолов, Г.М. Водяник, М.И. Гальперин, Л.Б. Глатман, J1.T. Дворников, А.Н. Дровников, В.Т. Загороднюк, Л.И. Канто-вич, Н.Г. Картавый, М.Г. Крапивин, Ю.Н. Линник, В.Г. Михайлов, С.С. Некрасов, Е.З. Позин, М.М. Протодьяконов, М.И. Слободкин, В.И. Солод, Н.И. Сысоев, А.М.Терпишрев, Г.Ш.Хазанович, Н.Е. Черкасов, Л.А. Шрейнер и др.

Анализ ранее выполненных исследований в данном направлении показал, что несмотря на общность процессов разрушения породы при резании и сверлении между ними существуют различия, которые обусловлены, на наш взгляд, следующими обстоятельствами:

- при резании разрушение слоя породы происходит скалыванием одновременно по всей длине режущей кромки, т.к. все точки режущей кромки имеют практически одинаковые перемещения и соответствующие им напряжения по длине кромки;

- при бурении, разрушение слоя породы происходит за счет перемещения режущей кромки по круговой траектории, крайние точки режущей кромки проходят разный путь, что приводит к фрагментарному сколу породы по ширине режущей кромки;

- разрушение породы при вращательном бурении отличается более высокой степенью повторяемости приложения нагрузки на забой.

На основании многочисленных экспериментов были предложены эмпирические зависимости для расчета усилий резания и подачи, крутящего момен-

та. Установлено, что с увеличением частоты вращения скорость бурения возрастает с уменьшающейся интенсивностью, иногда достигая явного экстремума. При этом удельная подача резца уменьшается, а интенсивность его изнашивания возрастает. Однако в расчетах это не учитывалось. Влияние частоты вращения на усилие подачи и крутящий момент, при вращательном бурении практически не исследовалось, а немногочисленные данные весьма противоречивы. Различные варианты автоматического регулирования нагрузки привода и системы подачи бурильных машин не обеспечивают в полной мере решения проблемы самостоятельного определения параметров системы «забой - инструмент - бурильная машина» за некоторый интервал времени бурения и установления оптимальных режимных параметров, соответствующих текущему состоянию системы.

Для достижения цели диссертационной работы необходимо решение следующих задач:

- разработать методику и технику исследований процесса разрушения породы буровым инструментом для уточнения механизма сколообразования перед передней гранью резца, влияния частоты вращения на трещинообразова-ние под его торцовой площадкой и величины усилия подачи и крутящего момента;

- установить закономерности влияния частоты вращения на скорость бурения, силовые параметры и стойкость инструмента;

- разработать способ выбора и поддержания рациональных режимных параметров и алгоритм работы системы управления;

- разработать структурную схему бурильной машины и выполнить оценку эффективности управления частотой вращения.

Вторая глава посвящена разработке основных положений методики исследований. Применение в исследованиях экспериментально-статистического метода и метода математического моделирования обосновывается особенностью процесса разрушения породы резцовым инструментом, на который оказы-

вают влияние неравномерность движения режущих кромок резца по забою, нестабильность свойств разрушаемой среды и т.д.

Экспериментальный подход обосновывается вполне достаточной адекватностью явлений происходящих при вращательном бурении шпуров в производственных и лабораторных условиях. При выполнении экспериментальных исследований применялись стенды, разработанные на базе промышленных буровых установок, горных свйрл и металлообрабатывающих станков, а также стенды оригинальной конструкции для исследований процессов стружкообра-зования перед передней гранью резца и трещинообразования под его торцевой площадкой. В качестве бурового инструмента применялись резцы, армированные твердыми сплавами и алмазно-твердосплавными пластинами: РП-42, БИ-741 и РП-43АТП.

Экспериментальные стенды были оборудованы тензометрическими звеньями и тензостанциями для замеров и фиксации силовых параметров процесса вращательного бурения.

Третья глава диссертационной работы посвящена экспериментальным исследованиям сколообразованил перед передней гранью резца и трещинообразова-ния под его торцовой площадкой, а также влияния частоты вращения штанги на нагруженность резца и скорость бурения Было установлено, что при толщине срезаемой стружки менее 1мм крупные сколы по передней грани не образуются. При

больших значениях средняя величина угла поворота <р (рис.1) до образования крупного скола (1,2 или 3) у известняка и мрамора составляет 12,8° для песчаника -

а

9.3°. Анализ фотограмм и резутьтатов наблюдений показал, что порода скатывается последовательно в основном по трем кольцевым поверхностям' наружной, внутренней, а загтем средней части.

1

1

п.

200

400,

При этом удельное количество сколов в 3,0.. .3,3 раза выше, чем при резании.

Увеличение количества скалываемых элементов из-за значительной разницы в перемещениях внутренних (гж) и внешних (г„) точек сплошной режущей кромки бурового резца, согласно закону Риттингера, приводит к пропорциональному увеличению затрат энергии. Рост требует дополнительного времени на их развитие, что может быть компенсировано замедлением частоты вращения п^.

Исследования процесса трещинообразования под торцовой площадкой резца и анализ полученных результатов (рис. 2). (1-известняк, 2 -песчаник, удельная подача

8=1 и 2мм/об) выявил уменьшение величины слоя породы И, нарушенного трещинами под торцовой площадкой резца, в зависимости от частоты его вращения. Объяснить это можно уменьшением времени воздействия торцовой площадки на конкретное место забоя, что

„ , . , приводит к неполному развитию трещин или

Рис.2 Зависимость глубины развития г

третий от частоты вращения резце их последующему закрытию вследствие сил упругости горной породы.

Исследования влияния частоты вращения на величины усилия подачи и крутящего момента выполнялись как со свободной (гидравлической), так и с фиксированной (винтовой) подачей резца на забой, с вертикальным и горизонтальным расположением оси шпура по различным породам. В частности, результаты бурения технически острым резцом (Р„т0=5...7мм2) при фиксированной подаче по породе с контактной прочностью Рк =1880 МПа представлены на рис. 3 и 4. Из которых видно, что с увеличением частоты вращения от 28 до 450 мин'1 величина усилия подачи (рис. 3) и крутящего момента (рис. 4) пропорционально возрастают, причем интенсивность роста усилия подачи в 2,0...2,5 раза выше, чем крутящего момента. Это объясняется превалирующим влиянием торцевой площадки бурового резца на разрушение породы при относительно малых стружках. С увеличением толщины срезаемой стружки интенсивность роста усилия подачи и крутящего момента возрастает.

Рис.3 Влияние частоты вращения иа величину усилия подачи при удельной подаче в мм/об равной:

1-0,46; 2-0,92; 3-1,87.

Рис.4 Влияние частоты вращения на величину крутящего момента при удельной подаче в мм/об равной: 1-0,46; 2-0,92; 3-1,87.

Приращение проекции площадки затупления с увеличением частоты его вращения возрастает, по зависимости близкой к параболической, а интенсивность роста усилия подачи и крутящего момента увеличивается с возрастанием затупления резца.

Установлено, что величина удельной подачи с ростом частоты вращения уменьшается по криволинейной траектории с наиболее интенсивным снижением до 200 мин'1. Соответственно скорость бурения - возрастает. Энергоемкость бурения возрастает пропорционально увеличению частоты вращения.

Полученные зависимости сохраняют свое качественное значение независимо от конструктивных параметров режущей части инструмента, расположения оси буримого шпура.

Результаты экспериментальных исследований позволили уточнить зависимости по расчету средних значений усилия подачи Ру и крутящего момента М%р на резце с учетом частоты его вращения ио6.

Ру = 0,127 • я„7° • Р, ■ • + 0,81 • к„ • па0? Б -КПИХ) ; (1)

Мкр = 0,07\-п0о? Ру -г-(кд ■ + 0,96• • 5■ КПИ1)• 103, (2)

где поб - частота вращения резца, мин'1; Ршт - проекции площадки износа, мм2; к<> [Кск)~ коэффициенты пропорциональности между контактной прочностью и усилием затрачиваемым на дробление (скалывание) породы; 5 - величина удельной подачи, мм/об; КЛИ1 (КПИ2) - коэффициент учитывающий особенность геометрии режущей части резца при расчете усилия подачи (крутящего момента); г, гр - радиусы шпура, резца и его раствора, мм;

(г - rp) ■ cos y-(ix ■ sin у 2 • sin т • sin(r + y)

КПИ\=- , U; дА ' sin<prf; (3)

К11И2=(-Г~Гр^В*аГ+М] С08Г; (4)

2-sinr-sin(r+y)

где у - угол резания, град: (i\ - коэффициент трения твердого сплава о породу; г- угол скалывания породы передней гранью, град; <pCf - концевой угол, град.

Предлагаемые эмпирические зависимости позволяют повысить точность расчетов в зависимости от степени затупления инструмента от 10 до 45% для усилия подачи и от 30 до 45% для крутящего момента.

Четвертая глава диссертационной работы посвящена разработке математической модели функционирования бурильных машин вращательного действия представляющая собой систему взаимосвязанных уравнений (5)...(11), на которые накладываются соответствующие ограничения.

поб = 700 - 3,96 • Р"'67

Г \ 0 ,9

f 180 v

< [Иоб]; (5)

F V жил

+C2 ^ d no9 t6 Pl! a a)6 < [Fw]; (6)

_.F

0,127-я^-Р ' ""

s И; (?)

0,81 5 КПИ1

мч =0,071 -п*»-Рщ-г-(к,+0,96-^, Б КПИгУ^ < [Мкр ]; (8) ^ = (М^./г„б)/9750+(^-5-^)/612-105 < [Л]; (9)

Я>у = 60Ч6120-/У)/(я--/-2-К(1) < [Яи>], (10)

Уе=5 поб > [К6п,,л], (11)

где [ и0б ] - критическая частота вращения, обусловленная термостойкостью резца, мин'1; [Р}] - предельная величина усилия подачи, обусловленная прочностью режущих кромок резиа, Н; [Мкр ] - предельная величина крутящего момента, обусловленная прочностью резца, штанги, Н-м, [Кб т1а] - минимально допустимая скорость бурения, обусловленная экономической целесообразностью, м/мин; [/;',а;] - предельная площадка затупления, обусловленная требова-

ниями технологии заточки инструмента, мм2; [/V] - мощность привода бурильной машины, кВт; [H\v] - максимально возможные затраты энергии, обусловленная экономической целесообразностью, кВт-ч/шпм; Fm, а -начальная величина проекции площадки износа,(^тога 0 2"5мм2); С2 - коэффициент пропорциональности; d - диаметр резца, d=2-r, мм; tr, - время бурения, мин; а - абразив-ность породы, мг; cos - коэффициент износа при бурении; [S] максимально допустимая удельная подача резца которая составляет для шлуров диаметром 43мм, - 9...10мм/об; Аг- мощность затрачиваемая на бурение, кВт; Hw - энергоемкость бурения, кВт-ч/шпм; V6 - скорость бурения, м/мин;

Конструирование программы функционирования бурильных машин для ПЭВМ, выполнено методом нисходящего программирования на языке «Turbo Pascal» на основе разработанной математической модели. Принцип работы программы основывается на имитации рабочего процесса бурильной машины во времени. Расчет и выбор режимных параметров осуществляется на некоторый период времени работы машины, по истечении которого осуществляется учет приращения проекции площадки затупления и изменения свойств буримой породы, затем происходит приращение временного интервала, соответственно расчет и выбор режимных параметров повторяется. Данная математическая модель быта проверена на адекватность по результатам экспериментальных исследований. Величина ошибки составила от 10 до 15% по усилию подачи, в зависимости от степени затупления инструмента и от 12 до 17% по крутящему момешу. За критерий управления режимными параметрами, при разработке алгоритма моделирования, принят максимум скорости бурения. Величина осевого усилия на податчике бурильной машины реализуется максимально возможной, в рамках налагаемых на нее ограничений (//=[/>]) - Износ инструмента учитывается через путь трения (формула 6).

Разработанная математическая модель позволяет решать следующие задачи:

- более точно определять величины рациональной частоты вращения Поб, усилия подачи Ру и крутящего момента М^, и тем самым более точно рассчитывать энергоемкость и мощность при бурении;

- моделировать процесс бурения с целью установления максимальной скорости бурения и минимального расхода инструмента путем регулирования частоты вращения.

Результатами исследований на математической модели бурения пород в диапазоне крепости от 6 до 10 единиц по шкале М.М.Протодьяконова и абра-зивностью от 5 до 25 мг буровыми резцами серийного производства в режимах постоянной частоты вращения (рациональной для конкретных прочностных свойств породы) и с варьируемой величиной в зависимости от износа резца и скорости бурения установлено, что скорость бурения, при регулировании частоты вращения, может увеличиться на 20...25%, энергоёмкость снизится в 1,5. .1,7 раза, а расход бурового инструмента уменьшен в 1,3...3,5 раза в зависимости от абразивности и крепости пород в сравнении с нерегулируемой частотой вращения. Данные преимущества в наибольшей мере проявляются при бурении крепких и абразивных пород.

Пятая глава диссертационной работы посвящена разработке способа управления частотой вращения бурильных машин вращательного действия и алгоритма работы системы управления, как при бурении шпура в однородном породном массиве, так и по перемежающимся породам. Сущность способа заключается - в периодической настройке частоты вращения на величину, обеспечивающую максимум скорости бурения. Способ позволяет повысить надежность и точность управления частотой вращения буровой штанги без её остановки, за счет того, что определение максимальной скорости бурения и соответствующая ему частота вращения, осуществляются непосредственно в процессе бурения шпура. В соответствии с данным способом был разработан алгоритм управления частотой вращения бурильной машины (рис.5а), согласно которому, управление осуществляется в два этапа - сначала определяется частота вращения, соответствующая максимальной скорости бурения (рис 56), а затем микропроцессор с помощью сервопривода устанавливает эту частоту вращения на некоторый промежуток времени(г,) больший, чем при определении частоты вращения (А/). Соотношение периодов / Д/ не менее чем 5:1. Периодически эти циклы повторяются, пока шпур не будет пробурен на полную глубину. В случае

а.

J-:-------™

изменения прочностных характеристик породы будет определено значение частоты

б.

вращения соответствующее новым прочностным харакге-

Рвс. 5 Алгоритм управления частотой вращения

ристикам породы и текущему

состоянию инструмента и ус-

тановлено сервоприводом по команде микропроцессора. Для сравнения на рис. 56 показаны зависимости скорости бурения с постоянной частотой вращения(п const) и переменной (n var).

Результаты математического моделирования и сравнение их с экспериментальными данными, полученными при бурении различных по крепости пород, с различным затуплением инструмента и на различных частотах вращения подтвердили правомерность данного способа.

Для реализации данного способа управления частотой вращения бурильных машин вращательного действия, предложено два варианта: с объемным гидроприводом в системе вращателя (рис. 6) и с ре1улируемым электроприводом (рис. 7).

Рис. б Структурная схема бурильной машины с объемны« гидроприводом

Рис. 7 Структурная схема бурильной

« системе вращателя: 1-буровая шганга; 2- ас.

эл.двигатель; 3-регулируемый гидронасос, 4-гидромотор; 5-сервопривод; 6-управляющий микропроцессор; 7-редуктор, 8-гидронасос системы подачи; 9-реле-регулятор схорости подачи; 10-гидроцилиядр системы подачи, 11- датчик частоты вращения; 12-датчик ско-

машииы г регулируемым электродвнга гелем в системе вращателя: 1-буровая штанга, 2- ас. эл-двигатедь; З-регучируечий зл.двигаяель; 4- 1ид ронасос системы подачи, 5- управляющий микропроцессор, 6- реле-регулятор скорости подачи; 7- гидроцилиндр системы подачи, 8- редуктор; 9- аатчик чаете, ы вращения; 10-датчик

скорости бурения

рости бурения

Микропроцессор на основе сигналов с датчиков частоты вращения и скорости подачи резца управляет, по заложенному алгоритму (рис. 5), гидро- или электроприводом.

Для оценки эффективности управления частотой вращения штанги при бурении шпуров был принят аддитивный критерий оптимальноста С, представляющий собой минимум удельных затрат на бурение одного погонного метра шпура,

л

С = ]£а, С, -»шт1

м

где С, - частный критерий удельных затрат, руб/м; а, - весовой коэффициент /-того критерия; п - количество критериев.

В данном случае эффективность достаточно оценивать по четырем критериям, а именно: удельным затратам, обусловленным изменением технической скорости бурения К6тех (СО, энергии затрачиваемой на бурение (С2), удельной стоимости инструмента (С3), удельным затратам от амортизации бурильной машины (С4).

С,=Цр.-1/Гвш, руб/м; С3--Цр-?, руб/м;

С2=Цруб/м; С4=Ц6м-1/1,руб/м,

где: Ц „ в - условная стоимость рабочего времени бурения шпуров, руб/мин;

Ц э - приведенная цена электроэнергии, руб/кВтч; Цр- цена резца, руб/шт.;

Ц 6м- цена бурильной машины, руб/шт; д - удельный расход резцов, шт/м;

Ь - ресурс бурильной машины, м.

Оценку экономической целесообразности бурения шпуров с изменяемой частотой вращения выполнили на примере бурения резцом РП-42 по породе с коэффициентом крепости/= 9, а = 20мг для двух вариантов:

Вариант 1 - замену резца на новый, по окончанию бурения шпура, осуществляли при остаточном ресурсе не превышающем 25 % от начачьного;

Вариант 2 - замену резца на новый производили при полной отработке его ресурса.

В табл.1 сведены данные, полученные математическим моделированием (п. 1—4) и необходимые для расчета частных критериев С1-С4. При значениях

1,0 определены величины критерия оптимальности С (п. 5), которые свидетельствуют о значительной разнице удельных затрат, в обоих вариантах экс-

плуатации бурильных машин расчетная стоимость одного шпурометра (величина критерия оптимальности) в 2,7...2;9 раза ниже при управлении частотой вращения буровой штанги, чем при её постоянстве.

Таблица 1

Показатели Вариант 1 Вариант 2

1. Средняя механическая скорость бурения 0,52 0,46 0,45 0,42

на период стойкости резца н/тн

2. Средняя техническая скорость бурения Л. Удельной расход резцов д_шг/шп« 0,33 0.42 0,36 0,14 0,24 0,38 0.32 0,12

4. Энереоемкость бурения Н», чвтч/ит* 1.84 0,6В 2,28 0,63

5 величина критерия оптимальности С.с^/шпм 49.44 18.23 45,49 16,54

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение научно-технической задачи, состоящей в повышении эффективности процесса бурения шпуров бурильными машинами вращательного действия в породах повышенной крепости и абразивности на основе обоснования, выбора и последующего периодического изменения в процессе бурения частоты вращения буровой штанги в зависимости от крепости буримых пород и степени затупления инструмента.

Основные результаты проведенных экспериментальных и теоретических исследований заключаются в следующем.

1. Разрушение горных пород в процессе врашательного бурения характеризуется: большой степенью дробимости и измельчения породы, повышенной частотой воздействия торцовой площадки на забой в конкретных продольных сечениях, высокой динамичностью системы «забой - резец - бурильная машина», заметным влиянием изменения частоты вращения на силовые параметры и износ инструмента.

2. Сколообразование породы перед передней гранью бурового резца в значительной степени зависит от радиуса кривизны траектории движения режущих кромок инструмента и толщины срезаемой стружки. При толщине стружки более 1мм скалывание породы перед передней гранью происходит в

основном по трем концентрическим окружностям, не одинаковыми по объему элементами, в следующей последовательности: внешняя часть забоя перед передней гранью резца - внутренняя часть - центральная часть; удельное количество сколов увеличивается в 3,0...3,3 раза по сравнению с линейным резанием.

3 Увеличение частоты вращения бурового резца приводит к уменьшению толщины слоя породы нарушенного трещинами, под торцовой площадкой резыа на 20. ..25 % практически по линейной закономерности.

4. С увеличением частоты вращения резца в диапазоне от 28 до 450 мин"1, при постоянном осевом усилии величина удельной подачи уменьшится в 3,0...3,5 раза, при фиксированной толщине срезаемой стружки величина усилия подачи увеличится в 1,8...2,5 раза, а крутящего момента в 1,4...1.5 раза, причем данные закономерности проявляются независимо от крепости породы, конструктивных параметров и затупления режущей части инструмента.

5. Расчет средних значений усилия подачи и крутящего момента на резце следует вести по эмпирическим зависимостям учитывающим свойства разрушаемой породы, конструктивные параметры инструмента, толщину срезаемой езружки и частоту его вращения. Учет частоты вращения резца повышает точность расчетов на 30...35%, для среднезатупленного инструмента, по сравнению с известными зависимостями.

6. Разработанная с учетом установленных закономерностей математическая имитационная модель бурения шпуров с корректировкой частоты вращения штанги позволяет решать задачи по повышению эффективности процесса бурения в конкретных условиях. Скорость бурения может быть увеличена в 1,20...1,25раза, энергоёмкость бурения шпуров снижена в 1,5...1,7 раза, а расход буровою инструмента уменьшен от 1,3 до 3,5 раз в зависимости от абра-зивности и крепости пород, в сравнении с бурением при постоянной частоте вращения.

7. Состояние оптимума для вращательного бурения шпуров - процесс весьма кратковременный, особенно на неоднородных по длине шпура породах, что предопределяет необходимость в периодическом определении текущего состояния системы «резец - забой» и корректировки режимных параметров бурильной машины без ее остановки.

8. Управление частотой вращения штанги, бурильных машин с регулируемым гидро- или электроприводом вращательно-подающего механизма, следует осуществлять сервоприводом, управляемым микропроцессором на основании сигналов поступающих с датчиков скорости подачи и частоты вращения. Рациональное значение частоты вращения, соответствующее данному состоянию резца и прочности породы периодически определяется и поддерживается некоторое время. Бурение в установленном режиме более продолжительно по времени, чем период определения частоты вращения (соотношение не менее 5:1).

9. Применение бурильных машин с изменяемой частотой вращения буровой штанги, по разработанному алгоритму, позволяет снизить расчетные удельные затраты на бурение в 2,7...2,9 раза в сравнении с машинами, работающими при постоянной частоте вращения.

Основные положения диссертационной работа отражены в следующих публикациях автора.

1. Раков И .Я, Мирный С.Г. Влияние жёсткости буровой штанги на процесс бурения шпуров // Очистные и проходческие машины и инструменты: Межвуз. Сб. -Новочеркасск: НПИ,1988. - С.40-45.

2. Раков И .Я., Крапивин М.Г. Мирный С.Г. Исследование процесса взаимодействия резца с породой. / Новочерк. политех, ин-т. - Новочеркасск, 1990. - 7с. Деп. В ЦНИЭИУ голь № 5187 от 17.09.90.

3. A.c. № 1687760 СССР, МКИ Е21В 10/00. Стенд для испытаний инструмента вращательного бурения/Крапивин М.Г., Петров Н.Г., Мирный С.Г. - Заявл. 13.01.89. Опубл. 1,10.91, Бюл-Na 40.

4. Крапивин М.Г.. Мирный С.Г. Влияние частоты вращения инструмента на силовые и энергетические параметры бурения шпуров // Инструменты и машины выемочных и проходческих комплексов: Межвуз. сб / Новочеркасск: НПИ,1992,-С. 10-14.

5. Сысоев Н И., Литкевич Ю.Ф., Мирный С.Г. Выбор и обоснование параметров скоростного бурения шпуров // Изв. Вузов. Сев.-Кавк. регион. Технические науки.-1998.-.№3 - С. 89-92.

6. Литкевич Ю.Ф., Мирный С.Г. Исследование контактной температуры на режущих кромках и определение максимальной частоты вращения резцов, армированных АТП//Механизация и автоматизация горных работ: Сб. научлр. /Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 1999. - С. 40-44.

7. Литкевич Ю.Ф., Мирный С.Г. Исследование влияния частоты вращения и величины подачи на скорость и энергоемкость бурения шпуров АТП '/ Механизация я автоматизация горных работ: Сб. науч. тр. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 1999. - С. 4448.

8. Сысоев НИ., Мирный С.Г, Повышение эффективности процесса бурения шпуров машинами вращательного действия за счет поддержания частоты вращения на оптимальном уровне// Горный информационно-аналитический бюллетень - 2004.-№11-С. 259-262.

9. Сысоев Н.И., Мирный С Г., Баглаев М.С. Управление частотой вращения штанги бурильной установи вращательного действия //Сб статей по матер. 7-й Междунар. науч.-тех. конф., 15-17 декабря 2004 г., Новочеркасск - Ростов-н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2004.-Вып. 5. - С. 65-69.

10. Сысоев Н.И., Мирный С.Г., Громов С.Ю. Математическая модель процесса бурения шпура с периодической настройкой частоты вращения штанги на оптимальную величину//Изв. вузов, Сев.-Кавк. регион. Технические науки. -2005. - Спецвып.: Проблемы горной электромеханики - С. 107-111.

Мирный Сергей Георгиевич

ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ШТАНГИ МАШИН ДЛЯ СВЕРЛЕНИЯ ШПУРОВ В ПОРОДАХ ПОВЫШЕННОЙ КРЕПОСТИ И АБРАЗИВНОСТИ

Автореферат

Подписано в печать 01.06.2005. Формат 60x84 '/|б. Бумага офсетная. Плоская печать (ризограф). Печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 345

Типография ЮРГТУ (НПИ) 346428, г. Новочеркасск, ул Просвещения, 132 Тел., факс (863-52) 5-53-03. E-mail: tvpogfaDhv@novoch.ru

>

t

»I

•i

4

í

05-12125

РНБ Русский фонд

2006-4 5579

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований.

1.1. Сущность и основные особенности вращательного бурения шпуров.

1.2. Резцы для вращательного бурения шпуров.

1.3. Модели взаимодействия режущих инструментов с разрушаемым массивом.

1.4. Влияние частоты вращения буровой штанги на силовые и энергетические параметры процесса бурения.

1.5. Способы и технические решения по поддержанию рациональных режимных параметров бурения.

Выводы по главе 1 и задачи исследований.

Глава 2. Методика и техника исследований.

2.1. Основные положения методики исследований.

2.2. Выбор и характеристика горных пород для исследований

2.3. Экспериментальные стенды, измерительная аппаратура

Выводы по главе 2.

Глава 3. Экспериментальные исследования влияния частоты вращения на процесс разрушения породы, скорость и силовые параметры при бурении шпуров.

3.1. Исследование процесса сколообразования породы буровым резцом

3.2. Исследование влияния частоты вращения резца на процесс тре-щинообразования под торцевой площадкой.

3.3. Исследование влияния частоты вращения на скорость и силовые параметры бурения шпуров.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Математическое моделирование процесса вращательного бурения шпуров.

4.1. Разработка математической модели функционирования бурильной машины вращательного действия.

4.2. Исследования на математической модели влияния частоты вращения штанги на скорость, энергоемкость бурения и стойкость резцов по породам с различными прочностными характеристиками.

Выводы по главе 4.

Глава 5. Разработка способа управления режимными параметрами при вращательном бурении шпуров.

5.1. Разработка способа и алгоритма управления частотой вращения буровой штанги при вращательном бурении шпуров.

5.2. Разработка технических решений реализующих способ и алгоритм управления частотой вращения буровой штанги при вращательном бурении шпуров.

5.3. Оценка эффективности управления частотой вращения буровой штанги.

Выводы по главе 5.

В мире около 40 % подготовительных и вскрывающих выработок при подземном способе добычи полезных ископаемых приходится на долю буровзрывного способа (ВВС). Кроме этого, бурение шпуров осуществляется под анкерную крепь при комбайновой проходке, а при строительстве тоннелей и других подземных коммуникаций - для укрепления сводов и прилегающих к нему пластов горных пород.

Экономическое благополучие России определяется состоянием топливно-энергетического комплекса страны. Для обеспечения надежного энергоснабжения доля угля в производстве топливно-энергетических ресурсов должна возрасти с 12,2 до 17% (к 2020 году), а объем добычи составить 430435 млн. т. в год.[1]. Подземный способ добычи угля занимает около 36% от общей добычи угля в стране. [2]. В угольной промышленности России более 50% объема подготовительных и вскрывающих выработок, проводимых с помощью ВВС, приходится на Восточный Донбасс, на шахтах которого менее 10% выработок проводятся комбайновым способом.

Одной из основных задач деятельности любого горного предприятия, в том числе и угольной шахты, является воспроизводство фронта очистных работ, а именно проведение горных подготовительных и вскрывающих выработок, открывающих доступ к полезному ископаемому. Существующий уровень отечественной техники для горнопроходческих работ намного ниже аналогичного зарубежного. Выпускаемое оборудование морально устарело [2]. В соответствии с этим производительность труда в горнорудной промышленности России ниже, чем в США в 5 - 7 раз, а в угольной до 20 раз [3].

Для оценки эффективности работы горнодобывающей промышленности был введен показатель удельного объема проведения подготовительных выработок (Су), и в официальной статистике он приводится в погонных метрах на 1000 тонн добычи полезного ископаемого [4].

Несмотря на возрастающие объемы добычи угля, показатель удельного объема проведения выработок в последние годы имеет тенденцию к снижению. Тем не менее, буропогрузочные работы являются основными при проведении подготовительных выработок и занимают от 60 до 75% времени проходческого цикла. На один метр длины выработки среднего сечения приходится до 40 метров шпуров, на бурение которых тратится до 2-х часов времени.

Крепость пород в подготовительных забоях шахт Восточного Донбасса такова, что в более чем половине из них применяется вращательный способ бурения (сверления) шпуров, областью применения которого являются породы с коэффициентом крепости от 4 до 10 единиц по шкале профессора М.М.Протодьяконова и абразивностью до 25мг. Однако применение сверления шпуров по породам повышенной крепости (8 .10 единиц) и абразивности (15.25мг.) сталкивается с проблемой сохранения скоростных качеств резца и значительным уменьшением его стойкости. Большинство современных конструкций бурильных машин для сверления шпуров имеют ступенчатое регулирования частоты вращения буровой штанги, что не позволяет в полной мере решить задачу выбора рациональных режимных параметров, особенно по породам повышенной крепости и абразивности.

Программа механизации производственных процессов в угольной промышленности предусматривает применение более производительных горных машин и оборудования [5].

Поэтому совершенствование техники сверления шпуров по-прежнему остается актуальной задачей, решение которой возможно на строгой научной основе. Выбор рациональных режимных параметров (частота вращения штанги ц^, осевое усилие Ру, количество промывочной жидкости Q) применительно к конкретным условиям и поддержание их в процессе бурения позволит повысить эффективность эксплуатации инструмента и бурильных машин. В настоящее время достижения в области управляемого привода и микропроцессорной техники позволяют на качественно новом уровне подойти к решению данной задачи и создавать горное оборудование нового технологического уровня, которое повысит производительность труда в горнодобывающей промышленности страны.

Исходя из этого целью работы является повышение эффективности процесса бурения шпуров бурильными машинами вращательного действия в породах повышенной крепости и абразивности на основе обоснования и выбора рациональной частоты вращения штанги.

Основная идея работы заключается в увеличении скорости бурения и стойкости резцов, которое будет достигаться выбором и периодическим изменением в процессе бурения частоты вращения буровой штанги в зависимости от крепости буримых пород и степени затупления инструмента.

Научные положения, разработанные лично соискателем:

- при вращательном бурении (сверлении шпуров) удельное количество сколов породы зависит не только от глубины срезаемой стружки, но и от разницы между внешним и внутренним радиусами резца, что приводит к повышению затрат энергии на разрушение; развитие трещин под торцовой площадкой резца, приводящих к ослаблению породного массива, зависит от времени её воздействия на подрезцовую зону, обратно пропорционального частоте вращения буровой штанги. Эти факторы заметно увеличивают влияние частоты вращения резца на величину усилия подачи и крутящего момента;

- с увеличением частоты вращения штанги возрастают величины усилия подачи и крутящего момента на резце, независимо от конструктивных параметров режущей части инструмента и крепости породы;

- достижение максимальных значений механической скорости бурения и стойкости резца возможно за счет настройки начального значения частоты его вращения на максимум по крепости породы и последующей корректировки её величины в зависимости от затупления инструмента и возможных изменений крепости породы.

Новизна научных положений состоит в следующем:

- уточнен механизм сколообразования породы перед передней гранью бурового резца в зависимости от толщины стружки и радиусов кривизны траекторий движения внешних и внутренних точек режущих кромок инструмента, позволяющий объяснить причины влияния частоты вращения на рост затрат энергии на разрушение; удельное количество сколов при бурении шпуров 042.43мм увеличивается в 3,0.3,3 раза по отношению к резанию при линейной траектории движения резца с адекватными значениями ширины и толщины стружки;

- впервые установлено, что пропорционально увеличению частоты вращения резца, уменьшается величина слоя породы нарушенного трещинами под торцовой площадкой резца, что приводит к росту удельных затрат энергии на разрушение;

- установлены взаимосвязи силовых параметров с частотой вращения резца, характеризующиеся линейным увеличением значений осевого усилия и крутящего момента на резце с ростом частоты вращения. Данное явление имеет место при разных типах и крепости пород, а также разных конструкциях режущей части бурового инструмента;

- уточнены зависимости для расчета средних значений усилия подачи и крутящего момента при вращательном бурении шпуров, отличающиеся от известных учётом влияния частоты вращения резца, что позволяет повысить точность расчетов в среднем на 30.35% и применять их с учетом установленных закономерностей сколообразования породы для математического моделирования функционирования бурильных машин;

- разработан способ и алгоритм управления частотой вращения буровой штанги при вращательном бурении, а также реализующие их технические решения, обеспечивающие повышение скорости бурения и стойкости инструмента, отличающиеся тем, что частота вращения в процессе бурения периодически настраивается на рациональное значение.

Значение работы.

Научное значение работы состоит в совершенствовании теории функционирования бурильных машин вращательного действия и установлении конкретных закономерностей процесса вращательного бурения.

Практическое значение работы заключается в разработке способа управления частотой вращения штанги бурильных машин вращательного действия и технических решений, реализующих данный способ.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использован комплексный метод, включающий обобщение и анализ проведенных исследований, экспериментальные методы исследований. Для исследования процесса трещинообразования применен метод люминесцентной дефектоскопии, для исследования процесса сколообразования и влияния частоты вращения резца на скорость и силовые параметры вращательного бурения шпуров применен метод тензометрирования. Полученные результаты были обобщены и применены в математическом моделировании на современных ПЭВМ.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается использованием теоретически обоснованных и проверенных методов исследования, периодической поверкой приборов и аппаратуры соответствующими службами, соблюдением необходимого порядка проведения экспериментов и применением статистических методов их обработки, сходимостью расчетных данных с результатами опытов, применением современных ПЭВМ для выполнения расчетов и обработки полученных результатов, оценкой адекватности разработанной математической модели, а также достаточной представительностью объема экспериментов, позволяющим с вероятностью 0,95 утверждать, что ошибки результатов не превышают 15-20%.

Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-технических конференциях: (1985-89, 1998-2004г.г.) ЮРГТУ (НПИ); на научном семинаре «Новое в теории, технологии и технике бурения» 21-23 ноября 1991г. ННЦ-ИГД им. А.А.Скочинского (г. Люберцы Моековской Обл.); на международном симпозиуме «Неделя горняка -2004», Московский государственный горный университет, (г. Москва); на 7-й международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» 15-17 декабря 2004г. ЮРГТУ (НПИ), (г. Новочеркасск).

Основные положения диссертации отражены в 10-ти печатных работах, ссылки на которые даны по тексту работы.

Структурно работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 95 наименований и 5 приложений; изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка и 14 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность д-ру техн. наук, проф. Н.И. Сысоеву и возглавляемому им коллективу кафедры «Нефтегазопромысловые и горные машины и оборудование» ЮРГТУ (НПИ) за оказанную поддержку и методические советы на различных этапах исследований и оформления работы.

Выводы по главе 5

1. Разработан способ управления частотой вращения штанги бурильных машин вращательного действия, позволяющий более точно и надежно определять в процессе работы бурильной машины частоту вращения, соответствующую максимальной скорости бурения.

В соответствии со способом разработан алгоритм работы системы управления бурильной машины для бурения шпуров, как в однородных, так и перемежающихся породах.

2. Разработаны два варианта структурной схемы бурильной машины: первый с объемным гидроприводом в системе вращателя, второй с частотно регулируемым электроприводом.

Управление частотой вращения, в обеих вариантах осуществляется сервоприводом, управляемым микропроцессором на основании сигналов поступающих с датчиков скорости подачи и частоты вращения.

3. Выполненная оценка эффективности управления частотой вращения буровой штанги показала, что расчетные удельные затраты на бурение одного метра шпура в 2,7.2,9 раза ниже, чем у бурильных машин работающих при постоянной частоте вращения.

Заключение

1. Разрушение горных пород в процессе вращательного бурения характеризуется: большой степенью дробимости и измельчения породы, повышенной частотой воздействия торцовой площадки на забой в конкретных продольных сечениях, высокой динамичностью системы «забой - резец - бурильная машина», заметным влиянием изменения частоты вращения на силовые параметры и износ инструмента.

2. Сколообразование породы перед передней гранью бурового резца в значительной степени зависит от радиуса кривизны траектории движения режущих кромок инструмента и толщины срезаемой стружки. При толщине стружки более 1мм скалывание породы перед передней гранью происходит в основном по трем концентрическим окружностям, не одинаковыми по объему элементами, в следующей последовательности: внешняя часть забоя перед передней гранью резца — внутренняя часть — центральная часть; удельное количество сколов увеличивается в 3,0.3,3 раза по сравнению с линейным резанием.

3. Увеличение частоты вращения бурового резца, с 22 до 1018 мин"1 уменьшает толщину слоя породы нарушенного трещинами, под торцовой площадкой резца на 20.25 % практически по линейной закономерности.

4. С увеличением частоты вращения резца в диапазоне от 90 до 450 мин"1, при постоянном осевом усилии величина удельной подачи уменьшится в 3,0.3,5 раза, при постоянной толщине срезаемой стружки величина усилия подачи увеличится в 1,8.2,5 раза, а крутящего момента в 1,4.1,5 раза, причем данные закономерности проявляются независимо от крепости породы, конструктивных параметров и затупления режущей части инструмента.

5. Расчет средних значений усилия подачи и крутящего момента на резце следует вести по эмпирическим зависимостям учитывающим свойства разрушаемой породы, конструктивные параметры инструмента, толщину срезаемой стружки и частоту его вращения. Учет частоты вращения резца повышает точность расчетов на 30.35% для среднезатупленного инструмента, по сравнению с известными зависимостями.

6. Разработанная с учетом установленных закономерностей математическая имитационная модель бурения шпуров с корректировкой частоты вращения штанги позволяет решать задачи по повышению эффективности процесса бурения в конкретных условиях. Скорость бурения может быть увеличена в 1,20.1,25раза, энергоёмкость бурения шпуров снижена в 1,5. 1,7 раза, а расход бурового инструмента уменьшен от 1,3 до 3,5 раз в зависимости от абразивности и крепости пород, в сравнении с бурением при постоянной частоте вращения.

7. Состояние оптимума для вращательного бурения шпуров — процесс весьма кратковременный, особенно на неоднородных по длине шпура породах, что предопределяет необходимость в периодическом определении текущего состояния системы «резец — забой» и корректировки режимных параметров бурильной машины без ее остановки.

8. Управление частотой вращения штанги, бурильных машин с регулируемым гидро- или электроприводом вращательно-подающего механизма, следует осуществлять сервоприводом, управляемым микропроцессором на основании сигналов поступающих с датчиков скорости подачи и частоты вращения. Оптимальное значение частоты вращения, соответствующее данному состоянию резца и прочности породы периодически определяется и поддерживается некоторое время. Бурение в установленном режиме более продолжительно по времени, чем период определения оптимальной частоты вращения (соотношение не менее 5:1).

9. Применение бурильных машин с изменяемой частотой вращения буровой штанги, по разработанному алгоритму, позволяет снизить расчетные удельные затраты на бурение в 2,7.2,9 раза, в сравнении с машинами работающими при постоянной частоте вращения.

1. Доклад об основных направлениях государственной политики развития угольной отрасли и повышения конкурентоспособности её продукции на внутреннем и внешнем рынках. // Уголь, 2002. №10.-С. 9-17.

2. Диколенко Е.Я., Рубан А,Д., Крашкин Н.С. Концепция технологического развития подземного способа добычи угля в Российской Федерации. // Уголь, 2002. №10. -С. 25-29.

3. Трубецкой К.Н., Красников Ю.Д. Перспективы развития техники и технологии поточного дробления горного массива. / Изд. вузов. Горный журнал.-№3,2003.-С. 12-14.

4. Хазанович Г.Ш., Ленченко В.В .Буровзрывные проходческие системы: Учеб. пособие / Юж.-Рос. гос. тех. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000. -504с.

5. Тропко JI.A. Угольная отрасль стратегия развития и безопасности горного производства. // Уголь, 2002. - №11. -С. 3-6.

6. Михайлов В.Г., Крапивин М.Г. Горные инструменты. М., Недра , 1970. -128 с.

7. Малеев Г.В., Гуляев В.Г., Бойко Н.Г. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов. М.: Недра, 1988. - 368 с.

8. Крапивин М.Г. Горные инструменты. М.: Недра, 1979. - 263 с.

9. Ленченко В.В. Обоснование выбора и поддержание рациональных режимов сверления шпуров автоматизированными бурильными машинами: Дис. канд. техн. наук . Новочеркасск: НПИ, 1975. - 172 с.

10. Крапивин М.Г. Классификация горных инструментов.// Инструменты и исполнительные органы горных машин / Новочеркасск : НПИ, 1975. Т.334. — С. 3 —10.

11. Мансуров И.И. и др. Основы конструирования породоразрушаю-щего инструмента для бурения шпуров и скважин. М.: Недра , 1976. - 87 с.

12. Михаилов В.Г., Рылеев Э.В., Шамшин В.Н. Исследование и выбор резцов для горных сверл. — В кн.:Труды НПИ — Новочеркасск : Н11И , 1959. -Т.80.-вып. № 1.-67 с.

13. Алимов О.Д., Дворников JI.T. Бурильные машины. М.: Машиностроение, 1976.-295с.

14. Детисов И.Е. Инструмент для бурения шпуров в СССР и за рубежом. М.: Углетехиздат, 1956. - С.46 -58.

15. ИвинВ.И. Исследование с целью создания научных основ расчета и проектирования режущего инструмента вращательного бурения шпуров. / Дис. канд .техн . наук. — Фрунзе: ФПИ , 1970. 185с.

16. Сравнительные испытания отечественного и зарубежного горного твердосплавного инструмента: Отчет по НИР. 67.07.26(42 67) /017/ - М.: ВНИИПТуглемаш. Руководитель Латышев В.А., 1968. - 256с.

17. Крапивин М.Г., Иванов А.А., Фетисов В.М. Создание и исследование дифференциальных резцов для бурения шпуров. Ростов на Дону Изв. Сев.Кав. научного центра высшей школы. Технические науки, 1981. - № 1. — С.19-21.

18. Слободкин М.И. Основы аналитической теории резания углей. Углетехиздат., 1947.-163 с.

19. Резание угля. Берон А.И., Казанский А.С. и др. Госгортехиздат., 1962. -437с.

20. Гетопанов В.Н. Некоторые закономерности процесса разрушения горных пород резцовым инструментом. Научн. труды МГИ: Сб. 21, вып. 1,-М., 1957.

21. Берон А.И О физических особенностях процесса разрушения угля. // Журн. Горные машины №5. Углетехиздат., 1959.

22. Солод В.И. Исследование процесса разрушения антрацита инструментом выемочной горной машины. // Научные труды МГИ: Сб. 21. вып. 1-М.,1957.

23. Разрушение углей исполнительными органами выемочных машин. Любощинский В.М., Позин Е.З. и др. Госгортехиздат.,1971.

24. Гетопанов В.Н. Влияние геометрии резцов на процесс разрушения углей и горных пород: Сб. научн. тр./ Московского института радиоэлектроники и горной электромеханики. М., 1963. №41.

25. Берон А.И. Об экспериментальных и теоретических исследованиях процесса резания углей. / Труды конф. по разрушению углей и пород.-М., 1963.

26. Некрасов С.С. Образование стружки при резании материалов: Сб. научн. тр .211./ МГИ.- М.,1957.

27. Гетопанов В.Н. Влияние наклона боковой кромки на величину усилия резания. Изд. вузов./Горный журнал №2 , 1960.

28. Москалев А.Н., Ганкевич В.Ф., Бабец В.В. Факторы, влияющие на образование ядра уплотнения в процессе разрушения пород резанием. // Уголь Украины , 1996. № 8.

29. Михайлов В.Г., Рылёв Э.В. Основы теории работы резцов с передним отрицательным углом Новочеркасск: НПИ, 1957. - Т.40/54.

30. Буренков Н.Н. Совершенствование инструмента и разработка устройства по его замене с целью повышения производительности самоходных бурильных установок: Дис. канд . техн . наук .- Новочеркасск: НПИ , 1986.-289с.

31. Дворников Л.Т. Исследование режимов бурения шпуров в горных породах машинами вращательного и вращательно — ударного действия: Дис. докт . техн . наук -Томск , 1974.

32. Покровский Г.Н. Выбор оптимального режима при вращательном бурении шпуров электросверлами с гидравлической подачей инструмента. Труды ЗСФ АН СССР вып. 19.,1957.

33. Имас А.Д., Азарх В.Л. Методы повышения производительности вращательного способа бурения шпуров ручными и колонковыми электросверлами. М., ГИТИ ,1954.

34. Мамонтов В.Н. Исследование работы инструмента по крепким породам при повышенных режимах сверления шпуров: Дис. канд. техн. наук. — Новочеркасск: НПИ, 1972. — 183с.

35. Загороднюк В.Т. Автоматизация самоходных бурильных установок./ Издательство РГУ, 1975. -208с.

36. Эпштейн Е.Ф. Теория бурения — резания горных пород. М., ГОНТИ.,1939.

37. Покровский Г.Н. Исследование процесса разрушения горных пород при вращательном бурении с постоянным усилием подачи: Дис. канд. техн . наук . Новосибирск, 1954.- 214 с.

38. Михайлов В.Г. Сверление шпуров. М.: Металлургиздат., 1947.

39. Шрейнер JI.A. Физические основы механики горных пород . — М.: Гостехиздат, 1950.-212с.

40. Загороднюк В.Т., Яцкевич В.А. Разработка рекомендаций для проектирования сверл с автоматическим регулированием их работы. НПИ., 1968.

41. Крапивин М.Г., Раков И .Я., Сысоев Н.Н. Горные инструменты. -М.: Недра, 1990.-256с.

42. Шубный А.И. Исследование влияния свойств горных пород на оптимальные параметры вращательного бурения шпуров: Дис. канд . техн . наук. М: МГИ, 1973.

43. Крапивин М.Г. Основные закономерности изнашивания и стойкость инструментов проходческих и выемочных машин: Дис. канд . техн . наук . М : МГИ , 1973.

44. Барон Л.И., Глатман Л.Б. Износ инструмента при резании горных пород. -М.: Недра, 1969.

45. Некрасов А.Я., Симченко В.Я., Осипов А.И. Машина для бурения шпуров и скважин: а.с. №173175.-от 10.06.1963.

46. Имас А.Д., Горелин И.С. Регулятор усилия зажатия пружины фрикциона колонкового электросверла: а.с. № 108650 от 25.9.1954.

47. Водяник Г.М., Рылёв Э.В., Самодуров Н.И., Демченко Н.В. Саморегулирующееся электросверло ЭБС.//Уголь Украины. — 1970.-№ 10.

48. Кулишенко И.И., Жуков B.C., Васильченко В.Ф. Бурильная машина. / а.с. № 424967 от 18.10.1972.

49. Демченко Н.В. Исследование элементов управления буровых машин с двухдифференциальным приводом. Дис. канд . техн . наук . — Новочеркасск: НПИ, 1971. 178 с.

50. Загороднюк В.Т., Яцкевич В.А. Классификация бурильных машин вращательного действия по способу автоматизации и пути их совершенствования. Труды НПИ 1971. - Т.236.

51. Белосветов С.А Автоматическое регулирование параметров колонкового электросверла. // Уголь Украины. 1957. - № 8.

52. Волжский М.Б. Автоматическое сверло с принудительной подачей для бурения шпуров и скважин при проходке горных выработок. Известия ВУЗ. // Горный Журнал. 1959. -№11.

53. Бабаев И.П. и др. Автоматизация бурения мелких шпуров . Труды -ВНИИзолото и редких металлов.- 1966.-Т.25.

54. Кудрук Ю.В. Исследование взаимодействия приводов бурильных машин с забоем : Дис. канд. техн . наук . Фрунзе : ФПИ, 1974.

55. Загороднюк В.Т., Яцкевич В.А. Исследование различных систем регулирования режимов работы бурильных машин вращательного действия. Известия ВУЗ // Горный журнал. 1973. - № 7.

56. Воздвеженский Б.И., Васильев М.Г. Буровая механика. М.: Гос-геолтехиздат, 1954.

57. Дворников Л.Т., Яковлев Г.Н. Буровая машина. / а.с. № 244985 , 1967.

58. Дворников JI.T., Яковлев Г.Н. Буровая установка. / а.с. №337498 , 1971.

59. Дровников А.Н. Адаптивные структуры механизмов и машин. Издательство РГУ, 1984. 128с.

60. Водяник Г.М., Рылёв Э.В. Новые бурильные машины вращательного действия./ К.: Техника, 1979. 126с.

61. Загороднюк В.Т., Яцкевич В.А. Некоторые способы построения системы автоматической настройки сверл на оптимальный режим: Сб./ Буровые машины.- Фрунзе , 1969.

62. Барон Л.И. О познавательной ценности экспериментально статистического метода в науке о механическом разрушении горных пород. - ИГД им. Скочинского / Научн. сооб . вып. 113 , 1973.

63. Докукин А.В. и др. Динамические процессы горных машин. — М.: Наука, 1972.

64. Родионов Н.С., Ленченко В.В., Любомирский А.С. Результаты исследований средств бурения шпуров на шахтах южного Донбасса: Шахтное строительство-№ 9, 1974.

65. Позин Е.З. К методике оптимизации режимов работы исполнительных органов угледобывающих комбайнов. /Разрушение горных пород: Научн. сообщение вып./ИГД им. Скочинского. -М., 1973.

66. Позин Е.З. Основы выбора и поддержания оптимальных режимов работы исполнительных органов угледобывающих комбайнов: Дис. докт . техн . наук. М., 1968.

67. Павленко В.И. Исследование и разработка инструмента , армируемого малокобольтовыми твердыми сплавами для сверления крепких пород: Дис. канд. техн. наук. Новочеркасск: НПИ , 1972. - 193с.

68. Михайлов В.Г. Горный инструмент. М.: Углетехиздат, 1959. — 298с.

69. Статистические методы в инженерных исследованиях./ Учебное пособие (лабораторный практикум) . М.: Высшая школа, 1983. — 216с.

70. Петров Н.Г., Родионов Н.С. Горнотехнологические характеристики горных пород и показатели процесса бурения шпуров / ИГД им. Скочинского: Научн. сообщ. вып.105-М., 1973.

71. Карпов В.И. Исследования прочностных и абразивных свойств горных пород при вращательном бурении шпуров / ИГД им. Скочин-ского :Науч. сооб . вып . 37. -М., 1967.

72. Барон Л.И., Глатман Л.Б. Методика испытаний горных пород на контактную прочность: ИГД им. Скочинского , 1961. — 245с.

73. Барон Л.И., Кузнецов А.В. Методика испытаний горных пород на абразивность. М.: ИГД им. А.А. Скочинского , 1960. - 81с.

74. А.с. № 1687760 СССР, МКИ Е21В 10/00. Стенд для испытаний инструмента вращательного бурения/Крапивин М.Г., Петров Н.Г., Мирный С.Г. -Заявл. 13.01.89. Опубл. 1.10.91, Бюл.№ 40.

75. Крапивин М.Г., Белов В.Г. Испытание режущего инструмента на барабанных исполнительных органах породопроходческого комбайна. Труды Новочеркасск : НПИ, 1964.- Т. 158.

76. Крапивин М.Г., Шиповский И.А. Исследование усилий при резании песчаника крупной стружкой инструментом проходческого комбайна. Труды Новочеркасск : НПИ , 1964. - Т158.

77. Алимов О.Д. Исследование процессов разрушения горных пород при бурении шпуров. Издательство Томского университета. 1960.

78. Алимов О.Д. Дворников Л.Т. Механизм разрушения горных пород при вращательном бурении твердосплавным инструментом. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1972,№6.

79. Рабинович Н.Р. Инженерные задачи механики сплошной среды в бурении. М.: Недра, 1989. - 270 с.

80. Сыса А.Б. Теория и технология процессов рудоподготовки. Владикавказ, Из-во «Терек», 1997г.—119с.

81. Иванов А.А.Закономерности тепловых процессов при работе буровых резцов и их использование для повышения эффективности сверления шпуров.: Дис. канд.тех.наук. Новочеркасск: НПИ, 1976, -176 с.

82. Сысоев Н.И. Методы повышения прочности и долговечности режущих инструментов очистных и проходческих машин.: Дис. . докт.тех.наук. Новочеркасск: НПИ, 1992, -464 с.

83. Иванов К.И., Латышев В.А., Андреев В.Д. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. 3-е изд., перераб. И доп. -М.: Недра, 1987. 272с.

84. Хазанович Г.Ш., Воронова Э.Ю. Разработка схем и выбор параметров агрегатированных буровзрывных проходческих систем: Монография / Шахтинский институт ЮРГТУ.-Новочеркасск: ЮРГТУ,2005.-144с.

85. Раков ИЛ., Крапивин М.Г., Мирный С.Г. Исследование процесса взаимодействия резца с породой. / Новочерк. политех, ин-т. Новочеркасск, 1990. — Деп. В ЦНИЭИУголь № 5187 от 17.09.90.

86. Раков И.Я., Мирный С.Г. Влияние жёсткости буровой штанги на процесс бурения шпуров // Очистные и проходческие машины и инструменты: Межвуз. сб. / Новочеркасск, 1988.-С.40-45.

87. Крапивин М.Г., Мирный С.Г. Влияние частоты вращения инструмента на силовые и энергетические параметры бурения шпуров. // Инструменты и машины выемочных и проходческих комплексов: Межвуз. сб. / Новочеркасск, 1992.-С. 10-14.

88. Сысоев Н.И., Литкевич Ю.Ф., Мирный С.Г. Выбор и обоснование параметров скоростного бурения шпуров // Изв. вузов, Сев.-Кавк. регион. Технические науки. 1998.-.№3 С. 89-92.

89. Сысоев Н.И., Мирный С.Г., Громов С.Ю. Математическая модель процесса бурения шпура с периодической настройкой частоты вращения штанги на оптимальную величину/УИзв. вузов, Сев.-Кавк. регион. Технические науки. 2005. Спецвпуск.- С. 107-111.

90. Результаты наблюдений и обработки осциллограмм бурения резцом РП-42

91. Величина осевого усилия податчика Рп, кН Длина участка шпура, на котором фиксировались параметры L, мм Время бурения t, с Расчетная удельная подача резца S, мм/об Результаты обработки осциллограмм

92. Средняя величина усилия подачи Ру, кН Средняя величина крутящего момента Мщ,, Нм1 2 3 4 5 6

93. Результаты наблюдений и обработки осциллограмм бурения резцом БИ-741 пород различной крепости