автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Управление амплитудой и длительностью ударного импульса

;\'б од

2 2 ^^ Яд правах рукописи

I

¿7

I

СЕРДЕЧНЫЙ Александр Семенович

УПРАВЛЕНИЕ АМПЛИТУДОЙ И ДЛИТЕЛЬНОСТЬЮ УДАРНОГО ИМПУЛЬСА

Специальность 05.05.04 — „Дорожные и строительные машины"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск — 1997

Работа выполнена в Комсомольском-на- Амуре государственном педагогическом институте. .

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Заслуженный изобретатель РФ ТИШКОВ Анатолий Яковлевич; доктор технических наук, профессор ХОН Валентин Федорович;

доктор технических наук, профессор АМЕЛЬ-ЧЕНКО Василий Федорович.

Ведущая организация: строительно-промышленное акционерное общество (СПАО) „Сибакадем-строй".

Защита состоится 20 июня 1997 года в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.17.03 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Институте горного дела СО РАН.

Адрес: 630091, г. Новосибирск, 91 Красный проспект, 54

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела СО РАН.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного советг д. т. н., профессор

А. И. ФЕДУЛОВ.

ОБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объектом исследования настоящей работы являются пневматические, гцдрошгоп?татп^ошпв, гидравлические механизм ударного действия, буровой инструмент и сваи.

В указанных механизмах и устройствах целый ряд вопросов решен недостаточно полно и в их числе такие определяющие, как создание ударных механизмов с использованием кидкости (масла, воды) в качестве промежуточного тела, передающего ударные импульсы в буровой инструмент и сваи, а также механизмов с использованием промежуточного элемента (твердого тела).

Для бурения шпуров и сквазкин диаметром 35...70 мм созданы бурильные машины с энергией удара 250 Дм и более.

Кроме того, для забивания свай под фундаменты строительных сооружений созданы молоты с энергией удара 10 ООО...100 ООО Дж.

Однако повышение энергии удара в бурильных машинах и в молотах ограничивается прочностью бурового инструмента и свай.

Недостаточная работоспособность штанг и соединительных узлов приводи'!' не только к необходимости увеличения производства и расхода буровой стали, но и вызывает большие потери времени на замену вышедошх из строя штанг, а поломки свай приводят к удорожании строительных сооружений.

Актуальность проблемы определяется:

- низкой производительностью молотов и ударных механизмов, которая напрямую зависит от энергии удара и форда импульса;снижение амплитуды напряжений при возрастании энергии удара порзня и увеличение длительности ударного импульса, за счет использования столба зхвдкости, позволяет повысить производительность колота и ударных механизмов, а также забивать сваи и другие строительные элементы без разрушения;

- разработкой научных основ расчета ударных механизмов с использованием жидкости и промежуточного твердого тела.

Цель работы - разработать и исследовать механизмы с раз -личными ударным! системами, позволяющими управлять амплитудой и

геяькосчь* ударного свдульса в Оуросол - г.га;',

соосновать расчетным л опытней путей.

Основная - введено прздст-аБлеш;о об упрека:-.::: яягли-тудай г; дглгсглькоотьа уд£р:;эго юлульса.

Задач*: гсслодоезшй:

- разработать классификгдаг изхишзюв с рсоличюши ударными с ис тешили;

- разработать новые схсьга г-вхаилзизь с ударными систеи^-и, позволяющими управлять амплитудой и длительностью ударного 5-::.:-пульса в пшроком диапазоне;

- аналитическое исследование ударной системы пороень-про-межуточный элемент-воздушный зазор-инструмзнт-порода;

- аналитическое исследование ударной снстеш поразнь-столб Еидкости-киетрумёН'г;

- разработать изтоднку исследования волновых процессов в ударных системах;

- исследовать фориы импульсов для оценки парамзтров ударных систем;

- установить закономерность передачи давления жидкости при ударе в замкнутой камере;

- исследование основных параметров новых типов пнасшюто-еких машин с различными ударным;; системами и напряжений в сломе птах резьбовых соединений при одновременном действии крутяцо-го момента, осевого усилия подачи и двойном соударении тол;

■Методы исследований. Теоретической основой резюния поставленных задач явилась классическая и волновая теория с привлечением теоретического исследования удара операционного «счисления.

Экспериментальные исследования проводились на стендах с применением современного метрологического оборудования по' проверенным и отработанным методикам с привлзчениги ?.;отодов статистической обработки ив|>орг*ацин.

Задачи, поставленные в работе, особенности объектов елвдовшшй предопределили создание двух стендов для ыгжщя,» ре-

альных условий механизмов ударного действия 1; бурского ннстру-мента.

Научные положения, защищаемые автором:

1) Введение в структуру механизмов, ударного действуя промежуточного жидкостного элемента позволяет управлять амплитудой н длительностью ударного импульса силы, не ухудшая параметров ударной системы.

2) При передаче энергии поршня через промежуточный элемент (масса промежуточного элемента постоянная) и столб жидкости с увеличением скорости поршня максимальная амплитуда импульса силы в буровой штанге увеличивается линейно, причем с увеличением массы (сечения) поршня максимальная амплитуда ударного импульса силы приближается к максимальной амплитуде импульса силы при жестком ударе.

3) Бри постоянной энергии поршня и уменьшении столба жидкости коэффициент передачи энергии удара и максимальная амплитуда импульса силы в штангах увеличиваются и приближаются к единице.

4) Деление энергии поршня на части в ударной системе поршень-промежуточный элемент-столб- жидкости-инструмент-порода происходит за счет различных масс (сечений) поршня и промежуточного элемента, а также сжимаемости жидкости, содержащей не-растворенный воздух, что позволяет уменьшать амплитуду импульса силы в штангах и сваях и увеличить длительность импульса.

5) При постоянной энергии удара поршня максимальная амплитуда ударного импульса силы в буровом инструменте зависит от количества содержащегося в реальной жидкости нерастворенного воздуха, от скоростей звука, разных для Еоздуха и жидкости, и от соотношения диаметров промежуточного элемента и хвостовика инструмента, между которыми в замкнутой камере заключена жидкость, и изменяется по линейному закону, что позволяет изменять амплитуду импульса силы в широком диапазоне, а следовательно, максимальная амплитуда импульса силы становится управляемой.

б) Введение в структуру ударных механизмов промежуточного элемента, установленного с зазором относительно хвостовика инструмента, позволяет увеличить частоту ударов в два раза, изме-

ккть форцу и длительность импульса силы за счет геличики зазора, а управлять ашяктудой первого 15 второго ударннх ютуль-

сос за счет различных ia.cc (сочемлй) поршня и промежуточного еле^знта.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации обоснована:

«иссаль¿¿саниеобщепринятых апробированных допущений при оилпткчг с к с и исследования различных ударных систем;

- привлечением для математического описания ударных систем положений классической и болновой теории удара;

- эцепери^знтслькьк;! исследованиями, выполненными на оборудования, укомплектованном современной аппаратурой, и использованием тензометрирования и статистических методов обработки экспор!а:анталькых данных;

- производственными испытания«;! сваебойного колота, разработанного на основании результатов проведенных исследований.

'Научная новизна:

- установлено, что использование столба (прослойки) жидкости в качества промежуточного элемента при передаче энергии удара от поршня рабочему инструменту позволяет управлять амплитудой я длительностью ударного импульса, снизить уровень шума и исключить возникновение волн изгиба в хвостовике инструмента, поскольку жидкость равномерно распределена по всему торцу хвостовика;

-"отношение максимальной амплитуды импульса сил при передаче энергии удара пораня через столб жидкости на выходе и вхо-деЮбратно пропорционально отношению диаметров соударяющихся тел;

- при постоянной энергии поршня с уменьшением столба жидкости коэффициент передачи энергии удара в инструменте и максимальная ашлитуда ударного импульса увеличивается и приближаются к единица при использовании в качестве промежуточного элемента прослойки жидкости.

Личный вклад автора заключается в следующем:

- в разработке классификации ударных систем) новых ударных механизмов с исполъ зованием квдкостиг"и1. промежуточного элемента;

- вТшалитическс:.! исслёдоваши"ударных сис» м;.

- исследование ударной системы поршень - промежуточный элемент - воздушный зазор-инструмент-порода;

- исследование ударной системы поршень-столб жидкости-ин-струмент;

- исследование основных параметров пневматических меха - ' низмов и напряжений в элементах резьбовых соединений при одновременном действии крутящего момента, осевого усилия подачи и двойном соударении тел;

- в разработке методики исследования и лабораторного оборудования для оценки параметров ударных систем;

- в установлении закономерности передачи давления жидкости при ударе в замкнутом объеме;

- в экспериментальной оценке параметров различных удар -кых систем по форме, амплитуде и длительности импульса силы в буровом инструменте;

- в разработке и промышленном испытании опытного образца молота с использованием жидкости для забивания свай.

Практическая ценность:

1) Введение в структуру механизмов ударного действия промежуточного жидкостного элемента позволяет управлять амплитудой и длительностью ударного импульса силы, не ухудшая параметров ударной системы.

2) Деление энергии поршня на части в ударной системе поршень-промежуточный элемент-столб жидкости-инструмент-порода происходит за счет различных масс (сечений) поршня и промежуточного элемента, а также сжимаемости жидкости, содержащей не-растворенный воздух, что позволяет уменьшать амплитуду импульса силы в штангах и сваях и увеличить длительность импульса.

3) При постоянной энергии удара поршня максимальная амплитуда ударного импульса силы в буровом инструменте зависит от количества содержащегося в реальной жидкости нерастворенного воздуха, от скоростей звука, разных для воздуха и жидкости, и от соотношения диаметров промежуточного элемента и хвостовика инструмента, меяду которыми в замкнутой камере заключена жид -кость, и изменяется по линейному закону, что позволяет изменять амплитуду импульса силы в широком диапазоне, а следовательно, максимальная амплитуда импульса силы становится управляемой.

4) Введение в структуру ударных механизмов промежуточного элемента, установленного с зазором относительно хвостовика инструмента, позволяет увеличить частоту ударов в два раза в инструменте за один ход поршня, изменить форцу и длительность им -пульса силы за счет величины зазора, а так»о управлять ампли -тудой первого и второго ударных импульсов за счет различных масс (сечений) поршня и промежуточного элемента.

На основании проведенных исследований предложен ряд технических решений оборудования:

- пневмоударный механизм [а.с. № 512286) предназначен для снижения расхода воздуха;

- бурильные машины с использованием столба жидкости (прослойки жидкости) в качестве промежуточного тела, передающего ударные импульсы от поршня через промежуточный элемент в буровой инструмент (а.с. № 564413, № 597825);

- гидроударный механизм с использованием прослойки жидкости в качестве промежуточного тела, передающей ударные импульсы от поршня в инструмент (а.с. № У6412Б), предназначен для передачи больших энергий удара поршня в буровой инструмент, сваи и другие строительные элементы, управления амплитудой и длительностью ударного импульса и снижения уровня шума;

- буровая головка ударно-поворотного действия с использованием жидкости (а.с. № 8833^1), вращатели бурильных машин и подающего устройства (а.с. Н> 473Ы2, 8833У1) предназначены для вращения бурового инструмента, винта подающего механизма, завинчивания винтов и гаек в гайковертах;

- амортизатор для ударного механизма бурильной машины

(а.с. № 491784) предназначен для защиты деталей бурильной машины от отраженных импульсов. Подана заявка № 10559 на открытие "Закономерность передачи давления жидкости при ударе".

Реализация работы. В основу диссертации положены материалы комплексных исследований, проведенных лично автором и под его непосредственным руководством в течение 1975...1981 гг., выполняемых по плану госбюджетной работы Г-50/5, гос.регистрационный , N 75012952 Комсомильского-на-Амуре политехнического институт^.

Диссертационная работа завершена в Комсомольском-на-Амуре государственном педагогическом институте.

Разработаны рекомендации по созданию муфтовых соединений и механизмов ударного действия с использованием столба (прослойки) жидкости в качестве промежуточного тела при передаче энергии удара в инструмент.

Основные результаты диссертационной работы реализованы в опытном образце дизель-молота для забивания свай, который был изготовлен в УМ—X треста "Спецстроймеханизация-2" г.Комсо -мольск-на-Амуре. Производительность нового дизель-молота увеличилась на 15...201& по сравнению с серийным, а годовой экономи -ческий эффект, на один дизель-молот составил 52,4 млн. руб по ценам на апрель 1996 г.

Внедрение новых типов ударных машин позволит предотвратить поломки свай при их забивании в грунт, увеличить долговечность инструмента, их производительность и уменьшить уровень шума.

Апробация работы. Результаты исследований доложены и обсуждены на научном семинаре отдела буровых машин института НИ-1МГОРМАШ, г. Свердловск, 1975 г.; на заседании технического совета в конструкторском отделе бурового инструмента Машиностроительного завода, г. Новокузнецк, 1975 г.; на Всесоюзном научно-техническом совещании "Проблемы повышения стойкости бурового инструмента", г. Новокузнецк, 1975 г.; на заседании технического совета отдела бурильных машин, г. Новокузнецк, 1977 г.; на 1У симпозиуме по динамике виброударных систем, г. Москва, 1978 г. в институте Машиноведения имени академика А.А.Благонравова; в лаборатории бурения Института горного дела СО РАН, г. Новосибирск, 1993 г.

Публикации. По материала}.! работы опубликовано 16 научных трудов и 9 авторских свидетельств, которые отражают оснойное содержание работы.

Объем и структура работы. Диссертационная работа обшим объемом ¿42 страниц машинописного текста состоит из введения, 5 глав, заключения и списка использованной литературы из 89 наименовании отечественных и зарубежны^ источников, включает 54 рисунка, 5. таблиц- и приложения 1, П, Ш, IV.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе разработана классификация систем с ударными механизмами и приведены схемы различных ударных систем.

По предложенной классификации проведен анализ известных конструкций ударных механизмов с различными ударными системами. На основании анализа ударных механизмов, снабженных камерами с жидкостью, можно заметить, что в настоящее время в РФ и за рубежом имеет место поиск рациональных ударных систем с целью увеличения удельной энергии удара, синтеза системы гидроимпульсного разрушения породы в забое и повышения частоты ударов машин. Однако известные конструкции ударных механизмов имеют целый ряд серьззных недостатков, например, применение клапанов для подвода в камеру и отвода жидкости из камеры высокого давления и низкая частота ударов, которые ограничивают их применение. В то же время необходимо создать работоспособные высокочастотные механизмы с ударной системой поршень-промежуточный элемент (или без промежуточного элемента)-столб жидкости-инструмент-порода. Необходимо также отыскать рациональные параметры ударных систем, поскольку ударная система поршень-инструмент не дает возможности использовать для разрушения горных пород став штанг малого диаметра мощными ударными механизмами, а также молоты для забивания свай.

Во второй главе в соответствии с предложенной классификацией ударных систем по авторским свидетельствам разработаны новые схемы механизмов со следующими ударными системами:

1) поршень-инструмент-порода;

2) поршень-промежуточный элемент-воздушный зазор-инструмент-порода;

3) поршень-промежуточный элемент-столб жидкости (2...50)мм -инструмент-порода;

4) поршень-промежуточный элемент- столб жидкости (3,5 м и более), заключенной в трубе-инструмент-порода;

5) поршень-промежуточный элемент-прослойка жидкости (0,2.. ..1,5) мм-инструмент-порода;

6) поршень-столб жидкости или прослойка жидкости-инструмент -порода;

7)удгрные системы прямого и обратного действия.

Предложены простые конструкции ударных мехашкксоз, гатс^г не требуют больших затрат на разработку техническоХ дс-ку?.;гн'.-.'о~ ции и изготовление новых ударных механивков с шюгьесвгака»* жидкости в качестве промежуточного тела, передающего удср:г.'г импульсы от поршня-ударника в буровой инструмент, и ногут сч^з рекомендованы к изготовлен::» каяякострогггельккл запад?.!::' д/;:: массового ах использования в бурильных цззлках, колота-:, пульсных зодометах и другой шюклогидравлхгческой

В третьей главе приведены аналитические исследования ударных систем.

Исследование ударной системы поргзнь-проькпуточный элемент-воздушный зазор-инструмент-порода

Цель исследований состоит в том, чтобы шшштически описать процесс взаимодействия промежуточного элемента, а затем и поршня с инструментом и породой, а тают рассчитать взл:иг?ну зазора между промежуточным элементом и инструментом.

Уог

М

/

Чо1

т

(-1

~Т7777 1г

Т7Т\

I

¿¿у

Ж

I

Рис. 1

Пусть поршень 1 массой М с начальной скоростью Уо наносит удар по промежуточному элементу 2 массой ¡и (ркс.1). Прет'ест/точный элемент установлен с зазором 1 относительно торца хвостовика инструмента 3. За счет того, что масса М > га (сеченке перзни больше сечения промекуточкого' элемента), промежуточны'! олемг.т

отрывается от поршня со скоростью Уог и в момент времени I = О наносит удар по инструменту, формируя в нем первую волну деформации, которая описывается уравнением

дг

и.

дх."

{ дги. а2 дь2

= о

(I)

где и(х, и момент времени

перемещение сечений инструмента с координатой X в

г;

а = УЕ/р - скорость распространения волны в инструменте с модулем упругости Е и плотностью Р Начальные условия:

at и о I о,

и.

ь= о

= о

при х = О

при 0 < х ч< I . (2)

Граничные условия мента, имеют вид:

определяющие состояние концов инстру-

т

д^и д!2

Эх

= 0, ЕА —— 4- ки.

х^о дх.

х= I.

= 0. (3)

где к - коэффициент, характеризующий упругие свойства породы.

В момент I = Т ( Т - интервал времени между первым и вторым ударными импульсами) поршень массой М со скоростью Уог наносит удар, вследствие чего в инструменте возникает вторая волна деформации. В этом случае начальные и граничные условия изменяются и будут иметь вид:

и

ди-д±

=Г

1-Т I о

чог , Ф(х) , I. О

о < х

аг < эсб и

X О 0<х-$аТ и

(4)

, , , ди.(х:,Т)

где тСх)— и.(хТ\ , УЧ*:) = - - соответственно пе-

ъ±

ремещения и скорости сечений инструмента в момент Ь = Т , которые определяются из решения краевой задачи (3.2; 3.7; 3.8).

Граничные условия:

ЕА^ + ки Эх

ди

Х=1

= 0. (5)

Поставленная задача решена на основе интегральных преобразований Лапласа.

Решая первую часть задачи с начальными и граничными условиями (2, 3), расчетами получена универсальная формула для математического описания процесса взаимодействия поршня, инструмента с обрабатываемой средой; описания процесса взаимодействия поршня, инструмента и жесткой опоры; описания процесса взаимодействия поршня, инструмента при наличии зазора между волноводом и забоем.

Решая вторую часть задачи с начальными и граничными условиями (4, 5), получены расчетные формулы для определения перемещения, скорости и давления в буровом инструменте при двойном соударении тел с волноводом.

Решая третью часть задачи на основе классической и волновой теории удара с начальными и граничными условиями (2, 3), получена расчетная формула для определения величины зазора между промежуточными элементами и хвостовиком инструмента.

Исследование ударной системы поршень-столб (прослойка)

В данной работе поставлена задача теоретически оценить, как влкявг высота столба гладкости и масса поршня на коэффициент передачи энергии удара и максимальную амплитуду импульса силы в буровой инструменте.

Расчет проводится в предполояенки, что габариты ударника «ала и его модно в расчетах считать недеформируешы телом с массой т, дЕиауцзшся до соударения со скоростью I/.

жидкости-инструмент

а) i

3

{- 1( = 2,3мм e",

2 - Ц = .10 ММ (^ЗОмм*

l^SOmm^

0,0005

0,001 t,c

1-lt=-i,0NM

2- 1!=2,ЗММ

3- L^ÎDMM

4-L^OMM 5_ ц=50мм

0,0005

PnOi Ударная система поршень (Df-столб (прослойка)

жидкости(2) - инструмент(3) : а) - ударная система; б) - импульсы силы

Tasse предполагается, что упругas прокладка настолько тонка, что время пробега упругой болен в ней намного меньше периода передаваемого импульса. В этой случаа моано считать, что она работает в квазистатическсы режвые и в расчетах её можно представить как пружину с коэффициентом esctkoctîi ЕаА/i>i , гдэ Ej - модуль упругости прокладки, её толцзна, S - площадь сечения прокладки и стерния. Если в качества прокладка используется слой гидкости ( ркс. 2), ограниченный ctshkgjjh несткого цилиндра, то можно принять CL2 , где р -

плотность гидкости, CL - скорость звука в ней.

В принятых предаолоаенгях рассматривается удар ыассы 1П, движущейся со скорость» V, о длинный упругий стергенъ, через пружину Еесткости К 2 .

Обозначим скэденнэ массы послз начала взшшодейстЕня с пру-ееиой через Ult), упругие смещения в сторгке через W-tÎX,i:). Первоначально стержень р&спологен при 0 < ЗС < i . Длина Ь стераня

2

предполагается для упрощения расчетов достаточно большой для того, чтобы передача импульса в стеряень произошла раньше прихода отраженной от правого края стержня при ОС- (/волны.

Упругие перемещения в стержне удовлетворяют волновому уравнению, общее решение которого в данном случае представимо в виде бегущей вправо волны:

"■1 = * (*- ' <6)

где (2г- скорость продольных волн в стержне.

Движение массы после соприкосновения о пружиной подчиняется закону движения:

Действие пружины на стержень вызывает его сжатие приХ=0 :

K(li -tlj —- К,

дх

п , (8) х » 0 '

Здесь Кг=Е2А, где Ег - модуль упругости стержня, А - его сечение.

Подставляя (6) в (7),(8) получаем Ы. Ц), {(Ь) систему уравнений:

m —72 +

lyf + -K7f- ~к7 '

dLV- * Z «2 O)

I

Дифференцируя первое уравнение not и исключая f с помощью второго уравнения для Ц получаем:

ГПК, , .. к 9 •

-- Li+mu + = 0 . (ю)

Kia2 аг

«

ДляЦ получаем общее решение уравнения (10) в виде:

16 - un

Ü =• (A Sin Wt t BCos u/t)e

_К /

гда ш = - $ Lf4 , £_q2k,/k2, w02=K,/m.

Константы A*e Б^иаходятся из начальных условий при t =0 ■ и.- о, ¿L -V, ü = 0 .

С учетом этого получаем: _

Ú = V( Sin Uft +CoSWt) e >

* £ ~ Н/г _/ u = Stnwt + Cosuut)e at. (id

o

Из второго уравнения системы (9) и начального условия 3(0) = О

(12) О

При этой сила сжатия F в стержне при Х- 0 оцределяется согласно (8) выражением:

-

K,íuít)-*(t))= • (i3)

Расчета по формулам (II), (12), (13) проведены для А = Z-I0 М ,

V - 7,1 м/с при разной толщине водяной прослойки С^ и ыас-

сн ударника Ш. При этом получены следующие значения длительности

удара Т = TÍ/uJ (до момента разьединения ударника, прокладки и

стераня, определяемого по мсшнту времени,при котором F = 0 ),

цаксиыаяьной скорости в стеране í „ , коэффициент . передачи

max

энергии К €;

Прит=12,2кг Таблица 3.1

слодуот: +

Íít) = J u(t)e dt

i, (у) 0,0023 0,01 0,03 0,05

Тс (с) 4-ИГ* б.Т-Ю"" 9,2*10"'' I0"4

f¿„(«/0) 5,16 3,7 2,56 2,2

Ке I 0,96 0,83 0,74

При т = 4,9 кг

1-1 (м) 0,0023 0,01 0,03 0,05

Тс (с) 1.95-10"* 3,4 • 10-* 5,75-Ю"* 7,4 -Ю'"

■¡-««(м/с) 4,29 2,8 1,9 1,54

Ке 0,99 0,86 0,86 0.57

Вичсги: а)ударная система позволяет изменить форму, амдлиту-ду и длительность импульса при постоянной энергии удара порппш за счет изменения висоты столба жидкости; б) при постоянной энергии удара поршня и уменьшении высоты столба жидкости коэффициент передает энергии удара п максимальная амплитуда ударного импульса увеличиваются я приближаются к 1,0 при передаче энергии поршня через прослойку жидкости; в) при постоянной высоте столба жидкости коэффициент передачи энергии удара и максимальная амплитуда импульса силы увеличиваются с увеличением массы.

В четвертой главе разработана методика экспериментальных исследований ударных систем.

Исследованы три ударные системы:

1) лоршень-инструмент-порода;

2) поршень-промеяугочный элемент-воздушный зазор-инструмент-порода;

3) п оргпзнь-промеяуточный элемент-столб жидкости-инструмент-порода.

Ударные импульсы для всех рассматриваемых ударных систем получены при единичных ударах бойкаки длиной 250 мм различных диаметров 55, 70, 80, 90 мм и массой, соответственно, равной 4,9; 7,9; 9,8; 12,2 кг.

В первой ударной системе амплитуда ударного импульса при скорости поршня (бойка), равной 7,1 м/с и массах 4,9 и 12,2 кг увеличивается с 15-Ю4Н до 17-104Н, т.е. предел изменения амплитуды ударного импульса составляет, примерно, 10%.

Вторая ударная система отличается от первой наличием проме-яуточного элемента, установленного с зазором относительно хвостовика бурового инструмента, который образуется к каждому следующему удару поршня.

Установлено, что в предложенной ударной системе амплитуда ударного импульса силы уменьшается на 30$ ...35$ по сравнению

с ударной системой поршень-инструмент-порода, а длительность импульса увеличивается в два раза.

Следует заметить, что с увеличением зазора между промежуточным элементом и хвостовиком инструмента можно получить два отдельных импульса, а подбирая различные массы поршня и промежуточного элемента, можно изменять амплитуду первого и второго импульсов.

Таким образом, предложенная ударная система позволяет управлять амплитудой ударного импульса и создавать в буровых штангах рациональные формы импульсов, а также использовать более мощные ударные механизмы, не изменяя при этом размеры буровых штанг.

Третья ударная система отличается от рассмотренных наличием столба жидкости, равного (2...50) мм, заключенного в замкнутой камере между промежуточным элементом и торцом хвостовика инструмента.

Опытами установлено, что в ударной системе поршень-промежуточный элемент-столб жидкости-инструмент-порода за один рабочий ход поршня в штанге возникают два ударных импульса 1 и 2 (рис. 3), а это значит, что частоту ударов в инструменте можно увеличить в два раза.

Физический процесс, протекающий в ударной системе, состоящей из элементов различной жесткости, объясняется тем, что энергия поршня делится на части. Деление энергии удара поршня на части может происходить при наличии различных масс поршня и промежуточного элемента, а также при наличии сжимаемости жидкости.

Из рис.За видно, что давление промежуточного элемента на жидкость еще продолжается, а первый (3) и второй (4) отраженные импульсы возвратились от породы - в данный момент произошла обратная реакция, т.е. произошел удар отраженной волны со стороны инструмента на жидкость, промежуточный элемент и поршень. Вследствие чего в камере резко повысилось давление жидкости, а в инструменте возникли рабочие ударные импульсы (5) и (6) сжатия (см. рис. 3).

Установлено, что ударная система поршень-промежуточный элемент-столб жидкости-инструмент-порода позволяет использовать

Рис. 3. Ударная система поршень (1)-промежуточный элемент (2)-столб жидкости (3)-инструмент (4, 5)- порода (6): а) осциллограмма ударных импульсов; в) длительность контакта поршня с промежуточным элементом

энергию отраженных импульсов, энергию инструмента, отскочившего от породы, и энергию колеблющегося корпуса бурильной машины для совершения полезной работы по разрушению породы, что тлеет большую практическую ценность.

В рассматриваемой ударной системе амплитуду ударного импульса можно изменять от 9,0'104 Н до 12,5-Ю4 Н при передаче энергии удара поршня через промежуточный элемент (масса промежуточного элемента 2,22 кг) и столб масла, а при передаче энергии удара через столб воды амплитуду ударного импульса можно изменять от 11,2-104 Н до 15-104 Н'

Опытами установлено, что предложенная ударная система позволяет уменьшать амплитуду ударного импульса при передаче энергии удара поршня через столб масла на 26 %...47 %., а через столб' воды - на 22 7*. ..35 % по сравнению с известной ударной системой поршень-инструмент-порода, а следовательно, использовать более мощные ударные механизмы, не изменяя размеры буровых штанг малого диаметра. Длительность ударного импульса сжатия при одинаковых диаметрах цилиндра, промежуточного элемента, столба жидкости и хвостовика инструмента в пять раз больше, чем в известной ударной системе.

Установлено, что при "передаче"ударногокмпудьса поршнем через промежуточный элешнт-столб Евдкости-ннструмеит в породу максимальная амплитуда импульса силы с увеличением скорости поршня изменяется линейно, причел с уЕалжчаииеы кассы поршня максимальная амплитуда ударного импульса приближается к максимальной амплитуде ударного импульса, полученной пр*. кесткоы ударе.

При разработке новых механизмов с ударной системой поршень-промежуточный элемент-столб жидкости- буровой инструмент-порода целесообразнее применять воду, так как коэффициент передачи энергии удара через столб воды примерно такой же как и через столб масла, но вода дешевле масла.

Предложенная ударная система позволяет более эффективно передавать энергию удара по штангам малого диаметра по сравнению с ударной системой поршень-инструмент-порода и использовать механизмы с энергией удара 300 Дж и более. Так, например, при энергии поршня, равной 300 Дж, коэффициент передачи энергии в импульсе силы составляет 0,86 (энергия поршня передается через

столб жидкости), при жестком ударе коэффициент передачи энергии удара равен 0,7 (соединение штанги с хвостовиком бурового инструмента осуществляется конусным соединением).

Закономерность передачи давления жидкости

при ударе в замкнутом объеме

Из теории удара известен один способ управления амплитудой силы в инструменте: за счет изменения площади сечения и скорости поршня при жестком ударе по инструменту.

Установлено, что предложенная ударная система поршень-промежуточный элемент-воздушный, зазор-инструмент-порода позволяет управлять амплитудой ударного импульса за счет деления энергии поршня на части.

Из закона Паскаля известно, что при статическом давлении жидкости осевое усилие зависит от соотношения площадей большого и малого поршней.

Из гидродинамики известно, что сила удара зависит от соотношения диаметров большого и малого поршней в степени одна вторая.

В данной работе приведены результаты исследований передачи давления жидкости ударом в зависимости от соотношения диаметров промежуточного элемента и хвостовика инструмента (рис. 4).

Рассматриваются как общий, так и частный случаи передачи давления жидкости ударом. Так как в системе поршень-промежуточный элемент-столб жидкости-инструмент-порода за счет деления энергии порпня ударные импульсы (рис. 3 и 5) формируются только промежуточным элементом при первом и всех последующих ударах поршня, то исследуемая система позволяет рассмотреть общий (поршень-столб жидкости-инструмент-порода) и частный случае. В первом случае образуется один ударный импульс, во втором - два импульса.

Осциллограммы импульсов записывались с электроннолучевой трубки осциллографа при одном и том же коэффициенте усиления и энергии удара, например 199 Дж (масса поршня 7,9 кг; скорость 7,1 м/с). На осциллограммах на рис. 5 обозначено: Fi - максимальная алшштудаГиипульса силы, полученная при следующем соот-ногэнпл 0j / $2 = 50/50 = I; Fо ~ максимальная амплитуда импуль-

1л

N

4>п Ю

го го

Рис. 4. Схема ударной системы поршень (1)-промежуточный элемент (2)-столС жидкости (3)-инструмент (4, 5)-порода (6)

са слот, подучзшгся пря соотнсгэпняг °»8; 0,7; 0,6; 0,5.

С угтжгяпзеи лзсг.гзтра прс::?зу?очзого элеипта ггаксямальна* ау-сллтуд! ггпулТ)са саля уг.-зпыгг.сгся, а дтатольнссть пмпульса уве-ллчпЕаотсл. Апэлогггппгэ пг^эпэякт такав наблюдаются, например, прз эпзргяп порппя 123,5 Дз (г.'азса л скорость поршня ровны 4,9 кг п 7,1 м/с).

Оттгд уотапозгзпо, что при постоянной энергии поршня мак-сгг:^ль':сл глйгггуда тапульса сиги з инструменте в зависимости от

соотно-

5 { *

ч >Сг2

} У

ШУ

Г

о ю

0,1 ОА

а

0,6.

ол

■5

-и

К3 л. \г

г5

Ьо

12 но* с

т

ч

ю

5

гТЩс

Рис. 5. Осциллограммы импульсов, полученные в инструменте

при передаче энергии поршня через столб масла: скорость поршня - 1...2.8 м/с; 2...4,0 м/с; 3...5,0 м/с; 4...6,1 м/с; 5...7,1 м/с; соотношения диаметров промежуточного элемента и хвостовика 1-1;

П - а,8; Ш - 0,7 ; И - 0,6; У - 0,5

шения диаметров промежуточного элемента (иди итога поргня) к хвостовика изменяется по линейному закону, описываешь вависй-мостью

/ 01 / ,02 ИЛИ / ~ (А1 / А2)1/2

или Г2 = Г1 (А1 / Аг)1/2,

отсюда Г-г - Н % / £2) . (19)

где А1, Аг - сечения промежуточного элемента (малого поршня) и хвостовика инструментабольшого поршня). _

То обстоятельство, что шллнтуда икпульса сшш зависит от соотношзния диаметров тел, ыожду ко торили заплачен столб гздко-сги, доказывает возможность изионвквя её г-злзчшш в спрогги диапазоне, а следовательно, каксиыальная ьышштуда Еипудьоа снли становится управляемой, что позволяет регулировать работоспособность инструмента.

Физические процессы, происходящие в жидкости в"за^:нутой камере, при ударе объясняются свойствам падкости. Реальная жидкость содержит нерастворенный воздух.

При одинаковых диаметрах цилиндра, произауточного элемента , хвостовика инструмента, одном и том же объеме кидкости и количестве нерастворенного воздуха, постоянной энергии удара поршня промежуточный элемент при сжатия воздуха в жидкости перемещается в направлении удара на меньшув величину, поэтому максимальная амплитуда импульса в штанге больше, а его длительность меньше (см. рис. 5,1) по сравнению с промежуточным эле -ментом, у которого диаметр меньше диаметра цилиндра, а следовательно, перемещение последнего при сжатии воздуха больше при вдавливании его в жидкость ударом, и в данном случае амплитуда ударного импульса в инструменте уменьшается, а длительность его увеличивается (си. рис. 5, П-У).

Следует также учесть, что скорость звука в воздухе составляет 330 м/с, а жидкости 1440 м/с.

В идеальной жидкости отсутствует нерастворенный воздух, поэтоцу аналитические исследования показывают, что амплитуда ударного импульса силы увеличивается при уменьшении малого диа-

метра порпня и зависит от соотношения диаметров (02/01)1/2 большого и малого поршней, а в реальней жидкости содержится не-растворенный Еоздух, следовательно максимальная амплитуда ударного импульса в инструменте уменьшается с уменьшением малого диаметра порпня {промежуточного элемента) и зависит от соотношения диаметров 01/02 малого и большого поршней (рис. 6).

В зтем состоит принципиальное различие между известной аналитической закономерностью давления жидкости при ударе в замкнутом объеме и новой закономерностью, полученной экспериментальным путем.

На основании вышеизложенного можно сформулировать закономерность передачи давления жидкости при ударе следующим образом: при постоянной энергии удара поршня по жидкости максимальная амплитуда и длительность ударного импульса в буровом инструменте зависит от количества содержащегося в жидкости нераст-воренного воздуха, от различных скоростей звука в воздухе и

жидкости и от соотношения диаметров тел ^¡У^з» между которыми в замкнутой камере заключена жидкость, при этом амплитуда импульса силы изменяется по линейное закону (рис. 7).

В пятой главе исследованы основные параметры пневматических механизмов:

- с ударной системой поршень-промежуточный элемент-воздушный зазор-инструмент;

- с ударной системой поршень-промежуточный элемент-столб жвдкости-инструмент.

Исследованы нормальные напряжения в резьбовых соединениях при одновременном действии крутящего момента, осевого усилия подачи и двойном соударении тел.

Исследовано предельное напряженное состояние элементов резьбовых соединений в реальных условиях их работы для расчета на прочность деталей соединительных узлов.

Исследованиями получены зависимости для определения на -пряжений изгиба в элементах резьбовых соединений при одновременном действии крутящего момента, осевого усилия подачи и ударной нагрузки.

±8

16 11

и 10

8 6

1,0 1,2 1,4 1,6 м 2,0 02/ 0,

Рис. 6. Закономерности передачи давления жидкости в замкнутой камере 5 1 - закономерность, полученная на основе закона Паскаля; 2 - закономерность, полученная на основе теории Жуковского (идеальная жидкость); 3 - новая закономерность, полученная опытным путем (реальная жидкость)

1,0 08 0,6 О,М01/0г

Рис. 7. Новая закономерность передачи давления жидкости в замкнутой камере при ударе: 1,2- закономерности, полученные на основе опытов; 3, 4 - закономерности, полученные на основе расчетов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе изложены научно обоснованные тех-, нические решения, заключающиеся в разработке и исследовании новых схем ударных механизмов, основанных на использовании жидкости и промежуточного элемента, и создание на их основе новых механизмов ударного действия, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.

Основные научные и практические результаты заключаются в -следующем.

1) Разработаны новые ударные механизмы с использованием жидкости в качегтве промежуточного тела, передающего ударные импульсы от поршня-ударника в буровой инструмент, что позволяет увеличить технический.ресурс инструмента и свай за счет форми-

рования силовых импульсов рациональной форьи и сшхеши напря-" жений.

2) Разработан ударный механизм с использованием промеку-* точного элемента, установленного с зазором относительно хвостовика, ^позволяющий увеличить частоту ударов в два раза, изменить форму ударного импульса и снизить осевую ударную нагрузку в инструменте за счет деления энергии удара на части.

3) Введение в структуру механизмов ударного действия промежуточного жидкостного элемента позволяет управлять аашгаудой и длительностью ударного импульса .силы, не ухудпая параметров ударной системы; увеличить частоту удара в два раза при использовании промежуточного элемента, опирающегося на вдцкость; исключить волны изгиба в хвостовике бурового инструмента, постольку кидкость разномерно распределена по всему торцу хвостовика; снизить уровень шума; передавать больше энергии удара как по ставу штанг малого диаметра, так и по сваям; защитить от отраженных ударных импульсов сил детали бурильной малины и колота.

4) Введение в структуру ударных механизмов промежуточного элемента, установленного с зазором относительно хвостовика инструмента, позволяет увеличить частоту ударов в два раза, изменить форму и длительность импульса силы за счет величины зазора, а также управлять амплитудой первого и второго ударных импульсов за счет различных масс (сечений) поршня и промежуточного элемента.

5) Разработаны новые методики расчета механизмов с различными ударными системами, а также методика расчета напряжений в элементах соединительных узлов при одновременном действии круг тящего момента, осевого усилия подачи и двойном соударении тел.

6) Основные результаты защищаемых положений апробированы на строительных объектах в г. Комсомольске-на-Амуре.

Экономический эффект от внедрения результатов настоящего исследования в практику строительных работ составил 524 штн.р. на 10 дизель-ыолотов (сушарннй экономический расчет составлзн по ценам на апрель 1995 года).

Основные полевения диссертации опубликованы в следующи" работах:

1. Определение напряжений в буровых штангах при продольном ударе в зазисшости от параметров пневматического ударного узла // Изв. ВУЗов. "Горный журнал".- 1972.- Н 3.- С. 83-84 (соавтор Горбунов В.Ф.).

2. Распределение амплитуды напряжений в ставах штанг при вращательно-ударном бурении. Сб. Техн. прогресс в машиностроении: Докл. 1У научн.-техн. конф.. - Томск, 1972. - 276-278 (соавторы Горбунов В.Ф., Бойков В.В. и др.).

3. О причинах снижения эффективности ударно-поворотного бурения составным буровым ставом. Сб. "Техн. прогресс в машиностроении: Докл. 1У научн.-техн. конф. - Томск, 1972. - С. 278-281 (соавтор Горбунов В.Ф.).

4. Напряжения в элементах резьбовых соединений буровых штанг при продольном ударе // Пробл. созд. и внедрения самоход, бур. установок: Тез. докл. 1 Всесоюз. науч. конф. 24-27.сент. -Фрунзе, 1974. - С. 183 (соавторы Горбунов В.Ф., Шубович С.И.).

5. Методика и результаты исследований передачи ударного импульса по ставу буровых штанг // Пробл. созд. и внедрен, самоход. бур. установок: Тез. докл. 1 Всесоюз. науч. конф. 24-27 сент.- Фрунзе, 1974. - С. 194 (соавторы Горбунов В.Ф., Шубович С.И. и др.).

6. Напряжения в элементах резьбовых соединений при довинчивании буровых штанг в процессе нанесения ударов // Пробл. созд. и внедрен, самоход, бур. установок: Тез. докл. 1 Всесоюз. науч. конф. 24-27 сент,- Фрунзе, 1974. С. 194-195 (соавторы Горбунов В.Ф., Шубович С.И.).

7. Расчет осевой нагрузки, возникающей в резьбовых соединениях буровых штанг в процессе нанесения ударов // Пробл. созд. и внедр. самоход, бур. установок: Тез. докл. 1 Всесоюз. науч. конф. 24-27 сент.- Фрунзе, 1974. - С. 202-203.

8. Расчет параметров пневматических ударных узлов и амплитуды напряжений сжатия в буровых штангах при продольном ударе по номограммам // Изв. ТЛИ. - Томск, 1975. - Т. 265. - С. 84-88 (соавторы Горбунов В.Ф. и др.).

9. Результаты исследований передачи ударного импульса от поршня-ударника через промежуточный элемент, столб жидкости и инструмент U 1Y Симпозиум по динамике виброударных систем: Тез. докл. - М., 1978. - С. 71-72 (соавторы Паладин Н.М., Кулик А.И.).

10. Пути повышения частоты ударов машин ударного действия // 1Y Симпозиум по динамике вибоударных систем: Тез. докл. -М., 1978. - С. 70.

11. Исследования напряжений в элементах резьбовых соединений при вращательно-ударном бурении: Автореф. дис. канд. техн. наук. - 1378; - с. 20.

12. Расче'т ударной системы, позволяющей изменить форму ударного импульса и снизить осевую ударную нагрузку // Физ.-Техн. пробл. разраб. полезн. ископ. - 1983. - N 2. - С. 52-53 (соавторы Петров А.Н., Логинов В.Н.).

13. Закономерность передачи давления жидкости при ударе // Изв. ВУЗов. Горный журнал. - 1988. - N 9. - С. 66-68.

14. Формирование ударных импульсов в буровом инструменте при двойном соударении тел с учетом взаимодействия инструмента с горной породой // Физ.-Техн. пробл. разраб. полезн. ископ. -1993. - N 6. - С. 39-46 (соавтор Хорьков В.А.).

15. Методика расчета нормальных напряжений в резьбовых соединениях при одновременном действии крутящего момента, осевого усилия подачи и двойном соударении тел // Вестник КнАГТУ. -1996. - С. 32-35.

16. Исследование предельного напряженного состояния элементов резьбовых соединений в условиях эксплуатации // Вестник КнАГТУ. - 199G. - С. 35-33.

17. A.c. 34I93I СССР, МКИ Е 2IC 3/20. Вращатель бурильных машин / В.Ф.Горбунов, А.С.Сердечный, Л.А.Саруев, А.Ф.Зйлер -4с.: ил.

18. A.c. 473812 СССР, МКИ Е 2IC 3/20. Вращатель подающего механизма/ А.С.Сердечный, - 4 е.: Ил.

19. A.c. 494128 СССР, МКИ Е 2IC 3/20. Амортизатор для ударного механизма бурильных машин / А.С.Сердечный - 4 с.: ил.

20. A.c. 512286 СССР,МКИ Е 2IC 3/20. Пневмоударный механизм/ A.C.Сердечный - 4 е.: ил.-

21. A.c. 59S0S2 СССР, МКИ Е 2IC 3/20. Врэдатель бурлльгах аггия / A.C.Сердечный, A.C.Горбков - 4 е.: ял.

22. A.c. 564413 СССР, МКИ Е 210 3/20. бурильная малина / Л.С.СзрдзчшД -4с.: пл.

23. A.c. 597825 СССР, 1ЖИ Е 2IC 3/20. Бурильная мапишг / А.С.СзрдэчшЗ - 4 е.: ил.

24. A.c. 883391 СССР, ГШ S 2IC 3/20. Буроват голозка ударгго-погоротного дейстахт/А.С.Сэрд.-:, n.M.Паладин - 4 с. : пл.

25. A.c. 964128 СССР,МКИ Е 3/20. Гидроударннй механизм / А.С.СврдзчинЗ, В.Н.Иолодых - 4 с. : ил.