автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Аэродинамическое позиционирование бойка пневмоперфоратора со сдвоенным ударником повышенной эффективности

На правах рукописи

НЕПРАН МИХАИЛ ЮРЬЕВИЧ

АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ БОЙКА ПНЕВМОПЕРФОРАТОРА СО СДВОЕННЫМ УДАРНИКОМ ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

17 ОКТ 2013

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ-2013

005535085

005535085

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Юнгмейстер Дмитрий Алексеевич

Официальные оппоненты:

Ушаков Леонид Семенович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Государственный университет-учебно-научно-

производственный комплекс», кафедра подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин, профессор

Кабанов Олег Васильевич кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», кафедра транспорта и хранения нефти и газа, доцент

Ведущая организация - ФГБУН «Институт Проблем Машиноведения» РАН.

Защита состоится 30 октября 2013 г. в 16 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» но адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-ая линия, д.2, ауд. 7212

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный»

Автореферат разослан 30 сентября 2013 г.

// -

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ - х V' ФОКИН

диссертационного совета ¿/¿у Андрей Сергеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Горно-добывающие предприятия с высоким уровнем экономической обеспеченности, например, такие, как ОАО «Апатит», при наращивании объемов производства в последние годы находят возможность покупать лучшие образцы зарубежной горной техники и в том числе буровой, цена которых значительно превосходит цены отечественных аналогов. Это создает условия восстановления производства отечественных образцов буровой техники. С этой целью необходимо проводить исследования для создания новых буровых технологий и образцов отечественной буровой техники, эффективность которых обоснована теоретически и подтверждается экспериментально. Так, например, в настоящее время совершенствование конструкций переносных перфораторов (ПП-54, ПП-63 и др.), позволяет повысить производительность бурения в сравнении с образцами традиционной компоновки, снизить уровень шума и вибрации, что сделает их конкурентоспособными с западными образцами, например, пневматическими бурильными головками шведских производителей (BBD 94-DSI фирмы Atlas Copeo).

В настоящее время некоторые иностранные производители продолжают совершенствовать процесс бурения, используя пневматические буровые головки и погружные пневмоударники, малогабаритные передвижные компрессоры с повышенным рабочим давлением (2,5 МПа и более). Для перехода на указанную выше технологию отечественных производителей горных машин необходимо проведение теоретических, экспериментальных и опытно-конструкторских работ по модернизации существующих и созданию новых образцов буровой техники.

Значительный вклад в теорию и практику разработки и исследований ударных систем внесли Иванов К.И., Алимов О.Д., Асатур К.Г., Загривный Э.А., Кантович Л.И., Красников Ю.Д., Кривцов A.M., Нагаев Р.Ф., Подэрни Р.Ю., Соколинский В.Б., Ушаков Л.С., Шелковников И.Г. и др.

Модернизированные перфораторы со сдвоенной ударной системой, базирующиеся на унифицированных узлах, имеют

повышенную скорость бурения, в сравнении с аналогами традиционной компоновки, и позволяют увеличить стойкость бурового инструмента, что снижает себестоимость бурения.

Целью работы является увеличение скорости бурения пневматических бурильных головок за счет совершенствования процесса дребезга, при позиционировании бойка в ударной системе «поршень-боек-инструмент» с организацией воздушных потоков в стволе перфоратора.

Идея работы: организация потоков сжатого воздуха в стволе пневматического перфоратора позволяет управлять положением бойка в ударной системе «поршень - боек - инструмент» и создать рациональные условия протекания процесса дребезга.

Защищаемые научные положения.

1. На основе математической модели потока воздуха в стволе пневмоперфоратора с ударной системой «поршень-боек-инструмент» установлено, что для гарантированного протекания процесса дребезга бойка между поршнем и инструментом перепад давлений воздуха, действующих на боек со стороны поршня и инструмента, должен быть не менее 0,1 МПа, режим истечения воздуха - докритический, а внутренняя полость бойка - иметь вид диффузора.

2. Экспериментально установлено, что в пневматических бурильных головках с ударной системой «поршень - боек - инструмент» с внутренней полостью бойка в виде диффузора обеспечивается аэродинамическое позиционирование бойка перед ударом, что приводит к устойчивому процессу дребезга бойка с формированием обобщенного ударного импульса, состоящего из серии подимпульсов, и увеличению скорости бурения на 25% и снижению уровня шума на 8%.

Основные задачи исследований:

1. Провести анализ способов и технических средств ведения буровых работ.

2. Разработать математическую модель процесса движения воздуха в ударных системах пневматических бурильных головок.

3. Разработать методику расчета параметров воздушного потока в элементах ударных систем "поршень - боек - инструмент" для аэродинамического позиционирования бойка.

4. Выполнить экспериментальные исследования на стендах и в производственных условиях основных параметров модернизированных перфораторов со сдвоенным ударником.

5. Разработать конструкцию модернизированного перфоратора и определить его рациональные параметры по алгоритмам, учитывающим динамические процессы ударной системы.

Методы исследований

Для решения поставленных задач был выбран комплексный метод исследований, включающий анализ выполненных ранее научных исследований, математический анализ, результаты которого сопоставлялись с данными, полученными при проведении лабораторных и промышленных экспериментов, математическое моделирование (определение рациональных параметров пневматических бурильных головок), физические эксперименты на стендах и опытно-промышленные исследования по совершенствованию конструкций буровой техники.

Научная новизна заключается в разработке математической модели процесса движения воздуха в ударной системе «поршень-боек-штанга» перфоратора; установлении закономерностей изменения параметров потока воздуха при прохождении ствола пневмоперфоратора от формы сечения бойка и величин давления воздуха на его торцы; определении зависимостей изменения скорости бурения и уровня шума перфоратора со сдвоенным ударником от крепости породы и типа ударной системы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, подтверждается использованием апробированных математических методов, фундаментальных положений используемой теории удара и аэродинамики, удовлетворительной сходимостью результатов аналитических и экспериментальных исследований на стендах и в рудничных условиях, а также достаточным объемом

экспериментальных исследований в условиях Кировского рудника ОАО «Апатит».

Практическая ценность. Разработанная методика позволяет рассчитывать параметры воздушных потоков и параметры узлов ударных систем пневматических бурильных головок со сдвоенными ударниками. Конструкция перфоратора с аэродинамическим позиционированием бойка и разделенным ударником позволяет повысить скорость бурения на 20-30% и снизить уровень шума на 8 %. Разработаны конструктивные параметры для создания ручного перфоратора с ударной системой со сдвоенным ударником.

Реализация результатов работы

Конструкторская документация на основе принципиально новых схем средств бурения используются в ОАО «Апатит».

Компоновочные схемы и методика расчета пневматической буровой головки с аэродинамическим позиционированием бойка используется Западно-уральским машиностроительным концерном для разработки серийного образца перфоратора.

Методика для расчета параметров пневматических бурильных головок и пакеты компьютерных программ используются в учебном процессе Горного университета для укрупненной группы специальностей «Горное дело»

Апробация работы

Результаты работы обсуждались: на семинаре ИПМАШ РАН 2010 г.; на 9, 10 и 11-ой Международной конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», г. Воркута (2011, 2012, 2013 гг.), на IV и V Международном семинаре «Ударные, вибрационные машины», ОрелГТУ, г. Орел (2010, 2013гг.); на кафедре "Горные машины и оборудование" МГГУ и на Международной конференции «Неделя горняка», г. Москва (2010, 2011, 2012, 2013 гг.), на 3 Международной конференции по проблемам рационального природопользования, г. Тула (2010 г.), на кафедре КГМ и ТМ ГЭМФ СПГГИ (2010, 2011гг.) и на кафедре Машиностроения Механического Факультета (2012, 2013 гг.), на НТС ОАО «Апатит», г. Кировск (2011 г.).

Личный вклад автора диссертационной работы состоит:

- в разработке математической модели и алгоритма расчета параметров потоков воздуха в различных конструкциях перфораторов для установления условий аэродинамического позиционирования бойка;

- в разработке методики расчета основных параметров ударной системы пневомперфоратора со сдвоенным ударником;

- в проведении лабораторных и рудничных испытаний модернизированных перфораторов, подтверждающих рост скорости бурения;

- в обосновании конструкции перфоратора со сдвоенным ударником.

Публикации

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 13 статьях и тезисах докладов, в том числе 5 статей опубликованных в печатных изданиях, входящих в перечень ВАК, по теме диссертации получены 4 патента РФ. Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 84 наименований. Материал диссертации изложен на 123 страницах, включает 9 таблиц, 34 рисунка, 2 приложения. Во введении дается общая характеристика работы. В главе 1 приведен анализ тенденций совершенствования буровых технологий, техники и методик расчета основных параметров.

В главе 2 изложены теоретические основы формализованного процесса передачи ударного импульса и процесса протекания воздуха в пневматических перфораторах со сдвоенным ударником.

В главе 3 содержатся результаты лабораторных, стендовых и промышленных исследований пневматических бурильных головок по изучению параметров систем "поршень - боек - инструмент".

В главе 4 рассматриваются рудничные испытания опытных образцов перфораторов и перспективы по созданию новых образцов

таких устройств, а также методика определения экономической эффективности их применения.

В заключении приводятся общие выводы и рекомендации.

Автор выражает искреннюю благодарность профессору Горного университета Бричкину В.Н и с.н.с. СПбГУ Судьенкову Ю.В. за консультации при работе над диссертацией, а также всем соавторам совместных исследований.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. На основе математической модели потока воздуха в стволе пневмоперфоратора с ударной системой «поршень-боек-инструмент» установлено, что для гарантированного протекания процесса дребезга бойка между поршнем и инструментом перепад давлений воздуха, действующих на боек со стороны поршня и инструмента, должен быть не менее 0,1 МПа, режим истечения воздуха - докритический, а внутренняя полость бойка - иметь вид диффузора.

В работах Нагаева Р.Ф., Юнгмейстера Д.А. и Пивнева В.А. при исследовании ударных систем «поршень - боек - штанга» установлен факт протекания процесса высокочастотных колебаний бойка (элемента малой массы) в сужающемся зазоре между сближающимися поршнем и штангой, названного процессом «дребезга».

Потоки сжатого воздуха, проходящие по каналу ствола пневматического перфоратора, как показали натурные испытания, оказывают существенное влияние на процесс «дребезга» в ударной системе «поршень - боек - инструмент». Так при использовании бойка без расширения внутреннего канала, воздух, проходящий по внутреннему сечению бойка попадая в зазор между бойком и хвостовиком буровой штанги, практически не оказывает своего влияния на торцевую часть бойка со стороны штанги. В свою очередь, воздух, проходящий через шлицевые зазоры между корпусом перфоратора и поршнем - ударником из камеры обратного хода, воздействует на торцевую часть бойка со стороны ударника и перемещает его к буровому инструменту, нарушая тем самым начальные условия возникновения эффекта «дребезга».

Аэродинамическое позиционирование бойка в ударной системе со сдвоенным ударником производится непосредственно во время рабочего хода поршня - ударника пневмоперфоратора. В это время воздух подается из воздушной магистрали в рабочую полость и в воздушную трубку перфоратора (продувка шпура). Поршень-ударник, двигаясь в сторону бурового инструмента, создает в камере обратного хода воздушную подушку с определенным давлением воздуха, который, в свою очередь, через шлицевые зазоры попадает в ствол перфоратора и воздействует на боек с определенной силой. Рассмотрим это более подробно.

Основным критерием для определения режима истечения воздуха является число Маха, определяемое по формуле:

Ммаха=с1а, (1)

где с - скорость потока воздуха; а - скорость звука в воздухе. Скорость потока воздуха рассчитывается по формуле:

с = М/(Бр), (2)

где: М - массовый расход воздуха, Б - сечение воздушного канала, р - плотность воздуха.

При М иаха < 1 скорость потока воздуха является докритической, при М иаха > 1 - сверхкритической.

Для реализации аэродинамического позиционирования бойка в ударной системе «поршень - боек - инструмент» необходим докритический режим истечения воздушного потока. В этом случае в воздушном потоке, при увеличении сечения канала, происходит снижение скорости истечения, увеличение давления внутри бойка и, как следствие, увеличение силы действия воздуха на боек со стороны бурового инструмента и отодвигание его от торца буровой штанги, что приводит ударную систему в исходное состояние.

Решение данной задачи сводится решению уравнений, основанных на уравнении Менделеева - Клайперона. Расчетная схема движения потоков воздуха в перфораторе представлена на рисунке 1.

Если температуру воздуха принять постоянной, то уравнение Менделеева - Клапейрона примет вид:

РЖ = тЯв, (3)

где Р - давление в полости; ш - масса воздуха; Я, в - газовая постоянная и абсолютная температура соответственно.

После дифференцирования по времени получим:

¿1 ж

(4)

где = п Л '

суммарный расход воздуха. При изотермическом законе:

(5)

Уравнение воздушных процессов, протекающих в стволе перфоратора имеет вид:

■КГ> ^

Р2Ж2 =

с1т] (1ту

Л Л

где

dmí

""'1 - массовый расход воздуха, вытекающего из dt

полости обратного хода перфоратора в ствол перфоратора; ^ИЬ.-

dt

массовый расход воздуха, вытекающего из ствола перфоратора в атмосферу.

Массовый расход воздуха из камеры обратного хода перфоратора зависит от давления в этой полости, которое создает поршень - ударник во время рабочего хода; расход воздуха из ствола перфоратора в атмосферу зависит в свою очередь от давления в нем, то, после соответствующих преобразований, дифференциальное уравнение примет вид:

при докритическом режиме истечения воздуха (Рп/Р12>0,528):

яг

ч Л ей А

Г

/

ш 12

-0.765,

ч

ЛЬ

Л

ЛГ

при сверхкритическом режиме истечения (Ри/Р12<0,526)

(7)

Расчет параметров воздушного потока в зазорах и канале для смазки концевой буксы не производился, так как данный воздушный поток не оказывает влияния на ударную систему.

Боек совершает перемещение строго вдоль своей продольной оси. Воздух, находящийся в стволе перфоратора, воздействует только на торцевые части бойка.

Соответственно, сила действия сжатого воздуха на боек со стороны поршня составит:

(9)

где Б б - площадь бойка, а Р - давление воздуха в стволе перфоратора.

Теперь рассмотрим процессы, возникающие при прохождении потока воздуха через воздушную трубку и боек (рисунок 2).

3:м

сы

Э:«

сь

Р22

эррвь

0

1

Эя

СЬ

Рзз

Эм

СЬ Р*

Рисунок 2 - Схема внутреннего канала системы продувки перфоратора с бойком.

Расход воздуха перфоратора равен:

2„еРф=0У<)+0„Р, (Ю)

где: Руд - расход воздуха, потребляемый ударно-вращательным механизмом, м3/мин; 0>„Р - расход воздуха на продувку шпуров. Общий расход воздуха перфоратора берется из паспорта на данное изделие.

Расход воздуха на ударно-вращательный механизм пневмоперфоратора определяется по следующей эмпирической формуле:

0,уд = 1,7/)3/°'615т^°'423Р00'5, (И)

где: О - диаметр поршня - ударника, м; 1 - конструктивный ход поршня, м; гпу- масса поршня - ударника, кг; Р0 - сетевое давление воздуха, Па.

Дальнейший расчет параметров воздушного потока, протекающего через воздушную трубку и боек перфоратора, производится аналогично указанному выше способу.

Определив давление воздуха во внутреннем воздушном канале на выходе из бойка вычислим по формуле силу воздуха воздействующую на боек со стороны бурового инструмента:

(12)

где Б б - площадь торцевой части бойка, Р2з - давление воздуха на выходе из бойка. Решение полученных дифференциальных уравнений возможно только численным методом. Результаты этих вычислений приведены на рисунке 3.

Анализ полученных данных показал, что если сила действия воздуха на торец бойка со стороны поршня - ударника больше аналогичной силы, действующей на боек со стороны бурового инструмента, т.е. Р]>Р2, то в этом случае боек прижат к хвостовику бурового инструмента и процесс дребезга невозможен. В противном случае, когда Р2>Рь происходит аэродинамическое позиционирование бойка относительно бурового инструмента, приводя тем самым ударную систему со сдвоенным ударником в начальные условия.

Расчеты показывают, что в реальных условиях, при использовании бойка со ступенчатым увеличением внутреннего его диаметра, режим истечения воздуха из бойка докритический (Ммаха<1).

130 120 110 100 90 . 80 70 КО

ьо <»0 30

г 1— г:::-::;." .....Г-"--"..... .....•..... .....:..... .....!.....:

г г ^ ГИ ! ! 1 1 ............ь. I......- '.......Г.........;........... ! \ ......... \................ 1 ! 4-1—4—

„1.....1....... .......1........ !

! 1 ? \

1 ; { *................... | 1

~———_ —: — _ _ : - - - — -«г.- -Г 7 - -1 ;

N ! } 1 ; ; ! \ \ ; ! ...............1............1.............. 1 1 ! г 1 ! 1 1 1 ...... :.......; .

О 150 200 225 240 250 25? 263 26У 270 273 275 277 279 280 281 282 285 284

I, ллс

— Результирующлясидлдействии »а боен, \Jf--f-7 f 1) — • Сила действия Еи>здуха ка боек 1;осгс?роиъ1 поршни • Сила дом пи я сюздукй кй Ьлсн со страны ииегруллешл (?>)

Рисунок 3 - График сил воздействия воздушных потоков в стволе перфоратора на боек.

Боек будет отодвигаться от торца штанги при использовании центрального отверстия в бойке со ступенчатым увеличением внутреннего его диаметра от 8 до 13 мм при давлении на боек со стороны поршня не более чем 0.53 МПа (реальное давление воздуха на торец бойка со стороны поршня не должно превышать 0.5 МПа, при сетевом давлении 0.6 МПа), при этом реализуется необходимый перепад давлений воздуха, воздействующих на боек, позволяющий осуществлять позиционирование бойка в ударной системе «поршень - боек - инструмент» относительно инструмента.

2. Экспериментально установлено, что в пневматических бурильных головках с ударной системой «поршень - боек -инструмент» с внутренней полостью бойка в виде диффузора обеспечивается аэродинамическое позиционирование бойка перед ударом, что приводит к устойчивому процессу дребезга бойка с формированием ударного импульса, состоящего из серии подимпульсов, и что дает рост скорости бурения на 25% и снижение уровня шума на 8%.

Основываясь на первом научном положении данной диссертационной работы, с целью экспериментального

подтверждения возникновения дребезга в ударной системе «поршень - боек - инструмент» проведены как лабораторные, так и натурные экспериментальные исследования.

Лабораторные исследования проводились на специально разработанном для этих целей стенде, внешний вид которого приведен на рисунке 4.

На рисунке 5 показаны осциллограммы, полученные по показаниям пьезодатчиков вышеуказанного стенда, где фиксировалось электрическое напряжение (V), генерируемое пьезодатчиками, пропорциональное механическому напряжению в штанге стенда при различных режимах ударного воздействия.

Рисунок 5 - Осциллограммы импульсов одиночного удара поршня (1) стандартной ударной системы и системы «поршень-боек-инструмент» (2).

Сравнение осциллограмм импульсов одиночного удара поршня стандартной ударной системы и ударной системы «поршень - боек - инструмент» показало, что площадь, а значит и ударный импульс, который передается в штангу и далее в забой в последнем случае больше. Как видно из рисунка 5 форма ударного импульса с применением ударной системы «поршень - боек - инструмент» изменяется, появляются дополнительные всплески ударных импульсов.

За один рабочий ход поршня при многократном соударении поршня и бойка в сужающемся зазоре между поршнем и штангой в последней возбуждается сложная волна напряжения, представляющая собой совокупность многократного воздействия

1

бойка на штангу в результате процесса дребезга. Также видно, что датчик от ударов бойка фиксирует короткий импульс (40 микросекунд), затем 4-5 импульсов отличающиеся амплитудой и длительностью, которые объединяются на графике огибающей. Ударный процесс в системе «поршень - боек - инструмент» имеет более широкий спектр ударной нагрузки и, соответственно, при воздействии на породу должно вызвать интенсификацию ее разрушения.

Таким образом, ударная система «поршень - боек -инструмент» обладает повышенным количеством ударных импульсов по отношению к стандартной системе за один рабочий ход поршня - ударника и передает большее количество энергии инструменту. Для проведения натурных исследований на основе стандартного пневматического перфоратора ПП-54С2М, разработана, запатентована и прошла натурные испытания на территории Кировского рудника ОАО «Апатит», конструкция пневматического перфоратора с системой управления давления воздуха в стволе перфоратора и бойком с расширяющимся сечением внутреннего воздушного канала (рисунок 6).

Представленный на испытания заводской перфоратор соответствовал требованиями ТУ, а модернизированные узлы для него изготавливались в ОАО «Апатит».

Отличие модернизированного перфоратора с ударной системой «поршень - боек - инструмент» от стандартного перфоратора заключается в дополнительном отверстии в стволе перфоратора в зоне контакта поворотной и хвостовой букс, удлиненной воздушной трубке с оголовком из стали 40Х, бойком, изготовленным из хвостовика штанги фирмы БапсМк и имеющий ступенчатую форму внутреннего воздушного канала.

Первоначальный зазор между штангой и бойком выдерживался в интервале 1,5- 3 мм путем регулирования длины воздушной трубки за счет установки дистанционных стальных, резиновых и полиуретановых шайб и прокладок в торце перфоратора в месте крепления воздушной трубки к корпусу.

Бурение производилось перфоратором со стандартной пневмоподдержкой без, приложения дополнительных усилий на

забой со стороны бурильщика. Сетевое давление воздуха - 0.5 МПа. Использовались призатупленные коронки КТШ-40, отрабатывались 3 шпура в серии однотипных испытаний по 30 секунд непрерывного бурения для получения усредненных и достоверных значений скорости бурения. Обработка результатов экспериментальных исследований показала, что наличие бойка в конструкции перфоратора позволило увеличить скорость бурения с 4,82 мм/с до 7,45 мм/с.

На рисунке 7 представлен график изменения скорости бурения от крепости породы для перфораторов стандартной (1), модернизированной (2) конструкций, а также теоретическая скорость бурения (3), рассчитанная по зависимости Иванова К.И.

12.8

П,£

1С,«

£ 3.8

I

« 8.8

X

X

О; 7,3

«о

I ЬЛ

а.

о

б 5,3

1.8

3,3

2,3

123456789 Ш Крепость породы

— ■ ПЛ-54С2 (1) -Г|11-54С2М(г| —- УЦ50Ау*<<!/(0'СГП р)

Рисунок 7 - Скорость бурения в зависимости от крепости породы и типа перфоратора.

Разница скоростей бурения стандартным и модернизированным перфораторами составляет, в среднем, 25%. Наибольшие скорости бурения получены на модернизированном перфораторе при соблюдении первоначального зазора между штангой и бойком 2 мм.

Также производился сравнительный замер акустического давления шума при работе опытного образца по сравнению со стандартным пневматическим перфоратором. Анализ рисунка 8

\ \ \...................

\ \ з V

\ \ \ 1 .2 "V

' X >

4 •

Камера обратного хода перфоратора

Б«

Выход в атмосферу Р13/0~~

Концбвая букса перфоратора

Поршень

Камера в стволе перфоратора

Рисунок 1 - Расчетная схема движения воздушных потоков в перфораторе.

Рисунок 4 - Лабораторный стенд для исследования ударного импульса.

fyk^l CL^&JX 2L.

Рисунок 6 - Схема конструкции пневматического перфоратора с ударной системой «поршень-боек-инструмент» с управлением давлением

сжатого воздуха в стволе перфоратора и бойком с расширяющимся внутренним воздушным каналом. 1,2 - инструмент; 3 - корпус; 4 - поршень; 5 - боек; 6 - воздушная трубка; 7 - вентиль; 8-11 - детали перфоратора; 14 -прокладка бойка;

16 - торец штанги.

dB 100. 90. 8070. 60. SO-40. 30-

0CTAVI 1/1

2Hz

Г"

l€Hz

1kHz

Cursor: t[15]=Total Lev=103. Sdl

OCTAVE 1/1

100

16 Hz 125Hz

f[15]=Total Lev=101.4dB

8kHz local

Рисунок 8 - Уровень акустического давления при циклическом режиме работы перфоратора. А) - стандартный перфоратор; Б) - перфоратор

с ударной системой «поршень - боек - инструмент».

показал, что перфоратор, оснащенный ударной системой «поршень - боек - инструмент» обладает меньшим, по сравнению со стандартным перфоратором, акустическим давлением.

Это является подтверждением демпфирования отраженных волн к забою и смещением спектра в высокочастотную область. Другими словами, ударная система «насыщает» штангу и забой напряжениями повышенного уровня, при этом дребезг бойка не пропускает переотраженные волны из штанги, полученные от забоя, на корпус перфоратора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, содержится решение задач по расширению области использования отечественных пневмоперфораторов с улучшенными параметрами, обоснованию новых компоновок и конструкций бурильных головок, определению рациональных параметров ударных систем с использованием предложенной математической модели и методик, что имеет существенное значение для совершенствования теории буровых машин и для повышения эффективности их использования.

Основные научные и практические выводы, сделанные в результате выполненных исследований, заключаются в следующем:

1. Разработаны математическая модель и методика расчета сдвоенного ударника (ударной системы «поршень - боек -штанга»), позволяющие описать условия возникновения дребезга, повышающего КПД удара, включающие расчет условий и параметров воздушного потока для обеспечения аэродинамического позиционирования бойка.

2. Теоретически и экспериментально доказано, что предварительный зазор между бойком и торцом штанги гарантирован при выполнении бойка с расширяющимся внутренним сечением и перепадом давления на торце бойка не менее 0,1 МПа.

3. Экспериментально доказано, что удар поршнем-ударником в случае, когда между штангой и поршнем находится боек, дает семейство «Л-образных» импульсов, суммарная энергия

которых превышает энергию колоколообразного импульса от удара обычным поршнем равновеликой массы.

4. Выбор рациональной конструкции пневмоударника для заданных условий эксплуатации целесообразно осуществлять на основе моделирования работы пневматической бурильной головки по разработанным методикам, что позволяет увеличить скорость бурения на 25 % при снижении уровня шума.

5. Разработаны конструкции пневматических бурильных головок, защищенные 4 патентами, в которых гарантирован дребезг бойка и повышенная скорость бурения.

6. На основе лабораторных исследований разработаны параметры и конструкция ударной системы ручного перфоратора.

7. Разработанные компьютерные программы и методики расчетов используются в учебном процессе Горного университета, приняты к внедрению в Западно-уральском машиностроительном конценрне.

Основные результаты диссертации представлены в следующих работах:

1. Цыгельнюк, Е.Ю. Опыт использования тампонажной смеси в карьерах ОАО «Апатит»/ Е.Ю. Цыгельнюк, А.Н. Рыжков, М.Ю. Непран // Горный журнал. - 2009. - №9. -С. 3738.

2. Погрузочные устройства с лапами активного действия/ Д. А. Юнгмейстер [и др.] // Горное оборудование и электромеханика. - 2010. - №7. -С. 5-8

3. Экспериментальное и теоретические исследования перфоратора с ударной системой «поршень - боек -инструмент»/ М.Ю. Непран [и др.] // Горное оборудование и электромеханика. - 2011. - №7. -С. 9-14

4. Иследование конструкции устройства для бурения скважин плоского сечения в подземных выработках/ Д.А. Юнгмейстер [и др.] // Горное оборудование и электромеханика. -

2011.-№6. -С. 42-43

5. Разработка погрузочных устройств с лапами активного действия / Г.В. Соколова [и др.] // Записки Горного института. -

2012.-Т. 196. -С. 266-270.

6. Результаты исследования перфоратора ПП-54 с ударной системой «поршень-боек-инструмент» с аэродинамическим позиционированием бойка./ М.Ю. Непран [и др.] // Материалы IV международного научного симпозиума, 1-3 июня 2010 года. Орел. -С. 90-96.

7. Промышленные испытания модернизированного перфоратора ПП-54 с ударной системой «поршень-боек-штанга/ Д.А. Юнгмейстер [и др.] // 3 Международная конференция по проблемам рационального природопользования, 8-10 июня 2010 года. Тула.- С. 102-104.

8. Исследование удержания бойка за счет выбора режимов воздушного потока через перфоратор// М.Ю. Непран [и др.] // 11-я Международная научно-практическая конференция «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», Воркутинский горный институт (филиал) ФГБ ОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». Воркута. 2013. -С. 449-454.

Патенты и заявки на изобретение:

1. Патент №2296850. Перфоратор / Юнгмейстер Д.А., Пивнев В.А., Соколова Г.В., Лукашов К.А., Непран М.Ю., Бурак А.Я. // - Опубликовано: 2007, Бюл. №10.

2. Патент №2407875. Устройство для бурения скважин некруглого сечения/ Юнгмейстер Д.А., Пивнев В.А., Соколова Г.В., Непран М.Ю., Свинин B.C., Игнатьев С.А., Руденко Г.Н// Опубликовано: 27.10.2010.

3. Патент №2444602. Перфоратор / Юнгмейстер Д.А., Пивнев В.А., Соколова Г.В., Непран М.Ю., Васильева М.А., Васильев А.Ю., Руденко Г.В.// Опубликовано: 12.03.2012.

4. Патент №2467172. Погрузочный орган активного действия / Юнгмейстер Д.А., Соколова Г.В., Непран М.Ю., Васильева М.А., Васильев И.А., Руденко Г.В., Иванов A.B.// Опубликовано: 10.07.2012.

РИЦ Горного университета. 27.09.2013. 3.510. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессоинального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

04201364367

НЕПРАН МИХАИЛ ЮРЬЕВИЧ

АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ БОЙКА ПНЕВМОПЕРФОРАТОРА СО СДВОЕННЫМ УДАРНИКОМ ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Специальность 05.05. Об - Горные машины

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. Юнгмейстер Д.А.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ...................................................................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ И МЕТОДИК РАСЧЕТА ПНЕВМАТИЧЕСКИХ БУРИЛЬНЫХ ГОЛОВОК......................................................................................9

1.1 Анализ перспектив использования бурильных головок в горнодобывающей промышленности.......................9

1.2 Направления совершенствования пневматических бурильных головок.............................................................11

1.3 Анализ направлений создания новых конструкций пневмоперфораторов.......................................................17

1.4 Анализ методик выбора оптимальных параметров и режимов работы буровой техники................................22

1.4.1 Определение производительности буровых машин.........................................................................................22

1.4.2 Анализ методик расчета ударной системы буровых машин.............................................................................25

1.4.3 Методы определения КПД передачи удара.......................................................................................................28

1.5 Постановка задач исследования............................................................................................................................33

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ В СТВОЛЕ ПЕРФОРАТОРА ДЛЯ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ БОЙКА В УДАРНОЙ СИСТЕМЕ «ПОРШЕНЬ - БОЕК - ИНСТРУМЕНТ»..................................................................................................34

2.1 Ударная система «поршень - боек - инструмент»................................................................................................34

2.2 Предварительное исследование скоростных характеристик бойка....................................................................36

2.3 Определение величины ударного импульса.........................................................................................................40

2.4 Модель сдвоенного поршня - ударника................................................................................................................42

2.5 Позиционирование бойка в ударной системе «поршень - боек - инструмент» за счет выбора режимов воздушного потока, проходящего через ствол перфоратора....................................................................................48

Выводы по главе 2........................................................................................................................................................58

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УДАРНЫХ СИСТЕМ.............................59

3.1 Лабораторные и стендовые исследования ударных систем и устройств............................................................59

3.2 Стендовые исследования ударного импульса ударной системы «поршень - боек - инструмент»..................62

3.3 Промышленные испытания перфоратора ПП-54..........................................................................................67

Выводы по главе 3........................................................................................................................................................84

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ПЕРФОРАТОРА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ..................................................................86

4.1. Обоснование конструкции пневматических модернизированных перфораторов со сдвоенным ударником86

4.2 Разработанные конструкции пневматических перфораторов и вспомогательных устройств............................87

4.3 Предполагаемый экономический эффект от внедрения пневматических перфораторов с ударной системой «поршень - боек - инструмент»..................................................................................................................................90

4.3.1 Составление карты технического уровня для модернизированного пневматического перфоратора /7/7-63С2 и его аналогов......................................................................................................................................................90

4.3.2 Расчет себестоимости бурения шпуров на проходке восстающих выработок.................................................98

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................................................................102

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................................................................104

ПРИЛОЖЕНИЕ 1...................................................................................................................................113

ПРИЛОЖЕНИЕ 2...................................................................................................................................122

ВВЕДЕНИЕ

Горно-добывающие предприятия с высоким уровнем экономической обеспеченности, например, такие, как ОАО «Апатит», при наращивании объемов производства в последние годы находят возможность покупать лучшие образцы зарубежной горной техники и в том числе буровой, цена которых значительно превосходит цены отечественных аналогов. Это создает условия восстановления производства отечественных образцов буровой техники. С этой целью необходимо проводить исследования для создания новых буровых технологий и образцов отечественной буровой техники, эффективность которых обоснована теоретически и подтверждается экспериментально. Так, например, в настоящее время совершенствование конструкций переносных перфораторов (1111-54,1111-63 и др.), позволяет повысить производительность бурения в сравнении с образцами традиционной компоновки, снизить уровень шума и вибрации, что сделает их конкурентоспособными с западными образцами, например, пневматическими бурильными головками шведских производителей (BBD 94-DSI фирмы Atlas Copeo).

В настоящее время некоторые иностранные производители продолжают совершенствовать процесс бурения, используя пневматические буровые головки и погружные пневмоударники, малогабаритные передвижные компрессоры с повышенным рабочим давлением (2,5 МПа и более). Для перехода на указанную выше технологию отечественных производителей горных машин необходимо проведение теоретических, экспериментальных и опытно-конструкторских работ по модернизации существующих и созданию новых образцов буровой техники.

Значительный вклад в теорию и практику разработки и исследований ударных систем внесли Иванов К.И., Алимов О.Д., Асатур К.Г., Загривный Э.А., Кантович Л.И., Красников Ю.Д., Кривцов A.M., Нагаев Р.Ф., Подэрни Р.Ю., Соколинский В.Б., Ушаков J1.C., Шелковников И.Г. и др.

Модернизированные перфораторы со сдвоенной ударной системой, базирующиеся на унифицированных узлах, имеют повышенную скорость

бурения, в сравнении с аналогами традиционной компоновки, и позволяют увеличить стойкость бурового инструмента, что снижает себестоимость бурения.

Целью работы является увеличение скорости бурения пневматических бурильных головок за счет совершенствования процесса дребезга, при позиционировании бойка в ударной системе «поршень-боек-инструмент» с организацией воздушных потоков в стволе перфоратора.

Идея работы: организация потоков сжатого воздуха в стволе пневматического перфоратора позволяет управлять положением бойка в ударной системе «поршень - боек - инструмент» и создать рациональные условия протекания процесса дребезга.

Защищаемые научные положения

На основе математической модели потока воздуха в стволе пневмоперфоратора с ударной системой «поршень-боек-инструмент» установлено, что для гарантированного протекания процесса дребезга бойка между поршнем и инструментом перепад давлений воздуха, действующих на боек со стороны поршня и инструмента, должен быть не менее 0,1 МПа, режим истечения воздуха - докритический, а внутренняя полость бойка - иметь вид диффузора.

Экспериментально установлено, что в пневматических бурильных головках с ударной системой «поршень - боек - инструмент» с внутренней полостью бойка в виде диффузора обеспечивается аэродинамическое позиционирование бойка перед ударом, что приводит к устойчивому процессу дребезга бойка с формированием ударного импульса, состоящего из серии подимпульсов, и что дает рост скорости бурения на 25% и снижение уровня шума на 8%.

Основные задачи исследований:

1. Провести анализ способов и технических средств ведения буровых работ.

2. Разработать математическую модель процесса движения воздуха в ударных системах пневматических бурильных головок.

3. Разработать методику расчета параметров воздушного потока в элементах ударных систем "поршень-боек-инструмент" для аэродинамического позиционирования бойка.

4. Выполнить экспериментальные исследования на стендах и в производственных условиях основных параметров модернизированных перфораторов со сдвоенным ударником.

5. Разработать конструкцию модернизированного перфоратора и определить его рациональные параметры по алгоритмам, учитывающим динамические процессы ударной системы.

Методы исследований

Для решения поставленных задач был выбран комплексный метод исследований, включающий анализ выполненных ранее научных исследований, математический анализ, результаты которого сопоставлялись с данными, полученными при проведении лабораторных и промышленных экспериментов, математическое моделирование (определение рациональных параметров пневматических бурильных головок), физические эксперименты на стендах и опытно-промышленные исследования по совершенствованию конструкций буровой техники.

Научная новизна заключается в разработке математической модели процесса движения воздуха в ударной системе «поршень-боек-штанга» перфоратора; установлении закономерностей изменения параметров потока воздуха при прохождении ствола пневмоперфоратора от формы сечения бойка и величин давления воздуха на его торцы; определении зависимостей изменения скорости бурения и уровня шума перфоратора со сдвоенным ударником от крепости породы и типа ударной системы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, подтверждается использованием апробированных математических методов, фундаментальных положений используемой теории удара и аэродинамики, удовлетворительной сходимостью результатов аналитических и экспериментальных исследований на стендах и в рудничных условиях, а также достаточным объемом экспериментальных исследований в условиях Кировского рудника ОАО «Апатит».

Практическая ценность. Разработанная методика позволяет рассчитывать параметры воздушных потоков и параметры узлов ударных систем

пневматических бурильных головок со сдвоенными ударниками. Конструкция перфоратора с аэродинамическим позиционированием бойка и разделенным ударником позволяет повысить скорость бурения на 20-30% и снизить уровень шума на 8 %. Разработаны конструктивные параметры для создания ручного перфоратора с ударной системой со сдвоенным ударником.

Реализация результатов работы

Конструкторская документация на основе принципиально новых схем средств бурения используются в ОАО «Апатит».

Компоновочные схемы и методика расчета пневматической буровой головки с аэродинамическим позиционированием бойка используется Западно-уральским машиностроительным концерном для разработки серийного образца перфоратора.

Методика для расчета параметров пневматических бурильных головок и пакеты компьютерных программ используются в учебном процессе Горного университета для укрупненной группы специальностей «Горное дело»

Апробация работы

Результаты работы обсуждались: на семинаре ИПМАШ РАН 2010 г.; на 9, 10 и 11-ой Международной конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», г. Воркута (2011, 2012, 2013 гг.), на IV и V Международном семинаре «Ударные, вибрационные машины», ОрелГТУ, г. Орел (2010, 2013гг.); на кафедре "Горные машины и оборудование" МГГУ и на Международной конференции «Неделя горняка», г. Москва (2010, 2011, 2012, 2013 гг.), на 3 Международной конференции по проблемам рационального природопользования, г. Тула (2010 г.), на кафедре КГМ и ТМ ГЭМФ СПГГИ (2010, 2011гг.) и на кафедре Машиностроения Механического Факультета (2012, 2013 гг.), на НТС ОАО «Апатит», г. Кировск (2011 г.).

Личный вклад автора диссертационной работы состоит:

- в разработке математической модели и алгоритма расчета параметров потоков воздуха в различных конструкциях перфораторов для установления условий аэродинамического позиционирования бойка;

- в разработке методики расчета основных параметров ударной системы пневомперфоратора со сдвоенным ударником;

- в проведении лабораторных и рудничных испытаний модернизированных перфораторов, подтверждающих рост скорости бурения;

- в обосновании конструкции перфоратора со сдвоенным ударником.

Публикации

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 13 статьях и тезисах докладов, в том числе 5 статей опубликованных в печатных изданиях, входящих в перечень ВАК, по теме диссертации получены 4 патента РФ.

Автор выражает искреннюю благодарность профессорам СПбГГИ (ТУ) Бричкину В.Н, доцентам Кабанову О.В. и с.н.с. Судьенкову Ю.В. за консультации при работе над диссертацией, а также всем соавторам совместных исследований.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ И МЕТОДИК РАСЧЕТА ПНЕВМАТИЧЕСКИХ БУРИЛЬНЫХ ГОЛОВОК

1.1 Анализ перспектив использования бурильных головок в горнодобывающей промышленности

Практика использования буровой техники в последнее время [10, 11, 25, 75] показывает, что в качестве бурильных головок все чаще применяются гидравлические бурильные головки, например, на наиболее известных буровых станках скандинавских фирм изготовителей - Симба и Соло - применяются в качестве бурильных головок гидроперфораторы типажного ряда Сор (Сор 1645 и т.д.). Однако, на вспомогательных буровых работах по-прежнему широко применяются переносные пневматические перфораторы такие, как ПП-63, ПП-54, ПТ-45, ВВД производства Швеция и т.д.[13, 39].

Использование высокопроизводительного добычного и проходческого оборудования дает возможность увеличить объемы производства и, соответственно, снизить себестоимость продукции, но имеет и достаточно серьезные недостатки, которые заключаются в следующем [19]:

1. Высокая стоимость оборудования (десятки тысяч и сотни тысяч долларов за единицу).

2. Высокая стоимость запасных частей для ремонта, и соответственно, значительные затраты на текущий и капитальный ремонты.

3. Требует высокой квалификации персонала.

4. Возможность применения данного оборудования, в основном, только в выработках большого сечения, что приводит к росту объемов горнопроходческих работ.

5. Применение гидравлических бурильных головок экономически целесообразно только при проходке выработок большого (>16 м2) сечения.

Кроме того, гидравлические бурильные головки (ГБГ) в сравнении с пневматическими бурильными головками (ПБГ) имеют следующие недостатки: требуется индивидуальная маслостанци; может происходить загрязнение рудничной атмосферы парами масла, требуются охлаждение и фильтрация масла;

качество обработки поверхности деталей, а значит и стоимость их изготовления, должны быть существенно выше, чем у ПБГ; ограничение энергии удара по условию стойкости твердосплавных вставок [75].

Кроме того, ПБГ для подземных условий имеют важные преимущества перед ГБГ: насыщение рудничной атмосферы свежим воздухом; существенно более низкая цена; простота обслуживания и ремонта. Поэтому, можно сказать, пневматические бурильные головки, в сравнении и гидравлическими, имеют меньшую техническую производительность, но, за счет своей малогабаритности, высокой ремонтопригодности, низкой стоимости и требовательности к квалификации персонала, сохраняется предпочтение использования

пневматических типов бурильных головок при проходке капитальных выработок для электровозной откатки, выработок малого сечения и восстающих и на вспомогательных работах. Кроме того, себестоимость бурения шпуров пневматическими бурильными головками в некоторых случаях может быть ниже, чем гидравлическими бурильными головками, что обуславливается высокой ценой последних и незначительной разницей в сменной производительности.

Использование отечественного, значительно более дешевого, бурового оборудования на предприятиях дает возможность снизить объем горнопроходческих работ за счет проходки выработок малого сечения, позволяет организовать работу посредством многостаночного обслуживания техники и имеет большой социальный эффект — позволяет осуществить загрузку отечественных заводов горного машиностроения, а также создать новые рабочие места в смежных отраслях.

Гидравлические и пневмогидравлические молоты [26] широко используются на проходческих комбайнах и экскаваторах и служат для разрушения крепких пород скальных и мерзлых грунтов, а также строительных материалов, расчеты таких молотов представлены в указанных работах, однако повышение их эффективности за счет использования модернизированных ударных систем не рассматр�