автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Измерение энергетических параметров и совершенствование динамики ударных систем бурильных машин

На правах рукописи

РЫНДИН Владимир Прокопьевич

ИЗМЕРЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ДИНАМИКИ УДАРНЫХ СИСТЕМ БУРИЛЬНЫХ МАШИН

Специальность 05.05.06 - "Горные машины"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Кемерово- 2004

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Кузбасский государственный технический

университет"'

Научный консультант -

доктор технических наук, профессор

Моисеев Лев Львович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Дворников Леонид Трофимович доктор технических наук, профессор

Саруев Лев Алексеевич доктор технических наук, профессор

Богомолов Игорь Дмитриевич

Ведущая организация - Институт угля и углехимии СО РАН

г. Кемерово.

Зашита диссертации состоится 23. 09.2004 года в 14 часов н заседании диссертационного совета Д 212.102.01 в Государстве образовательном учреждении высшего профессионального образ ния "Кузбасский государственный технический университет"' по адресу: 650026, г. Кемерово, 26, ул. Весенняя, 28. Факс (384-2) 36-16-87. E-mail: rvp.citm@users.kuzstu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государ ного образовательного учреждения высшего профессионального о зования "Кузбасский государственный технический университет."'

Автореферат разослан Ojt 2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Наиболее распространенным и эффективным способом разрушения горных пород средней и высокой крепости являются буровзрывные работы, которые однако требуют больших затрат труда на бурение шпуров и скважин. Бурение составляет свыше 30% трудоемкости работ проходческого цикла. Сокращение сроков проведения подготовительных выработок и увеличение производительности труда требуют непрерывного совершенствования буровой техники.

Вращательно-ударный способ бурения шпуров является наиболее эффективным. Эффективность этого способа по сравнению с вращательным и ударно-поворотным бурением доказана практикой и многочисленными исследованиями.

Большим достижением в области бурения шпуров и скважин при проведении горных выработок различного назначения является широкое применение гидроударных буровых машин (ГБМ) вращательно-ударного действия, что позволило увеличить производительность бурения в крепких породах почти в три раза по сравнению с аналогичными пневматическими бурильными машинами (ПНБ).

В ГБМ энергия единичного удара увеличилась до 500-1000 Дж при частоте ударов 25-200 Гц, то есть ударная мощность возросла до 20-40 кВт (например, СОР 1440 фирмы " Атлас Копко "- 20 кВт, СОР 4050 -40 кВт).

Применение гидравлического привода обеспечило уменьшение удельных затрат времени на вспомогательные работы при бурении за счет механизации и автоматизации. Вырос уровень автоматизации процесса разрушения пород при бурении с учетом их крепости, трещинова-тости и абразивности. Скорость бурения возрастала по мере развития буровой техники примерно пропорционально энергии удара. Следовательно, большое значение для практики имеет проблема измерения энергии и частоты ударов.

Чтобы увеличить скорость бурения, конструкторам пришлось коренным образом изменить бурильную головку. Энергоносителем вместо сжатого воздуха стала жидкость. Пневматические машины имеют низкий кпд. Общий кпд, который определяется как отношение мощности, передаваемой по буровой штанге, к мощности, потребляемой приводным двигателем компрессорной установки, составляет в шахтных усло-

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ| БИБЛИОТСКА [

оа тоо ^Ь/^Ц

виях 2-6 %. Таким образом, потери энергии в компрессорной станции, пиевмоссти и буровой машине достигают 94-98 %. В гидравлических бурильных машинах вращательно-ударного действия используется в качестве энергоносителя поток жидкости под давлением 10-20 МПа, вместо воздуха под давлением 0,6-1 МПа. Плотность жидкости значительно превышает плотность сжатого воздуха. В результате возросла мощность, подводимая к гидравлической бурильной машине для преобразования в ударные импульсы. Поскольку диаметр шпуров не изменился, то в современных бурильных машинах большую ударную мощность передают через детали ударной системы прежних размеров. Это обстоятельство стало ограничителем дальнейшего развития буровой техники, так как механические напряжения в деталях возросли до предельных значений.

Анализ отечественной и зарубежной литературы показывает, что в конструкциях современных бурильных машин ударного действия не полностью используются возможности этого способа бурения для достижения высокой производительности.

Например, для разрушения породы расходуется лишь около 20 % энергии ударного импульса, так как волновые сопротивления породы и бурового инструмента не совпадают. Это вызывает отраженные импульсы растяжения и сжатия в штанге, энергия которых рассеивается в системе "штанга - бурильная головка".

Отраженные ударные импульсы снижают усталостную прочность штанги, разрушают бурильную головку, создают акустический шум и снижают производительность бурения. Отсюда возникает необходимость защиты бурильной головки от отраженных импульсов сжатия.

Недостаточно исследованы ударные системы, составленные из материалов с различной акустической жесткостью. Применение последних позволяет в широких пределах изменять продолжительность и форму ударных импульсов, что открывает путь к оптимизации процессов разрушения породы.

Нет четкого представления о влиянии формы ударных импульсов (например, при использовании виброимпульсов) на глубину внедрения коронки в породу.

Прямые и отраженные ударные импульсы в бурильных машинах имеют длительность в несколько сотен микросекунд. Примерно такое же время длится процесс разрушения породы при ударе. Измерение импульсов такой длительности представляет определенные трудности,

так как воздействие импульса на измерительную систему очень кратковременно. Несовершенство измерительной техники и методов измерения не позволяет определять энергию и частоту ударов, количество отраженной от забоя энергии, производить оценку качества бурильных машин в производственных условиях и совершенствовать их ударные системы. Поэтому необходимо разрабатывать новые методики измерения параметров ударных импульсов и воплощать их в конкретных конструкциях измерительных приборов.

На прочность штанги и шум влияют высокочастотные составляющие спектра прямого ударного импульса, генерируемого при соударении бойка и хвостовика штанги. Следует изучить вклад этих высокочастотных составляющих в общую энергию импульса и возможность их фильтрации. Высокочастотные составляющие спектра ударного импульса можно устранить, например, осуществляя соударение бойка и хвостовика штанги через слой жидкости.

Эксперименты и расчеты показывают, что несущая способность слоя жидкости достаточно велика. В пределах тех скоростей соударения, которые наблюдаются в современных бурильных машинах, по окончании удара между плоскими соударяющимися поверхностями остается тонкий разделяющий слой жидкости, влияющий на процесс соударения.

В работе изложены результаты исследований, проведенных автором в период с 1970-2000 годы по тематическим планам КузНИИшахто-строй, Кузбасского политехнического института и Кузбасского государственного технического университета.

Целью работы является разработка методов измерения энергетических параметров и совершенствование динамики волновых процессов в ударных системах бурильных машин.

Идея работы состоит в использовании интегральных характеристик ударных импульсов упругой деформации штанги для измерения силовых и энергетических параметров волновых процессов бурильных машин ударного действия в процессе их работы и применении акустически разнородных материалов для снижении динамических нагрузок в ударных системах.

Задачи исследований: 1. Теоретически обосновать эффективность измерения энергии ударных импульсов в штангах бурильных машин интегральным способом с применением аналоговых и цифровых методов.

2. Разработать методику измерения интегральным способом параметров прямых и отраженных ударных импульсов, позволяющую определять основные энергетические характеристики бурильных машин вращательно-ударного действия.

3. Разработать аналоговые и цифровые устройства для измерения энергии и частоты ударов бурильных машин в промышленных условиях, основанные на принципе селекции прямых и отраженных ударных импульсов в штанге.

4. Создать программу для моделирования на ЭВМ процесса формирования и распространения импульсов продольной деформации в ударных системах различной конфигурации, в том числе, комбинированных систем, состоящих из деталей, выполненных из акустически разнородных материалов.

5. На базе проведенных исследований разработать мероприятия по усовершенствованию ударных систем бурильных машин вращательно-ударного действия для снижения уровня динамических нагрузок в них и повышения эффективности разрушения породы.

Методы исследований

В процессе выполнения работы использовались общенаучные и специальные методы исследований, включая научное обобщение, волновую теорию удара Сен-Венана, метод Даламбера для решения волнового уравнения, методы статистических испытаний математической модели (метод Монте-Карло). При моделировании на ЭВМ волновых процессов для составления алгоритмов и программ применялся метод кусочных волн. В лабораторных исследованиях широко использовались тензометрирование, методы преобразования аналогового сигнала в цифровой код с вводом в ЭВМ и дальнейшей его обработкой по разработанным программам. Анализ экспериментальных данных осуществлялся с применением основных методов математической статистики. Испытания устройств для измерения энергетических параметров волновых процессов в штангах пневматических и гидравлических машин вращательно-ударного действия проводились на заводах-изготовителях.

Научные положения, выносимые на защиту: 1. Методы измерения ударной мощности, энергии и частоты ударов бурильных машин, отличающиеся тем, что они основаны на принципе селекции в реальном времени ударных импульсов упругой деформации буровой штанги и использования для определения энергетических па-

раметров их интегральных характеристик.

2. Принципы действия аналоговых и цифровых устройств для измерения энергетических параметров волновых процессов, основанные на измерении относительной деформации штанг, селекции во времени и в пространстве ударных импульсов и их интегральной обработки, при этом буровая штанга используется как измерительный инструмент и линия задержки.

3. Метод тарировки аналоговых устройств для измерения энергетических параметров бурильных машин, частота ударов которых составляет 10-100 Гц, отличающийся тем, что информация о энергии импульса на выходе устройства сохраняется только до прихода очередного импульса, что позволяет проводить тарировку устройства одиночными ударами на вертикальном копре.

4. Метод снижения амплитуды отраженных ударных волн сжатия, поступающих по штанге к бурильной машине и разрушающих ее, отличающийся тем, что для фильтрации этих волн используются волноводы из акустически разнородных материалов.

5. Способ изменения спектральных характеристик ударного импульса за счет соударения через слой жидкости. При таком ударе срезаются высокочастотные составляющие импульса, это способствует снижению шума от вибрации штанги.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается необходимым объемом теоретических и экспериментальных исследований, выполненных с помощью проверенных на практике методов: прикладного математического анализа; преобразования Фурье; волновой теории удара; статистического моделирования по методу Монте-Карло; моделирования ударных процессов на ЭВМ; лабораторных исследований с использованием современных приборов; разработкой и изготовлением натурных опытных образцов аналоговых и цифровых устройств для измерения энергетических параметров бурильных машин ударного действия, испытанных на образцах горных машин в условиях заводов-изготовителей.

Научная новизна:

1. Разработан новый метод измерения энергетических параметров бурильной машины ударного действия во время ее работы путем селекции во времени и в пространстве первого импульса относительной де-

формации штанги, вызванного ударом, и интегрирования возведенной в квадрат функции деформация-время. Это позволяет измерять поток энергии в виде импульсов упругой деформации, который проходит через сечение штанги.

2. Созданы аналоговые и цифровые устройства для измерения энергетических параметров волновых процессов в штангах бурильных машин ударного действия, основанные на принципе использования интегральных характеристик импульсов, временной и пространственной их селекции. Буровая штанга в схеме устройства используется в качестве измерительного устройства и линии задержки.

3. Разработаны устройства, позволяющие тарировать одиночными ударами приборы для измерения энергетических параметров бурильных машин с частотой ударов от 20 до 100 Гц.

4. Разработана модель для исследования распространения импульсов в ударной системе и в фильтре из объемно сжатого эластомера, предназначенного для защиты бурильной головки от отраженных ударных волн.

5. Создала математическая модель процесса соударения через слой жидкости. Установлены зависимости толщины разделяющего слоя от параметров соударения и свойств жидкости.

Личный вклад заключается в теоретическом обосновании методов и средств измерения энергетических параметров бурильных машин ударного действия; в разработке принципов действия приборов для измерения энергии и частоты ударов бурильных машин интегральным методом по импульсам деформации штанги; в исследовании с помощью статистического моделирования влияния точности отдельных аргументов на конечный результат при измерении энергии удара; в создании алгоритма расчета ударной системы на ЭВМ методом кусочных волн; в обосновании использования интегрального метода для измерения энергетических параметров ударных импульсов; в теоретическом обосновании определения эквивалентной продолжительности импульсов произвольной формы по массе бойка и сечению штанги; в создании и исследовании фильтра из объемно сжатого эластомера для защиты бурильной головки от отраженных ударных волн. Личный вклад автора заключается также в установлении закономерностей процесса соударения через слой жидкости и ее влияние на спектральные характеристики ударного импульса, определяющие интенсивность и частоты шума, излучаемого буровой штангой; в обосновании использования виброимпульсов для разрушения по-

роды; в установлении явления электрической поляризации буровой штанги, возникающей при ударе.

Автору принадлежат практически все реализованные в диссертации научные, методические и технические идеи. Автор лично участвовал в проведении исследований и испытаний в лабораторных и производственных условиях в качестве ответственного исполнителя или научного руководителя НИР. Часть работ выполнена В.Е. Беспаловым, Ю.Н. Торгунаковым, В.М. Романовым, А.Н. Величко под научным руководством и участии автора.

Практическое значение работы заключается в том, что полученные результаты позволяют:

> создавать аналоговые и цифровые измерительные комплексы для измерения и исследования энергетических параметров бурильных машин ударного действия в процессе их работы;

исследовать энергетические и силовые характеристики процесса разрушения породы при бурении;

осуществить выбор параметров и конструкции фильтров для защиты бурильных машин от отраженных ударных волн;

V моделировать на ЭВМ волновые процессы в ударных системах бурильных машинах;

> создать основу для разработки бурильных механизмов, использующих импульсные крутящие моменты и виброимпульсы для повышения эффективности разрушения породы при бурении.

Реализация выводов и рекомендаций

Материалы диссертационной работы в виде разработанных методик, опытных образцов приборов, конструкций фильтров отраженных ударных волн, устройств для разъема конусных соединений, программ для ЭВМ прошли проверку на Кузнецком машиностроительном заводе (г. Новокузнецк), СКБ самоходного горного оборудования (г. Москва) при разработке и испытаниях вращательно-ударных машин с пневматическими и гидравлическими ударными узлами.

Методики расчетов, алгоритмы и программы используются в учебном процессе КузГТУ при выполнении курсовых и дипломных работ.

Апробация работы

Результаты исследований и материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной технической конференции " Проблемы создания и внедрения самоходных бурильных устано-

вок" (г. Фрунзе, 1974 г.); на республиканской конференции "Научно-технический прогресс в области механизации подземных горных работ" ( г. Алма-Ата , 1979 г.), на научно-технической конференции, посвященной 70-летию Дальневосточного политехнического института (г. Владивосток, 1988 г.); на технических семинарах в КузНИИшахто-строй и Кузмашзавода (г. Кемерово, г. Новокузнецк, 1975-2000 гг.); на Всероссийской научно-практической конференции " Перспективы развития технологий и средств бурения" (г. Кемерово, 1995 г.); на конференции "Механизация горных работ" ( г. Кемерово, 1997 г.); на ежегодных научных конференциях Кузбасского государственного технического университета (г. Кемерово, 1975-1999 гг.); на Международных конференциях "Динамика систем, механизмов и машин" (г. Омск, 2002 г.); " Динамика и прочность горных машин" (г. Новосибирск, 2001г.); "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (г. Кемерово, 2002 г.); "Динамика и прочность горных машин" ( г. Новосибирск, 2003 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 52 печатных работ, в состав которых входит 8 авторских свидетельств.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и содержит 340 страниц, 88 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 223 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Совершенствование машин ударного действия предусматривает повышение их производительности, увеличение надежности и долговечности элементов машин, уменьшение энергозатрат, необходимых для выполнения определенного технологического процесса и улучшение условий труда.

Повышение производительности бурильной машины может быть достипгуто за счет увеличения ее мощности и повышения эффективности разрушения породы.

Создание и совершенствование машин ударного действия сопровождались решением следующих основных проблем: формирование в волноводе ударных импульсов с рациональными параметрами и обеспечение наилучшей передачи энергии бойка в штангу; передача волны деформации по упругим волноводам с минимальными потерями энергии; обеспечение оптимального преобразования энергии волн деформации в работу разрушения породы; снижение вредного воз-

действия на элементы ударного механизма импульсов, отраженных от обрабатываемой среды; разработка средств измерения энергетических параметров волновых ударных процессов во время работы бурильной машины.

Большой вклад в области изучения и решения этих проблем внесли Александров Е.В., Алимов О.Д., Андреев В.Д., Барон Л.И., Бессонов Ю.Д., Веселов Г.М., Горбунов В.Ф., Дворников Л.Т., Еремьянц В.Э., ЕсинН.И., Иванов К.И., Катаев В.А., Кашкаров Г.М., Коняшин Ю.Г., Крюков Г.М., Кутузов Б.Н., Лисовский А.Ф., Малков О.Б., Манжосов В.К., Медведев И.Ф., Мясников А.А., Павлова Н.И., Покровский Г.Н., Саруев Л.А., Соколинский В.Б., Сгихановский Б.Н., Суднилишков Б.В., Тюнин А.А., Федоров В.Р., Цуканов А.Г., Чирьев В.И. , Шапошников И.Д., Шелковников И.Г., Шрейнер Л.А., Эп-штейн Е.Ф., Якунин М.К. и др. Из зарубежных ученых аналогичными исследованиями занимались Арндт Ф., Датта П., Лундсберг Б., Рейхмус Д., Саймон Р., Сире А., Ферхарст С, Фишер Г., Хоукс И., Хуструлиди В., Чакраварти П. и др.

Уровень промышленного развития передовых стран в настоящее время характеризуется не только объемом производства и ассортиментом выпускаемой продукции, но и ее качеством. Низкое качество промышленной продукции приводит, в конечном итоге, к значительным убыткам в масштабе страны и потере конкурентоспособности на рынке.

По зарубежным данным, примерно 10% национального продукта любой страны теряется из-за низкого качества материалов и изделий. Затраты на контроль качества продукции в США составляют в среднем 1-3 % от стоимости выпускаемой продукции. А в таких отраслях промышленности, как оборонная, атомная и аэрокосмическая расходы на контроль качества возрастают до 12-18%.

Основными параметрами, которые определяют производительность бурильной машины являются частота и энергия удара (или их произведение - ударная мощность), крутящий момент и усилие подачи. Работа бурильной машины с пониженной ударной мощностью увеличивает стоимость буровых работ и приводит к увеличению времени пребывания проходчиков в зоне интенсивного шума, что наносит вред их здоровью, поэтому при создании и эксплуатации бурильных машин ударного действия необходим жесткий контроль за их энергетическими параметрами.

Такой контроль необходимо проводить при исследовательских ра-

ботах, заводских испытаниях бурильных машин и перед отправкой их в забой после ремонта. Влияние износа ударника на его производительность вполне очевидна, но определение степени изношенности на практике обычно не производится. Работа бурильной машины с пониженной энергией и частотой ударов наносит экономический ущерб.

Вопрос о контроле качества бурильных машин является очень важным, и на крупных рудниках США для этой цели еще в тридцатые годы прошлого века оборудовались специальные рудничные лаборатории. Уже тогда применялись различные устройства для определения энергии удара и числа ударов.

Одним из таких приборов был аппарат Пейтнера (США). Перфоратор закреплялся на станине, его импульсные нагрузки воспринимал гидравлический цилиндр с поршнем и штоком, заполненный маслом. Удар передавался маслом мембране, которая перемещала перо на бумажной ленте, регистрирующей импульсы, соответствующие величине ударной нагрузки.

В Германии в эти годы применяли прибор Мюллера аналогичного принципа действия, только вместо цилиндра с маслом применялась достаточно жесткая пружина, в которую упиралась штанга перфоратора. Другой конец пружины закреплялся на массивном основании. Подвижный конец пружины был связан с записывающим устройством, состоящим из пера, бумажной ленты и барабана.

Таким образом, попытки измерения энергии ударов и частоты предпринимаются с момента изобретения пневматического перфоратора. С особой остротой встал этот вопрос после создания мощных пневматических и гидравлических перфораторов с энергией удара 150-300 Дж. До настоящего времени нет серийных контрольных приборов, позволяющих оперативно производить отбраковку неисправных машин в производственных условиях. Не всегда в должном объеме проговодится контроль энергетических параметров на заводах-изготовителях при выпуске бурильных машин. На рис. 1 показана классификация методов измерения энергии удара бурильных машин.

Среди известных способов наиболее удобен метод определения энергии по ударным импульсам деформации штанги во время ударов. Этот метод применим как для пневматических перфораторов, так и для гидроударников. Он пригоден также для устройств с большой энергией удара и малой частотой - гидромолотов, предназначенных для забивки труб, свай, разрушения дорожного полотна при ремонте, негабаритов

породы и т.п.

Высокие энергия и частота ударов гидравлических бурильных машин усложняют измерение энергетических параметров, поскольку датчики, установленные на штанге, воспринимают большие ударные ускорения, что определяет жесткие требования к их массе и прочности. Формулы о распределении напряжений, действующих в ударной системе, основаны на решении волнового уравнения по теории Сен-Венана, которая основывается на допущении, что при ударе стержней контакт соударяющихся тел осуществляется по всей поверхности соударения. При этом напряжения и деформации в телах распространяются не мгновенно, а с конечной скоростью ударной волны.

Движение поперечных сечений описывается одномерным волновым дифференциальным уравнением

где и - перемещение сечения стержня; с - скорость ударной волны.

Решение этого уравнения имеет вид

где первое слагаемое представляет собой волновую функцию пе-

ремещающуюся в положительном направлении оси х, а второе - волновую функцию g(х), перемещающуюся в отрицательном направлении. На основе этого решения рядом исследователей разработаны методы расчета распространения плоских волн в твердых телах и жидких средах.

Известно несколько методов измерения энергии ударов по амплитуде импульсов в штанге. Измерение амплитуды связано со значительными погрешностями. Более перспективным является определение энергии удара по площади импульса (интегральный метод). В этом случае на результаты измерения мало влияют локальные изменения в форме импульса.

В современных бурильных машинах ударный импульс по длине меньше буровой штанги, что дает возможность выделить первый ударный импульс без наложенных на него отраженных импульсов и, исполь-

Рис. 1. Классификация методов измерения энергии удара бурильных машин

зуя аналоговые приборы или микро-ЭВМ, достаточно точно определить параметры ударного импульса (его продолжительность, частоту, энергию, количество движения, перемещение сечения штанги, коронки и т.п.).

Ударные импульсы в штангах бурильных машин, преобразованные в электрический сигнал, можно отнести к видеоимпульсам. Для параметров импульса, характеризующих его длительность, энергию, количество движения, скорость смещения сечения штанги, автором применен интегральный метод измерения, разработанный для радиотехнических расчетов и приспособленный для оценки параметров механических импульсов упругой деформации штанги.

По осциллограммам реальных ударных импульсов трудно определить их продолжительность. Автором введено понятие эквивалентной продолжительности импульса

Хэ = т/рсР,

где и - эквивалентная продолжительность импульса; т- масса бойка; р -плотность материала штанги; с - скорость ударной волны; Г - площадь сечения штанги.

Эквивалентная продолжительность импульса равна отношению массы бойка к "массовому расходу" вещества через сечение штанги площадью Г, если допустить, что скорость в этом сечении равна скорости перемещения ударного импульса с. Применяя гидравлическую аналогию, можно сказать, что это время, за которое масса бойка "пройдет" через данное сечение штанги со скоростью с. Эту величину можно определить также по формуле

(2)

где - нормированная относительная деформация штанги;

и - скорость бойка; £ - относительная деформация; с - скорость ударной волны; - продолжительность импульса.

Следовательно, эквивалентная продолжительность импульса численно равна площади под графиком нормированной относительной деформации в функции времени.

Амплитуду и длительность ударного импульса произвольной формы следует заменять интегральными характеристиками: обобщенными амплитудой £о и длительностью /ио прямоугольного импульса, который имеет такую же энергию и количество движения. Обобщенные амплитуда и длительность импульса определяются по формулам, установленным автором,

Обобщенная продолжительность прямоугольного импульса, энергия и количество движения которого равны соответственно энергии и количеству движения импульса произвольной формы, равна двойной эквивалентной продолжительности импульса. Применение интегрального метода обработки ударных импульсов, то есть замена импульсов произвольной формы прямоугольными, которые эквивалентны по энергии и количеству движения, дали основу для разработки калибровочных устройств измерителей энергетических параметров бурильных машин ударного действия.

Основные этапы определения энергии ударов бурильной машины по ударным импульсам в штанге показаны на рис. 2. Тензодатчики, установленные на штанге, измеряют ударные импульсы относительной деформации штанги. Длина импульсов при вращательно-ударном бурении изменяется в пределах 1,5-2,5 м, в зависимости от длины и массы ударника. Длина штанга таких машин дает возможность выделить полностью первый после удара импульс и определить его интегральные характеристики. Специальными схемами селекции из серии импульсов выделяется первый ударный импульс и импульсы, отраженные от породы во время ее разрушения. По первым после удара импульсам определяется энергия удара и ударная мощность. Энергия ударного импульса определяется по формуле, полученной Ф. Арндтом из уравнения (1)

где р - плотность материала штанги; с - скорость ударной волны; Г -площадь сечения штанги; £ - относительная деформация штанги; продолжительность импульса.

Обработка выходного сигнала датчика после его усиления и селекции по указанной формуле производится в аналоговых приборах специальными электронными схемами или программным путем, если применяется ЭВМ.

Формулу (5) можно преобразовать в

2

(6)

Поскольку в этой формуле выражение в квадратных скобках есть смещение сечения штанги за время удара, то ее следует применять для приборов, в которых используются датчикии перемещений для измерения деформации штанги.

Ударные импульсы при вращательно-ударном бурении полностью затухают до следующего удара (см. рис. 2). Промежуток времени между ударами равняется 10000-20000 мкс. Этого времени достаточно для селекции импульсов по времени при соответствующем быстродействии аппаратуры. Под селекцией импульсов в пространстве подразумевается такое расположение датчиков на штанге, при котором прямой и отраженные импульсы не накладываются друг на друга.

'Известны работы по измерению энергии удара по максимальной амплитуде импульсов, генерируемых в штанге. Измерение амплитуды производится автоматически электронными приборами. Однако такой способ требует тарировки для каждой конструкции бойка и ударной системы на специальном стенде.

Автором был выбран принцип измерения ударной мощности, основанный на определении энергии импульсов, проходящих через сечение штанги, по их площади. При этом измеряется поток энергии в виде ударных импульсов, перемещающихся в штанге по направлению к коронке, независимо от того, какой ударный генератор возбудил их. Этот метод требует только однократной тарировки специальной измерительной штанги, снабженной датчиками, определяющими относительную деформацию штанга во время прохождения ударных импульсов. Определение энергии удара производится путем селекции первого ударного импульса и интегрирования квадрата функции "деформация - время" по

Рис. 2. Измерение энергии удара по интегральным характеристикам импульсов относительной деформации штанга

формуле (5). Прямая волна содержит всю информацию об ударе бойка о штангу, а отраженная волна (с учетом интерференции) — показывает величину усилий, скоростей и глубину внедрения коронки в породу.

Анализ скорости перемещения лезвия коронки и действующих при этом усилий дает ценную информацию о процессе разрушения породы во время ударного бурения. Штанга в этом случае представляет собой измерительный стержень, который позволяет определить многие тонкости процесса разрушения породы под лезвием коронки. Для этого было разработано устройство, выполняющее селекцию прямого и отраженного импульсов, а так же функциональные блоки, которые обеспечивают обработку сигнала, пропорционального относительной деформации штанги, согласно формуле (5).

Ударный импульс перемещается по штанге со скоростью около 5100 м/с. Размещением датчиков в различных сечениях штанги, смещенных но ее длине, регулировалось время их срабатывания, то есть штанга использовалась в качестве линии задержки. В измерительных устройствах на некотором расстоянии перед рабочими тензодатчиками размещался запускающий датчик, обеспечивающий подготовку процесса измерения. В качестве запускающего устройства применялся ин-дукционый датчик.

Для измерения ударной мощности нами разработан прибор ИУМ-1 (измеритель ударной мощности), блок-схема которого представлена на рис. 3. При нанесении бойком удара по штанге запускающий датчик генерировал импульс напряжения, который усиливался усилителем 1. Своим передним фронтом усиленный сигнал запускал ждущий мультивибратор 2, от переднего фронта сигнала которого запускался мультивибратор 3. Длительность импульса мультивибратора 2 выбиралась в прсделах"5-10 мс. Как показали измерения, этого времени достаточно для почти полного затухания продольных ударных волн в штанге. Тем самым блокируется возможность повторного запуска мультивибратора 2 от одного из не затухших импульсов. Мультивибратор 3 запускается передним фронтом сигнала блокирующего мультивибратора 2, и на каждый удар бойка генерируется только один прямоугольный импульс, поступающий на ключ 7. Этот импульс должен несколько превышать длительность ударного импульса, генерируемого бойком в штанге. Практически продолжительность прямоугольного импульса выбирается в пределах 300/1000 мкс, для исключения потерь полезной информации.

Рис. 3. Структурная схема прибора ИУМ-1. Формы электрических импульсов при измерении ударной мощности

Импульсы от ждущего мультивибратора 2 поступают па стрелочный прибор 4, по показаниям которого определяется частота ударов. Сигналы с тензодатчиков подаются на широкополосный усилитель 5 и квадратор 6. После квадратора усиленные и возведенные в квадрат импульсы могут поступать на вход интегратора 8 и индикаторный прибор 9 только в том случае, если откроется ключ 7, управляемый мультивибратором 3. Следовательно, с помощью такого прибора производится селекция и измерение энергии первого после удара импульса деформации, который перемещается по штанге в направлении коронки.

На выходе прибора ИУМ-1 не предусматривалась индикация энергии отдельных импульсов, так как определялась не энергия, а мощность, передаваемая импульсами продольной деформации штанги. Можно измерить мощность, проходящую по штанге от ударника к забою, и определить, какая ее часть переходит в породу. Калибровка прибора производится с помощью специального тарировочного устройства 10. На рис. 3 показаны также параметры электрических импульсов, возникающих во время работы в электрической схеме приборов. Таким образом, впервые создан прибор, измеряющий мощность, передаваемую по штанге ударными импульсами упругой деформации.

Ток, протекающий через индикатор ударной мощности, пропорционален суммарной площади импульсов квадрата функции "деформация-время". Бурильные машины ударного действия работают с частотой 25-60 Гц. Ударные импульсы имеют продолжительность всего (300/400)- 10-6с. Измерение периодической последовательности импульсов, накопление информации об ударной мощности достигается путем многократных воздействий отдельных импульсов на магнитоэлектрический прибор, который выполняет функцию интегратора. Потери информации в промежутке между импульсами незначительны и поэтому обеспечивается достаточное отклонение измерительного устройства, хотя электрическая энергия каждого импульса мала.

Приборы для измерения ударной мощности периодической последовательности импульсов тарировались на вертикальном копре путем сбрасывания бойка с определенной высоты на измерительную штангу. При этом на осциллографе фиксировалась амплитуда одиночных импульсов, которая пропорциональна скорости бойка перед ударом. По скорости и массе бойка определялась энергия ударов и строился тари-ровочный график. По данным об ударных импульсах, полученных на приборе во время работы бурильной машины, и тарировочному графику

испытаний одиночными ударами калибровался прибор по ударной мощности. Кроме этого, использовался метод измерения энергии отдельного импульса с помощью баллистического гальванометра и генератора прямоугольных тарировочных импульсов.

Электрическая тарировка прибора осуществлялась путем шунтирования калибровочным сопротивлением резистора, включенного последовательно с тензодатчиками. Это производится специальным электронным устройством 10 , которое с частотой 50 Гц шунтирует сопротивление в измерительном мосту. При этом вырабатываются прямоугольные тарировочные импульсы продолжительностью 100 мкс и частотой 50 Гц, которые поступают на вход усилителя сигналов тензодат-чиков. Схема может генерировать также одиночные импульсы.

Для тарировки ударной мощности штанга с установленными измерительными датчиками закреплялась на вертикальном копре. Параллельно микроамперметру, предназначенному для измерения ударной мощности, подключался баллистический гальванометр. Бойком наносился удар с известной энергией и определялось отклонение стрелки гальванометра. С помощью тарировочного устройства на вход усилителя посылался одиночный прямоугольный импульс, который также вызывал отклонение стрелки гальванометра. Изменением энергии удара бойка добивались равных показаний гальванометра как от первого ударного импульса, так и от тарировочного прямоугольного импульса. Таким образом определяли, какой энергии удара соответствует одиночный импульс тарировочного устройства Ударная мощность вычисляется по формуле

М = (7)

где N - ударная мощность, Вт, А - энергия удара, эквивалентная одному импульсу тарировочного устройства, Дж; - частота следования импульсов, Гц.

Из этого описания следует, что работа по тарировке прибора для измерения ударной мощности сложна и трудоемка. Поэтому была поставлена задача - создать методику, при которой можно было бы измерять энергию отдельного импульса по показаниям самого прибора при калибровке одиночными ударами. Результаты этой тарировки должны быть действительны и для серии импульсов.

При выполнении этой задачи нами разработан прибор ИЭУ-1 (из-

меритель энергии удара) в нескольких модификациях, который позволяет измерять энергию импульсов с частотой следования до 100 Гц и в режиме одиночных ударов. Прибор тарировался одиночными ударами на вертикальном копре. Результаты тарировки были действительны для измерения энергии ударов с высокой частотой следования при работе бурильной машины.

Ударный импульс после селекции поступал на квадратор и интегрировался. Электрический сигнал, пропорциональный энергии удара сохранялся в аналоговой памяти до следующего удара. Перед следующим ударом память "обнулялась", и процесс повторялся. По такой методике измерений определялась энергия каждого отдельного удара, независимо от того, был ли это одиночный удар или серия импульсов. Информация на выходе прибора сохранялась только до очередного сигнала. Сброс осуществлялся специальной схемой, срабатывающей от запускающего датчика, установленного на штанге на расстоянии 0,5-0,6 м перед рабочим датчиком. Штанга использовалась как линия задержки, которая обеспечивала запаздывание сигнала тензодатчиков на время (около 100 мкс), которое необходимо ударной волне, чтобы пройти со скоростью 5100 м/с расстояние между датчиками. За это время, еще до прихода ударного импульса к тешодатчикам, га аналоговой памяти прибора стирается информация о предыдущем ударе. Это позволяет тарировать прибор по энергии одиночными ударами на вертикальном копре.

Техническая характеристика ИЭУ-1/5

Диапазон измеряемых частот ударов, Гц 10/100

Диапазон измеряемых энергий ударов, Дж 0/100 и 100/250 Относительная погрешность измерения

энергии ударов, % 4

Потребляемая мощность, Вт 5

Габаритные размеры, мм 290x220x150

Масса, кг 3.6

На рис. 4 показана структурная схема прибора ИЭУ-1, предназначенного для определения энергии удара бурильных машин. Отличительная особенность этого прибора от ИУМ-1 заключается в том, что он измеряет энергию и частоту ударов, а не ударную мощность. Эгаоры напряжений в точках структурной схемы показаны на рис. 5.

Прибор ИЭУ-1 и его модификации применялись для измерения энергетических параметров бурильных машин ударного действия

Рис. 4. Структурная схема прибора ИЭУ-1

Рис. 5. Эпюры напряжений в точках структурной схемы прибора

ИЭУ-1

БУ-1, БГА-1) на Кузнецком машиностроительном заводе и гидроударников конструкции СКБ СГО.

Для совмещения процесса измерения энергии и частоты ударов бурильных машин с исследованием волновых процессов в штанге бурильной машины при разрушении породы разработана измерительная система на базе микро-ЭВМ "Электроника".

Микропроцессорные средства значительно изменили структуру измерительных приборов и позволили создавать на этой основе многофункциональные измерительные системы с высокой степенью автоматизации измерений.

Для измерения энергетических и силовых параметров волновых процессов при бурении горных пород амплитуда аналогового сигнала с датчиков, установленных на штанге, преобразуется с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в ряд дискретных кодовых значений, которые отсчитываются через равные промежутки времени. Массив этих данных загружается в персональную ЭВМ и обрабатывается по специальной программе, составленной автором.

Отсчеты сигнала при квантовании следует брать через малый промежуток времени, иначе восстановленный сигнал не будет соответствовать реальному. Частота преобразования должна быть несколько больше, чем удвоенная наибольшая частота в спектре преобразуемого сигнала. Для уменьшения искажения сигналов следует увеличить число уровней квантования К, уменьшая тем самым высоту наименьшей ступеньки. При ударе нарастание амплитуды импульса до максимального происходит не мгновенно, а в течение примерно 20 мкс, что соответствует максимальной частоте .Ддс=12,5 кГц в спектре исследуемого импульса. Следовательно, наименьшая частота дискретизация должна составлять ^=.2/^=2'12,5=25 кГц.

Существующие АЦП по быстродействию значительно превышают необходимую для нашего случая частоту дискретизации, что позволяет получать мипималыгую погрешность при преобразовании аналогового сигнала в цифровой.

Конечным результатом этого процесса являются выходные данные об энергии удара, их частоте, ударной мощности, энергии, затраченной на разрушение породы, энергии отраженных импульсов, усилий при разрушении и волнового сопротивления породы и т.д. Данные и соответствующие графики выводятся на дисплей.

Измерительно-вычислительное устройство, позволяющее измерять

энергию прямых и отраженных импульсов, количество энергии, затраченной на разрушение породы, скорость и глубину внедрения коронки в реальном времени для одиночных ударов и при работе БМ показано на рис. 6. Устройство состоит из пгганги 1 с тещодатчиками 2, усилителя 3, АЦП 4, формирователя запускающих импульсов 5, схемы сопряжения 6, микро-ЭВМ 7, частотомера 8, электронного осциллографа 9, генератора тарировочных импульсов 10, дисплея 11 и принтера 12.

Импульсы продольной деформации, возбуждаемые в штанге 1 ударами бойка, регистрируются тещодатчиками 2, усиливаются усилителем 3 и поступают на АЦП 4, запуск которого производится формирователем запускающих импульсов 5.

Двоичный код через схему сопряжения 6 поступает на микро-ЭВМ 7, которая переходит к выполнению программы ввода цифровой информации в момент прихода переднего фронта ударного импульса к тензодатчику. Формирователь 5 производит запуск частотомера 8 и электронного осциллографа 9. Программа обеспечивает автоматическую тарировку тепзодатчиков с помощью специального генератора та-рировочных импульсов 10, который шунтирует тензодатчики, создавая прямоугольные импульсы определенной амплитуды продолжительностью в несколько сотен микросекунд.

Информация об ударных импульсах после загрузки в микро-ЭВМ обрабатывается по специальной программе, составленной в машинных кодах. Результаты измерений отображаются на дисплее 11 и документируются на принтере 12. Форму импульса можно наблюдать на экране осциллографа 9.

На дисплей выводятся данные об энергиях первого и отраженного ударных импульсов, перемещении сечения штанги, массе бойка, частоте ударов и другая информация, предусмотренная программой. Система обеспечивает прием данных от АЦП со скоростью, достаточной для измерения параметров ударных импульсов продолжительностью 200 -500 мкс, энергией до 300 Дж и частотой повторения до 100 Гц.

Устройство предназначено для определения энергетических параметров бурильных машин вращательно-ударного действия, перфораторов, отбойных молотков с целью диагностики и для исследовательских целей при изучении процесса разрушения горных пород ударом. Система может быть реализована на контроллерах достаточного быстродействия или на персональном компьютере (ПК).

Рис. 6. Блок-схема измерительного комплекса

Последний вариант наиболее предпочтителен, так как современные устройства, которые обеспечивают связь компьютера с измерительной и управляющей аппаратурой непрерывно совершенствуются и представляют в настоящее время многофункциональные быстродействующие устройства, выполненные в виде отдельных плат, вставляемых в разъемы системной магистрали ЭВМ. Большой объем памяти и высокое быстродействие ПК позволяют обрабатывать большие объемы информации по сложным программам. Конфигурация измерительной системы в каждом отдельном случае определяется компонентами, из которых она состоит.

Энергия ударного импульса при обработке на ПК определялась по формуле (5). Можно считать, что энергия являлась выходной величиной математической модели, зависящей от нескольких аргументов, которые имеют статистический разброс, зависящий от методов измерения. Различные аргументы вносят свой вклад в суммарную ошибку измерения.

По методу статистического моделирования (метод Монте-Карло) вычислен коэффициент влияния, оценивающий относительное изменение выходной величины от изменения отдельных аргументов. Составлены программы для вычисления коэффициента влияния на ПК при детерминированном и случайном изменении значений аргументов.

Расчеты показывают, что наибольшим коэффициентом влияния обладают аргументы - скорость ударной волны и относительная де-

формация штанги. При изменении этих параметров на 2 %, энергия удара изменится на 4 %. Для уменьшения погрешности результата измерения энергии удара следует в первую очередь повышать точность определения этих величин.

При разрушении породы во время бурения ударный импульс частично перемещается в породу, разрушая ее, а частично отражается в обратном направлении (к бурильной машине), оказывая вредное воздействие на элементы ударного механизма. Это вызвано тем, что акустические свойства породы и материала штанги различны. Полная передача энергии может быть достигнута, если механический импеданс внедрения лезвия коронки равен акустическому сопротивлению штанги.

где Рв /о -механический импеданс внедрения лезвия коронки; Ре-мгновенное значение действующей силы на лезвии коронки;

- скорость перемещения точки приложения силы на лезвии коронки; р - плотность материала штанги; с - скорость ударного импульса в штанге; площадь сечения штанги.

Механический импеданс на пути внедрения лезвия меняется от нуля до бесконечности, тогда как жесткость штанги - величина постоянная, поэтому указанное равенство соблюдается только в одной точке.

Следствием этого является неизбежное возникновение отраженного ударного импульса сжатия или растяжения, который по штанге возвращается к бурильной головке, вызывая дополнительные нагрузки на ее корпусе. Особенно опасны импульсы сжатия, которые разрушают опорные подшипники, через которые на штангу передаются осевые усилия.

Исследования нагрузок, возникающих в штанге при вращательно-ударном бурении, показали, что осевые нагрузки имеют динамический характер и представляют собой затухающие колебания с частотой около 800 Гц. Амплитуда усилий зависит от типа буримой породы и колеблется в пределах 24 - 43 кН. Большие нагрузки могут быть и в перфораторах при бурении крепких пород.

Исследования, проведешше автором, показали, что амплитуды усилий, действующих на корпус механизма вращателя бурильной головки, за счет отраженных ударных волн достигают величины более 100 кН.

Частота таких импульсных нагрузок определяется временем про-

бега ударной волной двойной длины штанги. Были попытки уменьшить действия осевых нагрузок постановкой между хвостовиком и корпусом машины пакета дисковых пружин. На практике пружины эти часто ломались в процессе эксплуатации машины. Наиболее приемлемым решением было размещение гидравлической подушки вместо дисковых пружин. Она обеспечивала эффективное гашение амплитуды отраженных волн, проходящих в корпус машины. Однако такое решение осложняет эксплуатацию бурильной машины, так как требует специальной гидравлической системы для подпитки. Конструкция фильтра должна обеспечивать постоянство точки соударения бойка с хвостовиком. Для этого величина осадки фильтра под действием усилия подачи не должна превышать 1мм.

Нами была разработана простая конструкция фильтра отраженных ударных волн, основанного на отражении ударных волн на границе двух сред, имеющих различную акустическую жесткость. Он состоит из цилиндрической втулки определенной длины, находящейся на пути отраженных ударных волн и изготовленной из эластомера, заключенного в замкнутый объем. Эластичный элемент сжат усилием подачи. Отраженный от забоя импульс проходит через фильтр в корпус машины с уменьшенной амплитудой. Подбор материалов и эксперименты показали, наиболее подходящим материалом для этой цели является техническая резина, работающая на сжатие в замкнутом объеме.

Иногда конструкцию амортизатора с резиной, работающей на объемное сжатие, приводят как пример неправильного конструкторского решения, так как резина, лишенная возможности раздаваться в стороны, является практически совершенно жесткой. Однако исследования, проведенные нами показали, что акустическое сопротивление объемно сжатой резины значительно меньше, чем у стали, а высокий коэффициент объемной упругости обеспечивает компактность фильтра и позволяет сохранить постоянство точки соударения бойка с хвостовиком при усилии подачи порядка 20 кН.

Давление в резине фильтра составляло около 20 МПа, что значительно превышало допустимое предельное напряжение в резине при свободном се состоянии - 1,1 МПа. Скорость звука в свободной резине находится в пределах 40- 50 м/с, а в объемно сжатой резине, как показали эксперименты, она зависит от давления и составляет величину порядка 1500 м/с при давлении 15 МПа. При объемном сжатии плотность резины меняется незначительно и ее можно принять равной 1100 кг/м3.

Амплитуда волны, прошедшей через границу сталь - резина, составляет, примерно, десятую часть от падающей.

1'' ,1 , • л ' . " J < ■■ --IьГ. Г<1 Us: «.к.«»*

Рис. 7. Осциллограммы усилий на упорном стакане бурильной головки: а) - без фильтра; б) -с фильтром

Фильтр такой конструкции представляет для ударной волны своего рода ловушку, в которой она, многократно отражаясь, переходя то в хвостовик, то в корпус машины, накладывается на первоначально прошедший импульс. Поэтому амплитуда прошедшей через фильтр волны будет больше. Аналитическим методом сложно рассчитать процесс прохождения волн через фильтр, связанный с их многократными отражениями. Поэтому применялся численный метод расчета фильтра на ЭВМ по методу кусочных волн с последующими экспериментами на физических моделях ударных систем и серийных вращательно-ударных машинах.

Расчеты и эксперименты показали, что для реальной конструкции фильтра при длине эластичного элемента 10 - 100 мм и давлении в резине 15 МПа амплитуда прошедшей волны уменьшалась в 2,2 - 4,5 раза. Длина эластичной втулки в серийной машине - 40 мм, площадь сечения - 7 см2. Осевые усилия измерялись тензодатчиками, наклеенными на упорном стакане вращательно-ударной бурильной головки. В ходе эксперимента сравнивались амплитуды нагрузок на стакане при бурении с фильтром и в случае замены эластичного элемента стальной втулкой того же размера. Как видно га осциллограмм (рис.7), амплитуда проходящих импульсов уменьшалась примерно в три раза. Тепловое равновесие шпиндельного узла наступало через 15-20 мин от начала цикла. При разборке машины хвостовик был обычно нагрет сильнее втулки и резшювого элемента. Температура хвостовика достигала 7080 °С, а резины - 45-50 °С. Нагрев передней крышки в месте расположе-

ния фильтра не превышал 45-50 °С. Таким образом, температура передней части головки определялась в основном нагревом хвостовика от ударов и трения его в направляющих. На рис. 8 показаны результаты экспериментальных исследований и расчета фильтра на электронной модели. Формы импульсов в штанге и на электронной модели даны на рис. 9.

Рис. 8. Относительное изменение амплитуды проходящей волны в зависимости от давления и длины фильтра

Кроме описанных выше испытаний фильтр успешно применялся в опытной партии бурильных машин с гидравлическими ударниками, которые прошли испытания на шахтах Кузбасса. Применение фильтра в бурильных машинах позволяет увеличить их технический ресурс.

Автор исследовал влияние на процесс удара и спектры ударных импульсов тонкого слоя жидкости на поверхностях соударения.

Перед соударением происходит вытеснение жидкости в направлении перпендикулярном скорости движения тел. Зазор между телами при сближении тел стремится к нулю. Скорость вытесняемой жидкости теоретически должна стремится к бесконечности. Отсюда следует, что перед ударом при плоских поверхностях между телами сохраняется тонкий слой жидкости, который влияет на процесс удара.

Движение тела (рис. 10) описывается нелинейным дифференциальным уравнением второго порядка

Рис. 9. Ударные импульсы до и после фильтра: на стенде (а, б) и рассчитанные на электронной модели (в, д)

ё2х 3 цс14я с1х

=0,

(9)

Решение этого уравнения в координатах в безразмерной форме, полученное автором, имеет вид

й - диаметр стержня; // - динамический коэффициент вязкости жидкости; т - масса стержня; а- абсцисса положения ударного торца тела В; 13о - первоначальная скорость тела.

Величина названа толщиной разделяющего слоя, и по своему физическому смыслу соответствует зазору между соударяющимися телами, когда их относительная скорость становится равной нулю. На рис. 11 показан график относительного изменения скорости движения тела А, построенный в безразмерных координатах И о/и0 по

формуле (10). Из графика следует, что тормозящее влияние слоя жидкости на скорость движущегося тела начинает проявляться, когда величина будет равна примерно 10 . При полной остановке тела между соударяющимися поверхностями остается слой жидкости толщиной

Влияние жидкости на ударный импульс показано рис. 12. На рис. 13 показаны спектр (1) прямоугольного импульса при жестком ударе и спектр (2) сглаженного импульса, возникающего при ударе через слой жидкости при плоской поверхности контакта. Спектральные плотности импульсов до частоты 2200 Гц практически совпадают. Прямоугольный импульс имеет локальные максимумы спектральной плотности на частотах 3200, 5200, 7200 Гц, которые превышают в 3,5 -4 раза соответствующие значения этого параметра при соударении через слой жидкости. Сглаженный импульс имеет практически один максимум спектральной плотности на низких частотах, поэтому интенсивность шума штанги на высоких частотах при ударе через слой жидкости будет меньше, чем при жестком ударе. Для этого необходимо в конструкции гидроперфораторов предусмотреть устройство, обеспечивающее перед ударом наличие на поверхности соударения бойка с хвостовиком слоя минерального масла, толщина которого составляет доли миллиметра.

(10)

,2 _ Зцлй4 т 16т ио'

В импульсе, генерируемом бойком в штанге при вращательно-ударном бурепии, практически отсутствуют высокочастотные составляющие с частотой около 20 кГц. Эксперименты показали, что виброимпульс (гладкий импульс с наложенными высокочастотными колебаниями) способствует более эффективному разрушению породы. Глубина разрушения породы сферическим индентором при наложении на ударный импульс высокочастотных колебаний увеличивается на 16/20% по сравнению с жестким ударом. Для получения виброимпульсов разработана конструкция генератора высокочастотных колебаний штанги.

Предложен и исследован метод разъема конусных соединений, в котором используется отражение упругих волн, вызванных ударом, при их распространении по волноводу с переменным поперечным сечением. Удар для разъема наносится со стороны вершины конусного соединения по торцу охватывающей штангу детали, другой торец который при этом у конусного соединения поджат к массивной опоре. Волна деформации сжатия, отражаясь от массивной опоры, накладывается на прямую волну в охватывающей детали и приводит к повышенной деформации сжатия в зоне конусного соединения. В результате конусное соединение на некоторый промежуток времени ослабляется. Часть прямой волны деформации сжатия, вошедшая в штангу, создает усилие, выдергивающее штангу из конусного соединения.

Нами были проведены экспериментальные исследования крутильных колебаний в стержневой системе при прохождении продольного ударного импульса через естественно закрученный стержень, являющийся частью волновода. Установлено, что при прохождении продольного ударного импульса через естественно закрученный стержень возникает импульсный крутящий момент, который по амплитуде значительно превосходит момент, создаваемый вращателями современных бурильных машин вращателыю-ударного действия. При соответствующем подборе параметров осевых и крутильных импульсов в ударных системах открывается возможность интенсификации процесса разрушения породы, но это требует дополнительных исследований.

Экспериментальным путем обнаружено, что при распространении ударной волны по ферромагнитному стержню (в данном случае по штанге) между точками поверхности стержня, смещенными по его длине, образуется знакопеременная разность потенциалов, зависящая от

параметров и распределения волны деформации.__

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ I 33 БИБЛИОТЕКА I

Рис. 12. Формы импульсов при жестком ударе (1) и при ударе через слой жидкости (2). Нижняя кривая - электрический контакт между телами

0,00045

£ 0,0004

§ 0,00035

| 0,0003

^ 0,00025

5 0,0002

§ 0,00015 о.

Ё 0,0001 ш

( ^ 0,00005

о

1 2 3 4 5 6 7 8 кГц

Рис. 13. Спектры ударных импульсов: 1 - прямоугольного; 2 - сглаженного

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основе совокупности выполненных автором исследований дано новое решение имеющей важное хозяйственное значение крупной научной проблемы, которая заключается в разработке методик и средств измерения энергетических параметров бурильных машин ударного действия и в создании новых технических решений по совершенствованию динамики волновых процессов при вращательно-ударном бурении, позволяющих увеличить его эффективность.

Выполненные исследования позволили сформулировать следующие выводы:

1. Разработан новый метод измерения энергетических параметров бурильной машины ударного действия во время ее работы путем селекции во времени и в пространстве первого импульса относительной деформации штанги, вызванного ударом, и интегрирования возведенной в квадрат функции деформация-время. Это позволяет измерять поток энергии в виде импульсов упругой деформации, перемещающихся по штанге к коронке, независимо от того, какой генератор возбудил их.

2. Созданы аналоговые и цифровые устройства для измерения энергетических параметров волновых процессов в штангах бурильных машин ударного действия, основанные на принципе использования интегральных характеристик импульсов, временной и пространственной их

селекции. Буровая штанга в схеме устройства используется в качестве измерительного устройства и линии задержки.

3. Разработана методика измерения энергии каждого отдельного удара по показаниям прибора. Информация об энергии запоминается до следующего удара. Непосредственно перед ударом информация о предыдущем ударе стирается из памяти. Этот способ позволяет проводить тарировку прибора одиночными ударами на вертикальном копре и использовать его для измерения импульсов, следующих с частотой 20100 Гц.

4. В ходе экспериментальных работ по определению энергетических параметров гидроударников установлено, что данный метод измерений и аппаратура позволяет оперативно измерять частоту и энергию бурильных установок ударного действия с приемлемой для практики точностью и надежностью. С вероятностью Р = 0,95 можно утверждать, что среднее значение энергии удара будет отличаться от истинного не более, чем на 4%.

5. Разработана математическая и электронная модели для вычислительного эксперимента по исследованию распространения импульсов в ударной системе, которая позволила рассчитать фильтр из объемно сжатого эластомера, предназначенного для защиты бурильной головки от отраженных ударных волн и снижающего их амплитуду в 3,5 раза

6. Введено понятие толщины разделяющего слоя и выведена формула для его определения. При соударении через слой жидкости происходит изменение спектральных характеристик ударного импульса. При таком ударе срезаются высокочастотные составляющие импульса, это способствует снижению шума от вибрации штанги.

7. Для анализа случайных погрешностей в измерениях энергетических параметров ударных процессов применен метод статистического моделирования (метод Монте-Карло), что позволяет выявить вклад случайных колебаний отдельных аргументов на конечный результат. Наибольший вклад в ошибку результата дают погрешности в измерении скорости импульсов в штанге и относительной деформации при ударе.

8. Экспериментально доказано, что боек при отскоке практически мгновенно отрывается от штанги. Плавный спад осциллограммы омического сопротивления контакта между поверхностями соударения определяется параметрами электрической схемы измерительной системы.

9. Экспериментальным путем обнаружено, что при распространении ударной волны по ферромагнитному стержню (в данном случае по штанге), между точками ее поверхности, смещенными по длине, образуется знакопеременная разность потенциалов, зависящая от параметров и распределения волны деформации.

10. Установлено, что при прохождении продольного ударного импульса через естествешю закрученный стержень возникает двуполяр-ный импульсный крутящий момент, величина амплитуды которого превышала 600 Н-м. При соответствующем подборе параметров импульсов возможно применение после дополнительных исследований таких ударных систем для интенсификации процесса разрушения за счет комбинированного воздействия на породу импульсных осевого усилия и крутящего момента.

11. Экспериментально установлено, что виброимпульс (гладкий импульс с наложенными высокочастотными колебаниями) способствует более эффективному разрушению породы. Глубина разрушения гранита сферическим индентором при наложении высокочастотных колебаний увеличивается на 16/20% по сравнению с жестким ударом.

12. При ударе нарастание амплитуды импульса до максимального значения происходит не мгновенно, а в течение, примерно, 20 мкс, что соответствует максимальной частоте в спектре исследуемого импульса

Наименьшая частота дискретизация сигнала с помощью АЦП должна составлять 25 кГц.

13. Разработан метод разъема конусных соединений, в котором используется отражение упругих волн, вызванных ударом, при их распространении по волноводу с переменным поперечным сечением.

14. Установлено, что эквивалентная продолжительность импульса численно равна площади под графиком нормированной относительной деформации в функции времени.

Результаты диссертационных исследований опубликованы в 52 научных трудах, основными из которых являются:

1. А.С. 199060 СССР, МПК Е 21с1. Ударный механизм / Н.Д. Лазаревич, В.П. Рындин, М.М. Перепелкин, В.В. Бойков, Л.И. Пепенин (СССР).-№1072333/22-3; Заявлено 27.1V,1966; Опубл. 13.V11.1967, Бюл. №15.-2с.

2. А.С. 175463 СССР, МПК Е 21с. Ударный механизм / Н.Д. Лазаре-

вич, М.М. Перепелкин, В.П. Рыпдин., Ю.Н. Торгунаков (СССР).-№ 912248/22-3; Заявлено 15.V11.1964; Опубл. 09.Х.1965, Бюл. №20.-2с.

3. А.С. 219 345 СССР, МПК F 06d. Центробежная предохранительная муфта / Н.Д. Лазаревич, М.М. Перепелкин, В.П. Рындин (СССР).-№ 1151030/2-27; Заявлено 17. 1V.1967; Опубл. 30.V.1968, Бюл. №18.-2с.

4. А.С. 274569 СССР, МПК F 16d. Центробежная предохранительная муфта / Н.Д. Лазаревич, М.М. Перепелкин, В.П. Рындин (СССР).-№ 1318877/25-27; Заявлено 08. 1V.1969; Опубл. 24.V1.1970, Бюл. №21.-2с

5. А.С. 292043 СССР, МПК F 16d. Центробежная предохранительная муфта / Н.Д. Лазаревич, М.М. Перепелкин, В.П. Рындин (СССР).-№ 1357294/25-27; Заявлено 20. V111.1969; Опубл. 06.1.1971, Бюл. №4.-2с

6. А.С. 309126 СССР, М.Кл. Е 21с1/12. Бурильная машина / Н.Д. Ла-

заревич, М.М. Перепелкин, В.П. Рындин., В.В. Бойков (СССР).-№1438385/22-3; Заявлено 25.05.70; Опубл. 09.07.71, Бюл. №22.-2с.

7. А.С. 421763 СССР, М.Кл. Е 21с1/12. Бурильная машина / Лазаревич Н.Д., Перепелкин М.М., Рындин В.П., Бойков В.В. (СССР).-№1821864/22-3. Заявлено 22.08.72; Опубл. 30.03.74, Бюл. №22.-2с.

8. А.С. 601407 СССР, М.Кл. Е21С1/10. Бурильная установка / Лазаревич Н.Д., Медовый ЮА,Перепелкин ММ., Романов В.М., Рындин В.П., Торгунаков Ю.Н., Яшин А.Н., Данилов Н.А. (СССР).-№1907203/22-03; Заявлено 09.04.73; Опубл. 05.04.78, Бюл. №13.-2с.

9. Рындин В.П. К вопросу измерения ударной мощности бурильных машин / В.П. Рындин, В.М. Романов, Ю.Н. Торгунаков // Проблемы создания и внедрения самоходных бурильных установок: Матер. Всесоюзн. конф., сент. 1974. -Фрунзе, 1974. - С. 86-87.

10. Рындин В.П. Способ разъема конусных соединений / В.П. Рындин, В.М. Романов, Ю.Н. Торгунаков // Проблемы создания и внедрения самоходных бурильных установок: Матер. Всесоюзн. конф., сент. 1974. - Фрунзе, 1974. - С. 224-226.

11. Рындин В.П. Интегральный способ определения параметров ударных импульсов в штанге бурильной машины // Изв. вузов, "Горный журнал", №5,2000. - С. 102-105.

12. Рындин В.П. Удар тел, разделенных слоем жидкости // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - Кемерово, 2000. - № 6. - С. 27-29.

13. Рындин В.П. Измерение энергии и частоты ударов бурильных машин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - Кемерово, 2001.- №2. - С. 24-26.

14. Рындин В.П. Спектральные характеристики ударных импульсов / В.П. Рындин, Т.В. Смирнова // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - Кемерово, 2001. - №1. - С. 48-49.

15. Рындин В.П. Измерение энергии и частоты ударов бурильных машин по импульсам деформации штанги // Динамика и прочность горных машин: Матер, междунар. конф., 21-24 мая / Ин-т горного дела СО РАН. - Новосибирск, 2001. - С. 105-108.

16. Рындин В.П. Фильтрация отраженных волн при ударном бурении // Динамика систем, механизмов и машин: Матер. IV Междунар. науч.-техн. конф., Омск. гос. техн. ун-т. - Омск, 2002 . - С. 93-96.

17. Рындин В.П. К оценке параметров бурильных машин ударного действия // Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах: Матер. V Междунар. науч.-практ. конф. / Кузбас. гос. техн. ун-т.- Кемерово, 2002. - С. 83-86.

18. Рындин В.П., Смирнова Т.В. Частотные характеристики ударных импульсов. // Динамика и прочность горных машин: Матер. 11 междунар. конф., 27 мая / Ин-т горного дела СО РАН. - Новосибирск,

2003.-С. 11-16.

19. Рындин В.П. Соударение через слой жидкости. // Динамика и прочность горных машин: Матер. 11 междунар. конф., 27 мая / Ин-т горного дела СО РАН. - Новосибирск, 2003. - С. 109—115.

20. Рындин В.П. Волновые процессы в ударных системах бурильных машин / Кузбас. гос. техн. ун-т. - Кемерово, 2004. - Деп. в ВИНИТИ 20.04.2004, № 661-В2004. -14 с.

21. Рындин В.П. Отраженные импульсы при ударном бурении/ Кузбас. гос. техн. ун-т. - Кемерово, 2004. - Деп. в ВИНИТИ 29.04.2004, № 740-В2004. -19 с.

22. Рындин В.П. Измерение энергетических параметров бурильных машин ударного действия / Кузбас. гос. техн. ун-т. -Кемерово,

2004. - Деп. в ВИНИТИ 14.05.2004, № 823-В2004. -21 с.

23. Рындин В.П. Измерение энергии и частоты ударов бурильных машин //"Горные машины и автоматика", 2003, № 12. - С. 22-24.

24. Рындин В.П. Энергия ударных импульсов в штанге бурильной машины // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - Кемерово, 2004. - №4. - С. 22-23.

25. Рындин В.П. Некоторые особенности распространения ударных импульсов в стержнях // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - Кемерово, 2004. - №4. - С. 20-21.

26. Рындин В.П. Отраженные импульсы при вращательно-ударном бурении // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - Кемерово, 2004. - №2. - С. 48-49.

27. Рындин В.П. К вопросу измерения энергии удара бурильных машин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - Кемерово, 2004. - №2. - С. 45-48.

28. Рындин В.П. Моделирование ударных волновых процессов в штангах бурильных машин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - Кемерово, 2004. - №3. - С. 52-57.

Подписано к печати 21.06.04 . Формат 60x84/16.

Отпечатано на ризографе. Объем 2,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № НА Типография Кузбасского государственного технического университета. 650099, Кемерово, ул. Д. Бедного,4А.

»15450