автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Машина ударного действия с канатной связью рабочего органа и асинхронного каскадного привода для проходки глубоких щелей в крепких породах

/

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ЮЖНО - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ (НОВОЧЕРКАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ)

МАШИНА УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ С КАНАТНОЙ СВЯЗЬЮ РАБОЧЕГО ОРГАНА И АСИНХРОННОГО КАСКАДНОГО ПРИВОДА ДЛЯ ПРОХОДКИ ГЛУБОКИХ ЩЕЛЕЙ В КРЕПКИХ

ПОРОДАХ

На правах рукописи

БОЧАРОВА Татьяна Валерьевна

УДК 622.233.622:658.28

Специальность 05.05.06.-" Горные машины

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научные руководители: действительный член международной Академии наук высшей школы, доктор технических наук, профессор ВОДЯНИК ГРИГОРИЙ МИХАЙЛОВИЧ,

кандидат технических наук, доцент

ЛЕНЧЕНКО ВАСИЛИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ.

Новочеркасск, 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................

1. АНАЛИЗ ПУТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ УДАРНОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...........................................................

1.1. Основные направления повышения эффективности проходки скважин в крепких породах ударным способом...........

1.2. Бурение скважин некруглой формы..................................

1.3. Каскадный асинхронный привод применительно к машинам циклического действия.........................................................

1.4. Машины ударного действия с асинхронным каскадным приводом..........................................................................

1.5. Выводы и постановка задач исследований........................

2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ФИЗИ-

■ .■■ ■■.••¿¡.•¿ж

ЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МАШИНЫ УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ С АСИНХРОННЫМ КАСКАДНЫМ ПРИВОДОМ И С ГИБКОЙ СВЯЗЬЮ ПРИВОДА И РАБОЧЕГО ОРГАНА

2.1. Выбор конструктивно-кинематической схемы машины для проходки глубоких щелей.....................................................

2.2. Физическая модель машины ударного действия с каскадным асинхронным приводом и с гибкой связью привода и рабочего

органа..............................................................................

2.3 Параметры элементов физической модели...........................

2.4.Методика экспериментальных исследований на физической модели ...........................................................................

2.5. Результаты экспериментальных исследований на физической

модели.............................................................................

ВЫВОДЫ

3.МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МАШИНЫ ДЛЯ УДАРНОГО РАЗРУШЕНИЯ КРЕПКИХ ПОРОД С АИНХРОННЫМ КАСКАДНЫМ ПРИВОДОМ И С ГИБКОЙ СВЯЗЬЮ ПРИВОДА И РАБОЧЕГО ОРГАНА

3.1. Расчётная кинематическая схема машины............................

3.2. Системы координат. Силы, действующие в машине...............

3.3.Моменты на валу привода.................................................

3.4.Уравнения динамики системы............................................

3.5.Проверка адекватности физической и математической моделей ВЫВОДЫ.........................................................................

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ОБОБЩЁННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

4.1. Выбор метода исследования..............................................

4.2. Исследования с учётом независимого фактора - свойства породы .............................................................................

4.3.Результаты экспериментов с учётом влияния накопителей энергии............................................................................

4.4. Факторы, влияющие на устойчивую работу привода машины...

4.5 Исследования влияния характеристик двигателей на показатели работы машины...................................................................

4.6 Анализ баланса энергии машины........................................

ВЫВОДЫ.........................................................................

5. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ МАШИНЫ УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ПРОХОДКИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ЩЕЛЕВОГО ТИПА В УСЛОВИЯХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

5.1. Выбор оптимальных параметров машины............................

5.2. Способ проходки в крепких породах вертикальных выработок щелевого типа при строительстве и эксплуатации угольных шахт и

конструктивно-компаиовочная схема для его осуществления......

ВЫВОДЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Таблицы результатов обработки осциллограмм. Приложение 2. Список идентификаторов и программа расчёта на

математической модели......................................................

Приложение 3. Документы по внедрению результатов исследований..................................................................

ВВЕДЕНИЕ

Повышение эффективности процесса разрушения крепких горных пород, как при разведке и добыче полезных ископаемых, так и при строительстве горных предприятий, тоннелей, метрополитена и других промышленных и гражданских объектов, непосредственно связано с уменьшением трудоёмкости и ускорением проходки различных горных выработок, скважин, стволов. Основным способом разрушения крепких горных пород является использование энергии взрыва. Однако во многих случаях этот способ по разным причинам оказывается неприемлемым вообще, или же его вынужденное применение приводит к отрицательным последствиям, требующим дополнительных затрат на их компенсацию.

Основное назначение машин ударного действия для разрушения горных пород - проходка взрывных и другого назначения скважин в крепких породах ударно-вращательным и ударным способами. Вопросами совершенствования буровых машин, бурового инструмента, привода и систем управления занимались и занимаются многие учёные и научные коллективы. Вопросам теории разрушения горных пород ударом и взрывом, создания новой буровой техники и инструмента посвящены работы известных учёных. Это Александров Е.В., Алимов О.Д., Барон Л.И., Покровский Г.И., Фёдоров И.С., Кутузов Б.Н., Падуков В.Н., Протасов Ю.И., Дворников JI.T., Сафохин М.С., Петров Н.Г. и другие. Заметный вклад в дело совершенствования буровой техники внесли ученые Новочеркасского политехнического института: Михайлов В.Г., Крапивин М.Г., Водяник Г.М., Заго-роднюк В.Т., Сысоев Н.И., Раков И.Я., Рылёв Э.В. и другие.

При геологоразведочных работах, строительстве и эксплуатации шахт и рудников, для контурного взрывания необходима или желательна проходка скважин в виде узких протяжённых выработок (щелей) различной заглублённости. В мягких породах проходка щелей глубиною до 10 метров осуществляется машинами режущего типа с использованием различного

рода цепных рабочих органов. Машин специально предназначенных для проходки щелей в крепких горных породах нет. При проходке шахтных стволов по крепким породам в условиях, исключающих применение взрывных работ, используют станки ударно-канатного бурения, но они малопригодны для проходки щелей, а в подземных условиях их применение вообще не возможно из-за больших габаритов. Габариты и масса станков ударно-канатного бурения определяются их кинематической схемой, основанной на использовании кривошипно-шатунного реверсирующего механизма. По этой причине ограничена высота подъёма инструмента и скорость инструмента перед ударом. Для достижения необходимой энергии удара увеличивают массу инструмента. Совершенствование станков ударно-канатного бурения продолжается, но привод и кинематическая схема не меняются.

Таким образом, проблема совершенствования способов, машин, инструмента для разрушения крепких горных пород, в том числе средств механизации для проходки глубоких вертикальных щелей в этих породах, является актуальной.

Соответствие диссертации плану работ ЮРГТУ(НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления "Интенсивные ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных пластов, использование углей и охрана труда", утверждённого учёным советом ЮРГТУ(НПИ) в 1994 г.

Цель работы. Разработка машины для проходки глубоких щелевых выработок в крепких горных породах с применением ударного разрушения породы энергией не свободно падающего груза, изучение взаимосвязей между параметрами электрического привода машины, её инерционными массами, жестокостями упругих элементов, физико-механическими свойствами разрушаемых пород и их влияние на работоспособность и производительность машины.

Идея работы. Использование сочетания особенностей маятника, в виде подвешенного на канате к барабану груза, и электрического привода, в виде установленных на общем валу с барабаном двух асинхронных электрических машин, соединённых между собою последовательно со стороны статорных обмоток, позволяющих упростить конструкцию и улучшить эксплуатационные показатели.

Научные положения, разработанные лично соискателем и их новизна:

-основным фактором, определяющим цикличную работу машины в результате глубокого перераспределения напряжения сети между асинхронными двигателями каскадного привода, является момент, создаваемый на общем валу привода силой натяжения в канате, при этом влияние технологического разброса параметров асинхронных машин не отмечено;

-работоспособность машины без применения коммутирующих устройств в электрической цепи привода возможна при наличии в кинематической цепи машины аккумуляторов кинетической и потенциальной энергии при соотношении их ёмкостей не меньше чем 1:1;

-приоритетными параметрами, определяющими производительность машины при разрушении конкретной породы, являются момент инерции вращающихся масс, масса инструмента, жёсткость амортизатора, свободный ход инструмента от забоя до амортизатора;

- при движении инструмента к забою электрические машины привода могут из двигательного режима переходить в генераторный режим работы, что способствует повышению устойчивости работы привода, но снижает степень использования установленной мощности этих машин;

- использование асинхронных машин с повышенным пусковым моментом и с мягкой моментной характеристикой в сочетании с отсутствием зазора между инструментом и амортизатором способствует подавлению

резонансных процессов в канате, нарушающих устойчивую цикличную работу машины;

-оптимальной конструкцией канатного барабана при использование асинхронных машин с повышенным пусковым моментом и с мягкой мо-ментной характеристикой в сочетании с отсутствием зазора между инструментом и амортизатором является барабан, выполненный в форме однопо-лостного гиперболоида, на внешней поверхности которого изготовлена канавка для укладки каната с шагом подъёма за один оборот, равным двадцати диаметрам каната.

В работе защищаются:

-конструктивно-компоновочная схема машины ударного действия с возвратно-поступательным движением рабочего органа, соединённого гибкой связью с равномоментным каскадным приводом, запускаемым в работу от аккумулятора потенциальной энергии, разработанная по результатам теоретических исследований, позволивших исключить применение реверсирующих устройств;

- математическая модель машины, представленной в виде двухмассо-вой динамической системы с упругими и нелинейными элементами, в которой при принятых допущениях адекватно описаны реальные процессы, что подтверждено экспериментами на физической модели и оценкой адекватности по критерию Фишера;

-закономерности, полученные на физической модели и на адекватной математической модели, производительности машины и нагрузок в её приводе и канате с учётом геометрических и кинематических параметров барабана, направления движения инструмента и барабана, реакции забоя, моментных характеристик двигателей и режимов их работы;

-методика и алгоритм расчёта на ЭВМ параметров машины, обеспечивающих заданную производительность для конкретных условий её ра-

боты, отличающаяся возможностью варьирования параметров и характеристик двигателей, аккумуляторов, каната, барабана;

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются:

-корректным использованием классической теории теоретической механики, электрических машин и электропривода, физики горных пород;

-проведением исследований на физической модели с использованием измерительных приборов класса точности 1,0 и с регистрацией быстропро-текающих процессов методом прямого осциллографирования, с применением регистрирующих приборов, частотные характеристики которых соответствуют частотам регистрируемых параметров;

-корректным применением статистических методов планирования и обработки экспериментов, проведённых на математической модели, адекватность которой реальным процессам подтверждена результатами исследований на физической модели;

-оценками адекватности результатов теоретических и экспериментальных исследований на моделях по критерию Фишера;

- хорошей сходимостью результатов исследований на физической и математической моделях по току, напряжениям, угловой скорости, времени цикла с точностью 3-5%.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты, выводы и рекомендации создают научные основы для разработки нового класса машин ударного действия для проходки узких глубоких щелей различного назначения в крепких горных породах, а так же ударных машин другого технологического назначения, с применением созданного программного обеспечения для автоматизированного проектирования таких машин.

Реализация результатов диссертационных исследований, Результаты исследований настоящей работы использованы:

„ттлп гтг»Аат/"тчтлт»Г1итут1 liiTrmm т тхттгг пплvrt тттш 1131 -Г 14' i и3434t'4III 3 1- т^лттлттп

ixpia ; iljj-^'o-ciiill-i ivxcixixxxxxox Д^-з xvvjJxv/iivnv»

i - -3 m 11 3i 34 i--34 плутллгггттгпп ti ii 34 -1 / 4 / l-i- !i 111 ii i t' i -ii i i 31 ii ii13 iii -11 ii 11 ^1131 ii i л * /л^ттталзтзп aur

! j ■ aanui \j еидии xjxmjdo. ii видииинхопгил i\cmcid\-mv ax-,is,Ъfxox; v- •^uxli.wv i пит Дип) 1 UJXB .

_ТЛ t ПГГЛ ^TT/*VH «' TTV4 ГТЛ /% Л Г» » » +Л ГТ ТТТЛТТТТТТ Ti"T Г-1Л Art " 1 I TfTYIM ЖТ1Т/>Л i глттттпт" ТТЛ тло /4л А ттг* п,

"о j^vuxiu'ivi iipui^uvC-v njjyi -iivxi-Kia r-.jpva Дгшсиаиаа лаашнл па Холр^Дри

«Горных машин и оборудования» Шахтинского института ЮРГТУ(НПИ).

а мойлт»» w" глпттг»т1ттт гга тталтгдтттг <т ттттллл'п'т'отттглттттатт г> /лгрт т

pavu 1 о*. \-/vxxv/jd5п.х>1 iiUJxO/Kwiiifi^ х d.JL»lriurirLv/jri pauuim

rr/^fc ТТЛ «lTl«ATTT T TI уAtГТ Т ТТЛ ТТОТ 7ТТТТ/ЛТТ ТТ

ii идиир^гш! па naj ixiuia липфср^тдИn *wИ^рххх i.- п >_з j. w и а. п м

ii /i tin nui i '-i /л 34 i tiii* fimanrittv ттл зтапттт т v шилип n.'in i 143 |зц 311л141111 i'm

nvjjiOx ¡-«ri диио11Ы ¡с^рдшл iiWJi^onisi.'V iiL'RO'liлкЛ ¿i i utvi-m , wpi апяои-

п111 ii i/i i't I / Л 313 i i 34 О 34 iiii i 1 Mil 131 ii • /-ittiqiiarmmff A 1-11 31(311 11 ii 1—341'4 iii 1 m i i 14 i i 13 i 1 I i i ii 3"1, i | ,

xjcuinLWix i^/жпи"! u,wirxriv*i\.nivji шrt^jiwnnwis ллад^мяк ivpaaiA па.у J\ ■ n 1алц;ш-

а1'з i i 3 i i i 'i - i 34 1 /и 1 i г/1» • ! ^ iiд iii ii 1/113/1и ii 13 о 31iii i ii ii /i и'1 viiiч"!! 311 i i i 1 iii i i ii i т1 •

'-■•\yavi и 1 I и С л-; 1 '„«ля^дии алад^жка 1х Б^-пл с.-; /-. па)л ^г . м ¡ал.1гч,

1998г), на^шо-практичееких конференциях ЮРГТУ(Н11И) и Шахтинского

iii iii-iiiii-* ."-1-14 / 1 ОО 1 1 ОООт^т-зЧ i 11"! i i п1 '1 i 111 ii' 31iii! 111 i п 1л•'! 13 13ii 31"1 iл -т14

ХХХХА^ХЖХХ у X« -ч< X " ! .'.••! ! по. пар.шжл '.'.¡НгШарйА Г--а,ф-_уДр

I ТУ I Т Ч-Ч /Л ТТТТ/ЛГ» » «-/"V О Т? Т»Г\» »■Л'ПТТТ^Г»

х иДрь1 х ;гг vг;-иаЬ 1 гу i а 1 па ма i .7 \х п х -^¡лилк, гуюшншм и ии^руД^оа-

„„„•• -i -4 i 3' 1114 I i з!| ■ i i 'ii i i i i ii i i 31 ич'и i iii'!-ii-1111 11111 1-113114 1 1-4 ii 31 -I ЦЗЦИ 1-|"* Г Т ТТ

пис , чулск'хрифылация и ирииооидсюа шгх

ЮРГТУ(НПИ), на объединённом научном семинаре кафедр: 'Торного машиностроения "Технологии горного производства", 'Торной ЭЛекТрОМе-

ХаНИКИ" У КраККС КОИ ИНЖСНСрНО"ПСДаГОГИЧССКОИ йКаДСМИИ (гОрНЫИ фа

131 - - 11 -1" i 4-'i ■ i" - -1-3111111 iiiii \

■х у j ■ d х •«_- s, х i аЛлпио i.

i' l ч -'iiiihii iiiii 1 i 14 '1v11 i 34 -11 ill/l 11141-311 i iii i 14 ii 4 - 14 "iii 1-31 ii31i i14 a 14-'13i i'v i i i 1 1 i"! 31 31 1 11 i 31

Eiyv^ii-ir-гг-Едxi ij i^MW да^брюцин uuj'jiiMs\i/Danu -+ лююа xri ixujxj-iv-

11I I 1 31 tl-T-14 14311'lll' /41411 -I/.l rnill ll'i llH I I *4 11 '1/1 -^>14 34 1 341 I I III

cil>i■ vjiii».- l oci xxct iijwjivxfenita.

u 34 14 -1-14 14 i i i i 14 -1 i i 34 i iii i i 31 i - n /11 з'4 -iii i~i " i ' ii 311-1 llll i 11414 1 1 14 ii 1111" /4 1 i •! -1 -11 i- 31 ^ " \-f л 313 ii /1

i ЗООТа ВЫххиЛНеНа rxa t ii/j,puxin.vi>ivxuai>iwrviaxirixvii ¡¡чУлчлхО-

dai.^,„"l3,,331nl, Гзз 31, 31,34^ 343^14 34.3,13443 31 ^Г 3413 1 1 1 x.l ^ 34 1334,334 \ 7" i, „14 34r> 3,1133433,^34 /1^3114341.

РОССИЙСКОГО 1 0СуДарСТБСх1Г1^/х \j JL WAXIJKIM^CIVUI U riHBvpvili'via

гт/ч тттгтЛчгтгтГТТЛЛТЛЛ-ПА TTTTO ГГТ rmt Т(«/Ч TTtTAT^TTTn* Г ГЛЛТЛПАТ1 П J- rf> Л

vKOFu ишш 1 wumnuviiui и Hnvnn jia^, i ritiV г-.U i upufi aciup вшраЖ®.!

i't "14 3 31 /4131 1 i / 4 гi 14 i j -11 i h'to t i i 1 114 3131 -1 '4 ii i'l [3ii-131 , ii ii 3|34 11144«/ 41111 ii14 [ i i i 14 31' i-14 | 134 il »3 331 11 14 314 i ■ ; 34

ГЛуООКуЮ xxpMJHcixSjxbxnjvxxj j<ci --c«.hii»yrO iivii¥!=_r-ju,b xi«/H ixi^vxeih^x>jx43 xx pvliiw-

нии задач исследования.

1.Анализ путей совершенствования ударного разрушения горных пород и задачи исследования

1.1 Основные направления повышения эффективности проходки скважин в крепких породах ударным способом

Теория и практика показывает, что для бурения крепких пород перспективным является бурение с импульсным приложением энергии разрушения [1-4]. Эффективность разрушения, характеризуемая объёмом разрушаемой породы за цикл, увеличивается с ростом энергии импульса [5-8]. В то же время ряд исследований подтверждает, что эффективность динамического разрушения горных пород определяется длительностью ударного импульса, так как при увеличении времени удара снижается энергоёмкость разрушения [9-11]. Основным препятствием широкому промышленному использованию ударно-вращательных бурильных машин с повышенной энергией импульса остаётся недостаточная стойкость рабочего инструмента и рабочих узлов [12,13]. Наиболее подвержены разрушению воспринимающие удары бойка поверхности - хвостовик инструмента или штанги, на котором вследствие локального приложения нагрузки появляется наклеп с после дующим расстрескиванием.

Каждый