автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Метод расчета и поддержания рациональных режимных параметров бурильной машины мехатронного класса

На правах рукописи

Гринько Дмитрий Александрович

МЕТОД РАСЧЕТА И ПОДДЕРЖАНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ БУРИЛЬНОЙ МАШИНЫ МЕХАТРОННОГО КЛАССА

Специальность 05.05.06 - Горные машины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 МАР 2015

Новочеркасск - 2015

005560755

005560755

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» на кафедре «Нефтегазопромысловые и горные машины и оборудование»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сысоев Николай Иванович

Рахутнн Максим Григорьевич

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Московский горный институт (МГИ) НИТУ МИСиС», профессор кафедры «Горные машины и оборудование»

Ведущая организация:

Поляков Андрей Вячеславович

кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», заведующий учебной лабораторией кафедры «Геотехнологий и строительства подземных сооружений»

ФГБОУ ВПО «Уральский горный университет»

государственный

Защита состоится «14» апреля 2015 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д.212.304.04 созданного при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132, ауд. 149 главного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ЮжноРоссийского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан « 4 » оил^-лла 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Исаков Владимир Семенович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В соответствии с Энергетической стратегией России на период до 2030 года отечественная горная промышленность должна достигнуть принципиально нового уровня развития. Для достижения поставленных целей необходимо решить ряд актуальных проблем. К числу таких проблем в угольной промышленности относят недостаточный инновационный потенциал, слабое развитие российского угольного машиностроения и вызванная этим усиливающаяся зависимость отрасли от импорта технологий и оборудования.

Последовательное решение указанных проблем приведет к улучшению экономических показателей крупных угледобывающих районов Российской Федерации, среди которых выгодно выделяется Восточный Донбасс своим географическим положением и качеством добываемого угля. Восточный Донбасс является основной угольной базой европейской части России. Запасы угля, пригодные к разработке, здесь составляют около 5500 млн. тонн. Монопольное положение на юге России, близость к рынкам сбыта определяет Восточный Донбасс как один из важных источников энергетических ресурсов региона. К 2030 году добычу угля на шахтах Восточного Донбасса планируется увеличить до 13 млн. тонн/год. Характерной особенностью угольной промышленности Восточного Донбасса является то, что пласты угля имеют незначительную мощность (1,2 - 1,6 м.). Это обуславливает повышенный удельный объем проходческих работ в целом, а в смешанных забоях (порода-уголь) в основном по породе. Крепость породы зачастую велика, что предопределяет применение только буровзрывной технологии проведения горных выработок. Достижение поставленной цели не возможно без использования современной техники и технологий добычи. Техническое перевооружение горного производства включает в себя не только внедрение нового высокопроизводительного технологического оборудования, но и привязку его к конкретным условиям с целью достижения максимальной эффективности эксплуатации. Создание технологических машин мехатронного класса в настоящее время является ключевым звеном научно технического прогресса в горнодобывающей отрасли. В значительной степени это относится к бурильным установкам, так как повышение эффективности их применения возможно за счет уменьшения затрат времени на бурение шпуров на основе выбора и поддержания на рациональном уровне режимов бурения. Однако существующее оборудование для бурения шпуров из-за технического несовершенства невозможно настраивать на рациональные режимы бурения. Поэтому решение задач по разработке алгоритмов выбора и поддержания рациональных режимных параметров бурения шпуров и создание

соответствующих технических средств на основе мехатронных модулей движения, являются весьма актуальными.

Соответствие диссертации плану работ ЮРГПУ(НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках плана научно-исследовательских работ ЮРГПУ (НПИ) по направлению «Теория и принципы создания робототехнических и мехатронных систем и комплексов» и инициативной научно-исследовательской работы по теме № ПЗ-892 «Создание высокоэффективных породоразрушающих инструментов горных машин и буровых установок, техническая диагностика и мониторинг машин и оборудования горной и нефтегазовой отраслей».

Цель работы. Разработка метода расчета и поддержания рациональных режимных параметров бурильной машины мехатронного класса, что обеспечит повышение эффективности бурения шпуров.

Идея работы. Периодическая корректировка частоты вращения бурового резца за период его стойкости или в течение времени бурения шпура позволяет достигать снижения удельного износа инструмента, а наложение импульсов осевого усилия и крутящего момента - повышения теоретической скорости бурения, что в совокупности позволит повысить техническую скорость бурения.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. В качестве критерия управления режимными параметрами бурения шпуров, а именно частоты вращения инструмента и частоты наложения на него импульсов осевого усилия и крутящего момента, следует принимать величину технической скорости бурения, учитывая тем самым затраты времени на непроизводительные операции, обусловленные интенсивностью износа резцов в зависимости от режимных параметров.

2. На основе впервые установленных закономерностей совместного влияния на теоретическую скорость бурения частот вращения, импульсов осевого усилия и импульсов крутящего момента предлагается интенсифицировать процесс бурения в условиях меняющихся прочностных и абразивных свойств буримых пород путем подбора рациональных режимных параметров непосредственно в процессе бурения.

3. Математическая модель, увязывающая параметры вращательного бурения с параметрами импульсов осевого усилия и крутящего момента, дополнительно прикладываемых к резцу, с прочностными параметрами пород забоя, позволяющая по критерию максимума технической скорости устанавливать способ бурения и его рациональные режимы применительно к изменяющимся условиям внешней среды.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. В качестве критерия управления режимными параметрами бурения шпуров впервые используется величина технической скорости бурения и на его основе предложен способ выбора рациональных режимных параметров, заключающийся в подборе частоты вращения штанги и частоты импульсов осевого усилия и крутящего момента, а также алгоритм управления режимными параметрами вращательного бурения и бурения с наложением импульсов осевого усилия и крутящего момента, позволяющий корректировать режимные параметры бурения по мере износа инструмента.

2. Установлены закономерности для определения теоретической скорости бурения, впервые учитывающие влияние параметров импульсов осевого усилия и крутящего момента, совместно накладываемых на вращающийся инструмент с учетом прочностных и абразивных свойств буримых пород. При этом наибольший эффект повышения скорости бурения проявляется при пониженных частотах вращения инструмента и снижается по мере увеличения частоты вращения при условии сохранения удельного количества прикладываемых импульсов на один оборот.

3. Разработан метод расчета и поддержания режимных параметров бурения шпуров, отличающийся от известных тем, что помимо параметров вращательного бурения учитываются параметры импульсов осевого усилия и крутящего момента, накладываемых на инструмент.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждается: корректностью постановки задач исследований; использованием апробированных методик расчета режимных параметров бурения шпуров; достаточным объемом лабораторных экспериментальных исследований выполненных с применением известных методик планирования эксперимента и математической статистики; результатами хронометражных наблюдений за работой шахтной бурильной установки.

Научное значение работы:

Совершенствование теории функционирования бурильных машин вращательного и вращательно-ударного действия.

Практическое значение работы:

- разработана конструкция стенда, защищенная патентом на изобретение, обеспечивающая исследование режимов бурения с наложением на буровой резец не только импульсов осевого усилия, но и импульсов крутящего момента;

- разработана программа расчета и корректировки режимных параметров бурения по критерию достижения максимальной технической скорости;

- разработана структурная схема бурильной машины мехатронного класса позволяющая реализовывать программный поиск режимных параметров бурения

по критерию достижения максимальной технической производительности непосредственно в процессе ее работы;

- разработан алгоритм управления бурильной машиной мехатронного класса, обеспечивающий поддержание рациональных режимных параметров бурения по мере износа инструмента и изменения прочностных и абразивных свойств буримой породы;

- разработаны рекомендации по выбору типа бурового резца и режимов бурения применительно к существующим бурильным установкам с ограниченными возможностями регулирования режимных параметров.

Реализация результатов работы:

Результаты исследований нашли частичное практическое применение в ОАО «Шахтоуправление «Обуховская».

Материалы диссертационной работы внедрены в учебные курсы для студентов, обучающихся по специальности «Горное дело» (специализация горные машины и оборудование). Пакеты прикладных программ используются при курсовом и дипломном проектировании.

Личный вклад автора. Выполнен анализ методов расчета режимных параметров вращательного и вращательно-ударного бурения шпуров и конструкций соответствующих машин. Разработана и защищена патентом на изобретение оригинальная конструкция стенда для исследования режимов бурения при наложении импульсов осевого усилия и крутящего момента. Проведены экспериментальные исследования и установлены закономерности влияния параметров импульсов осевого усилия и крутящего момента на скорость бурения. Разработан метод расчета, позволяющий определять и корректировать режимные параметры бурения для достижения максимальной технической производительности.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и получили одобрение: на научно-технических конференциях ЮРГПУ (НПИ) (2010-2014 гг.); на международных научных симпозиумах «Неделя горняка» в Московском государственном горном университете (2012 и 2013 гг.); на I Международной научно-практической конференции «Горная электромеханика -2014» в Пермском национальном исследовательском политехническом университете (г. Пермь); на XII международной научно - практической конференции «Чтения памяти В.Р. Кубачека» в Уральском государственном горном университете (г. Екатеринбург).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России и 8 статей в других изданиях. Получен патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 102 наименований и 5 приложений. Текст изложен на 158 страницах и включает 44 рисунка, и 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, определены цели и задачи диссертационного исследования, сформулированы научные положения, выносимые на защиту, раскрыта научная новизна работы, подтверждена обоснованность полученных результатов, а также их научно-практическое значение.

В первой главе выполнен анализ состояния вопроса, который показывает, что к настоящему времени проведены глубокие экспериментальные и аналитические исследования процессов, протекающих во время вращательного и вращательно-ударного бурения шпуров, получены отдельные зависимости и математические модели, позволяющие количественно определять значения режимных параметров бурения при различных способах. Также разработаны принципиальные схемы бурильных машин, обеспечивающие автоматизацию процесса бурения шпуров. Произведен обзор отечественных и импортных бурильных установок и применяемых на них средств автоматизации процесса бурения.

Значительный вклад в исследование процессов, протекающих при вращательном бурении (сверлении) горных пород, внесли научные школы, руководимые профессорами: В.Г. Михайловым, О.Д. Алимовым и Л.Т. Дворниковым, М.Г.Крапивиным, Н.И. Сысоевым, а также работы Н.Г. Покровского, И.А. Остроушко, В.В. Царицына, JI.A. Шрейнера, Е.Ф. Эпштейна, Э.В. Рылева и др.

Для развития теории и практики вращательно-ударного бурения большое значение имеют труды Е.В. Александрова, В.Б. Соколинского, Я.А. Серова, И.Ф. Медведева, А.И. Пуляева, Б.З. Израелита, А.И. Мелекесцева, О.Д. Алимова, Л.Т. Дворникова, Г.С. Филиппова, С.А. Чумака, Ю.М. Парийского, Г.Е. Званского, Н.М. Марковича и др.

В области автоматизации бурильных установок значительную роль сыграли работы Г.М. Водяника, А.Н. Дровникова, В.Т. Загороднюка, В.А. Яцкевича, A.A. Алейникова, О.Д. Алимова, В.Д. Буткина, А.Н. Волкова, Р.Х. Гафиятуллина, A.A. Жуковского, Е.А. Козловского, Г.М. Маслюка, Н.Г. Петрова, Н.И. Терехова, A.B. Яковенко и других ученых.

Проведение проходческих работ в породах с крепостью свыше 8-10 единиц по шкале проф. М.М. Протодьяконова в основном осуществляется буровзрывным способом. Для бурения шпуров в породах с различными физико-механическими свойствами применяются бурильные установки вращательного, вращательно-ударного и ударно-поворотного действия. Значительную роль в

7

обеспечении эффективности бурения шпуров установками любого типа действия играют режимы бурения, выбор которых не всегда может быть однозначным, так как процесс бурения шпуров является сложным многофакторным процессом, параметры которого в процессе бурения значительно варьируют. Известные методы и технические средства выбора и поддержания рациональных режимных параметров бурения шпуров не обеспечивают достижение максимальной технической производительности. Для решения этой задачи наилучшим образом подходят бурильные машины, имеющие в своем составе мехатронные модули управления, или бурильные машины мехатронного класса.

Мехатронная система управления режимными параметрами бурения шпуров позволяет учитывать и реагировать на изменяющиеся условия внешней среды не только за счет сило-моментных связей, но и за счет обработки данных, поступающих с установленных датчиков, а также специального алгоритма управления режимными параметрами бурения.

Так как мехатронная система управления режимными параметрами бурения позволяет учитывать значительное количество параметров, то появляется возможность интенсифицировать процесс бурения за счет введения дополнительных воздействий на буровой инструмент, а именно импульсов крутящего момента.

На основании выше изложенного, а также в соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи исследований:

- разработать технику и методику исследований процесса разрушения породы при наложении на буровой инструмент импульсов осевого усилия и импульсов крутящего момента в различных сочетаниях;

- провести экспериментальные исследования влияния наложения на буровой резец импульсов крутящего момента и совместного наложения импульсов осевого усилия и крутящего момента;

- обосновать критерий управления режимными параметрами бурения для бурильных машин мехатронного класса;

- разработать метод выбора и поддержания рациональных режимных параметров вращательного бурения с дополнительным наложением импульсов осевого усилия и крутящего момента, а также алгоритм работы системы управления, обеспечивающий работу бурильной машины на рациональном уровне;

- обосновать структурную схему мехатронной бурильной машины обеспечивающей реализацию предложенного способа.

Во второй главе изложены основные положения методики исследований, произведен выбор и обоснование метода планирования эксперимента, а также разработана оригинальная конструкция стенда для исследования режимов

бурения горны пород, защищенная патентом на изобретение, и произведен подбор измерительной аппаратуры, необходимой для фиксации основных параметров во время проведения эксперимента. Стенд для исследования режимов бурения горных пород разрабатывался с учетом теории подобия.

Стенд (рис. 1-2) содержит раму 1, опорную плиту 2, закрепленную неподвижно на раме 1, отрезок буровой штанги 3 с буровым инструментом 4, две опоры 5 и 6 отрезка буровой штанги, закрепленные на опорной плите 2, два ударных механизма-возбудителя импульсов осевых усилий 7 и импульсов

Рисунок 1 - Схема стенда для исследования режимов бурения горных пород (Патент РФ№ 2516042): 1 - рама; 2 - опорная плита; 3 - отрезок буровой штанги; 4 - буровой инструмент; 5,6- опоры; 7 - ударный механизм возбудитель осевых усилий; 8 - ударный механизм возбудитель импульсов крутящего момента; 9, 10 - стойки; 11 - тензометрическое звено сдатчиком 12; 13 - тензометрическое звено-рычаг с датчиком 14; 15 -вращатель; 16 - образец породы; 17 - стойка вращателя; 18 -гидроцилиндр; 19, 20 - наконечники; 21 - фиксирующий болт

крутящего момента 8, стойки 9 и 10, закрепленные на опорной плите 2, предназначенные для закрепления на них соответственно ударных механизмов-

возбудителей 7 и 8, тензометрическое звено-цилиндр 11 для передачи от ударного механизма-возбудителя импульсов осевых усилий 7 импульсов осевых усилий на отрезок буровой штанги 3 и размещения датчика 12, тензометрическое звено-рычаг 13, для передачи от ударного механизма-возбудителя импульсов крутящего момента 8 импульсов крутящего момента на отрезок буровой штанги 3 и размещения датчика 14, вращатель 15 с закрепленным на его валу образцом породы 16, податчик 17, предназначенный для закрепления в нем вращателя 15, гидроцилиндр подачи 18 для создания усилия подачи. В патронах ударных механизмов-возбудителей 7 и 8 установлены соответственно наконечники 19 и 20.

Тензометрическое звено-рычаг 13 закреплено на отрезке буровой штанги 3 при помощи болта 21.

Рисунок 2 - Общий вид стенда для исследования режимов бурения горных пород: 1 - податчик; 2 - вращатель; 3 - оправка; 4 - образец породы; 5 - инструмент; 6 - отрезок штанги; 7,8,9- тензометрические звенья; 10 - механизм-возбудителя импульсов крутящего момента; 11 -механизм-возбудителя импульсов осевого усилия

Весь объем экспериментальных исследований был выполнен в лаборатории сверления и погрузки крепких горных пород при ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова на стенде для исследования режимов бурения горных пород оригинальной конструкции. На основании методики проведения экспериментальных исследований на физических моделях нами были получены диапазоны значений для каждого параметра процесса (табл. 1).

Таблица 1 - Диапазоны изменения основных параметров

Параметр процесса Значение на натуре Значение на модели Коэффициент перехода

Частота вращения п, об/мин 50 - 500 50 - 500 1

Наибольший радиус инструмента Я, мм 21 5 1/4

Осевое усилие Р, Н 5000 - 15000 625 -1875 1/8

Крутящий момент Мкр, Н-м 50 - 300 6,25-37,5 1/8

Длина штанги 1, м 0,5-2 0,125-0,5 1/4

Энергия удара А, Дж 5-50 0,625 - 6,25 1/8

Количество ударов, мин"' 1500 - 4000 1500-4000 1

В качестве породоразрушающего инструмента используется физическая модель углепородного резца БИ-741А с радиусом гм = 5 мм. В реальных условиях бурение производят резцами с радиусом гн = 21 мм. На основании этого нами был получен коэффициент подобия

Для шпуров, имеющих диаметр, отличный от 42 мм, минимальное усилие подачи, обеспечивающее объемное разрушение породы, определялось по следующей зависимости:

Р0> 7/7Н

где с/ - диаметр резца, мм; - минимальная удельная площадка притупления, приходящаяся на 1 см длины лезвия = 1,2 мм2/см);

В третьей главе проведены экспериментальные исследования по методу рототабельного центрально-композиционного планирования (РЦКП).

Для исследования влияния на теоретическую скорость бурения наложения на инструмент импульсов крутящего момента был поставлен двухфакторный эксперимент. Согласно матрице планирования рототабельный план второго порядка для 2 факторов включал 13 опытов, из которых 4 опыта были в ядре плана, 4 опыта в «звездных точках» и 5 опытов на нулевом уровне значения фактора. В результате обработки экспериментальных данных была получена следующая математическая модель:

V = -5,67 • Ю-6 ■ п\ + 3,98 ■ Ю-3 • пв + 1,73 • 10"5 • п£и - 0,52; где п„ - частота вращения инструмента, об/мин; пми - частота импульсов крутящего момента, имп/мин.

Статистическую оценку значимости коэффициентов модели проводили по критерию Стьюдента, а проверку математической модели на адекватность проводили по критерию Фишера на уровне с доверительной вероятностью 95%.

По полученной математической модели были построены графики зависимости скорости бурения от частоты вращения и частоты импульсов крутящего момента и проведено сравнение с вращательным бурением (рис. 3-4)

Частота вратенияГп) об мин -Вращательное бчрение

-Вр. б\р-ие с наложением цып. кр. мом-та (2200)

-Вр бур-пе с наложением иып. кр. мом-та (3000)

-Вр бур-ие с наложением иып. кр мом-та (4000)

Рисунок 3 - Зависимость скорости бурения от частоты вращения и частоты импульсов крутящего момента

Рисунок 4 - Зависимости скорости бурения от частоты вращения инструмента при различных частотах импульсов крутящего момента

На основании результатов экспериментальных исследований влияния импульсов крутящего момента на теоретическую скорость бурения можно сделать вывод, что наложение импульсов крутящего момента увеличивает теоретическую скорость бурения, а именно при частоте вращения бурового резца 200 мин"1 и наложении импульсов крутящего момента с частотой 37 - 67 Гц и амплитудой в 1,28 - 1,44 раза превышающей действующее усилие подачи скорость бурения увеличивается в 1,02 - 1,41 раза по сравнению с вращательным бурением; при частоте вращения бурового резца 360 мин"1 и наложении импульсов крутящего момента с частотой 37 - 67 Гц и амплитудой в 1,28 - 1,44 раза превышающей действующее усилие подачи скорость бурения увеличивается в 1,23-1,41 раза по сравнению с вращательным бурением.

Для исследования влияния на теоретическую скорость бурения совместного наложения импульсов осевого усилия и крутящего момента был поставлен трехфакторный эксперимент. Согласно матрице планирования рототабельный план второго порядка для 3 факторов включал 20 опытов, из которых 8 опытов были в ядре плана, 6 опытов в «звездных точках» и 6 опытов на

нулевом уровне значения фактора. В результате обработки экспериментальных данных была получена следующая математическая модель:

V = -2,86 • Ю-6 • + 1,95 ■ 10~3 • пБ + 3,36 ■ 1(Г5 • пои - 3,3 ■ 1(Г5 • пми + 1,51 ■ 10"7 •п,-пми- 0,142;

где пв - частота вращения инструмента, об/мин; пми - частота осевых импульсов; пми - частота импульсов крутящего момента, имп/мин.

Статистическую оценку значимости коэффициентов модели проводили по критерию Стьюдента, а проверку математической модели на адекватность проводили по критерию Фишера на уровне с доверительной вероятностью 95%.

По полученной математической модели были построены графики зависимости скорости бурения от частоты вращения, частоты импульсов осевого усилия и крутящего момента и проведено сравнение с вращательным бурением (рис. 5-8)

На основании результатов экспериментальных исследований влияния на теоретическую скорость бурения совместного наложения импульсов осевого усилия и импульсов крутящего момента можно сделать вывод, что подобное воздействие на буровой резец увеличивает теоретическую скорость бурения, а именно при частоте вращения бурового резца 200 мин"1 и совместном наложении импульсов осевого усилия и крутящего момента с частотой 37 - 67 Гц и амплитудой в 1,28 - 1,44 раза превышающей действующее усилие подачи скорость бурения увеличивается в 2,46 - 3,14 раза по сравнению с вращательным бурением; при частоте вращения бурового резца 360 мин"1 и совместном наложении импульсов осевого усилия и крутящего момента с частотой 37 - 67 Гц и амплитудой в 1,28 - 1,44 раза превышающей действующее усилие подачи скорость бурения увеличивается в 1,78 - 2,36 раза по сравнению с вращательным бурением.

Рисунок 5 - Зависимость скорости бурения от частоты вращения и частоты осевых импульсов при частоте импульсов крутящего момента п„„, = 2200

Рисунок 6 - Зависимость скорости бурения от частоты вращения и частоты осевых импульсов при частоте импульсов крутящего момента пикл, = 3000 имп/мин

'11К.М

VI I» 313 :35 Ц5 ¡75

зоо

Частота прошения инструмента (а), об чин

-Вр с;.р с калож-сы 1Шп ос. угнлш п иоы-та (3000;3000)

-Вр. бур с напож-еы ныл ос усшш и ьр иоы-та 1-1000.-1000)

-Врвшатсльнос бурение

Рисунок 7 - Зависимость скорости бурения от частоты вращения и частоты осевых импульсов при частоте импульсов крутящего момента п111с„ = 4000 имп/мин

Рисунок 8 - Зависимости теоретической скорости бурения от частоты вращения инструмента при совместном наложении осевых импульсов и импульсов крутящего момента

Установленные зависимости теоретической скорости бурения шпура от параметров совместно накладываемых импульсов осевого усилия и крутящего момента позволяют вскрыть возможность интенсифицировать процесс бурения в условиях изменяющихся прочностных и абразивных свойств буримых пород путем подбора рациональных сочетаний частот вращения и параметров импульсов.

В четвертой главе был произведен выбор и обоснование критерия управления режимными параметрами бурения применительно к бурильным машинам мехатронного класса, составлена математическая модель функционирования бурильной машины мехатронного класса, представлена программная реализация предложенного метода расчета рациональных режимных параметров бурения, а также представлены алгоритмы работы подпрограмм, обеспечивающие функционирование бурильной машины на уровне с максимальной технической производительностью.

В качестве критерия управления режимными параметрами бурения у мехатронной бурильной машины предложено использовать величину технической скорости бурения, так как она позволяет учитывать как теоретическую скорость бурения, так и затраты времени на непроизводительные операции, в значительной степени зависящие от выбранных режимных параметров.

60 -кг-к0-Ы

где кг - коэффициент готовности; ка - коэффициент одновременности; N - число бурильных машин на установке; У6 - среднее значение теоретической скорости бурения, м/мин; Уох - скорость обратного хода бурильной головки, м/мин; Т, -время замены резца, (-1,5. ..2) мин; 1СТ - стойкость резца на одну заточку, м; Т„ -время наведения бурильной машины с одного шпура на другой, (=1,5. ..2) мин; Т,{, - время забуривания шпура, = 2мин; Ь - глубина шпура, м. Коэффициент готовности кг=То/(Т0+Тв), где Т0 - наработка на отказ, мин; Тв - время восстановления отказа, мин. Коэффициент одновременности к0= 1,0; 0,8; 0,7 при числе бурильных машин равных соответственно 1, 2, 3.

Для достижения максимальных значений технической скорости бурения машина должна работать по определенному алгоритму.

Нами был составлен обобщенный алгоритм функционирования бурильной машины мехатронного класса (рис. 9)

На первом этапе реализации алгоритма в подпрограмме «Определение начальных параметров бурения» осуществляется выбор минимальной и

максимальной частоты вращения инструмента, а также необходимое осевое усилие с учетом накладываемых требований и ограничений.

В подпрограмме «Определение теоретической и технической скорости бурения во вращательном режиме» производится поиск частоты вращения инструмента в заданном диапазоне, обеспечивающей такое значение теоретической скорости бурения, при котором будет достигнут максимум технической скорости.

Далее в подпрограмме «Определение теоретической и технической скорости бурения в режиме с наложением импульсов осевого усилия и крутящего момента» осуществляется поиск рациональной частоты совместного наложения на инструмент импульсов осевого усилия и импульсов крутящего момента для определенной рациональной частоты вращения, при которых будет обеспечиваться максимум технической производительности.

В подпрограмме «Принятие решения о Рисунок 9 - Блок-схема алгоритма способе бурения и его режимных параметрах» функционирования бурильной осуществляется сравнение технической скорости машины мехатронного класса бурения во вращательном режиме и технической

скорости в режиме с наложением импульсов осевого усилия и крутящего момента. На основании проведенного сравнения определяется целесообразность бурения в режиме с наложением импульсов осевого усилия и крутящего момента.

В подпрограмме «Работа бурильной машины» производится имитация работы бурильной машины с выбранными режимными параметрами бурения до наступления заданного условия (снижение скорости бурения). После достижения ограничения производится проверка окончания бурения и целесообразности дальнейшего бурения установленным инструментом (по величине минимально допустимой скорости бурения, обусловленной экономической целесообразностью). Если бурение установленным инструментом далее не целесообразно, то осуществляется его замена и процедура выбора способа бурения и его режимных параметров повторяется сначала. Если же бурение целесообразно, то осуществляется корректировка режимных параметров бурения путем повторной работы подпрограмм «Определение теоретической и технической скорости бурения во вращательном режиме», «Определение теоретической и технической скорости бурения в режиме с наложением импульсов осевого усилия и крутящего момента», «Принятие решения о способе бурения и его режимных параметрах» с учетом увеличившейся проекции площадки затупления инструмента и бурение продолжается с уточненными параметрами.

По известным и установленным автором зависимостям для бурения с наложением на буровой резец импульсов осевого усилия и крутящего момента была составлена математическая модель функционирования бурильной машины мехатронного класса.

V6u = -2,86 • 10"6 • п1 + 1,95 • КГ3 • пв + 3,36 • 10"5 ■ пои - 3,3 ■ 1(Г5 ■ и„ + 1,51 • Ю-7 ■ п. ■ п„ - 0,142 > [V6

±Va

п

LCT =-> max

60 ■ кг ■ к ■ N г пу =-——2--> max;

1 | 1 | Т> | Т»+Тз

Уе К. LCT Lum

где Fft, - теоретическая скорость бурения в режиме с наложением импульсов осевого усилия и крутящего момента; пв — частота вращения инструмента, об/мин; пои - частота осевых импульсов; пми - частота импульсов крутящего момента, имп/мин; [Fz] - предельная проекция площадки затупления резца, обусловленная требованиями технологии заточки инструмента; [Vgmi„] -

16

минимально допустимая теоретическая скорость бурения, обусловленная экономической целесообразностью;

Для определения величины проекции площадки затупления резца Fz, теоретической скорости бурения во вращательном режиме V6e, стойкости бурового резца до переточки LCr использовались ранее известные зависимости, которые приведены в диссертации.

Для проверки разработанной математической модели на адекватность было произведено сравнение результатов математического моделирования с результатами хронометражных наблюдений в ОАО «Шахтоуправление «Обуховская» за процессом бурения шпуров в реальных условиях. Расхождение результатов математического моделирования и хронометражных наблюдений находится в пределах от 12,9% до 24,5%, средняя величина ошибки по скорости бурения составила 19,1%

По составленной математической модели была разработана программа расчета методом нисходящего программирования на языке «Free Pascal» в программной среде «Lazarus».

В пятой главе была осуществлена разработка метода поддержания рациональных режимных параметров бурения шпуров, и обоснование структурной схемы мехатронной бурильной машины. Метод поддержания рациональных режимных параметров бурения представлен в виде графического алгоритма управления (рис. 10)

Сущность алгоритма управления режимными параметрами мехатронных бурильных машин заключается в периодической настройке вначале частоты вращения резца на величину, обеспечивающую максимум скорости бурения, а затем в определении рациональности применения импульсных ударных механизмов позволяющей управлять равнодействующей силовых воздействий режущих кромок инструмента на разрушаемый породный массив. Если бурение с применением ударных механизмов, обеспечивающих приложение к инструменту импульсов осевого усилия и крутящего момента, даст больший эффект по сравнению с вращательным бурением, то проводятся операции, определяющие оптимальные соотношения между частотами импульсов осевого усилия и крутящего момента. Наложение на вращающийся инструмент импульсов осевого усилия и крутящего момента дает возможность управлять направлением равнодействующей ударной нагрузки породоразрушающего инструмента во время бурения.

В начале процесса бурения микропроцессор в первую очередь подает команду сервоприводу вращателя изменить, в течение интервала времени At!t частоту вращения резца от 50 до 400 мин"1 (рис.10 а). Во время процедуры в период Ati микропроцессор на основе сигналов поступающих с датчиков частоты

вращения и скорости подачи, определяет рациональное значения частоты вращения, соответствующее максимальной технической скорости бурения (рис.10 г) при вращательном режиме. Затем по команде микропроцессора происходит понижение частоты вращения до 50 мин"1, включается в работу устройство, обеспечивающее наложение импульсов осевого усилия на инструмент, в режиме 22 удара на оборот (рис.10 б) и сервопривод плавно изменяет частоту вращения резца от 50 до 120 мин"1 в течение интервала времени А12. Причем режим постоянства дельного количества ударов поддерживается на протяжении всего периода времени когда будет изменяться частота вращения штанги. Во время процедуры в период микропроцессор, на основе сигналов с тех же датчиков также определяет рациональное значение частоты вращения штанги, соответствующее максимальной скорости бурения, но уже в режиме с наложением импульсов осевого усилия. Если техническая скорость бурения при вращательном способе окажется выше, чем при бурении с наложением импульсов осевого усилия, то микропроцессором принимается решение о вращательном способе бурения. Микропроцессор устанавливает частоту вращения буровой штанги соответствующей экстремуму технической скорости бурения, определенной за период Л//, и за период // происходит бурение. Период продолжается до тех пор, пока скорость бурения не снизится до минимально допустимого уровня.

Сигналы датчиков частоты вращения и скорости подачи обрабатываются микропроцессором по специально разработанной программе, которая учитывает значения скорости бурения за два предыдущих шага определения рациональной частоты вращения, при любом из возможных режимов бурения.

При определении микропроцессором случая, когда техническая скорость бурения при бурении с наложением импульсов осевого усилия окажется большей, то микропроцессор выполнит еще одну процедуру в течение периода времени Аг3. Он даст команды: - сервоприводу механизма вращения буровой штанги, в течение

Я а )) 1/ 1 1 : \ ; 1

1 1 ! 1 1 1 1 1 I' г I ! )

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 " !

1 _(( ¡1— 1 1 1 1 ! ) | | | I 1

¿11 ¡¿ 12 а т 112 ¿13 ¿14 II

Рисунок 10 - Алгоритм управления режимными параметрами бурильной машины мехатронного класса

интервала времени А13, установить частоту вращения соответствующую максимальной скорости бурения; - сервоприводу ударного механизма обеспечить плавное изменение удельной частоты осевых импульсов от 9 до 36. Данная процедура необходима для определения рационального удельного количества импульсов осевого усилия. Анализ результатов выполненной процедуры осуществляется по сигналам датчиков частоты вращения, скорости подачи и частоты ударов.

В установленном рациональном режиме вращателыю бурения с наложением импульсов осевого усилия предлагается в течение периода времени /¡¡4, с помощью сервоприводов ударных механизмов, реализующих наложение на инструмент импульсов осевого усилия и крутящего момента, обеспечить, согласованное по частоте, изменение частоты импульсов осевого усилия и крутящего момента от 20 до 36 на один оборот. Данная процедура необходима для определения рационального направления вектора ударной нагрузки на разрушаемый забой шпура. На основании результатов выполненной процедуры, по сигналам датчиков частоты вращения, скорости подачи, частоты импульсов осевого усилия и крутящего момента устанавливается режим бурения, который может (будет) поддерживаться до окончания бурения данного шпура.

В начале бурения нового шпура микропроцессор повторит описанные выше операции.

В случае замены бурового резца на новый порядок выполнения процедур микропроцессором и системой управления соответствует началу бурения нового шпура.

Для реализации данного алгоритма управления режимными параметрами бурения предложена структурная схема бурильной установки мехатронного класса (рис. 11), имеющая в своем составе:

- механизм подачи инструмента на забой с возможностью плавного изменения величины усилия подачи (МП);

- механизм вращения буровой штанги с возможностью плавного изменения частоты вращения при постоянном крутящем моменте (МВ);

- механизмы возбуждения импульсов осевого усилия и крутящего момента (ОУ, ПМ);

- датчики частоты вращения (ДЧВ) и импульсов (ДИ), осевого усилия и скорости бурения (ДСБ), обеспечивающих измерение параметров в реальном масштабе времени;

- сервоприводов основных исполнительных механизмов, а именно вращателя, податчика и генераторов импульсов осевого усилия и крутящего момента;

Рисунок 11. Структурная схема мехатронной бурильной машины: МБУ - микропроцессорный блок управления; МП - механизм подачи; МВ -механизм вращения; БШ - бурильная штанга; Р - резец; ОУ - осевой ударник;

ПМ - пульсатор момента; ДСБ - датчик скорости бурения (подачи); ДЧВ -датчик частоты вращения.

- микропроцессорный блок управления (МБУ), обеспечивающий прием данных с датчиков частоты вращения, осевого усилия и скорости бурения, вычислительные операции, связанные с определением текущих параметров бурения, и формирование управляющего сигнала для сервоприводов вращателя, податчика и генератора импульсов осевого усилия и крутящего момента.

Также предложена структурно-кинематическая схема мехатронной бурильной машины (рис. 12). В соответствии с разработанной схемой мехатронная бурильная машина позволяет реализовывать два варианта регулирования: минимальный и максимальный.

Рисунок 12. Структурно-кинематическая схема мехатронной бурильной машины: 1 - гидроцилиндр; 2 - гидравлический двигатель; 3 - редуктор; 4 - датчик частоты вращения; 5, 6 - датчики пульсаций давления в системе вращения и в системе подачи соответственно; 7 - датчик скорости подачи; 8, 9 - регулируемые насосы в системе подачи и системе вращения соответственно; 10 - электродвигатель

При минимальном варианте регулирования управление режимными параметрами бурения осуществляется в ручном режиме. Данный вариант регулирования предусмотрен на случай отказа мехатронной системы управления или одного из составляющих этой системы.

При максимальном варианте регулирования предусматривается одновременное независимое регулирование частоты вращения, частоты импульсов осевого усилия и импульсов крутящего момента, из условия полного использования мощности привода с целью получения максимума технической скорости бурения и поддержания параметров бурения, значения которых близки к оптимальным, для повышения скорости бурения и снижения расхода бурового инструмента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований содержится новый подход к определению и поддержанию режимных параметров бурения шпуров на уровне, обеспечивающем максимум технической производительности, реализуемом бурильными машинами мехатронного класса.

Основные выводы, научные и практические результаты сводятся к следующему:

1. На основе анализа режимных параметров бурения шпуров и соответствующих технических средств для их реализации выявлено, что резервы повышения эффективности бурения шпуров полностью не исчерпаны и могут быть реализованы путем создания машин мехатронного класса, позволяющих в процессе бурения определять и поддерживать на рациональном уровне параметры вращательного и вращательно-ударного бурения.

2. Разработана и защищена патентом на изобретение оригинальная конструкция стенда для исследования режимов бурения горных пород, позволяющая накладывать на инструмент осевые и моментные импульсы в различных сочетаниях совместно с вращением. Изготовленный стенд, оснащен современной тензометрической измерительной аппаратурой и применен для проведения исследований режимов бурения пород на модели бурового инструмента.

3. Физическим моделированием впервые установлены зависимости теоретической скорости бурения шпура от параметров накладываемых на инструмент импульсов крутящего момента и совместно накладываемых импульсов осевого усилия и крутящего момента, что позволило вскрыть возможность интенсифицировать процесс бурения в условиях изменяющихся прочностных и абразивных свойств буримых пород путем подбора рациональных сочетаний частот вращения и параметров импульсов.

При частоте вращения бурового резца 200 мин"1 и наложении импульсов крутящего момента с частотой 37 - 67 Гц и амплитудой в 1,28 - 1,44 раза превышающей действующее усилие подачи скорость бурения увеличивается в 1,02 - 1,41 раза по сравнению с вращательным бурением. При частоте вращения бурового резца 360 мин"1 и наложении импульсов крутящего момента с частотой 37 - 67 Гц и амплитудой в 1,28 - 1,44 раза превышающей действующее усилие

подачи скорость бурения увеличивается в 1,23 - 1,41 раза по сравнению с вращательным бурением.

При частоте вращения бурового резца 200 мин"1 и совместном наложении импульсов осевого усилия и крутящего момента с частотой 37 - 67 Гц и амплитудой в 1,28 - 1,44 раза превышающей действующее усилие подачи скорость бурения увеличивается в 2,46 - 3,14 раза по сравнению с вращательным бурением. При других параметрах движения инструмента этот показатель имеет меньшее значение. Так, при частоте вращения бурового резца 360 мин"1 и совместном наложении импульсов осевого усилия и крутящего момента с частотой 37 - 67 Гц и амплитудой в 1,28 - 1,44 раза превышающей действующее усилие подачи скорость бурения увеличивается в 1,78 — 2,36 раза по сравнению с вращательным бурением.

4. Разработана программа расчета режимных параметров бурения шпуров позволяющая решать следующие задачи:

- определять режимные параметры бурения с учетом наложения импульсов осевого усилия и крутящего момента на инструмент обеспечивающие достижение максимального значения технической скорости бурения в зависимости от текущих прочностных и абразивных свойств горной породы и состояния бурового инструмента;

- устанавливать рациональный способ бурения (вращательный или вращательно-импульсный) в зависимости от текущих прочностных и абразивных свойств горной породы и состояния бурового инструмента;

5. Обоснована структурная схема бурильной машины мехатронного класса включающая:

- механизм подачи инструмента на забой с возможностью плавного изменения величины усилия подачи;

- механизм вращения буровой штанги с возможностью плавного изменения частоты вращения при постоянном крутящем моменте;

- механизмы возбуждения импульсов осевого усилия и крутящего момента;

- датчики частоты вращения и импульсов, осевого усилия и скорости бурения, обеспечивающих измерение параметров в реальном масштабе времени;

- сервоприводов основных исполнительных механизмов, а именно вращателя, податчика и генераторов импульсов осевого усилия и крутящего момента;

- микропроцессорный блок управления, обеспечивающий прием данных с датчиков частоты вращения, осевого усилия и скорости бурения, вычислительные операции, связанные с определением текущих параметров бурения, и формирование управляющего сигнала для сервоприводов вращателя, податчика и генератора импульсов осевого усилия и крутящего момента;

6. Разработан алгоритм управления бурильной машиной мехатронного класса, обеспечивающий поддержание рациональных режимных параметров бурения по мере износа инструмента и изменения прочностных и абразивных свойств буримой породы.

7. Результаты исследований частично используются в ОАО «Шахтоуправление «Обуховская» в виде рекомендаций по выбору типа резца,

способа и режимов бурения в зависимости от абразивных и прочностных свойств горной породы применительно к существующим бурильным установкам с ограниченными возможностями настройки режимных параметров, а также внедрены в учебный процесс для студентов четвертого и пятого курсов специальности 130400 «Горное дело», специализации «Горные машины и оборудование» в курсовом и дипломном проектировании, при выполнении практических занятий по дисциплинам "Конструирование горных машин и оборудования".

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Гринько Д.А. Обоснование структуры и рациональных режимных параметров мехатронной бурильной машины / Н.И. Сысоев, С.Г. Мирный, Д.А. Гринько // Горное оборудование и электромеханика. - 2011. -№9. - С. 24-28.

2. Гринько Д.А. Мехатронная бурильная машина для угольных шахт Восточного Донбасса / Н.И. Сысоев, С.Г. Мирный, Д.А. Гринько // Горное оборудование и электромеханика. - 2013. -№4. - С. 17-19.

3. Гринько Д.А. Физическое моделирование режимных параметров бурения шпуров с наложением на инструмент осевых и моментных импульсов / Д.А. Гринько // Современные проблемы науки и образования. -2014. -№1. - URL: www.science-education.ru/115-12263 (дата обращения: 08.12.2014).

Публикации в других изданиях:

4. Гринько Д.А. Исследование влияния частоты вращения бурового резца на техническую скорость бурения / Н.И. Сысоев, С.Г. Мирный, Д.А. Гринько // Студенческая научная весна - 2011 : материалы регион, науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ) - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2011. - С. 288-290.

5. Гринько Д.А. Бурильная машина с моментно-импульсным механизмом воздействия на инструмент / Н.И. Сысоев, С.Г. Мирный, Д.А. Гринько // Результаты исследований - 2011 : материалы 60-й науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава, науч. работников, аспирантов и студентов / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ) - Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2011. - С. 75-79.

6. Гринько Д.А. Стенд для исследования режимных параметров бурения горных пород / Н.И. Сысоев, С.Г. Мирный, Д.А. Гринько // Студенческая научная весна - 2012 : материалы регион, науч.-техн. конф. (конкурса науч.-техн. работ) студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Рост, обл., 24-25 мая 2012 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ) -Новочеркасск : ЛИК, 2012. - С. 111-112.

7. Гринько Д.А. Мехатронное управление режимными параметрами бурения / Н.И. Сысоев, С.Г. Мирный, Д.А. Гринько // Академические фундаментальные исследования молодых ученых России и Германии в условиях глобального мира и новой культуры научных публикаций: материалы Междунар. молодеж. конф., г. Новочеркасск, 45 окт. 2012 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ) - Новочеркасск : Лик, 2012. - С. 260-263.

8. Гринько Д.А. Алгоритм управления движением бурового резца мехатронной бурильной машины / Н.И. Сысоев, С.Г. Мирный, Д.А. Гринько // Результаты исследований - 2012 : материалы 61-й науч. конф. профессорско-преподават. состава, науч. работников, аспирантов и студентов / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ) -Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2012. - С. 73-76.

9. Гринько Д.А. Обоснование критерия управления частотой вращения резцов для сверления шпуров / Н.И. Сысоев, Д.А. Гринько, A.A. Гринько // Актуальные

проблемы повышения эффективности и безопасности эксплуатации горно-шахтного и нефтепромыслового оборудования : материалы I Международной науч.-практ. конф. «Горная электромеханика - 2014», 27 - 30 окт. 2014 г., г. Пермь / Перм. нац. исслед. политехи, ун-т. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехи, ун-та, 2014. - С. 71-75.

10. Гринько Д.А. Повышение скорости бурения шпуров путем наложения на инструмент импульсов осевого усилия и крутящего момента / Н.И. Сысоев, С.Г. Мирный, H.H. Буренков, Д.А. Гринько // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: Сб. тр. XII междунар. науч.-практ. конф. «Чтения памяти В.Р. Кубачека», 24-25 апр. 2014 г. / Оргкомитет: Ю.А. Лагунова, Н.М. Суслов; Уральский гос. горный ун-т. - Екатеринбург: Урал. гос. горный ун-т, 2014. - С. 120-123.

11. Гринько Д.А. Повышение эффективности функционирования установок для бурения шпуров путем подбора рациональной частоты вращения рабочего инструмента / Н.И. Сысоев, H.H. Буренков, Д.А. Гринько // Научно-техническая конференция и выставка инновационных проектов, выполненных вузами и научными организациями Южного федерального округа в рамках участия в реализации федеральных целевых программ и внепрограммных мероприятий, заказчиком которых является Минобрнауки России: сборник материалов конференции, г. Новочеркасск, 14-16 декабря 2014 г. / Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. - Новочеркасск: Лик, 2014. - с. 328 - 331.

Патенты:

12. Гринько Д.А. Патент на изобретение 2516042 Российская Федерация, МПК Е21В 3/00 (2006.01); Е21С 39/00 (2006.01). Стенд для исследования режимов бурения горных пород / Н.И. Сысоев, С.Г. Мирный, Д.А. Гринько // № 2012151807/03; заявлено 03.12.2012; опубл. 20.05.2014 Бюл. № 14.

Гринько Дмитрий Александрович

МЕТОД РАСЧЕТА И ПОДДЕРЖАНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ БУРИЛЬНОЙ МАШИНЫ МЕХАТРОННОГО КЛАССА

Автореферат

Подписано в печать 13.02.2015. Формат 60x84 V^. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ № 46-0207.

Отпечатано в ИД «Политехник» 346400, г. Новочеркасск, ул. Первомайская, 166 idD-nni@mail.ru