автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Методология проектирования станков вращательного бурения нового технического уровня для разрезов

од

На правах рукописи

ВОРОНОВ Юрий Евгеньевич

МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТАНКОВ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ НОВОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ ДЛЯ РАЗРЕЗОВ

Специальность 05.05.06 - "Горные машины"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Кемерово 1996

Работа выполнена в Кузбасском государственном техническом университете.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Буткин В.Д.

доктор технических наук, профессор Горбунов В.4>.

доктор технических наук, профессор Перетолчин В.А.

Ведущее организация - Научно-исследовательский и проекхно-конструкторский институт по добыче полезных ископаемых открытым способом (Кузнецкий филиал).

Защита диссертации состоится 28 июня 1996 года в 10 часоЕ на заседании диссертационного совета Д 063.70.01 при Кузбасском государственном техническом университете по адресу: 650026, г.Кемерово,26, ул.Весенняя,28.

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университе-

Автореферат разослан 3 мая 1996 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 063.70.01, докт.техн.наук,

профессор Б.А.Александров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Решение задач технического перевооружения предприятий открытой угледобычи неразрывно связано с дальнейшим развитием и совершенствованием буровой техники. От качества проведения буровых работ зависит своевременная и качественная подготовка горной массы к экскавации и транспортированию, а следовательно, и технико-экономические показатели добычи в целом.

Одной из главных причин невысоких технико-экономических показателей буровых работ на разрезах является низкий технический уровень применяемого бурового оборудования. Техническая политика при создании новых машин долгое время была ориентирована лишь на дальнейшую модернизацию уже имеющихся конструкций без существенных качественных изменений. В итоге существующий в настоящее время на разрезах парк буровых станков морально и физически устарел, что создало в отрасли кризисную ситуацию. Существует острая необходимость в быстром обновлении вырабатывающего свой остаточный ресурс станочного парка, причем подходы к решению вопросов проектирования новой буровой техники должны быть коренным образом изменены. Станки должны быть адаптированы к специфическим условиям угольных разрезов, сокращена их номенклатура и численность, повышен технический уровень.

Этот круг вопросов по существу связан с повышением качества промышленной продукции, являющимся одной из важнейших проблем народного хозяйства.

Изложенное свидетельствует об актуальности диссертационной заботы.

Диссертационная работа выполнена по результатам НИР "Разработка научных основ создания универсальных станков Еращатель-юго бурения для открытых горных- работ", тема N 984-93, по еди-юму заказ-наряду, утвержденному Государственным комитетом по шсшей школе России в рамках Головного Совета "Горные науки", 1ействующего на основании приказа министра науки, высшей школы 1 технической политики Российской Федерации N 25 от 19.01.93.

Цель работы - разработка теоретических методов проектиро-¡ания станков ноеого, более высокого технического уровня для фашдтельного бурения взрывных скважин на разрезах.

Идея работы заключается в применении на шнековых и шарошечных станках шнекопневматической очистки и создании на этой основе универсальных станков вращательного бурения, а также использования методов и процедур оптимизации параметров, разрабатываемых на базе системного анализа существующих взаимосвязей между ними.

Задачи исследований.

1. Разработка методики комплексной оценки технического уровня карьерных буровых станков;

2. Сравнительная оценка технического уровня отечественных и зарубежных буровых станков и выбор приоритетных направлений его повышения;

3. Разработка методик оптимизации показателей техническое уровня и синтеза оптимальных параметров буровых станков;

4. Обоснование перспективной буроьой техники для разрезог в Езде универсальных станков Еращателького бурения;

5. Оптимизация показателей технического уровня и параметров и оценка ее влияния на технический уровень специализированных' и универсальных станков вращательного бурения;

6. Разработка проекта 'типажа универсальных станков длг разрезов и оценка перспектив переоснащения отрасли станками но-еого поколения.

Методы исследований. При выполнении работы использовались как общенаучные, так и специальные методы исследований, включая научное обобщение, разработанные методы комплексной оценки технического уровня и оптимального проектирования буровых станков, математическое моделирование и аппарат линейного программирования. Для отыскания зависимостей математических моделей оптимизации в качестве основных приняты методы статистической обработки параметров больших групп буровых станков/математическогс и.лабораторного экспериментирования, анализа и синтеза.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Базой для научно обоснованного выбора приоритетных направлений повышения технического уровня карьерных буровых стан-кое являются комплекс показателей, выбираемых в зависимости от степени влияния их на производительность станка, и функциональный критерий, который должен учитывать затраты энергии на очистку скватаны.

2. Основные резервы повышения технического уровня у'станаЕ-

ливаются в результате сравнительного анализа его единичных показателей и заключены в использовании на вновь проектируемых станках для разрезов шнекопневматического способа очистки скважин и применении научно обоснованных методов оптимального проектирования, позволяющих сбалансировать их параметры.

3. Для обеспечения еысошго технического уровня и эксплуатационных показателей 'бурения проектирование карьерных станков должно выполняться на основе оптимизационной логико-математической модели, включающей структуру проектирования, математические модели, методики оптимизации показателей технического уровня и синтеза из них оптимальных параметров буровых станков, которая позволяет преобразовать исходные данные для проектирования в выходные эксплуатационные показатели и обеспечить обратную связь между ними, что составляет прямую и обратную задачи оптимизации.

4. Модели целевой функции и ограничений должны формироваться в результате анализа функционирования бурового станка как системы и представляются в виде уравнений регрессионного анализа, непосредственно связывающих соответствующие показатели с оптимизируемыми параметрами. В качестве критерия оптимизации целесообразно использовать обобщенные оценки технического уровня, а в качестве оптимизируемых параметров - его единичные показатели. Синтез оптимальных параметров основан на обеспечении оптимальности взаимодействия разрушающего инструмента с породой и функционирования станка в целом.

5. Использование комбинированной шнекопневматической очистки на станках шнекового и шарошечного типов повышает их технический уровень и является основой создания универсальных станков вращательного бурения с возможностью использования на них всех характерных для вращательного бурения видов породораз-рушающего инструмента.

• 6. Технические требования по эксплуатационным показателям, составляющие основу типажа буровых станков, устанавливаются в результате решения обратной задачи оптимизации, заключающейся в определении по известным параметрам станка таких требований, при которых эти параметры будут оптимальными.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается: выбором представительных критериев оценки технического уровня

буровых станков, достаточным объемом.теоретических исследованш выполненных с применением апробированных методов математически статистики, системного анализа, элементов теории множеств, использованием планирования и объемом математических и лабораторных экспериментов, позволяющих делать выводы с доверительно! вероятностью не ниже 95%.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

- разработана методика комплексной оценки техническогс уровня, отличавшаяся от предложенной' Г.И.Солодом для беззкс-пертной оценки качества горных машин характерными для карьернш станков функциональным критерием, учитывающим процесс очистга скважины, и единичными показателями, номенклатура которых определена степенью влияния их на производительность станка;

- сформирован алгоритм выбора приоритетных направлений повышения технического уровня карьерной буровой техники, основанный на сравнительном анализе его единичных показателей;

- установлены новые закономерности формирования и регрессионные модели взаимосвязей между показателями техническогс уровня и параметрами карьерных буровых станков;

- на базе методов комплексной оценки технического уровня у элементов системного-анализа разработаны математические модели и методики оптимизации показателей технического уровня карьерных станков вращательного бурения;

- создан метод синтеза оптимальных параметров буровых станков, основанный на обеспечении оптимальности взаимодействия разрушающего инструмента с породой и функционирования станка в целом;

- разработан метод формирования основных показателей проекта типажа универсальных станков вращательного бурения, заключающийся в установлении по известным параметрам бурового станкг таких технических требований по эксплуатационным показателям, при которых эти параметры будут оптимальными.

Личный вклад заключается: в постановке цели, определение задач исследования и разработке методов их решения; в выполнении всех аналитических и лабораторных исследований; в формировании методологии проектирования карьерных станков вращательного бурения. В рамках отдельных разделов диссертации личный вклад автора заключается: в разработке методик комплексной оценки технического уровня и оптимального проектирования буро-

вых станков; в разработке математических моделей оптимизации показателей технического уровня; в установлении основных взаимосвязей между параметрами буровых станков; в обосновании перспективной буровой техники для разрезов в виде универсальных станков вращательного бурения; в разработке их типажа и метода формирования его основных' показателей, а также рекомендаций по переоснащению парка станками нового поколения.

Научное значение работы состоит в разработке концептуально нового подхода к синтезу основных параметров карьерных буровых станков, базирующегося на элементах системного анализа и позволившего создать общий алгоритм проектирования и находить оптимальные технические характеристики унифицированного семейства машин.

Научные положения, разработанные в диссертации, способствуют созданию и совершенствованию эффективных методов проектирования горных машин различного технологического назначения.

Практическая ценность заключается в разработке механизма объективной опенки принимаемых решений на самой ранней стадии проектирования буровых станков, методики оптимального проектирования и комплекса программ для ее реализации.

Разработанный аппарат оптимизации параметров карьерных буровых станкоЕ позеолил расширить за счет оптимального согласования параметров функциональные и эксплуатационные возможности и вывести машины на мировой уровень, а также обосновать и разработать типаж перспективных для разрезов универсальных станков вращательного бурения, переоскащение станочного парка которыми позволяет сократить номенклатуру буровой техники для разрезов и необходимую для обеспечения имеющихся объемов бурения его численность .

Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные научные результаты работы внедрены и находят практическое применение в проектных (ОКБ ИГД им.А.А.Скочинского),научно-исследовательских (Кузнецкий филиал НИЙОГР), и учебных (КузГТУ) институтах, заводах горного машиностроения (АООТ "Рудгормаш", Карпинский машза-вод), эксплуатирующих организациях (концерн "Кузбассразрез-уголь"). К их числу относятся методические материалы по оценке технического уровня и расчету оптимальных параметров карьерных буровых станков, пакеты прикладных программ, проект типажа универсальных станков вращательного бурения, технические задания

на проектирование опытных образцов буровых станков с оптимадь ными параметрами, разделы лекционных курсов.

Апробация работы. Работа и ее отдельные части докладыва лись и получили одобрение: на областной научно-практическо конференции молодых ученых и специалистов (г.Кемерово,1983 г.) на конференции "Технический прогресс на открытых горных работа Кузбасса" (г.Кемерово, 1984 г.); в Восточном научно-исследова тельском горнорудном институте (г.Новокузнецк, 1984 г.); н: 9-ой Всесоюзной научно-технической конференции по буровзрывньн работам (г.Красноярск, 1984 г.); на Международном семинар! "Проблемы и перспективы развития горной техники" (г.Москва 1995 г.); на Всероссийской научно-практической конференщн "Перспективы развития технологии и средств бурения".(г.Кемеров! 1995г.); на Международной научно-технической конференцш "Проблемы комплексного освоения недр Казахстана" (г.Караганда 1995 г.), на ежегодных научных конференциях Кузбасского государственного технического университета (г.Кемерово, 1982-88 г.1 и 1991-96 г.г.).

Публикации. По проблемам бурения скважин на карьерах опуб-■ликовано 46 научных статей и 2 авторских свидетельства на изобретения. Основное содержание диссертации отражено в 33 научны) статьях и 2 авторских свидетельствах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов и заключения, изложенных на 377 страницах, и содержит 27С страниц машинописного текста, 34 рисунка, 51 таблицу, список литературы из 176 наименований, 7 приложений.

Работа выполнена на кафедре горных машин и комплексов Кузбасского государственного технического университета, сотрудникам которой автор выражает глубокую благодарность.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проблемы эксплуатации и проектирования карьерных буровых станков

Большие объемы бурения скважин на разрезах, непосредственное влияние на темпы открытой угледобычи и высокая трудоемкость бурения обусловливают постоянное ведение широкомасштабных работ по совершенствованию буровой техники. Значительный Еклад в развитие теории и техники бурения скважин на открытых горных рабо-

тах внесли О.Д.Алимов, Д.Н.Башкатов, В.Д.Буткин, К.Е.Виницкий, Л.Б.Глатман, В.Ф.Горбунов, Л.Т.Дворников., Л.И.Кантович, Е.Д.Карпухин, Б.А.Катанов, Ю.Д.Красников, А.Д.Костылев, М.Г.Крапивин, Б.Н.Кутузов, В.Г.Михайлов, Ю.А.Нанкин, И.Е.Наринский, И.А.Ост-роушко, В.А.Перетолчин, Н.Я.Репин, М.С.Сафохин, Б.А.Симкин, H.H.Страбыкик, А.Ф.Суханов, В.В.Царицын, Е.Ф.Эпштейн и др.

Угольные месторождения характеризуются сложными горно-геологическими условиями залегания и структурой покрывающих массивов. Многолетними исследованиями и опытом эксплуатации доказано, что в сложноструктурных массивах традиционные способы бурения неэффективны, а перспективным направлением развития технологии вращательного бурения, учитывающим■специфические условия угольных месторождений, является создание комбинированных станков с вариантностью видов бурового инструмента и способов очистки.

Исследования по шнекопневматическому бурению, проведенные в Кузбасском государственном техническом университете, а также НИИОГРе, институте горно- химического сырья (ГЙГХС), тресте "Со-юзвзрывпром" создали хорошие предпосылки для оснащения разрезов высокопроизводительной буровой техникой. Однако теория проектирования горных машин в настоящее время разработана недостаточно. Осноеы такой теории заложены в работах Б.А.Александрова, В.Д. Буткина, В.Н.Гетопанова, В.Ф.Горбунова, А.Н.Даниярова, В.Д.Ел-манова, Л.И.Кантовича, П.В.Коваля, А.Н.Коршунова, Б.Н.Кутузова, В.И.Нестерова, В.А.Перетолчина, Р.Ю.Подзрни, Я.М.Радкевича, В.М.Рачека, М.С.Сафохина, К.М.Скорнякова, В.И.Солода, Г.И.Солода, Г.Ш.Хавановича, В.Г.Юдина и др., но в аппарате проектирования практически отсутствуют процедуры синтеза оптимальных решений. Лежащий в основе такого синтеза системный подход при проектировании карьерных буровых станков до.настоящего времени не использовался.

1. Разработка методики комплексной оценки технического уровня карьерных буровых станков

Базой для тучно обоснованного выбора приоритетных направлений повышения технического уровня карьерных буровых станков являются комплекс показателей, выбираемых в зависимости от степени влияния их на производительность станка, и функциональный критерий, который должен учитывать затраты энергии на очистку скважины.

Решение вопросов оценки технического уровня карьерных бу-

_ ровых станков как количественной характеристики их технического совершенства и возможностей невозможно без определения самого . термина "технический уровень". Из теории управления качеством известно, что качество машин на разных стадиях их жизненного цикла оценивается техническим уровнем, а также уровнями качества в изготовлении и эксплуатации. Следовательно, технический уровень - это уровень качества станка на стадии его разработки.

Из анализа существующих методик оценки качества изделий установлено, что применительно к буровой технике наиболее приемлемым аналогом является предложенная Г.И.Солодом методика безэкспертной оценки, позволяющая оценивать функционально однородные машины различных типов, моделей и конструктивных исполнений.

Являющийся основой этой методики функциональный критерий * исходя из системного подхода представляется как произведение производительности станка Пт (м3/ч) на удельную.энергию выполнения им своей основной функции W (кВт.ч/м3):

-К - ПТМ. (1)

Отличительной особенностью функционального критерия для карьерных буровых станков является то, что удельная энергия бурения складывается не из одной, а из двух составляющих,-

И - Ир + Ио, (2)

одна из которых - удельная энергия удаления продуктов разрушения из скважины (кВт-ч/м3) - определена впервые:

\)0 - 0,14" 10"6Соза(Созсс + Гс31па)рпеЬс, (3)

где а -угол наклона скважины к вертикали, град; fc- коэффициент сопротивления удалению породы ог взаимодействия со стенкой скважины; рп - плотность породы, кг/м3; е -гравитационное ускорение, м/с2; Ье - глубина бурения, м-, Ир- удельная энергия разрушения породы, КВТ'Ч/М3.

Удельная энергия разрушения и очистки скважины являются характеристиками только породы и, в отличие от знергоем-костей соответствующих процессов, не зависят от Еида применяемых породоразрушающего инструмента и способа очистки.

Установлено, что исходя из свойств буримых пород на транспортирование бурового шлама должно затрачиваться в 100-150 раз меньше энергии, чем на разрушение породы, а фактически при пневмоочистке затрачивается в 3 раза больше. Это свидетельствует о неэффективности продувки как способа очистки скважин и не-

обходимости применения более экономичных способов.

Для оценки технического уровня существующих станков и при проектировании новой буровой техники при определении функционального критерия следует пользоваться значениями - технической производительности, которая может быть определена как

. Пт - 15ГОс2/(1/Ум + , (4)

где Бс - диаметр буримых скважин, м.

Механическая скорость бурения Ум определяется по известной формуле (м/мин):

Ум = 60ЫрТ1Мех/40СЛ)с2бМб, • (5)

где Нр - мощность вращателя, затрачиваемая на разрушение, кВт; бМбпредел прочности породы при механическом способе бурения, МПа; Т1Мех- механический КПД трансмиссии вращателя, а удельные затраты времени на вспомогательные операции tв (мин/м) - по эмпирической зависимости:

■Ьв - 0,780 •+ З/Уман + 0,0213кс - 0,000374кс2, (6)

полученной в результате статистической обработки ссответствую-. вдх параметров для большой группы буровых станков. В формуле (6) Уман ~ скорость маневровых операций, м/мин, а

кс - ЬС/1пр1 (?)

где 1ПР - глубина бурения за один проход, м.

Другим важным вопросом оценки является обоснованный выбор необходимой и достаточной номенклатуры показателей, определяющих технический уровень буровых станков.,Номенклатура групп показателей, в наибольшей степени характеризующих качество машины, согласно требованиям руководящих документов выбирается из исходной номенклатуры в зависимости от цели его оценки, уровня развития техники и выбранного критерия. В зависимости от этих условий для оценки технического уровня из исходной номенклатуры групп показателей качества первостепенное значение приобретают показатели назначения, надежности и частично технологичности и существенно меньшее значение имеют другие группы показателей.

Перечень показателей назначения устанавливается в результате детального анализа параметров, характеризующих процесс бурения, с дальнейшей проверкой их на согласованность (прямая взаимозависимость) и представительность (степень влияния на технический уровень станка в зависимости от цели его оценки). Цель определена в виде функционального критерия, согласно которому к представительным (определяющим) следует относить показа-

тели назначения, от которых существенно зависит производительность станка, Анализ зависимостей (3) - (?) позволил выделить для сравнения технического уровня существующих буровых станков 7 показателей назначения (Ыр,МТр,ЬсЛпр>Упер.Уман»1сум) > котсРые вместе с показателями технологичности (М!,шс) и надежности (кти) составили комплекс показателей технического уровня карьерных буровых.станков '(рис.1).

Рис.1. -Схема комплекса показателей технического уровня карьерных буровых станков:

Ыр, Ытр - мощность, затрачиваемая на разрушение забоя и удаление продуктов бурения из скважины соответственно; 7пер-скорость передвижения станка; М! - показатель общей массы станка; Шс-ко-эффициент массы; общая глубина бурения; 1пр - глубина.бурения за один проход; кТи -коэффициент технического использования; куМ - коэффициент уровня механизации вспомогательных операций.

Мощность, затрачиваемая на разрушение и транспортирование, (кВт) определяется следующим образом.

- для шнековых станков: - для шарошечных станков:

НР - 150ВС"У п.махбмб/Имех; • Нр - НВр; (8) _

Нтр = 0,0160с3Ьсрпп/крПмех; Нтр_- ЫК, (9)

где Уп.мах - максимально возможная скорость подачи шнека из условия обеспечения очистки скважины, м/с; п - частота вращения бурового става, с-1; кр - коэффициент разрыхления породы; Ык -мощность привода компрессора, кВт.

Показатель общей массы станка -

- 11 -

М! - M - t ,7Poc/g, CIO)

где M - масса станка, т; Р0с ~ максимальное осевое усилие, предусмотренное для подающего механизма, кН, а коэффициент 1,7 го-, ворит о том, что из условия реализации осевого усилия масса станка должна быть не менее чем на 70%. больше осевого усилия.

Коэффициент массы станка -

тс - М/М6, (11)

где Мб - (0,2Нс-8,2), т -базовая масса (масса, соответствующая установленной мощности приводов Нс, кВт).

Коэффициент достигнутого уровня механизации вспомогательных операций -

куМ - Епм/по, (12)

где Епм - количество механизированных операций на станке; п0 -общее число операций, которые'необходимо механизировать.

Представленные показатели доступны для определения на самых ранних стадиях проектирования бурового станка. Как и требуют принципы квалиметрии, в зависимости от более конкретных условий и требований, возможно введение дополнительных показателей. Комплексная оценка технического уровня буровых станков осуществляется по единичным (BPjj) и суммирующему их обобщенному (ki) показателям, вычисляемым аналогично методике Г.И.Солода.

Разработанная методика позволяет сравнивать технический уровень 'карьерных буровых станков, на основе чего выбирать наиболее перспективные модели, а также иметь на стадии проектирования объективные количественные оценки принимаемых решений. В этом качестве она принята к использованию Кузнецким филиалом НМОГР, Карпинским машиностроительным заводом и концерном "Куз-бассразрезуголь".

2. Оценка технического уровня станков и выбор направлений его повышения

Основные резервы повышения технического уровня устанавливаются в результате сравнительного анализа его единичных показателей и заключены в использовании на вновь проектируемых станках для разрезов шнекопневматнчсского способа очистки скважин и применении научно обоснованных методов оптимального проекти-poBaima, позволяющих сбалансировать их параметры.

По выбранным показателям в работе произведена сравнительная оценка технического уровня' 15 моделей буровых станков, 10

из которых-отечественные (серийно выпускаемые и снятые с производства, но широко представленные на разрезах), пять - зарубежные фирмы "Busyrus-Erle". Они охватывают диапазон буримых скважин от 125 до 381 мм по диаметру и от 24 до 60 м - по глубине.

Общий анализ результатов расчета обобщенного показателя технического уровня (рис.2) показывает, что отечественные станки значительно уступают зарубежным. Значение обобщенного показателя для группы отечественных станков составляет 0,380 в то время как для станков фирмы "Busyrus" - 0,694, то есть почти в два раза ниже.

1- 61-R; 9- СБШ-250-55;

2- 49-R; 10- 4СБШ-200-40;

3- 47-R; 11- 0ББ-2М;

4- 60-R; 12- 2СВШ-200-32;

5- СБШ-320-36; 13- СЕШ-250МНА-32 ;

6- ЗСБ1И- 200- 60 ; 14- СВР-160А-24;.

7- 2СБШ-200-40 ; 15- 2СБР-125-Ю

8- 45-Р.;

Рис.2. Обобщенный показатель

технического уровня буровых станков

Отечественные станки уступают зарубежным практически по всем единичным показателям (рис.3), , но особенно неблагополучно у них обстоит дело с показателями, связанными с вспомогательными операциями ("05-дРвслот - 0,245; 85-9Рвспзар - 0,680, где 05-9Рвслот' авР~ средние значения единичных показателей технического уровня, связанных со вспомогательными операциями, для отечественных и зарубежных станков соответственно) и надежностью (8ю 1/ктиот- 0,413; 8ю 1/ктизар- 0,735), а для шарошечных станков по сравнению со шнековыми (причем как отечественных, так и зарубежных) - еще с показателем мощности, затрачиваемой на удаление продуктов разрушения из скважины (02Мтршн-0,960; 02НТршар- 0,544). Первое свидетельствует о несбалансированности параметров станка, второе - о высокой энергоемкости транспортирования бурового шлама сжатым воздухом и необходимости применения более экономичного шнекопневматического способа очистки. Несбалансированность параметров отечественных станков

01Ир

к0т " 0,655 кзар" 0,961

«2НТр

кот - 0,603 кзар- 0,674

и3м-

кот " 0,440 кзар- 0,311

06 1/1пр кот = 0,124 кзар- 0,697

07 1/Уман

кот - 0,205 к3ар= 0,623

08 1/УпеР

кот = 0,160 кзар" 0,635

Ы4тС

кот - 0,394 кзаР- 0,684

09 1/кум

кот = 0,312 кзар» 0,735

«5 1/Ьс кот " 0,413 кзар- 0,700

010 1/кти кот - 0,413 кзар" 0,735

кот^кэар - обобщенный показатель технического уровня отечественных и зарубежных станков соответственно.

Рис. 3. Диаграммы технического уровня буровых станков по единичным показателям

подтверждается еще и тем, что значения единичных показателе технического уровня зарубежных станков, незначительно отличаютс друг от друга (разброс около среднего составляет -18%), в 5 время как 'для отечественных станков эта цифра превышает 502 Основная причина этой несбалансированности - отсутствие систем ности при назначении параметров буровых станков при проектирс вании.

3. Разработка методики оптимального проектирования карьерных буровых станков

Для обеспечения высокого технического уровня и эксплуата тонных показателей бурения проектирование станков должно вы подняться на основе оптимизационной логико-математической моде ли, включающей структуру проектирования, математические модели методики оптимизации показателей технического уровня и синтез из них оптимальных параметров, которая позволяет преобразоват исходные данные для проектирования в выходные эксплуатащонны показатели и обеспечить обратную связь между ними, что состав ляет прямую и обратную задачи оптимизации.

В настоящее время нет достаточных методических и нормативно-технических материалов, регламентирующих такое важнейшв! направление повышения качества изделий, как их оптимальное проектирование. Основой оптимального проектирования является системный подход, позволяющий удерживать машину как целое, когд; проектируются ее отдельные элементы. Системный подход при назначении параметров заключается в том, что они, во-первых, должны соотноситься друг с другом оптимальным образом, и, во-вторых, получаемые на их основе выходные эксплуатационные показатели - отвечать регламентированным нормативными документам> значениям.

Буровой станок как система характеризуется структурой у параметрами. Структура станка определяет его составные части г связи между ними и должна обеспечивать оптимальное его функционирование, а для этого характеризующие станок параметры должнь быть оптимизированы (рис.4). В ^качестве критерия оптимизации целесообразно использовать обобщенные оценки технического уровня, а в качестве оптимизируемых параметров - его единичные показатели. Такой подход позволяет понизить размерность задачи и упростить ее решение, а также иметь в процессе'проектирования объективные- оценки принимаемых решений.

а

Он

е*

<а 2 Я5

Оч

я с

Характеристика

бурим. массива

f бмб Рп

Параметры скважин Общие технические требования

й Ос 1с Пт° и о йу Му° Тк°

Буровой инструмент

Тип И КОНСТРУКТ, параметры

Вращательно-

подающий

механизм

Уп 1н НВР 1ш Тип

Пневмотран-спортная система

<3*

Рк

Ик

Средства механизации вспом. опер.

Упер У.ман Ек

Буровой станок

«б М Упер Уман|Тк

±

Эксплуатационные показатели

Оптимизация параметров

Рис. 4.

Структурная схема проектирования карьерного бурового станка ■

Г - крепость буримых пород; 6Мб - предел прочности породы при механическом способе бурения; рп - плотность породы; сс - угол бурения к вертикали; Рс - диаметр буримых скважин; Ьс - глубина бурения; П-г - техническая производительность; Му - удельная масса; Еу - удельный расход энергии при бурении; Тк - ресурс станка до первого капитального ремонта; Рос - осевое усилие подачи; п - частота вращения бурового инструмента; Мкр - крутящий момент; Ов - необходимый расход воздуха; 7П - скорость подачи; 1„ - ход непрерывной подачи; НВр - мощность вращателя; 1ш ■■ длина штанги; Ск - подача компрессора; рк - давление воздуха у компрессора; Нк •• мощность привода компрессора; УПер - скорость передвижения станка; Уман - скорость спуско-подъемных (маневровых) 'операций; Ек - емкость кабельного барабана; Н6 - суммарная, мощность, затрачиваемая на бурение; М - масса бурового станка; к0 - коэффициент совершенства механизма подачи

Е

у

Модели целевой функции и ограничений должны формироваться в результате анализа функционирования бурового станка, как системы и представляются в виде уравнений регрессионного анализа, непосредственно связывающих соответствующие показатели с оптимизируемыми параметрами.

Анализ регламентированных нормативными документами выходных эксплуатационных показателей ПТ,ЕУ,НУ и Тк с учетом взаимосвязей между ними:.

Еу - 4(ЫР + Ытр)/:л1)с2Пт; Иу - 4М/7ШС2ПХТК, - (13)

позволил установить необходимую и достаточную номенклатуру оптимизируемых параметров, Она приведена на рис74.

Задача установления степени влияния каждого из этих параметров на обобщенный показатель технического уровня, выбранный в 1сачестве критерия оптимизации, и формирования на этой основе модели целевой функции относится к задачам аппроксимационного типа и решена с использованием теории планирования эксперимента Проведенный корреляционный анализ взаимосвязей показателей, выбранных в качестве оптимизируемых, на предмет их независимости (табл.1) позволил сократить их число с шести (рис.4) до четырех (Но, кс, УманДк), причем ресурс станка до первого капитального ремонта Тк также может не рассматриваться в качестве переменного, так как для каждого бурового станка он тоже регламентирован.

При решении задачи оптимизации параметров буровых станков имеют место следующие ограничения:

1. Ограничения по соответствию фактических значений эксплуатационных показателей ПТ,ЕУ,МУ регламентированным нормативными документами Пт0,Еу0,му0 (рис.4). Модели этих ограничений, как и модель целевой функции, устанавливаются в результате реализации математического эксперимента, под которым в данном случае понимается расчет производительности бурового станка и обобщенного показателя.технического уровня при определенных сочетаниях переменных согласно матрице планирования. Используемый при расчетах единичных показателей функциональный критерий Л определяется по формулам . (1) - (6). За базовые значения показателей станка-эталона приняты значения, установленные ранее для сравнительной оценки технического уровня существующих станков.

Результаты эксперимента относительно технической производительности Пт и обобщенного показателя к с учетом взаимосвязей между эксплуатационными показателями (13) дадут следующие моде-

Таблица 1

Результаты корреляционного анализа взаимосвязей параметров буровых станков

Параметры Значимость параметров регрессии, 2 о. Е* - ЯЗ » Д Ь 5 Критическое зна чение критерия Стьюдента, "£Кр

Исследуемые ■ регрессии Критическс значение критерия Фишера, Т1* аз з з =г а в! >Э< а. о о, о о й к О СО 3 а я « х =г ч ге з «.р 0)>е< О* !=£>©.& ЯОО шок м

взаимосвязи

Ьо Ь-1

Нр-Ьо+ЬаЫб 19,09 0,168 156,99 3,98 0,967 53,52 2,23

Нтр-Ьо+ЬаЫб -19,09 0,832 3865,4 3,98 0,999 1268 2,23

Нтр=Ь0+Ь1Нр -92,07 4,572 105,69 3,98 0,952 36,40 2,23

м-Ьо+ЬаНб 17,00 0,191 79,810 3,98 0,937 27,90 2,23

Упер-Ьо+Ь-хНб 16,94 -0,020 33,080 3,98 0,866 12,52 2,23

Уман-Ьо+ЬаНб 34,08 -0,042 3,72 5,14 0,619 2,835 2,57

^ман^Ьо+ЬаНр 39,84 -0,274 5,597 5,14 0,695 3,798 2,57

1ш-Ьо+Ь1Нб 2,487 0,0345 155,40 3,81 0,880 6,681 2,17

Зш-Ьо+Ь1М 1,490 0,156 223,50 3,68 0,893 7,688 2,13

ли целевой функции и данных ограничений:

к - ао + ааНб + агкс + азУМан —пах;

ацНб + аа2кс + агзУман > Пт° - аю; (14)

(4/7®с2Еу° - ац)Н6 - аггкс - а^ман < аю; (0,762/я0с2МуоТко-а11)Н6 - а1?кс - а13Уман < а10-68/}ГВа%оТКо.

2. Ограничение по соотношению показателей 7ман и Ыб. Это ограничение может быть записано в виде:

/34,075 - 0,042Мб - Уман/ < 5С - 7,512 м, . (15)

где - стандартное отклонение для уравнения регрессии Уман -34,075 - 0,042Ыб (табл.1).

3. Ограничение по целочисленности показателя кс.

4. Граничные условия, отражающие диапазон изменения оптимизируемых параметров.. Для показателей Н6 и Уман - это только условие их неотрицательности, а для показателя кс, учитывая взаимосвязь длины штанги 1ш и мощности Нб (табл.1), по аналогии с предыдущим, -

/Ьс/ко - 0,0345Н6 - 2,487/ < 30 - 2,7415 м. (16)

После приведения ограничений к удобной для исследования

форме получена математическая модель оптимизации (ММО) показателей технического уровня и параметров карьерных станков вращательного бурения в виде:

к - ао + Н6 + агкс +- азУман —тах;

ацНб + аагкс + аазУман > Пт° - аю;

(4/7Шс2Еу0-а1а)Н6 - а!2кс - аазУман < аю; (0,762/я1)о?Му0Тк0-а11)Нб - а^кс - а^мак < аю-63/)Г0с2МуоТко;

0,042Н6 + Уман < 41,59;

0,042Н6 + Уман > 26,65; (17)

0,0345Нб + 5,229 > Ьс/кс;

0,0345Ыб - 0,225 < Ьс/кс;

Мб > 0; Уман 5 0; кс > 0 - целое.

Математическая модель (17) представляет собой задачу нелинейного программирования, поскольку два последних ограничения -нелинейные функции. Однако она может быть сведена к линейному виду благодаря целочисленности показателя кс путем перебора всех возможных его значений.

Синтез оптимальных параметров основан на обеспечении оптимальности взаимодействия' разрушающего инструмента с породой и функционирования станка в целом.

В результате исследования Ш0 будут получены оптимальные значения единичных показателей технического уровня Ы6*, УМ£Ш*, кс*. По этим значениям в соответствии в установленными взаимосвязями (табл.1) могут быть определены и другие, зависящие от них единичные показатели (Нр*,ЫГр*,Упер*>М*)•

Однако решение следующей задачи - задачи синтеза оптимальных параметров бурового станка и формирования его технической характеристики - осложняется тем, что не все единичные показатели являются простыми, то есть либо одновременно являющимися параметрами бурового станка, либо однозначно их определяющими.

Из оптимизируемых единичных показателей три (М*, Уман*. Упер*) одновременно являются параметрами бурового станка, один (кс*) при данной глубине бурения Ьс однозначно определяет оптимальную глубину бурения за один проход 1Пр* (длину штанги 1ш*).

Более сложными являются показатели мощности, затрачиваемой на разрушение, Ыр*, и транспортирование, Нтр*, объединяющие в себе режимные параметры бурения и очистки. Мощность, затрачиваемая на разрушение, Ыр (для шарошечных станков это мощность вращателя ЫВр) в соответствии с (5) для данных породных условий

(бМб) к диаметра бурения Dc однозначно определяет оптимальное значение необходимой скорости подачи (м/с):

Vn* " Нр*ПМех/4СШс2бмб. (18)

Эта формула определяет скорость подачи в зависимости от подводимой к разрушающему инструменту мощности. С другой стороны, скорость подачи может, быть, определена в зависимости от режимных параметров бурения Рос* и п*, определяемых, главным образом, возможностями бурового инструмента. Эта зависимость выражается формулой (м/с):

V;i* - 2kCK(Pocn)Vl000Dc6M6(tgcf'/2 + f2)k3, (19)

из которой видно, что оптимальное значение скорости подачи однозначно определяется лишь произведением режимных параметров бурения Рос и п, называемым коэффициентом интенсивности режима бурения (кН/с):

с = Росп - Рос*"* " Const, (20)

и решений относительно Р0с и' п может быть множество. В формуле (19) а ,к3 - угол и коэффициент заострения зуба-шарошки или лезвия резца; кСк ~ коэффициент, учитывающий уменьшение скорости бурения из-за неполного скапывания породы между зубьями; tz~ коэффициент трения бурового инструмента о породу.

Аналогичная ситуация с показателем Нтр (для шарошечных станков это мощность привода компрессора Nw). Требуемая мощность -привода компрессора Нк также определяется в конечном счете как произведение его производительности QB и давления воздуха рк.

Решению задачи синтеза помогает тот факт, что сами режимные параметры и бурения (Р0с,г>), и очистки (Qb,Pk) не являются независимыми друг от друга. Между ними существуют определенные соотношения, которые и дают дополнительное условие для однозначного решения задачи. Отсюда вытекает и метод синтеза оптималь-" ных режимных параметров бурения и очистки. Вначале по известным методикам устанавливаются их значения исходя из оптимальности взаимодействия разрушающего инструмента с породой и своевременной очистки скЕажины. Полученные из этих величин значения сочетаний параметров (Р0сп)*. и (QbPk)* сравниваются с аналогичными величинами, полученными в результате оптимизации. Совпадение их означает, что режимные параметры, с одной стороны, обеспечивают оптимальное функционирование станка в целом, а с другой - позволяют инструменту разрушать породу, а пневмотранс-

портной системе - производить очистку скважины также е оптимальном режиме. Это возможно в том случае, если требования по выходным эксплуатационным показателям Пт0,Еу0,Му0,Тк0 в нормативных документах на проектирование заданы обоснованно. В противном случае эти требования должны быть пересмотрены.

Разработанная методика оптимального проектирования позволяет оптимально адаптировать вновь создаваемую буровую технику к условиям конкретных угольных бассейнов, предлагает качественно новый подход к формированию основных показателей технической характеристики и типоразмерного ряда буровых станков, и принята к использованию концерном "Кузбассразрезуголь" и Карпинским машзаводом.

4. Обоснование применения на разрезах универсальных станков вращательного бурения

Использование комбинированной шнекопневматической очистки на станках шнекового и шарошечного типов повышает их технический уровень и является основой создания универсальных станков вращательного бурения с возможностью применения на них всех характерных для вращательного бурения видов породоразрушащего инструмента.

Многолетними исследованиями, проводившимися в Кузбасском государственном техническом университете (с участием автора) и ряде других научно-исследовательских организаций, доказана эффективность применения шнекопневматического способа очистки скважин на станках как шнекового, так и шарошечного бурения. Шнекопневматическая технология позволила решить многочисленные проблемы очистки скважин традиционными способами, а также дала возможность применить на каждом из указанных типов станков все характерные для вращательного бурения виды породоразрушающего инструмента (режущий, шарошечный, режуще-шарошечный).

Все это объективно подводит к идее создания вместо специализированных станков шнекового и шарошечного типа универсальных станков вращательного бурения. Предполагается, что универсальный станок будет представлять собой базовую машину, на.которой может быть применен любой породоразрушающий инструмент, а очистка скважин осуществляется шнекопневматическим способом.

Базовый станок должен иметь несколько типоразмеров, что позволит охватить весь диапазон диаметров скважин и условий бурения, однако состоять он будет из одних и тех же конструктив-

но-размерно-подобных агрегатов', механизмов и узлов. Такой подход позволит максимально унифицировать конструкцию бурового станка, сократить их номенклатуру, создать единую методику формирования параметров, и, в конечном итоге, еыйти на модульный принцип проектирования и производства буровой техники.

В результате анализа существующего типажа буровых станков и его-ноЕой редакции с учетом специфики горно-геологических условий угольных месторождений на пергом этапе предлагается выпускать два типоразмера универсальных станков - СВВ-125/160/190 и СВБ-200/250 для бурения скважин в диапазоне диаметров 125 -270 мм.

Перевод шнековых и шарошечных станков на шнекопневматичес-кую очистку и создание на этой основе универсальных станков вращательного бурения помимо; прочих преимуществ может служить также средством повышения технического уровня вновь создаваемой карьерной буровой техники. Сравнительные расчеты для рассмотренной группы буровых станков показали, что перевод их на шне-копневматическую очистку повышает общий технический " уровень парка на 10-15%.

Однако для создания универсальных станков действительно высокого технического уровня недостаточно только использовать . на них шнекопневматическую очистку. Необходимо также оптимально сбалансировать их параметры. ... .

5. Оптимизация параметров и оценка ее влияния на технический уровень буровых станков

В качестве примера реализации методики оптимизации параметров существующих станков взят станок СБШ-250-55. Согласно типажу станок СБШ-250-55 предназначен для бурения скважин диаметром 244,5 и 269,9 мм и глубиной до 55 м в породах крепостью Г = 8-10, и для него предусмотрены следующие требования по эксплуатационным показателям (рис.4): Пт°=27 м/ч; Еу°-215 кВт'Ч/м3; Му°- 3,9 кг/м3; Тк°- 16500 ч. Породам крепостью 8-10 единиц соответствуют следующие значения их механических свойств (№Р- 132 МДж/мэ; рп-2840 кг/м3;. бм6-86 МПа). После реализации математического эксперимента и обработки его результатов получены следующие значения констант для моделей целевой функции и ограничений (табл.2).

В результате исследования ММО установлено, что основным ограничением, определяющим оптимальное решение, является огра-

Таблица 2.

Параметры моделей целевой функции и ограничений для станка СВШ-250-55

Диаметр буримых скважин Бе, мм . Константы моделей

целевой функции ограничений

36 ах'Ю-3 ао-Ю-3 аз- Ю""3 аю ац агг &13

244,5 269,9 0,733 0,768 -0,645 -0,675" -10,8 -11,2 4,74 5,36 22,04 20,19 0,0188 0,0188 -0,177 -0,150 0,102 0,088

потение по производительности Пт°, а два'других: по удельному расходу энергии при бурении Еу° и удельной массе Му° являются лишними. Это свидетельствует о необоснованности назначения для станка этих технических требований. Для того, чтобы стать значимыми, каддое из них должно быть ужесточено в среднем на 25%.

Результаты решения задачи оптимизации приведены в табл.3.

Таблица 3

Результаты оптимизации показателей технического уровня бурового станка СБШ-250-55 (Тк° - 16500 ч)

Диаметр буримых скважин Бс,мм .Оптимальные значения Максимальное значение критерия оптимизации к*

ыб\ кВт V * »ман > М/МИН

244,5 269,9 123 247 6 4 36,7 31,2 0,763 0,725

Из таблицы видно, что оптимальные значения переменных (и особенно - оптимальной мощности) существенно зависят от диаметра бурения. Это означает, что при бурении скважин разных диаметров одним станком для поддержания обобщенного показателя к на максимальном уровне необходимо иметь приводы вращателя и компрессора разной мощности для каждого диаметра. Игнорирование этого факта приводит к снижению обобщенного показателя на 11,5%. Такая ситуация складывается из-за того, что в нормативных доку-

ментах для буровых станков независимо от диаметра буримых скважин регламентированы одни и те же значения Пх°)Бу°,Му0. Во избежание этого в дальнейшем предлагается для каждого диаметра скважины задавать отдельные требования (табл.4). При таком подходе для бурения скважин разных диаметров и в различных породных условиях могут быть использованы одни и те же вращатель и компрессор, а .полученное решение во всех случаях будет оптимальным.

Таблица 4

Рекомендуемые значения технических требований для станка СБШ-250-55 (Н6* - 247 кВт; Уман* - 31,2 м/мин; кс* - 4)

Диаметр бурения Вс,мм Технические требования

Пт°, и/ч Еу°, кВт-ч/м3 Му°, кг/м3

244,5 269,9 29 27 27' 130 160 215* 2,9 2,6 3,9"

Примечание. * - технические требования, регламентированные существующим типажом.

Существенно меньшее влияние на оптимальное решение оказывает глубина буримых скважин. Уменьшение глубины бурения с 55 до 20 м приводит к уменьшен™ оптимальной мощности всего на 8% (с 247 до 227 кВт), а обобщенный показатель технического уровня к.увеличивается при этом лишь на 5,5Х (с 0,725 до 0,765).

Оптимальному решению для станка СБШ-250-55, приведенному в табл.4, соответствует значение обобщенного показателя, равное для - 269,9 мм 0,725. Тот же показатель при фактических значениях оптимизируемых параметров составляет 0,408, то есть оптимальное согласование параметров позволяет повысить'технический уровень станка на 78%.

Задача оптимизации универсальных станкоЕ для получения сопоставимых результатов решена для станка СВБ-200/250, имеющего тот же типоразмер, что и рассмотренный ранее станок СБШ-250-55. Установлено, что оптимизация параметров универсального станка с учетом применения шнекопневматической очистки позволяет новы-

сить технический уровень на 92%, из них на 12% - за счет реализации шнекопневматической технологии; и на 80% - за счет оптимального согласования параметров. Это выводит универсальный станок СВБ-200/250 по обобщенному показателю на уровень лучшего из рассмотренных станков фирмы "Визугиз-Егче" (рис.2).

После синтеза из показателей Мб* и кс* оптимальных параметров задачу оптимизации для станка СБШ-250-55 можно считать решенной. В результате решения выявлена необходимость корректировки показателей технической характеристики (табл.5).

Для универсального станка необходимо установить еще оптимальные геометрические параметры шнековых штанг - диаметр бурильной трубы Бгр и шаг навивки спирали Н. Необходимая величина 0ХР устанавливается из условия обеспечения достаточной устойчивости бурового става при данных режимных параметрах бурения Рос* и п* (табл.5). Оптимальный шаг спирали устанавливается из условия обеспечения достаточной транспортирующей способности шнекоЕого става при минимальных потерях энергии сжатого воздуха. Установлено, что для станка СВБ-200/250 оптимальный шаг спирали чековых штанг составляет (1,5т1,7)Вс; (1,3т1,5)0с; (1,1т1,3)Вс для диаметра скважины 215,9; 244,5 и 269,9 мм соответственно. Основные показатели технической характеристики станка СВБ-200/250 также приведены в табл.5.

По результатам исследований разработано техническое задание на универсальный станок СВБ-200/250, в создании и освоении производства которого намерены принять участие концерн "Куз-бассразрезуголь" как заказчик и Карпинский машиностроительный завод как изготовитель опытного образца.

6. Разработка проекта типажа универсальных станков и оценка перспектив оснащения ими станочного парка разрезов

Технические требования по эксплуатационным показателям, составляющие основу типажа буровых станков, устанавливаются в результате решения обратной задачи оптимизации, заключающейся в определении по известным параметрам бурового станка таких требований, при которых эти параметры будут оптимальными.

Обратная задача решается по следующей схеме. Так как главным требованием, определяющем оптимальное решение, является требование по производительности, то установив для соответствующего диаметра бурения 0С и диапазона условий применения (бМб)

Таблица 5

Техническая характеристика буровых станков СБШ-250-55 и СВВ-200/250

Параметры Значения параметров для станка

СБШ-250-55 СВБ-200/250

существ. рекоменд.

Диаметр буримых скважин,мм ' 244, Е ; 269,9 215,9; 244,5;

269,9

Диапазон бурения под 0-30 0 - 30

углом к вертикали, град. 0; 15; 30 через 5 через 5

Максимальная глубина

бурения, м 55 60

Усилие подачи долота, кН 0-350 0-340 0-320

Максимальная скорость

подачи става, м/мин 1,5 1,3 2

Скорость манеЕровкх

операций, м/мин 13,2 31,2 33,3

Мощность вращателя, кВт 68 60 66

Частота вращения

долота, мин-1 ■ 0-150 0-165

Крутящий момент на

шпинделе, кН-м 4,2 3,8 . 4,0

Подача компрессора,м3/мин 25 33 25

Давление воздуха, МПа 0,8 0,625 0,6

Мощность привода, кВт 200 180 130

Длина/количество штанг, м 11/5 13,75/4 12/5

Диаметр бурильных труб,мм ■ 203; 219 140; 160; 180

Шаг шнековой спирали, мм - 330

Тип ходового оборудования г у с е н и ч н ы й

Скорость передвижения,км/ч 0,84 0,72 0,78

Масса станка, т 85 64 54

- 26 - .

оптимальные значения показателей Не*, Уман* и кс*, по формулам (4)-(6) можно определить необходимое техническое требование по производительности:

Пт° - МНб'.УмшЛкс*), (21)

а затем по формулам (13) - технические требования по удельному расходу энергии при бурении Еу° и удельной массе Му°.

Оптимальное значение показателя Ыр* определится по формулам (18) и (19), для чего предварительно устанавливаются оптимальные из условия разрушения породы режимные параметры бурения Рос" и п*.

По этой методике определены необходимые технические требования для втррого типоразмера универсального станка -СВБ-125/160/190, которые вместе с соответствующими значениями для станка СВВ-200/250 составили основу проекта типажа универсальных станков вращательного бурения (табл.6).

Данные проекта гилажа в виде научно обоснованных технических требований для универсальных станков приняты к использованию -Кузнецким филиалом НИИОГР в качестве основы для ' расчета потребности разрезов Кузбасса в буровой технике нового поколения .

Расчеты показывают, что новая организация парка на основе универсальных станков вращательного бурения и шарошечных станков высокого технического уровня позволит сократить.численность станочного парка разрезов при достигнутых объемах бурения на 30 -40% за счет пропорционального увеличения производительности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе разработаны теоретические положения по оценке технического уровня, оптимизации параметров и формированию основных показателей типоразмерного ряда, совокупность которых составляет основы методологии проектирования карьерных станков вращательного бурения нового технического уровня и вносит существенный вклад в развитие теории проектирования горных машин.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Анализом установлено, что качественный состав парка бу-

шилица 1

Проект типажа универсальных станков для вращательного бурения взрывных скважин

на разрезах

Наименование показателей Значение показателей для станка

свв- 125/160/190 СВБ-200/250

1 2 3 4 5 6 ,7

Диаметр буримых скважин, мм 125 160 190 215,9 244,5 269,9

Максимальная глубина бурения, м 45 * 60

Угол наклона скважины к

вертикали , град 0-30 через 5

Ресурс до первого капитального

ремонта, ч, не менее 9000 16500

Г - 3-6 Пт°, не менее 46 40 34 36 . 33 30

Еу°, не более 117 82 69 144 121 111

Му , не более 5,9 4,1 3,5 ? 6 2,1 1,9

Г " 6-8 Пт°, не менее 44 37 32 35 31 29

т? О Ьу , не более 122 89 73 150 132 118

му°, не более 6,2 4,5 3,7 '2,6 2,3 2,0

Т - 8-10 ' Пт°, не менее 42 35 29 33 29 27

и о я-у , не более 128 94 80 160 142 127

МУ°, не более 6,5 4,7 4,1 2,7 2,4 2,2

Продолжение табл.6

1 2 3 4 5 6 7

Г - 10-12 пт°. не менее 38 31 25 30 26 23

Еу°, не более 142 106 93 179 161 149

Му , не более 7,2 5,4 4,7 3,0 2,7 2,5

Примечания. 1. В таблице: Пт° - техническая производительность, и/ч при крепости пород €

по шкале М.М.Протодъяконова; Еу° - удельный расход энергии при бурении,

кВт•ч/м3; Му° - удельная масса, кг/м3.

2. Конструкциями станков должны быть обеспечены:

- унификация основных узлов станка (главная несущая рама, ходовое устройство, мачта открытого типа, силовая установка, вращательно-подающий механизм и т.д.); ,

- механизация всех рабочих и вспомогательных операций; м

- автоматизация режимов бурения и горизонтирования; ' ,

- управление одним оператором из кабины и с вщносного пульта (при передвижении) ;

- мокрая или сухая система пылеподавления;

- наличие средств автоматизированной смазки, диагностики агрегатов и пожаротушения ;

- современный дизайн кабины оператора и его рабочего места и необходимый набор устройств, обеспечивающих комфортные условия труда.

3. Эквивалентный уровень звука на рабочем месте, воздействующий на машиниста

(оператора), не должен превышать значений, установленных ГОСТ 12.1.003-83.

ровой техники для разрезов низок, поскольку более 3/4 станков представлены морально устаревшими и физически изношенными машинами, снятыми с производства. За последние 15-20 лет они не претерпели принципиальных изменений и работы ведутся только путем эволюционного совершенствования их отдельных узлов. Методических разработок, дающих- объективную оценку буровым станкам, и рекомендаций по существенному повышению их технического уровня ■недостаточно. Необходим комплексный подход к вопросам проектирования буровых станков для разрезов.

2. Предложенная методика комплексной оценки технического уровня буровых станков позволила выявить перспективные пути его повышения и реализации их на стадии проектирования. Повышение технического уровня вновь создаваемой буровой техники достигается за счет реализации шнекопневматической технологии очистки скважин и использования научно обоснованных методов оптимального проектирования, позволяющих сбалансировать параметры станка.

3. Реализация шнекопневматического способа очистки на станках шнекоЕого и шарошечного типа повышает их технический уровень на 10-15% и дает возможность заменить их универсальными станками-вращательного бурения с вариантностью характерного для него породоразрушакицего инструмента.

4. Основой методики оптимального проектирования является системный подход, позволяющий разработать структуру проектирования бурового станка и создать математические модели оптимизации его параметров. Целевая функция и ограничения представляются в виде уравнений регрессионного анализа, непосредственно' связывающих соответствующие показатели с оптимизируемыми параметрами, что позволяет использовать для решения задачи аппарат математического программирования. В качестве критерия оптимизации предлагается использовать обобщенные оценки технического уровня, а в качестве оптимизируемых параметров - его единичные показатели. Разработана методика оптимизации параметров и программы для ее реализации.

5. Исследованиями установлено,, что при существующих технических требованиях по производительности, удельному расходу энергии при бурении- и удельной массе определяющем является требование по производительности. Другие требования могут быть ужесточены в среднем на 25% каждое и это не повлияет на оптимальное решение. Для наиболее полной реализации принципов опти-

мального проектирования в нормативных документах технически требования должны задаваться для каждого диаметра бурения. Иг норирование этого обстоятельства приводит к снижению обобщенно' го показателя технического уровня на 11,5%.

. 6. Основное влияние на оптимальное решение оказывает диаметр бурения.' Увеличение его с 244,5 до 269,9 мм приводит 1 увеличению оптимальной мощности более чем в 2 раза. Глубина бурения незначительно влияет на оптимальное решение. Установлено, что уменьшение глубины буримых скважин с 55 до 20 м приводит I снижению значения оптимальной мощности лишь на 8%, а обобщенны! показатель увеличивается при'этом только на 5,5%.

Разработаны методики синтеза оптимальных параметров исполнительных органов и инструмента буровых станков, а также основных показателей их технической характеристики.

7. Для удовлетворения потребностей разрезов в буровом оборудовании на первом.этапе должен быть предусмотрен выпуск двуз типоразмеров универсальных станков вращательного бурения: СВБ-125/160/190 и СВБ-200/250 для бурения скважин в диапазоне диаметров 125-270 мм. Определены основные показатели типораз-мерного ряда универсальных станков и методика их формирования.

Установлено, что организация парка на основе универсальных станков вращательного бурения и шарошечных станков нового технического уровня позволяет сократить их численность при достигнутых объемах бурения на'30-40%..

8. Реализация научно-методических и технических рекомендаций данной работы позволяет существенно повысить технический уровень вновь создаваемой Дуровой техники для разрезов. Это достигается за счет реализации шнекопневматической технологии очистки и создания на этой основе универсальных станков вращательного бурения (на 10-15%) и оптимального согласования их параметров (на 78-80%). По обобщенному показателю универсальные станки выведены на мировой уровень, что свидетельствует о достижении поставленной в работе цели.

Основное содержание диссертации отражено в 35 работах автора, в том числе:

1. Воронов Ю.Е., Протасов М.И. О возможности расширения области применения станков шарошечного бурения//Механизация горных работ: Межвуз.сб.науч.тр., вып.З/Кузбас.политехи.ин-т.-

Кемерово, 1980,- С.206-209.

2. A.c. N855178 СССР, МКИ3 Е21 В10/20. Шарошечное буровое долото/Б.А.Катанов,Ю.Е.Воронов,О.Д.Рябов и др.; Опубл.15.08.81, Вюл. N30..

3. A.c. N 876943 СССР, МКИ3 Е21 В10/14. Шарошечно-лопастное долото/В.А.Катанов,E.H.Куракулсв, Ю.Е.Воронов и др.; Опубл. 30.10.81, Бюл. N40.

4. Воронов Ю.Е. Техническое моделирование движения аэросмеси в процессе очистки скважины//Механизация работ на рудниках: Межвуз. сб. науч. тр./Кузбас. политехи, ин-т,- Кемерово, 1982.-С.96-100.

5. Катанов В.А., Воронов Ю.Е. Методика расчета движения частиц аэросмеси в процессе очистки скважины//Изз.вузов. Горный журнал.- 1983.- N3,- С.58-61.'

6. Катанов Б.А., Воронов ¡O.E., Внуков В.Г. Бурение скважин шарошечными долотами со шнекопнеЕматической очисткой//Машины и оборудование для горных работ: Реф.сб.ЦНИИТЭИтяжмаш N2-83-13.-М., 1983.- С.1-4.

7. Катанов Б.А., Куракулов E.H., Воронов Ю.Е. и др. Шарошечное бурение скважин со шнекопневматической очисткой//Горный журнал.- 1984.- N8.- С.46-47.

3. КатаноЕ Б.А., Воронов Ю.Е. Шарошечное бурение скважин р. закарстованных массивах со шнекопневматической очисткой: Тез. докл. IX Всесоюзной научно-технической конференции по буровзрывным работам.- Красноярск, 1984.- С.11-12

9. Катанов Б.А., Воронов Ю.Е. Устройство для уплотнения шнекового бурового става//Горные машины и автоматика: Реф. на картах, вып.4/ЦНИЭИуголь, ЦБНТИ Минуглепрома УССР, 1985, Сер.7, карта 33.

10. Катанов Б.А., Воронов Ю.Е. Рациональное соотношение шага спирали шнековой буровой штанги и ее наружного диамет-ра//Изв.вузов.Горный журнал.- 1986.- N5.- С.61-62.

И. Катанов Б.А., Воронов Ю.Е. Шнекопневматическая очистка скважин при бурении их станками СВШ-250МН в закарстованных мас-сивах//Механизация горных работ: Межвуз.сб.науч.тр./Кузбас. политехи.ин-т. - Кемерово, 1988.- С.118-122.

12. Катанов Б.А., Воронов Ю.Е. Аэродинамическое сопротивление шнековых буровых штанг для станков со шнекопневматической очисткой//Изв.вузов.Горный журнал.- 1988,- N1,- С.73-76.

13. Катанов Б.А., Воронов Ю.Е. Некоторые пути решения проблем бурения многолетнемерзлых россыпей//Изв. вузов. Горный журнал.- 1994,- N7,- С.76-78.

14. Воронов Ю.Е. О возможности и перспективах создания универсальных станков вращательного бурения//Изв. вузов. Горный журнал.- 1994.- N8.- С.96-97.

15. Воронов Ю.Е. Шнекопневматическая очистка и предпосылки создания универсальных станков вращательного бурения//Механиза-ция горных работ: Сб.науч.тр./Кузбас.политехи.ин-т.- Кемерово, 1994.- С.45-46.

16. Воронов Ю.Е. Функциональный критерий оценки технического уровня (качества) буровых станков открытых разработок//Со-вершенствование технологических процессов при разработке месторождений полезных, ископаемых: Сб.науч.тр.N7/Ассоциация "Кузбас-суглетехнология".- Кемерово, 1994,- С.111-113.

17.. Воронов Ю.Е. К вопросу применения теории качества при создании универсальных станков вращательного бурения//Изв.вузов. Горный журнал.- 1995.- N2.- С.88-90.

18. Воронов Ю.Е. Изыскание путей и 'методов повышения технического уровня станков вращательного бурения для открытых разработок: Тез. докл. Международного семинара.- М.: 1995.-С.157-159.

19. Воронов Ю.Е. Теоретические основы оптимального проектирования карьерных станков вращательного бурения: Тез. "докл. Всероссийской научно-практической конференции.- Кемерово, 1995.

- с.ю-11.

20. Воронов Ю.Е. Проблемы и методы повышения технического уровня бурового оборудования разрезов: Тез.докл. Междунар.научно-технической конференции.- Караганда, 1995.

21. Воронов Ю.Е. Обоснование показателей технического уровня карьерных буровых станков//Механизация горных работ:Меж-вуз.сб.науч.тр./Кузбас.гос.техн.ун-т.- Кемерово, 1995.- С.3-8.

22. Воронов Ю.Е. Сравнительная оценка технического уровня парка буровых станков//Механивация горных работ: Межвуз.сб.науч. тр./Кузбас.гос.техн.ун-т.- Ке^рово, 1995.- С.8-17.