автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование и выбор параметров дифференциальной вращательно-подающей системы бурового станка

Государственный комитет Российской Федерации

по высшему образованию

---

Московский государственный горный университет

На правах рукописи БУСЫГИН Александр Михайлович

УДК 622.233.5.051.78.001.5

ОБОСНОВАНИЕ й ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ВРАЩАТЕЛЬНО-ПОДАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ БУРОВОТО СТАНКА

Специальность 05.05.06 — «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Научный руководитель V докт. техн. наук, проф. ДМИТРИЕВ В. Н.

Официальные оппоненты:

докт. техн. наук, проф. МГГУ КАНТОВИЧ Л. И.,

/ канд. техн. наук,

¿/с. н. с. ИГД им. А. А. Скочинского БАБАРИКА С. Д.

\у Ведущее предприятие — ЦНИИподземмаш.

Защита диссертации состоится « . » 1994 г.

/Vа<:>

в /.'. . час. на заседании специализированного совета

Д-053.12.04 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « . » . 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета

канд. техн. наук, проф. ДЬЯКОВ В. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важнейшее направление технического прогресса в области открытой и подземной разработки месторождений твердых полезных ископаемых - трудоемкий и дорогостоящий процесс бурения. Расширение области применения буровых станков и совершенствование технологии буровых работ осуществляется распространением их на более крепкие породы за счет увеличения мопщости приводов, совершенствования динамических характеристик.

При работе бурового станка по крепким или трещиноватым породам резко возрастают нагрузки в двигателях, редукторах, опорных узлах, металлоконструкциях, что приводит к раскрытию зазоров в зубчатых передачах, росту вибронагруженности всего станка в целом. Несогласованность режимов работы механизмов подачи и вращения приводит к автоколебательным процессам во вращатель-но-подающей системе (БПС). Поэтому обоснование и выбор параметров дифференциальной ВПС бурового станка, позволяющей автоматически регулировать скорость и усилие подачи станка в процессе бурения, является актуальной научной задачей.

Цель работы. Установление закономерностей движения в массиве горных пород рабочего органа ВПС дифференциального типа со свойствами автоматического регулирования скорости и усилия подачи, позволявшими выбирать ее параметры при проектировании, что обеспечивает повышение эффективности работы бурового станка.

Идея диссертационной работы. Заключается в айтоматическом выборе режимов работы станка в зависимости от крепости горной породы путем использования в ВПС дифференциальных механизмов.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, их новизна:

- автоматический выбор режимов работы бурового станка обеспечивается дифференциальным механизмом- как основы ВПС и двига-телями ее с рационально подобранными характеристиками;

- ВПС бурового станка - это динамическая система с двумя степенями свободы, обеспечивающая движение рабочего органа в направлении вращения и подачи; в процессе бурения рабочий орган и массив формируют функциональную связь механизмов подачи и

вращёния, которая зависит от свойств массива горных пород и динамических качеств электрогидромеханической ВПС дифференциального типа;

- ВПС дифференциального типа в зависимости от момента сопротивления движению става автоматически изменяет нагрузку и скорость подачи става, что обеспечивается наличием отрицательной обратной связи между механизмами подачи и вращения.

обоснованность и достоверность научных положений , выводов и рекомендаций подтверждаются:

- использованием апробированных уравнений, описывающих статику, кинематику и динамику дифференциальных механизмов, характеристики электро- и гидродвигателей, свойства массива горных пород;

- сходимостью результатов теоретических исследований с данными эксперимента с вероятностью не ниже 0,9 .

Значение работы. Научное значение работы состоит в:

- разработке математической модели ВПС дифференциального типа, учитывающей кинематику, инерционность, динамические характеристики приводов и свойств горных пород;

- установление критериев рациональной области кинематических. и геометрических параметров дифференциального механизма, характеристик электропривода и гидропривода управления, обеспечивающих автоматическое изменение усилия и скорости подачи. •

Практическое значение работы состоит в:

- разработке функциональной кинематической схемы ВПС дифференциального типа для буровых станков с органическим свойством автоматического выбора режима работы станка в зависимости от крепости горной породы;

- создании методики расчета и выбора параметров при проектировании ВПС дифференциального типа для станков вращательного бурения.

Реализация выводов и рекомендаций диссертации;

- разработана рабочая конструкторская документация на полноразмерный стенд бурового станка дифференциального типа, его создание и экспериментальные исследования;

- методика по расчету и выбору основных параметров ВПС дифференциального типа дЛя буровых станков принят, к использованию в ЦНИИПодземмаш.

-з-

Апробация работы. Основные положения диссертации и резуль таты исследований докладывались на научном семинаре кафедры ТПМ Московского государственного горного университета, в ЦШИПодвеммаш, на международной конференции "День горняка" МГГУ.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 научных работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения , четырех глав,заключения, изложенных на/^страницах машинописного текста, содержит 3S рисунков, «?/ таблиц, список литературы из ¿Г наименований и приложения.

Автор выражает глубокую благодарность коллективу кафедры "Теоретическая и прикладная механика", а также лично доцентам Наумкину В.М. и Петрову В.Л. за помощь при выполнении диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Современная технология открытой и подземной разработки месторождений твердых полезных ископаемых связана с большим объемом' дорогостоящих буровых работ. Так стоимость буровых работ на открытых разработках колеблется в пределах 16-35 % от общей стоимости. Поэтому'создание буровых машин, отличающихся большой производительностью и ресурсом безотказной работы, является важнейшей задачей. Непосредственное влияние на развитие буровой техники оказали научные труды проф. Б.И. Воздвиженского, Б.А. Симкина,' B.C. Владиславлева, Б.Н. Кутузова, Л.Б. Глатмана, И.М. Бирюкова, В.Д. Буткина, 'О.Д. Алимова и др. Большой вклад в создание буровой техники и исследование их работоспособности внесли Н.Э. Наринский, Л.И. Кантович, A.A. Солдатов , ILA. Громов, П.М. Емельянов, Э.Г. Чернилов, В.А. Скворчевская, Е.В. Вальден-берг, A.B. Черноусов, H.A. Ралжеев, Ф.Я. .Дорошенко, A.M. Пип кис, В.Т. Загороднюк, К.И. Иванов, И.Ф-. Медведев и др.

Несмотря на многообразие способов бурения , механическое разрушение горных пород остается определяющим. Немаловгшгпя роль в этом принадлежит буровым машинам вращательного действия.

1Слючевой частью бурового стачка является вращательно подам щая система (ВПС). Например, на долю ВПС приходится 19 7. otim

bob, . а время .восстановления составляет 21,5 X от времени восстановления станка.

Существенным недостатком типовых схем буровых машин является раздельный привод вращателя.и механизма подачи, из-ва несогласованности режимов работы которых в основном возникают динамические нагрузки, вибрация. Это, в конечном итоге, отрицательно сказывается на производительности буровых машин. Поэтому анализ природы динамических нагрузок с целью уменьшения их влияния является важнейшей задачей.

Анализ работ по исследованию динамики буровых станков показал., что на эффективность их работы в основном влияют:

- конструктивные и технологические параметры бурового инструмента;

- 'режимы бурения. Уточнение общих зависимостей, характеризующих эффективность разрушения забоя буровым инструментом при различных режимах бурения, позволяет' выработать рекомендации по повышению производительности станков;

- конструктивные особенности буровых станков.

Эффективность бурения определяется прежде всего рациональными значениями рабочих параметров бурения: усилием подачи F и частотой вращения п става. Рациональные значения F и п обеспечивают наилучшие результаты по скорости бурения и стойкости инструмента.

На -основании обработки большого числа экспериментальных работ были получены следующие эмпирические зависимости:

- рациональная частота Еращения бурового става:

/?р-- ГОО-SOf, мим-{

где f - крепость горной породы;

- рациональное усилие подачи Fp:

fp -Fotjf'H'

где Fo - минимальное значение осевого усилия, при котором начинается объемное разрушение.

-5-

Ь - удельная подача (мм/об), И-З мм;

к - коэффициент эффективности бурения вращательным способом.

К*Кп:Ка-КгКё

Здесь отдельные коэффициенты учитывают соответственно: Кп - сопротивляемость горной породы бурению [мм/(Н*об)],

Ка-Г />¡/0'?

Кг • геометрические параметры инструмента; Ки - изношенность инструмента,

Ко. •1д'0,ООЗ(6-$п)

У

где Бт - площадка притупления (т1) ; Кв - частоту вращения инструмента:

к£1 Кп -К* »Кп-м

где входящие коэффициенты учитывают:

Кж - длину, а следовательно,и величину крутильной жесткости буровых штанг;

Кп.м. - специфические особенности подающего механизма бурильной машины;

Кп - абсолютную частоту вращения инструмента:

где п - текущее значение частоты вращения инструмента.

Аналогично получены зависимости усилия подачи Р от скорости подачи V и угловой скорости бурового става для различных значений крепости горной породы Т ( от 4 до 10-)*

Г'/У-А-С-ые^.в"' /О >

где А , В, С - коэффициенты пропорциональности, имеющие различные зйачения для каждой крепости горных пород. В таблице 1 ука заны их значения.

Таблица 1

1 | Тип горной I породы 1 А. I м/с | • в, м/(Н*с) С. м 1 1 1 1 Коэф. кор-1 реляции |

| Крупнозернистый I мрамор , Г-3-4 -7198882*1 10"9 | 2035*10" -9 1 38666*10-9 | 1 1 0,916 |

|Доломитизирован-I ный известняк | Г-4-5 -6220847*1 . 10"9 | 1809*10" -9 284873*10" 1 9| 1 1 1 0,904 |

| Зеленый мелкозернистый мрамор | Г-6-7 -328152* | 10"9 | 915*10" -9 139330*10" 1 91 1 1 0,88 |

| Известняк | Г-7-8 -2742044*1 Ю-9 1 723*10" -9 91597 *10" 9| 1 1 0,87 I 1

| Песчанистый | сланец Г-8-9 -1759342*1 ю-9 1 484*10" -9 51323 *10~ 1 91 1 | 0,85 |

|Пес>'.ник зеленый | крупнозернистый | Г-9-10 I -955774* | ю-? | .. ,. 1 301*10' -9 29885 *10" 1 91 1 1 I 0,'84 ' | |

.Момент сопротивления Мс вращению инструмента зависит от осевого усилия, частота вращения инструмента практически не оказывает влияния на его величину:

Мс'Хм-Рс, г2)

'где Км - коэффициент пропорциональности , определяется по таблице 2.

Таблица 2

1 ' 1 I Тип горной породы | 1 1 1 № |

1 Крупнозернистый мрамор N3-4 | 0,0075 |

I Доломитизированный известняк N4-5 | 0,0083 |

I Зеленый мелкозернистый мрамор N6-7 | 0,0095 |

I Известняк N7-8 | 0,01075 |

I Песчанистый сланец N8-9 | 0,0123 |

I Песчаник зеленый крупнозернистый | 0,013 |

| N9-10 I 1 | !

Системы автоматизированного управления процессом бурения должны учитывать функциональную обратную связь , математически описанную эмпирическими зависимостями силы Рс и момента Мс сил сопротивлений ( 1 ),( 2 ), полученные нами в результате анализа большого количества работ по динамике буровых станков. Существует несколько способов автоматизированного управления, короткий анализ которых показывает следующее. Поисковые и комбинированные системы управления режимом бурения обладают двумя врожденными недостатками. Первый недостаток заключается в необходимости определять оптимальные параметры непосредственно в процессе бурения практически мгновенно. Поэтому оценка регулирования производится по текущим значениям скорости, усилия и т.д., но не по интегральным критериям - производительности или энергозатратам на бурение.

Второй недостаток связан с необходимостью перебора множества вариантов в процессе поиска оптимального режима управления, что требует значительного времени и режим бурения никогда не будет оптимальным.Существуют и другие недостатки, как,например, конструктивная сложность и высокая стоимость, малая надежность.

Программно-управляемые системы регулирования режимов бурения представляются наиболее приемлемыми. Они бывают разомкнутого типа, с саморегулированием параметров режима бурения и обратной связью, учитывающей свойства буримой породы.

С успехом для автоматического регулирования параметров бурения, как мы считаем, могут быть использованы дифференциальные

-а-

механизмы различных конструкций. Дифференциал широко применяется в технике для следующих целей: как автомобильные дифференциалы для передачи вращения и энергии на ведущие колеса; как дифференциалы гусеничных машин для передачи вращения и энергии на ведущие звездочки и для разворота; как дифференциальные двух- , трех- и более двигательные вариаторы скоростей; как однодви-гательные дифференциальные многоскоростные коробки передач.

Примером применения дифференциальных механизмов в буровой технике могут служить приводы, разработанные А.II. Максимовым, A.A. Маржаретто, Т.К. Белобородовым и II.E. Медником и др; Здесь дифференциальный механизм используется в основном как вариатор скорости передачи, однако в них присутствуют и элементы автоматического регулирования, например, при заданном значении момента сил на буровом ставе.

Нами предложена схема дифференциальной вращательно-подающей системы, позволяющая автоматически регулировать движение машинных агрегатов со степенями свободы рабочего органа два и более. Двигатели системы должны обладать особыми свойствами, что связано с быстродействием механизма и обеспечением автоматического регулирования усилием и скоростью подачи рабочего органа станка в заданных режимах его работы .

Кинематическая схема механизма представлена на рисунке 1.

1 Структура и кинематика BI1C

Вращательно-подающая система состоит из следующих основных частей: механизма отбора мощности, который содержит привод вращения 1, систему зубчатых колес 2,3,4,5,6,7, объединенных в редуктор 8, соединенный ставом 9; механизма управления, который содержит .привод управления 10, самотормозящийся червячный редуктор 11; конического дифференциала 12, содержащего коническую пару'зубчатых колес 13,14 ( главная передача ), водило 15, конические сателлитные колеса 16, 17 и выходные конические колеса 18, 19 соответственно. Правая полуось 20 соединена с выходным звеном червячного редуктора 11 механизма управления,' а левая полуось 21 соединена с механизмом подачи, который содержит зубчатое колесо 22 и зубчатую рейку, 23. Зубчатое колесо 13 дифференциала (входное звено) соединено с выходным звеном (колесо 7) редуктора 8 механизма отбора мощности от привода вращения.

■1А

Ь

Рис./

Кинематическая схема ВПС дифференциального типа

-ю-

Механизм работает следующим образом. Двигатель 1 вращает буровой став 9 через систему зубчатых колес 2, 3 и 4, Ь}а также левую полуось дифференциала 21' и выходное звено механизма пода ■чи 22 через коническую пару колес 13-14, водило 15. .коническую пару колес 16 - 19. Зубчатое колесо 22 вращаете® е^гловой скоростью OJ¿¿ , перемещает весь механизм в'сга^шу-'йаесива горных пород - создает осевое давление Fo. ЩЯГ'отключенном двигателе управления 10 правая полуось 20 дифференциала и колесо 18 неподвижны. Вращение от двигателя 1 на полуось 20 не передается, т.к. червячный редуктор 11 самотормозящийся. При включенном двигателе управления 10 движение от него через редуктор 11 , дифференциал 12 передается на левую полуось 21 и выходное звено 22 механизма подачи, угловая скорость которого с^эз. При этом зубчатое колесо 22 , вращаясь с угловой скоростью (*згз, переме-•щает механизм от массива. Результирующее движение выходного звена 22 механизма подачи определится разностью

Основное кинематическое уравнение представленного механизма имеет вид:

U)A х А-— •</>- £ сои,

ш U/30¿¿г» *

где изл ,toy , y ~ угловые скорости соответственно выходного ^вена 22, двигателя управления 10 и основного двигателя 1; Upo, Uzv ,t¿p - передаточные отношения редуктора отбора мощности, главной передачи дифференциала 12, редуктора управления 10. Скорость подачи равна:

Vn'OJA-Z*^ foj

где 2"/7 - радиус колеса 22.

При положительной разности членов (3), представленных в скобках , угловая скорость о^л выходного звена устройство положительное и создается подача в сторону массива пород. При отрицательной разности , наоборот, осуществляется отход механизма от массива. Изменение величины (3) происходит вследствие того, что под действием внешней нагрузки Fe (1) и Мс (2) уменьшается или увеличивается в зависимости от характеристики -основного двигателя Д*(рис. 1). Решение задачи кинематического анализа исследуемого механизма позволяет определить рациональные кине-магические параметры, необходимые при его проектировании (см. таблицу 3). . '

% \Пу1\и/>о\(Лр\иг<7\и) мин'|мин| |

750-|500-| 5- |2,5-1 2- | 13000 | 40001 10 | 15 | 4 | 50

__I___I_

Ъ/7,

0,05 0,2

Таблица 3

п--------!

[Параметры бурения |

I——----л-----------1

|/7,4, МИН"' |У/»,М/МИН|

-)------------1--------------1

1 до 40 | до 2,0 |

1 I I

л_______I_____)

Силовой анализ ВПП. Уравнение равновесия при установившемся режиме работы ВПС без учета потерь на трение в дифференциале имеет вид:

СМд/-Мгр/(игР р/р)] иро-иг^^о - ■■ ^

м

где моменты сил на валу'двигателей 1,10 и момент вра-

щения на буровом инструменте; КщГ~ редукторов вращения отбора мощности,- редуктора управлениями главной передачи дифференциала;/- усилие подачи;«*,--радиус канатного шкива 22.

Из уравнения; (5) получаем условие работоспособности механизма:

Условие (6) можно удовлетворить к подбором характеристик двигателей. Свойство'-Ч'Противозаклинивания-' (отхода механизма назад) возможно при соблюдении! следующего условия'.

где \kmfir момент сил, трения в «направляющих."наIвыходном эвене 22;

й - передаточное отношениетоаг.лелуоси >2а-:ю.полуоси: 21 при останов- -

/ !$._______ »

ленном водиле 15;£- КПД ^Ффференциала; ¡при-остановленном водиле 15.

Зная рациональные, параиршры.бурения.-.(-У,(2) .и задаваясь •мо ментом управления Мйгу можно-подобреть. параметры основного дги-1 гатсля Д/и значения передато^кготношвяий^^Цв^^оОесяечши:::

работу ВПС в рациональном режиме.

Решая задачу силового анализа по полученным формулам находим рациональные силовые параметры базового варианта ВПС бурового станка, а также определяем силы и моменты сил в соединениях дифференциальной ВПС (табл.4)

Таблица 4

1 ..... 1 гр . 1 н 1 | 4500- I 12500 1

1 Рациональные параметры | бурения 1 1 Пр . , 1 мм 1 I 0-5,0 ч

1 1 Пр , мин"1 | 200- 1000

1 | V ,м/мин 1 . ДО 2 .0

1 <>>15, С -1 .1 1.0 ■ 30 .

| Кинематические | параметры 1 ^20. с -1 1 1,5 - 25

1 1 Ь>21, 1 с -1 I 0 -1 4,0

1 1 М15, Н*м | 130 - 2500

| Момент сил на валах | системы 1 ' 1 Мго, 1 Н*м 1 5 - 20

1 1 ^21, 1 Н*м 1 | 135 - 2500

1 :.......... 1 Цд1. Н*м ! 3,25 -1-......— 1 0,1 - 248

1 1 1 Мд£, П*м СО

• 1 Мтр, 1. ......... Нам 1 ДО 5 ,0

Законы движения звеньев с учетом инерционных и диссипа-тивных ВПС (рис.1), характеристик приводов и физико-механических свойств горных пород,описываются системой дифференциальных уравнений вида

V„ f.Jv.^.m- тщ, - -

¿Jfy </ *J9y üjy. Afy - ^J*" -

где Me, M<?, Wy-моменты сил сопротивления вращению бурового става, двигателей основного и управлениясилы сопротивления движению бурового става при бурении и трения при движении каретки по направляющим инерционные коэффициенты.

«//Л Ун/Маю Ч- Уз/Маме/г»)** Яте Э'Шо^го/ *

* ¿¿г*)3;

Jfy > 2fJ$ft * ;

J</b>- Ус ,

/Яе^Ъч-массы сателлита и подвижной части машины; /? -радиус центра масс сателлита относительно.центральной оси дифференциала;«^^?^/-моменты инерции водила Н, правой и левой ■ полуосей дифференциала; Л? - приведенный к валу основного двигателя момент инерции ротора двигателя, части механизма от водила Н и до бурового става; Уу- приведенный к валу двигателя управления момент инерции двигателя и редуктора управления.

Значения Ue ж fe представлены эмпирическими формулами (1),(2). Момент сил основного двигателя

M¿-'CLy6j-(/, (3)

где \ккр-критический момент двигателя; - критическое скольжение двигателя, которое может изменяться введением дооавочного активного сопротивления в цепь ротора; Ojc -синхронная скорость двигателя.

' Момент сил гидродригателя управления

где ря - давление на входе гидродвигателя; -рабочий объем гидродвигателя.

С учетом приведенных выше зависимостей, а также допущения, • что гидродвигатель имеет жесткую характеристику, считаем ¿óy -comí, üjp -о .

Тогда уравнения (8) могут быть представлены в виде

где

//ô usji;/ c-tyfâ-u&jj ;

Общее уравнение (11) имеет вид

6 / Л у > </а.е« £

где коэффициент i/o определяется начальными условиями решения задачи: при I <//£>;* i/o .

Из решения (13) видно, что движение СПС определяется двумя процессами: переходным, практически затухающим в момент ¿° , и стационарным, зависящим от приведенной внешней нагрузки " « " и диссипативных свойств системы " Ô ":

Анализ математической модели динамики ВПС (рис.1), включающей формулы (3),(4^(12)и (13) , заключается в нахождении закономерностей -изменения ключевых параметров угловой скорости </ ротора основного двигателя Л/ , скорости У и усилия Fo подачи от основных , наиболее значимых факторов, которые названы управляющими - крепости породы f , характеристики основного двигателя

, момента и угловой скоростисистемы управления. На рисунке 2 для примера представлены зависимости у' -- Lftcoyi, У - , от одного из указанных вике факторов

иоу, при фиксированных ô*, Р , на предельных значениях: 0,33(4* °'93"' 4 17»5 Им/м- Качественные изме

нения зависимостей парамётров , i/o , согласуются с на шими представлениями о свойствах ВПС.' Так, с увеличением крепости породы , т.е. сопротивления движению инструмента, уменыг-мт-ся , fo и возрастает А?, фактор Му практически не оказывает влияния на исследуемые параметры ВПС. Сложное движение оказывает фактор на параметры; в принципе они снижаются с увеличением «Xf, но с разной интенсивностью. Управляющий фактора^ наиболее важен в группе факторов: параметр возрастает , а

У/7 и fû уменьшаются с ростом фактора Шу . Поэтому при проектировании буровых станков необходимо решать задачи оптими-

Ф 102

УМ

9В 94 30

ев

83

/80

/63 /70 /76 /вО /36 . /60

Щ(с<)

/60 /65 /70 /75 /вО /83 /&>

И>у!С-<)

/00 /¿5 /ТО /75 /вО /33 /М

. Гис.2

Функции у (боу ); ); р (и>у ) при заданных

5К/ иУ. г (см. таблицу 5)

/ г 3 3. 6 7 в

г /о /о */ V

0.33 493 0.33 093 033 0.33 433 4*3

Му/н.м) 3 3 /73 /?3 3- /7!3 /7;

зации - выбора рациональных факторов.

Эта задача решалась нами при расчете и проектировании стенда ШС дифференциального типа, кинематическая схема которого представлена на рис. 3.

Стенд состоит из основного двигателя 1, Сурового става 2, направляющих 3, плиты 4, редуктора вращения 5, редуктора отбора мощности 6, винтового натяжного устройства 7, канатов 8, конического дифференциала 9 , редуктора управления 10, гидродвигателя управления 11. Некоторые параметры механизма передач и двигателей приведены на самом рисунке. Стенд имеет следующие рабочие характеристики:

глубина бурения 1 , м - 1; усилие подачи Р , Н - 15000; момент сил на буровом ставе Мр , Нм - 17,5; * частота вращения бурового става , мин'- 380 ;

скорость перемещения бурового става / , м/мин - 2,5; ' давление в гидросистеме р , МПа' - 60.

Рабочие параметры стенда - усилие подачи Р и частота вращения бурового става пСт . близки к рациональным при бурении горной породы крепостью Г - 6 ( Г - 7500 II, п Ст - 37Ь мин-1 ). Для сравнения проведен анализ работы ШС и типового бурового станка ЕКГ-2 в аналогичных условиях. Станок БКГ 8 имеет раз дельный привод подачи и вращения: Р - 7500 II и п ст - 075 мин-* что вполне соответствует реальным возможностям его гидросистемы. "Обуривался" массив, состоящий из слоев, горных пород крепостью Т - 5;7;8;10;6, причем длина каждого слоя равняется 1 м. Проведен сравнительный анализ работы двух станков ВПС и БКГ- 2 в виде графических зависимостей ' усилия подачи Р , момента вращения Мвр, частоты вращения бурового става п Ст . скорости подачи Уп , мощности на резце 'Р от глубины бурения (см. рис. 4). Выявлено, что в то время, как у станка'ВПС значения Р увеличиваются и п ст уменьшаются , у станка ВКГ-2 они остаются постоянными на всей длине шпура. Скорость подачи Уп и мощность на резце Р с ростом 1 у ВПС выше, чем у БКГ-2. Таким образом, выигрыш во времени составит 21 с. Момент вращения уменьшается в соответствии с усилием подачи Р у обоих стендов. При сравнении рацио нальных параметров Р и п Ст наблюдается тенденция увеличения Г и уменьшения п ст с ростом крепости пород";. ? . Как видно из рис.4, этот эффект наблюдается у ВПС и отсутствует у БКГ 2, что

Ребуктф

А/т'ЖОн* 5

Редух/лср ¿расцешя

¿¿•ГО, //Г'ЗММА,

Рис.*?

Кинематическая схема полноразмерного стенда бурового станка с ВПС дифференциального типа

-га-

ем

л*

ркг-з

1

К

/ * 3 * *

/ г л * *

М8

/С/

Гнт!

I- 1 1

V) * Ч

§ 5

/ 3 3 У Он/

/ V 5 5 ? 3» .

Лет /ни) .

/ Л 3 чХ

г 1 з + о-

«0

$ й ■п п"* Р * > ч ч

<* }-

/ , г 3 з- £

' * з * х ¿¿у / г з + ¿г ¿у

Рис. ^

Зависимости усилия подачи Г. момента вращения на буровом ставе Мв, частоты вращения бурового ставайст, скорости подачи V, мощности на резце Р от глубины/для ВПС и станка БКР-2 в аналогичных условиях.

"fS-

свидетельствует об очевидном преимуществе ВПС.

Результаты обработки экспериментальных данных (рис.2) показали, что относительная ошибка при сравнении теоретических зависимостей и экспериментальных данных составляет не более 10Х.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе содержится новое решение актуальной научной задачи, состоящей в обосновании и выборе параметров дифференциальной ВПО бурового станка,позволяющей автоматически выбирать режимы работы бурового станка.

1. Негативным результатом разделения функций движения рабочего органа бурового станка является несогласованность действий приводов механизмов подачи и вращения, что приводит к повышенным динамическим нагрузкам станка, снижению его ресурса и производительности.

2. Автоматический выбор режимов бурения может быть обеспечен учетом функциональной обратной связи бурового станка, формируемой в процессе взаимодействия рабочего органа с массивом горных пород и достоверно математически описанной эмпирическими функциями силы Fc и момента Мс сил сопротивлений поступательному и вращательному движениям инструмента в массиве.

3. Применение автоматизированных систем управления процессом бурения на данном этапе тормозится дороговизной, сложностью и ненадежностью их работы в условиях горных производств. Перспективно для этих целей использовать уникальные качества дифференциальных механизмов в сочетании с рациональными характеристиками двигателей ВПС, обеспечивающими автоматический выбор скорости V и усилия подачи Fo рабочего органа в зависимости от сопротивления движению его в массиве.

4. Рациональная структура и кинематика вращательно-подаю-щей системы ВПС дифференциального типа должна включать следующие взаимодействующие механизмы: конический дифференциал с передаточным отношением главной передачи Urn - 2 - 4; механизм вращателя ивр _ 2,5 - 15; механизм отбора мощности ' иро- 5 - 10 ; механизм управления Uy- 1-50 ; двигатель управления Пу-500-4000 мин-1; основной двигатель пд-750-ЗСЮ0 мин-1.

-

5. Для исходных данных проектирования БПС бурового станка: f - 2 - 10; 0 - 42 мм и рациональных параметров бурения: hp - 0 - 5 мм; Vp - 0 - 2,0 м/мин; F р - 4000 - 12000 Н, значения моментов двигателей изменяются в следующих пределах: основного - Мд - 3,25 - 248 Н м, управления - My - 0,1 - 20 Н м.

6. Достоверная математическая модель динамики НПО может быть представлена системой линейных дифференциальных уравнений относительно обобщенных скоростей ф вала основного двигателя и wy вала двигателя управления, причем при наложении условия на характеристику двигателя управления, «у- const, она сводится к уравнению относительно щ .

7. Наиболее значимые управляющие факторы f , sK , wy , My рациональные пределы изменения их для исследуемой системы следующие: f - 2 - 10 ; sK - 0,33 - 0,93 ; Uy - 160 - 190 ; My - 5 - 20 H м. В указанных пределах изменения управляющих факторов ВПО дифференциального типа с исходными данными, заданными выше ( см. п. 5), сохраняет свойство автоматического выбора скорости Vn и усилия Fo подачи.

8. Методика расчета и проектирования БПС дифференциального типа, программа и методика экспериментальных исследований стенда, а также другие материалы проектирования и испытания дифференциальных БПС приняты к использованию институтом ЦНИИПодзем-маш. .

Расчетный экономический эффект составляет 8.9 тыс. рублей в ценах 1988 года на единицу изделия.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бусыгин А. М., Вержанский А. П., Бикбаев А. А. Обоснование силовых параметров вращательно-подающей системы дифференциального типа для буровых станков — В сб.: Проблемы механизации и электрификации горных работ — М.: МГИ, 1991, с. 154—159.

2. Дмитриев В. Н., Бусыгин А. М. Кинематический анализ вращателыюподающей системы дифференциального типа.— В сб.: Проблемы механизации и электрификации горных работ. М.: МГИ, 1991, с. 160—164.

3. Дмитриев В. Н., Бусыгин А. М., Вержанский А. П. Динамическая модель вращательно-лодающей системы дифференциального типа для буровых станков. — В сб.: Проблемы механизации и электрификации горных работ. — М., МГИ, 1991, с. 30—35.

4. А. С. № 1814338 СССР/Дмитриев В. Н., Наумкин В. М„ Бусыгин А. М. — Опубл. в Б. И. № 42, 1991 г.

5. Бусыгин А. М. Дифференциальный механизм — основа системы автоматизированного регулирования движения рабочих органов буровых станков. Тезисы доклада «Неделя горняка». — М„ МГИ, 1994 г., с. 32.

Формат 60x90/16 Заказ № 820

'Подписано в печать 25.05.94

Объем 1 печ. л. Тираж 100 экз.

Типография МГГУ. Ленинский проспект, 6.