автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование конструктивных параметров и режимов работы бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний

На правах рукописи

Колесников Владимир Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ БУРИЛЬНОЙ ГОЛОВКИ С ВСТРОЕННЫМ ГЕНЕРАТОРОМ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

005541770

Тула-2013

005541770

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» (ТулГУ) на кафедре «Геотехнологий и строительства подземных сооружений»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

ПУШКАРЕВ Александр Евгеньевич

Официальные оппоненты:

ЛУКИЕНКО Леонид Викторович, доктор технических наук, профессор Новомосковский институт (филиал) ФГБОУ ВПО Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева/ кафедра «Техническая механика», заведующий кафедрой

ДЕМИИ Константин Вячеславович, кандидат технических наук, ОАО «Тулаоблгаз»/ производственно технический отдел, заместитель начальника

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Тульское научно-исследовательское геологическое предприятие» (ОАО «ТулНИГП»),

Защита диссертации состоится «27» декабря 2013 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина, 90, 6-й уч. корпус ауд

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные печатью организации, просим высылать по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92, Ученый совет ТулГУ, факс (4872)33-13-05, e-mail: toolart@mail.ni.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан «26 » ноября 2013 г.

Ученый секретарь _

диссертационного совета Копылов Андрей Борисович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На сегодняшний день рост городов, совершенствование их инфраструктур!,! повышают требования к ведению горных работ при устройстве тоннелей и прокладке инженерных коммуникаций в условиях небольших глубин, а также наличия на поверхности зданий и сооружений, обуславливают необходимость создания технических средств, обеспечивающих образование выработок с минимальным воздействием на окружающий массив. В значительной степени этим условиям отвечают машины реализующие технологию проходки выработок малого сечения методом горизонтально направленного бурения (ГНБ). При этом обеспечивается сохранение устойчивости и целостности вмещающих пород, комплект оборудования компактен и мобилен, не требуется значительных территорий, времени для подготовки, выполнения работы. В то же время эффективность работы породоразрушающего инструмента таких машин существенно зависит от прочности разрушаемых пород, что затрудняет их широкое использование. Нами была предложена конструкция бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний, которая реализует динамическое воздействие на массив с целью снижения нагрузок на инструменте. Однако отсутствие описания механизма функционирования встроенного генератора гидродинамических колебаний не позволяет обосновать его конструктивное исполнение и задать эффективные рабочие режимы. Кроме того, не установлены закономерности изменения показателей работы бурильной головки машины ГНБ с встроенным генератором гидродинамических колебании, что и определяет актуальность диссертации.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР и ОКР ТулГУ и Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов, а также при поддержке целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2010 гг.)» (per. номер 22.1.1/3942) и федеральной целевой программы «Научные и науою-гкдапогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (гос. контракт №П 1120).

Целью работы являлось установление новых и уточнение существующих закономерностей изменения показателей работы встроенного в бурильную головку генератора гидродинамических колебаний в зависимости от конструктивного исполнения и реализуемых гидравлических параметров бурения, обеспечивающих повышение эффективности разрушения горных пород.

Идея работы заключалась в том, что эффективное разрушение горных пород бурильной головкой достигается использованием в её конструкции встроенного генератора гидродинамических колебаний с конструктивными параметрами, заданными на основе установленных закономерностей работы.

В работе использован комплексный метод исследований, включающий научное обобщение и анализ основных результатов ранее выполненных теоретических и экспериментальных работ в области исследования гидродинамических излучателей, основанных на эффекте Польмана-Яновского; эксперимен-

тальные исследования работы генератора гидродинамических колебаний встроенного в бурильную головку машины ГНБ; обработку результатов экспериментов методами теории вероятности и математической статистики.

Научные положения, выносимые на защиту:

- работа встроенного генератора гидродинамических колебаний описывается математической моделью обтекания вибрационной пластины и формирования погружной струи рабочей жидкости, основанной на решении уравнения Навье-Стокса, второй теории турбулентности Прандтля и решении системы уравнений Толмена;

- амплитуда колебаний вибрационной пластины зависит от расстояния от выходного отверстия струеформирующей насадки до консольного конца пластины, причем существует расстояние, при котором амплитуда достигает максимальных значений, зависящих от вязкости рабочей жидкости, коэффициента расхода струеформирующей насадки и рабочего давления;

- максимальная эффективность работы бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний достигается при подаче рабочей жидкости под давлением, соответствующим резонансному режиму колебаний вибрационной пластины, которое для предложенной конструкции устройства составляет 1,8 МПа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель работы пластины встроенного генератора гидродинамических колебаний, основанная на решении уравнения Навье-Стокса с учетом полуэмпирической модели турбулентности, учитывающая особенности формирования набегающей струи рабочей жидкости, описанной на основе второй теории турбулентности Прандтля, с учетом безразмерных профилен скорости и показателя турбулентной вязкости;

- выявлено расстояния от выходного отверстия струеформирующей насадки до вибрационной пластины, при котором амплитуда колебаний достигает максимальных значений;

- получена расчетная формула для определения максимальной амплитуды колебании вибрационной пластины в зависимости от вязкости рабочей жидкости, коэффициента расхода струеформирующей насадки и рабочего давления позволяющая обосновать конструктивное исполнение инструмент и режимы' его раоогы;

- установлена эффективность использования генератора гидродинамических колебаний встроенного в конструкцию бурильной головки машины ГНБ выразившаяся в снижении нагрузок на инструменте;

- определено давление рабочей жидкости, вызывающее резонансные процессы во встроенном генераторе гидродинамических колебаний, при которых разрушение массива происходит с максимальным снижением нагрузок на инструменте и получена формула для расчета уровня снижения нагрузок в зависимости от давления рабочей жидкости и прочностных характеристик массива- разработан метод расчета параметров генератора гидродинамических

колебании, позволяющих встроить его в конструкцию бурильной головки ма-

шины ГНБ, рассчитать режимы работы и обосновать возможность расширения области применения серийно выпускаемых машин на более крепкие породы.

Достоверность научных положении, выводов и рекомендаций обеспечивается представительным объемом проведенных экспериментов; корректной обработкой экспериментальных данных методами теории вероятности и математической статистики и подтверждается удовлетворительной сходимостью расчетных величин с результатами экспериментов, полученными в условиях стенда и производственной площадки (средняя величина относительной погрешности не превышает 20 %).

Практическое значение работы:

- разработана оригинальная конструкция бурильной головки машины ГНБ с встроенным генератором гидродинамических колебаний, обеспечивающая расширение области применения серийно выпускаемых машин на более крепкие породы;

- разработана «Методика расчета геомегричееких параметров и режимов работы бурильной гатювки с встроенным генератором гидродинамических колебаний»;

- разработана прикладная программа для персональных компьютеров, позволяющая осуществить расчет геометрических параметров бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний, с учетом гидравлических параметров машины и физико-механических свойств массива.

Реализация работы. «Методика расчета геометрических параметров и режимов работы бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний» принята ООО «БЕЛРА-Центр» к использованию при проектировании машин ГИБ. Результаты исследований внедрены в учебные курсы «Горные машины и оборудование подземных выработок» и «Расчет и проектирование горных машин и комплексов» для студентов Тульского государственного университета, обучающихся по специальности «Горные машины и оборудование». Программное обеспечение используется при курсовом и дипломном проектировании. Конструкция разработанной бурильной головки машины ГНБ с встроенным генератором гидродинамических колебаний защищена патентом РФ на полезную модель.

Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные ее положения докладывались и получили одобрение: на VII Региональной молодежной научно-практической конференции Тульского государственного университета «Молодежные инновации» (г. Тула, 2013 г.); на Международной научно-практической конференции «Вопросы образования и науки в XXI веке» (г. Тамбов, 2013 г.); на V Международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (г. Орел, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей из них 3 в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 141 странице машинописного текста, содержит 49 рисунков, 29 таблиц, список использованной литературы из 109 наименований и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ результатов исследований, выполненных А.И. Бреннером А.Е. Пушкаревым. A.A. Рогачевым, В.В. Антоновым, Ю.В. Акимовым!

Головиным, Д.А. Ермолиным. М.М. Заннашевым, Рольф Даном, А.П. Рыбаковым, Н.В. Васильевым, В.М. Земсковым, Н.В. Краснолудским и другими учеными, позволяет сделать вывод о том, что одним из наиболее перспективных направлений развития проходки выработок малого сечения является технология горизонтально направленного бурения, обеспечивающая высокий уровень экологической безопасности ведения горных работ при устройстве тоннелей и прокладке инженерных коммуникаций в условиях небольших глубин и наличия на поверхности зданий и сооружений. При этом применение такой техники осложняется при наличии в массиве пород высокой крепости.

Перспективным направлением развития техники ГНБ является расширение области применения за счет реализации в конструкции бурильной головки динамического воздействия на массив, что по сравнению со статическим воздействием, позволяет существенно снизить нагрузки на инструменте.

Вопросами динамического воздействия на породы инструментом бурильных машин занимались В.А. Бреннер, А.Е. Пушкарев, Л.С. Ушаков, В.М. Зем-сков, Н.В. Краснолудский, И.С. Михельсон, Н.Б. Ромакин, Д.Н. Ромакин, H.A. Дзоз, Ю.А. Жулай, Н.Я. Кершеибаум, В.И. Минаев, Б.М. Ребрик и другие ученые. Нами была предложена конструкция бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний, основанная на эффекте Польмана-Яновского, исследованного в работах Ши-Го-Бао, Г.С. Назарова, А.Б. Рогова. Однако отсутствие описания механизма функционирования встроенного в бурильную головку генератора гидродинамических колебаний не позволяет обосновать его конструктивное исполнение и задать эффективные рабочие режимы. Кроме того не установлены закономерности изменения показателей работы бурильной головки машины ГНБ с встроенным генератором гидродинамических колебаний.

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

- разработать математическую модель процесса работы встроенного генератора гидродинамических колебаний с учетом особенностей течения рабочей жидкости и конструктивных параметров;

- установить влияние геометрических, гидравлических и режимных параметров на показатели работы встроенного генератора гидродинамических колебании;

- определить эффективность работы бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний;

- выявить рациональные геометрические и гидравлические параметры встроенного генератора гидродинамических колебаний;

- разработать методику расчета параметров генератора гидродинамических колебаний, позволяющих встроить его в конструкцию бурильной головки

машины ГИБ и обосновать возможность расширения области применения серийно выпускаемых машин на более крепкие породы.

Бурильная головка с встроенным генератором гидродинамических колебаний 1 с каналами 2 и соплами 3, управляющую поверхность 4 и переднюю поверхность 5. Внутри бурильной головки находится диск с входными струе-формирующими насадками 6, резонирующими элементами в виде пластин 7, консольно закрепленными в диске с выходными отверстиями 8, фиксирующими винтами 9, обжимным кольцом 10, штифтами 11, крепящимися к хвостовой части 12 и внутренним каналом 13 (рис, 1).

Рисунок 1- Бурильная головка с вироеняым генератором гидродинамических колебаний

Каждая резонирующая пластина находится напротив еоосной с ней сгру-еформирующей насадкой. При протекании промывочной жидкости через стру-еформирующую насадку и набегании на резонирующую пластину появляются возмущения жидкости, пульсирующая кавитационная область и, как следствие, возбуждения в резонирующих элементах изгибных колебаний (эффект Подьма-на-Яновского). Появившиеся вибрации передаются на бурильную головку, обеспечивая динамическое воздействие на массив.

Процесс разрушения массива бурильной головкой с встроенным генератором гидродинамических колебаний, с учетом присущих ему особенностей определяется следующими основными факторами:

- гидравлические параметры: расход промывочной жидкости <2, коэффициент расхода струсформирующей насадки кр, давление Р и вязкость ц\

- площадь поперечного сечения стру сформирующей насадки 5„;

- упругие свойства пластины - модуль упругости л;

~ геометрические размеры пластины (длина I, ширина Ь и толщина (5);

- расстояние пластины от насадки Ц

- физико-механические свойства разрушаемого массива - сопротивление материала уплотнению ¿>ут.

Е4 качестве основного критерия, характеризующего процесс разрушения массива бурильной головкой с встроенным генератором гидродинамических колебаний, было принято усилие подачи инструмента на массив Р„.

В основу математической модели встроенного генератора гидродинамических колебаний положена модель гидродинамического процесса при обтека-

V V Я £ ? 6 7 в 1 2

I А

а

НИИ пластинки излучателя, предложенная Роговым А.Б. Модель основана на решение уравнения Навье-Стокса с учетом гюлуимперической модели турбулентосш.

дХу

дг

-—- + 5„/ + дх,

ди, ди/ дХу дх,

2 ди> 2 >

где ¡ие£- - эффективная вязкость;

-ш-

д1

д( дх/

Ы]

(01ЧН)= ди, ди^ | 2

дх!

. дТ ц. дИ

Л-+ —--

дxj РгI дХ]

<4 2

+ ¿V +

рЗуК

+ (1

дк |

где Н - полная энтальпия;

- кинетической энергии турбулентности

д{рк) Ар»/к) д

д( дх,

ди, ди,

дх,

дк_

дГ,

дх,

дх,

ди, 21

• скорости диссипации кинетической энергии турбулентности

д(

дх,

дх,

дс )дх.

(1)

(2)

(3)

г . \

ди. ди,

и,

дх ■ дх, . \ J '

<)м, 2 ( диАдиг.

дх, )дхк

дх] 3

-рсЕ2£\,

где - турбулентная вязкость;

(4)

Модель позволяет обосновать конструкцию пластины и сделать прогноз характеристик колебательного процесса, в зависимости от свойств набегающей струи.

Для описания процесса формирования струи приняты следующие допущения: струя считается однородной погружной в среде равной плотности.

Модель формирования струи основана на второй теории турбулентности Прандтля. Безразмерные профили скорости в различных сечениях струи одинаковы:

—у = и/ет, (5)

Ь)

где Ь - толщина зоны смешения (для основного участка осесимметричной турбулентной струи равна ее радиусу).

Следовательно, коэффициент турбулентной вязкости д(и'

,2 ди , (1\2\и,п; ^

е = 1*— = Ьыту-^ = (6)

Ж

где ит - значения скорости потока по оси струи; к- эмпирическая постоянная теории.

Напряжение трения в рассматриваемой струе , ди ди

г = ркЬит~ = рЕ~- (7)

ау ду к '

Уравнение установившегося движения для двухмерного стационарного изобарического течения несжимаемой жидкости с учетом (7) имеет вид

ди ди д2и

дх ду к >

здесь и и V - скорости продольного и поперечного движения жидкости в струе. Баланс количества движения:

2лри\ус1х - 2пр—

дх

Г „ \

2 , , „ ди

I" У<Ь>

оэ

сЬс~2круе—с!х = 0 (9)

ду

Разделив (9) на 2ярусЬс, (переносимое ежесекундно количество движения поверхности с площадью 2 жусЬс) получим уравнение движения

1д У 2 , ди п гп,+ |м уЛу-е — = 0. (Ю)

уох^ ду

Закон изменения осевой скорости вдоль основного участка струи круглого сечения имеет вид (согласно условию сохранения суммарного количества движения вдоль оси струи) т

ит=— (11)

х

Учитывая, что вдоль любого прямолинейного луча, проведенного из полюса на основном участке турбулентной затопленной осесимметричной струи безразмерная скорость потока сохраняет постоянную величину:

И/и {Ус)

Из равенства (12) следует, что закон изменения скоростей основного участка струи круглого сечения можно записать в виде

« ="«!«/(£) (13)

где безразмерная ордината, 2Г У

4 = <т- (14)

х

Из (14) следует зависимость для продольной скорости

« = ™/(<?) (15)

Компоненты скорости в осесимметричном потоке можно выразить посредством функции потока у

у су ' у дх

Отсюда

4> =\иуф = тх\/(£)£ .

Введем обозначение = |/(<?)£ <1% и, следуя задаче Толмина, получим

а

1 ду _т У ду

у = __1

у дх

* 4

_ т 1

А' <7

(16)

Решая систему (16) с учетом уравнения (9) получим уравнение для средней продольной скорости в сечении, соответствующем расстоянию х от полюса основного участка струи

иСр —

1

+ \f2arctg

242

(17)

ГД<-" Игр ° безразмерная ордината граничного слоя струи.

Полное давление струи при встрече с препятствием можно найти из уравнения Бернулли

, 2

Оп П

(18)

А) "ср __

£о + Р

Для проверки адекватности разработанной модели, установления эффективности работы предложенного инструмента и выявления рациональных режимов работы выполнены экспериментальные исследования на специально разработанном стенде. В ходе экспериментов использовались струеформирую-щие насадки с различными профилями внутренних каналов (рис. 2), для которых определялись коэффициенты расхода каждой насадки и режим возникновения навигационных явлений.

Рисунок 2 - Струеформирующие насадки

№ Ь- № 6 - номера насадок

Анализ полученных графиков показал, что для насадок различных диаметров и конусности значение коэффициента расхода изменяется в широком диапазоне. Так для образца №. 1 его величина 0,72; для образца № 2 - 0,64; для образца № 3 - 0,8; для образца № 4 - 0,74; для образца № 5 - 0,7; для образца

№ 6 - 0,58. Это обусловлено геометрией и качеством поверхности внутреннего профиля насадок.

Кроме того, определялось влияние расстояния от выходного отверстия струеформирующей насадки до вибрационной пластины на амплитуду колебаний. Исследования проводились для всех насадок при давлении Р от 1,5 до 3 МПа; вязкости ц от 0,1 до 1,2 Па с.

Анализ полученных результатов показал, что с увеличением расстояния от выходного отверстия струеформирующей насадки до вибрационной пластины амплитуда сначала растет, достигая максимума при расстоянии ~ 15 мм, а затем уменьшается (рис. 4) для всех профилей струеформирующих насадок.

Аю^кн

Рисунок 4 - Графики амплитуды колебаний пластины встроенного генератора гидродинамических колебаний в зависимости от расстояния от выходного отверстия струеформирующей насадки до вибрационной пластины при у" 0,001 Па • с и Р = 3 МПа: № 1-- И» 6 - номера насадок

Для каждой серии экспериментов строилась аппроксимирующая кривая полиноминального вида четвертой степени, определялись точки экстремума функции А = /(£), соответствующие максимальному значению амплитуды.

Обработка массива экспериментальных данных позволила получки, расчетную формулу для определения максимальной амплитуды колебаний пластины в зависимости от коэффициента расхода, вязкости рабочей жидкости и давления-

А 1,48р0,49

Лтах ~ ехР к Ц г /) 9\

Индекс корреляции для данного выражения составил Я = 0,89. Критерий Фишера /•"' = 33,87. Критическое значение критерия Фишера для зависимости (19) при 5% уровне значимости Г005= 3,93, что подтверждает адекватность полученного выражения экспериментальным данным. Коэффициент вариации опытных данных относительно расчетных составил Ктр = 15 %, что указывает на удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных и

позволяет рекомендовать полученную формулу для расчета гидромониторной бурильной головки с встроенным гидродинамическим излучателем.

На основании результатов выполненных исследований был разработан экспериментальный образец бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний (рис. 5).

Рисунок 5 — Экспериментальный образец бурильной головки с шлроешшм генератором гидродинамических колебаний:

а - комплект деталей; б - в сборе

В ходе испытаний определялась работоспособность конструкции, а также режимы эффективной работы. Было установлено, что с ростом давления рабочей жидкости происходит уменьшение усилия подачи бурильной головки, которое достигает минимума при давлении, соответствующем резонансным явлениям во встроенном генераторе гидродинамических колебаний (рис. 6).

1

О 12 3 4-

Р. МПа

Рисунок 6 - графики 'зависимости усилия подачи Р„ от давления рабочей жидкости Р:

N°. 1, 2 - <?„„„ = 430 кПа; № 3, 4 - S„a = 250 кПа; № 5, 6 - д,ш = 180 жПа; _ - прямая промывка;

...____ - с встроенным генератором гидродинамических колебаний

Диапазон снижения усилия подачи Р„ с ростом давления рабочей жидкости находится в пределах от 1,1 до 1,4 для образцов с коэффициентом сопротивления уплотнению Sm, - 430 МПа и от 1,1 до 1,5 для образцов с дт = 250 МПа, г.е для более прочного массива эффект использования динами-

ческих колебаний для снижения нагрузки на бурильной головке менее выражен.

Следует отметить, что усилия Рп при механическом разрушении выше (в среднем в 1,5 раза) для всех серий экспериментов, чем при использовании гидромониторной бурильной головки с встроенным излучателем гидродинамических колебаний. Что подтверждает эффективность применения инструмента с встроенным генератором гидродинамических колебаний. Причем максимальное снижение усилия подачи наблюдается при давлении 1,8 МПа, соответствующем резонансному режиму работы встроенного генератора гидродинамических колебаний.

Кроме того, при прямой промывке усилия подачи так же выше чем при использовании гидродинамических колебаний (в среднем в 1,3 раза).

Обработка массива экспериментальных данных позволила получить расчетную формулу для определения коэффициента снижения нагрузок на инструменте в зависимости от давления рабочей жидкости и сопротивляемости массива уплотнению:

., _,,уп0,5 с—0,18 р(),37 сн дут И (20)

Индекс корреляции для данного выражения составил К = 0,89. Критерий Фишера Г = 11,26. Критическое значение критерия Фишера для зависимости (20) при 5% уровне значимости = 0,93, что подтверждает адекватность полученного выражения экспериментальным данным. Коэффициент вариации опытных данных относительно расчетных составил Кт/, = 15 %, что указывает на удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных и позволяет рекомендовать полученную формулу для расчета гидромониторной бурильной головки с встроенным гидродинамическим излучателем.

На основании результатов выполненных исследований была разработана «Методика расчета геометрических параметров и режимов работы бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний». Методика позволяет рассчитать геометрические параметры генератора гидродинамических колебаний и встроить его в конструкцию бурильной головки машины ГНБ. А также рассчитать режимы работы и обосновать возможность расширения области применения серийно выпускаемых машин на более крепкие породы. «Методика расчета геометрических параметров и режимов работы бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний» принята ООО «БЕЛРА-Центр» к использованию при проектировании машин ГНБ. Конструкция разработанной бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний защищена патентом РФ на полезную модель.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований установлены новые и уточнены существующие закономерности изменения показателей работы встроенного в бурильную головку генератора

гидродинамических колебаний, позволяющие обосновать его конструктивное исполнение и задать рабочие режимы, обеспечивающие снижение нагрузок на породоразрушающем инструменте и расширение области применения машин горизонтально направленного бурения, что имеет большое практическое значение для горной промышленности России.

Основные выводы, научные и практические результаты работы сводятся к следующему:

1. Разработана математическая модель работы пластины встроенного генератора гидродинамических колебаний, основанная на решении уравнения Навье-Стокса с учетом полуэмпирической модели турбулентности, учитывающая особенности формирования набегающей струи рабочей жидкости, описанной на основе второй теории турбулентности Прандтля, с учетом безразмерных профилей скорости и показателя турбулентной вязкости. Модель позволяет обосновать конструкцию пластины и сделать прогноз характеристик колебательного процесса, в зависимости от свойств набегающей струи.

2. Выявлено, что с увеличением расстояния от выходного отверстия стру-еформирующей насадки до вибрационной пластины амплитуда колебаний сначала растет, достигая максимума при расстоянии ~ 15 мм, а затем уменьшается для всех профилей струеформирующих насадок.

3. Получена расчетная формула для определения максимальной амплитуды колебаний пластины в зависимости от коэффициента расхода, вязкости рабочей жидкости и давления.

4. Установлено, что при увеличении давления рабочей жидкости, подаваемой на бурильную головку с встроенным генератором гидродинамических колебаний, усилие, действующее на инструмент при взаимодействии с массивом, снижается. Диапазон снижения усилия подачи с ростом давления рабочей жидкости находится в пределах от 1,1 до 1,4 для образцов породы с коэффициентом сопротивления уплотнению <5>л, = 430 MTIa и от 1,1 до 1,5 для образцов с <5= 250 МПа. Причем максимальное снижение усилия подачи наблюдается при давлении 1,8 МПа, соответствующем резонансному режиму работы встроенного генератора гидродинамических колебаний.

5. Получена расчетная формула для определения коэффициента снижения нагрузок на инструменте с встроенным генератором гидродинамических колебаний, в зависимости от давления рабочей жидкости и сопротивляемости массива уплотнению.

6. Разработана «Методика расчета геометрических параметров и режимов работы бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний». Методика позволяет рассчитать геометрические параметры генератора гидродинамических колебаний и встроить его в конструкцию бурильной головки машины ГНБ. А также, рассчитать режимы работы и обосновать возможность расширения области применения серийно выпускаемых машин на более крепкие породы. Показано, что при оснащении серийной машины Grundodrill 13Х Twin Drive с исходными данными (частота 130 об/мин, усилие подачи 125 кН, макс, крутящий момент 3300 Н-м) бурильной головкой с встро-

л

енным генератором гидродинамических колебаний, воспринимаемые машиной нагрузки меньше номинальной на 25 кН, т.е. машина может использоваться на пародах большей крепости, что расширяет область её применения.

7. «Методика расчета геометрических параметров и режимов работы бурильной головки с встроенным генератором пцфодинамических колебаний» принята ООО «БЕЛРА-Центр» к использованию при проектировании машин ГНБ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Колесников В.В., Лежебоков A.B., Пушкарев А.Е. Особенности конструкции гидромониторной бурильной головки// Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 4. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. с. 240-246.

2. Колесников В.В., Лежебоков A.B., Пушкарев А.Е. Эксприменные исследования характеристик насадок// Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 4. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013.С. 211 - 216.

3. Колесников В.В., Лебедев A.M., Лежебоков A.B., Пушкарев А.Е. Математическая модель формирования погружной высоконапорной струи// Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 4. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 246 -252.

4. Колесников В.В., Лежебоков A.B., Пушкарев А.Е. Экспериментальные исследования характеристик насадок гидродинамических излучателей/ Ударно-вибрационные системы, машины и технологии: материалы V международного научного симпозиум./ под ред. д-ра тен. наук, проф. Л.С.Ушакова. - Орел: Гос-университет-УНПК, 2013. С. 237 - 240.

5. Колесников В.В. Повышение эффективности работы породоразруша-ющего инструмента установки горизонтально направленного бурения/ VII региональная молодежная научно -пракшчежая юэнференщм Тульского государствешюго университета «Молодежные инновации»: сборник докладов/ под общей ред. д-ра техн. наук, проф. Е.А. Ядыкина: в 3 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. Ч. I. С. 144.

6. Колесников В.В., Лежебоков A.B., Пушкарев А.Е. Повышение эффективности работы породоразрушающего инструмента для машин ГИБ// Вопросы образования и науки в XXI веке: сборник научных трудов по материалам Международной наушо-гржшчбской конференции 29 апреля 2013 г.: в 11 частях. Часть 6; М-во обр. и науки РФ. Тамбов: И«-юТРОО«Бшнес-НаукаЮбщкшю», 2013. С. 57- 59.

7. Пат. № 2013135577 RU Гидромониторная бурильная головка / Качурин Н.М., Колесников В.В., Пушкарев А.Е. Уведомление о поступлении документов заявки 29.07.2013. Решение о выдачи патента 01.10.2013.

Изд. Л1щ. ЛР№ 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 25.11.2013.

Формат бумаги 70 х 100 1/16. Бумага офсетная.

Усл. печ. л 6,0. Уч.-изд. л. 5,1. Тираж 100 экз. Заказ 092.

Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп. Легаша, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп. Ленина, 95

У

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тульский государственный университет

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ БУРИЛЬНОЙ ГОЛОВКИ С ВСТРОЕННЫМ ГЕНЕРАТОРОМ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

05.05.06 - Горные машины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Пушкарев Александр Евгеньевич

Тула 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. СОСТОЯНИЕ, ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 9

1.1. Техника для реализации технологии бестраншейной

прокладки коммуникаций 9

1.2. Пути повышения эффективности работы породоразрушающего инструмента 25

1.3. Анализ технических решений в области бестраншейной

прокладки коммуникаций 34

1.4. Цель и задачи исследований 43

2. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 45

2.1. Факторы и показатели, определяющие и характеризующие процесс работы бурильной головки с встроенным генератор гидродинамических колебаний 45

2.2. Стендовое оборудование и методика проведения эксперимента 50

2.2.1. Стенд для исследования характеристик насадок 50

2.2.2. Стенд для исследований влияние расстояния от выходного отверстия струеформирующей насадки до незакрепленного конца вибрационной пластины на амплитуду колебаний 54

2.2.3. Стенд для определения эффективности работы бурильной

головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний 56

Выводы 63

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ РАБОТЫ ВСТРОЕННОГО ГЕНЕРАТОРА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ 64

Выводы_81

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ 83

4.1. Экспериментальные исследования характеристик насадок 83

4.2. Экспериментальные исследования влияние расстояния от выходного отверстия струеформирующей насадки до вибрационной

пластины на амплитуду колебания 85

4.3. Экспериментальные исследования эффективности работы бурильной головки с встроенным генератором

гидродинамических колебаний 114

Выводы 119

5. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ БУРИЛЬНОЙ ГОЛОВКИ С ВСТРОЕННЫМ ГЕНЕРАТОРОМ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ 121

5.1. Методика расчета геометрических параметров бурильной

головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний 122

5.2. Методика расчета режима работы бурильной головки с

встроенным генератором гидродинамических колебаний 129

5.3. Пример расчета бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний для установки с заданными

техническими характеристиками 13 3

Выводы 139

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 140

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 142

Приложение 1. Акт внедрения 152

Приложение 2. Патент на полезную модель 153

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день рост городов и совершенствование их инфраструктуры повышают требования к ведению горных работ при устройстве тоннелей и прокладке инженерных коммуникаций в условиях небольших глубин и наличия на поверхности зданий и сооружений, обуславливают необходимость создания технических средств, обеспечивающих образование выработок с минимальным воздействием на окружающий массив. В значительной степени этим условиям отвечают машины реализующие технологию проходки выработок малого сечения методом горизонтально направленного бурения (ГНБ). При этом обеспечивается сохранение устойчивости и целостности вмещающих пород, комплект оборудования компактен и мобилен, не требуется значительных территорий и времени для подготовки и выполнения работы. В то же время эффективность работы породо-разрушающего инструмента таких машин существенно зависит от прочности разрушаемых пород, что затрудняет их широкое использование. Была предложена конструкция бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний, которая реализует динамическое воздействие на массив с целью снижения нагрузок на инструменте. Однако отсутствие описания механизма функционирования встроенного генератора гидродинамических колебаний не позволяет обосновать его конструктивное исполнение и задать эффективные рабочие режимы. Кроме того не установлены закономерности изменения показателей работы бурильной головки машины ГНБ с встроенным генератором гидродинамических колебаний, что и определяет актуальность диссертации.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР и ОКР ТулГУ и Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов, а также при поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2010 гг.)» (per. номер 2.2.1.1/3942) и федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (гос. контракт № П1120).

Целью работы являлось установление новых и уточнение существующих закономерностей изменения показателей работы встроенного в бурильную головку генератора гидродинамических колебаний в зависимости от конструктивного исполнения и реализуемых гидравлических параметров бурения, обеспечивающих повышение эффективности разрушения горных пород.

Идея работы заключалась в том, что эффективное разрушение горных пород бурильной головкой достигается использованием в её конструкции встроенного генератора гидродинамических колебаний с конструктивными параметрами, заданными на основе установленных закономерностей работы.

В работе использован комплексный метод исследований, включающий научное обобщение и анализ основных результатов ранее выполненных теоретических и экспериментальных работ в области исследования гидродинамических излучателей, основанных на эффекте Польмана-Яновского; экспериментальные исследования работы генератора гидродинамических колебаний, встроенного в бурильную головку машины ГНБ; обработку результатов экспериментов методами теории вероятности и математической статистики.

Научные положения, выносимые на защиту:

- работа встроенного генератора гидродинамических колебаний описывается математической моделью обтекания вибрационной пластины и формирования погружной струи рабочей жидкости, основанной на решении уравнения Навье-Стокса, второй теории турбулентности Прандтля и решении системы уравнений Толмена;

- амплитуда колебаний вибрационной пластины зависит от расстояния от выходного отверстия струеформирующей насадки до консольного конца пластины, причем существует расстояние, при котором амплитуда достигает максимальных значений, зависящих от вязкости рабочей жидкости, коэффициента расхода струеформирующей насадки и рабочего давлении;

- максимальная эффективность работы бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний достигается при подаче рабочей жидкости под давлением, соответствующим резонансному режиму колебаний вибра-

ционной пластины, которое для предложенной конструкции устройства составляет 1,8 МПа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель работы пластины встроенного генератора гидродинамических колебаний, основанная на решении уравнения Навье-Стокса с учетом полуэмпирической модели турбулентности, учитывающая особенности формирования набегающей струи рабочей жидкости, описанной на основе второй теории турбулентности Прандтля, с учетом безразмерных профилей скорости и показателя турбулентной вязкости;

- выявлено расстояния от выходного отверстия струеформирующей насадки до вибрационной пластины, при котором амплитуда колебаний достигает максимальных значений;

- получена расчетная формула для определения максимальной амплитуды колебаний вибрационной пластины в зависимости от вязкости рабочей жидкости, коэффициента расхода струеформирующей насадки и рабочего давления, позволяющая обосновать конструктивное исполнение инструмента и режимы его работы;

- установлена эффективность использования генератора гидродинамических колебаний встроенного в конструкцию бурильной головки машины ГНБ, выразившаяся в снижении нагрузок на инструменте;

- определено давление рабочей жидкости, вызывающее резонансные процессы во встроенном генераторе гидродинамических колебаний, при которых разрушение массива происходит с максимальным снижением нагрузок на инструменте и получена формула для расчета уровня снижения нагрузок в зависимости от давления рабочей жидкости и прочностных характеристик массива;

- разработан метод расчета параметров генератора гидродинамических колебаний, позволяющих встроить его в конструкцию бурильной головки машины ГНБ, рассчитать режимы работы и обосновать возможность расширения области применения серийно выпускаемых машин на более крепкие породы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается представительным объемом проведенных экспериментов; корректной обработкой экспериментальных данных методами теории вероятности и математической статистики и подтверждается удовлетворительной сходимостью расчетных величин с результатами экспериментов, полученными в условиях стенда и производственной площадки (средняя величина относительной погрешности не превышает 20 %).

Практическое значение работы:

- разработана оригинальная конструкция бурильной головки машины ГНБ с встроенным генератором гидродинамических колебаний, обеспечивающая расширение области применения серийно выпускаемых машин на более крепкие породы;

- разработана «Методика расчета геометрических параметров и режимов работы бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний»;

- разработана прикладная программа для персональных компьютеров, позволяющая осуществить расчет геометрических параметров бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний, с учетом гидравлических параметров машины и физико-механических свойств массива.

Реализация работы. «Методика расчета геометрических параметров и режимов работы бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колебаний» принята ООО «БЕЛРА-Центр» к использованию при проектировании машин ГНБ. Кроме того результаты исследований внедрены в учебные курсы «Горные машины и оборудование подземных выработок» и «Расчет и проектирование горных машин и комплексов» для студентов Тульского государственного университета (ТулГУ), обучающихся по специальности 150402 «Горные машины и оборудование». Программное обеспечение используется при курсовом и дипломном проектировании. Конструкция разработанной бурильной головки машины ГНБ с встроенным генератором гидродинамических колебаний защищена патентом РФ на полезную модель.

Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные ее положения докладывались и получили одобрение: на VII Региональной молодежной научно-практической конференции Тульского государственного университета «Молодежные инновации» (г. Тула, 2013 г.); на Международной научно-практической конференции «Вопросы образования и науки в XXI веке» (г. Тамбов, 2013 г.); на V Международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (г. Орел, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей из них 3 в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 141 странице машинописного текста, содержит 49 рисунков, 29 таблиц, список использованной литературы из 109 наименований и 2 приложения.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.2. Техника для реализации технологии бестраншейной прокладки

коммуникаций

Анализ технологий бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций позволил условно классифицировать их на технологию прокола и горизонтально направленного бурения. Статическим проколом называют способ бестраншейной прокладки коммуникаций, основанный на способности грунта вытесняться и уплотняться вокруг скважины, в радиальном направлении в грунтовом массиве, под действием вдавливания в него штанги с рабочим наконечником, а на заключительном этапе конического расширителя с трубопроводом. Продавливание штанги осуществляется за счет гидродомкратов, винтовых домкратов, канатного полиспаста и сопровождается трением о внешнюю поверхность штанги и рабочего наконечника, в результате чего происходит изменение пористости грунта [1].

Данный метод используется в глинистых, суглинистых и песчаных грунтах I - IV категории независимо от его влажности. Применяется для прокладки труб малых и средних диаметров от 40 до 500 мм, длиной до 60-80 метров. Глубина заложения трубопровода от дневной поверхности должна быть не менее пяти диаметров трубопровода. Различают управляемый и не управляемый прокол. Во втором случае используется передатчик и приемное устройство [1]. Система управления пилотного става (рис. 1.1.) состоит из: находящейся в ставе системы локации, механизма поворота пилотного става и конструктивных особенностей формы рабочего наконечника.

Для управляемого прокола часто используется наконечник со скосом рабочей поверхности. Для неуправляемого используют наконечник в виде конуса. Скос на боковой поверхности пилотного става служит для изменения направления движения, когда при вдавливании в массив инструмент откланяется в направлении, противоположном скосу.

Рис. 1.1. Пилотный став:

1 - став; 2 - система локации; 3 - рабочий наконечник

В зависимости от свойств грунтов применяются различные типы пилотных наконечников. Для слабых грунтов используются наиболее удлиненные, что обуславливает лучшую управляемость.

Установка управляемого прокола состоит из следующих узлов:

- домкратная станция;

- маслостанции;

- буровой инструмент (пилотная головка, штанги, расширитель);

- система локации.

Для начала работы установки сооружают стартовый и приемный котлованы.

Одним из важнейших элементов установки является домкратная станция, она позволяет вдавливать в массив пилотный став, а также работать расширителю при увеличении диаметра скважины. Она состоит из одного или нескольких гидроцилиндров, в зависимости от мощности установки, установленных на раме. Концы рамы распираются в упорные стенки котлована.

Длина штанги до 4 м, продвижение осуществляется циклически путем попеременного переключения домкратов на прямой и обратный ход. При прямом ходе труба вдавливается в грунт на длину хода штока домкрата. После возврата штока присоединяется новая штанга, и повторяют цикл вдавливания, пока не произведут прокол требуемой длины.

Данный тип прокола получил широкое распространение. Производят установки большой круг производителей, как на территории России, так и за рубежом: ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» Тула, ЗАО «Энерпром-Инжиниринг» Москва, ООО «Опытно механический завод» и ООО «Михневский ремонтно-механический завод» Санкт-Петербург, НПЦ «Экопром» Истра, Ditch Witch США, Warrior США и Великобритании.

Установка неуправляемого прокола ПУ-1 "Игла", (рис. 1.2) производства ООО «Михневский ремонтно-механический завод - Санкт-Петербург» используется при прокладке труб водоснабжения, канализации и газификации населенных пунктов, при прокладке оптико-волоконных сетей и иных инженерных коммуникаций.

Рис. 1.2. Установка неуправляемого прокола ПУ-1 "Игла"

Работает установка от гидростанции или гидросистемы трактора мощностью не менее 60 л.с. Рабочий котлован для установки должен быть прямоугольной формы размерами 1м х 4м. Погрузка и выгрузка осуществляется с помощью грузоподъемного устройства. Установка происходит за счет винтовых опор и распирается за счет переднего и заднего щита. Технические характеристики установки представлены в таблице 1.1 [2].

Таблица 1.1

Технические характеристики установки ПУ-1 "Игла"

Технические характеристики Значения

Длина, мм, мин 3800

Ширина, мм 450

Высота, мм 750

Длина прокола макс., м 55

Диаметр прокола, мм, макс 250

Скорость прокола, не менее, м/мин 0,5

Количество штанг в комплекте, шт 30

Диаметр штанг, мм 56

Установка управляемого прокола Ditch Witch Р80 (рис. 1.3.) - одна из распространенных установок для бестраншейной прокладки коммуникаций, пользуется большим спросом в России.

Рис. 1.3. Установка управляемого прокола Р80 Ditch Witch

Применяется для выполнения подземной прокладки бестраншейным способом труб под воду, газ и кабели различного назначения с высокой экономической эффективностью.

Отличительные особенности данной установки: компактный, недорогой, мощный, лёгкий в транспортировке, вращающийся шток позволяет контролировать направление, полная защита от поражения электрическим током.

Установка работает управляемо из котлована в котлован �