автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование рациональных режимов работы станка шарошечного бурения с наддолотным ударником для условий ОАО "Апатит"

I ггз.:^:] I

На правахрук&Ниеи

ЛУКАШОВ Кирилл Александрович

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СТАНКА ШАРОШЕЧНОГО БУРЕНИЯ С НАДДОЛОТНЫМ УДАРНИКОМ ДЛЯ УСЛОВИЙ ОАО «АПАТИТ»

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2004

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научныйруководитель -

доктор технических наук, доцент

Д.А.Юнгмейстер

Официальныеоппоненты:

Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Л.К.Горшков,

кандидат технических наук

И.А.Шелепанов

Ведущеепредприятие - ООО «ОМЗ - Горное оборудование и технологии».

Защита диссертации состоится 28 декабря 2004 г. в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд., ауд.7217.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 22 ноября 2004 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д.т.н., профессор / СЛ.ИВАНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одним из основных технологических процессов открытой добычи полезного ископаемого в настоящее время продолжает оставаться бурение взрывных скважин самоходными буровыми станками. Наибольшее распространение в мире на открытых работах получил шарошечный способ бурения. На горных предприятиях стран СНГ наиболее широко используются шарошечные буровые станки СБШ - 250.

Несмотря на значительный опыт производства и эксплуатации машин данного типоразмера, отечественные станки отстают от мирового уровня развития буровой техники. Главным преимуществом отечественных станков остается их относительно невысокая стоимость в сравнении с зарубежными аналогами. Поэтому большой интерес представляет разработка технических средств, позволяющих повысить производительность отечественных станков шарошечного бурения при сохранении стойкости породоразрушающего инструмента и снижении вибрации бурового става.

Известны различные способы повышения производительности станков шарошечного брения: использование комбинированного породоразрушающего инструмента; новых высокотехнологичных шарошечных долот; применение магнитострикционных генераторов, устанавливаемых над шарошечным долотом, и другие.

Среди технических средств, снижающих вибрацию бурового става, наибольший интерес представляют пневмогидравлические амортизаторы, устанавливаемые между опорным блоком и первой штангой станка СБШ.

Интенсификация процесса шарошечного бурения возможна так же путем наложения дополнительной ударной нагрузки на долото с помощью наддолотного пневмоударника. При этом существует необходимость проведения исследований вибрационных характеристик и выбора режимов работы станка для конкретных горногеологических условий, при которых возможно увеличение механической скорости бурения без снижения стойкости долота.

Повышение скорости бурения станком СБШ - 250 путем использования наддолотных пневмоударников, позволит снизить себестоимость бурения, а следовательно, и необходимость покупки и использования дорогостоящей импортной техники.

Целью работы является обоснование значений параметров ударной системы и вибрационных режимов бурового става станка шарошечного бурения с наддолотным ударником для выбора рационального режима его работы в условиях ОАО «Апатит».

Идея работы: повышение скорости бурения скважин станком шарошечного бурения путем использования дополнительной динамической нагрузки на долото.

Основные задачи исследований:

1. Разработка механико-математической модели продольных колебаний бурового става станка шарошечного бурения (типа СБШ).

2. Проведение экспериментальных исследований совместного влияния осевой нагрузки, частоты вращения долота и дополнительной ударной нагрузки, на механическую скорость бурения скважины станком СБШ - 250 МНА32 и стойкость долота.

3. Экспериментальные исследования вибрации базового станка СБШ-250 МНА32 и станка с дополнительным наддолотным ударником.

4. Разработка рекомендаций по совершенствованию конструкций наддолотных ударников для станка СБШ и обоснований выбора режимов их работы.

Методы исследований

При решении поставленных задач использовался комплексный метод исследований, включающий:

- математическое моделирование колебательных процессов бурового става;

- теоретические и экспериментальные исследования влияния основных режимных параметров на механическую скорость бурения;

- экспериментальные исследования вибрационных режимов работы бурового става станка шарошечного бурения;

- компьютерную обработку и анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Защищаемые научные положения 1. Колебательная система бурового става дискретно изменяемой длины при взаимодействии шарошечного долота с забоем скважины представлена механико-математической моделью с распределенными параметрами, обеспечивающей определение частоты собственных продольных колебаний системы в функции ее демпфи-

рующих свойств, глубины скважины и геометрических характеристик става станка шарошечного бурения с пневмогидравлическим амортизатором.

2. Механическая скорость бурения скважин в породах средней крепости станком шарошечного бурения с наддолотным ударником прямо пропорциональна величине осевой нагрузки, частотам вращения долота и дополнительной ударной нагрузки и описывается нелинейным уравнением с постоянными коэффициентами, применимым при изменении значений технологических параметров в интервалах, рекомендуемых при бурении скважин в породах рассматриваемой крепости.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, разработанных в диссертации, подтверждается использованием апробированных математических методов, фундаментальных положений по динамике машин, удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований и экспериментальных исследований в условиях Кировского и Восточного рудников ОАО «Апатит».

Научная новизна диссертационной работы заключается:

в установлении зависимости механической скорости бурения скважины станком шарошечного бурения с наддолотным ударником от основных режимных параметров и частоты нанесения ударов по долоту при работе по апатито-нефелиновым рудам;

в установлении зависимости резонансных частот колебаний бурового става от демпфирующих параметров колебательной системы, глубины бурения и геометрических характеристик става.

Практическая ценность:

- разработана методика испытания в производственных условиях модернизированных станков шарошечного бурения, определения их основных эксплуатационных параметров и выбора рациональных режимов их работы;

- даны рекомендации по модернизации конструкций наддо-лотных пневмоударников для станков шарошечного бурения;

- разработан комплект прикладных программ для построения спектральных характеристик вибрационных режимов бурового става станка шарошечного бурения по экспериментальным данным, полученным с использованием виброизмерительной аппаратуры SVAN.

Реализация результатов работы

Рекомендации по совершенствованию конструкций и режимов работы бурового оборудования для повышения скорости бурения и стойкости породоразрушающего инструмента приняты к использованию ООО «ОМЗ - Горное оборудование и технологии».

Опытный образец модернизированного наддолотного пнев-моударника используется при бурении взрывных скважин станком СБШ 250 МНА-32 в ОАО «Апатит».

Личный вклад автора:

- разработка методики и проведение экспериментов с целью получения регрессионной модели, описывающей зависимость механической скорости бурения скважин станком СБШ-250 МНА32 с наддолотным ударником от величины осевой нагрузки, частоты вращения долота и дополнительной ударной нагрузки;

- разработка механико-математических моделей, описывающих виброустойчивость и процесс продольных колебаний бурового става станка шарошечного бурения;

- разработка методики и проведение рудничных испытаний с целью измерения и последующего анализа параметров вибрации на станке СБШ-250 МНА32 с наддолотным ударником и без него.

Апробация работы

Результаты работы обсуждались на семинаре в ОАО «ЦГМ «Ижорские заводы» (2002); на Международном семинаре «Ударные, вибрационные машины», Орел, ОрелГТУ, (21-22.10 03); на кафедре "Горные машины и оборудование" МГГУ на конференции «Неделя горняка» 28.01.04; межкафедральных семинарах ГЭМФ СПГГИ (2002,2003,2004).

Публикации

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 5 статьях и тезисах докладов, по теме диссертации получены 2 патента РФ.

Структура и объем работы

Во введении дается общая характеристика работы.

В главе 1 приведен анализ результатов исследований влияния основных режимных параметров на механическую скорость бурения и вибрацию станков типа СБШ, а также технических средств снижения вибрации буровых станков.

В главе 2 даны результаты математического моделирования колебательных процессов в буровом ставе станка СБШ.

6

В главе 3 содержатся описание рудничных испытаний над-долотных пневмоударников и обработка результатов многофакторного эксперимента.

В заключении приводятся общие выводы и рекомендации.

Автор выражает искреннюю благодарность профессорам СПбГГИ (ТУ) Ветюкову М.М., Габову В.В., Кулешову А.А., Тимофееву И.П. за консультации при работе над диссертацией.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Колебательная система бурового става дискретно изменяемой длины при взаимодействии шарошечного долота с забоем скважины представлена механико-математической моделью с распределенными параметрами, обеспечивающей определение частоты собственных продольных колебаний системы в функции ее демпфирующих свойств, глубины скважины и геометрических характеристик става станка шарошечного бурения с пневмогидравлическим амортизатором.

В настоящее время, в связи с широким распространением станков СБШ 250 на карьерах РФ, все больше возрастает интерес в снижении вибрации бурового става и интенсификации шарошечного бурения различными техническими средствами.

Одним из самых существенных факторов, ограничивающих выбор режимов бурения, является вибрация бурового става и всего станка в целом. Основной причиной вредных вибраций, сопровождающих работу станков шарошечного бурения и уменьшающих срок службы его узлов, а также существенно осложняющих условия работы операторов станков, являются низкочастотные продольные колебания бурового става, которые возникают при работе шарошечного долота. В спектре частот таких колебаний превалирует утроенная (по числу шарошек долота) угловая частота вращения бурового става.

Снижение вибрации бурового става возможно при использовании пневмогидравлических амортизаторов, устанавливаемых между опорным блоком станка СБШ и первой штангой. Для бурового става длиной 8 - 32 м использование пневмогидравлического амортизатора позволяет снизить продольные колебания, но в то же время сдвигает значение первого резонанса собственной частоты колебаний в зону рабочих частот. Совпадение собственной частоты буро-

х< И

I'

им

вого става с его рабочей частотой приведет к возникновению резонанса и выходу из строя бурового оборудования. Поэтому возникает необходимость проведения расчета связанного с оценкой первых собственных частот бурового става совместно с вращателем с учетом дополнительного пневмогидравлического амортизатора.

В работе рассмотрен расчет продольных колебаний бурового става как стержня с распределенными параметрами с учетом дополнительного пневмогидравлического амортизатора, предложенного проф. Э.А Загривным, для снижения вибрации верхней части бурового става.

Продольные колебания бурового става который схематизируется од-

нородным стержнем длины с постоянным сечением площади S. Влияние амортизатора на верхнем конце бурового става учитывается вязко-упругим элементом с жесткостью с и коэффициентом вязкого сопротивления в (рис.1). Верхняя масса т - масса вращателя и редуктора станка, Л^ - ее координата. Продольные смещения и координату отсчитываем от положения статического равновесия системы при определенной статической осевой нагрузке. На нижнем конце х - О заданы переменные гармонические смещения, вызываемые неровностями забоя или другими динамическими факторами:

U(0) = asmpt. (1)

Распространение продольных колебаний вдоль стержня описывается волновым уравнением:

(2)

где - скорость распространения продольной волны, - мо-

дуль Юнга и плотность материала стержня. Для решения уравнения (2) следует, помимо условия (1), записать граничное условие на верхнем конце стержня: х = -6. Здесь, согласно закону Гука, имеем

(Г

Рис. 1. Динамическая модель бурового става с пневмогидравлическим амортизатором

.Р = 5Еех, где Р - сила, с которой на верхний конец действуют упругий и вязкий элементы, Р = С(.У] — и(£)) + в^ — 0{€)),

ех = —— - продольная деформация на верхнем конце. Таким образом, вторым граничным условием будет:

К этому следует добавить уравнение колебаний верхней мас-

сы:

гас, =-с{хх -Щ£))-в(:с, -Ú(£)).

Решая уравнение (2) методом разделения переменных, в конечном итоге получаем уравнение для амплитуды колебаний верхней массы

Производные l/(l) и ú>'(l) можно преобразовать к виду: t/(l) = c(csinV + £vcosv)+ fi2v(k2 cosv- vsin v)],

a'i^-^^S + ec).

(3)

(4)

где

k2 =

E-S-Í

та2

Я с

Е- 1-

£ V

v = p-

l

a,

с a,

np ) l

A = (Sv eos v + с sin vf + ц2 (k2 cos v - v sin vf.

Из этих формул видно, что амплитуда Ax¡ пропорциональна

амплитуде а колебаний нижнего конца стержня, поэтому можно

А

ввести коэффициент динамичности верхней массы r¡ =—

На рис. 2 показаны значения коэффициента Т/ в зависимости от частоты внешнего воздействия ру, выраженной в герцах рх = р12я , для става длинной { = 8 м при значении жесткости верхнего амортизатора С = 1,47-10б#/л<. Остальные параметры соответствуют характеристикам бурового става станка СБШ - 250:

Е = \9,6Л0*МПа, 5 = 1,13-1(Г2л<2, те*3-103кг, а, »5-103л*/с.

Из рис. 2 видно, что первая резонансная частота достаточно мала и составляет около 2,5 Гц. Это несколько меньше рабочей частоты которая при вращении шарошечного долота с частотой около 100 об/мин составляет 5 - 6 Гц. Расчет по тем же формулам коэффициента динамичности при отсутствии амортизатора, когда , дает значения частоты первого резонанса 47 Гц для става длиной 8 м и 31 Гц для става длиной 16 м.

Таким образом, действие дополнительного амортизатора существенно снижает первую собственную частоту и переводит систему в дорезонансный режим. Надо отметить также, что резонансные значения величины Т] на рис. 2 не велики, особенно для второго и последующих резонансов, что объясняется достаточно большим вязким сопротивлением демпфера.

Учет жесткости системы подачи усложняет механическую модель бурового става. На рис. 3 буровой став схематизирован в виде двухмассовой системы. Нижняя часть, то есть штанга с долотом, заменена одномассовой системой массы т и жесткость С/> последняя представляет продольную жесткость однородного стержня, С, = ЕЗI £. При наличии промежуточного демпфера С/ фактически

Рис. 2. АЧХ продольных колебаний бурового става длиной 8 м с пневмогидравлическим амортизатором

т

/■Упо/

Рис. 3. Динамическая модель бурового става, учитывающая жесткость тросов подачи

кости канатов равна:

А = р~.

т

представляет его жесткость, которая существенно меньше предыдущей. Верхняя часть (»?/) соединена через упругий элемент С2 с рамой и кабиной станка, массу последних. Жесткость - эквивалентная жесткость тросов системы подачи. Эта задача отличается от классической задачи о динамическом гасителе колебаний другой последовательностью упругих элементов.

В результате расчетов по модели (рис. 3), амплитуда колебаний бурового става с учетом жест-

„2

Рз -Р

рА-2п2р2+к*'

(5)

где ¥ - внешняя сила; т - масса става; р - внешнее возму-

щение; к

; п-

тт. V 2т, 2т

Чтобы записать это равенство в безразмерном виде, не содержащем внешней силы ¥, введен коэффициент динамичности

Зависимость (6) для 7] от частоты внешней силы р в герцах приведена на рис. 4 для рассмотренного ранее бурового става с длиной £ = 8м, но без промежуточного демпфера.

Из рис. 4 следует, что частота первого резонанса р1!2я = 6,4 Гц попадает в диапазон низкочастотных рабочих частот возмущения (6-10 Гц), а антирезонанс наступает на частоте р3/2ж = 49 Гц.

10 20 30 40 SO (О 70 80 90 100 110 120

P

Рис. 4. АЧХ продольных колебаний бурового става длиной 8 м с учетом жесткость канатов подачи

Здесь можно предложить два способа смещения частоты первого резонанса от названного низкочастотного диапазона. Первый заключается в использовании дополнительного упругого амортизатора между вращателем и буровым ставом с малой жесткостью. При использовании такого амортизатора первая резонансная частота сме-

щается в зону низких частот, и система переходит в дорезонансный режим.

Второй способ, наоборот, заключается в существенном увеличении жесткости тросов системы подачи. Результаты расчета, проведенного для системы с утроенной жесткостью канатов, дают основание утверждать, что при данном способе система переводит в зарезонансный режим, и первая резонансная частота составит 12 Гц.

Для подтверждения результатов расчетов по предложенным моделям на Восточном руднике ОАО «Апатит» были проведены замеры амплитуды продольных колебаний верхнего конца бурового става станка СБШ 250 МНА-32.

Рис. 5. АЧХ продольных колебаний верхнего конца бурового става, возникающих при бурении скважин станком СБШ 250 МНА-32 12

Для замеров использовалась виброизмерительная аппаратура фирмы «ВАСТ» (сборщик данных СД12). Датчик - вибропреобразователь АП-57 был установлен на опорном узле вращателя бурового става. Результаты экспериментальных исследований параметров вибрации бурового става показали наличие всплесков амплитуды продольных колебаний на частотах близких к 6 Гц и 45 Гц (рис. 5).

Снижение вибрации бурового става при использовании пневмогидравлических амортизаторов позволяет увеличить механическую скорость бурения форсированием основных режимных параметров. Однако необходимо учитывать, что наряду с продольными вибрациями бурового става существенно осложнить работу станков могут поперечные вибрации става, источником которых может быть либо неуравновешенность вращающегося вала, либо потеря его продольной устойчивости вследствие одновременного действия значительной сжимающей продольной силы и центробежных сил.

Эта проблема особенно актуальна при работе бурового оборудования - бурового става или колонны бурильных труб. Анализ литературных источников показал, что обычно расчет устойчивости бурового става производится при упрощенных граничных условиях, когда верхняя и нижняя опоры предполагаются шарнирными. Такая постановка задачи существенно упрощает решение, но и вносит значительную погрешность.

В диссертационной работе буровой став станка шарошечного бурения рассмотрен, как вращающийся вал сжатый продольной

силой Р. Направляющие, в которых перемещается верхняя часть става при углублении скважины, обеспечивают на верхнем конце опору в виде подвижной заделки. Опора нижнего конца, где находится шарошечное долото, принята при исследовании устойчивости прямолинейной формы вала, как неподвижный шарнир. Дифференциальное уравнение изогнутой оси имеет вид:

где ш - угловая скорость, и(х) - поперечные смещения вала при потери устойчивости, Е - модуль Юнга, J- поперечный момент инерции сечения, т - погонная масса вала. Последнее слагаемое в этом уравнении представляет распределенную нагрузку от действия центробежных сил, возникающих при вращении вала. Прямолинейной форме вала (до потери устойчивости) соответствует решение и = 0.

При потере устойчивости решение (7) имеет в экспоненциальной форме и = С-еЪг. Подставляя его в (7), приходим к биквадратному

характеристическому уравнению для показателя к.

Г.4 , 1,2 />4

к +а к ~Р = 0,

(8)

где введенные обозначения

2 Р

сг =-

р = и ®

Ю ' Ш

Наружный и внутренний диаметры бурового става станка СБШ 250 МНА-32 - D = 0,2 м и 6 = 0,16 м, модуль упругости Е= 19,6 -10*МПа, плотность /7=7,8 •103кг/м3, площадь поперечного сечения ^ = Л"(£2-¿2)/4 = 1,13-Ю"2 Ш = рР = 88,1 кг/м, момент инерции

М2,

погонная

Из (8) получаем уравнение для критических режимных параметров при потере устойчивости

В первом предельном случае, когда (X = 0 (продольная сила Р отсутствует), при рассмотренных выше численных данных находим соответствующие значения критической угловой скорости бурового става: для I = 8 м критическая угловая скорость (Окр = 77,4

рад/с; для

рад/с. Следует отметить, что последнее значение весьма близко к рабочей угловой скорости (при п = 100 об/мин, (О = 10,5 рад/с). Таким образом, увеличение частоты вращения бурового става длинной = 24 м выше значения п = 81 об/мин приводит к потере его устойчивости.

В другом предельном случае, когда = 0 (отсутствует вращение), получим: при длине става = 8 м осевая нагрузка

Ркр =2,86-106 Н (292 т); ( = 16 м - Ркр=13 т; ¿ = 24 м -=32,4 т.

На рис. 6 представлены зависимости устойчивости бурового става от скорости вращения и осевой нагрузки при различной длине бурового става, построенные по уравнению (9).

Ркр,МН

О 20 40 60 80

—•—/ = 8м —*-1 = 16м —/ = 24м

Рис. 6. Зависимость устойчивости бурового става от скорости вращения и осевой нагрузки

На карьерах ОАО «Апатит» при бурении скважин станками СБШ 250 МНА-32 по апатито-нефелиновым рудам паспортом ведения буровых работ, рекомендованы следующие режимы работы: максимальная осевая нагрузка 0,22 МН, максимальная частота вращения долота 2 С V Глубина скважин до 16 м. На основании результатов проведенного расчета, можно сделать вывод о том, что у станков, работающих в соответствии с рекомендованными режимами потери устойчивости бурового става не происходит. При повышении скорости бурения скважин глубиной до 16 м станками СБШ 250 МНА-32 с надштанговыми пневмогидравлическими амортизаторами, форсированием рекомендованных режимов бурения в пределах технических возможностей станков данного типоразмера, потери устойчивости бурового става не произойдет.

Повышение производительности станков шарошечного бурения, как при использовании пневмогидравлических амортизаторов, так и без них, возможно так же при интенсификации процесса бурения наддолотным пневмоударником (НПУ). Анализ результатов теоретических расчетов и данных, полученных экспериментально, позволяет выбрать такие режимы работы НПУ, при которых его час-

15

тота не вызовет резонансных колебаний бурового става. При использовании НПУ для увеличения производительности станка СБШ 250 МНА-32 большой интерес представляет установление зависимости скорости бурения от осевого усилия, частоты вращения долота и частоты ударов НПУ, а так же влияние НПУ на вибрационные режимы работы станка.

2. Механическая скорость бурения скважин в породах средней крепости станком шарошечного бурения с наддолотным ударником прямо пропорциональна величине осевой нагрузки, частотам вращения долота и дополнительной ударной нагрузки и описывается нелинейным уравнением с постоянными коэффициентами, применимым при изменении значений технологических параметров в интервалах, рекомендуемых при бурении скважин в породах рассматриваемой крепости.

Среди технических средств, позволяющих повысить производительность шарошечного бурения особый интерес представляют наддолотные пневмоударники. В различных литературных источниках говорится, что при наложении виброударных нагрузок на шарошечное долото с помощью устанавливаемого над долотом пнев-моударника, наносящего в процессе бурения удары по долоту, механическая скорость бурения увеличивается в 1,3—1,6 раза при сохранении стойкости долота.

Промышленный эксперимент по исследованию влияния работы НПУ на производительность станка СБШ-250 МНА32, вибрацию бурового става и стойкость шарошечных долот был проведен в соответствии с разработанной программой-методикой на Восточном руднике ОАО «Апатит».

Зависимости скорости бурения от различных сочетаний величин основных параметров бурения станком исследовались в соответствии с методическими указаниями РДМУ 109-77 проведения многофакторного эксперимента.

При проведении эксперимента исследовалось влияние следующих факторов: - осевая нагрузка - частота вращения долота - частоты ударов НПУ Для каждого из факторов, включенных в эксперимент, были установлены только два уровня: верхний и нижний (табл. 1).

Для повышения эффективности экспериментальных работ, а именно - для корректного выбора числа серий опытов N и числа па-

16

раллельных опытов т в каждой серии с целью осуществления достаточной воспроизводимости опытных данных с вероятностью 95% предварительно было проведено планирование эксперимента.

Таблица 1

Выбор контролируемых параметров

Контролируемые параметры Рос, МН и, с'1 пгд, Гц

Верхний уровень 0,22 2 12

Нижний уровень 0,14 1 0

Основной уровень 0,18 1,5 6

Интервал варьирования 0,04 0,5 6

Для построения плана матрицы планирования эксперимента были введены условные обозначения верхнего и нижнего уровней факторов соответственно +1, -1. Построение плана матрицы сводилось к стандартной форме записи условий проведения экспериментов в виде таблицы, в строках которой записывались данные опытов, в столбцах - факторы (без единиц « + » и « - ») с реализацией всех возможных сочетаний упорядоченных комбинаций факторов (табл. 2).

Таблица 2

Полный план матрицы планирования_

№ Значение факторов в кодовых обозначениях Комбинации произведений факторов в кодовых обозначениях Действительное значение показателя параметра оптимизации

хв X, Х2 XI х,х2 Х,х3 Х2ХЗ Х1Х2Х} гт

1 + - - - + + + - г,

2 + + - - - - + + ь

3 + - + - - + - + Уз

4 + + + - + - - - Т4

5 + - + + - - + ъ

6 + + - + - + - - г6

7 + - + + - - + - Г,

8 + + + + + + + + Г»

В соответствии с полным планом матрицы планирования эксперимента уравнение регрессии имеет вид:

Г= Ь0 + Ь}Х1 + Ь^ + ЬзХ) + + ЬизХи + Ь 2,3X2,3 + Ь1,2,3X^,3

По результатам обработки плана матрицы планирования эксперимента, построена математическая модель, описывающая процесс бурения, в которую вошли только значимые коэффициенты:

У = Ь0 + Ь1Х1 + ЬгХ2 + 4*3 + Кх\хг'

где У - математическое ожидание параметра оптимизации; $ - коэффициенты параметров модели; Х1 - факторы процесса.

Для измерения механической скорости бурения (показателя оптимизации) скважины станком СБШ 250 МНА-32 проводилось по четырем опытам в серии для каждого сочетания контролируемых параметров. Результаты замеров заносились в журнал планирования эксперимента.

По результатам проведенных расчетов получено нелинейное уравнение (10), в котором учитывается влияние всех факторов, входящих в модель, на скорость бурения:

обур =0,153-1,35Р0С-0,263п+2,45Росп + 0,002^, (10)

где ибур - механическая скорость бурения, м/мин; Рос - осевая нагрузка, МН; п- частота вращения долота, с'1; Пуд -частота ударов НПУ, Гц.

На основании полученных данных проведена оценка влияния режимных параметров станка СБШ 250 МНА-32 на скорость бурения апатито-нефелиновых руд при изменении значений режимных параметров в интервалах: 12 Гц.

На рис 7. представлен пример соответствия результатов расчета скорости бурения по формуле (10) экспериментальным данным.

Для установления влияния работы НПУ на характер вибрации бурового става, осуществлялись замеры амплитуды продольных колебаний верхнего конца бурового става. Сбор данных осуществлялся сборщиком данных СД12 фирмы «ВАСТ» при различных режимах работы станка с использованием НПУ и без него.

По результатам экспериментальных исследований установлено:

- наложение ударной нагрузки на долото при помощи НПУ приводит к возбуждению продольных колебаний бурового става в спектрах частот кратных 12 Гц;

- максимальная амплитуда продольных колебаний става, создаваемых НПУ, составляет 40 мкм на частоте 12 Гц.

На основании результатов анализа характера спектра продольных колебаний бурового става станка при бурении скважины с использованием НПУ можно утверждать:

- при работе станка максимальные значения амплитуды продольных колебаний бурового става находятся в спектрах частот, соответствующих трехкратной частоте вращения, что вызывается перекатыванием долот шарошки по волнообразному забою;

- величина амплитуды колебаний бурового става, возникающих от работ НПУ, значительно меньше амплитуды колебаний в спектрах рабочих частот шарошечного долота (даже в случае, когда эти частоты кратны), и не оказывает существенного влияния на стойкость узлов станка.

Исследование влияния дополнительной ударной нагрузки на стойкость долота проводилось в соответствии с разработанной методикой. В процессе испытаний осуществлялся контроль стойкости долот типа КПВ 244,5 при бурении станком без НПУ, а затем, тем же станком с использованием НПУ. Анализ результатов испытаний показал, что использование НПУ приводит к повышению стойкости шарошечных долот до 10%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, содержится решение задачи повышения скорости бурения взрывных скважин станками шарошечного бурения путем использования дополнительной динамической нагрузки на долото и обоснованием значений параметров ударной системы и вибрационных характеристик бурового става, необходимых для вы-

0,400

0,350 /7 /

0,300

0,250 /7/

0,200

0,150

0,100

0,050

о.ооо

0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24

Осевая нагрузка, МН

--*-Экспериментальная (без НПУ)

.-д—_ Экспериментальная (с НПУ)

---Расчетная (без НПУ)

.......... Расчетная (с НПУ)

Рис. 7. Зависимости механической скорости бурения от осевой нагрузки

бора рационального режима работы станка шарошечного бурения с наддолотным ударником, что имеет существенное значение для совершенствования буровых машин и повышения эффективности горнодобывающих предприятий.

Основные научные и практические выводы, сделанные в результате выполненных исследований, заключаются в следующем.

1. Разработана математическая модель, позволяющая описать процесс прохождения продольных колебаний по буровому ставу станка СБШ и определить частоту собственных колебаний става, равную: для става длиной 8м - 47 Гц; для става длиной 16 м -31 Гц; для става длиной 8 м и 16 м при использовании пневмогид-равлического амортизатора - 2,5 Гц.

2. Получено нелинейное уравнение, позволяющее оценить влияние основных факторов процесса бурения (осевой нагрузки, частоты вращения долота и частоты ударов ударника) на механическую скорость бурения скважин станком СБШ с наддолотным ударником, при изменении значений технологических параметров в интервалах: Рос = 0,14 - 0,22 МН; п = 1 - 2 с'1; пуд = 0 - 12 Гц.

3. Экспериментально подтверждена работоспособность разработанной конструкции наддолотного пневмоударника и доказано, что использование НПУ не приводит к увеличению максимальных амплитуд продольных колебаний бурового става станка СБШ.

4. Обосновано, что при использовании наддолотного пнев-моударника для повышения скорости бурения скважин станком типа СБШ следует выбирать режимы работы станка, соответствующие максимальным значениям осевой нагрузки и частоты вращения долота, рекомендуемым при бурении скважин в породах средней крепости станком без ударника.

5. Экспериментально доказано, что использование наддолот-ного ударника для интенсификации процесса бурения станка СБШ 250 МНА-32 позволяет увеличить скорость бурения в среднем на 15% и стойкость долота до 10%.

6. Использование наддолотного пневмоударника при бурении скважин станком шарошечного бурения позволяет при обеспечении заданной производительности добиться снижения продольных колебаний бурового става уменьшением величины осевой нагрузки или частоты вращения долота.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих работах:

1. Ветюков М.М. Динамика пневмоударника с упругим демпфером станков шарошечного бурения/ Ветюков М.М., Лукашов К.А., Пивнев В.А., Юнгмейстер Д.А. // Горная механика, 2002, № 34, с. 45-49.

2. Ветюков М.М. Механо-математическая модель пневмо-ударника с упругим демпфером/ Ветюков М.М., Лукашов К.А., Пивнев В.А., Юнгмейстер Д.А.// Гидравлика и пневматика 2002, № 4, с. 6-7.

3. Ветюков М.М. Расчет продольной устойчивости вращающегося бурового става/ Ветюков М.М., Лукашов К.А., Юнгмейстер ДА// Горные машины и автоматика, 2004, № 8, с. 46 - 48.

4. Ветюков М.М. Расчет продольных колебаний бурового става с пневмогидравлическим амортизатором/ Ветюков М.М., Лу-кашов К.А. // В сб.: Машины и механизмы ударного, периодического и вибрационного действия. Материалы II международного научного симпозиума. - Орел: ОрелГТУ, 2003, с. 185-190.

5. Лукашов К.А. Совершенствование карьерной техники: необходимость, осуществимость, направления/ Лукашов К.А., Пив-нев В.А., Юнгмейстер Д.А.// Горные машины и автоматика, №6, 2002, с. 9-11.

6. Патент № 2209913. Способ бурения крепких пород и устройство для его реализации/ Ветюков М.М., Лукашов К.А., Пивнев В.А., Юнгмейстер Д.А. // - Опубл. 21.04.2003, Бюл. №22.

7. Патент № 2223378. Перфоратор/ Ветюков М.М., Воинов Б.Ф., Лукашов К.А., Пашкин Л.Н., Пивнев В.А., Юнгмейстер Д.А. // - Опубл. 2004, Бюл. № 4.

РИЦ СПГГИ. 15.11.2004. 3.511. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Р2 57 8 9

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА СТАНКОВ ШАРОШЕЧНОГО БУРЕНИЯ.

1.1. ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТЕЧЕСТВЕННОГО БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

НА КАРЬЕРАХ И РУДНИКАХ ОАО «АПАТИТ».

1.2. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ РАБОТЫ БУРОВЫХ СТАНКОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ НА КАРЬЕРАХ ОАО «АПАТИТ».

1.3. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВ РАЗВИТИЯ СТАНКОВ ШАРОШЕЧНОГО БУРЕНИЯ.

1.3.1 СТАНОК БУРОВОЙ ШАРОШЕЧНЫЙ ТИПА СБШ-250МНА-32.

1.3.2 ТЕХНОЛОГИЯ ВЕДЕНИЯ БУРОВЫХ РАБОТ.

1.3.3 АНАЛИЗ ПУТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

СТАНКОВ ШАРОШЕЧНОГО БУРЕНИЯ.

1.4. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ БУРЕНИЯ ШАРОШЕЧНЫМИ ДОЛОТАМИ.

1.4.1 ВЛИЯНИЕ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ НА СКОРОСТЬ ШАРОШЕЧНОГО БУРЕНИЯ.

1.4.2 ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ДОЛОТА

НА СКОРОСТЬ ШАРОШЕЧНОГО БУРЕНИЯ.

1.5. АНАЛИЗ ВИБРАЦИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ

БУРОВОГО СТАВА.

1.5.1 ПРОДОЛЬНЫЕ КОЛЕБАНИЯ БУРОВОГО СТАВА.

1.5.2 ВИБРОУСТОЙЧИВОСТЬ БУРОВОГО СТАВА.

1.5.3 КРУТИЛЬНЫЕ КОЛЕБАНИЯ БУРОВОГО СТАВА.

1.6. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВИБРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

СТАНКОВ СБШ 250 НА КАРЬЕРАХ ОАО «АПАТИТ».

1.7. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ВИБРАЦИИ БУРОВЫХ СТАНКОВ И ИНТЕНСИФИКАЦИИ ШАРОШЕЧНОГО БУРЕНИЯ.

1.7.1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ВИБРАЦИИ ШАРОШЕЧНЫХ БУРОВЫХ СТАНКОВ.

1.7.2. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ

ПРОЦЕССА ШАРОШЕЧНОГО БУРЕНИЯ.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ БУРОВОГО СТАВА СТАНКА СБШ 250 МНА-32.

2.1. РАСЧЕТ ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ БУРОВОГО СТАВА

С ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИМ АМОРТИЗАТОРОМ.

2.2. ПРОДОЛЬНЫЕ КОЛЕБАНИЯ БУРОВОГО СТАВА

С УЧЕТОМ ЖЕСТКОСТИ ТРОСОВ СИСТЕМЫ ПОДАЧИ.

2.3. РАСЧЕТ ПРОДОЛЬНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ БУРОВОГО СТАВА.

2.4. РАСЧЕТ УСТРОЙСТВ ДЕМПФИРОВАНИЯ УДАРНОЙ НАГРУЗКИ НАДДОЛОТНОГО

ПНЕВМОУ ДАРНИК А.

ВЫВОДЫ ПО ТЕОРЕТИЧЕСКИМ ИССЛЕДОВАНИЯМ.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМНЫХ

ПАРАМЕТРОВ СТАНКА СБШ 250 МНА-32.

3. 1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.2 ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ НАДДОЛОТНОГО ПНЕВМОУДАРНИКА.

3.3 ПРОВЕРКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ НАДДОЛДОТНОГО ПНЕВМОУДАРНИКА НА СТЕНДЕ.

3.4 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.5 ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ СТАНКА СБШ 250 МНА

С НАДДОЛОТНЫМ ПНЕВМОУДАРНИКОМ. ч 3.6 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА.

3.7. ОБЩИЕ ВВЫОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ КОНСТРУКЦИИ НАДДОЛОТНЫХ

ПНЕВМОУДАРНИКОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ СБШ.

Одним из основных технологических процессов открытой добычи полезного ископаемого в настоящее время продолжает оставаться бурение взрывных скважин с помощью самоходного оборудования. Наибольшее распространение в мире на открытых работах получил шарошечный способ бурения. Таким способом выполняется до 70% всех объемов работ. Поэтому техническое состояние шарошечного бурового оборудования во многом определяет эффективность всего процесса технологии горного производства.

На горных предприятиях стран СНГ наиболее широко используются шарошечные буровые станки СБШ 250. Несмотря на значительный опыт производства и эксплуатации машин данного типоразмера, многие отечественные станки отстают от мирового уровня технического развития бурового оборудования. Кроме того, ситуация еще более усугубляется тем, что большинство станков, используемых на карьерах РФ, отработали свой ресурс, и их дальнейшая эксплуатация неизбежно сопровождается высокой аварийностью. Несмотря на все недостатки, главным преимуществом отечественных станков остается их доступность для потребителей и относительно невысокая стоимость в сравнении с зарубежными аналогами.

Основные направления совершенствования станков СБШ 250 заключаются в повышении скорости бурения автоматизацией контроля режимных параметров или использованием различных технических средств интенсификации бурения и снижении вибрации бурового става и станка в целом.

Известны различные способы повышения производительности станков шарошечного брения: использование комбинированного породоразрушаю-щего инструмента; новых высокотехнологичных шарошечных долот зарубежных фирм; применение магнитострикционных генераторов, устанавливаемых над шарошечным долотом и другие.

Среди технических средств, снижающих вибрацию бурового става, наибольший интерес представляют пневмогидравлические амортизаторы, устанавливаемые между опорным блоком и первой штангой станка СБШ.

Повышение скорости бурения СБШ 250, путем использования наддо-лотных пневмоударников, позволит снизить себестоимость бурения, а следовательно, и необходимость покупки дорогостоящей импортной техники.

Интенсификация процесса шарошечного бурения станка СБШ возможна также путем наложения дополнительной ударной нагрузки на долото, с помощью наддолотного пневмоударника (НПУ), устанавливаемого между буровым ставом и шарошечным долотом. Актуальной задачей, при использовании НПУ при бурении скважин станками СБШ 250, является выбор рациональных режимов работы станка, обеспечивающих повышение производительности при сохранении стойкости породоразрушающего инструмента и отсутствии роста вибрации бурового става. Повышение скорости бурения СБШ 250, путем использования наддолотных пневмоударников, позволит снизить себестоимость бурения, а следовательно, и необходимость покупки дорогостоящей импортной техники.

Работа базируется на исследованиях: БуткинаВ.Д, Ветюкова М.М., Дмимитриева В.Н., Загривного Э.А., Иванова К.И., Кантовича Л.И., Кутузова Б.Н., Подэрни Р.Ю., Суханова А.Ф., Шмидта Р.Г. и др.

Идея работы: повышение скорости бурения скважин станком шарошечного бурения путем использования дополнительной динамической нагрузки на долото.

Защищаемые научные положения 1. Колебательная система бурового става дискретно изменяемой длины при взаимодействии шарошечного долота с забоем скважины представлена механико-математической моделью с распределенными параметрами, обеспечивающей определение частоты собственных продольных колебаний системы в функции ее демпфирующих свойств, глубины скважины и геометрических характеристик става станка шарошечного бурения с пневмогидравлическим амортизатором.

2. Механическая скорость бурения скважин в породах средней крепости станком шарошечного бурения с наддолотным ударником прямо пропорциональна величине осевой нагрузки, частотам вращения долота и дополнительной ударной нагрузки и описывается нелинейным уравнением с постоянными коэффициентами, применимым при изменении значений технологических параметров в интервалах, рекомендуемых при бурении скважин в породах рассматриваемой крепости.

Методы исследований

При решении поставленных задач использовался комплексный метод исследований, включающий:

- математическое моделирование колебательных процессов бурового става;

- теоретические и экспериментальные исследования влияния основных режимных параметров на механическую скорость бурения;

- экспериментальные исследования вибрационных режимов работы бурового става станка шарошечного бурения;

- компьютерную обработку и анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, разработанных в диссертации, подтверждается использованием апробированных математических методов, фундаментальных положений по динамике машин, удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований и экспериментальных исследований в условиях Кировского и Восточного рудников ОАО «Апатит».

Научная новизна диссертационной работы заключается:

- в установлении зависимости механической скорости бурения скважины станком шарошечного бурения с наддолотным ударником от основных режимных параметров и частоты нанесения ударов по долоту при работе по апатито-нефелиновым рудам;

- в установлении зависимости резонансных частот колебаний бурового става от демпфирующих параметров колебательной системы, глубины бурения и геометрических характеристик става.

Практическая ценность:

- разработана методика испытания в производственных условиях модернизированных станков шарошечного бурения, определения их основных эксплуатационных параметров и выбора рациональных режимов их работы;

- даны рекомендации по модернизации конструкций наддолотных пневмо-ударников для станков шарошечного бурения;

- разработан комплект прикладных программ для построения спектральных характеристик вибрационных режимов бурового става станка шарошечного бурения по экспериментальным данным, полученным с использованием виброизмерительной аппаратуры SVAN.

Реализация результатов работы

Рекомендации по совершенствованию конструкций и режимов работы бурового оборудования для повышения скорости бурения и стойкости поро-доразрушающего инструмента приняты к использованию ООО «ОМЗ - горное оборудование и технологии» (см. Приложение I).

Опытный образец модернизированного наддолотного пневмоударника используется при бурении взрывных скважин станком СБШ 250 МНА-32 в ОАО «Апатит».

Апробация работы

Результаты работы обсуждались на семинаре в ОАО «ЦГМ «Ижорские заводы» (2002); на Международном семинаре «Ударные, вибрационные машины», Орел, ОрелГТУ, (21-22.10 03); на кафедре "Горные машины и оборудование" МГГУ на конференции «Неделя горняка» 28.01.04; межкафедральных семинарах ГЭМФ СПГГИ (2002, 2003, 2004).

3.7. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ КОНСТРУКЦИИ НАДДОЛОТНЫХ ПНЕВМОУДАРНИКОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ СБШ

Анализ существующих направлений по интенсификации процесса бурения взрывных скважин станками шарошечного бурения, а так же результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований показывают, что предпочтительным и наиболее просто реализуемым среди прочих для СБШ является способ совмещения удара и вращательного (шарошечного) бурения.

Модернизация буровой техники и буровых станков в первую очередь должна проводиться в направлении обязательного снижения вибрации на рабочих местах до уровня, регламентированного санитарными нормами, а также снижения вибраций, воспринимаемых станком в целом, особенно в наиболее опасных диапазонах частот (см. раздел 1.6).

На основании результатов теоретических исследований резонансных частот продольных колебаний бурового става станка СБШ 250 МНА-32, представленных в главе 2, можно сделать вывод о том, что наиболее опасными частотами будут 6 Гц, 31 Гц, 47 Гц. Наличие всплесков амплитуд продольных колебаний бурового става на частотах близких, 6 Гц и 47 Гц, доказано экспериментально (см. рис. 3.11). Рабочая частота бурового става при бурении пород средней крепости находится в диапазоне частот близких 6 Гц. Совпадение собственной частоты бурового става с его рабочей частотой приведет к возникновению резонанса и выходу из строя бурового оборудования.

Смещения резонансных частот колебаний бурового става из зоны рабочих частот возможно при использовании дополнительного пневмогидравли-ческого амортизатора с малой жесткостью, устанавливаемого между вращателем и буровым ставом (раздел 2.1, соответствующий график см. на рис. 2.7) или, наоборот, при существенном (в три раза) увеличении жесткости тросов системы подачи. Использование для снижения продольных колебаний бурового става пневмогидравлического амортизатора приводит к снижению амплитуды продольных колебаний бурового става и смещению первого резонанса на частоту 2,5 Гц (перевод системы в дорезонансный режим). Результаты расчета, проведенного для системы с утроенной жесткостью канатов, дают основание утверждать, что при данном способе, система перейдет в за-резонансный режим и первая резонансная частота составит 12 Гц.

Анализ результатов проведенных теоретических исследований показал, что при использовании для интенсификации процесса бурения НПУ необходимо выбирать пневмоударники, частота работы которых не совпадает с резонансными частотами колебаний бурового става и его рабочей частотой, а именно с 6 Гц, 8-10 Гц, 31 Гц и 47 Гц. При использовании НПУ совместно с пневмогидравлическим амортизатором частота его ударов, помимо частот перечисленных выше, не должна быть равной 2,5 Гц.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований рекомендуется применять на станках типа СБШ наддолотные пневмоударники совместно с пневмогидравлическим амортизаторами, параметры которых, могут быть рассчитаны методами, изложенными в разделе2.1, а конструктивные решения следует принимать в соответствии ранее выполненными работами [39].

На основании анализа рекомендованных режимов работы станков СБШ 250 МНА32 на карьерах ОАО «Апатит» и результатов теоретических исследований, представленных в главе 2, можно сделать вывод о том, что у станков, работающих в соответствии с рекомендованными режимами, при бурении взрывных скважин глубиной до 16 м потери устойчивости бурового става не происходит. При бурении скважин глубиной свыше 16 м для обеспечения условия сохранения устойчивости бурового става следует выбирать режимы работы станка в соответствии с результатами исследований представленных в главе 2 (рис. 2.10).

Предельные значения основных режимных параметров при их форсировании для повышения скорости бурения скважин станками СБШ 250 МНА-32 с пневмогидравлическими амортизаторами следует так же определять по графику рис. 2.10.

Результаты экспериментальных исследований, представленные в главе 3, доказывают эффективность использования наддолотных пневмоударни-ков для повышения скорости бурения скважин станками типа СБШ. Регрессионное уравнение, полученное в главе 3 по результатам многофакторного эксперимента, позволяет прогнозировать изменение скорости бурения скважин станком шарошечного бурения с наддолотным пневмоударником при изменении значений, входящих в него технологических параметров, в интервалах, рекомендуемых при бурении скважин в породах средней крепости.

На основании результатов экспериментальных и теоретических исследований по определению влияния на скорость бурения скважин станком СБШ 250 МНА-32 режимных параметров и наличия НПУ можно утверждать, что основным параметром, влияющим на прирост скорости бурения скважин станком с НПУ, является техническая характеристика пневмоударника.

На основании результатов полученных в главе 3, для заданных горногеологических условий, можно сделать вывод о необходимости проведения исследований в направлении повышения частоты ударов НПУ для дальнейшего повышения скорости бурения скважин станком СБШ 250 МНА-32 с НПУ.

Результаты экспериментальных исследований, направленных на изучение вибрации бурового става показали, что наложение ударной нагрузки на долото при помощи НПУ приводит к возникновению продольных колебаний бурового става в спектрах частот кратных 11,5 Гц (рабочая частота НПУ), а их максимальная величина составляет 40 мкм, что приблизительно в 30 раз меньше максимальных амплитуд колебаний бурового става на рабочих частотах (6 Гц). На основании результатов экспериментальных исследований вибрационных режимов работы станка СБШ 250 МНА-32 можно утверждать, что наличие НПУ при бурении скважин станками типа СБШ (не зависимо от режимных параметров) не приводит к существенному изменению амплитуды продольных колебаний бурового става и, следовательно, не оказывает существенного влияния на стойкость узлов станка.

Для увеличения скорости бурения скважин станками шарошечного бурения и повышения стойкости долот, целесообразно использование погружного пневмоударника, при работе которого, возможно создание ударного импульса регулируемой формы (см. рис. 3.14, описание патента [71]). Это приводит к повышению скорости бурения за счет более полного прилегания шарошки к забою, повышения концентрации ударной нагрузки, лучшего очищения штырей шарошек, а так же интенсификации разрушения забоя. Конкретные схемы бурового става с ударным механизмом, позволяющим изменять форму ударного импульса, могут быть реализованы за счет создания полых поршней-ударников со специальным заполнением [71].

Как показали результаты теоретических и экспериментальных исследований в качестве рекомендаций по совершенствованию конструкции НПУ следует считать необходимым продолжение исследований (как стендовых так и рудничных) по следующим направлениям: исследование работоспособности НПУ, выполненного в соответствии с патентом на способ бурения [71]; обоснование параметров полых поршней, как средства активного демпфирования ударной нагрузки; определение возможного диапазона регулирования частоты ударов НПУ посредством технических устройств, указанных в [71]; исследование работоспособности систем управления колебаниями поршня в НПУ воздействием на поршень различными способами: магнитным полем, степенью заполнения полостей тяжелой магнитоактив-ной жидкостью и другими [71]; исследование возможности получения ударного импульса регулируемой формы [72]; исследование влияния параметров ударника на стойкость шарошечных долот.

Проведенная работа дает основание считать, что применение на станках типа СБШ наддолотных пневмоударников, оснащенных системой управления параметрами ударной системы, позволит получить высокоэффективное средство бурения.

Конструкции буровых снарядов с пневмоударником (для станков СБШ), рассмотренные в разделе 3.1, сборочные чертежи которых представлены в приложениях 6а и 66, рекомендуются для передачи на машиностроительное производство, например, «Туламашзавод» или РМЗ ОАО «Апатит» с целью создания опытной партии и внедрения в производство на ОАО «Апатит».

Рекомендации по совершенствованию конструкций и режимов работы бурового оборудования для повышения скорости бурения и стойкости поро-доразрушающего инструмента приняты к использованию ООО «ОМЗ - Горное оборудование и технологии» (Приложение I).

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении х/д 8/2003 и переданы ОАО «Апатит».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, содержится решение задачи повышения скорости бурения взрывных скважин станками шарошечного бурения путем использования дополнительной динамической нагрузки на долото и обоснованием значений параметров ударной системы и вибрационных характеристик бурового става, необходимых для выбора рационального режима работы станка шарошечного бурения с наддолотным ударником, что имеет существенное значение для совершенствования буровых машин и повышения эффективности горнодобывающих предприятий.

Основные научные и практические выводы, сделанные в результате выполненных исследований, заключаются в следующем.

1. Разработана математическая модель, позволяющая описать процесс прохождения продольных колебаний по буровому ставу станка СБШ и определить частоту собственных колебаний става, равную: для става длиной 8 м - 47 Гц; для става длиной 16 м - 31 Гц; для става длиной 8 м и 16 м при использовании пневмогидравлического амортизатора - 2,5 Гц.

2. Получено нелинейное уравнение, позволяющее оценить влияние основных факторов процесса бурения (осевой нагрузки, частоты вращения долота и частоты ударов ударника) на механическую скорость бурения скважин станком СБШ с наддолотным ударником, при изменении значений технологических параметров в интервалах: Рос = 0,14 - 0,22 МН; п - 1 - 2 с"1; пУд ~ 0 - 12 Гц.

3. Экспериментально подтверждена работоспособность разработанной конструкции наддолотного пневмоударника и доказано, что использование НПУ не приводит к увеличению максимальных амплитуд продольных колебаний бурового става станка СБШ.

4. Обосновано, что при использовании наддолотного пневмоударника для повышения скорости бурения скважин станком типа СБШ следует выбирать режимы работы станка, соответствующие максимальным значениям осевой нагрузки и частоты вращения долота, рекомендуемым при бурении скважин в породах средней крепости станком без ударника.

5. Экспериментально доказано, что использование наддолотного ударника для интенсификации процесса бурения станка СБШ 250 МНА-32 позволяет увеличить скорость бурения в среднем на 15% и стойкость долота до 10% (Приложение IX).

6. Использование наддолотного пневмоударника при бурении скважин станком шарошечного бурения позволяет при обеспечении заданной производительности добиться снижения продольных колебаний бурового става уменьшением величины осевой нагрузки или частоты вращения долота.

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. - М.: «Наука», 1975.

2. Александров Е.В., Соколинский В.Б. Прикладная теория и расчеты ударных систем. М., «Наука», 1969.

3. Алимов О.Д. Исследование процесса разрушения горных пород при бурении скважин. Томск, Изд-во Томского университета, 1960.

4. Алфутов Н.А. Основы расчета на устойчивость упругих систем. Москва Машиностроение, 1978.

5. Асатур К.Г. Механика разрушения горных пород высоконапорными струями / Уч. пособие. Д.: ЛГИ, 1985. - 84 с.

6. Бабицкий В.И. Теория виброударных систем. / М., Наука, 1978

7. Бадалов Р.А. Исследование эффективности трех шарошечных долот на забое. Докторская диссертация. Баку, 1965.

8. Барабанов А.А. и др. Гигант в Хибинах. М.: Издательский дом «Руда и металлы», 1999. - 288 с.

9. Башкатов А.Д. Современное состояние и тенденции развития методов и технологических средств сооружения гидрогеологических скважин. /Москва, 1988.-50с.

10. Башкатов Д.Н., Панков А.В., Коломиец A.M. Прогрессивная технология бурения гидро-геологических скважин /М., Недра, 1992. 285 с.

11. Беляев А.В. "Анализ работы шарошечных долот и пути повышения их стойкости". / Горный журнал, №4, 2000. с. 50 53.

12. Беляев А.В. "Опыт бурения скважин на алмазорудных карьерах Якутии". / Горный журнал, №5, 2000. с. 19 22.

13. Бритарев В.А., Замышляев В. Ф. Горные машины и комплексы./ М.: Недра, 1984.

14. Блохин B.C. Буровой инструмент для машин ударного действия, М., «Недра», 1974, 200 с.

15. Болотин В.В. Вибрации в технике. Справочник. Т.1 / Под редакцией М.: Машиностроение. 1978. 352 с.

16. Букреев П.И. Бурение скважин гидромониторными пикобурами. М.: Недра, 1986.-155 с.

17. Буткин В.Д. Зависимость показателей работы шарошечных долот от режимов бурения. Горный журнал, 1964.

18. Буткин В.Д. Исследование влияния времени контакта зубьев шарошечных долот с забоем на эффективность разрушения горных пород. / Техника и технология разработки полезных ископаемых. Челябинск, вып. 6, 1969

19. Буткин В.Д. Исследование основных параметров режима шарошечного бурения взрывных скважин на открытых горных работах. / Авто-риф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. М., ИГД. Им. А.А. Ско-чинского, 1964

20. Буткин В.Д. Проектирование режимных параметров автоматизированных станков шарошечного бурения. М., «Недра». 1979. 208 с.

21. Васильев В.М. Перфораторы: Справочник. М.: Недра, 1989. 216 с.

22. Ветюков М.М., Лукашов К.А., Юнгмейстер Д.А., Пивнев В.А. "Ме-хано-математическая модель пневмоударника с упругим демпфером", Информационно-технический журнал "Гидравлика и пневматика" № 4 / 2002 г. стр. 6-7.

23. Ветюков М.М., Лукашов К.А., Юнгмейстер Д.А., Пивнев В.А. "Динамика пневмоударника с упругим демпфером станков арошечного бурения" Науч.-тех. Журнал "Горная механика", республика Беларусь, Солигорск, № 3-4, 2002, с. 45 49.

24. Ветюков М.М., Лукашов К.А., Юнгмейстер Д.А. "Расчет продольной устойчивости вращающегося бурового става" // Горные машины и автоматика, 2004, № 8, с. 46 48

25. Вибрации в технике. Справочник. Т.1 / Под редакцией В.В. Болотина. М.: Машиностроение. 1978.

26. Водяник Г.М., Рылев Э.В. Новые бурильные машины вращательного действия. К.: - Техника, 1979. - 126 с.

27. Воздвиженский Б.И., Ребрик Б.М. В глубь Земли. Разведочное бурение от прошлого к будущему. - М.: Недра. - 168 с.

28. Вольмир А.С. устойчивость деформируемых систем. М.: Наука, 1967.

29. Вороновский К.Ф. и др. Горные, транспортные и стационарные машины/М.: Недра, 1985.

30. Горшков Л.К. Основы теории механических колебаний в разведочном бурении: учеб. пособие / Санкт Петербург, СПГГИ (ТУ)

31. Горшков Л.К. Основы теории упугости и пластичности в разведочном бурении: Учебю пособие / Санкт Петербург, 1992

32. Горшков Л.К., Мендебаев Т.Н. Разведочное бурение. Спб.: Недра, 1994.- 160 с.

33. Гришпун Л.В., Табачников Л.Д. Модернизация станков шарошечного бурения типа СБШ. / «Горный журнал», №9, 1985

34. Дворников Л.Т., Туров В.А. Надежность буровых агрегатов. М.: Недра, 1990.- 166 с.

35. Емелин М.А. и др. Новые методы разрушения горных пород. М.: Недра, 1991.-240 с.

36. Загривный Э.А. Динамические модели и устойчивость подсистемы "исполнительный орган-забой" горной машины. Автореф. дис. докт. тех. наук. СПб: СПбГГИ, 1996.

37. Замышляев В.Ф., Русихин В.Н., Шешко Е.Е. Эксплуатация и ремонт карьерного оборудования. М.: Недра, 1991. -285 с.

38. Зегидзе И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. М.: Наука. 1976. - 390 с.

39. Иванова В.М. и др. Математическая статистика. М.: Высшая школа, 1981. - 371 с.

40. Иванов К.И., Вачир М.С., Дусев В.И., Андреев В.Д. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. Москва, Недра, 1974, с. 226.

41. Иванов К.И. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых./ М.: Недра, 1987

42. Инструкция по эксплуатации бурового станка СБШ-250МН.

43. Ирошин Ю.И. Измерения вибрации. / Машгиз, 1962

44. Кардыш В.Г., Мурзаков Б.В., Окмянский А.С. Техника и технология бурения геологоразведочных скважин за рубежом. / М. Недра, 1985

45. Катанов Б.А., Сафохин М.С. Инструмент для бурения взрывных скважин на карьерах. -М.: Недра, 1989. 173 с.

46. Кантович Л.И., Дмитриев В.Н Статика и динамика буровых шарошечных станков. М.: Недра, 1984.

47. Кичигин А.Ф. и др. Алмазный инструмент для разрушения крепких горных пород. М.: Недра, 1980, 159 с.

48. Колесников Н.А., Бицута В.К., Федоров B.C. Определение максимальной динамической нагрузки н долото. Известия вузов. «Нефть и газ», 1964 №10.

49. Коломийцов М.Д. Эксплуатация горных машин и автоматизированных комплексов . Д.: ЛГИ, 1988. - 96 с.

50. Крапивин М.Г., Раков И.Я., Сысоев Н.И. Горные инструменты. М.: Недра, 1990. - 256 с.

51. Кренделл С. Случайные колебания. / М., Мир, 1967

52. Куликов И.В., Воронов В.Н., Николаев И.И. Пневмоударное бурение разведочных скважин. М.: Недра, 1989. - 235 с.

53. Кутузов Б.Н. Взрывные работы. / М., Недра, 1980.

54. Кутузов Б.Н., Сафохин А.Ф., Шмидт Р.Г. Вибрация и надежность работы станков шарошечного бурения. Недра 1969.

55. Кутузов Б.Н. Теория, техника и технология буровзрывных работ. Недра, 1972.

56. Лукашов К.А., Юнгмейстер Д.А., Пивнев В.А. "Совершенствование карьерной техники: необходимость, осуществимость, направления " Научно-аналитический и производственный журнал "Горные машины и автоматика" № 6 / 2002 г. стр. 9-11.

57. Макарова Е.В., Лисенков А.Н. Планирование эксперимента в условиях неоднородностей. М.: Наука. 1973. - 220 с.

58. Малеев Г.В., Гуляев В.Г. и др. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов / Учеб. для вузов. М.: Недра, 1988. -368 с.

59. Медведев И.Ф. Режимы бурения и выбор буровых машин. М.: Недра, 1986. -205 с.

60. Мельников Н.В. Краткий справочник по открытым горным работам. / М., Недра, 1982

61. Москалев А.Н. и др. Интенсификация процессов разрушения горных пород. М.: Недра, 1978. - 208 с.

62. Мохначев М.П., Присташ В.В., Якубович И.А. Исследование механических свойств горных пород при высоких скоростях нагружения. -Науч. тр. / ИГД им. А.А.Скочинского, вып. 155. 1977. - с. 65-73.

63. Мэнли Р. Анализ и обработка записей колебаний. / Пер. с англ., М., Машиностроение, 1972.

64. Налимов В.В., Голикова Т.П. Логические основания планирования эксперимента. М.: МГУ, 1972.

65. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории упругих колебаний. М., Машиностроение, 1967. 316 с.

66. Патент № 2209913. Способ бурения крепких пород и устройство для его реализации. Опубл. 21.04.2003, Бюл. №22, 2003, Ветюков М.М., Лукашов К.А. Юнгмейстер Д.А., Пивнев В.А.

67. Патент № 2223378. Перфоратор. Опубл. 2004, Бюл. № 4, Ветюков М.М., Лукашов К.А., Юнгмейстер Д.А., Пашкин Л.Н., Воинов Б.Ф., Пивнев В.А.).

68. Подвишенский С.Н., Иофин С.Л., Ивановский Э.С., Гальперие В.Г. Техника и технология добычи руд за рубежом. / М., Недра, 1986

69. Подерни Р.Ю. Горные машины для открытых горных работ./ М.: Недра, 1985.

70. Подэрни Р.Ю., Хромой М.Р., Сандалов В.Ф. "Основные концепции создания универсального бурового станка нового технического уровня". / Горные машины и автоматика, №2, 2001. с. 16 20.

71. Подэрни Р.Ю. "Оценка основных параметров влияющих на производительность станков шарошечного бурения". / Горные машины и электромеханика, №6, 2000. с. 9-13.

72. Подольская Н.В. Повышение надежности гидросистемы бурового станка с гидроперфоратором. Сб. науч. тр. «Разработка и совершенствование техники и технологии для предприятий горнорудной промышленности». Изд. ин-та Гипроникель, Л., 1991.- с. 34-39.

73. Полуянский С.А., Игнатович Ю.Н., Козырев О.И. Процессы разрушения крепких пород. Киев: Наукова думка, 1984. -145 с.

74. Потапов Ю.Ф., Симонов В.В. Разрушение горных пород трех шарошечными долотами. Гостоптехиздат, 1961.

75. Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных сданий. Санитарные нормы. СН 2.2.4/2.1.8.566-96.

76. Протасов Ю.И. Теоретические основы механического разрушения горных пород. М.: Недра, 1985. - 242 с.

77. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник под ред. Бергера И.А., Пановко Я.С., Москва, Машиностроение. 1968.

78. РДМУ 109 77. Методика выбора и оптимизации контролируемых параметров технологических процессов. - М.: Издательство стандартов, 1978.-62 с.

79. Ржевский В.В. Проблемы горной промышленности и комплекса горных наук. М.: МГИ, 1991.-244 с.

80. Рубцов С.К., Шлыков А.Г. "Опыт применения наддолотных стабилизаторов при бурении взрывных скважин станками СБШ-250МН-32 на карьере «Мурунтау»". / Горный журнал, №5, 2001. с. 73 75.

81. Сафохин М.С., Александров Б.А., Нестеров В.И. Горные машины и оборудование / Учеб. для вузов. М.: Недра, 1995. - 463 с.

82. Сафохин М.С., Катанов Б.А. Машинист бурового станка на карьере. М., Недра, 1984.- 308 с.

83. Сафохин М.С. и др. Машины и инструмент для бурения скважин на угольных шахтах. -М.: Недра, 1985, 213 с.

84. Симанов В.В., Бревдо Г.Д. Экспериментальные исследования работы долот IB 6ВТ. Сб. «Технология и техника бурения скважин малого диаметра», 1963.

85. Симкин Б.А. Исследование технологических параметров и условий эффективного применения забойных машин при транспортной системе открытой разработки месторождений. Автореферат докторской диссертации, 1966.

86. Спивак А.И., Попов А.Н. Разрушение горных пород при бурении скважин. М.: Недра, 1986. -186 с.

87. Суднишков Б.В., Есин Н.Н., Тупицин К.К. Исследование и конструирование пневматических машин ударного действия. / Новосибирск, Наука, 1985

88. Тимошенко С.П. Устойчивость стержня, пластин и оболочек. Избранные работы Москва Наука 1971.

89. Федоров B.C. Научные основы режимов бурения. Гостехиздат, 1951.

90. Фельдман В.Я., Файнер Л.Б. Автоматизированные шахтные бурильные установки буровые роботы. - М.: Недра, 1989. - 191 с.

91. Худин Ю.Л. и др. Разрушение горных пород комбинированными исполнительными органами. М.: Недра, 1978. - 224 с.

92. Шрейнер Л.А., Павлова Н.Н. Механизм разрушения твердых горных пород и новые типы шарошечных долот. «Нефтяное хозяйство», №4, 1954.

93. Шрейнер JI.A. Механические и абразивные свойства горных пород. Гостехиздат, 1958.

94. Шрейнер JI.A., Павлова Н.Н. Разрушение горных пород при динамическом нагружении. -М.: Недра, 1964.

95. Эйгелес P.M. О некоторых закономерностях динамического внедрения зубьев долота в породу. «Нефтяное хозяйство» 1956.

96. Яцких В.Г. и др. Горные машины и комплексы. М.: Недра, 1984.