автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Выбор рациональных параметров породоразрушающего инструмента при ударном бурении горных пород

На правах рукописи

і/ .

ПРОКОПОВИЧ ГРИГОРИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ УДАРНОМ БУРЕНИИ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013 005538911

Екатеринбург - 2013

005538911

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель -

Комиссаров Анатолий Павлович, доктор технических наук, профессор Официальные оппоненты: -

Боярских Геннадий Алексеевич, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», заведующий кафедрой эксплуатации горного оборудования;

Сухов Рудольф Иванович, кандидат технических наук, институт горного дела УрО РАН, ведущий научный сотрудник.

Ведущее предприятие - ОАО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт горного и обогатительного машиностроения (НИПИгормаш)» (г. Екатеринбург).

Защита состоится 13 декабря 2013 г. в 10°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.03, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», в зале заседаний Ученого совета по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке университета.

Автореферат разослан « 08 » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Буровые машины ударного действия находят широкое применение в горнодобывающей промышленности. Практика горного

производства показывает, что они обеспечивают высокую эффективность буровых работ, особенно при разработке месторождений полезных ископаемых подземным способом, ввиду реализации больших динамических нагрузок при малой массе машины.

Современные конструкции буровых машин ударного действия характеризуются повышенными энергосиловыми параметрами, применением различных типов породоразрушающего инструмента и его вооружения.

Основные показатели рабочего процесса машин - глубина внедрения инструмента, энергоемкость и скорость бурения - зависят от сопротивления породы внедрению инструмента, которое, в свою очередь, определяется как свойствами породы, так и конструктивными параметрами инструмента.

Ввиду распространения ударного возмущения в виде волн деформации в породу передается лишь часть энергии удара, а остальная часть отражается от породы. Количество энергии, переданной в породу, зависит как от физико-механических свойств породы, так и от конструктивных параметров инструмента.

При разработке новых высокопроизводительных буровых машин ударного действия все большее значение приобретают вопросы энерго- и ресурсосбережения.

Без четкого представления о характере взаимодействия инструмента с породой, оценки влияния конструктивных и геометрических параметров породоразрушающего инструмента на энергоемкость, скорость бурения и другие показатели невозможно проводить научно обоснованное проектирование инструмента.

В связи с этим работа, посвященная обоснованию рациональных конструктивных и геометрических параметров породоразрушающего инструмента, определяемых с учетом динамических характеристик элементов ударной системы и горной породы и обеспечивающих повышение эффективности процесса ударного бурения, является актуальной и отвечает потребностям практики горного производства.

Объектом исследования является породоразрушающий инструмент ударного бурения.

Предмет исследования - конструктивные и геометрические параметры инструмента и их взаимосвязи с основными показателями рабочего процесса буровых машин ударного действия.

Цель работы - обосновать рациональные параметры породоразрушающего инструмента, обеспечивающие повышение эффективности рабочего процесса буровых машин ударного действия.

Идея работы заключается в том, что повышение коэффициента передачи энергии удара в породу достигается при рациональных значениях конструктивных параметров породоразрушающего инструмента.

Методы исследования включают анализ и обобщение результатов теоретических разработок; обработку и анализ экспериментальных данных; математическое моделирование, базирующееся на теории разрушения горных пород и прикладной теории удара.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Формирование ударных нагрузок и степень передачи волн деформации в буровой машине ударного действия определяется соотношениями между динамическими характеристиками ударника, волноводов, породоразрушающего инструмента, а так же горной породы.

2. Эффективное функционирование буровых машин ударного действия обеспечивается при рациональных соотношениях между параметрами ударного механизма и инструмента, при которых достигается максимальное значение ударной жесткости породы при условии разрушения горной породы.

3. Показателем конструктивного совершенства породоразрушающего инструмента является относительная ударная жесткость породы, отнесенная к ударной жесткости инструмента.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована:

• использованием методов математического моделирования, методов статистической обработки экспериментальных и эксплуатационных данных, современного вычислительного оборудования и компьютерного программного обеспечения;

• корректностью сделанных допущений при разработке математической модели процесса взаимодействия инструмента с горной породой (не более 10%).

Научная новизна работы:

разработана математическая модель процесса взаимодействия инструмента с породой с учетом динамических характеристик породы и параметров инструмента;

установлено влияние вида вооружения породоразрушающего инструмента на эффективность рабочего процесса;

обоснован показатель конструктивного совершенства лезвийного и штыревого породоразрушающих инструментов.

Научная значимость работы заключается:

• в установлении зависимостей основных показателей рабочего процесса буровых машин ударного действия - коэффициента передачи энергии удара в породу, скорости бурения и энергоемкости ударного разрушения породы - от параметров породоразрушающего инструмента — лезвийного и штыревого;

• в разработке алгоритма расчета показателей рабочего процесса с учетом динамических характеристик элементов ударной системы и горной породы.

• в обосновании рациональных соотношений между конструктивными параметрами инструмента и параметрами ударного механизма для конкретных условий эксплуатации;

Практическая ценность работы заключается в разработке:

программы расчета показателей рабочего процесса на ЭВМ для реализации математической модели процесса взаимодействия инструмента с породой;

методики выбора рациональных параметров породоразрушающего инструмента.

Реализация результатов работы.

Результаты работы, в частности методика выбора рациональных параметров породоразрушающего инструмента принята для внедрения на ЗАО «Машиностроительный завод им. В. В. Воровского». Экономический эффект, подтвержденный актом о внедрении результатов диссертационной работы, составляет 12400 руб. на одну коронку типоразмера 200-210 мм. По результатам исследования получен патент на полезную модель № 88053 «Буровое долото».

Апробация работы.

Результаты настоящей работы были представлены :

- на научно-технических конференциях ИГД УрО РАН (г. Екатеринбург, 2008, 2009 гг.);

- Международной научно-технической конференции «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности. Чтения памяти В. Р. Кубачека» (г. Екатеринбург, 2009-2013 гг.);

- IV Международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии" (г. Орёл, 2010 г.).

Личный вклад автора заключается:

- в установлении взаимозависимостей между конструктивными параметрами породоразрушающего инструмента и динамическими характеристиками породы при ударном бурении;

- разработке функциональной блок-схемы и алгоритма расчета показателей процесса ударного бурения при лезвийном и штыревом инструментах;

- обосновании рациональных значений конструктивных параметров лезвийного и штыревого инструментов;

- установлении показателя конструктивного совершенства породоразрушающего инструмента.

Публикации. По материалам работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, получен патент на полезную модель.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 125 наименований. Основной текст изложен на 96 страницах и содержит 23 рисунка, 10 таблиц, 3 приложения на 14 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, представлена общая характеристика работы, включающая научную новизну и практическую значимость проблемы, рассмотренной в диссертации.

В первой главе выполнен обзор и анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований по ударному бурению горных пород, систематизирован опыт применения различных видов породоразрушающего инструмента для ударного бурения, проанализированы известные математические модели рабочего процесса ударного бурения.

Во второй главе дана общая характеристика буровых машин ударного действия как импульсных систем, рассмотрены особенности структурных схем импульсных систем.

Показано, что основным структурным элементом импульсной системы является породоразрушающий инструмент, определяющим величину переданной в породу энергии волн деформаций.

Выполнена систематизация конструктивных решений инструмента и вооружения по величине передаваемой энергии удара и площади поверхности ин-денторов, контактирующей с породой.

Определены динамические характеристики элементов ударной системы (ударника, волноводов и инструмента) буровой машины ударного действия и горной породы.

В третьей главе разработана математическая модель процесса взаимодействия инструмента с породой.

Получены зависимости для определения основных показателей буровой машины ударного действия — коэффициента передачи энергии удара в породу Кп, скорости Рд и энергоемкости бурения ад ПРИ различных видах инструмента - лезвийном и штыревом.

В четвертой главе определены рациональные значения параметров вооружения инструмента и обоснован показатель конструктивного совершенства породоразрушающего инструмента.

Показано, что рациональными значениями параметров вооружения инструмента являются такие значения параметров, при которых величина ударной жесткости породы имеет максимальное значение при условии разрушения породы. В этом случае обеспечивается максимальная степень использования энергии удара.

Обоснование защищаемых научных положений

Основные научные результаты сводятся к следующим защищаемым положениям.

Положение 1. Формирование ударных нагрузок и степень передачи волн деформации в буровой машине ударного действия определяется соотношениями между динамическими характеристиками ударника, волноводов, породо-разрушающего инструмента, а так же горной породы

Породоразрушающий инструмент, являющийся структурным элементом силовой импульсной системы (рис. 1), непосредственно осуществляет передачу энергии волн деформаций в породу при одновременном разделении волн деформаций в контактном сечении на две части - отраженную и проходящую в породу.

Подвод гидравлической энергии

Рис. 1. Структура силовой импульсной системы буровой машины ударного действия с погружным ударным механизмом:

1 - гидравлический ударный механизм; 2 - ударник; 3 - породоразрушающий инструмент Гвип - сила ударного импульса; /*■„„-ударная сила, возникающая в инструменте под действием ударного импульса; ^ - сила в прошедшей в породу волне деформации

При взаимодействии инструмента с породой величины сил в прошедшей в породу и в отраженной волнах деформаций составят:

^ 1С

р _ ин п . ,п

с + с '

ИН т ""П

р _ ^ИН (^ИН ~ ^П) готр - г _

где Гин - ударная сила, возникающая в инструменте под действием ударного импульса; Син - ударная жесткость инструмента, Син = /?И115Т; Сп - ударная жесткость породы, Сп =ЛП5К; Дин, Лп - волновое сопротивление материала инструмента и породы соответственно, Яин=аШ1рин, = апрп; ат, ап -скорость распространения волны деформации в материале инструмента и породы соответственно; рин, рп - плотность материала инструмента и породы соответственно; Sт - площадь сечения ударного торца инструмента; Бк - проекция суммарной площади сечений инденторов на плоскость, перпендикулярную направлению удара.

Ударная жесткость инструмента для оптимальной ударной системы (системы, в которой волноводы имеют постоянные по длине поперечные сечения и равные по величине, что обеспечивает передачу по волноводам наибольшее количество энергии волн деформаций без их разрушения) равна ударной жесткости ударника: Син = Суд.

Ударная жесткость ударника определяется параметрами ударного механизма:

V / •уд1 уд

где Луд - энергия удара; Куд - предударная скорость ударника; - длительность удара.

Величина ударной силы, возникающей в инструменте под действием ударного импульса, составит в оптимальной ударной системе

р _ с- 2СИН _ с- _ 2АУД (Л\

ГИИ ~ ^ИМП ^ ~ ГИМП ~ ' ».V

УД + ^уд'уд

где ^имп - амплитуда ударного импульса прямоугольной формы.

Ударная жесткость породы в контактном сечении инструмента с породой составит:

- для лезвийного инструмента (рис. 2, а)

Спл=ИОЫ!1Хё-Яп=КН,

(5)

а

где К = ОМлХъ~Яп\

— для штыревого инструмента с цилиндрическими инденторами (рис. 2, б)

Спш = 0,25 тФ2КшКи- (6)

— для штыревого инструмента со сферическими инденторами (рис. 2, в)

(7)

1=1

где А - глубина внедрения инструмента; О - диаметр инструмента; - количество лезвий; а - угол заострения лезвий; Лп - волновое сопротивление поро-

ды; Кш - коэффициент площади сечений штырей, К метр 1-го штыря; Мш - количество штырей.

Ш 9

жИ1

; ¿пи " диа-

¿т!

/7Г

Ж.

77/

Рис. 2. Зависимость площади контакта инструмента с породой от формы

индентора:

А - глубина внедрения инструмента; /; - текущее значение ширины контактной поверхности; 1„ - длина лезвия; а - угол заострения лезвий; - диаметр /-го штыря; с1, - текущее значение диаметра сферического индентора

Следовательно, при увеличении значений параметров инденторов (угла заострения и количества лезвий, коэффициента площади сечений штырей) увеличивается ударная жесткость породы и практически пропорционально возрастает величина силы в прошедшей в породу волне деформаций, т. е. действующей на контакте инструмента с породой.

В конечном счете, повышается интенсивность ударного воздействия на породу и увеличивается степень передачи энергии удара в породу.

Положение 2. Эффективное функционирование буровых машин ударного действия обеспечивается при рациональных соотношениях между параметрами ударного механизма и инструмента, при которых достигается максимальное значение ударной жесткости породы при условии разрушения горной породы.

Показатели рабочего процесса буровой машины ударного действия определяются как параметрами ударного механизма, так и параметрами породораз-рушающего инструмента.

Так, при увеличении параметров инструмента (например, количества инденторов) возрастает площадь контакта инструмента с породой и ударная жесткость породы. При этом возрастает сила, действующая на контакте инструмента с породой, увеличивается объем разрушенной породы за один удар и, в конечном счете, скорость бурения.

На рис. 3-8 показаны зависимости показателей рабочего процесса от параметров, определяющих ударную жесткость породы (количества и угла заострения лезвий, коэффициента площади сечений штырей).

Вместе с тем, при увеличении ударной жесткости породы и роста площади контакта инструмента с породой уменьшаются напряжения в породе и, при определенном соотношении между параметрами ударного механизма и инструмента, напряжения сравниваются с пределом прочности породы на сжатие. При дальнейшем росте площади контакта инструмента с породой разрушение породы не происходит.

Рис. 3. Зависимости коэффициента передачи энергии удара в породу и энергоемкости бурения от количества лезвий

Лггих, мм Кб, м/мин

1 ,

0,30 ^тах

0,15

0 Уб к

Рис. 4. Зависимости максимальной глубины внедрения инструмента и скорости бурения от количества лезвий

Кп а, МДж/м3

1 1 500

250 -__ а

а,1рад

и 90 110 130

Рис. 5. Зависимости коэффициента передачи энергии удара в породу и энергоемкости бурения от угла заострения лезвий

Кп а, МДж/м3

передачи энергии удара в породу и энергоемкости бурения от коэффициента площади сечений штырей

Лгах> ММ Уб> м/мин

1 !

0,30 Лщах

0,15

0 к6 а,град

90 110 130

Рис. 6. Зависимости максимальной глубины внедрения инструмента и скорости бурения от угла заострения лезвий от угла заострения лезвий

Лтах, ММ Уе, М/МИН

к

0,30

--—Т

0,15

0 Лта X

0,05 0,10 0,15

Рис. 8. Зависимости максимальной глубины внедрения инструмента и скорости бурения от коэффициента площади сечений пггьгрей

Максимальное значение ударной жесткости породы в этом случае определится из условия разрушения породы

^к — ^разр >

где Fpaзp- разрушающая нагрузка, Рраяр =SKGCЖ, где площадь поверхности контакта инструмента с породой; асж - предел прочности породы на сжатие.

Максимальное значение ударной жесткости породы составит: - при лезвийном инструменте

С-П.Л.І

4 А.

УД

V I уд уд

!)

і

уд

- при штыревом инструменте с цилиндрическими штырями

4 А

уд

V і

Кп

1

'уд

(9)

где а — угол заострения инструмента; ц — коэффициент трения стали о породу.

Таким образом, существует рациональное соотношение между параметрами ударного механизма и инструмента, при котором достигается максимальное значение ударной жесткости породы и повышается эффективность функционирования буровой машины.

Положение 3. Показателем конструктивного совершенства породораз-рушающего инструмента является относительная ударная жесткость породы, отнесенная к ударной жесткости инструмента.

На основе разработанной математической модели процесса взаимодействия инструмента с породой установлены зависимости между динамическими характеристиками волноводов и горной породы, параметрами ударного механизма и показателями рабочего процесса.

Для решения на ЭВМ разработаны алгоритмы расчета параметров для лезвийного и штыревого инструментов с цилиндрическими инденторами при оптимальной ударной системе.

Алгоритм расчета показателей при лезвийном инструменте

4 А.

СУД=7л

уд

V* / 'уд'уд

(10)

4 А

уд

Гуд'уд

1

Ьтах ~ IК ,

(П) (12)

где К =

^к.гпах = От л I ^п •

ттО^

2об - .„

п = г/го6.

У6 = "¿тах • 1п(1 + А) _ 2СПЛ ср

Кп = 2 ---

-уд пл.ср

НКАуа 2 С,

где Л =-; С)

К Г2

уд уд

-гіл.ср

ЗА

уд[(1 + ^>5-1,5^-1].

ИД =

разр

а =-

УД

разр

Алгоритм расчета показателей при штыревом инструменте с цилиндрическими штырями

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

4 А

г =_

уд у,2

уд

С < ^пш —

Iіта

4 А.

уд

У і куд'уд

куд'уд

Лп

сж ГЧ&)

4 А.

УД

Иуд (Суд + Сп ш )

■^к.тах " Оіш I ^п • г _ ^^к.тах

- Гт '

^об =

тс/Г К,,,

(21) (22)

(23)

(24)

(25)

(26)

Уб = пНтзх ■

2Спт

Суд + СПШ

V - А ? 'разр ~ "шах °к.тах •

тФ1

УД

разр

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

Анализ полученных зависимостей показывает, что при заданных значениях ударных жесткостей ударника и инструмента показатели рабочего процесса определяются, при прочих равных условиях, величиной ударной жесткости породы.

Следовательно, чем больше отношение ударной жесткости породы, величина которой определяется видом и параметрами вооружения инструмента, к ударной жесткости инструмента, тем больше интенсивность ударного воздействия на породу.

На рис. 9 и 10 показаны зависимости скорости бурения п энергоемкости бурения от относительной ударной жесткости породы.

У6, м/мин

а, МДж/м'

0,30

500

250

сп (

0.5

1.0

0,5

Рис. 9. Зависимости скорости бурения от от- Рис. 10. Зависимости энергоемкости бурения

носительной ударной жесткости от относительной ударной жесткости

породы: породы:

--лезвийный инструмент, --лезвийный инструмент;

--штыревой инструмент --штыревой инструмент

Величина относительной максимальной ударной жесткости породы составляет

г

С — п.max

^п.шахотн — г

'-ин

Преобразуя формулы (8) и (9) с учетом зависимости (3), получим выражения для относительной максимальной жесткости породы: - при лезвийном инструменте

.JWWL.,. (33)

^п.л.тахотн _ ^ а

J сж

ц + tg-

- при штыревом инструменте

V я

"уд*п (34)

'-п.ш.тахотн *•

асж

Следовательно, величина относительной ударной жесткости породы, отнесенной к ударной жесткости инструмента, определяет степень конструктивного совершенства породоразрушающего инструмента, характеризующую эффективность воздействия инструмента на породу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации содержится решение актуальной научно-технической задачи повышения эффективности функционирования буровых машин ударного действия.

Основные научные и практические результаты проведенных исследований заключаются в следующем:

1. Установлено, что буровые машины ударного действия имеют значительные резервы повышения технического уровня за счет согласования параметров волн деформаций с динамическими характеристиками породы и обоснования рациональных значений параметров породоразрушающего инструмента.

2. Разработана математическая модель процесса взаимодействия инструмента с породой при ударном бурении, учитывающая влияние конструктивных параметров инструмента на показатели функционирования буровых машин ударного действия.

3. Установлено, что степень передачи энергии удара в породу и эффективность рабочего процесса зависят от вида и параметров вооружения инструмента.

4. Разработан алгоритм выбора рациональных параметров лезвийного и штыревого инструментов, при которых достигается максимальная величина ударной жесткости породы и, соответственно, снижается энергоемкость бурения.

5. Составлена программа расчета показателей на ЭВМ для реализации математической модели, позволяющая вводить и корректировать исходные параметры и представлять результаты в виде графиков изменения анализируемых факторов и показателей функционирования оборудования.

6. Показано, что одним из способов повышения эффективности функционирования оборудования является создание адаптивного породоразрушающего инструмента с изменяющимися конструктивными параметрами в соответствии с условиями эксплуатации буровой машины.

7. Обоснован показатель степени конструктивного совершенства лезвийного и штыревого инструментов.

8. Разработана методика инженерного расчета показателей функционирования буровых машин с погружным ударником при лезвийном и штыревом инструментах с учетом динамических характеристик элементов ударной системы и горной породы.

9. Использование результатов проведенных исследований позволит повысить эффективность создания и эксплуатации буровых машин ударного действия. Применение разработанных методик и прикладных программ значительно сокращает время на проектирование и разработку конструкций породоразрушающего инструмента.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях

1. Комиссаров А. П., Прокопович Г. В., Быков Д. В. Выбор рациональных параметров породоразрушающего инструмента буровых машин ударного действия // Горное оборудование и электромеханика. 2010. № 7. С. 22-24.

2. Комиссаров А. П., Фролов С. Г., Прокопович Г. В. Влияние конструкции породоразрушающего инструмента на эффективность ударного бурения // Горное оборудование и электромеханика. 2012. № 8. С. 11-15.

Статьи, опубликованные в других изданиях

3. Комиссаров А. П. Прокопович Г. В. Формирование энергозатрат при ударном бурении // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. докладов VII международной научно-технической конференции. Чтения памяти В. Р. Кубачека. Екатеринбург: УГГУ, 2009. С. 235239.

4. Комиссаров А. П., Прокопович Г. В. К обоснованию рациональных условий передачи энергии удара горной породе при бурении // Известия Уральского государственного горного университета. Вып. 24. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2010. С. 96-99.

5. Прокопович Г. В. Влияние параметров инструмента для ударного бурения на показатели рабочего процесса // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. докладов VIII международной научно-технической конференции. Чтения памяти В. Р. Кубачека. Екатеринбург: УГГУ, 2010. С. 264-267.

6. Прокопович Г. В., Фролов С. Г. Особенности импульсных систем буровых машин ударного действия II Ударно-вибрационные системы, машины и технологии: материалы IV международного научного симпозиума. Орел: ОрелГТУ, 2010. 384 с.

7. Прокопович Г. В. Взаимосвязи конструктивного выполнения породо-разрушающего инструмента с показателями процесса ударного разрушения породы // Международный научно-промышленный симпозиум «Уральская гсрная школа - регионам», г. Екатеринбург, 2010 г.: сборник докладов. Екатеринбург: Изд-во УГТУ, 2010. С. 384-386.

8. Комиссаров А. П., Прокопович Г. В. Оценка коэффициента полезного действия импульсной системы буровых машин ударного действия // Известия Уральского государственного горного университета. Вып. 25-26. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2011. С. 66-68.

9. Комиссаров А. П., Попова М. Н., Прокопович Г. В. Буровое долото. Патент на полезную модель № 88053 от 27.10.2009. Бюл. № 30.

Подписано в печать 31. 10. 2013 г. Печать на ризографе. Бумага писчая. Формат 60x84 1/16.

Гарнитура Times New Roman. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ Ь . Издательство УГГУ 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 Уральский государственный горный университет Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники издательства УГГУ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФГБОУ ВПО

«УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРС"™^

04201 451 583

ПРОКОПОВИЧ ГРИГОРИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ УДАРНОМ БУРЕНИИ ГОРНЫХ ПОРОД

05.05.06 - Горные машины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор А. П. Комиссаров

Екатеринбург - 2013

1

л

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 3

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ВЫПОЛНЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА БУРОВЫХ МАШИН УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.............................. 8

1.1. Обзор и анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований рабочего процесса буровых машин ударного действия.......................................................................... 8

1.2. Анализ конструкций породоразрушающего инструмента для ударного бурения...................................................................... 17

1.3. Постановка задач исследования....................................... 24

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА БУРОВЫХ МАШИН УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ КАК ИМПУЛЬСНЫХ СИСТЕМ.................................. 27

2.1. Общая характеристика импульсных систем........................ 27

2.2. Особенности импульсных систем буровых машин ударного действия................................................................................. 32

2.3. Зависимости динамических характеристик породы от вида

породоразрушающего инструмента............................................... 37

ВЫВОДЫ................................................................................ 46

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИНСТРУМЕНТА С ПОРОДОЙ

ПРИ УДАРНОМ БУРЕНИИ......................................................... 48

3.1. Влияние параметров инструмента на показатели функционирования импульсной системы........................................ 49

3.2. Моделирование процесса взаимодействия инструмента

с породой................................................................................. 57

3.3. Определение показателей рабочего процесса с учетом

»

динамических параметров инструмента и породы............................................................61

ВЫВОДЫ................................................................................................................................................................65

ГЛАВА 4. УСТАНОВЛЕНИЕ ВЗАИМОЗАВИСИМОСТЕЙ МЕЖДУ ПАРАМЕТРАМИ ИНСТРУМЕНТА И ПОКАЗАТЕЛЯМИ

ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ СИСТЕМЫ..............................................66

4.1. Выбор рациональных параметров импульсной системы................66

4.2. Соотношения между показателями функционирования буровых машин ударного действия и параметрами

породоразрушающего инструмента................................................................................................69

4.3. Обоснование рациональных параметров

породоразрушающего инструмента................................................................................................75

ВЫВОДЫ................................................................................................................................................................81

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................................................82

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................................................84

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Методика расчета показателей рабочего процесса

буровых машин ударного действия................................................................................................97

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Программа расчета показателей рабочего процесса

буровых машин ударного действия................................................................................................105

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Акт внедрения..................................................................................................110

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Буровые машины ударного действия находят широкое применение в горнодобывающей промышленности. Практика горного производства показывает, что они обеспечивают высокую эффективность буровых работ, особенно при разработке месторождений полезных ископаемых подземным способом, ввиду реализации больших динамических нагрузок при малой массе машины.

Современные конструкции буровых машин ударного действия характеризуются повышенными энергосиловыми параметрами, применением различных типов породоразрушающего инструмента и его вооружения.

Основные показатели рабочего процесса машин - глубина внедрения инструмента, энергоемкость и скорость бурения - зависят от сопротивления породы внедрению инструмента, которое, в свою очередь, определяется как свойствами породы, так и конструктивными параметрами инструмента.

Ввиду распространения ударного возмущения в виде волн деформации в породу передается лишь часть энергии удара, а остальная часть отражается от породы. Количество энергии, переданной в породу, зависит как от физико-механических свойств породы, так и от конструктивных параметров инструмента.

При разработке новых высокопроизводительных буровых машин ударного действия все большее значение приобретают вопросы энерго- и ресурсосбережения.

Без четкого представления о характере взаимодействия инструмента с породой, оценки влияния конструктивных и геометрических параметров породоразрушающего инструмента на энергоемкость, скорость бурения и другие показатели невозможно проводить научно обоснованное проектирование инструмента.

В связи с этим, работа, посвященная обоснованию рациональных конструктивных и геометрических параметров породоразрушающего

инструмента, определяемых с учетом динамических характеристик элементов ударной системы и горной породы и обеспечивающих повышение эффективности процесса ударного бурения, является актуальной и отвечает потребностям практики горного производства.

Объектом исследования является породоразрушающий инструмент ударного бурения.

Предмет исследования - конструктивные и геометрические параметры инструмента и их взаимосвязи с основными показателями рабочего процесса буровых машин ударного действия.

Цель работы - обосновать рациональные параметры породораз-рушающего инструмента, обеспечивающие повышение эффективности рабочего процесса буровых машин ударного действия.

Идея работы заключается в том, что повышение коэффициента передачи энергии удара в породу достигается при рациональных значениях конструктивных параметров породоразрушающего инструмента.

Методы исследования включают анализ и обобщение результатов теоретических разработок; обработку и анализ экспериментальных данных; математическое моделирование, базирующееся на теории разрушения горных пород и прикладной теории удара.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Формирование ударных нагрузок и степень передачи энергии волн деформации в буровой машине ударного действия определяются соотношениями между динамическими характеристиками ударника, волноводов, породоразрушающего инструмента, а также горной породы.

2. Эффективное функционирование буровых машин ударного действия обеспечивается при рациональных соотношениях между параметрами ударного механизма и инструмента, при которых достигается максимальное значение ударной жесткости породы при условии разрушения горной породы. м , , , 'т., ^

* , > '' ' а ,

3. Показателем конструктивного совершенства породоразрушающего

инструмента является относительная ударная жесткость породы, отнесенная к ударной жесткости инструмента.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована:

• использованием методов математического моделирования, методов статистической обработки экспериментальных и эксплуатационных данных, современного вычислительного оборудования и компьютерного программного обеспечения;

• корректностью сделанных допущений при разработке математической модели процесса взаимодействия инструмента с горной породой.

Научная новизна работы:

разработана математическая модель процесса взаимодействия инструмента с породой с учетом динамических характеристик породы и параметров инструмента;

установлено влияние вида вооружения породоразрушающего инструмента на эффективность рабочего процесса;

обоснован показатель конструктивного совершенства лезвийного и штыревого породоразрушающих инструментов. Научная значимость работы заключается:

• в установлении зависимостей основных показателей рабочего процесса буровых машин ударного действия - коэффициента передачи энергии удара в породу, скорости бурения и энергоемкости ударного разрушения породы - от параметров породоразрушающего инструмента - лезвийного и штыревого;

• в обосновании рациональных соотношений между конструктивными параметрами инструмента и параметрами ударного механизма для конкретных условий эксплуатации;

• в разработке алгоритма расчета показателей рабочего процесса с учетом динамических характеристик элементов ударной системы и горной породы.

Практическая ценность работы заключается в разработке: программы расчета показателей рабочего процесса на ЭВМ для

реализации математической модели процесса взаимодействия инструмента с породой;

методики выбора рациональных параметров породоразрушающего инструмента.

Реализация результатов работы.

Результаты работы, в частности, методика выбора рациональных параметров породоразрушающего инструмента принята для внедрения на ЗАО «Машиностроительный завод им. В. В. Воровского» и используется в учебном процессе кафедры горных машин и комплексов. По результатам исследования получен патент на полезную модель № 88053 «Буровое долото».

Апробация работы.

Результаты настоящей работы были представлены на:

- научно-технических конференциях ИГД УрО РАН (г. Екатеринбург, 2008, 2009 гг.);

- международной научно-технической конференции «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности. Чтения памяти В. Р. Кубачека» (г. Екатеринбург, 2009-2013 гг.);

- IV международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии" (г. Орёл, 2010 г.).

Личный вклад автора заключается:

- в установлении взаимозависимостей между конструктивными параметрами породоразрушающего инструмента и динамическими характеристиками породы при ударном бурении;

- в разработке функциональной блок-схемы и алгоритма расчета показателей процесса ударного бурения при лезвийном и штыревом инструментах;

- в обосновании рациональных значений конструктивных параметров лезвийного и штыревого инструментов;

в установлении показателя конструктивного совершенства

породоразрушающего инструмента.

Публикации. По материалам работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 статьи в ведущем рецензируемом научном журнале, и получен патент на полезную модель.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 125 наименований. Основной текст изложен на 99 страницах и содержит 25 рисунков, 9 таблиц, 3 приложения на 14 страницах.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ВЫПОЛНЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА БУРОВЫХ МАШИН УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Обзор и анализ результатов теоретических и

экспериментальных исследований рабочего процесса буровых машин ударного действия

Изучению процесса ударного разрушения горных пород посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных ученых, осветивших в той или иной мере разные стороны этого процесса - энергоемкость ударного разрушения горных пород, влияние волновых процессов на формирование напряженно-деформированного состояния породы, определение параметров волн деформаций, расчет импульсного внедрения инструмента в породу и др.

Большой вклад в развитие теории разрушения горных пород и прикладной теории удара внесли отечественные ученые - Александров Е. В., Алимов О. Д., Андреев В. Д., Барон Л. И., Бронников Д. И., Вихляев А. А., Иванов К. И., Коняшин Ю. Г., Кутузов Б. Н., Протасов Ю. И., Ржевский В. В., Ушаков Л. С., Шрейнер Л. А. и др.

Из зарубежных ученых следует отметить Sears J. Е., Arndt F. К., Fairhurst С.

Существенный вклад в разработку и решение вопросов, связанных с развитием буровой техники ударного действия и технологии буровых работ внесли О. Д. Алимов, Л. Т. Дворников, К. И. Иванов, Б. Н. Кутузов, Б. В. Суднишников, Н. У. Турута, Д. А. Юнгмейстер и др.

Значительное влияние на современное состояние и развитие буровой техники ударного действия оказали работы ряда производственных организаций, учебных проектных и научно-исследовательских институтов, а именно: ОАО «Рудгормаш», ОАО «Волгабурмаш», ОАО «Уралбурмаш», ИПКОН

и. ■ ■ 1 1 1

РАН, ИГД СО РАН, ВНИИБТ, ФГУП «ННЦ ГП-ИГД им. А. А. Скочинско-

го», Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» (Санкт-Петербург), Тульский государственный университет, МАДИ, Орел ГТУ и др.

Результаты экспериментальных исследований процесса разрушения горных пород ударом изложены в работах Л. И. Барона, К. И. Иванова, Л. С. Ушакова и др.

Одним из основных вопросов в выполненных исследованиях является вопрос о физической сущности механизма ударного разрушения породы. В ряде исследований / 17, 91 / утверждается, что качественно процесс разрушения породы при ударном нагружении мало отличается от статического разрушения породы. В других исследованиях / 10, 11, 37, 98 / основное внимание уделяют волновым процессам, считая их главными при рассмотрении напряженного состояния породы и анализе энергоемкости её разрушения.

Наконец, есть попытки объединить оба подхода в один, учитывающий влияние как статической, так и динамической нагрузок / 35, 42,113 /.

Противоречия в объяснении механизма ударного разрушения породы обусловливаются сложностью ударного процесса как процесса формирования и распространения волн деформации, а также воздействия волн деформации, отраженных от породы, на элементы ударной системы, включающей ударный механизм, волновод (буровой став, бур) и породоразрушающий инструмент.

В работах / 4, 9 / подчеркивается, что при исследовании механизма ударного разрушения породы необходимо учитывать многократность воздействия волны деформации на инструмент после ряда отражений от породы и ударника.

Основным показателем, характеризующим производительность и степень технического совершенства оборудования, является энергоемкость рабочего процесса (в данном случае - разрушения породы), определяемая отношением энергозатрат к объему отбитой горной породы.

При динамическом нагружении прочность породы согласно кинетической теории разрушения твердых тел / 44 / существенно повышается, что обусловливает рост энергоемкости рабочего процесса.

Повышение прочности пород при динамическом воздействии происходит в результате изменения напряженного состояния при уплотнении породы в контактной зоне (деформаций кристаллической решетки).

В соответствии с теорией прочности Мора, при возрастании вектора нормального напряжения ввиду смещения вновь образованной поверхности возрастет расход энергии на трение между поверхностями при их перемещении. Расход энергии возрастет не только за счет повышения нормального напряжения, но и за счет увеличения пути смещения поверхности и возрастания общего количества вновь образованной поверхности.

Широкие исследования были проведены М. И. Агошковым, Д. М. Бронниковым и Г. А. Красавиным, которые определили энергетические характеристики статического и динамического способов разрушения пород с различными физико-механическими свойствами / 2 /.

На основании проведенных экспериментов авторы пришли к следующим выводам:

- в породах с коэффициентом крепости /< 6 энергоемкость при динамическом разрушении выше, чем при статическом;

- в породах с коэффициентом крепости / = 6 - 8 энергетические характеристики при обоих способах разрушения примерно одинаковы;

- в породах с коэффициентом крепости/> 8 динамическое разрушение эффективнее статического, причем с ростом крепости пород преимущества первого способа все более растут.

Большинство исследователей отмечают влияние на энергоемкость разрушения параметров ударной нагрузки - энергии удара, скорости соударения инструмента с породой, частоты ударов и др.

В исследованиях процесса разрушения пород влияние энергии удара на основные показатели эффективности (энергоемкость разрушения и произво-

дительность отбойки) трактуется по-разному. В работах / 5, 20, 64, 97 / показано, что при увеличении энергии удара выше некоторого (определенного для каждого конкретного случая) значения энергоемкости разрушения возрастают. Например, Барон Л. И. считает, что причиной этого является повышение степени разрушения и увеличение в связи с этим вновь образованной поверхности продуктов разрушения. В других работах / 16, 63 / исследователи приходят к выводу, что повышение энергоемкости нельзя объяснить возрастанием степени разрушения, ибо это есть следствие, а причина явления заключается в изменении характера нагружения разрушаемого материала при увеличении энергии удара.

Исследования / 19, 21, 46 / показывают, что эффективное разрушение пород с заданными физико-механическими свойствами обеспечивается при увеличении энергии единичного удара до определенного предельного значения, что приводит к снижению энергоемкости разрушен�