Обоснование структуры и основных параметров переносного перфоратора с винтовой траекторией рабочего хода

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цели и задачи диссертационного исследования, сформулированы научные положения, выносимые на защиту, раскрыта научная новизна работы, подтверждена обоснованность полученных результатов, а также их научно- практическое значение.
В первой главе был проведен анализ состояния вопроса, который показывает, что к настоящему времени, проведены глубокие экспериментальные и аналитические исследования процессов, протекающих при различных способах бурения. Рассмотрены различные модели взаимодействия буровых инструментов при разрушении горных пород, а также закономерности сколов породы ударно-скалывающим инструментом. Проведен анализ методов и средств физического моделирования процесса разрушения породы применительно к бурению шпуров, показывающий
многообразие различных конструкций стендов и их предназначений. Проведен анализ конструкции перфораторов для бурения шпуров ударно- поворотным и ударно-вращательным способами.
Исследования в области процесса разрушения горной породы ударным воздействием на буровой инструмент и энергоемкости разрушения горных пород машинами ударного действия проводились многими учеными, среди которых Н.С. Успенский, И.С. Покровский, И.А. Остроушко, В.В. Царицин, Н.С. Гуськов, Ж.А. Коняшин, Л.Т. Дворников, А.Д. Пашков, Асатура К.Г и др.
Исследованиями в области повышения эффективности бурения шпуров занимались В.Г. Михайлов, Н.Г. Петров, М.Г. Крапивин, Н.И. Сысоев, Ж.А. Алиев, О.Д. Алимов, B.A. Стрельцов, А.И. Федулов, Л.А. Шрейнер, А.С.Гришин, И.В. Чупров, Д.А. Юнгмейстер, В.А. Пивнев, И.А.Жуков, В.П. Рындин, В.М. Васильев, С.Н. Аракчеев, С.Г. Мирный, Д.А. Гринько, А.Э. Сабитов и др.
Проведенный анализ известных способов бурения и особенностей силового воздействия на буровой инструмент позволяет выявить возможности повышения эффективности бурения и разработать соответствующие им новые схемы силовых воздействий на инструмент. Применение таких схем, в частности для ударно-поворотного бурения, позволит раскрыть ранее не использовавшиеся резервы повышения эффективности бурения. Однако для этого требуются соответствующие исследования.
Во второй главе приведены основные положения математического моделирования напряженно-деформированного состояния твердых тел методом конечно-элементного анализа (МКЭ).
Для хрупкого разрушение горных пород была выбрана модель Holmquist–Johnson–Cook (HJC), используемая для моделирования механического повреждения хрупких материалов (керамика, камни и бетон, и т.д.). Модель предполагает, что прочность материала ∗ может быть выражена функцией давления и скорости деформации:
∗ = ( (1 − )) + ∗ )(1 + ∗) ≤ (1) Прочность материала ∗ определяется как:
∗ = / (2)
где ∗ − эквивалент фон Мизеса и прочность ( ) на одноосное сжатие с
при квазистатическом нагружении.
Переменная повреждения материала накапливается как с
эквивалентной пластической деформацией, так и с объемным пластическим напряжением в соответствии с уравнением:
= ∑ ∆ + ∆ / ( ∗),
где = ( ∗ + ∗) 2 и ≤ ≤ . 1 , ,
Давление определяется нелинейными упругими уравнениями: = + 2 + 3,
(3)
(4)
(5)
где , , −параметрыматериала; 123
− объемная деформация.
= − 1+
Для описания физических свойств
упругопластическом воздействии была выбрана модель Друкера-Прагера. Прочностными характеристиками горной породы в данной модели являются удельное сцепление и угол внутреннего трения . Так как в используемой модели разрушения за основу было принято параболическое описание функций, то можно применить следующие уравнения:
= р (6)
р = 2( ж 1/2 − 45°) р
(7)
где р – предел прочности на растяжение, МПа; ж – предел прочности на сжатие, МПа.
= √ ж + 1 − 1 (8) р
Сцепление С, МПа выражается через прочность при одноосном сжатии соотношением:
горной
породы при
С = ж((1 − )/2 ))/2
где – угол внутреннего трения, град.
(9)
Для исследования влияния изменения углов приложения ударной нагрузки на эффективность сколообразования разработана оригинальная конструкция стенда (рисунок 1). Стенд выполнен в виде маятникового гравитационного копра и содержит стол 1, основание 2, копер 3, соединенный шпилькой 4 с основанием 2. Для кинематической связи между копром 3 и тяговыми звеньями 6 механизм оснащен подшипниковыми узлами 5, к которым присоединены тяговые звенья копра.
К тяговым звеньям 6 через подшипниковые узлы 5 прикреплено выходное звено 7, к которому через сквозное отверстие болтом 10 прикреплено долото 8. Для изменения энергии удара по поверхности
Рисунок 1 – Общий вид стенда
породного массива 19 на хвостовик долота 8 надеваются грузы 9 с массой 1, 2, 3. Для поднятия долота 8 с грузом на высоту = 1 м стенд оснащен лебедкой 12, которая через тяговый канат 13 и ролики 14 закрепляется через отверстие на хвостовике долота 20 с помощью крюка 17. Для отделения крюка 17 от хвостовика долота 20 рейка 18 оснащена рым-болтом 21.
Для изменения угла приложения ударной нагрузки долота 8 к породному массиву наклонная плита 11 оборудована рейкой 18 со сквозными отверстиями 16. При
помощи стопорного болта 15 плита фиксируется на заданный угол . Угловой шаг установки плиты равняется 5 градусам.
Для исследования влияния изменения траектории внедрения клина и его геометрии на эффективность сколообразования был разработан специальный стенд, представленный на рисунке 2. Стенд состоит из груза 1 массой 1, направляющей трубы 2, геликоидального стержня 3, геликоидальной втулки 4, клина 5 и образца породы 6. При сбрасывании груза 1 массой 1 с высоты H, геликоидальный стержень 3, перемещаясь в геликоидальной втулке 4 через клин 5 передает на поверхность породного массива 6 энергию удара , формирующую скол образца горной породы.
В разработанном стенде имеются геликоидальная втулка и стержень, наличие которых обеспечивает возможность
Рисунок 2 – Схема стенда: 1 – груз; 2 – направляющая труба; 3 – геликоидальный стержень; 4– геликоидальная втулка; 5 – клин; 6 – образец породы

внедрения клина в породный массив по винтовой траектории, а применение цилиндрических стержня и втулки только осевое внедрение.
В третьей главе проведены исследование процесса разрушения породы при воздействии на нее ударных нагрузок с различными углами приложения к поверхности забоя.
Совершенствование ударно-поворотного способа бурения может быть достигнуто за счет использования известных физических принципов разрушения горных пород. Если вектор ударной нагрузки отклонить от оси бурового инструмента на некоторый угол, то одновременно с внедрением инструмента в породу будет формироваться дополнительное напряжение сдвига и растяжения. Отклонение вектора ударной нагрузки возможно обеспечить за счет изменения траектории внедрения бурового инструмента с осевой (линейной) на винтовую. При таком силовом воздействии бурового инструмента на забой можно ожидать, что крупные сколы породы будут формироваться чаще, а объем дробимой породы уменьшится.
В результате моделирования различных силовых воздействий участка режущей кромки клина шириной 1 мм на массив породы с модулем Юнга = 1 ∙ 109 Па и коэффициентом Пуассона = 0,3 были получены картины напряженно-деформированного состояния породы в подрезцовой зоне, представленные на рисунке 3.
Как видно из рисунка 3.б, при имитации данного силового нагружения режущей кромки клина с ударной нагрузкой, направленной от оси инструмента на некоторый угол, на забое имеет место большее значение деформаций породы перед передней гранью, по сравнению с осевым (линейным) направлением ударной нагрузки (рисунок 3.а). Данное
а
б
Рисунок 3 – Схемы напряженно-деформированного состояние породного массива при имитации различных способов бурения: а – вращательного с дополнительной осевой нагрузкой; б – вращательного с дополнительной осевой нагрузкой, направленной от оси клина на некоторый угол
комбинированное силовое воздействие на буровой инструмент позволит передать большее количество энергии в виде деформаций (напряженно- деформированных полей) в породу и осуществить более крупный скол.
Для проведения математического моделирования зависимости объема
а
б
в
г
Рисунок 4 – Схемы формирования единичных сколов породы при различных значениях углов приложения ударной нагрузки к лезвию бурового инструмента: а – 30 градусов; б – 40 градусов; в – 55 градусов;
г – 90 градусов
единичного скола породы (модель HJC) от угла приложения ударной нагрузки к лезвию бурового инструмента были получены следующие картины разрушения, представленные на рисунке 4.
На рисунке 5 представлен график зависимости объема единичных сколов породы от углов приложения ударной нагрузки к лезвию, имитирующего рабочую поверхности бурового инструмента.
5 4 3 2 1 0
0 20 40 60 80 100
Угол приложения ударной нагрузки, α градусы
Рисунок 5 – График зависимости объема единичных сколов породы от угла приложения ударной нагрузки к лезвию бурового инструмента:
y = 1E-0.5×3 + 0,0024×2 + 1,1458x+1,5065; R2 = 0,9893
Из графика видно, что увеличение угла приложения ударной нагрузки к лезвию бурового инструмента будет положительно влиять на объем
Объем скола, мм3

единичного скола породы до значений угла равным примерно 40 градусов, а затем – наоборот. Данные результаты математического моделирования свидетельствуют о целесообразности изменения направления приложения ударной нагрузки к лезвию инструмента для повышения эффективности сколообразования.
На основании результатов физического моделирования, проведенном на стенде (рисунок 1), влияния изменения углов приложения ударной нагрузки, прикладываемой к бурового инструменту, на эффективность сколообразования были получены графики (рисунок 6) зависимости объема единичного скола от угла приложения ударной нагрузки.
Полученные результаты дают основание считать, что внедрение инструмента в породу должно осуществляться не по линейной траектории, а по винтовой. Такая траектория движения бурового инструмента позволит отклонить вектор ударной нагрузки на необходимый угол для обеспечения эффективного сколообразования. Для того, чтобы получить значение угла приложения ударной нагрузки к лезвию инструмента 30–35 градусов относительно оси инструмента, угол подъёма винтовой нарезки должен составлять 55–60 градусов.
0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0
2
0 10 20 30 40
Угол приложения ударной нагрузки, α градусы
Гипс, f=2 Сланец, f=4 Мрамор, f=8
Рисунок 6 – Графики зависимости объема единичного скола от угла приложения ударной нагрузки:
1 – y = -6E-05×2 + 0.0047x – 0,0047; R2 = 0,9861
2 – y = -2E-05×2 + 0.0018x – 0,0032; R2 = 0,9822
3 – y = -5E-06×2 + 0.0004x – 0,0015; R2 = 0,9544
Для подтверждения целесообразности внедрения бурового инструмента по винтовой траектории было проведено моделирование (модель Друкера- Прагера) процесса внедрения клиньев разной формы в породный массив при осевой и винтовой схемах ударного нагружения. В качестве горной породы моделировался мрамор.
Объем скола, см3

На рисунке 7 и рисунке 8 представлены испытуемые модели, а именно клин симметричной формы и клин, у которого угол заточки плоскости меньше по направлению поворота, чем с
противоположной стороны (далее по тексу асимметричный клин).
Симметричный
клин (рисунок 7) имел угол заострения = 80° и диаметр 8,5 мм. По такой схеме выполнены конструкции буровых долот для ударного бурения.
Учитывая, что в нашем случае буровой инструмент предполагается внедрять с поворотом, целесообразно форму клина принять такой (рисунок 8), у которого угол заточки плоскости по направлению поворота равен = 35о, а противоположной – = 45о. Угол поворота относительно оси инструмента при внедрении составлял 30 градусов.
На рисунке 9 представлены результаты моделирования процесса внедрения клиньев в породный массив.
Рисунок 7 – Симметричный клин
Рисунок 8 – Асимметричный клин
А
Б
В
Г
Рисунке 9 – Напряженно-деформированное состояние породы при внедрении клина симметричной (А) и асимметричной (Б) формы по осевой траектории, и внедрении клина симметричной (В) и асимметричной (Г) формы по винтовой траектории
Из приведенных картин напряженно-деформированного состояния были установлены закономерности, свидетельствующие о влиянии углов заточки рабочих граней бурового инструмента, выполненных в виде клиньев, на характер сколообразования породного массива. Наибольший эффект процесса сколообразования проявляется при использовании долотчатого
инструмента, у которого плоскости по направлению поворота наклонены относительно оси на 5–10 градусов больше, чем плоскости с противоположной стороны. Проведено физическое моделирование на специально разработанном стенде (рисунок 2) для исследования влияния изменения траектории внедрения клина и его геометрии на эффективность сколообразования.
На рисунке 10 представлены графики средних значений объёмов продуктов скола мрамора в зависимости от энергии удара и геометрии
0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0
Осевой удар
1
0 10 20 30 40 50 60 Энергия удара, Дж
Симметричный клин Асимметричный клин
0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0
Винтовой удар
4
0 10 20 30 40 50 60 Энергия удара, Дж
Симметричный клин Асимметричный клин
Рисунок 10 – Графики зависимостей объемов продуктов скола от энергии удара по осевой и винтовой траекториям внедрения симметричного и асимметричного клиньев:
1 – y = 2E-07×2 + 0,0023x – 0,0252; R2 = 0,9807
2 – y = -7E-07×2 + 0,0022x – 0,0215; R2 = 0,9853
3 – y = -4E-06×2 + 0,0027x – 0,0277; R2 = 0,9978
4 – y = -7E-06×2 + 0,0034x – 0,0362; R2 = 0,9935
Объем скола, см3 Объем скола, см3

клиньев, из которых видно, что эффективность сколообразования наглядно проявляется при внедрении ассиметричных клиньев по винтовой траектории.
На рисунке 11 представлены графики зависимостей энергоемкости разрушения от энергии удара. Как видно из графиков, значения энергоемкости разрушения при осевой траектории ударной нагрузки клиньями симметричной
1600 1400 1200 1000
800 600 400 200
Осевой удар
2
0 10 20 30 40 50 60
Энергия удара, Дж
1 – Симметричный клин 2 – Асимметричный клин
1200 1000 800 600 400 200 0
Винтовой удар
4
0 10 20 30 40 50 60
Энергия удара, Дж
3 – Симметричный клин 4 – Асимметричный клин
Рисунок 11 – Графики зависимостей энергоемкости разрушения от энергии удара при осевой и винтовой траекториям внедрении симметричного и асимметричного клиньев:
1 – y = 0,0017×3 + 0,6271×2 – 67,74x + 2214.8; R2 = 0.9902
2 – y = 0,0194×3 + 1.3282×2 – 3.5178x + 1362; R2 = 0.9359
3 – y = -0,0218×3 + 2,9203×2 – 130,96x + 2521,1; R2 = 0,9905
4 – y = -0,0297×3 + 3,7504×2 – 158,17x + 2707,5; R2 = 0,9768
Энергоемкость разрушения, Дж/см3 Энергоемкость разрушения, Дж/см3

и асимметричной форм примерно одинаковы. В случае, когда клин внедрялся в породный массив по винтовой траектории вектора ударной нагрузки наблюдалось снижение значений энергоемкости разрушения при всех уровнях энергии удара.
Использование асимметричного клина, позволяет увеличить объем единичных сколов породы при одинаковой энергии удара в среднем в 1,2 раза, чем клином симметричной формы, и в 1,4 раза, чем при осевом нагружении этих клиньев, а также уменьшить показатели энергоемкости. Энергоемкость разрушения при винтовой траектории вектора ударной нагрузки асимметричным клином в среднем в 1,15 раз меньше, чем клином симметричной формы и в 1,45 раза меньше, чем при осевом нагружении этих клиньев.
В четвертой главе было произведено обоснование конструктивных и кинематических параметров переносного перфоратора с винтовым рабочим ходом бурового инструмента.
Применительно к данному принципу внедрения инструмента в породу предложена соответствующая конструкция переносного перфоратора, обеспечивающая поворот бурового инструмента при его рабочем ходе. Структурная схема такого перфоратора представлена на рисунке 12.
Разработана компоновочная схема переносного перфоратора с винтовым рабочим ходом бурового инструмента, представленная на рисунке 13.
Представленная конструкция переносного перфоратора оборудована дополнительным храповым механизмом на поворотной буксе 8 и геликоидальной парой «хвостовик бура-поворотная букса» 11, обеспечивающая возможность внедрения при рабочем ходе бурового инструмента в породный массив по винтовой траектории.
Рисунок 12 – Структурная схема переносного перфоратора с винтовой траекторией рабочего хода бурового инструмента:
ВРМ – воздухораспределительный механизм;
ГС – геликоидальный стержень; ХМ – храповый механизм; ПУ – поршень ударник; ПБ – поворотная букса; Доп. ХМ – дополнительный храповый механизм; УПМ – ударно-поворотный механизм; ХБ – хвостовик бура; БИ – буровой инструмент
Разработана методика по выбору конструктивных и геометрических параметров вновь вводимых элементов при проектировании переносных перфораторов ударно-винтового действия.
Конструктивные параметры геликоидального соединения (рисунок 14) хвостовика бура сводятся к выполнению неравенства пределов прочности на
Рисунок 13 –Компоновочная схема переносного перфоратора с винтовым рабочим ходом бурового инструмента: 1 – корпус; 2 – храповая букса; 3 – геликоидальный стержень; 4 – стопорная собачка; 5 – пружина; 6 – геликоидальная гайка; 7 – поршень ударник; 8 – поворотная букса; 9 – стопорная собачка; 10 – пружина; 11 – хвостовик бурового инструмента
Рисунок 14 –
бура: в – наружный диаметр зубьев вала; – диаметр отверстия
шлицевой втулки; h -рабочая высота зуба; – размер фаски; – радиус закругления; – ширина зуба; − рабочая длина зуба
Схема к расчету геликоидального соединения хвостовика
смятие [ см] и срез [ кр]. Схема к расчету геометрических размеров храпового колеса и замыкающей собачки представлена на рисунке 15.
С помощью программного комплекса конечно-элементного анализа Abaqus/CAE проведен статический анализ напряжений (рисунок 16) данных элементов, показывающий опасные сечения во вновь вводимых узлах.
АБВ
За прототип для разработки элементов, обеспечивающих винтовой рабочий ход бурового инструмента, был взят пневматический перфоратор ПП- 63. Основные конструктивные элементы ударно-поворотного механизма пневматического перфоратора ПП-63М с винтовым рабочим ходом бурового инструмента представлены на рисунке 17 в собранном (А) и разнесенном (Б) видах.
Рисунок 15 –
собачки: −диаметр храпового колеса; − шаг храпового колеса; − ширина зуба; − диаметр собачки; − плечо изгиба собачки;
− высота собачки; 1 − ширина собачки
Схема к расчету храпового колеса и замыкающей
Рисунок 16 – Статический
анализ напряжений хвостовик бура при смятии
(А) и при срезе (Б) зубьев геликоидального соединения и замыкающей
собачки (В)
19

А
Б
Рисунок 17 – Основные конструктивные элементы ударно-поворотного механизма пневматического перфоратора ПП-63М с винтовым рабочим ходом бурового инструмента в собранном (А) и разнесенном (Б) видах:
1 – поршень-ударник; 2 – поворотная букса, оборудованная храповым механизмом; 3 – замыкающая собачка храпового механизма; 4,5 – нижняя и верхняя части корпуса перфоратора; 6 – геликоидальный хвостовик бура; 7 – буровой инструмент
Поскольку в разработанной конструкции переносного перфоратора внедрение инструмента будет осуществляться по винтовой траектории, то необходимо использовать такой инструмент, геометрия которого оптимально соответствовала бы кинематике движения по винтообразной траектории и особенностям передаваемого силового воздействия на забой.
На рисунке 18 представлены буровые коронки с асимметричными
А
Б
В
Рисунок 18 – Буровые коронки с разными углами заточки передних и задних граней: А – однолезвийная буровая коронка с 2 асимметричными твердосплавными пластинами; Б – однолезвийная буровая коронка с четырьмя асимметрично расположенными пластинами; В – крестовая коронка с четырьмя асимметрично расположенными пластинами
твердосплавными пластинами для ударно-винтового воздействия на забой. Угол заострения задней грани относительно оси клина составляет 45 градусов, а передней – 35.
Для подтверждения экономической целесообразности модернизируемого переносного перфоратора с винтовым рабочим ходом бурового инструмента проведен экономический расчет.
Общая годовая экономия за счёт увеличения темпов проходки равна 780 тыс. рублей. Представленный расчет подтверждает внедрение новой техники на горнодобывающие предприятия целесообразным и перспективным шагом.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертационная работа является законченной самостоятельной научно-квалификационной работой, в которой изложены новые научно обоснованные технические решения и разработки по обоснованию структуры и основных параметров машин ударно-винтового действия, позволяющие повысить эффективность бурения шпуров в крепких горных породах, что имеет существенное значение для развития горнодобывающей отрасли страны.
Основные выводы, научные и практические результаты, полученные в работе, заключаются в следующем:
1. На основе анализа известных способов бурения шпуров и соответствующих технических средств для их реализации выявлено, что резервы повышения эффективности бурения шпуров полностью не исчерпаны и могут быть реализованы путем создания ударных машин (переносных перфораторов), позволяющих воздействовать на породный массив буровым инструментом при рабочем ходе по винтовой траектории, угол наклона которой обеспечивает целенаправленное действие ударной нагрузки на массив горной породы.
2. Математическим и физическим моделированием впервые установлена зависимость углов приложения ударных нагрузок на эффективность сколообразования, что позволило выявить возможность повышения эффективности бурения. Ударные нагрузки рекомендуется прикладывать к лезвию под углом 30–35 градусов от оси бурового инструмента. При таких углах приложения ударных нагрузок наблюдается повышение объемов выколотой породы (эффективности сколообразования), в частности, для сланца в 8 раз и для мрамора в 5 раз.
3. Повышение эффективности сколообразования породы при винтовой траектории внедрения обеспечивается использованием бурового инструмента в виде долотчатой коронки, у которой рабочие грани в поперечном сечении образуют ассиметричные клинья. Угол заточки плоскости клина по
направлению его поворота может составлять = 35о, а противоположной – = 45о. Использование такого клина позволяет увеличить объем единичных сколов породы при одинаковой энергии удара в среднем в 1,2 раза, чем клином симметричной формы, и в 1,4 раза, чем при осевом нагружении этих клиньев.
4. Одним из способов реализации принципа внедрения бурового инструмента в породный массив по винтовой траектории является оснащение обычных переносных перфораторов дополнительным храповым механизмом, установленным на поворотной буксе, и геликоидальной парой «поворотная букса-хвостовик бура» с конструктивными и кинематическими параметрами, определенными по представленной методике, которые обеспечивают поворот инструмента при его рабочем ходе от 2 до 4 градусов на 1 мм внедрения.
5. Предложен буровой инструмент в виде долотчатых коронок, у которых угол заточки плоскости клина по направлению его поворота равняется = 35о, а противоположной – = 45о, обеспечивающий ударное воздействие на породу при рабочем ходе по винтовой траектории с повышенной скорость бурения примерно на 10–15 процентов.
6. Оснащение переносного перфоратора дополнительным храповым механизмом и геликоидальной парой «поворотная букса-хвостовик бура» повлечет за собой незначительные капитальные затраты на новую технику, что на фоне увеличенной производительности перфоратора и снижении себестоимости проходческих работ дает основание считать, что внедрение переносного перфоратора с винтовой траекторией рабочего хода на горнодобывающие предприятия является экономически целесообразным шагом. Общая годовая экономия за счёт увеличения темпов проходки при использовании одного перфоратора с винтовой траекторией движения инструмента равна 780 тыс. рублей.
7. Результаты исследований в виде методики по выбору конструктивных параметров перфораторов ударно-винтового действия нашли практическое применение в ООО «Шахтинский научно-исследовательский и проектно-конструкторский угольный институт».