CC BY
9
УДК 621.23.05
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-6-3-11
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПНЕВМОУДАРНОГО МЕХАНИЗМА С ЭЛАСТИЧНЫМ КЛАПАНОМ ПРИ РАБОТЕ С ПРОТИВОДАВЛЕНИЕМ В ВЫХЛОПНОМ ТРАКТЕ
Борис Борисович Данилов
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, доктор технических наук, главный научный сотрудник отдела горной и строительной геотехники, тел. (383)205-30-30, доп. 119, е-mail: bbdanilov@mail.ru
Александр Аркадьевич Речкин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, младший научный сотрудник отдела горной и строительной геотехники, тел. (383)205-30-30, доп. 157, е-mail: lexxer68@gmail.com
Борис Николаевич Смоляницкий
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, доктор технических наук, профессор, зав. отделом горной и строительной геотехники, тел. (383)205-30-30, доп. 115, е-mail: bsmol@misd.ru
Приведено обоснование целесообразности использования пневмоударных механизмов с эластичным клапаном для работы совместно с пневмотранспортной магистралью, по которой осуществляется вынос разрушенной при бурении породы. На основе программы SimulationX, построена имитационная модель рабочего цикла пневмоударного механизма с эластичным клапаном. Проведены вычислительные опыты и определены основные динамические параметры механизма при работе в условиях избыточного давления в выхлопном тракте. По результатам сравнительного анализа полученных результатов с аналогичными характеристиками бесклапанных пневмоударных механизмов сделан вывод о целесообразности использования эластичного клапана при создании погружных пневмоударников. Для оценки достоверности результатов моделирования и адекватности построенной модели проведены экспериментальные исследования рабочего цикла реального пневмоударного механизма при работе на стенде, создающем избыточное давление в выхлопном тракте, имитирующее транспортирование разрушенной при бурении породной массы. Констатировано удовлетворительное соответствие результатов моделирования и экспериментальных данных.
Ключевые слова: бурение, транспортирование породы, пневмоударник, эластичный клапан, рабочий цикл, имитационная модель.
INVESTIGATION OF THE DYNAMICS OF PNEUMATIC ELASTIC VALVE MECHANISM WHEN OPERATING WITH THE EXHAUST BACK PRESSURE
Boris B. Danilov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, D. Sc., Chief Researcher, Mining and Construction GeoEquipment Department, phone: (383)205-30-30, extension 119, e-mail: bbdanilov@mail.ru
Aleksander A. Rechkin
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Junior Researcher of Mining and Construction GeoEquipment Department, phone: (383)205-30-30, extension 157, е-mail: lexxer68@gmail.com
Boris N. Smolyanitsky
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, D. Sc., Professor, Head of Mining and Construction GeoEquipment Department, phone: (383)205-30-30, extension 115, e-mail: bsmol@misd.ru
The rationale for employment of pneumatic punch mechanisms with elastic valve to work with pneumatic transport main is provided. The rock destroyed after drilling is removed with the help of the pneumatic main. A simulation model of the operating cycle of a pneumatic impact mechanism with an elastic valve is constructed based on the SimulationX program. Computational experiments are carried out, and the main dynamic parameters of the mechanism are determined when operating under conditions of excessive pressure in the exhaust tract. Based on a comparative analysis of the obtained results with similar characteristics of valveless pneumatic impact mechanisms, it was concluded that it is advisable to use an elastic valve when creating downhole hammer. To assess the reliability of the simulation results and the validity of the constructed model, experimental studies of the operating cycle of a real air-impact mechanism have been carried out when working on a bench that creates excessive pressure in the exhaust tract, imitating the transportation of the rock mass destroyed during drilling. Satisfactory agreement between the results of modeling and experimental data is established.
Key words: drilling, transportation of rock, pneumatic punch, elastic valve, operating cycle, simulation model.
Введение
В настоящее время наиболее эффективным способом бурения в грунтовом или породном массивах является ударно-вращательный способ. Технология любого процесса бурения включает в себя две стадии - разрушение породы и ее удаление из скважины. Для удаления породы используются в том числе пнев-мотранспортные системы [1]. Применение в качестве ударного узла погружных пневмоударных машин позволяет использовать отработанный ими воздух для транспортирования разрушенной породы, что значительно экономит общий расход воздуха.
Разработанная в ИГД СО РАН технология «сухого» горизонтального бурения, в которой применяется пневматическое транспортирование разрушенной породы по вращающемуся трубопроводу [2], повышает эффективность и надежность пневмотранспортной системы, что особенно актуально при проходке горизонтальных и полого наклонных скважин. В тоже время, при работе пнев-мотранспортной системы в трубопроводе возникают значительные колебания давления воздуха. Повышенное давление в пнемотранспортной магистрали, так называемое противодавление, противодействует выхлопу отработанного воздуха из камер пневмоударной машины, что ухудшает ее динамические показатели, в частности предударную скорость и частоту ударов, и приводит к снижению ударной мощности [3], а в конечном счете, при дальнейшем росте противодавления ведет к остановке машины.
В работах [2-4] были проведены вычислительные эксперименты по определению динамических характеристик бесклапанных пневмоударных машин в условиях противодавления в выхлопном тракте. Было показано, что потеря
ударной мощности происходит в основном за счет снижения предударной скорости бойка, частота ударов при этом снижается незначительно.
В 90-х гг. в ИГД СО РАН были разработаны пневмоударные машины с кольцевым эластичным клапаном серии «Тайфун» различных массогабарит-ных характеристик. Благодаря лучшей по сравнению с бесклапанными аналогами энергоэффективностью [5, 6], они нашли широкое применение в строительстве, в частности при прокладке подземных коммуникаций в грунте.
Эксперименты
С целью определения динамических характеристик таких пневмоударни-ков с эластичным клапаном при работе в условиях противодавления в выхлопном тракте, было проведено математическое моделирование с помощью программы SimulationX [7, 8], предназначенной для симуляции различных физических процессов, в том числе пневматики. Схема работы устройства составлялась из отдельных элементов, таких как компрессор, пневмоцилиндр, клапан и т. д., соединенных соответствующими связями, для которых решаются уравнения движения [7, 9]. Параметры модели соответствовали параметрам пнев-моударной машины «Тайфун-4» [6, 10]. Расчетная схема задачи приведена на рис. 1.
Рис. 1. Расчетная схема:
1 - компрессор; 2 - двухштоковый пневмоцилиндр; 3 - мекжкамерный дроссель;
4 - запирающий дроссель; 5 - выхлоп
Пневмоударный механизм моделировался с помощью двухштокового пневмоцилиндра, в котором поршень массой 4 кг имитировал боек пневмо-ударника. Работа кольцевого упругого клапана моделировалась запиранием дросселя 4 (рис. 1) при достижении клапаном во время прямого хода координа-
ты запирания передней камеры и увеличением площади А поршня со стороны передней камеры после удара, что имитировало растяжение кольца. При достижении клапаном координаты открытия во время обратного хода дроссель 4 открывался, а площадь поршня со стороны передней камеры принимала исходное значение. Противодавление в выхлопном канале моделировалось давлением выхлопа 5.
Результаты моделирования приведены на графиках рис. 2-5. Результаты моделирования показывают, что предударная скорость бойка (рис. 3) падает пропорционально росту противодавления со значения 4,2 м/с при отсутствии противодавления до 1,5 м/с при абсолютном давлении в выхлопном тракте 0,5 МПа, после чего боек отходит в исходное положение и останавливается (рис. 2-4). Также из графика перемещений бойка ударника (рис. 2) видно, что по мере роста противодавления в выхлопном тракте увеличивается его рабочий ход. Одновременно с ростом рабочего хода увеличивается время цикла и снижается частота ударов бойка (рис. 2, 3).
Рис. 2. График перемещений бойка пневмоударника (м)
Рис. 3. График скорости бойка пневмоударника (м/с)
Рис. 4. График абсолютного давления в выхлопном тракте (МПа)
Рис. 5. График абсолютного давления в передней камере (обратного хода) (МПа)
Таким образом, математическое моделирование показывает, что с увеличением противодавления в выхлопном тракте пневмоударной машины с кольцевым эластичным клапаном растет рабочий ход бойка, падает его предударная скорость и частота ударов, и в конечном счете происходит остановка бойка.
Для оценки степени достоверности результатов моделирования и адекватности построенной модели было проведено экспериментальное исследование работы пневмоударной машины «Тайфун-4» в условиях противодавления в выхлопном тракте. Цель исследования заключалась в получении индикаторных диаграмм давления воздуха в рабочих камерах машины при различных значениях противодавления. Одновременно с этим измерялась величина расхода воздуха [2, 11]. Эксперименты проводились на специальном стенде, с использованием цифровой измерительной аппаратуры (рис. 6). Для определения энергии и частоты ударов полученные индикаторные диаграммы обрабатывались по известной методике [2]. Результаты экспериментального исследования отражены на рис. 7, 8 и в таблице.
Энергия, частота ударов и расход воздуха при различном противодавлении в выхлопном тракте
Противодавление Р3, МПа Энергия Е, Частота Р, Расход Q,
Дж % Гц % м3/с %
0,1 40 100 14,2 53,2 1,8 100
0,2 29 72,5 14,6 54,7 1,6 88,8
0,3 19 47,5 15,5 58 1,5 83,3
0,4 10,5 26,25 17,4 65,2 1,4 77,7
Рис. 6. Схема экспериментального стенда:
1 - АЦП (аналого-цифровой преобразователь); 2 - тензодатчик расположенный в камере обратного хода; 3 - пневмомолот «Тайфун - 4»; 4 - тензодатчик расположенный в камере противодавления; 5 - дроссель переменного сечения; 6 - камера противодавления; 7 - магистраль подачи сжатого воздуха; 8 - манометр; 9 - тензодатчик расположенный в камере прямого хода; 10 - ПЭВМ
р3, МПа
Рис. 7. Зависимость экспериментальных (Е, /) и расчетных (Е*,/*) значений энергии и частоты ударов от противодавления в выхлопном тракте
а, %
100
80
60
40
20
83,8 53 77,7
8
0.1
а(рз ), %
Ц1(р3 ), %
0.2
0.3
0.4 р3, МПа
Рис. 8. Зависимость расхода воздуха (%) от противодавления для машин с эластичным клапаном (0 и бесклапанных машин с одной управляемой
камерой )
Обсуждение
Из графиков рис. 7 видно, что результаты расчетов находятся в хорошем соответствии с экспериментальными данными, что позволяет в дальнейшем применять рассмотренную модель для расчета аналогичных задач.
По результатам расчетных и экспериментальных исследований можно сделать вывод о том, что при наличии противодавления в выхлопном тракте динамические характеристки пневмоударной машины с эластичным клапаном ухудшаются: уменьшается предударная скорость и расход воздуха, незначительно уменьшается частота ударов, увеличивается рабочий ход бойка ударника. Но величина потери ударной мощности при этом меньше, по сравнению с бесклапанным пневмоударным механизмом при одинаковом значении противодавления. Расход воздуха при увеличении противодавления в механизме с эластичным клапаном (рис. 8) также уменьшается не столь значительно, по сравнению с бесклапанным пневмоудаником при тех же условиях. Это позволяет говорить о большей стабильности работы системы «пневмоударный механизм - пневмотранспортная магистраль».
Заключение
Данная методика может быть применима для оценки возможности использования таких машин в качестве погружного генератора ударных импульсов
0
в различных буровых технологических процессах как более перспективных по сравнению с бесклапанными.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Maidl, B. Hardrock Tunnel Boring Machines / B. Maidl, L. Schmid, W. Ritz, M. Herrenknecht. - Berlin: Ernst & Sohn, 2008. - 343 p.
2. Данилов Б. Б. Пути совершенствования технологий и технических средств для бестраншейной прокладки коммуникаций // ФТПРПИ. - 2007. - № 2. - С. 69-75.
3. Данилов Б. Б., Смоляницкий Б. Н., Мюнцер Е. Г. Некоторые результаты исследования противодавления в выхлопном тракте погружного геологоразведочного пневмоударника на его энергетические параметры //ФТПРПИ. - 1985. - № 6.
4. Ткач Х. Б. О работе пневматического поршневого привода с выхлопом в среду с давлением большим атмосферного // ФТПРПИ. - 1996. - № 6. - С. 63-71.
5. Tishchenko I. V., Chervov V. V., Smolyanitsky B. N. Evaluation of layout of air drill hammer with smooth adjustment of impact impulse frequency // Journal of Mining Science. -2017. - № 53 (1). - С. 109-116.
6. Tishchenko I. V., & Chervov V. V. Influence of energy parameters of shock pulse generator on the pipe penetration velocity in soil // Journal of Mining Science. - 2014. -№ 50 (3). - С. 491-500.
7. David Meinel, Florian Faltus, Jörg Franke, An Introduction of Two Different Modelica System Integration Concepts // Procedia CIRP, Volume 50 - 2016. - С. 502-507.
8. Jomartov, A., Joldasbekov, S. Typical dynamic models of the cyclic mechanism on the software SimulationX. // IFToMM World Congress Proceedings, IFToMM 2015, 10.6567/IFToMM.14TH.WC.0S11.001.
9. Kim, D. M., Lee, J. M., Jung, W. J., Jang, J. S. A study on the efficiency of a load sensing main control valve using simulationx. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers, A - 2016. - № 40 (1). - С. 87-95.
10. Chervov, V. V., Chervov, A. V. Determination of operability conditions for ring-shaped elastic valve in air hammer with variable structure of impact capacity // Journal of Mining Science. - 2015. - № 51 (6). - С. 1132-1138.
11. Сметные нормы и расценки на новые технологии в строительстве. Часть IV / под общей редакцией Горячкина П. В. - М. : КЦЦС, 2010. - 576 с.
REFERENCES
1. Maidl, B. Hardrock Tunnel Boring Machines (2008). / B. Maidl, L. Schmid, W. Ritz, M. Herrenknecht. Berlin: Ernst & Sohn,. - 343 p.
2. Danilov B.B. (2007). Puti sovershenstvovaniya tekhnologiy I tekhnicheskih sredstv dlya bestransheynoy prokladki kommunikaciy [Ways to improve technologies and technical means for trenchless laying of communications] FTPRPI, 2, 69-75 [in Russian].
3. Danilov B.B., Smolyanitsky B.N. & Muncer E.G. (1985). Nekotorye rezultaty issledovaniya protivodavleniya v vyhlopnom trakte pogrughnogo geologorazvedochnogo pnevmoudarnika na ego energeticheskie parametry [Some results of a study of counterpressure in the exhaust tract of a submerged geological exploration hammer on its energy parameters] FTPRPI, 6 [in Russian].
4. Tkach Kh. B. (1996). O rabote phevmaticheskogo porshnevogo privoda s vyhlopom v sredu s davleniem bolshe atmosfernogo [On the operation of a pneumatic piston drive with exhaust in a medium with a high atmospheric pressure] FTPRPI, 6, 63-71 [in Russian].
5. Tishchenko, I. V., Chervov, V. V., & Smolyanitsky, B. N. (2017). Evaluation of layout of air drill hammer with smooth adjustment of impact impulse frequency. Journal of Mining Science, 53(1), 109-116. 10.1134/S106273911701192X.
6. Tishchenko, I. V., & Chervov, V. V. (2014). Influence of energy parameters of shock pulse generator on the pipe penetration velocity in soil. Journal of Mining Science, 50(3), 491-500. 10.1134/S1062739114030119.
7. David Meinel, Florian Faltus & Jörg Franke, (2016) An Introduction of Two Different Modelica System Integration Concepts, Procedia CIRP, Volume 50, Pages 502-507,ISSN 22128271.
8. Jomartov, A., & Joldasbekov, S. (2015). Typical dynamic models of the cyclic mechanism on the software SimulationX. Paper presented at the 2015 IFToMM World Congress Proceedings, IFToMM 2015, 10.6567/IFToMM.14TH.WC.0S11.001.
9. Kim, D. M., Lee, J. M., Jung, W. J., & Jang, J. S. (2016). A study on the efficiency of a load sensing main control valve using simulationx. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers, A, 40(1), 87-95. 10.3795/KSME-A.2016.40.1.087.
10. Chervov, V. V., & Chervov, A. V. (2015). Determination of operability conditions for ring-shaped elastic valve in air hammer with variable structure of impact capacity. Journal of Mining Science, 51(6), 1132-1138. 10.1134/S1062739115060393.
11. Goryachkina P. V. (2010). Smetnye normy i rascenki na novye technologii v stroitelstve .Chast IV. [Estimated rates and prices for new technologies in construction]. Moscow: KCCS, 576 p. [in Russian].
© Б. Б. Данилов, А. А. Речкин, Б. Н. Смоляницкий, 2018
