CC BY
1
УДК 622.233.6+622.23.052
ИССЛЕДОВАНИЕ ШТАНГ ДЛЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ ШПУРОВ
А.Б. Жабин, П. А. Корнеев, В.А. Корнеев
Представлено исследование штанг для вращательного бурения шпуров на угольных шахтах, выполненное с использованием пакетов компьютерных программ «Компас-SD» и «T-FLEX CAD». Предложены технические требования к штангам, позволяющие повысить эффективность их работы при бурении шпуров. Представлена конструкция буровой штанги с поперечным сечением в форме треугольника Рело, разработанная авторами статьи. Осуществлена оценка эффективности использования разработанной конструкции штанги в сравнении с серийными конструкциями посредством расчета их прочности, а также оценка свободного пространства для удаления отбуренной горной породы из шпура.
Ключевые слова: вращательное бурение, буровая штанга, треугольник Рело, шпур, шахта.
Введение. Одним из основных процессов при добыче полезных ископаемых подземным способом является крепление горных выработок, которое осуществляется в основном с использованием сталеполимерных и механических анкеров. Крепление горных выработок в свою очередь сопровождается бурением шпуров под анкерные крепи. В последние годы наметилась тенденция на увеличение объема применения анкерной крепи на угольных шахтах России [1].
Штанга является неотъемлемым инструментом при бурении шпуров под анкерную крепь и выполняет функцию передаточного звена между бурильной машиной и резцом.
В процессе бурения штанга находится под воздействием сжимающей нагрузки в виде усилия подачи резца на забой шпура и крутящего момента, формируемого при бурении. Все это приводит к появлению больших изгибающих деформаций и крутильных колебаний штанги, которые могут способствовать ее изгибу с последующим заклиниванием в шпуре, а также ее излому. Здесь особое внимание стоит уделить форме поперечного сечения буровой штанги, поскольку неравенство моментов инерции на главных центральных осях ее поперечного сечения вызывает нарушение неподвижности оси вращения и, как следствие, влечет потерю устойчивости движения штанги в буримом шпуре [2].
Кроме того, на эффективность вращательного бурения влияет качество отвода отбуренной горной породы из шпура, что напрямую также связано с геометрией поперечного сечения.
Основная часть. Авторами настоящей статьи были предложены требования, которые необходимо предъявлять к оптимальной геометрии буровой штанги, позволяющие повысить эффективность ее работы в шпуре.
К таким требованиям относятся:
- равенство моментов инерции поперечного сечения штанги на главных центральных осях;
- прочность штанги;
- площадь свободного пространства для удаления отбуренной горной породы из шпура;
- вес штанги.
В настоящий момент для вращательного бурения шпуров получили наибольшее распространение шестигранные буровые штанги. [3, 4]. При производстве штанг крупнейшим отечественным производителем - ООО «Горный инструмент» используется буровая сталь компании «Sandvik» марки «Sanbar 61». Номинальный химический процентный состав ее представлен в табл. 1 [5].
Таблица 1
Номинальный химический состав стали марки «ЗапЪат 61»
C Si Mn P S о- № Mo
0,14 1,5 0,9 <0,025 <0,020 0,7 0,5 0,2
Однако стоит отметить, что буровые штанги с шестигранным поперечным сечением обеспечивают незначительное пространство для отвода буровой мелочи [6]. В этой связи их использование при реализации высокопроизводительных режимов бурения не технологично.
Для устранения этого недостатка, ООО «Горный инструмент» была предложена буровая штанга ШБТ 23-Ь/23-М16 [3], поперечное сечение которой выполнено в виде равностороннего треугольника, позволяющая эффективнее удалять из шпура отбуренную горную породу в сравнении с шестигранной штангой. Данная штанга приведена на рис. 1.
Следует отметить, что сечение в виде равностороннего треугольника имеет точки, расположенные на серединах сторон треугольника, в которых возникают наибольшие напряжения. Данная особенность может приводить
к появлению в этих точках трещин, уменьшающих прочность штанги. К тому же при нагружении штанги осевой силой поперечное сечение в виде равностороннего треугольника имеет неодинаковый момент инерции сечения на своих главных центральных осях [7].
Разработка новой конструкции буровой штанги, обеспечивающей эффективное удаление отбуренной горной породы и одинаковый момент инерции поперечного сечения на своих главных центральных осях возможно при использовании сечения в виде фигуры, описанной овальной кривой постоянной ширины [8].
Известны многоугольники Рело [9], образованные овальной кривой постоянной ширины и имеющие одинаковый момент инерции на главных центральных осях своего поперечного сечения (рис. 2).
а б в г
Рис. 2. Многоугольники Рело: а - треугольник; б - пятиугольник; в - семиугольник; г - девятиугольник
С использованием пакета компьютерных программ «Компас-ЭБ» [10] были организованы и произведены расчеты моментов инерции 1х и 1у на главных центральных осях поперечных сечений вышеперечисленных многоугольников, а также свободного пространства Бсв для удаления отбуренной горной породы (табл. 2). Расчеты последнего параметра приведены по всем многоугольникам при условии бурения шпура диаметром 30 мм.
Результаты расчетов, представленные в табл. 2, показывают, что все многоугольники Рело имеют одинаковый момент инерции на главных центральных осях. При этом треугольник Рело обеспечивает наибольшую площадь свободного пространства для удаления отбуренной горной породы.
Ввиду этого авторами настоящей статьи в качестве геометрии поперечного сечения проектируемой штанги был выбран треугольник Рело [11]. Разработанная штанга показана на рис. 3,4.
Таблица 2
Свойства многоугольников Рело
№ п/п Многоугольник Рело 1х и 1у, мм2 Бсв, мм2
1 Треугольник 61621,38 61621,38 321,2
2 Пятиугольник 64570,89 64570,89 305,4
3 Семиугольник 63250,47 63250,47 282,2
4 Девятиугольник 63118,32 63118,32 277,1
Рис. 3. Общий вид буровой штанги с поперечным сечением в форме
треугольника Рело
1
Рис. 4. Поперечное сечение штанги в форме треугольника Рело
Буровая штанга состоит из следующих частей (рис. 3): 1 - тело штанги, 2 - хвостовик, 3 - замок для крепления резца.
Использование поперечного сечения в форме треугольника Рело позволяет исключить точки на поперечном сечении штанги, в которых происходит концентрация напряжений, а также увеличить ее продольную и осе-
вую жесткости [11] с сохранением приемлемого свободного пространства для удаления отбуренной горной породы.
Оценка эффективности использования разработанной буровой штанги [11] в сравнении с серийными [3] была осуществлена посредством расчета их прочности. Также производился и расчет свободного пространства для удаления отбуренной горной породы. Штанги, используемые в исследовании, представлены в табл. 3.
Таблица 3
Исследуемые штанги для вращательного бурения шпуров
№ п/п
Модель штанги
Профиль поперечного сечения буровой штанги
ШБ 22-L/22-R17 [3]
2
ШБТ 23-Ш3-М16 [3]
Штанга буровая с поперечным сечением в форме треугольника Рело [2]
1
3
Расчет прочности штанг был произведен с использованием компьютерной программы «T-FLEX CAD». Программное обеспечение «T-FLEX CAD» является одной из полнофункциональных систем автоматизированного проектирования, обладающей всеми современными средствами разработки проектов любой сложности [12].
На рис. 5 показано разбиение исследуемых моделей штанг на конечные элементы. Модель штанги с поперечным сечением в форме треугольника Рело содержит 845 узлов и состоит из 2780 объемных элементов (рис. 5, а). Модель штанги ШБ 22-L/22-R17 содержит 812 узлов и состоит из 2709 объемных элементов (рис. 5, б). Модель штанги ШБТ 23-Ь/23-М16 содержит 871 узел и состоит из 2981 объемных элементов (рис. 5, в).
V/
в
Рис 5. Разбиение исследуемых штанг на конечные элементы:
а - штанга в форме треугольника Рело; б - ШБ 22-Ь/22-Я17;
в - ШБТ 23-Ь/23-М16
Результаты моделирования исследуемых буровых штанг на предмет определения их коэффициента запаса по эквивалентным напряжениям п при приложении внешних нагрузок в виде осевого усилия FZ =11 кН и крутящего моментаМ 2 =251 Н-м приведены на рис. 6. Данные механические характеристики были приняты от пневматической буровой установки «КЛМВОЯ» [13], предназначенной для вращательного бурения вертикальных и наклонных шпуров в горных выработках с коэффициентом крепости пород по проф. М.М. Протодъяконову / < 10.
Коэффициент запаса по эквивалентным напряжениям п позволяет оценить количественное отношение рассчитанных эквивалентных напряжений к допускаемому напряжению, которое указывается в характеристиках материала [14].
Из рис. 6 видно, что в процессе работы наибольшие напряжения в исследуемых буровых штангах возникают в области соединения хвостовика с телом штанги (на рис. 6 данная область выделена красным цветом).
Также при использовании пакета компьютерных программ «Компас-3Б» [10] были организованы и произведены расчеты моментов инерции Jх и Jу на главных центральных осях поперечных сечений исследуемых штанг, а также площади их поперечных сечений £ и свободного пространства Бсв для удаления отбуренной горной породы. а
б
в
Рис. 6. Прочностной анализ трехмерных моделей буровых штанг с приложенными нагрузками: а - штанга в форме треугольника Рело; б - ШБ 22-Ь/22-Я17; в - ШБТ 23-Ь/23-М16
Эксплуатационные характеристики разработанных конструкций буровых штанг и их ближайших аналогов приведены в табл. 4.
Таблица 4
Характеристики конструкций штанг для вращательного
бурения шпуров
№ п/п Модель штанги Jx и Jy, мм2 n S, мм2 Sce, мм2 m, кг
1 ШБ 22-^22^17 34456,82 25887,61 1,3 419 287,5 2,8
2 ШБТ 23-Ш3-М16 27074,57 30257,1 3,5 419,8 286,7 3
3 Штанга буровая с поперечным сечением в форме треугольника Рело 61621,38 61621,38 3,6 385,3 321,2 2,7
Заключение. Анализируя полученные данные, следует отметить, что буровая штанга с поперечным сечением в форме треугольника Рело облада-
- одинаковым моментом инерции на главных центральных осях своего поперечного сечения;
- наибольшим коэффициентом запаса по эквивалентным напряжениям n и большей площадью свободного пространства для отвода буровой мелочи в сравнении со штангой ШБ 22-L/22-R17 и штангой ШБТ 23-Ь/23-М16.
По массе штанга с поперечным сечением в форме треугольника Рело также имеет преимущество среди представленных штанг.
Произведенные расчеты могут являться одним из оснований для внедрения в производство буровых штанг, имеющих форму поперечного сечения в виде треугольника Рело.
Список литературы
1. Першин В.В., Будников П.М., Харитонов И.Л. Основы строительной геотехнологии. Кемерово: Издательский центр КузГТУ, 2023. 553 с.
2. Ashbaugh M.S. The twisting tennis racket // Journal of Dynamics and Differential Equations. 1991. Vol. 3. Р. 67 - 85.
3. Штанги для вращательного бурения [Электронный ресурс]. URL: http://www.grins.ru/products/tools/drilling-rods/ (дата обращения: 02.03.2024).
4. Буровая штанга T38/Hex35/R32 (№ 38324310) [Электронный ресурс]. URL: https://pom-bur.ru/gorno-shahtnyy-instrument/burovaya-shtanga-t38hex35r32/burovaya-shtanga-t38hex35r32/ (дата обращения: 02.03.2024).
5. Sanbar 61. Hollow drill steel SANDVIK [Электронный ресурс]. URL: https://www.materials.sandvik/ru/materials-center/material-datasheets/ bar-and-hollow-bar/ rock-drill-steel/sanbar-61 / (дата обращения: 02.03.2024).
6. Korneyev V.A., Korneyev P.A. The influence of geometrical parameters of the drill-rod on the ultimate axial feed force and the efficiency of drill cuttings removal during rotary drilling of holes // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2019. Р. 1 - 4.
7. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. Т.1. М.: Машиностроение, 2006. 928 с.
8. Яглом И.М., Болтянский В.Г. Выпуклые фигуры. М-Л.: ГТТИ, 1951. 343 с.
9. Кривая постоянной ширины [Электронный ресурс]. URL: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/88120 (дата обращения: 02.03.2024).
10. Денисов М.А. Компьютерное проектирование. ^Mm^D. Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2014. 75 с.
11. Буровая штанга для вращательного бурения шпуров: пат. № 2681164 РФ, Е21В 17/00 (2006.01), Е21В 3/00 (2006.01). № 2018109159; за-явл. 12.03.2018; опубл. 04.03.2019. Бюл. № 7.
12. Жуков И.А., Жукова Е.В., Попугаев М.Г., Хайдукова Я.А. Компьютерные наукоемкие технологии решения прикладных задач теории механизмов и машин на основе САПР «Т-FLEX». Новокузнецк: Изд. центр. СибГИУ, 2017. 94 с.
13. Пневматическая буровая установка RAMBOR [Электронный ресурс]. URL: https://ooogroz.ru/пневматическая-буровая-установка-rambor/ (дата обращения: 02.03.2024).
14. T-FLEX CAD [Электронный ресурс]. URL:https://www.tflex.ru /products/konstructor/cad3d/ (дата обращения: 02.03.2024).
Жабин Александр Борисович, д-р техн. наук, проф. [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Корнеев Петр Александрович, зав. лабораторией, [email protected], Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет,
Корнеев Виктор Александрович, канд. техн. наук доц., [email protected], Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет
RESEARCH OF RODS FOR ROTARY DRILLING HOLES A.B. Zhabin, P.A. Korneyev, V.A. Korneyev
The article presents a study of rods for rotary drilling of holes in coal mines, carried out using the computer software packages "Compass-3D " and "T-FLEX CAD ". Technical requirements for rods have been proposed to improve the efficiency of their operation when drilling holes. The design of a drill rod with a cross section in the shape of a Reuleaux triangle, developed by the authors of the article, is presented. The effectiveness of using the developed rod design was assessed in comparison with serial designs by calculating their strength, as well as an assessment of the free space for removing drilled rock from the hole.
Key words: rotary drilling, drill rod, Reuleaux triangle, hole, mine.
Zhabin Alexander Borisovich, doctor of technical sciences, professor, zhabin.tula@ mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Korneyev Piotr Alexandrovich, head of the laboratory, [email protected], Russia, Novokuznetsk, Siberian State Industrial University,
Korneyev Victor Alexandrovich, candidate of technical sciences, associate professor, [email protected], Russia, Novokuznetsk, Siberian State Industrial University
Reference
1. Pershin V.V., Budnikov P.M., Kharitonov I.L. Fundamentals of structural geotech-nology. Kemerovo: KuzSTU Publishing Center, 2023. 553 p.
2. Ashbaugh M.S. The twisting tennis racket // Journal of Dynamics and Differential Equations. 1991. Vol. 3. p
. 67-85. 3. Rods for rotary drilling [Electronic resource]. URL: http://www.grins.ru/products/tools/drilling-rods / (date of access: 03/02/2024).
4. Drilling rod T38/Hex35/R32 (No. 38324310) [Electronic resource]. URL: https://pom-bur.ru/gorno-shahtnyy-instrument/burovaya-shtanga-t38hex35r32/burovaya-shtanga-t38hex35r32 / (accessed 02.03.2024).
5. Sanbar 61. Hollow drill steel SANDVIK [Electronic resource]. URL: https://www.materials.sandvik/ru/materials-center/material-datasheets / bar-and-hollow-bar/ rock-drill-steel/sanbar-61/ (accessed 02.03.2024).
6. Korneyev V.A., Korneyev P.A. The influence of geometrical pa-rameters of the drill-rod on the ultimate axial feed force and the efficiency of drill cuttings removal during rotary drilling of holes // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2019. p. 1-4.
7. Anuryev V.I. Handbook of a mechanical engineering designer. Vol.1. M.: Mechanical engineering, 2006. 928 p.
8. Yaglom I.M., Boltyansky V.G. Convex figures. Moscow: GTTI, 1951. 343 p.
9. The curve of constant width [Electronic resource]. URL: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/88120 (date of application: 03/02/2024).
10. Denisov M.A. Computer-aided design. Compass-3D. Yekaterinburg: Ural University Press, 2014. 75 p.
11. Drilling rod for rotary drilling of boreholes: pat. No. 2681164 of the Russian Federation, E21B 17/00 (2006.01), E21B 3/00 (2006.01). No. 2018109159; application 12.03.2018; publ. 04.03.2019. Byul. No. 7.
12. Zhukov I.A., Zhukova E.V., Parugaev M.G., Khaidukova Ya.A. Computer science-intensive technologies for solving applied problems of the theory of mechanisms and machines based on CAD "T-FLEX". Novokuznetsk: Publishing house. center. SibGIU, 2017. 94 p.
13. RAMBOR pneumatic drilling rig [Electronic resource]. URL: https://ooogroz.ru/пневматическая-буровая-установка-rambor / (date of reference: 03/02/2024).
14. T-FLEX CAD [Electronic resource]. URL :https://www.tfl ex.ru /products/konstructor/cad3d/ (accessed 02.03.2024).
