О расчете и конструировании механизмов поворота бура пневматических бурильных молотков Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО-Том 78 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1955>

О РАСЧЕТЕ И КОНСТРУИРОВАНИИ МЕХАНИЗМОВ ПОВОРОТА БУРА ПНЕВМАТИЧЕСКИХ БУРИЛЬНЫХ

молотков

О. Д. АЛИМОВ'

Исследования режимов ударно-вращательного бурения [1; 2; 3; 4; (>;7|" показывают, что скорость бурения значительно изменяется в зависимости от соотношения между числом ударов и числом оборотов бурового инструмента, то есть от угла поворота бура между двумя ударами. Так, например, при бурении шпуров диаметром 40—45 мм [5] скорость бурения изменялась в 1,5—2 раза в зависимости от угла поворота бура между ударами при прочих одинаковых условиях бурения.

В связи с этим актуальным является вопрос:: как наиболее правильно рассчитывать и конструировать устройства для поворота бура в машинах для ударно-вращательного бурения? Удовлетворительного ответа на этот вопрос в литературе пока нет, даже для таких распространенных в горнорудной, строительной и угольной промышленности машин, как пневматические бурильные молотки.

Наиболее целесообразная величина угла поворота бура между ударамц, с точки зрения минимальной энергоемкости процесса разрушения, зависит от крепости разрушаемой породы, энергии удара, от диаметра шпура или скважины и от формы инструмента [5].

Для определения оптимального угла поворота в зависимости от этих факторов рядом исследователей [1—3] были предложены различные формулы. Однако воспользоваться ими не представляется возможным ни инже-неру-конструктору, ни инженеру-эксплуатационнику, вследствие или неопределенности значений членов, входящих в эти формулы [1], или вследствие неверности предпосылок при выводе формул. Поэтому рекомендуется там, где это позволяет конструкция машины, оптимальный угол поворота определять опытным путем.

На основании исследования механизма разрушения горных пород при ударно-вращательном бурении, проведенного в последнее время в Томском политехническом институте [5; 6], удалось конкретизировать значение наиболее целесообразных углов поворота бура между ударами для случая бурения шпуров диаметром 40—45 мм однодолотчатыми буровыми коронками в породах высокой крепости. В этом случае рекомендуется [6] принимать углы а = 19°, 21,2°; 24°; 27,8°; 32,7°; 40°; 51,5°. Бурение при таких углах поворота бура между ударами происходит с меньшей энергоемкостью процесса разрушения горной породы, а следовательно, и с наибольшей скоростью. Определенность значений оптимальных углов поворота бура позволяет проанализировать поворотные устройства современных бурильных молотков и наметить пути их улучшения.

Во всех современных пневматических бурильных молотках вращение бура осуществляется в зависимости от работы ударного узла. Механизм вращения бура состоит из стержня 1 с винтовой нарезкой (так называемого геликоидального стержня), рис. 1, геликоидальной гайки, вставленной

е поршень-ударник 2. Шток поршня при помощи шлицов соединяется с ооворотной буксой 3, а последняя—с втулкой 4, имеющей шестигранное отверстие для хвостовика бура. Головка геликоидального стержня с храповыми собачками 5 помещается в храповой буксе 6.

При движении поршня справа налево (рабочий ход) собачки храпового устройства не препятствуют вращению геликоидального стержня 'в храповом механизме, и поршень в это вр^мя может двигаться вперед не вращаясь. При движении поршня слева направо (холостой ход) собачки упираются в зубья храповой буксы и не допускают вращения геликоидального стержня. Это вызывает поворот поршня, шток которого при помощи ^лицевого соединения поворачивает поворотную буксу 3, втулку 4 и бур. Таким образом, механизм поворота бура включается только во время холостого хода поршня, поэтому он получил название прерывистого. Простота и компактность таких механизмов обусловили широкое применение их в современных пневматических бурильных молотках.

Рис. 1

Число оборотов бура в единицу времени, а следовательно, угол поворота бура между двумя ударами при работе пневматических бурильных молотков рекомендуют определять [9] следующим образом.

Рис. 2

На рис. 2 приведена развертка части геликоидального стержня, соответствующая длине хода поршня — 5. Длина дуги х, соответствующая углу поворота стержня за один ход, равна

х

со

аде 7 — угол наклона резьбы геликоидального стержня.

Угол поворота стержня а. соответствующий этой дуге, или при движном стержне угол поворота поршня и бура

непо-

180.x

ТТ./?

ми после подстановки значения х из равенства (1) во (2)

180-5-tga

тле R — средний радиус резьбы геликоидального стержня.

2тг R

Если учесть, что tgT = — , где Sem — шаг резьбы геликоидального

Sem

стержня, то угол поворота бура между двумя ударами может быть определен по более простой формуле

а — 360 —^— . (4)

Sern

Если число ударов молотка в минуту принять равным пУд, а угол поворота бура между двумя ударами а, то число оборотов бура в минуту будет

а * Пуд / - ч

Л — (о)

360

Как видно из приведенного расчета, основными предпосылками к нему является предположение, что вращение бура происходит только при обратном ходе поршня, в то время как при рабочем ходе поршня бур не вращается. Из формулы (4) вытекает, что угол поворота бура между двумя ударами зависит только от соотношения между ходом поршня— S и шагом геликоидального стержня — SCm • Так как шаг геликоидального стержня является величиной постоянной, а величина хода поршня при устойчивой работе молотка изменяется в незначительных пределах, то па основании формулы (4) делается вывод, что величина угла поворота бура пневматического молотка является величиной постоянной и характерной для данного молотка. Невозможность изменения угла поворота бура между двумя ударами при бурении одним и тем же молотком горных пород различной крепости считается наиболее существенным недостатком современных пневматических бурильных молотков с поворотными устройствами прерывистого действия. В связи с этим делаются выводы о целесообразности снабжения пневматических бурильных молотков несколькими геликоидальными стержнями и гайками с разли шым шагом резьбы. Предлагается также ряд конструкций с независимым приводом поворота бура.

Между тем, по нашему мнению, предпосылки, послужившие основанием для вышеприведенного расчета,, являются неточными, а вследствие этого полученные выводы неправильны. Совершенно не обоснованным является предположение, что вращение бура в пневматических бурильных молотках происходит только при обоатном ходе поршня. Действительно, кинематическая цепь поворотного устройства может замыкаться, а следовательно, и передавать кинетическую энергию от поршня на вращение бура только при обратном ходе поршня. Но это не исключает того, что передача энергии может осуществляться коротким импульсом на протяжении времени меньшим, чем время обратного хода, а также, что бур может вращаться по инерции во время рабочего хода поршня, когда храповое устройство не замыкает кинематическую цепь поворотного механизма. Подтверждением этого служит таблица 1, где сопоставлены углы поворота бура между двумя ударами, вычисленные по формуле (4) и полученные непосредственно при бурении.

Если уменьшение углз поворота при бурении меньше угла а можно еще объяснить уменьшением хода поршня, то увеличения его значения больше а может быть объяснено то «ько тем, что вращение бура происходит и в момент рабочего хода поршня.

Таблица ! ■

Марка молотка Ход поршня мм Шаг резьбы геликоидального стержня, мм Угол поворота бура, вычисленный -по формуле (4) град, а Значение углов поворота бура, полученное при бурении, град.

ПМ-503 I 54ч-60 650 29,5—33,2 75-:-24

ПР-30 | 1 74 960 27,75 68-ь18

, Проведенные нами исследования [8; 10] показали, что в действительности вращение бура при бурении пневматическими бурильными молотками происходит как при обратном, так и при рабочем ходе с некоторым замедлением вращения в момент внедрения инструмента в горную породу. На величину угла поворота существенное влияние оказывает момент сопротивления вращению бура в шпуре. Последний в значительной степени зависит от усилия подачи бурильного молотка на забой. Поэтому с измс-не-

Усилие подачи, кг.

Рис. 3.

яием усилия подачи (рис. 3, 4) изменяется и угол поворота бура между двумя ударами, что является одной из причин изменения скорости бурения (рис.5). Величина угла и характер поворота бура оказывают значительное влияние также и на устойчивость работы молотка.

Для того чтобы вскрыть некоторые из этих зависимостей, рассмотрим более подробно кинематику и геометрические соотношения механизма поворота бура пневматических бурильных молотков.

Допустим, что при обратном ходе поршня бур поворачивается на .угол-а, определяемый формулой (4), то, как видно из табл. 2, значение этого угла для различных молотков различно. В свою очередь, при рабочем

во

ю

60

- 30\

ТС А-О О

л. о а

о л?

8.0

ю

ПР- ЪОк . Ы:Э

еАс

гго

гоо

/80

Ж X Си О

и о

¡Ьо

/гол

!00\

Во

чо

го

¡о го 50 60 7о во 9о /оо //о

Усилие подачи, кг. Рис. 4.

ю ео зо *о $о 70 во &о >со ¿г?

Усилие подачи, кг. Рис. 5.

Изв. тпи, т. 78

1 С г и <1 2

с е Тип молотка Ход поршня, мм Шаг резьбы : геликоидального стержня, мм 5 Зет. «1. град Число зубь-! ев храповой буксы Число храповых собачек г а 1 Угол поворота геликоидального стержня на 1 зуб, а2 град мм 30,5 Возможные углы поворота бура, град

1 ! 1Г РМП-17' 45 700 | 35,5 23,1 • 23 2 11,5 15,65 15,3 0,68 15,6; 23,4 31,2; 39 46,6; 54,5 и т. д.

ОМ-506 л 54—60 800 13,3-7-14,8 23,4-27- 26 2 13 13,8 12,6-:-13,2 30,7 0,57 —0,51 13,9 ;20,7 27,6; 34,5 41,5 ; 48,2; 55 и т.д.

3 ОМ-506 м 54—60 750 12,54-13,9 26-1-28,8 23 2 11,5 15,6^ 18,24-21 32,6 0,6 -0,54 23.4 ; 31 >2 39 46,6 . 54.5 и т. д.

4 ПМ-508 (а) 54-р60 650 10,8-12 29,5~-33,2 23 2 11,5 15,65 | 21,7-|-25,4 ! 28,3 ] [ 0,47 —0,52 »

5 ПМ-508 (б) 544-60 550 9,2-^- 0,2 34,6-4-32,2 23 2 11,5 | 15,65 26,84-^1,4 1 1 24 0,44 | 31,2 ;39 —0,4 | 46,6 ; 54, 5 и т. д.

6 ПА-23 60 781,5 13 27,6 37 4 9,25 9,75 25,2 21,2 0,35 26,8 29.2 31,6 34 36,5 38 41.5 44 42.6 48,6 51 54,5 и т. д.

7 ПТ-60 60 781,5 и 27,6 37 4 9.25 9,75 25.2 21.2 0.3^

8 ПР-35 65 781,6 VI 30 37 4 9,25 9,75 27,6 21,2 0/Л2 29,2 31,6 34, 36,5 38; 41,5; 44, 46,2 и т. д.

9 | ПР-30 к '74 960 12,9 27,75 30 . 4 7,5 12 21,75 32 0,43 24; 3<->; ¿¡6; 42 48; 54 и т. д.

10 | ТП-4 74 960 | 12,9 27,75 30 4 7,5 12 21,7э 32 0.43 *

11 | КЦМ-4 к 7л 960 | 12,75 28,2 .0 4 7,5 М 22.2 32 0,425 „

12 КЦМ-4 и 75 1000 13,3 27 31. 4 7,75 11,6- 24,1 32 0,425 26,2; 29; 32; 34;8 37,8; 40,6; 43,5; 46,5 и т. д.

ходе поршня геликоидальный стержень должен был бы повернуться на такой же угол, а, следовательно, и на соответствующее ему целое число зубьев в храповой буксе. Однако, как видно из табл. 2, это не может быть обеспечено ни в одном из современных бурильных молотков, так как углу а не соответствует целое число зубьев храповой буксы. Это и понятно, так как вращение бура, а вместе с ним и поршня происходит не только во время обратного, но и в момент рабочего хода. Поэтому

Рис. б

в практике конструирования число зубьев храповой буксы не связывают с углом а, а выбирают только из условия обеспечения необходимой величины так называемого „мертвого хода". Например, молоток ПМ-508 имеет храповую буксу с числом зубьев Z ~ 23 и две храповых собачки. Тогда, полелив число зубьев на число храповых собачек а~ 2

Z 23 ■-==-= 11,о.

а 2

видим, что одновременно в зацеплении с храповой буксой может находиться только одна собачка, в то время как другая храповая собачка отстоит от соответствующего зуба храповой буксы на 0,5 зуба (рис. 6). Так как к началу обратного хода в большинстве случаев ни одна из собачек не находится в зацеплении (рис. 7), то поворот бура фактически начинает осуществляться не с самого начала обратного хода, а только после выбора этого *зазора в механизме поворота. В результате этого даже в самом неблагоприятном случае (заклинивании бура при внедрении) храповое устройство не застопорит поршень в крайнем положении, а, повернувшись на угол а3 —0,5 а2, обеспечит обратный ход поршня („мертвый ход")

е . а,

О] - ---9

360

где а2—угол поворота геликоидального стержня на один зуб храповой буксы.

Наличие „мертвого хода" обеспечивает необходимую устойчивость работы бурильного молотка, а также исключает возможность больших динамических нагрузок на поворотный механизм во время внедрения бура. В практике конструкторских бюро нет установившегося мнения о наиболее целесообразных размерах „мертвого хода". Как видно из табл. 2, различные заводы даже для одних и тех же типов бурильных молотков (ОМ-506 л и ОМ-506 м; КЦМ-4 и КЦМ-4 к) применяют различные соотношения чисел зубьев и храповых собачек а, а следовательно, и различные величины Sx. Наиболее часто в храповых механизмах бурильных молотков применяют две собачки, обеспечивая поворот геликоидальногр стержня во время „мертвого хода" на 0,5 зуба (РПМ-17, OM-5Q6 м, ПМ-508), или 4-е собачки, обеспечивая поворот на 0,25зуба (ПА-23; ПТ-30; ПР-35; КЦМ-3 сЬи* и 0,5 зуба (ТП-4 и КЦМ-4 к).

С учетом .мертвого хода" угол поворота бура при обратном ходе поршня

а, — а — а3.

Сопоставляя значение ccj (табл. 2) с экспериментальными данными рис. 3, 4 можно установить, что при условиях подачи, обеспечивающих работу бурильного молотка с углом поворота бура между ударами бурильный молоток начинает ряботять неустойчиво, снижает скорость

Рис. 7

бурения, а при дальнейших уменьшениях угла поворота бура совеем: глохнет. Это может быть объяснено тем, что при значительных сопротивлениях вращению бура и уменьшении угла поворота между ударами менее а, уже не может быть обеспечено движения поршня на полную величину хода—.и поршень, не дойдя до верхнего крайнего положения, не в состоянии преодолеть усилия сопротивления вращению бура, как бы заклинивается резьбой геликоидальной гайки в резьбе неподвижного геликоидального стержня.

Таким образом, .минимальный угол поворота бура на удар а1 при устойчивой работе молотка определяется конструктивными соотношениями м0лотка : величиной хода поршня — S, шагом геликоидального стержня — Sem и величиной „мертвого хода"—Sj.

При режимах работы молотка, соответствующих максимальной скорости бурения, бур между ударами поворачивается на угол > аь Если учесть, что при устойчивом режиме работы молотка геликоидальный стержень глежду двумя ударами поворачивается в храповой буксе на одно, и то же число зубьев, то величины углов поворота бура в зависимости от сопротивления вращению могут быть определены по формуле

а =

где г2— число зубьев, па которое происходит поворот геликоидального стержня,

к — соответствующее значение величины „мертвого хода" (£—1,0; 0,5; 0,25).

4Числовые значения возможных углов поворота бура при устойчивых режимах работы молотков приведены в табл. 2, откуда видно, что величины углов поворота бура меняются, как и в экспериментальных данных, скачкообразно, причем значение их у разных бурильных молотков различно. Наиболее плавно меняются углы поворота у бурильных молотков ПА-23, ПТ-30, ПР-35 и КЦМ, где величина „мертвого хода" соответствует повороту на ]/4 зуба. Наиболее резко углы поворота меняются у бурильного молотка ОМ-506 (Ленинградского завода „Пневматика"), имеющего величину „мертвого хода", равную повороту геликоидального стержня на 1 зуб.

Из сравнения возможных углов поворота бура в современных бурильных молотках с оптимальными углами поворота, полученными нами в предыдущих исследованиях [5; 6], где аопт = 24°; 27,8°; 32,7°; 40°, видно, что

уменьшать соотношение—^"1— менее 12 не целесообразно, так как это

увеличивает величину минимального угла, определяющего область

устойчивой работы молотка. Поэтому геликоидальные стержни в молотках П5Л-508 более целесообразно изготовлять, например, с шагом резьбы 650 мм, чем с —558 мм. Наиболее близкое совпадение углов поворота бура между ударами с оптимальными достигается в бурильных молотках РПМ-17, ОМ-506 м, ПМ-508 (Зст = 650 мм\ КЦМ-4. При этом наиболее вероятное совпадение углов поворота бура между ударами с оптимальными возможно в молотках РПМ-17, ОМ-506 м и ПМ-508. По нашему мнению, заслуживает также внимания храповой механизм с числом зубьев 33 и двумя храповыми собачками. При этом соотношении может быть обеспечена работа бурильного молотка при повороте бура между ударами на углы, значение которых близко к оптимальным.

Таким образом, поворотные устройства бура прерывистого действия могу.т обеспечивать работу бурильного молотка с различными углами поворота бура между ударами. Возможные углы поворота бура между двумя ударами определяются числом зубьев храповой буксы, числом храповых собачек, ходом поршня и шагом геликоидального стержня.

Изменение угла поворота бура при бурении может быть осуществлено за счет изменения усилия подачи. Поэтому к конструкции автоподатчика должны предъявляться требования не только из расчета обеспечения автоматической подачи, но и с точки зрения возможности изменения угла поворота бура между ударами при бурении горных пород различной крепости. Ввиду того, что момент сопротивления вращению бура в шпуре значительно меняется в зависимости от усилия подачи [6], автоматизация бурения бурильными молотками должна быть основана на изменении усилия подачи в зависимости от крутящего момента, развиваемого устройством для вращения бура.

ЛИТЕРАТУРА

1. Успенский Н. С. Курс глубокого бурения ударным способом. Изд. кефт. пром., М.-Л., 1924.

2. Э п ш т е й н Е. Ф. Теория бурения - резания горных пород твердыми сплавами, . ГОНТИ, 1939.

3. Медведко А. И. О механизме разрушения горных пород при бурении. Горный журнал, № 12, 1947.

4. ШрейнерЛ. А. Физические основы механики горных пород. Гостоптехиздат, 1950.

5. А л и м о в О. Д. Исследование механизма " разрушения горных пород при ударно-вращательном бурении и исходных параметров бурильных молотков, г. Томск, Полиграф-издат, 1953.

6. А л и м о в О. Д. О механизме разрушения горных пород при ударно-вращательном бурении. Изв. ТПИ, т. 75, 1954.

7. Покровский И. С. Теория ударного бурения. Горный журнал, № 12, !949.

8. Алабужев П. М., Алимов О. Д. Влияние усилия подачи и угла поворота бура между ударами на скорость ударно-вращательного бурения шпуров. Изв. ТПИ, т. 75, 1954.

9. В о р о ш и л и н И. Р. Механизация горных работ. Металлургиздат, 1952.

10. А л и м о в О. Д. Влияние усилия подачи на скорость бурения пневматическими бурильными молотками. Изв. ТПИ, т. 75, 1954.

ЗАМЕЧЕННЫЕ ОПЕЧАТКИ

Стр. Строка Напечатано Следует читать # По чьей виче допущены опечатки

7 табл. 1 ■ 2 X 2 X 2,4 2X6X2,4 Редакции

16 рис. 4 = 79 м. х0 = 7,9 м. Автора

35 23 сн. для 10 для 9 Автора

92 рис. 6 65 о/о 55% Автора

98 табл. 2 графа 6 а^ а Автора

131 « пункт 8 установки установка Автора

131 пункт 14 установки установка Автора

132 ■ 7 св. маневровых маневровой Автора

134 3 сн. одинаково почти одинаково Автора

163 16 св. гг. / гф2 Редакции