CC BY
36
УДК 622.233.53
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОГРУЖНОГО ПНЕВМОУДАРНИКА
Илья Олегович Шахторин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, младший научный сотрудник, тел. (923)399-32-68, e-mail: Scorpion22@bk.ru
Проектирование машин ударного действия включает в себя множество операций по определению рациональных геометрических параметров. Такие работы называют доводкой машины. Доводка - осуществляется на физических моделях, что требует временных и материальных затрат. Применение современного программного обеспечения позволяет облегчить данный процесс.
Ключевые слова: пневмоударник, рабочий цикл, расположение кромок, энергетические параметры, бурение.
DEFINITION OF PARAMETERS DOWNHOLE AIR HAMMER
Il'ya O. Shakhtorin
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Junior Researcher, tel. (923)399-32-68, e-mail: Scorpion22@bk.ru
The development of percussion machines involves a good deal of operations to establish rational geometrical parameters. These operations are known as finishing operations. The finishing is performed on physical models with substantial time and material expenditures. The state-of-the-art computing technologies facilitate this job in many aspects.
Key words: air hammer, working cycle, edge location, energy parameters, drilling.
Бурение шпуров и скважин при помощи погружных пневмоударников получило широкое распространение в современной горной и строительной промышленности. В настоящее время существует множество различных конструкций буровых машин ударного действия отечественного и зарубежного производства. Они отличаются техническими характеристиками, диаметрами, рабочим давлением и т. д. Работают пневмоударники совместно с буровыми долотами, предназначенными для бурения пород различной крепости и трещиноватости, могут применяться при отработке полезных ископаемых как подземным, так и открытым способом [1].
Проектирование машин ударного действия включает в себя множество операций по определению рациональных геометрических параметров, таких как: расположение впускных и выпускных кромок, объемы рабочих камер, величина рабочего хода и т.д. Данные работы принято называть доводкой машины. Доводка - весьма трудоемкий и кропотливый процесс и, в большинстве случаев, осуществляется на физических моделях, что требует существенных временных и материальных затрат.
Использование современного программного обеспечения позволяет существенно упростить процесс доводки машины ударного действия. Рассмотрим подробней пакет программ Simulation X [2]. Данная программа позволяет моделировать процессы воз-духораспределения, происходящие в ударной машине, а также вносить изменения в
геометрические параметры воздухораспределительной системы. С помощью Simulation X можно изменять множество параметров ударной машины и одновременно наблюдать за изменениями ее выходных параметров, таких как: энергия единичного удара, частота ударов, скорость ударника.
В Институте горного дела СО РАН был разработан погружной пневмоударник, предназначенный для бурения крепких пород, малого диаметра (рис. 1), работающий по беззолотниковой схеме воздухораспределения [3]. Для осуществления доводки данной машины была использована компьютерная программа Simulation X, для этого пневмоударник был представлен в виде расчетной модели, содержащей набор пневматических элементов: объемы, дроссели, цилиндры (рис. 2). Полученная схема была перенесена в программу для дальнейших расчетов.
Рис. 1. Схема пневмоударника АШ-43м
Рис. 2. Расчетная модель АШ-43м
Оценка эффективности системы воздухораспределения пневматических ударных механизмов производят по индикаторным диаграммам давления в рабочих камерах пневмоударника [4]. После анализа диаграмм можно сделать выводы об эффективно-
сти работы машины в целом. Simulation X позволяет получить диаграммы давлений в рабочих камерах пневмоударника (рис. 3).
Р, МПа
0,7
0 -I-1-1-1-1-1-1
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03
t, сек
Рис. 3. Диаграммы давлений в рабочих камерах, полученные в Simulation X
Проведены съемки аналогичных диаграмм на физической модели пневмоударника при помощи пьезодатчиков. Сигнал от датчиков записывается на персональный компьютер при помощи программы LGraph [5]. Таким образом, получены диаграммы одного рабочего цикла погружного пневмоударника (рис. 4).
Рис. 4. Диаграммы давлений в рабочих камерах, полученные пьезодатчиками
При сравнении диаграммы, полученной при помощи расчетной модели, с диаграммой реальной машины можно отметить, что они достаточно полно совпадают друг с другом (рисунок 3 и 4). Следовательно, расчетная модель адекватно отражает рабочий процесс реального пневмоударника и может быть использована для проведения дальнейших исследований.
Созданная расчетная модель позволяет изменять геометрические параметры пневмоударника, и одновременно наблюдать за изменением его энергетических параметров. Для определения рациональных значений основных геометрических параметров, проведен расчет значений энергетических параметров пневмоударника при различных вариантах расположения основных кромок, отвечающих за впуск воздуха в камеру прямого хода и выхлоп [6].
Длина хода ударника до открытия кромки впускного канала в камеру прямого хода ¿1 (рис. 5), является важным геометрическим параметром машины ударного действия, так как определяет величину холостого хода, переводит машину с холостого хода на рабочий, устанавливает размер воздушной подушки.
Впускная кромка камеры прямого хода
I_I_I_I
О 27 37 47мм
Рис. 5. Расположение впускной кромки камеры прямого хода
Расположение кромки, определяющей длину ¿,1, изначально было установлено на расстоянии 37 мм от положения ударника в момент удара, которое было выбрано исходя из многолетнего опыта конструирования подобных машин. В дальнейшем, при вычислительных экспериментах были определены основные энергетические параметры машины при изменении расположения кромки от 27 мм до 47 мм с шагом 2 мм. Принятый диапазон обусловлен конструктивными ограничениями, выходя за рамки которых, нарушается устойчивая работа машины. Зависимость энергии удара от длины хода ударника до открытия кромки впускного канала в камеру прямого хода представлена на рис. 6.
Результаты, представленные на графике, позволяют сделать вывод о том, что максимальное значение энергии удара достигается при расположении кромки впускного канала в камеру прямого хода на расстоянии от 33 мм до 37 мм от положения ударника в момент удара [7].
Исследовано влияние длинны хода ударника до закрытия кромки выпускного канала камеры прямого хода ¿2 (рис. 7) на энергетические параметры пневмоударни-ка. Данная кромка открывает выхлопные окна, после чего начинается выхлоп отработанного воздуха на забой скважины, также устанавливает величину прямого хода ударника.
Е(Дж Энергия удара
9,50 9,00 8,50 8,00 7,50
7,00 Л 1011 у 1 1
27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47
мм
Рис. 6. Зависимость энергии удара от длины хода ударника до открытия кромки
впускного канала в камеру прямого хода
Выпускная кромка камеры прямого хода
I_I_!_I
О 13 23 33мм
Рис. 7. Расположения выпускной кромки камеры прямого хода
Расположение данной кромки изначально было установлено таким образом, чтобы ее закрытие происходило на расстоянии 23 мм после начала движения ударника, находившегося в крайнем левом положении. Это расстояние было выбрано исходя из многолетнего опыта конструирования подобных машин. В дальнейшем при вычислительных экспериментах было проанализировано изменение основных энергетических параметров машины при изменении расположения кромки от 13 мм до 33 мм с шагом 2 мм. Принятый диапазон обусловлен конструктивными ограничениями, выходя за рамки которых, нарушается устойчивая работа машины. Зависимость энергии удара от длины хода ударника до закрытия кромки выпускного канала камеры прямого хода представлена на рис. 8.
Результаты, представленные на графике, позволяют сделать вывод о том, что максимальное значение энергии удара достигается при расположении кромки выпускного канала камеры прямого хода на расстоянии от 25 мм до 31 мм от положения ударника в момент удара.
Е, Дж
9,20 9,00 8,80 8,60 8,40 8,20 8,00
Энергия удара
1 а.
го 1 -
* гв ф
s £
13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
мм
Рис. 8. Зависимость энергии удара от длины хода ударника до закрытия кромки выпускного канала камеры прямого хода
Таким образом, определены конструктивные параметры погружного пневмо-ударника, обеспечивающие наибольшую энергию удара, а также позволяющие максимально эффективно использовать подводимую энергию сжатого воздуха.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шахторин И. О. Буровой инструмент для горных и строительных работ // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 4. - С. 224-228.
2. Официальный сайт SimulationX [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.simulationx.com/
3. Патент РФ на П.М. № 121854 РФ. Погружной пневмоударник. / А.А. Репин, С.Е. Алексеев, В.Н. Карпов // Опубл. БИ - 2012. - № 31.
4. Суднишников Б.В., Есин Н.Н., Тупицын К.К. Исследование и конструирование пневматических машин ударного действия. [Текст] / Новосибирск: Наука, 1985. - 134с.
5. Официальный сайт компании Lcard [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.lcard.ru/
6. Репин А.А., Кокоулин Д.И., Шахторин И.О. Создание исполнительного органа для бурения скважин малого диаметра. [Текст] / Горный информационно-аналитический бюллетень, 2016. - № 3. - С. 101-108.
7. Клишин В.И., Кокоулин Д.И., Кубанычбек Б., Алексеев С.Е., Шахторин И.О. Обоснование типа и параметров погружного пневмоударника для увеличения скорости проходки скважин малого диаметра [Текст] / Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2015. - № 6. - С. 65-71.
© И. О. Шахторин, 2017
