Основы рационального управления режимными параметрами процесса бурения шпуров Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 20

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 2001 М0СКВЛ.яМГГУ.я29яянваряя-я2лфевраллл2001;г.

© В.В. Ленченко, 201

YAK 622.233.3

В.В. Ленченко

ОСНОВЫ РАЦИОНАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ ШПУРОВ

Выбор рационального управления процессом бурения шпуров рассматривается как задача определения минимума трудоемкости в зависимости от физико-механических свойств породы, материала армировки, геометрии инструментов и характеристик бурильной машины с учетом технических ограничений, налагаемых на режимные параметры бурения. Сформулированы технические требования к бурильным машинам и системам управления бурильных установок буровзрывных комплексов и агрегатов.

Повышение темпов проходки выработок связано с внедрением комплексов горнопроходческого оборудования, обеспечивающих оптимальные технологические связи между буровым, погрузочным и крепильным оборудованием с учетом свойств горных пород и технологии проходки, а также проходческих агрегатов и агрегатированных комплексов, позволяющих сократить время вспомогательных операций и существенно повысить уровень механизации проходческих работ.

Эффективность внедрения буровзрывных проходческих агрегатов определяется возможностью совмещения, хотя бы частичного, основных операций проходческого цикла. Однако при проходке выработок малых сечений в условиях стесненного забоя размещение нескольких операторов, управляющих одновременно разным оборудованием, невозможно, поэтому эффективность буропогрузочных работ существенно зависит от уровня автоматизации управления этими операциями. Необходимо создание автоматизированных бурильных машин, обеспечивающих, как минимум, рациональное управление режимом бурения шпуров, что позволит совместить функции операторов, т.е. одному оператору управлять несколькими бурильными машинами и (или) одновременно контролировать процесс погрузки.

Исследования процесса разрушения горных пород при бурении шпуров вращательным, вращательно-ударным и ударным способами, выполненные в лаборатории бурения ЮРГТУ (НПИ) [1], по-

казали, что выбор рационального управления процессом бурения является типичной задачей определения экстремума критерия оптимальности (максимума производительности или минимума стоимости шпу-рометра) в сложной области, учитывающей основные параметры процесса: физико-

механические свойства породы и материала армировки инструмента, его геометрию, режимные параметры, а также динамические характеристики бурильной установки.

Критерий оптимальности режима бурения, соответствующий минимуму трудоемкости (максимум производительности), - функционал

V _ ^ ^зам

К - --------

J V (t)dt

о

критерий, соответствующий минимуму стоимости шпурометра,

Ц

Ct(t + t3aM ) +

Kc =-

Z с

J V (t)dt

где t - текущее время; 4ам - время операций по замене инструмента; Ц - цена инструмента; Zcт -число периодов стойкости инструмента; Ст -стоимость минуты рабочего времени; У(?) - закон (функция) изменения скорости бурения во времени.

Но закон изменения скорости бурения зависит от всех факторов, влияющих на процесс разрушения породы и в первую очередь - от характеристик породы, бурильной машины и установки, а также закона управления режимными параметрами.

Таким образом, рациональное управление режимом бурения должно рассматриваться как решение задачи оптимизации процесса разрушения горной породы во времени с учетом затупления инструмента и динамики изменения силовых параметров процесса.

Исследования основных закономерностей механического разрушения пород и изнашивания инструментов при бурении шпуров определяют основ -ные взаимосвязи входных, выходных и регулирующих параметров процесса. В общем виде силовые параметры могут быть описаны уравнениями: среднее усилие подачи

т г т Г

к = Рк (X | ж^(г)йГ +С3 X | (Ь + &аа2 +

i= 1

i=1

+ 2лиобрк а г| п(ї)Л)Каі (г)й?г)

0

средний вращающий момент

М

т ' гп '

= Рк (Х I АКУІ(г)г^г +Сз X I(Ь + ка&2 + •

і=1

і=1

- 2п»бРк а г|п(і)Л)Каі (г)г^г)

где рк - контактная прочность породы; а - абразивность породы; л - коэффициент трения резца о породу; Сз - коэффициент, связывающий давление по задней грани с контактной прочностью породы; И - толщина стружки на пере резца; Ь, ка тз - коэффициенты изнашивания, зависимые от твердости и прочности материала армировки резца; п(£) - частота вращения штанги, изменяющаяся в процессе изнашивания резца и зависимая от термостойкости материала армирующей части; t-время бурения; т - число перьев резца; г- радиус резца; г2 - радиус рассечки резца; Ку,(г) - функции изменения геометрии режущей части инструмента по радиусу резца в направлении подачи (закон изменения величины переднего угла по радиусу), зависимая от хрупкости породы (угла скола г); Кг(г) - функция изменения геометрии режущей части резца (переднего угла) по радиусу резца в плоскости резания, зависимая от хрупкости породы; Ка(г) - функция изменения величины заднего угла режущей части инструмента по радиусу (для каждого из перьев резца).

Запись основных параметров процесса: входных (забойных), конструктивных, режимных и выходных - в общем виде показывает, что зависимость между ними достаточно сложна и может быть решена только численными методами с привлечением значительного объема экспериментальных данных.

Обобщение исследований, выполненных в лаборатории бурения, позволили получить многофакторную модель процесса бурения шпуров и решить ряд прикладных задач, связанных с оптимизацией управления режимом выбора материалов и конструкций буровых резцов и технических параметров бурильных установок.

Уравнения основных взаимосвязей параметров бурения носят универсальный характер и описывают процесс разрушения породы как при статическом, так и при динамическом приложении нагрузок. Специфика вращательно-ударного бурения в том, что осевое усилие слагается из статического усилия подачи R и динамического ударного усилия, которое может быть учтено как эквивалентное осевое усилие, т.е.

Н-Ьу = К +

2 АудЛуд Рк

где Луд - энергия удара; г/уд - КПД удара; Е- геометрический параметр коронки.

Исследования модели бурения показывают, что скорость бурения теоретически не имеет предела при неограниченном росте подачи и мощности привода, однако практикой установлено, что на все параметры процесса существуют ограничения, которые определяют уровень эффективности бурения. Установлены и исследованы основные технические ограничения, существенно влияющие на процесс [2]:

- максимальная удельная подача из условия заклинивания крупных элементов скола в зазоре между резцом и стенкой шпура;

- максимальная удельная подача, ограниченная величиной заднего угла режущей кромки резца (коронки);

- предельное усилие подачи по искривлению оси шпура в пределах, допускающих заряжание шпура ВВ;

- ограничение усилия подачи по прочности режущей части инструмента;

- максимальное усилие подачи по жесткости манипулятора или бурильной установки;

- критическая частота вращения инструмента по условию обеспечения допускаемых контактных температур на режущей кромке с учетом термостойкости армирующих материалов;

- максимальная частота вращения по условию устойчивости штанги;

- ограничение мощности электродвигателя вращателя бурильной машины по перегрузочной способности и нагреву двигателя.

Исследования процесса вращательно-ударного бурения показали, что скорость бурения, аналогично вращательному способу, существенно зависит от установленных ограничений параметров. Учитывая специфику способа, в уравнениях следует принимать осевое усилие как сумму статических и динамических нагрузок, а также учитывать рекомендации [3, с. 190-192] по выбору рациональных энергии и частоты ударов и распределению мощности между вращателем, податчиком и ударной системой.

Рациональная энергия удара при бурении шпуров диаметров 40-42 мм зависит от коэффициента крепости породы: от 40 Дж при / = 5, до 120 Дж и более при f= 16-18.

Частота ударов выбирается в зависимости от хрупкости породы, которая определяется по величине угла скалывания т (чем выше хрупкость породы, тем ниже т: для крепких и хрупких пород т = 10-15°, для мягких пластичных пород т = 30-35о).

7гDntgT

Б

Е

где О - диаметр коронки; п - частота вращения; Б - подача на оборот.

Таким образом, выбор рационального управления не может быть сведен к нахождению экс-

тремума критерия качества в неограниченной области. Все режимные параметры имеют ограничения, причем каждое из них является функцией различных аргументов: времени, площадки затупления, длины шпура, конструктивных характеристик инструмента и бурильной установки. Поскольку все эти ограничения действуют совместно, то параметры регулирования должны удовлетворять всем этим ограничениям, и их величина определяется как минимальная из максимально допустимых по ограничениям, а способ регулирования должен обеспечивать эти требования.

Аналитическое сравнение способов регулирования - параметрической стабилизации S = const, R = const, M = const при бурении пород с контактной прочностью 700...1800 МПа при условии полного использования установленной мощности привода вращателя (равенства эквивалентной по нагреву за оптимальное время бурения и номинальной мощностей двигателя) показало, что при отсутствии ограничений минимум критерия оптимальности не зависит от способа регулирования. Результаты расчета, подтвержденные экспериментально, соответствуют логике энергетических теорий разрушения горных пород, в соответствии с которыми объем разрушенной породы пропорционален мощности, приведенной к резцу.

Однако, технические ограничения существенно влияют на эффективность процесса разрушения породы, причем по-разному в зависимости от свойств пород.

При бурении пород мягких и средней крепости основными ограничениями являются предельная подача на оборот и установленная мощность двигателя. Однако при мощности, приведенной к резцу, более 6,5 кВт управления S = 4,5 мм/об = const или N = const обеспечивают высокую эффективность процесса бурения без дополнительного контроля ограничений, что согласуется с рекомендациями [3, c. 49].

Бурение пород выше средней крепости может быть осуществлено только при постоянном контроле ограничений усилия подачи по прочности режущей кромки, жесткости штанги, устойчивости манипулятора и бурильной машины. Установлено, что ограничения находятся внутри области оптимальных управлений, поэтому минимум критерия оптимальности находится на границе области, определенной техническими ограничениями. Но ограничение усилия подачи по прочности резца может быть снято при использовании резцов с критическим усилием подачи R^ превышающим 15 кН, что позволяет вести бурение с предельной толщиной стружки острым резцом. Поэтому создание специального инструмента является актуальной задачей при автоматизации процесса бурения.

При бурении вращательно-ударным способом пород выше средней крепости и крепких в связи с достаточной прочностью буровых коронок Rj, >

25 кН) факторами, определяющими эффективность процесса, являются ограничения усилия подачи по жесткости штанги и устойчивости манипулятора. Частота вращения штанги должна устанавливаться как рациональная по термостойкости материала армировки коронки.

Таким образом, применение мощных бурильных установок и прочных износостойких инструментов существенно упрощает управление процессом и обеспечивает высокую эффективность бурения шпуров.

Исходя из вышеизложенного, рациональное управление процессом бурения шпуров заключается в определении начальных параметров, управлении по ограничениям и выборе оптимального времени бурения (замены инструмента).

Режим начала бурения (после забуривания) существенно зависит от характеристик инструмента, бурильной установки и прочности породы. В таблице приведены начальные ограничения для резцов БИ741 и РП42М с разной критической прочностью.

Из расчета следует, что начальные параметры режима бурения зависят от крепости пород: на породах мягких и средней крепости (/до 7, рк=500... 1200 МПа) - по ограничению толщины стружки по условию заштыбовки штанги; на породах выше средней крепости - по прочности резца и жесткости штанги.

Частота вращения штанги выбирается, как рациональная по термостойкости армирующей части инструмента и ограничена критической частотой по устойчивости штанги.

В случае применения высокопрочных инструментов и мощных бурильных установок начальная удельная подача может быть принята постоянной, равной 4-5 мм/об (до 10 для мягких пород) при бурении пород во всем диапазоне эффективности вращательного способа бурения (/от 2 до 12).

Управление процессом бурения по мере затупления инструмента характеризуется регулированием усилия подачи в функции длины хода (ограничением по жесткости штанги), ограничением предельной подачи на оборот по условию зашты-бовки, а также ограничением по прочности инструмента. Система управления должна обеспечивать защиту от превышения усилия подачи более допустимого по устойчивости манипулятора и бурильной установки.

Частота вращения инструмента в процессе бурения шпура должна уменьшаться по мере затупления инструмента по гиперболическому закону в зависимости от характеристик термостойкости материала армировки резца, или, учитывая установленные взаимосвязи параметров процесса бурения, частота должна изменяться в зависимости от динамики изменения силовых параметров процесса.

Таблица

ВЫБОР РЕЖИМА БУРЕНИЯ ОСТРЫМ PE3UOM

Допускаемые удельные подачи на Контактная прочность порода, МПа

оборот, мм/об: 500 700 900 1200 1500 1800

- по жесткости штанги 18 12 11 6 4 3,5

- по условию заштыбовки штанги:

max 10 8,0 8,0 6,5 6,5 6,5

min 6,0 5,0 4,5 4,5 4,5 4,5

- по прочности резца БИ741 14 8,0 5 4 3 2,5

РП42М 17 10 6,5 5,0 4,5 4,0

Допускаемая частота вращения, мин-1 600* 500* 440 330 260 220

Начальная удельная подача, мм/об

БИ741 6,0 5,0 4,5 4 3 2,5

РП42М 6,0 5,0 4,5 4,5 4,5 4,0

Начальное усилие подачи, кН

БИ741 4,6 5,6 6,6 8,2 8,4 9,0

РП42М 3,7 4,5 5,4 7,2 8,4 9,0

* - ограничение по устойчивости штанги.

Кп

п =----------,

МА5 +

где К, А, Вц - параметры инструмента, либо выбирается как рациональная по термостойкости и остается неизменной.

Время замены инструмента определяется минимумом критерия оптимальности, соответствующего минимуму трудоемкости (максимуму производительности бурения Кп), как условие экстре-

мума функционала

dKn

dt

= 0 , тогда бурение эф-

t J V (t )dt

фективно при V- >-

t + to

и замена инструмента

должна осуществляться при условии равенства мгновенной и средней скоростей бурения с учетом времени замены инструмента.

Реализация условий рациональной замены инструмента возможна при использовании прибора оценки эффективности процесса бурения шпура на базе импульсного датчика скорости бурения и интегрирующей приставки. В основе прибора, разработанного в лаборатории бурения ЮРГТУ, оптоэлектронный датчик модуляционного типа с времяимпульсным преобразователем, передающий сигнал с частотой, пропорциональной частоте вращения модуляционного диска (скорости подачи штанги), который при соединении с блоками интегрирования является датчиком скорости, глубины и направления бурения.

Таким образом, исходя из рационального управления процессом бурения, можно сформулировать основные технические требования к автоматизированной бурильной установке буровзрывного проходческого агрегата по условию

максимально возможного совмещения во времени операций бурения и погрузки:

- бурильная установка должна иметь высокие устойчивость и жесткость манипулятора, обеспечивающих усилие подачи при бурении угловых шпуров не ниже 20 кН;

- мощность привода вращателя бурильной машины более 10 кВт;

- установленная мощность бурильной машины вращательно-ударного действия не менее 25 кВт (вращателя - 10 кВт, ударной системы, не менее 15 кВт), энергия удара - не менее 100 Дж, частота ударов - 2000-4000 уд/мин;

- буровые резцы должны обеспечивать критическое усилие подачи по условию прочности режущей кромки - более 15 кН; ударновращательные коронки - не менее 25 кН;

- частота вращения штанги должна быть регулируемой в пределах 200-700 мин-1 для машин вращательного действия и 100-300 мин-1 для бурильных машин вращательно-ударного действия;

- оптимальная скоростная характеристика привода вращателя должна обеспечивать связь между входными и выходными параметрами процесса бурения, соответствующую уравнению

п

^ (м - СкК) = Еп

где Е и С - параметры инструмента, что обеспечит рациональное управление частотой вращения штанги в процессе затупления инструмента и изменения прочности породы.

Система управления процессом бурения (выбора рационального режима) должна обеспечивать следующие функции:

- устанавливать режим забуривания (минимальные усилие подачи и частоту вращения на глубине бурения до 20 мм);

- обеспечивать регулирование усилия подачи в функции глубины шпура (ограничение по жесткости штанги);

- иметь ограничение по максимуму усилия подачи при условии устойчивости манипулятора и бурильной установки;

- обеспечивать ограничения предельной подачи на оборот (максимальной скорости подачи) по условию заштыбовки штанги;

- определять оптимальное время бурения (замены инструмента) и устанавливать режим замены инструмента.

Анализ существующих конструкций бурильных машин показал, что реализация рационального управления процессом бурения шпуров существенно упрощается и осуществляется в двухдифференциальных приводах бурильных машин, разработанных профессором Г.М. Водяником [4]. Учитывая преимущества таких приводов (большая глубина регулирования, высокая чувствительность системы к изменению моментов сопротив-

лений и способность к перенастройке, простота ограничения по удельной подаче и максимальной защиты по предельному усилию подачи), при установке датчика скорости и эффективности бурения их можно рассматривать как перспективные для разработки бурильных машин буровзрывных комплексов и агрегатов.

Конструкция бурильной машины с двухдифференциальным приводом обеспечивает автоматическую перенастройку режима бурения в большом диапазоне скоростей подачи при достаточной простоте конструкции. Машина в процессе работы способна не только изменять режим бурения, но и при заклинивании или заштыбовке инструмента автоматически совершать отвод его от забоя. Применение этой машины для буровзрывного агрегата позволит одному человеку управлять двумя бурильными машинами, либо совмещать операции бурения и погрузки, так как постоянный контроль за процессом бурения со стороны оператора не требуется.

----------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ленченко В.В. Основные закономерности механического разрушения пород при бурении шпуров // Научно-технические проблемы разработки месторождений, строительства и охраны горных выработок: Межвуз. сб. науч. тр. / Новочерк. гос. техн.

ун-т. - Новочеркасск: НГТУ,

1997.- С. 150-164.

2. Ленченко В.В. Основы выбора оптимальных режимов вращательного бурения шпуров // Механизация и электрификация горных работ: Сб. науч. тр. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 1999. - С. 21-31.

3. Алимов О.Д., Дворников Л.Т. Бурильные машины. - М.: Машиностроение, 1976.

4. Водяник Г.М., Рылев Э.В. Новые бурильные машины вращательного действия. - К.: Техшка, 1979.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Ленченко В.В. - Шахтинский институт филиал Южно-российского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт).