CC BY
45
УДК 550.34.016
ОСОБЕННОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КОМПРЕССИОННО-ВАКУУМНЫХ МАШИН УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ
Андрей Константинович Ткачук
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)217-08-80, e-mail: tkachuk.184@yandex.ru
Владимир Николаевич Карпов
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, научный сотрудник, тел. (383)217-09-63, e-mail: kvn184@yandex.ru
Проанализирован и обобщен опыт создания машин ударного действия с использованием компрессионно-вакуумных энергоисточников. Предложены пути их дальнейшего совершенствования и применения.
Ключевые слова: малоглубинная сейсморазведка, компрессионно-вакуумная ударная машина, элементы управления, эластичный ресивер, полимерная смазка, мобильность, автономность, испытательный стенд.
FEATURES AND PROSPECTS OF IMPROVEMENT IN COMPRESSION-VACUUM ACTION PERCUSSIVE MACHINES
Andrei K. Tkachuk
Chinakal Institute of Mining, SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Candidate of Engineering Sciences, Senior Researcher, tel. (383)217-08-80, e-mail: tka-chuk.184@yandex.ru
Vladimir N. Karpov
Chinakal Institute of Mining, SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Researcher, tel. (383)217-09-63, e-mail: kvn184@yandex.ru
The authors analyze and generalize the experience gained in engineering of percussive machines with compression-vacuum action energy sources. Ways of further improvement and potential areas of application of the machines are suggested.
Key words: shallow seismic exploration, compression-vacuum action percussive machine, control elements, elastic receiver, polymeric lubricant, mobility, independence, test bench.
В лаборатории бурения и технологических импульсных машин ИГД СО РАН успешно развивается направление по созданию автономных малогабаритных компрессионно-вакуумных ударных машин (КВУМ). Разработка и внедрение машин данного класса с учетом результатов лабораторных и натурных исследований ведется с целью технического обеспечения малоглубинной сейсморазведки невзрывными источниками упругих волн при решении геологических задач в широких диапазонах исследуемых глубин представленных в табл. 1. Актуальной технической задачей, при этом, является разработка невзрывного
универсального мобильного комплекта оборудования для генерации ударных импульсов, обеспечивающих проведение малоглубинной сейсморазведки. Для решения поставленной задачи на основании изученных проблем, связанных с эксплуатацией невзрывных сейсмоисточников, сформированы общие требования к универсальному комплекту для проведения малоглубинной сейсморазведки (УКМС): работа источника не должна быть основана на человеческой силе (кувалда, гравитационный копер - источник типа «трипод»); максимальная масса комплекта источника для исследования глубин IV диапазона не более 60 кг, а максимальная масса отдельных комплектующих недолжна превышать 30 кг [1]; максимальная энергия единичного удара при исследовании глубиндо 500 м должна составлять 1-1,2 кДж включительно; обеспечение нанесение ударов с постоянными энергетическими характеристиками - «калиброванный удар»; диаметр контактной поверхности источника при энергии единичного удара более 300 Дж не должен превышать 150 - 200 мм [2]; отсутствие повторного удара в следствие эффекта «отскока»; время ударного цикла 1,4 - 8 с; возможность нанесения удара под любым углом 0- 360°; режимы работы ударного механизма полуавтоматический и автоматический; время развертывания комплекта с расчисткой профиля под источник не более 5 мин; низкие шумовые характеристики позволяющие выполнять работы в агломерациях города; ремонтопригодность; надежность работы; простота в обслуживании не требующая специальных знаний; безопасность проведения работ; низкая стоимость.
Таблица 1
Диапазоны глубин при проведении малоглубинной сейсморазведки
\ Глубина, м Сферы проведения разведки
I от 0 до 10-30 поиск археологических артефактов; массовое строительство; капитальный ремонт, реконструкция зданий и сооружений; мелиорация; малоглубинное геологическое картирование и др.
II от 10-30 до 50-100 поиск строительных материалов; поиск подземных водоносных горизонтов; строительство сложных инженерных сооружений; изучение карстово-суффиозных процессов; изучение причин деформации гидротехнических сооружений и др.
III 150-200 поиск рассыпных месторождений; поиск бурых углей; залегание водоносных горизонтов; строительство горнотехнических сооружений и др.
IV от 150-200 до 500 поиск и изучение рудных тел, артезианских водных горизонтов, месторождений нефти и газа и др.
С учетом вышеприведённых требований речь идет о создании УКМС на базе редкоударных машин нового поколения, обладающих высокими энергетическими характеристиками при сравнительно небольшой массе. Потенциалом создания перспективного комплекта может служить опыт разработки и исследования компрессионно-вакуумных машин ударного действия [3-5].
К общим особенностями разработанных в ИГД СО РАН источников упругих волн на базе КВУМ,следует отнести использование машин, оснащенных-компрессионно-вакуумными агрегатами (КВА),служащих энергоисточниками рабочей среды (воздуха),обеспечивающих работу ударной системы, а также изготовление корпусов машин из полимерных материалов, обладающих более высокой технологичностью при изготовлении и ремонте, а также меньшей массой по сравнению со стальными конструкциями. В табл. 2 предложены сравнительные технические характеристики источников упругих волн, представленных на рисунке.
Обобщенный анализ разработки, исследований и эксплуатации КВУМ, при решении геологических задач, обозначил подходы к созданию УКМС. Важными составляющими перспективного комплекта будут является: универсальный быстросъемный силовой привод оригинальной конструкции с массой не более 4 кг, оснащенный КВА с мощностью до 2,6 кВт, с встроенной полуавтоматической системой управления, позволяющий обеспечивать работу ударного узла машины в вакуумном (гравитационный полуавтоматический или автоматический копер), компресионно-вакуумном и компрессионном режиме; корпус машины облегченной конструкции, выполненный в модульно-секционном исполнении для решения геологических задач во всех диапазонах исследуемых глубин; использование полимерных смазок обеспечивающих надежную работу ударной системы в диапазоне +40 ^ -30°С; универсальный быстросъемный магнитный фиксатор регулирующий усилие отрыва (разгона) ударника, при постоянном давлении воздуха в камере рабочего хода в зависимости от диапазона исследуемых глубин; съемный эластичный ресивер, соединенный с камерой рабочего хода, позволяющий снизить габаритные размеры комплекта (по высоте) и увеличить энергию единичного удара [6]; комплект быстросъемных ударников (установка и съем через дульную часть корпуса), используемый в зависимости от решаемых геологических задач; оборудование для проведения автономных работ: 12В АКБ с инвертором 12 - 220В - 3кВт (массой не более 5 кг); и др.
Немаловажно отметить, что одним из важных звеньев в создании УКМС будет являться адаптация комплекта к использованию альтернативных силовых приводов, оснащенных КВА, к примеру, на базе ДВС обеспечивающих более длительную продолжительность работы в автономном режиме.
Первыми шагами создания УКМС, по сути, стала разработка опытного об-разцаКВУМ-3, сочетающая в себе ряд новых технических решений [7]. В настоящее время испытания машины продолжаются, результаты лабораторных и натурных исследований будут опубликованы в дальнейших работах коллектива разработчиков.
Таблица 2
Сравнительные характеристики КВУМ
Технические характеристики Показатели
Название машины: КВУМ-1 КВУМ-2 КВУМ-3
Силовой привод (СП): - на базе - мощность, кВт - масса электрический БеМгБ1а81ег 2/62 2,6 23 ДВС 01ео-МасБУ162 3,5 9,4 электрический оригинальный 1,8 4
Количество рабочих камер КВУМ 1 2 1
Использование воздушных линий КВА при работе ударной системы вакуумная компрессионная компрессионно-вакуумная
Номинальное давление, (МПа): - подъем ударника - разгон ударника -0,035 сила тяжести 0,01 0,01 -0,02 0,033
Материал корпуса полиэтилен полиэтилен полипропилен
Наличие модульного магнитного фиксатора в камере рабочего хода - - +
Наличие эластичного ресивера - - +
Длина рабочего хода ударника, мм 1300 880 714
Внутренний диаметр корпуса, мм 135 135 130
Масса ударника, кг 20 9,4 12
Легкосъемный ударник + - +
Способы управления КВУМ: - ручное - полуавтоматическое - автоматическое + + + +
Элементы управления КВУМ воздушный клапан с механическим управлением золотниковый распределитель электрический пульт управления КВА
Угол ударного воздействия, град -90° -90° 0 - 360°
Масса источника с СП / трансп. устройство, кг 56/- 26/44,5 24/-
Диапазон исследуемых глубин 1,11 1,11 1,11,111
а б в
Рис. Компрессионно-вакуумные ударные машины: а - КВУМ-1; б - КВУМ-2; в - КВУМ-3
Одним из перспективных направлений использования источников продольных волн на базе КВУМ, обеспечивающих возможность генерации ударных импульсов под любым углом, является сейсморазведка в горных выработках (подземная сейсморазведка), применяемая для выявления и изучения пустот, обводненных зон, карстово-суффиозных процессов, изучения геологического строения и оценки физико-механических и прочностных свойств горных пород вокруг выработок, а также горного давления. Важность проведения сейсморазведочных исследований в системе безопасности подземной разработки месторождений полезных ископаемых раскрыта в[8,9].
Помимо проведения сейсморазведочных работ образцы КВУМ двойного действия целесообразно использовать в качестве ударного источника испытательных стендов для физического моделирования процесса разрушения породного массива при динамическом внедрении бурового инструмента, оснащенного твердосплавными инденторами, для ударно-вращательного бурения скважин с целью обоснования параметров буровых долот для пневматических и гидравлических ударных машин. Малая масса, габариты, достаточно высокая энергия единичного удара, сопоставимая с действующими образцами горных машин, позволяют существенно повысить эффективность проводимых исследований и стать альтернативой замены гравитационному копру и стационарным компрессорным установкам, широко используемым в такого рода исследованиях [10].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ивашин В.В., Иванников Н.А., Узбеков К.Х. К вопросу создания переносных импульсных невзрывных сейсмоисточников с индукционно-динамическим приводом // Известия научного центра Российской академии наук, 2013, №4 - 1, Т.15, С.75-81.
2. Санфиров И.А., Ярославцев А.Г. Опыт применения сейсморазведки ОПГ для решения инженерно-геологических задач // Геофизика.2004. №3 С. 27-30.
3. Белобородов В.Н., Ткачук А.К. Некоторые способы борьбы с отскоком в ударных импульсных источниках при малоглубинной сейсморазведке// Всероссийская конференция «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды»: сб. трудов конф. -Новосибирск: ИГД СО РАН, 2012, Т.2, С. 70 - 73
4. Белобородов В.Н., Ткачук А.К. Анализ эффективности конструктивных решений уплотнений ударных машин с полимерными корпусами, позволяющих снизить трение и утечки воздуха // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. - 2014. - №1, Т2 -С. 54 - 61
5. Перспективы создания длинноходовых автономных ударных механизмов двойного действия для строительства, ЖКХ, сейсморазведки и горного дела / В. Н. Белобородов, А. А. Репин, А. К. Ткачук, В. Н. Карпов // 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. 2.
6. Репин А.А., Ткачук А.А., Карпов В.Н., Белобородов В.Н., Ярославцев А.Г., Жикин А.А. Разработка и исследование автономного мобильного компрессионно-вакуумного ударного источника продольных волн для сейсморазведки // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2016. - №1. - С. 144-151.
7. Пат. на ПМ №156306 Компрессионно-вакуумная ударная машина двойного действия Репин А.А., Тимонин В.В., Белобородов В.Н., Ткачук А.К., Карпов В.Н., Васильев Г.Г., Заболоцкая Н.Н. Опубл. в БИ. № 31 - 2015
8. Санфиров И.А., Бабкин А.И. Сейсморазведка МОВ в горных выработках соляных рудников // Геофизика. - 2006. - №3. - С.23-26
9. Ярославцев А.Г., Жикин А.А., БайбаковаТ.В.,Никифорова А.И. Место и роль инженерных сейсморазведочных исследований в системе обеспечения безопасности подземной разработки месторождения водорастворимого полезного ископаемого // Материалы научно-практической конференции «Проблемы безопасности и эффективности освоения георесурсов в современных условиях»: сб.тр. конф. - Пермь: Горный институт УрО РАН, 2014, С.101-104
10. Тимонин В.В. Обоснование параметров породоразрушающего инструмента и гидравлической ударной машины для бурения /Автореферат кандидатской диссертации. Специальность 05.05.06 «Горные машины» - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2009. - с.22
© А. К. Ткачук, В. Н. Карпов, 2016
