Перспективы создания длинноходовых автономных ударных механизмов двойного действия для строительства, ЖКХ, сейсморазведки и горного дела

Белобородов Василий Николаевич; Репин Анатолий Антонович; Ткачук Андрей Константинович; Карпов Владимир Николаевич

ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ

ДЛИННОХОДОВЫХ АВТОНОМНЫХ УДАРНЫХ МЕХАНИЗМОВ ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА, ЖКХ,

СЕЙСМОРАЗВЕДКИ И ГОРНОГО ДЕЛА

Василий Николаевич Белобородов

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории бурения и технологических импульсных машин, тел. (383) 217-08-80

Анатолий Антонович Репин

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, доцент, заместитель директора по научной работе, тел. (383)217-08-61, e-mail: repin@misd.nsc.ru

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 лаборатории бурения и технологических импульсных машин, тел. (383) 217-08-80

Владимир Николаевич Карпов

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, младший научный сотрудник лаборатории бурения и технологических импульсных машин, тел. (383) 217-09-63, e-mail: repin@misd.nsc.ru

Обоснована необходимость создания легких мобильных источников ударного импульса 200^300 Дж. Приведены некоторые аспекты проектирования длинноходовых автономных сейсмоисточников. Обозначены пути дальнейшего совершенствования создаваемых машин. Разработаны и исследованы некоторые конструктивные элементы (ударники и уплотнения). Приведены графики скорости разгона различных ударников с различными уплотнениями.

Ключевые слова: пластиковые корпуса, скорость ударника, энергия удара, машины двойного действия, температурные факторы, воздуходувки, конструкционные и уплотнительные материалы.

PROSPECTS FOR DESIGNING LONG-STROKE SELF-REACTING DOUBLE ACTION DEVICES FOR CONSTRUCTION, MUNICIPAL HOUSING,

SEISMIC EXPLORATION AND MINING

Vasily N. Beloborodov

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, PhD Eng, Senior Researcher, Laboratory for Drilling and Process Pulse Machines, tel. (383)217-08-80

Anatoly A. Repin

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, PhD Eng, Assistant Professor, Deputy Director for Science, tel. (383)217-08-61, e-mail: repin@misd.nsc/ru

Andrey K. Tkachuk

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, PhD Eng, Senior Researcher, Laboratory for Drilling and Process Pulse Machines, tel. (383)217-08-80

Vladimir N. Karpov

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Junior Researcher, Laboratory for Drilling and Process Pulse Machines, tel. (383)217-09-63, e-mail: repin@misd.nsc/ru

The authors discuss topicality of light-weight mobile 200-300 J shock impulse sources. Some aspects of design of long-stroke self-reacting seismic sources are presented and the ways of upgrading of the designed machines are shown. The authors have developed and examined structural elements (hammers and seals) of such machines. Runway speed curves are presented for various hammers with various seals.

Key words: plastic housing, hammer speed, blow energy, double action machine, temperature factor, air blower, engineering and sealing materials.

В ряде отраслей народного хозяйства затруднено использование тяжелой и дорогостоящей пневмо- и гидроударной техники. В частности, в ИГД СО РАН была поставлена задача разработки легкого и мобильного источника ударного импульса с энергией 200^300 Дж для оперативной малоглубинной сейсморазведки. Традиционные установки такого типа имеют массу 200^500 кг, причём не включая массу источника энергии. Учитывая это обстоятельство, усилия группы разработчиков были сконцентрированы на создании длинноходовых компрессионно-вакуумных машин. При увеличении длины рабочего хода возможен разгон ударника при малой силе отдачи и сравнительно небольшом (несколько g) разгоняющем ускорении. С другой стороны, давно существуют установки типа копра (ускорение 1g), которые неудобны из-за большого габаритного размера.

Заметим, что в XX веке одной из фирм Франции выпускались длинноходовые КВУМ [1], однако изготовление громоздких, тяжелых корпусов из металла и отсутствие мощных легких воздуходувок не позволило создать перспективную технику подобного рода. Уже с первого этапа работ выше обозначенной тематике предполагалось создание типоразмерного ряда машин с различными массами ударника для различных применений. Один из экспериментальных образцов был испытан при разрушении неармированных бетонных тумб при реконструкции новосибирского бассейна «Нептун». Впервые корпус ударной машины был выполнен из стандартной пластиковой трубы 0160 мм. Несмотря на невысокую скорость ударника (машина типа гравитационного копра с вакуумным взводом), благодаря увеличению массы поднимаемого ударника и конструкции разрушающего инструмента был достигнут положительный результат. Вторым этапом работ явилось заключение договора с УрО РАН, когда в технических условиях было оговорено значение энергии удара в 200^300Дж. Исходя из ТЗ была сделана оценка мощности приводной воздуходувки, ориентировочно 2 кВт, для обеспечения требуемой производительности зондирования [2]. В процессе натурных испытаний разработанных ударных устройств с массой ударника 20 кг и 40 кг была обнаружена их принципиальная работоспособность, но выявлена невозможность использования для специфических целей малоглубинной

сейсморазведки ударников с массой более 10 кг с учетом заданного в ТЗ диапазона энергий удара.

Отсюда возникла необходимость разработки машин того же диапазона энергий, но с увеличенной до предела по прочности скоростью удара. С учетом требований к габариту по высоте, началась работа по созданию машин двойного действия. Следует отметить, что наиболее подходящей по параметрам и доступности воздуходувкой оказался профессиональный пылеводосос фирмы Delvir Blaster, обеспечивающий перепад давлений при всасывании ~0,035 МПа. Был выявлен ряд недостатков, связанных с влиянием температурного (отрицательные температуры) фактора на функционирование уплотнений ударника.

На основании результатов испытаний было принято решение создать машины подобного типа с дополнительным к силе тяжести разгоняющим ускорением, т.е. машин двойного действия. В связи с этим были предприняты прикладные исследования, касающиеся улучшения характеристик используемых уплотнений ударника, направленные на снижение утечек без увеличения при этом трения и без ужесточения требований к точности размеров корпуса. Также был изучен рынок легких автономных бензиновых, либо дизельных воздуходувных агрегатов. К сожалению, существующие вихревые промышленные воздуходувки весьма дороги и поставляются в комплекте с тяжёлыми электродвигателями, хотя невысокие обороты делают возможным их привод без редуктора от двигателя внутреннего сгорания. В результате, были приобретены две готовые воздуходувки на базе ДВС различной мощности, но с более низкой разностью давлений (0,005-0,01 МПа).

С учетом требования снижения массы ударника были проведены испытания и выяснилось, что более мощная воздуходувка оказалась способна взводить облегченный ударник, преодолевая силу тяжести. Были разработаны и изготовлены в лабораторных условиях два варианта ударников с различными типами уплотнений (рис. 1): пластиковым и пористым.

Рис. 1. Два варианта ударников с различными типами уплотнений

Результаты испытаний ударников по разработанной ранее методике [3] приведены на графике (рис. 2).

V, м/с

Рис. 2. Результаты эксперимента по разгону ударника в длинноходовой КВУМ двойного действия:

1 - свободное падение ударника (теория); 2 - разгон ударника с пористым уплотнением, пропитанный пенным реагентом (линия тренда); 3 - ударник с полимерными манжетными уплотнениями и масляной смазкой (линия тренда); 4 - ударник с манжетными уплотнениями без смазки (линия тренда); Ломаные линии соединяют отдельные

экспериментальные точки

Анализ результатов испытаний ударников позволил сделать вывод о более скоростных характеристиках ударника с пористым покрытием, пропитанным пенным реагентом. После взвода ударник фиксировался управляемым магнитным фиксатором (рис. 3) на постоянных магнитах с возможностью установки управляющей катушки.

Рис. 3. Управляемый магнитный фиксатор

Кроме того, соединение корпуса с верхним конструкционным модулем, включающим текстолитовый диск с расположенным на упругой связи управляемым магнитным фиксатором, было выполнено быстроразъемным. Испытания в лабораторных и полевых условиях подтвердили работоспособность разработанной конструкции.

На испытываемые экспериментальные конструкции получен ряд патентов и положительных решений ВНИИГПЭ. Проводятся также исследования по разработке датчиков, управляемых клапанов и др. устройств, необходимых для автоматизации рабочего цикла и управления энергией и момента удара комплекса ударных машин. При этом предполагается использование современных конструкционных и уплотнительных материалов на базе нанотехнологий, а также уже выпускаемых отечественной промышленностью (трубы из стеклопластика, износостойкие полимерные уплотнения с твердой смазкой, постоянные магниты с редкоземельными элементами) и получившие широкое распространение в потребительской сфере.

Подводя итог проделанной работе можно констатировать возможность создания легких, мобильных ударных автономных устройств с малой силой отдачи и высокой энергией единичного удара с использованием пластиковых корпусов и современных воздуходувок взамен компрессора. В перспективе возможна электронная синхронизация работы комплекса таких машин и регулирование их энергии удара, вплоть до компьютерного управления. К достоинствам таких машин можно отнести легкость их оперативного ремонта непосредственно на предприятиях, а также пониженные требования к точности и чистоте обработки составных частей. Вероятные области использования таких машин - оперативная малоглубинная сейсморазведка, строительство и коммунальное хозяйство.

В рамках продолжения НИР были предложены и реализованы следующие схемы (рис. 4, 5) сейсмоисточников двойного действия:

Рис. 4. Сейсмоисточник двойного действия с линейным переключателем:

1 - корпус; 2 - ударник; 3 - уплотнение; 4 - магнит; 5 - линейный переключатель

Рис. 5. Сейсмоисточник двойного действия с поворотным переключателем:

1 - корпус; 2 - ударник; 3 - уплотнение; 4 - магнит; 5 - поворотный переключатель

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Палагин В.В. и др. Сейсморазведка малых глубин // - М.: Недра, 1989, - С.19.

2. Белобородов В.Н., Репин А.А., Ткачук А.К. Разработка длинноходовой компрессионновакуумной ударной машины // Труды конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (28 июня - 02 июля 2008 г.) Новосибирск: Ин-т горного дела СО РАН, 2010, т. 3, -С. 218-221.

3. Белобородов В.Н., Ткачук А.К. Способ экспериментального определения динамических параметров машин ударного действия // Сборник трудов конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (9-12 октября 2012 г.) в II т. Т. II. Машиноведение. - Новосибирск: Ин-т горного дела СО РАН, 2012. -С. 74-76.