Повышение частоты ударов источника силовых импульсов при проходке скважины в грунтовом массиве Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ПОВЫШЕНИЕ ЧАСТОТЫ УДАРОВ ИСТОЧНИКА СИЛОВЫХ ИМПУЛЬСОВ ПРИ ПРОХОДКЕ СКВАЖИНЫ В ГРУНТОВОМ МАССИВЕ

Игорь Владимирович Тищенко

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории механизации горных работ, тел. (383)217-05-13

Владимир Васильевич Червов

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, заведующий лабораторией механизации горных работ, тел. (383)217-02-55, e-mail: chervov@misd.nsc.ru

Алексей Игоревич Горелов

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, младший научный сотрудник лаборатории механизации горных работ, тел.(383)217-05-13

Рассмотрена проблема повышения производительности виброударного воздействия на разрушаемый породный, и уплотняемый грунтовый массивы, за счет увеличения частоты источника силовых импульсов. В работе описаны результаты физического моделирования процесса с использованием дополнительных источников импульсной нагрузки. Обоснована возможность применения комбинированного генератора ударной нагрузки состоящего из двух устройств ударного действия в качестве пути увеличения частоты ударного воздействия.

Ключевые слова: генератор ударного воздействия, импульсная установка, амплитуда ударного импульса, частота ударов, скорость погружения.

INCREASED BLOW FREQUENCY OF POWER PULSE GENERATOR IN SOIL DRILLING

Igor V. Tishchenko

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, PhD Eng, Senior Researcher, Underground Mining Mechanization Laboratory, tel. (383)217-05-13

Vladimir V. Chervov

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Eng, Head of Underground Mining Mechanization Laboratory, tel. (383)217-02-55, chervov@misd.nsc.ru

Aleksey I. Gorelov

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Junior Researcher, Underground Mining Mechanization Laboratory, tel. (383)217-05-13

The authors discuss potential gain in efficiency of vibration treatment of rock mass subject to destruction or soil mass subject to compaction by means of increasing the power pulse source frequency. The article describes physical modeling of vibration treatment with additional pulse load sources and validates applicability of combination impact generator composed of two percussion devices as the way of increasing the impact treatment frequency.

rate.

Широкий спектр горнодобывающих, а также строительных операций включают ряд специальных рабочих процессов, в основе которых лежит приложение импульсной нагрузки к рабочему органу инструмента, непосредственно взаимодействующему с разрушаемой или деформируемой горной породой, таких, как погружение в грунт стальных профилей, бестраншейная прокладка коммуникаций (виброударное прокалывание, продавливание). Для их осуществления в настоящее время применяется широкая гамма машин ударного действия, работающих на различных типах энергоносителя, в том числе и сжатом воздухе.

Одним из основных путей интенсификации процессов ударного разрушения горных пород является создание устройств с расширенным частотным диапазоном ударного воздействия при условии обеспечения ими требуемого порогового значения единичного удара, необходимого для преодоления сопротивления разрушаемого массива [1, 2]. В случае виброударного погружения стальных профилей в грунтовый массив энергетическая составляющая генератора затрачивается на формирование силового импульсного воздействия, амплитуда которого обуславливается геометрическими размерами внедряемого элемента и сопротивляемостью породы, а также на упругую и пластическую деформацию грунта, которая напрямую связана с величиной полного перемещения за один цикл его нагружения [3].

Для обоснования критерием эффективности виброударных технологий и условий возможной практической реализации проведено экспериментальное исследование. Его целью являлась проверка возможности повышения производительности виброударного погружения в упругопластическую грунтовую среду трубчатых стальных профилей путем использования в качестве силового генерирующего модуля комбинированного возбудителя из двух устройств ударного действия с расширенным спектром воздействия как по частотным параметрам, так и по способу передачи полезной нагрузки на рабочий инструмент.

В качестве тела, внедряемого в грунтовую среду, использовалась стальная сборная трубная плеть 1 (рис. 1), состоящая из двух секций с наружным диаметром 33 мм, свинчиваемых резьбовыми муфтами. Забойная часть трубы длиной 1.9 м оснащалась коническим наконечником с углом при вершине 60°. На противоположном конце последней секции устанавливался импульсный генератор, представляющий собой комбинацию из двух пневмомолотов 2, 3 в продольной компоновке. Соединительным узлом служили полые переходные капсулы 7. Для фиксации пневмомолотов относительно забиваемой трубы использовались конические насадки и стяжные устройства 8.Дополнительное статическое усилие в осевом направлении создавалось набором пригрузов 4 общей массой от 25 кг до 100 кг. Передача нагрузки осуществлялась через промежуточный

демпфирующий элемент 5 и шкворень 6, входящий в поперечное отверстие погружаемой трубы.Измерительная часть стендов включала: тензометрический датчик Д в виде отрезка трубы длиной 250 мм. и диаметром 33 мм с наклеенными на их наружной поверхности тензорезисторами [4, 5], блок усилителей электрического сигнала БУ, цифровой преобразователь АЦП, соединенный с персональным компьютером ПК.

Рис. 1. Схема эксперимента с комбинированным генератором из двух устройств ударного действия:

1 - труба; 2, 3 - ударные модули; 4 - гравитационный пригруз; 5 - демпфер;

6 - шкворень; 7 - переходная капсула; 8 - стяжное устройство; Д - датчик силы;

БУ - блок усилителей; АЦП - преобразователь сигнала; ПК - компьютер

В качестве генераторов ударных импульсов использовались модели пневмомолотов с массами ударников 1 и 2 кг, выполненных по единой схеме воздухораспределения с упругим клапаном в камере обратного хода, заложенной в основе всех образцов машин типа «Тайфун» [6] .

Грунтовая среда представляла собой плотную супесчаную смесь естественного залегания с пониженной влажностью, уровень которой составлял менее10%

Перед началом каждого эксперимента выполнялся ряд подготовительных операций:

- организация лидерной скважины глубиной 0.5 м от поверхности грунтового основания для вертикального направления трубной плети;

- предварительное внедрение головной части тубы длиной 1.9 м;

- присоединение второй секции, монтаж датчика усилий, установку вертикальной линейки длиной 2.0 м с ценой деления шкалы 1 мм для непрерывного контроля глубины погружения.

Процесс внедрения трубной плети экспериментальной ударноимпульсной установкой фиксировался на видеокамеру SONY HDR-SR10E, что позволяло после покадровой обработки полученного видеоклипа в программе Picture Motion Browser, определять время и рассчитывать среднюю скорость погружения элемента на каждом контрольном отрезке длиной 0.1 м. Регистрация результатов измерений начиналась с отметки 2 м и заканчивалась по достижению глубины 3.4 м.

Анализ полученных диаграмм силовых импульсов показал, что, независимо от величины и структуры ударной мощности источников периодической нагрузки, ее амплитуда поддерживается в пределах: Fmax= 1521 кН как при

E=9 Дж, f=13.5 Гц, так и при E=17 Дж, f=6.4 Гц. Такой уровень силового воздействия обеспечивает преодоление сопротивления грунтового массива трубчатым элементом и его поступательное перемещение.

Одновременное включение в работу двух устройств ударного действия несколько изменяет картину моделируемого процесса. Так значения амплитуд ударных импульсов колеблются в больших пределах от Fmax= 11 кН до Fmax= 24 кН,

а суммарная результирующая частота силового воздействия приобретает переменные значения, достигая 19.9 Гц. При этом наблюдается приращение скорости перемещения трубной плети (кривая 3, рис. 2) в грунтовом массиве, представляющее собой не простое сложение соответствующих величин от каждой машины в отдельности (кривые 1, 2) а превышающее их суммарные значения в 1.1 - 1.8 раза.

V*lfr}rWc

4.5 4

3.5 3

2.5 1

1.5 1

0,5

О

59

4,4.

,96

С 1,70 2,6-3 2

1.S4

Ж 1, МГ\. ИЯ 0. 81 42

и? * 71

0,57 0,45 0,43 0,51

2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3

Рис. 2. Изменение скорости внедрения трубной плети при различных способах воздействия:

1 - пневмомолот «Тайфун-1»; 2 - пневмомолот «Тайфун-2»;

3 - совместная работа двух ударных устройств

h, .ч

Очевидно, что такие изменения связаны с параллельным воздействием на погружаемый элемент сразу двух несинхронизированных между собой импульсных источников, удары которых могут, как совпадать, так и наноситься через различные промежутки времени.

Этот положительный фактор свидетельствует об улучшении условий взаимодействия элементов системы «грунтовый массив - забиваемый элемент - источник ударной нагрузки», что выражается в более эффективной разработке забоя вследствие уменьшения сопротивления грунтовых слоев сдвигу за счет ослабления сцепления между частицами грунта и снижения коэффициента его внутреннего трения. В результате увеличивается величина перемещения рабочего инструмента за каждый ударный импульс, что в совокупности с ростом частоты ударов обеспечивает повышение производительности всего технологического процесса.

Выводы:

1 Расширение спектра силового воздействия путем присоединения к погружаемому элементу двух пневмомолотов с необходимой энергией единичного удара, установленных последовательно вдоль оси трубной плети, приводит к росту частоты ее нагружения, сопровождающемуся улучшением условий взаимодействия рабочего инструмента с забоем и повышением скорости его продвижения, опережающему соответствующие показатели при суммировании ударной мощности комбинированного модуля в 1.1-1.8 раза.

2. Результаты эксперимента с комбинированным основным источником ударной нагрузки позволяют продолжить работу в данном направлении, наметив следующие задачи его дальнейшего совершенствования:

- согласование режимов работы двух пневмомолотов с целью синхронизации их частотных характеристик путем введения системы автоматической регулировки с обратной связью;

- разработка конструктивных схем и создание высокочастотного импульсного модуля с двумя или несколькими ударными массами, объединенными в одном корпусе и имеющими единую систему воздухораспределения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Смоляницкий Б. Н., Тищенко И. В., Червов В. В. и др. Резервы повышения производительности виброударного погружения в грунт стальных элементов в технологиях специальных строительных работ // ФТПРПИ. - 2008. - № 5. - С. 72-80.

2. Червов В. В., Тищенко И. В., Смоляницкий Б. Н. Влияние частоты виброударного воздействия и дополнительного статического усилия на скорость погружения стержня в грунт // ФТПРПИ. - 2011. - № 1. - С. 61-69.

3. Тищенко И. В., Червов В. В., Горелов А. И. Характер силового импульса в стержне, погружаемом в грунт виброударным воздействием // Сб. науч. тр. Конф. С участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды». Т. 2. Машиностроение. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2012.

4. Макаров Р. А., Ренский А. Б., Боркунский Г. Х., и др. Тензометрия в машиностроении. -М.: Машиностроение, 1975.

5. Нуберт Г. П. Измерительные преобразователи неэлектрических величин. - Л.: Энергия,

1970.

6. Смоляницкий Б. Н., Червов В. В., Трубицин В. В., и др. Новые пневмоударные машины «Тайфун» для специальных строительных работ // Механизация строительства. - 1997. - № 7.

© И. В. Тищенко, В. В. Червов, А. И. Горелов, 2014