CC BY
44
2004
УДК 622.24.05
Н.И. Сысоев, С.Г. Мирный
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ ШПУРОВ МАШИНАМИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ ЗА СЧЕТ ПОДДЕРЖАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ НА ОПТИМАЛЬНОМ УРОВНЕ
Семинар № 17
ш Ш роцесс бурения шпуров вращатель-
_Ж_Ж ным способом характеризуется совокупностью взаимосвязанных режимных параметров: скорости бурения ¥6 (м/мин); частоты вращения инструмента по6 (об/мин); осевого усилия Рос (Н); крутящего момента Мкр (Н-м). Главным из этих параметров является скорость бурения (как технологический параметр), а остальные совместно должны обеспечивать максимум его значения. Силовые параметры (осевое усилие и крутящий момент) ограничиваются в современных бурильных машинах по условиям прочности инструмента и устойчивости штанги. Так, усилие подачи не должно превышать 20000 Н, величина крутящего момента при этом должна быть достаточной для разрушения породы. Бурение с максимально допустимой удельной подачей S (мм/об), ограничено предельными размерами продуктов разрушения и возможностью их выдачи из шпура, а так же необходимостью обеспечения значения заднего угла резца не ниже допустимого с целью исключения «посадки» резца на заднюю грань.
Частота вращения ограничивается предельными значениями по условию нагрева резца. Чем крепче порода, т.е. значение контактной прочности Рк (МПа) выше, тем величина критической частоты вращения по6 № должна быть
4-105
об.кр.
[6]). Величины этого
параметра находятся в пределах от 300 до 800 об/мин. Исходя из этих ограничений, теоретически возможная скорость бурения мягких пород / ~ 3) по шкале профессора М.М. Прото-дьяконова для двухлезвийных резцов диаметром 40-45 мм и предельной подачи на оборот по условию выдачи штыба 10 мм/об может составить 8 м/мин, а для более крепких пород /~
10) соответственно 3 м/мин. Для крепких пород характерным ограничением, как правило, является предельно допустимое значение осевого усилия. Этот же параметр накладывает свои ограничения и при бурении не столь крепких пород, но затупленным инструментом. На рис. 1 представлены характерные графики изменения скорости бурения пород различной крепости / в зависимости от степени затупления инструмента, оцениваемой проекцией площадки затупления по задней грани на плоскость резания Ки-,,, (мм2) или временем его работы, Г. Когда осевое усилие Рос обеспечивает бурение с максимальной скоростью (горизонтальный участок), т.е. при ограничении величины подачи на оборот, значение максимальной скорости зависит только от частоты вращения, ограниченной температурой нагрева.
Однако приращение степени затупления резца приводит к замедлению бурения с интенсивностью, зависящей от свойств породы, инструмента и частоты вращения. Многими исследователями ранее установлено, что частота вращения при ограниченных значениях усилия подачи, влияет на скорость бурения (рис. 2) [1]. Это влияние по разному проявляется в зависимости от сочетания многих факторов, а поскольку некоторые из них меняются в процессе бурения (степень затупления инструмента, динамические свойства системы «забой-машина»), то до сегодняшнего дня не удалось получить адекватной математической модели. Существуют весьма приближенные зависимости для определения рациональных значения частот вращения только от одного параметра, а именно крепости буримой породы / Например, авторами [1] рекомендуется определять значения рациональных частот
2200 - для
вращения по зависимостям: п _;
/
пород/< 3; п0б = 700-50/- для пород/ = 5...10.
Рис. 1
В этих зависимостях постоянными коэффициентами учтены все факторы кроме крепости породы /, которые влияют на величину значений рациональной частоты вращения. Учитывая то, что крепость породы тоже не всегда постоянна, можно однозначно сказать, что рациональное значение частоты вращения в пределах даже одного буримого шпура не может быть величиной постоянной.
Рис. 2. Влияние частоты вращения инструмента п0& на скорость бурения V песчаника/ = 9-10, при различных значениях Рос Рос 1< Рос 2 < Рос 3
Математическая модель процесса бурения машинами вращательного действия представляет собой систему уравнений (1) и соответствующие ограничения на варьируемые параметры.
Р = / (Рк,«, КПИ, по6)
Мкр = / (Рк, А, КПИ, поб) (1)
Ч6 = / (Рк,«, КПИ, Тк)
V = / (Рос, по6, Рк, КПИ) где а - абразивность породы, мг; КПИ - обоб-
0 200 400 п. ofi/мин
щенный показатель, учитывающий конструктивные параметры инструмента.
При решении системы уравнений (1) необходимо соблюдать следующие ограничения: Л>с.тт<Рос<[Л>с]; -Рос.тт-МИНИМаЛЬНОе ОСвВОе усилие для внедрения резца в породу; [Рос]-максимальное осевое усилие по условию устойчивости буровой штанги и прочности режущей кромки резца; Мкр<[Мкр], [Мкр] - максимальный крутящий момент, обусловленный прочностью резца, штанги и мощностью привода буровой машины; И06.тт<Ио6<Кб.кр]; Кб.кр] - критическая частота вращения резца по условию нагрева режущей кромки; и0б.тп -минимально допустимая частота, обусловленная производительностью машины;
Smin<S<[Sson]; S^-минимальная подача при которой обеспечивается объемное разрушение породы; [Sson] -максимально допустимая подача по условию выдачи буровой мелочи из шпура.
Так как частота вращения ио6 является общим элементом системы уравнений, то необходимо было установить влияние этого параметра на остальные. В ЮРГТУ (НПИ) выполнены теоретические и экспериментальные исследования [2, 7] и, в частности, получены зависимости влияния частоты вращения на величину удельной подачи S (мм/об) при различных усилиях подачи Рж (рис. 3). Установлено также влияние величины удельной подачи S на значение осевого усилия Рж и крутящего момента Мкр, при различных значениях частоты вращения, различных конструкциях резцов и степени их затупления. При постоянном осевом усилии с увеличением частоты вращения бурового резца величина удельной подачи уменьшается по гиперболической зависимости. При бурении с фиксированной удельной подачей с увеличением частоты вращения бурового резца возрастают как усилие подачи на резце, так и крутящий момент, причем интенсивность роста усилия подачи больше чем крутящего момента. Анализ результатов исследований влияния частоты вращения на скорость бурения и силовые параметры позволил уточнить формулы для расчета величин осевого усилия и крутящего момента и представить их в виде:
P = 0.127ПТЛ х н
х [KdF3am + 0,81- «О^Х ■ S ■ (г - rp) ■ K1, ] ’
М* = 0,07ЧГПrх , Н м
х[ Кд рэаш + 0,96 • Кск • S ■ (r - rp) • K 2г ].10-3’
Рис 3:
1 - Рос = 20 кН, 2 - Рос = 16 кН, 3 - Рос = 16 кН
О 200 400 и. об/мин
где Кд - коэффициент пропорциональности между контактной прочностью породы и усилием, затрачиваемым на дробление породы Кд = 0,24 [2]; Кск - коэффициент пропорциональности между контактной прочностью породы и усилием , затрачиваемым на скалывание породы Кск= 0,06 [2]; r, rp - радиусы резца и его
раствора, мм; К1г - коэффициент геометрии режущей части резца при расчете осевого усилия; К2г - коэффициент, учитывающий особенность геометрии режущей части резца при расчете крутящего момента. Для резцов с плоской передней гранью и несложной геометрией режущей части (БИ-741А, РП-42) значения коэффициентов К1г и К2г могут быть определены по следующим формулам [2]:
cos/-^ • sin у .
K1 =-----------———----— • sin <ргп
2slnr • sin(r + у)
K 2 = sin/ + д • cosr г 2sinr- sin(r + /)’
где у - угол резания, град; т - угол скалывания породы передней гранью, град; ^ср - концевой угол, град; ^ - коэффициент трения твердого сплава о породу.
Математическая модель позволяет решать задачи, связанные с определением производительности бурильных машин и режимных параметров. Данная математическая модель может быть использована для разработки алгоритма управления бурильной машиной.
Анализ результатов математического моделирования на ПЭВМ влияния частоты вращения на скорость бурения, позволил нам сделать вывод о том, что для обеспечения повышения скорости бурения недостаточно только определить рациональное значение скорости бурения, а необходимо в процессе бурения плавно или дискретно изменять значение частоты вращения в зависимости от меняющихся условий с целью достижения максимально возможной средней скорости бурения за период стойкости резца.
Эта задача может быть решена различными техническими средствами:
• применением бурильных машин с адаптивным приводом [6];
• автоматизацией процесса бурения [3];
• применением регулируемого привода, управляемого микропроцессором по закономерностям, устанавливаемым в процессе бурения.
Вопросом управления режимными параметрами бурильных машин начали заниматься еще в 1937 г., и первые попытки в данном вопросе были сделаны для машин с принудительной подачей.
Управлением режимными параметрами бурильных машин с гидравлической (свободной) подачей начали заниматься с 1957 года и автоматизация управления ими шла в основном за счет применения объемных гидроприводов со слежением за внешними сопротивлениями, либо как самонастраивающейся системы управления.
Анализ систем автоматического управления [4] позволил сделать вывод о том, что для бурильных машин вращательного действия с гидравлической подачей наиболее подходит самонастраивающаяся система, но с программным управлением по частоте вращения поб и усилию подачи Рос.
"S
Рис. 4
Рис. 5
Известные технические решения не обеспечивают в полной мере решение поставленной задачи. На наш взгляд, современные системы управления приводом (гидравлическим или электрическим) позволяют практически полностью реализовать идею повышения скорости бурения за счет поддержания оптимальными значения частоты вращения инструмента. Основываясь на полученных нами закономерностях и соответствующих математических моделях взаимодействия резца с породой, предлагается алгоритм управления частотой вращения (рис. 4).
Сущность управления процессом бурения заключается в следующем. В начале бурения шпура
в течение времени (ориентировочно равном 5
с) с помощью управляемого микропроцессором привода вращения штанги производится изменение частоты вращения от минимального значения no6. min до максимального no6. max. В это время измеряется скорость бурения и устанавливается значение частоты вращения no6, соответствующей максимальной скорости бурения. Данная частота вращения устанавливается постоянной на некоторый период времени Ti (ориентировочно равный 0,1 времени бурения шпура). По истечение этого времени происходит приращение проекции площадки затупления резца и, как следствие, снижение подачи на оборот S и скорости
бурения V. Путем повторного изменения частоты вращения от no6. min до no6. max определяется новое значение рациональной частоты вращения. Этот алгоритм был реализован в машинном эксперименте. На рис. 5 представлены зависимости изменения скорости бурения V при нерегулируемой частоте вращения no6 (показано пунктиром) и с регулированием частоты вращения по мере затупления резца (сплошная линия).
Как видно из графиков, регулирование частоты вращения существенно сказывается на увеличении скорости бурения, что свидетельствует о целесообразности реализации способа повышения скорости бурения путем поддержания частоты вращения на оптимальном уровне.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алимов О.Д., Дворников Л.Г. Бурильные машины. М. 1976.
2. Крапивин М.Г., Раков И.Я., Сысоев Н.И. Горные инструменты. - 3-є изд., перераб. и доп. - М.: Недра,
1990.
3. Загороднюк В. Т. Автоматизация самоходных бурильных установок, 1975 г.
4. Загороднюк В.Т., Яцкевич В.А. - В кн.: Автоматизация горных машин. т. 236. Новочеркасск, НПИ, 1971.
5. Ленченко В. В. Обоснование выбора и поддержание рациональных режимов сверления шпуров автоматизированными бурильными машинами. Канд. дис. Новочеркасск. 1975.
6. Водяник М.Г., Рылев Э.В. Новые бурильные машины вращательного действия. К.: Техника, 1979.
7. Крапивин М.Г., Мирный С.Г. В кн.: Инструменты и машины выемочных и проходческих комплексов. Новочеркасск, НПИ, 1992.
— Коротко об авторах —
Сысоев Н.И, Мирный С.Г. - ЮРГТУ (НПИ).
© Ю.Д. Красников, B.C. Фелькер, 2004
