CC BY
45
УДК 622.243
A.П. Комиссаров, Г.В. Прокопович,
B.И. Бахарева
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ МАШИН УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ
Рассмотрен рабочий процесс машин ударного действия как процесс воздействия на горную породу волн деформаций, генерируемых при соударении ударника с элементом ударной системы (по-родоразрушающим инструментом, хвостовиком буровой штанги и т.п.). Показано, что степень передачи энергии удара к породе зависит, главным образом, от следующих факторов: физико-механических свойств горной породы, в частности, от сопротивляемости породы образованию волны деформаций (т.е. волнового сопротивления породы); ударной жесткости контактного сечения инструмента с породой, т.е. конструкции инструмента и вида ин-денторов. Установлено, что с ростом ударной жесткости контактного сечения рабочего инструмента с породой степень передачи энергии удара в породу возрастает.
Ключевые слова: машина ударного действия, волновое сопротивление, ударная жесткость контактного сечения инструмент-порода, энергия удара.
Введение
Машины ударного действия широко применяются в горнодобывающей и других отраслях промышленности, что обусловлено рядом их преимуществ — реализация значительных по величине ударных сил на контакте инструмент-порода при малой массе и габаритах машины.
Основной недостаток машин ударного действия заключается в значительных потерях энергии удара как при прохождении волн деформаций по элементам ударной системы (волноводам) вследствие внутреннего трения в волноводах и рассеяния в окружающую среду, так и, в основном, в результате отражения волн от контактного сечения рабочего инструмента с породой.
При разработке новых высокопроизводительных машин ударного действия все большее значение приобретают вопросы энергосбережения и энергоэффективности рабочего процесса.
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 4. С. 31-38. © 2016. А.П. Комиссаров, Г.В. Прокопович, В.И. Бахарева.
Постановка цели и задач работы
Цель — обоснование рациональных параметров породораз-рушающего инструмента, обеспечивающих повышение степени использования энергии удара.
Задачи работы:
• оценка влияния конструктивных параметров инструмента на процесс передачи энергии удара в породу;
• установление зависимостей между параметрами инструмента и коэффициентом передачи энергии волн деформаций в породу.
Решение задач работы
Метод решения задач работы основан на применении положений теории удара и теории колебаний упругих тел (волновой теории).
Объектом исследования является буровая машина ударного действия с погружным ударным механизмом, ударная система которой включает ударник и породоразрушающий инструмент.
Принимаем следующие допущения:
• ударник и инструмент изготовлены из одинакового материала и имеют равные и постоянные по длине поперечные сечения, что справедливо для гидравлических ударных механизмов [1];
• инструмент снабжен цилиндрическими инденторами.
В этом случае при соударении ударника с инструментом формируется ударный импульс прямоугольной формы, величина ударной силы которого равна [1, 2]:
Руд = °,5рудауд'$удУуд , (1)
где р — плотность материала ударника (и инструмента);
уд \0,5
ауд
— скорость распространения упругих волн в ма-
териале ударника; S — площадь поперечного сечения ударника; Ууа — предударная скорость ударника; Е — модуль упругости материала ударника.
В результате удара возникают волны деформаций, при этом частицы материалов ударника и инструмента совершают колебания около положения равновесия.
Колебательная скорость частиц равна:
р
У^= ^, (2)
кол.у
Суд
где Cyd = RwdSyd — ударная жесткость поперечного сечения ударника; Ryd = рудауд — волновое сопротивление материала ударника, характеризующее его (материала) способность сопротивляться образованию упругих деформаций.
После преобразований выражений (1) и (2) получим:
Fyd = 0, 5CydVyd (3)
и
Укол,уд = 0,5Vyd. (4)
Энергия начальной волны деформаций равна [1]:
F21
A = Уд Уд = A
Аед = "С - Луд , (5)
Суд
где Ьуд = 21уд / ауд — длительность удара; / — длина ударника; Ауд — энергия удара.
С учетом выражения (3) имеем:
АИед = 0,25Су^уд. (6)
При взаимодействии начальной волны деформаций, распространяющейся по инструменту, с горной породой она разделяется на две части — волну деформаций, проходящую в породу, и отраженную от породы волну.
Сила в прошедшей в породу волне деформаций, действующая на контакте инструмент-порода, равна [3]:
F = Fyд 2C" , (7)
к C + C
Суд Cn
где Cn = RnSK — ударная жесткость площади контакта инструмент-порода (далее — ударная жесткость породы); Rn = pnan — волновое сопротивление породы; SK — площадь контакта инден-торов с породой (для цилиндрических инденторов SR = const); рп — плотность породы;
п / \ 0,5 II7 \
— скорость распространения упругой волны в по-
V К n J
роде; Еп — модуль упругости породы. С учетом выражения (3) имеем:
F = CybVybCn = VyC (8)
F С + С С
Суд Cn 1 + n
Суд
Колебательная скорость частиц породы составит:
р Уй 2У я
У = 1 к = уд = кол.уд (9)
кол.п ~ ^ ~ С ~ С
Сп 1 + 1 +
Суд Суд
Энергия волны деформаций, прошедшей в породу, составит:
КЧ, У.2£.яО..
Авд.п =
С
(
1 +
Сп
С
У
(10)
Соотношение между энергией удара (или энергией начальной волны деформаций) и энергией волны деформаций, прошедшей в породу, т.е. коэффициент передачи энергии удара в породу, составит:
Авд.п 4С
К =
А
уд
(
С
уд
1 +
С
У
С
уд
4СудСп (Суд + Сп )2
(11)
Анализ полученных выражений (7)—(11) показывает, что параметры волны деформаций, прошедшей в породу, определяются величиной относительной ударной жесткости породы С = С / С
Рис. 1. Зависимость относительно- Рис. 2. Зависимость относитель-
го значения силы, действующей на ного значения колебательной ско-
контакте «инструмент-порода», рости частиц породы от относи-
от относительной ударной жест- тельной ударной жесткости по-
кости породы роды
На рис. 1—3 приведены зависимости относительных значений силы, действующей на контакте инструмент-порода,
Рк.отн = Рк / Руд и колебательной скорости частиц породы V = V / V я а так-
кол.п.отн кол.п * кол.уд
же коэффициента передачи энергии удара в породу от относительной ударной жесткости породы.
Из приведенных графиков видно, что с ростом относительной ударной жесткости породы относительные значения силы, действующей на контакте инструмент-порода, и энергии волны деформаций, прошедшей в породу, возрастают, а относительное значение колебательной скорости частиц породы уменьшается.
Максимальное значение ударной жесткости породы (площади контакта инденторов с породой) определяется из условия разрушения породы:
Рис. 3. Зависимость коэффициента передачи энергии удара в породу от относительной ударной жесткости породы
F > F = S
(12)
где Fc — сила сопротивления внедрению инструмента; стсж — предел прочности породы на сжатие.
После преобразований выражений (8) и (12), получим:
Sк
1
(
Вп ®сж
2КЯ
\
- С,ЛСт„
(13)
где К = тудУуд — количество движения ударника, равное по величине ударному импульсу; mуд — масса ударника.
Таким образом, при известных значениях параметров гидравлического ударного механизма Ш , l , V и C ) и физи-
уд уд уд уд
ко-механических свойств горной породы (стсж и Rп) существует максимально возможное значение площади контакта Sk тх цилиндрических инденторов породоразрушающего инструмента, при котором достигается максимальное значение коэффициента передачи энергии удара в породу.
Заключение
В работе установлены соотношения между параметрами волны деформаций, прошедшей в породу, и начальной волны деформаций, генерируемой при соударении ударника с инструментом.
Показано, что при прочих равных условиях параметры волны деформаций, прошедшей в породу, зависят от величины ударной жесткости породы, т. е. волнового сопротивления породы и суммарной площади сечений инденторов инструмента (площади контакта инструмент-порода).
Получено выражение для максимального значения ударной жесткости породы (площади контакта цилиндрических инден-торов с породой).
Повышение энергоэффективности машин ударного действия достигается за счет выбора рациональных параметров по-родоразрушающего инструмента.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алимов О. Д., Манжосов В.К., Еремьянц В. Э. Удар. Распространение волн деформации в ударных системах. — М.: Наука, 1985. — 215 с.
2. Иванов К. И., Андреев В. Д., Варич М. С., Дусев В. И. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. — М.: Недра, 1974. - 408 с.
3. Комиссаров А. П., Прокопович Г. В., Фролов С. Г. Влияние конструкции породоразрушающего инструмента на эффективность ударного бурения // Горное оборудование и электромеханика. — 2012. — № 8. — С. 11—15.
4. Клей Р. В., Кук М. А., Кейс Р. Т. Ударные волны в твердых телах и механика горных пород / Разрушение и механика горных пород. — М.: Госгортехиздат, 1962. — С. 410—440.
5. Робертс А., Хоукс И., Фарби Д. Передача энергии при ударном бурении: Экспресс-информ // Горнорудная промышленность. — 1963. — № 2. — С. 1—18.
6. Sears I. E. On the longitudinal impact of metal rods with rounded ends. Trans. Cambridge Philos. Soc., 1909, vol. 21, № 11, p. 49—105.
7. Arndt F. K. Der Schlageblauf in Kolben und Stange beim schlagenden Bohren. Glückauf, 1960, Bd. 1, № 24.
8. Arndt F. K. Die Energiebilanz des Bohrhammers. Bergakademie, 1965, Bd. 17, № 3, S. 159—161.
9. LundbergB. Some basic problems in percussive rock destruction. Gete-borg, 1971.
10. Hustrulid W. A., Fairhurst C. A theoretical and experimental study of the percussive drilling of rock. Intern. J. Rock Mech. and Mining Sci., 1971, № 8, p. 311—333.
11. Hustrulid W. A., Fairhurst C. A theoretical and experimental study of the percussive drilling of rock. Intern. J. Rock Mech. and Mining Sci., 1972, № 9, p. 335—356.
12. Dutta P. K. The determination of stress waveforms produces by percussive drill pistons of various geometrical designs. Intern. J. Rock Mech. and Mining Sci., 1968, vol. 5, № 6, p. 501-518.
13. Sembritzki G. Zum Spannungszustang in Bohrstangen beim schlagenden Bohren. Bergbauwissenschaften, 1968, Bd. 15, № 12, S. 457-463.
14. Engel L. Die Theorie des Stoles und die Praxis des schlagenden Bohrens. Bergbauwissenschaften, 1964, Bd. 11, № 21/22, S. 477-480.
15. Fairhurst C. Wave mechanics of percussive drilling. Mine and Quarry, 1961, № 3, p. 122-133; № 4, p. 169-178. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Комиссаров Анатолий Павлович1 - доктор технических наук, профессор,
Прокопович Григорий Валерьевич1 - кандидат технических наук,
старший преподаватель,
Бахарева Валентина Ивановна1 - ассистент,
1 Уральский государственный горный университет,
e-mail: gmf.gmk@ursmu.ru.
UDC 622.243
Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 4, pp. 31-38. A.P. Komissarov, G.V. Prokopovich, V.I. Bakhareva
IMPROVING ENERGY EFFICIENCY MACHINES PERCUSSION
The paper considers workflow machines percussion effects on the process of rock deformation waves generated by the collision of the impactor with the element of shock (rock cutting tool shank drill rod). The degree of energy transfer to the rock pin depends mainly on the following factors: physical and mechanical properties of the rock formation, in particular by resistance strain wave formation rock (the wave resistance of rock); the stiffness of the shock of the contact section of the tool with the breed, t. e. the design tools and the type of indent-ers. It was found that an increase in the stiffness of the shock of the contact section of the working tool with rock degree of transmission of the impact energy into the rock increases.
Key words: percussion machine, wave resistance, shock stiffness of the contact section of the tool-breed, the impact energy.
AUTHORS
Komissarov A.P.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, Prokopovich G.V.1, Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer, Bakhareva V.I.1, Assistant,
1 Ural State Mining University, 620144, Ekaterinburg, Russia. REFERENCES
1. Alimov O. D., Manzhosov V. K., Erem'yants V. E. Udar. Rasprostranenie voln defor-matsii v udarnykh sistemakh (Percussion. Travel of deformation waves in percussive systems), Moscow, Nauka, 1985, 215 p.
2. Ivanov K. I., Andreev V. D., Varich M. S., Dusev V. I. Tekhnika bureniya pri raz-rabotke mestorozhdeniy poleznykh iskopaemykh (Drilling technique in mineral mining), Moscow, Nedra, 1974, 408 p.
3. Komissarov A. P., Prokopovich G. V., Frolov S. G. Gornoe oborudovanie i elektrome-khanika. 2012, no 8, pp. 11—15.
4. Kley R. V., Kuk M. A., Keys R. T. Razrushenie i mekhanika gornykh porod (Failure and mechanics of rocks), Moscow, Gosgortekhizdat, 1962, pp. 410—440.
5. Roberts A., Khouks I., Farbi D. Gornorudnaya promyshlennost'. 1963, no 2, pp. 1—18.
6. Sears I. E. On the longitudinal impact of metal rods with rounded ends. Trans. Cambridge Philos. Soc., 1909, vol. 21, no 11, pp. 49-105.
7. Arndt F. K. Der Schlageblauf in Kolben und Stange beim schlagenden Bohren. Glückauf, 1960, Bd. 1, no 24.
8. Arndt F. K. Die Energiebilanz des Bohrhammers. Bergakademie, 1965, Bd. 17, no 3, pp. 159-161.
9. Lundberg B. Some basic problems in percussive rock destruction. Geteborg, 1971.
10. Hustrulid W. A., Fairhurst C. A theoretical and experimental study of the percussive drilling of rock. Intern. J. Rock Mech. and Mining Sci., 1971, no 8, pp. 311-333.
11. Hustrulid W. A., Fairhurst C. A theoretical and experimental study of the percussive drilling of rock. Intern. J. Rock Mech. and Mining Sci., 1972, no 9, pp. 335-356.
12. Dutta P. K. The determination of stress waveforms produces by percussive drill pistons of various geometrical designs. Intern. J. Rock Mech. and Mining Sci., 1968, vol. 5, no 6, pp. 501-518.
13. Sembritzki G. Zum Spannungszustang in Bohrstangen beim schlagenden Bohren. Bergbauwissenschaften, 1968, Bd. 15, no 12, pp. 457-463.
14. Engel L. Die Theorie des Stoles und die Praxis des schlagenden Bohrens. Bergbauwissenschaften, 1964, Bd. 11, no 21/22, pp. 477-480.
15. Fairhurst C. Wave mechanics of percussive drilling. Mine and Quarry, 1961, no 3, pp. 122-133; no 4, pp. 169-178.
НОВИНКИ ИЗДАТЕЛЬСТВА «ГОРНАЯ КНИГА»
ГОРНЫЙ
ИНФОРМАЦИОННО-
АНАЛИТИЧЕСКИЙ
БЮЛЛЕТЕНЬ
MJNlfJü INFORMATIONAL AND ANALYTICAL BULLETIN
Коллектив авторов
Горный информационно-аналитический бюллетень. Специальный выпуск № 36. Нефть и газ
Год: 2015 Страниц: 304 ISBN: 0236-1493 UDK: 622.276+553.981
НЕФТЬ И ГАЗ
Тематика статей представлена вопросами контроля и обеспечения надежности нефтегазовых объектов, развития газогидратных технологий, моделирования и оптимизации процессов добычи, хранения и транспортировки углеводородного сырья, энергоресурсобереже-нию и экологическим проблемам эксплуатации оборудования нефтегазовой отрасли.
Сборник будет полезен научно-техническим и инженерным работникам нефтегазового комплекса, а также студентам и аспирантам.
