CC BY
28
УДК 622. 233. 53
СОЗДАНИЕ СИСТЕМЫ ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГРУЖНОГО ПНЕВМОУДАРНИКА ДЛЯ РАСШИРЕННОГО ДИАПАЗОНА РАБОЧЕГО ДАВЛЕНИЯ
Владимир Владимирович Тимонин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, зав. лабораторией бурения и технологических импульсных машин ИГД, тел. (383)205-30-30, доп. 199, e-mail: [email protected]
Сергей Евгеньевич Алексеев
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, старший научный сотрудник лаборатории бурения и технологических импульсных машин, тел. (383)205-30-30, доп. 205, e-mail: [email protected]
Даньяр Иванович Кокоулин
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)205-30-30, доп. 208, e-mail: [email protected]
Описаны особенности погружных пневмоударников для бурения скважин в породах средней и высокой крепости. Рассмотрены некоторые конструктивные элементы этих машин. Рассмотрена специфика работы пневмоударников на различном рабочем давлении. Показаны возможности повышения мощности пневмоударников при работе на малом давлении энергоносителя. Приведены примеры конкретного исполнения системы воздухораспределе-ния и некоторые результаты ее исследования.
Ключевые слова: скважина, система воздухораспределения, схема, давление, мощность, энергоноситель, энергия удара, надежность, рабочая площадь, ударник.
THE AIR-DISTRIBUTION SYSTEM IN DOWNHOLE AIR HAMMER WITH EXPANDED OPERATING PRESSURE RANGE
Vladimir V. Timonin
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D., Head of Laboratory for Drilling and Technological Impulse-Forming Machines, tel. (383)205-30-30, extension 199, e-mail: [email protected]
Sergey E. Alekseev
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Senior Researcher, tel. (383)205-30-30, extension 205, e-mail: [email protected]
Daniar I. Kokoulin
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D., Senior Researcher, tel. (383)205-30-30, extension 208, e-mail: [email protected]
Specific features of downhole air hammers to make holes in medium- and high-hardness rocks are described. Structural members of these devices and peculiarities of air-hammer operation
under different working pressures are considered. The potential feasible increase in air-hammer performance with the use of a small-pressure energy carrier is substantiated. The case study where the air-distribution system is employed and the research data on its operation are reported.
Key words: borehole, air-distribution system, diagram, pressure, capacity, energy-carrier, impact energy, reliability, working area, percussion.
Важнейшей составляющей технологий разведки и разработки месторождений полезных ископаемых, их добычи, как подземным, так и открытым способами является бурение скважин в породном массиве.
В настоящий момент и в обозримом будущем наиболее эффективным способом проходки скважин в массиве горных пород является ударно-вращательный, обеспечивающий бурение с минимальной энергоемкостью [1,2]. Для его реализации на горных предприятиях, как в России, так и за рубежом, получили погружные, т.е. взаимодействующие непосредственно с забоем скважины, машины ударного действия - погружные пневмоударники. Они применяются в качестве рабочего органа бурового станка, который через систему штанг осуществляет подвод энергоносителя, передачу осевого усилия и вращающего момента.
Анализ развития пневмоударного бурения за период более полувека, начиная с момента его возникновения, выявил тенденцию повышения давления используемого сжатого воздуха. Ведущие зарубежные фирмы достаточно давно перешли на применение энергоносителя повышенного давления, составляющее тогда 0,9 - 1,8 МПа [3]. В настоящее время конструкции пневмоударников повышенного давления и коронок продолжают совершенствоваться, продолжается дальнейшее наращивание рабочего давления. Так пневмоударник шведской фирмы Atlas Copco COP 64 для проходки скважин диаметром 156 - 178 мм работает на давлении 1,2 - 2,5 МПа.
С изменением давления используемого сжатого воздуха меняются и конструкции погружных пневмоударников. Изменяются система воздухораспределе-ния, конструкции отдельных деталей, технология изготовления, марки применяемых материалов. Образуется иной рабочий цикл. К конструктивным особенностям машин, работающих на высоком давлении сжатого воздуха можно отнести: их закрытый тип, т.е. без перфораций стенок корпуса, выхлоп всего отработанного воздуха на забой скважины, беззолотниковую систему воздухораспределения [4].
Россия явилась пионером создания и использования погружных пневмоударных машин, но в данный период времени, в силу различны причин, существенно отстает в освоении высокого давления энергоносителя, поэтому данная тема весьма актуальна.
В настоящее время использование энергоносителя повышенного давления более доступно на открытых работах. Питание пневмоударника здесь осуществляется от автономного источника, в качестве которого может быть использован компрессор высокого давления. Затраты на переоборудование буровой техники в данном случае относительно не велики. Однако для работы на повышенном давлении сжатого воздуха требуются специальные конструкции пневмоударников и коронок.
Отечественные буровые установки типа УРБ-2А2, используемые для бурения геологоразведочных, гидрогеологических скважин, а также скважин иного назначения могут снабжаться компрессорами высокого давления. Например, применяется компрессор СД 15/25, производительностью 15 м 3/мин, создающий давление
2,5 Мпа. При пневмоударном бурении этими станками используются импортные пневмоударники высокого давления и коронки.
Все большее распространение в России получают зарубежные буровые станки, работающие на высоком давлении сжатого воздуха. Однако стоит отметить высокую стоимость импортных пневмоударников и коронок, имеющую тенденцию к дальнейшему увеличению. Актуальна разработка отечественных импортозамещающих конструкций.
В ИГД СО РАН установлено, что для создания пневмоударника, не уступающего известным аналогам или превосходящего их, он должен иметь систему воз-духораспределения с ударной парой: буровое долото - ударник, приближенно равных масс и равных акустических сечений с максимально возможным использованием рабочих площадей сечения по наружному диаметру пневмоударника. Реализация этого принципа в конкретных конструктивных схемах, а затем и в реальных конструкциях позволит ликвидировать отставание в этой области от конкурентов.
Для реализации этого положения разработана принципиальная схема погружного пневмоударника с простой формой ударника, не имеющего внутренних каналов, что увеличивает надежность его работы [ 5, 6, 7] (рис. 1). По данной схеме создан погружной пневмоударник П110ГМ для работы на станках высокого давления.
Рис. 1. Схема погружного пневмоударника повышенного давления
В пневмоударниках повышенного давления вопрос повышения среднего давления в рабочих камерах решается повышением магистрального давления. В этом случае использование бесклапанной системы воздухораспределения вполне обосновано. Однако в России достаточно много работ, на которых использование энергоносителя повышенного давления ограничено. Для возможности использования пневмоударни-ка П110ГМ на низком давлении сжатого воздуха он должен обладать достаточной универсальностью. Необходимо, чтобы при работе на давлении 0.6 МПа он имел энергетические параметры не меньшие, чем у пневмоударникав обычного давления.
Представляет интерес для повышения параметров использовать кольцевой эластичный клапан [8, 9].
Конструкция пневмоударника позволяет достаточно просто, не уменьшая его преимуществ, в систему воздухораспределения ввести эластичный клапан, позволяющий повысить среднее давление в рабочих камерах при работе на низком давлении и тем самым увеличит энергетические параметры (рис. 2).
В начале холостого хода ударника 2 ввиду перепада давлений в полостях до и после эластичного клапана 9 клапан растянут и зазора между ним и гильзой 3 не существует, и поступления сжатого воздуха в рабочие камеры 4 и 5 нет, ударник совершает движение. В дальнейшем через каналы в гильзе 3 и камеру 6 происходит впуск в рабочие камеры 4 и 5 и давление до и после эластичного клапана выравнивается. Под действием упругих сил клапан сжимается и образуется зазор между ним и гильзой, что создает дополнительный канал подачи сжатого воздуха в рабочие камеры. Под действием сжатого воздуха со стороны рабочих камер ударник останавливается и переводится на рабочий ход. В начале рабочего хода в рабочие камеры сжатый воздух поступает как через каналы в гильзе, так и через зазор между эластичным клапаном и гильзой. В дальнейшем каналы в гильзе разъединяются с рабочими камерами, поступление сжатого воздуха происходит только через зазор между клапаном и гильзой, что продлевает период впуска и увеличивает среднее давление в рабочих камерах. При дальнейшем движении ударника открывается выхлоп из рабочих 286амер через расточку 7 в корпусе 1 и канал в буровой коронке 8 на забой скважины. Во время выхлопа давление в рабочих камерах падает и образуется перепад давлений до и после эластичного клапана, под действием которого он растягивается и перекрывает зазор между ним и гильзой. В конце рабочего хода ударник наносит удар по хвостовику буровой коронки.
Рис. 2. Принципиальная схема пневмоударника П110ГМ с эластичным клапаном:
1 - корпус; 2 - ударник; 3 - воздухораспределительная гильза; 4 - кольцевая полость камеры рабочего хода; 5 - торцевая камера рабочего хода; 6 - камера холостого хода постоянного давления; 7 - расточка; 8 - буровая коронка; 9 - эластичный клапан.
Был изготовлен экспериментальный образец пневмоударника П110ГМ для работы на энергоносителе расширенного диапазона давления (0.6 - 1.6 Мпа). Он имел настройку бесклапанного типа для работы на повышенном давлении и настройку с эластичным клапаном для работы на низком давлении. Эти настройки были исследованы на лабораторном вертикальном испытательном стенде ГД-251 и записью диаграмм давлений в рабочих камерах (рис. 3).
На диаграммах видно, что на записи «б» импульс со стороны камер рабочего хода существенно больше, чем на записи «а», в чем проявляется работа эластичного клапана.
1,5
Рис. 3. Диаграммы давлений в рабочих камерах пневмоударника П110ГМ:
а) без клапана; б) с эластичным клапаном; 1 - давление в камере холостого хода;
2 - давление в камерах рабочего хода.
При обработке диаграмм по известной методике [10] были определены параметры пневмударника с различной настройкой, которые представлены в таблице.
Таблица
Параметры пнемоударникаП110ГМ
Параметры П110ГМ без клапана П110ГМ с клапаном
Наружный диаметр корпуса, мм 98
Длина (без коронки), мм. 590
Масса ударника, кг. 5.47
Давление воздуха, МПа 0.6
Энергия удара, Дж. 107.5 135
Частоты ударов, мин-1 1133 1346.8
Ударная мощность, кВт. 2.03 3.03
Таким образом, принципиальная схема пневмоударника П110ГМ позволяет использовать эластичный клапан для повышения энергетических параметров с сохране-
нием преимуществ этой машины, а именно закрытый тип с выхлопом всего отработанного воздуха на забой скважины для наилучшей очистки его от буровой мелочи и лучшей износостойкости. Использование клапана в данной схеме осуществляется впервые. Энергия единичного удара увеличилась при работе на давлении 0.6 МПа на 25 %, частота ударов на 19 %, а ударная мощность в целом в1.5 раза. Это позволяет эффективно использовать пневмоударник. как при работе на повышенном давлении энергоносителя, так и при работе на обычном давлении.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кондратенко А.С. Перспективы направленного бурения прочных горных пород / Кондратенко А.С., Тимонин В.В., Патутин А.В. . //ФТПРПИ. - 2016. - № 1. С. 124 - 131.
2. Тимонин В.В.Средства прямолинейно направленного бурения в условиях угольных шахт /. Тимонин В.В., Кокоулин Д.И., Алексеев С.Е., Кубанычбек.Б. // конференция ИГД СО РАН «Проблемы развития горных наук и горнодобывающей промышленности», Новосибирск, 2016. - С. 168 - 172.
3. Репин А.А., Смоляницкий Б.Н., Алексеев С.Е., Попелюх А.И., Тимонин В.В., Карпов В.Н. Погружные пневмоударники высокого давления для открытых горных работ - ФТПРПИ. - № 5. - 2014. - С. 157 - 167.
4. Репин А.А., Алексеев С.Е. Направления развития погружных пневмоударников // Фундаментальные проблемы формирования техногенной среды. Т II. Машиноведение. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2012. - С. 30 - 39.
5. Пат. 2090730 РФ: МПК7 E21B 4/14, E21C 3/24 Погружной пневматический ударный механизм / С.Е. Алексеев; ИГД СО РАН. - № 95107596/03; заяв.11.05.95; опубл. 20.09.97 в Бюл. № 26.
6. Пат. 2343266 РФ: МПК7 E21B 4/14 Погружной пневмоударник / А.А. Репин, С.Е. Алексеев, Г.А. Пятнин; ИГД СО РАН. - № 2007124972/03; заявл. 02.07.2007; опубл. 10.01.2009 в Бюл. №1
7. Полезн. модель 121854 РФ. Погружной пневмоударник. / А.А. Репин, С.Е. Алексеев, В.Н. Карпов; ИГД СО РАН. - № 2012118740/03; заяв. 04.05.2012; опубл. 10.11.2012 Бюл. №31.
8. А.с. 848 615 СССР МПК7 E21B 4/14 Пневматический ударный механизм / В.А. Гаун; ИГД СО РАН. - №2545603/03; заявл. 10.11.1972; опубл. 23.07.1981 в Бюл. № 27.
9. Петреев А.М., Примычкин А.Ю.Работа кольцевого упругого клапана в пневмоудар-ном приводе //ФТПРПИ. - 2016. - № 1. С. 132 - 143.
10. Есин Н.Н. Методика исследования и доводки пневматических молотков. Новосибирск. Редакционно-издательский отдел Сибирского отделения АН СССР. 1965. - 78 с.
© В. В. Тимонин, С. Е. Алексеев, Д. И. Кокоулин, 2017
