CC BY
10
УДК 622.063.23
К.П.ТАЛЕРОВ
Горно-электромеханический факультет, группа ГМ03к-2
А.Я.БУРАК
Аспирант кафедры горных транспортных машин и технологий машиностроения
ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ УДАРНОГО ИМПУЛЬСА В УДАРНОЙ СИСТЕМЕ «ПОРШЕНЬ - БОЕК - ШТАНГА» НА РАБОТУ МОДЕРНИЗИРОВАННОГО ПЕРФОРАТОРА ПП54
Изложены теоретические и практические исследования процесса «дребезга» в ударной системе «поршень - боек - штанга». Затронут вопрос влияния высокочастотных импульсов на увеличение стойкости коронки.
In article are stated theoretical and practical studies of «fluctuation» process in striking system «piston - striker - shank». Influences frequency pulse is touched upon the problem on increase of the resource of the crash tool.
Сотрудниками кафедры КГМиТМ СПГГИ(ТУ) совместно с ОАО «Апатит» проведены работы по созданию новой перспективной ударной системы, которая была испытана и показала существенное увеличение скорости бурения с одновременным уменьшением уровня шума и вибрации. Предложенная ударная система позволяет на своей базе создать буровую головку нового технического уровня.
Модернизированная ударная система состоит из трех тел, а не из двух, как классическая ударная система. Между поршнем-ударником и штангой вводится дополнительное тело - боек, имеющий небольшую массу.
Модернизированная ударная система получила название ударной системы «поршень - боек - штанга». В такой системе в ходе ударного взаимодействия поршня-ударника со штангой боек совершает серию повторных, учащающихся микросоударений, возникает «дребезг» бойка, реализуется квазипластический удар. КПД передачи удара в таком случае значительно выше, чем при упругом ударе. Квазипластический удар в системе трех
тел, движущихся прямолинейно, был изучен в работе Р.Ф.Нагаева*.
Явление «дребезга», как было установлено, возникает только при выполнении не**
скольких условий .
В первом условии необходимо выполнение неравенства:
1 -
4R
(1+R)2
4Rv
(1+R)2
(1)
+1
где ц = ^2/m2 - коэффициент, характеризующий отношение массы бойка к массе всего ударника; у = m2/ m1 - коэффициент, характеризующий отношение массы всего ударника к массе штанги; R - коэффициент восстановления скорости.
Так как коэффициент восстановления скорости зависит от большого числа пара-
* Нагаев Р.Ф. Механические процессы с повторными затухающими соударениями. М.: Наука, 1985.
** Обоснование параметров и выбор материалов деталей для ударной системы «поршень - боек - инструмент» перфоратора / Д.А.Юнгмейстер, А.Ю.Васильев, К.П.Талеров, М.П.Талеров / Труды 6-й Межрегиональной научно-практической конференции. Т.2. Воркута, 2008.
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.182
метров, то его в большинстве случаев можно найти только экспериментально.
На трехмерном графике (рис.1) изображена область проявления «дребезга», т.е. «дребезг» возможен только при попадании значения внутрь области, ограниченной тремя основными плоскостями (горизонтальной, фронтальной и профильной) и изображенной поверхностью.
Второе условие заключается в том, что время дребезга должно быть меньше времени распространения волны по длине штанги
Т < Т
др вол-
(2)
Время цикла ограничивается значением порядка (30-38)-1 с. Время дребезга зависит от устанавливаемого зазора между бойком и штангой. Величина необходимого зазора находится по формуле
5 = -
Г4б у;6 (^ + К) 1 + К2
(3)
где 5 - величина предварительного зазора между бойком и хвостовиком штанги, м; vпу- скорость поршня-ударника (V ® 8 м/с);
Я - коэффициент восстановления скорости, Я = 5/9 при ударе стальных тел; И1 - характеристическое число, изменяется в интервале от 0 до 1,
Н2 +
2 Я--
да^О + К)2
(т1 + т2 )т2
Н + Я2 = 0, 4)
где т'2 - масса поршня-ударника без бойка.
На трехмерном графике (рис.2) изображена зависимость времени «дребезга» от параметра Н и величины зазора 5 между бойком и штангой.
0,9 0,8 0,7 0,6 Ц 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
0,3 0,4
К 06 °,7 0,8
0,06 0,18 0,30 0,42 у 0,54
Рис.1. График области проявления «дребезга»
0,0030
0,0025
0,0020
Täp> с 0,0015
0,0010
0,0005
0,0000
°,2 0,3 0,4
^ 0,6 0,7 0 8 0 Q — h 0,8 0,9 1
Рис.2. График зависимости времени «дребезга»
В настоящее время ведется поиск решения проблемы удержания бойка на строго определенном расстоянии от торца штанги после каждого удара. Наиболее перспективным считается способ удержания при помощи удлиненной воздушной трубки. Боек в таком случае выполняется со специальной внутренней формой. При прохождении струи воздуха сквозь боек возникают силы, сдвигающие боек в исходное положение. Тем самым гарантируется необходимый для «дребезга» зазор. Другие возможные варианты удержания бойка тоже рассматриваются.
Ударная система «поршень - боек -штанга» позволяет получить ряд эффектов, которые улучшают работу перфоратора сразу по нескольким показателям. Эффекты были зафиксированы в ходе испытаний новой ударной системы на предприятии ОАО «Апатит»:
• Реализуется квазипластический удар, что ведет к увеличению скорости бурения.
• Благодаря «дребезгу» бойка возникает ударный импульс сложной формы - семейство Л-образных импульсов вместо одиночного колоколообразного. Это ведет к более эффективному разрушению горной породы, что увеличивает скорость бурения.
• Реализуется эффект демпфирования отраженных от забоя волн. Благодаря этому снижается уровень вибрации и шума при работе перфоратора, что крайне важно, потому что шум и вибрация ведут к возникновению профессиональных заболеваний.
Применение ударных систем «поршень -боек - штанга» при соответствующей технической реализации может дать значительный экономический и социальный эффект.
В ходе испытаний опытных вариантов усовершенствованной ударной системы «поршень - боек - штанга» было установлено, что ресурс коронок при такой ударной системе значительно выше.
s, м
120 -
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.182
Рис.3. Напряжения в штанге при установке бойков на различные расстояния от торца штанги
В этом случае возможен определенный упрочняющий эффект коронки, на которую оказывает влияние высокочастотный импульс, формируемый бойком во время «дребезга». Твердосплавные элементы коронки выполнены из сплавов ВК, например ВК15, и не подвержены упрочнению. Матрицы коронок изготавливают из других сплавов, поэтому эффект их упрочнения под действием высокочастотных импульсов вполне возможен и требует детального изучения. Так как коронка часто выходит из строя из-за выкрашивания твердосплавных вставок из матрицы, то эффект упрочнения матрицы может значительно сократить вероятность выхода коронки из строя.
Высокочастотные колебания, проходящие по штанге и коронке, имеют диапазон частот от 20 до 50 Гц (рис.3).
На рис.3 в случае б зазор - 1 мм; в -3 мм; г - 5 мм; случай а - ударная система из двух тел (поршень-ударник и штанга).
Исследования эффекта увеличения стойкости коронок под действием высокочастотного импульса будут продолжены, в случае подтверждения указанного явления при использовании ударной системы «поршень - боек - штанга» может ожидаться весьма значительный социальный и экономический эффект.
Научный руководитель д-р т. н. проф. Д.А.Юнгмейстер
