Оптимизация параметров и создание гидрообъемного ударного устройства с пневмоупругими связями (применительно к бурильным машинам)

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981;1985 годы и на период до 1990 года", принятыми на ХШ съезде КПСС, предусмотрено опережающее развитие сырьевой базы черной и цветной металлургии и «.более быстрое техническое перевооружение производства, создание и выпуск машин и оборудования, позволяющих улучшать условия труда и повышать его производительность, экономить материальные ресурсы» /I/.

Решение указанных задач в горнодобывающей промышленности в значительной мере определяется совершенствованием техники и технологии буровзрывного способа разрушения полезных ископаемых, являющегося в настоящее время преобладающим. С его применением в СССР ежегодно проводятся свыше 90% всех горных выработок, а в рудной промышленности и на предприятиях по добыча строительных материалов этот способ используется как единственный и при проведении очистных работ / 2/. В общем цикле буровзрывных работ бурение шпуров и скважин представляет наиболее длительную и трудоемкую операцию, затраты на которую составляют 30.-.70% времени всего цикла, возрастая с увеличением крепости буримых пород. При проведении выработок в породах крепостью 14.18 по шкале проф.М. М. Протодьяконова затраты на бурение составляют до 50% трудоемкости и 60% стоимости всех проходческих работ / 2 /.

Важнейшим резервом повышения производительности труда путем совершенствования технических средств бурения является их электрификация. Электрификация буровых механизмов на подземных работах позволила бы снизить расход электроэнергии не менее, чем в 4.4,5 раза, а замена пневматического энергосилового хозяйства электрическим — сократить капитальные затраты в целом по СССР в 1,5.2,0 раза /3/. Особенно это необходимо для проведения горных работ в породах выше средней крепости, при бурении которых до сих пор применяются ручные и колонковые пневматические перфораторы с низкой производительностью и чрезвычайно неблагоприятными условиями работы вследствие шума и вибрации /4−6/.

Многими исследованиями /7−25/ доказано, что проблема электрификации и интенсификации буровых работ на современном этапе может быть решена путем внедрения в горное производство бурильных машин с объемным электрогидроприводом. Разработке их в последние годы уделяют большое внимание как отечественные организации — КузНИУИ, ИА АН Киргизской ССР, Кузнецкий машиностроительный завод, СКБ самоходного горного оборудования ВПО «Союз-гормаш», ВНИПИрудмаш, НИПИгормаш, ЦНИИподземмаш, ИГД СО АН СССР, Карагандинский и Фрунзенский политехнические институты и др., так и ведущие зарубежные фирмы /94−106/. Первый промышленный опыт применения гидравлических бурильных машин показал, что они в 1,5.2 раза повышают производительность, в 5.8 раз снижают удельные энергозатраты и значительно улучшают условия труда при бурении /7−11,19−25,94−97/. Однако освоение их производства и широкое внедрение в горнодобывающую промышленность сдерживаются рядом факторов. Прежде всего это объясняется недостаточностью разработок надежных ударных устройств и методов расчета их параметров, позволяющих оптимально реализовать высокие энергетические возможности привода в различных условиях эксплуатации. Поэтому установление оптимальных параметров гидрообъемных ударных устройств, обеспечивающих в изменяющихся горнотехнических условиях эффективное разрушение горных пород с минимальными удельными энергозатратами, является актуальной научной задачей.

Настоящая работа представляет одно из решений этой задачи и выполнена в соответствии с тематикой исследований гидравлиб ческих бурильных машин, проводимых КарПТИ по заданиям и отраслевым планам МЦМ и МЧМ СССР и комплексной межвузовской научно-технической программе «Шахтас «(№ Гос. регистрации тем 75 051 083, 76 068 034, 0182Л4 737).

Цель работы заключается в оптимизации параметров, разработке методики расчета и создании гидрообъемного ударного устройства, обеспечивающего при изменении условий эксплуатации заданную производительность разрушения пород с минимальными энергозатратами.

Идея работы состоит в установлении закономерностей взаимодействия ударного устройства с приводом и внешней средой, позволяющих ему адаптироваться к изменению условий эксплуатации с максимальным КПД путем регулирования режима колебаний и параметров пневмоупругих связей.

Научные положения, разработанные лично автором, и их новизна заключаются в следующем:

— установлена зависимость сил реакции пневмоупругих связей от времени перемещения бойка, выраженная линейным полиномом, что позволяет разрешить нелинейность динамической модели устройства и повысить точность ее исследований;

— для различных законов управления найдены соотношения между действующими на боек силами, периодом колебаний и параметрами пневмоупругих связей, регулированием которых при изменении характеристик системы «буровой став-инструмент-порода» достигается устойчивое функционирование устройства с потребной энергией удара;

— решена задача оптимизации конструктивных, динамических и режимных параметров ударного устройства по минимуму потреблявмой мощности, отличающаяся содержанием в исходных условиях выходной ударной мощности, заданной производительностью разрушения и учетом влияния на нее параметров пневмоупругих связей-полученные расчетные зависимости дают возможность создать ударное устройство, сохраняющее высокий КПД при изменении режимов его работы.

Новизна технических решений, использованных при создании ударного устройства, подтверждена авторскими свидетельствами СССР на изобретения (№ 337 485, 354 123, 443 166).

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, изложенных в работе, обоснована:

— аналитическими исследованиями математических моделей физических процессов, происходящих в ударном устройстве, на основе классических положений математической теории оптимальных процессов, динамики, гидро-и термодинамики с использованием ЭЦВМ ;

— экспериментальными исследованиями натурных образцов ударного устройства с применением современных средств телеметрии и тензометрии и промышленной апробацией в различных условиях экспериментальных и опытно-промышленных образцов бурильных машин, оснащенных исследуемым устройством;

— удовлетворительной сходимостью расчетных и экспериментальных величин динамических и энергетических параметров с отклонениями, не превышающими 8% при вероятности 0,955.

На основе выполненных исследований разработаны:

— методика расчета оптимальных конструктивных, динамических и энергетических параметров ударного устройства и параметров привода, использованная при проектировании конструкций гидравлических ударных устройств бурильных машин БМГ-1, ЕМГ-1А, БМГ-70 и буровой установки УБГ-70;

— технико-экономическое обоснование и техническое задание на создание и внедрение гидравлической установки УЕГ-70 для бурения скважин;

— исходные требования и заявка на создание и освоение производства самоходных станков с гидравлическим перфоратором для бурения скважин диаметром 65,.85 мм в подземных условиях .

Разработанные на основе исследований экспериментальные и опытно-промышленные образцы бурильных машин БМГ-1, БМГ-70 и установки УБГ-70, оснащенных ударными устройствами, прошли промышленные испытания на Ачисайском полиметаллическом и Соколов-ско-Сарбайском горнообогатительном комбинатах. Полученные данные используются при проектировании самоходных гидравлических станков для бурения скважин малого диаметра по заданию ММ СССЕ Экономический эффект от внедрения буровой установки УБГ-70 на Соколовско-Сарбайском ГОКе составил 148 250 рублей".

Гидравлические бурильные машины БМГ-1, БМГ-70 и бурильная установка УЕГ-70 экспонировались на ВДНХ Казахской ССР и СССР, автор награжден серебряной медалью ВДНХ СССР.

Содержание выполненных исследований опубликовано в 14 статьях и 9 описаниях изобретений к авторским свидетельствам.

Общее направление работы сложилось при обсуждении ее с д.т.н., профессором Лазуткиным А. Г. и к.т.н., доцентом Нерознико-вым Ю.И., которым автор выражает глубокую благодарность. Автор искренне признателен коллективу кафедры горных машин и комплексов КарДТИ, к.т.н., доцентам Щепеткину Г. В., Ткаченко В. А, Кызы-рову К.Б., инж, Рудакову И. П., сотрудникам Кузмашзавода к.т.н.Гу-димову Н.И., Медовому Ю. А., Соколовско-Сарбайского ГОКа Зябреву Е. Т., Кунину Ф. Е. и другим товарищам за оказание помощи при проведении заводских и промышленных испытаний созданных бурильных машин, выполнении, обсуждении и оформлении работы.

I. ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ГИДРООБЪЕМНОГО УДАРНОГО УСТРОЙСТВА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

ВЫВОДЫ.

1. Созданы в результате исследований гидрообъемные ударные устройства с пневмоупругими связями, которыми оснащены враща-тельно-ударные бурильные машины БМГ-1,БМГ-1А для бурения шпуров и БМГ-70 — скважин диаметром 65.85 мм.

2. Проведены промышленные испытания машины БМГ-I и установки УБГ-70 с машиной БМГ-70 в условиях Ачисайского полиметаллического и Соколовско-Сарбайского горно-обогатительного комбинатов, которые показали полное соответствие их проектным характеристикам и горнотехническим условиям испытаний. Скорости бурения машин БМГ-I и УБГ-70, достигнутые в процессе испытаний, составили 1,33 м/мин и 0,8 м/мин, что в 1,8.2 и 4.5 раз соответственно выше показателей пневматических машин аналогичного назначения.

3. Установлено, что при коэффициентах внутрисменного использования 0,15 и 0,38 производительность бурильных машин БМГ-1 и БМГ-70 составила соответственно 64 и 29,6 м/смену.При ликвидации устранимых потерь времени для установок, оснащенных машинами БМГ-1 и БМГ-70, она составит соответственно 233 и 70м/сме-ну, что в 2.2,3 и 3,5."Л раза выше, чем пневматических машин. По сравнению с ними в 6.10 раз снижены удельные энергозатраты, составляющие 0,36 и 0,92 кВт. ч/м, соответственно.

4. Улучшены эргономические показатели: снижены в 5.10раз уровень шума, вибрация до СН и ликвидирован масляный туман в забое.

5. Доказано, что внедрение бурильной установки, оснащенной двумя машинами БМГ-1 и установки УБГ-70 с машиной БМГ-70 в горное производство, даст народнохозяйственный экономический эффект 31 430 и 148 250 руб. соответственно.

6. Определен коэффициент готовности гидравлической бурильной головки БМГ-1, равный 0,9, что сопоставимо с показателем серийной пневматической бурильной головки БГА-1.Разработаны пути дальнейшего совершенствования гидрообъемных ударных узлов бурильных машин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа содержит новое решение актуальной научной задачи оптимизации параметров и разработки методики расчета гидрообъемного ударного устройства с регулируемыми пневмо-упругими связями, имеющее существенное значение для развития теории проектирования, создания и освоения производства бурильных машин с гидроприводом. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы: I. При изменении технологических условий и характеристик системы «буровой став-инструмент-порода» в процессе бурения оптимальность взаимодействия ударного устройства с системой и приводом состоит в том, чтобы параметры устройства позволяли осуществлять соответствующее изменение величины энергии в пределах выходной ударной мощности, заданной производительностью, и обеспечивать устойчивость функционирования с максимальным КПД.

2. Обоснованы для гидрообъемного ударного устройства с пне-вмоупругими связями и вынужденными колебаниями бойка способы регулирования энергии удара при заданной мощности путем изменения частоты колебаний и сохранения устойчивости при этом — регулированием величины восстанавливающей силы реакций связей при постоянном модуле управления.

3. Найдены зависимости между параметрами пневмоупругих связей — степенью сжатия, давлением воздуха — и временем перемещения бойка в виде линейных полиномов, что позволяет разрешить нелинейность динамической модели устройства и повысить точность определения энергетических величин в 1,2.1,4 раза по сравнению с линеаризацией упругих сил по пути.

4. Выявлено, что характер управления и структура рабочего цикла по составу периодов движения зависят от соотношений между амплитудой колебаний бойка и начальной длиной камеры холостого ходав зависимости от этого рабочий цикл может состоять из трех, четырех и jp&-iTпериодов.

5. Решена задача оптимизации идеальной модели устройства, состоящая в поиске такого управления, которое с учетом структуры цикла и характера упругих восстанавливающих сил обеспечивает устойчивые периодические колебания бойка с заданными временем цикла и энергией, переданной инструменту, при ограничениях на модули сил, скорость удара, степень сжатия и различных коэффициентах отскока.

6. Установлены зависимости безразмерных величин кинематических, динамических параметров, соотношения между модулями упругих сил и управления от степени сжатия и коэффициента отскока для различных структур рабочего цикла, при которых выполняются указанные условия с минимальными модулем управления и начальным давлением воздуха. Наименьшие значения при равных условиях они имеют в четырехпериодном цикле.

7. Получены функциональные зависимости потерь потребляемой мощности от параметров структуры, кинематики, динамики, режимов колебаний, рабочей жидкости, привода и характеристик связей ударного устройства. Минимизация потерь при заданной выходной ударной мощности позволяет осуществить выбор оптимальных величин параметров, необходимых для проектирования и эксплуатации устройства с КПД не ниже 0,72.О, 8.

8. Созданы с использованием результатов исследований и предлагаемой методики расчета оптимальных параметров ударного устройства с пневмоупругими связями бурильные машины БМГ-1,БМГ-1А, БМГ-70 и установка УБГ-70,оснащенные указанным устройством. Промышленные испытания в условиях комбинатов «Ачполиметалл» и.

ССГОК показали, что производительность машины БМГ — I при бурении шпуров в 1,5.2 раза, а установки УБГ-70 при производстве скважин в 3.3,5 раза выше, чем пневматических машин аналогичного назначения, в 5.10 раз снижаются уровни шума и удельные энергозатраты и до СН — уровни вибрации. Внедрение установки УБГ-70 в условиях ССГОК дает годовой экономический эффект в 148 250 рублей.