Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор и постановка задач исследования
1.1 Анализ гидроударных систем 10
1.2 Обоснование применимости гидроимпульсного механизма для эффективного бурения шпуров и скважин в массиве горных пород .
1.3 Обоснование конструктивной схемы гидроимпульсного механизма. 18
1.4 Экспериментальная проверка работоспособности гидроимпульсных машин
1.5 Вывод 29
ГЛАВА 2 Методика определения основных параметров гидроимпульсного механизма .
2.1 Алгоритм разработки релевантной имитационно-математической модели гидроимпульсного механизма
2.2 Принцип работы гидроимпульсного механизма 32
2.3 Характеристики основных элементов механизма 34
2.4 Обоснование границ значений параметров механизма 36
2.4.1 Выбор Сv - объмной упругости нелинейного элемента (РВД). Характеристика, внутреннее строение РВД .
2.4.2 Выбор жесткости пружины поджатия активной массы – С 40
2.4.3 Гидроцилиндр 41
2.4.4 Гидропульсатор – Плунжерный насос 43
2.4.5 Выбор инерционной массы 44
2.5 Имитационное моделирование гидроимпульсного механизма 45
2.5.1 Нахождение амплитуды колебания и собственной частоты 50
2.5.2 Создание модели в программе MATLAB з
2.6 Вывод 54
ГЛАВА 3. Исследование влияния технологических и конструктивных параметров гидроимпульсного механизма на формируемый импульс
3.1 Влияние основных параметров гидроимпульсного механизма на характер формирующегося импульса
3.2 Влияние частоты входного импульса на формирующийся импульс.. 69
3.3 Влияние формы входного импульса на формирующийся импульс... 77
3.4 Сравнение результатов имитационного моделирования с результатами стендовых экспериментов
3.5 Вывод 87
ГЛАВА 4. Исследование формирования импульсов гидроимпульсным механизмом без нелинейного элемента 97
4.1 Схема блоков имитационной модели и принцип работы гидроимпульсного механизма без нелинейного элемента .
4.2 Влияние формы входного сигнала на формирующийся импульс при системе без нелинейного элемента
4.3 Сравнение формируемых импульсов гидроимпульсным механизмом с нелинейным элементом и без него
4.4 Сравнение гидроимпульсного механизма с существующими гидравлическими перфораторами .
4.5 Вывод 103
Заключение 104
Список литературы
- Обоснование применимости гидроимпульсного механизма для эффективного бурения шпуров и скважин в массиве горных пород
- Выбор Сv - объмной упругости нелинейного элемента (РВД). Характеристика, внутреннее строение РВД
- Сравнение результатов имитационного моделирования с результатами стендовых экспериментов
- Влияние формы входного сигнала на формирующийся импульс при системе без нелинейного элемента
Введение к работе
Актуальность работы
Для добычи полезных ископаемых используются большой спектр машин различного функционального назначения. Широко используют при бурении самоходную технику, на которой применяют буровые головки, обеспечивающие проходку шпуров и скважин. Сокращение сроков проведения буровых работ невозможно без совершенствования буровой техники. При создании и усовершенствовании машин для горной промышленности разработчики придерживаются следующих тенденций: повышение производительности; обеспечение безопасности, снижение уровня шума и вибрации и др.
В Томском Политехническом Университете в 1976 году под руководством О.Д. Алимова и В.Ф. Горбунова, Л.А. Саруевым, П.Я. Крауиньшом и другими был создан безбойковый гидроимпульсный механизм для разрушения массива горных пород. Но по ряду причин, во многом организационных и не связанных с его технической сущностью, он не был доведен до промышленного производства. Однако идеи, заложенные в его конструкцию, не потеряли своей актуальности, и могут являться основой для дальнейшего развития этого перспективного направления.
В связи с этим становится актуальным создание для бурильных установок гидроимпульсного механизма, который генерирует импульс силы воздействием на жидкость поршнем, с последующей передачей этого импульса на буровую штангу.
Степень разработанности
Существенный вклад в исследование и создание гидроударных систем внесли результаты работ, проведенных такими учеными, как Алимов О. Д., Басов С. А., Горбунов В. Ф., Ешуткин Д. Н., Ушаков Л. С, Янцен И. А., Сердечный А.С., Городилов Л.В. и других.
Несмотря на большое количество работ, связанных с изучением рабочих процессов гидроударных механизмов для интенсификации процессов бурения, задача определения параметров гидроимпульсного механизма, работающего в безударном режиме на резонансном явлении, не раскрыта в полном объеме.
Идея работы заключается в использование вариативности параметров и конструкции гидроимпульсного механизма для формирования импульса с заданными характеристиками.
Цель работы - обоснование параметров, принципиальной и конструктивной схемы гидроимпульсного механизма для бурильных установок.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:
-
Установить граничные значения конструктивных параметров гидроимпульсного механизма для его эффективной работы.
-
Определить зону регулирования параметров работы импульсного генератора (блока ввода) гидроимпульсного механизма.
3. Обосновать и разработать конструктивную схему гидроимпульсного механизма обеспечивающую повышение его энергетических параметров.
Научная новизна диссертации
-
Определены параметры гидроимпульсного механизма, такие как сила поджатия, жесткость пружины и инерционная масса, обеспечивающие эффективную работу механизма в принятых ограничениях для буровых головок.
-
Установлено, что с изменением инерционной массы гидроимпульсного механизма, рабочая частота уменьшается, а энергия импульсов увеличивается.
-
Определены закономерности влияния формы входного сигнала на амплитуду формируемого импульса гидроимпульсного механизма, определяющие зону регулирования параметров работы импульсного генератора (блока ввода).
4. Обоснована конструктивная схема гидроимпульсного механизма без
нелинейного элемента в системе, в которой гидропульсатор и плунжер распо
ложены соосно с гидроцилиндром, что обеспечивает повышение энергетиче
ских параметров формируемого импульса передаваемого к забою.
Теоретическая и практическая значимость работы
Выполненные в диссертационной работе исследования позволяют разрабатывать и конструировать новый класс ударных узлов. Результаты, полученные при помощи математической модели изучаемого гидроимпульсного механизма, позволяют ускорить разработку опытного образца близкого к техническим требованиям горных машин.
Методы исследования. При решении поставленных задач в работе использованы аналитические и вычислительные методы с применением математического моделирования, а именно метод моделирования динамических процессов, метод планирования экспериментов и обработки результатов, а также использованы классические положения теоретической механики и гидромеханики.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Эффективная работа гидроимпульсного механизма в качестве буровой головки достигается при граничных значениях параметров в следующих пределах: сила поджатия от 10 до 17 кН; жесткость пружины поджатия от 40 до 60 кН/м; инерционная масса от 20 до 50 кг.
-
Изменение значений инерционной массы гидроимпульсного механизма от 20 до 50 кг, приводит к снижение рабочей частоты на 36 % при этом энергия импульса увеличивается на 63 %.
-
Изменение формы входного импульса гидроимпульсного механизма с синусоидальной на прямоугольную, увеличивает амплитуду формируемого импульса на 25 %.
-
Конструкция гидроимпульсного механизма, в которой гидропульсатор и плунжер расположены соосно с гидроцилиндром с непосредственным воздействием на жидкость, обеспечивает энергию импульса соответствующую значениям современных гидроударных машин.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается использованием стандартных программ расчета, методов моделирования и экспериментальным подтверждением основных теоретических выводов.
Апробация работы.
Основное содержания работы, ее отдельные положения и результаты докладывались и получили одобрение на следующих конференциях:
XVII - XVIII - XIX Международный научный симпозиум имени академика М. А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр», г. Томск, 2013-2015 гг.
VII - VIII - IX Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения», г. Томск, 2013 - 2015 гг.
Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, посвященной 60-летию кафедры бурения скважин «Проблемы научно-технического прогресса в бурении скважин», г. Томск, 2014 г.
II Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Современное состояние и проблемы естественных наук» г. Юрга, 2015 г.
IV Международная научно-техническая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике», г. Томск, 2015 г.
III Международная научно-практическая конференция «Инновации на транспорте и в машиностроении», г. Санкт- Петербург, 2015 г.
XXIII - XXIV Международный научный симпозиум «Неделя горняка», г. Москва, 2015-2016 гг.
Работа проводилась при финансовой поддержке гранта на выполнение научно-исследовательских работ «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.»), договор Все исследования проводились в Томском политехническом университете.
Публикации.
По теме диссертационного исследования автором опубликовано 20 работ, в том числе 3 статьи в изданиях рекомендованных ВАК РФ, и 3 статьи в журналах, включенных в базу SCOPUS.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, заключения, приложений и содержит 146 страниц текста, 62 рисунка, 8 таблиц, 6 приложений и список литературы содержащий 126 наименований.
Обоснование применимости гидроимпульсного механизма для эффективного бурения шпуров и скважин в массиве горных пород
Развитие ударно-вращательного бурения началось в пятидесятые годы, когда фирмой «Зальцгиттер» (ФРГ) была создана пневматическая ударно-вращательная машина «Виброаппарат» с длинноходовым податчиком и независимым вращательным и ударным механизмами. Создание машин такого типа сопровождалось успешным их применением в различных технологических процессах добычи полезных ископаемых, что привело к разработки подобных машин в СССР и других странах.
Учеными нашей страны были проведены исследования процессов разрушения горных пород, определены рациональные режимы ударно-вращательного бурения, разработаны конструкции буровых машин и налажено их производство [40-42,98-101,110,117]. Это позволило на практике реализовать преимущества ударно-вращательного бурения перед другими способами.
Процесс ударно-вращательного бурения характеризуется следующими режимными параметрами: осевым усилием Р, подачей инструмента h на забой, скоростью вращения штанги n, крутящим моментом М, энергией единичного удара Ау и частотой ударов nу. Наибольший эффект разрушения забоя достигается при рациональном соотношении этих параметров, поэтому поиску такого соотношения в процессе исследования уделяется особое внимание. Л.Т. Дворниковым [40-41] установлено, что «…в породах средней крепости при использовании рациональных режимных параметров можно добиться увеличения скоростей бурения (в сравнении с вращательным и ударным способами) в 2-3 раза при уменьшении энергоемкости до 2 -3 раз»
В трудах Дворникова Л.Т. [40-41] обосновывается форма, максимальная амплитуда и длительность волнового импульса для эффективного разрушения горных пород. Оптимальным, для рационального разрушения забоя при вращательно-ударном бурении коронками диаметром от 30 до 50 мм, автор считает энергию ударного импульса не менее 40 Дж, а с увеличением твердости пород до 18 МПа целесообразна энергия импульса до 120 Дж и выше.
Многие работы, посвященные вращательно – ударному методу, рассматривают его для алмазного бурения. Это связано с тем, что при передаче алмазному зерну строго вертикальной импульсной нагрузки между алмазом и породой не успевают развиться силы трения, из-за чего не возникает изгибающей нагрузки ударного характера, наиболее опасной для прочности алмаза. Напряжение сжатия в алмазном зерне в момент ударной нагрузки (при современных высокочастотных гидроударник) на много меньше критического. [55]
Это свидетельствует о том, что необходимо управление режимными параметрами буровых головок для создания требуемой для разрушения забоя энергии импульсов.
Работы Рожкова В.П. [98-99] дают представления о том, что «…вращательное бурение твердых пород алмазными коронками с наложением высокочастотных ударов является одним из основных способов эффективной интенсификации бурения геологоразведочных скважин, а в некоторых случаях -единственным вариантом алмазного бурения; учет особенностей отмеченного способа бурения и применение специальных алмазных коронок позволит расширить область его применения от плотных пород средней твердости до очень твердых пород, повысит скорость бурения и снизит энергоемкость разрушения забоя…». В этих исследованиях получены результаты, свидетельствующие о зависимости механической скорости бурения от энергии удара, которая в общих чертах близка к параболе. С ростом энергии ударов скорость сначала растет, затем стабилизируется и, наконец, начинает снижаться (для более твердых пород перегиб наступает при более высоких энергиях ударов).
В работе Сердечного А.С. представлена структура механизма ударного действия с промежуточным жидкостным элементом. Это позволяет управлять амплитудой и длительностью импульса; создавать импульсы рациональной формы для увеличения технического ресурса бурового инструмента; повысить работоспособность соединительных элементов штанг и бурового инструмента. Важным результатом является нахождения коэффициента перехода энергии через столб жидкости, который зависит от ширины столба жидкости. Работы подтверждают, что использование промежуточного тела (жидкости) при передаче энергии породоразрушающему инструменту, позволяет повысить работоспособность ударных машин. [104]
По мнению Л.Т. Дворникова «….Одной из важных проблем в силовых импульсных системах является повышение эффективности процесса передачи энергии в обрабатываемую среду. Считается, что для этого необходимо определенное согласование параметров волн деформаций и характеристики сопротивления среды внедрению в нее инструмента. Оно может быть достигнуто выбором рациональной амплитуды и частоты импульсов силовых механизмов и конструктивных параметров разрушающего инструмента, взаимодействующего с обрабатываемой средой» [41]. Силовые импульсные системы формируют импульс при соударении бойка с инструментом. Они могут быть, как ударными, так и виброударными. Создаваемые ими импульсы характеризуются резким передним и задним фронтами и малым по времени пиковым значением [41, 42].
Исследования, проводимые Дерюшевой В.Н. [42] показывают, что увеличение длительности (пиковых значений) импульса силы повысит эффективность разрушения горной породы, так как за короткое время контакта с ней породоразрушающего инструмента при ударе нагрузка не успевает реализовать в полной мере процесс разрушения. Исследование ударного механизма с генератором импульсов силы, адаптирующегося к разрушаемой среде, производилось путем математического моделирования.
Известно [41, 42], что для более полного использования энергии импульса, он должен иметь относительно пологий передний фронт и резко ниспадающий задний. Формирование импульсов со сглаженным передним фронтом для осуществления плавного нагружения бурового снаряда, регулирование его длительности (время контакта с породой) для более полной передачи энергии на разрушение забоя возможно при создании замкнутой гидросистемы без бойка. Такой подход позволит исключить отмеченные выше недостатки гидравлических машин ударного действия и повысить КПД гидравлических устройств без потери скорости бурения скважин.
Выбор Сv - объмной упругости нелинейного элемента (РВД). Характеристика, внутреннее строение РВД
Импульсы давления жидкости формируются следующим образом. При работе гидропульсатора 5 его плунжер совершает возвратно-поступательное движение, создавая импульсы давления жидкости, в гидроцилиндре 1. Так как гидроцилиндр поджат упругой силой (направляющие 8 оснащены блоками подачи механизма), начинается раскачка инерционной массы 9. При этом происходит периодическое преобразование кинетической энергии массы m в потенциальную энергию жидкости в системе, что приводит к периодическому повышению и снижению давления в системе. При работе системы в режиме, близком к резонансному (совпадение вынужденной частоты и собственной частоты инерционной массы), возникают импульсы давления требуемой для разрушения горной породы величины, которые передаются ей через поршень 2 и буровую штангу. 2.3 Характеристики основных элементов механизма
Первая система (рисунок 2.3) – плунжерная пара, характеризуется следующими постоянными параметрами: Ftr сила трения, возникающая между поршнем и корпусом; q коэффициент вязкости жидкости (данным параметром обладают так же 2 и 3 системы); S площадь и x(t) ход поршня. Входным варьируемым параметром системы является скорость движения плунжера – sinw(t), а выходным – давление P(w, t) жидкости передающееся в следующую систему. Вторая система – нелинейный элемент - рукав высокого давления (РВД)
Вторая система (рисунок 2.4) представлена нелинейным элементом – рукавом высокого давления (РВД), значимым параметром которого является объемная упругость. РВД имеет упруго-инерционные свойства стенок оболочки и внутреннее трение в сложном композите материалов стенки, в связи с этим параметр объемная упругость – нелинейный. Также РВД облает постоянными параметрами: l длина и d диаметр (для расчетов учитывается только внутренний диаметр рукава d0). Выходным параметром является P(k) –давление жидкости, передающееся в следующую систему.
Гидроцилиндр с инерционной массой
Третья система (рисунок 2.5) является основной, т.к. в ней и происходит формирование импульса. Она обладает следующими постоянными параметрами: m активная масса; S площадь поршня; Fподж сила поджатия. Входной величиной будет пульсирующее давления P(k), выходным – сформированный импульс U. Ftr
Для математического моделирования необходимо определить все значимые параметры и обозначить их граничные значения. Механизм состоит из стандартных единиц, которые не нужно изготавливать на заказ. Это делает его экономически эффективным, т.к. создание уникальных узлов требует больших затрат как временных, так и экономических.
Далее рассматриваются параметры механизма, входящие в математическую модель и обоснование выбора их граничных значений.
Рукава высокого давления применяются в качестве гибких трубопроводов для подачи под высоким давлением жидкостей. Они состоят из внутреннего и наружного резиновых слоев, промежуточного резинового слоя для рукавов с двумя оплетками и металлической оплетки из светлой и латунированной проволоки, рисунок 2.7.
Рукава работоспособны в районах умеренного климата при температуре окружающего воздуха от –50 до +70 С, а также в районах с холодным климатом при температуре от –60 до +70 С. В зависимости от разрывного усилия применяемой проволоки они подразделяют на группы: А, Б, В и Z. Разрывное усилие – не менее 15,0; 17,5; 20,0 и 20,0 кг соответственно. Для группы Z используют проволоку с латунированной поверхностью. Рисунок 2.7 – Строение РВД
Рукава каждой группы в зависимости от конструкции изготавливаются с одной и двумя металлическими оплетками из латунированной и смешанной проволоки: I тип – с одной металлической оплеткой; II тип – с двумя металлическими оплетками [92]. Проведенный эксперимент по нахождению объемной упругости РВД выявил, что при увеличении длины РВД происходит снижение амплитуды импульса давления жидкости в гидравлическом цилиндре [117]. По полученным данным построены кривые зависимости объмной упругости от давления (рисунок 2.8). Они свидетельствуют о том, что необходимо контролировать выбор длины РВД, исходя из его технических характеристик.
Для проведенного опыта длина 0,95 м соответствует требованиям работы механизма. Исходя из полученных результатов выбираем рукав с объемом 265см3. По графику (рисунок 2.9), находим модуль упругости РВД. Для этого проводим усредняющую прямую (красная линия) и выбираем среднее значение давления по крайним точкам – точкам пересечения экспериментальной кривой усредннной линией. Полученное значение модуля упругости РВД при давлении равном 7 МПа равно 0,077.
Витая цилиндрическая пружина сжатия или растяжения, намотанная из цилиндрической проволоки и упруго деформируемая вдоль оси, имеет коэффициент жсткости где dD – диаметр проволоки; dF – диаметр намотки (измеряемый от оси проволоки); n – число витков; G – модуль сдвига (для обычной стали G 80 ГПа, для пружинной стали G 78500 МПа).
Для математической модели выбраны пружины, параметры которых соответствуют пружинам передней подвески для отечественных автомобилей ВАЗ, ИЖ [83]. Приняты следующие значения жесткости С: 19 кгс/см (18639 Н/м); 20,6 кгс/см (26512 Н/м); 33 кгс/см (32361 Н/м); 39 кгс/см (38245 Н/м); 74,6 кгс/см (73157 Н/м).
Сравнение результатов имитационного моделирования с результатами стендовых экспериментов
Эффективность существующих механизмов ударного типа в буровых машинах оценивают, сравнивания их энергию удара. Е значения изменяется в зависимости от типа машины и диаметра буримой скважины. Особое внимание при анализе эффективности уделяют форме выходного импульса [2, 3, 20, 21, 36, 40, 42–44, 48, 51–53, 56, 59, 89, 90, 97, 103, 104]. Значимые параметры импульса, такие, как амплитуда и длительность определяют процесс разрушения горной породы [32, 44, 57, 66, 68, 79] и, в конечном итоге, производительность буровой машины.
Представленные в главе результаты обеспечивают оценку влияния технологически и конструктивных параметров, а также входного сигнала (сигнал создаваемый при работе плунжера) на характеристики формирующегося импульса.
Имитационное моделирование в среде SIMULINK позволяет исследовать процесс формирование импульсов гидроимпульсным механизмом при изменении его основных параметров и входных данных.
Исследование влияния основных параметров гидроимпульсного механизма на характер формирующегося импульса включает следующие задачи: 1. Решение системы дифференциальных уравнений (13) при изменении численных значений параметров механизма и определение их влияния на формирующийся импульс. 2. Определение влияния частоты и формы входного импульса (сигнала) на формирующийся импульс с помощью имитационной модели гидроимпульсного механизма (раздел 2.5.2) 3. Установление характера формирующегося импульса при модернизированной схеме гидроимпульсного механизма (без нелинейного элемента). 3.1 Влияние основных параметров гидроимпульсного механизма на характер формирующегося импульса
Как известно, для разрушения различных горных пород необходим определенный импульс, обладающий конкретными параметрами. Исследуемый гидроимпудьсный механизм в связи с его конструктивными особенностями позволяет изменять параметры формирующегося импульса, за счет незначительных изменений в конструкции. Для математического моделирования были выбраны и обоснованы параметры узлов, входящие в уравнения, описывающие работу механизма (раздел 2.5): Сv - объмная упругость РВД 3441,55810–6 Па /м3; С - жесткость пружины 19 кгс/см (18639 Н/м); 20,6 кгс/см (26512 Н/м); 33 кгс/см (32361 Н/м); 39 кгс/см (38245 Н/м); 74,6 кгс/см (73157 Н/м); 5ГЦ - площадь поршня гидроцилиндра: 0,00785 м2 (диаметр 100 мм); 0.0177 м2 (диаметр 150 мм); 0,0314 м2 (диаметр 200 мм); 0, 491 м2 (диаметр 250 мм); 0,0707 м2 (диаметр 300 мм); S ПЛ - площадь поршня плунжера от 0,000314 м2 (диаметр 20 мм); 0,000491 м2 (диаметр 25 мм); 0,000707 м2 (диаметр 30 мм); 0,000962 м2 (диаметр 35 мм); 0,001256 м2 (диаметр 40 мм); т- инерционная масса от 10 кг; г - радиус кривошипа 0,005 м; ТР - коэффициент трения между поршнем и гидроцилиндром 0,12; Рподж - сила поджатия от 10 до 100 кН.
Для моделирования параметры системы были выбраны наименьшим значениям в выбранных границах (глава 2.4): Fnom = 100 Я; г = 0,05м; с = 18639 —;т = 10 кг; kTP = 0,1; Sm = 0,00785 м 2 ; Па м S = 0,000314ЛІ2;СК =3,44110" м3 Моделирование по выявлению влияния основных параметров на характер формирующегося импульса, производилось с применением программы в среде MatLab (Приложение А). Результаты моделирования представлены в приложениях В и Г.
Проведенные исследования влияния основных параметров гидроимпульсного механизма на характер формирующегося импульса, позволяют сделать следующие выводы: при увеличении объемной упругости рукава высокого давления, происходит уменьшении амплитуды выходного импульса - это связано с тем, что энергия расходуется на расширение РВД; при увеличении значения площади поперечного сечения поршня гидроцилиндра изменяются значения амплитуды - понижаются, период импульса при этом остатся неизменным - это может объясняться тем, что через поршень гидроцилиндра происходит передача импульса, и чем больше площадь поперечного сечения, тем больше происходит распределения энергии по площади и потеря энергии при передачи; при увеличении значения силы поджатия происходит повышение значений амплитуды, период импульса при этом остатся неизменным; при увеличение жесткости пружины уменьшаются амплитуда и период импульса - это говорит о том, что колебательный процесс в системе близок к гармоническому, где период зависит от массы и жесткости системы; при анализе не выявлено влияние площади плунжера, при заданных граничных параметрах, на формирование импульса ГИМ - в связи с малым значением площади плунжера по отношению к площади гидроцилиндра.
На основании полученных результатов можно сделать заключение о том, что, изменяя основные параметры ГИМ можно влиять на характер формирующегося импульса. Тем самым, возможно управление гидроимпульсным механизмом для формирования импульса с заданными характеристиками.
Проведенные исследования гидроимпульсного механизма на имитационной модели показало существенное влияние на формирующийся импульс конструктивного параметра – рукава высокого давления. Существующие РВД имеют различные конструктивные особенности и некоторые из них при работе имеют нелинейную кривую расширения от давления, и сохраняют свою нелинейность при всем цикле работы. В главе один дано описание проведенных экспериментов и получены кривые нелинейности РВД, рисунок 3.1. Был выбран РВД с диаметром d = 20 мм, длиной l =0,95 м, объемом V = 265 см3 [117]. После обработки кривой экспериментальных точек, была получена формула, описывающая экспериментальную зависимость объемного расширения РВД от давления, полиномом четвертой степени: f(x) = p1x3 + p2x2 + p3x + p4, (23) где коэффициенты p1 = –7362, p2 = 2263, p3 = -8,937, p4 = 0.01507. Данная формула заложена в схему, рисунок 2.15. Как показали эксперименты на математической модели особое влияние на характеристики формирующегося импульса оказывает сила поджатия Fпд она также добавлена в схему (рисунок 3.2).
Влияние формы входного сигнала на формирующийся импульс при системе без нелинейного элемента
Нелинейный параметр гидросистемы, выполненный в виде РВД, обладает объемной упругостью, определяемой экспериментально для каждого образца. Упруго-инерционные свойства и внутреннее трение слоев сложного композиционного материала РВД приводит к возникновению нелинейности параметра объемной упругости. При длительной работе происходит износ РВД и изменение его начальных параметров. Возникают потери энергии на расширение РВД. Это приводит к снижению эффективности механизма и сложности его регулирования для формирования импульса с заданными характеристиками. Кроме того, вынесенные отдельно гидропульсатор с приводом и РВД увеличивают габариты механизма.
На схеме переключатель Manual Switch исключает из цепи параметр РВД, тем самым можно проанализировать работу механизма и провести ряд экспериментов по влиянию входного сигнала. Принципиальная схема ГИМ без РВД представлена на рисунок 4.2. Рисунок 4.2 – Принципиальная схема ГИМ без РВД
Принцип работы. Импульсы формируются следующим образом. Через ПЭВМ на блок управления 7 задается сигнал управления, затем блок управления 7 формирует сигнал на привод 6, далее приводится в движение плунжер 5. При движении плунжера 5 в системе происходит сжатие жидкости в гидроцилиндре 1, создаются импульсы давления жидкости, которые воздействуют на поршень 3 и стенки гидроцилиндра 1. Активная масса 2, поджатая пружиной 4, начинает возбуждаться в случае, когда частота создаваемых импульсов давления жидкости совпадает с собственной частотой колебаний, т.е. возникает резонанс, и импульс давления жидкости передается через поршень 3.
В бурильных машинах данный механизм позволит управлять входным сигналом для получения импульсов с определенными характеристиками для эффективного разрушения горной породы. a от времени амплитуды импульса На рисунках 4.3–4.5 представлены графики зависимости от времени амплитуды импульса при разных формах входного сигнала. Характерный вид формирующегося импульса не зависит от наличия РВД и все также характеризуется принципом движения массы на пружине.
Из ряда проведенных экспериментов для модели без РВД были сформированы кривые влияния формы входного сигнала на амплитуду и период формирующегося импульса при изменение таких конструктивных параметров как инерционная масса и жесткость пружины.
Рисунок 4.6 – График зависимости амплитуды формирующегося импульса от жесткости пружины, входной сигнал: синусоида – синий; пилообразный – зеленый; прямоугольный –
красный Полученный график зависимости амплитуды формирующегося импульса от жесткости пружины, показывает, что для всех трех форм входного сигнала происходит изменение амплитуды после значения жесткости пружины 0,03 103 кН/м. Это может быть связано с особенностью (отсутствием нелинейности РВД) системы без нелинейного элемента, уточнения по данному вопросу необходимо произвести в дальнейших работах на экспериментальном стенде.
В140 120 100і 801 60 40 20 лияние жесткости пружины на период при разной форме входного сигнала /" \ / Л / / 1 \ ) 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 Жесткость пружины, 103 кН/м
График зависимости периода формирующегося импульса от инерционной массы, входной сигнал: синусоида – синий; пилообразный - зеленый; прямоугольный – красный Рисунок 4.9– График зависимости амплитуды формирующегося импульса от инерционной массы, входной сигнал: синусоида – синий; пилообразный – зеленый; прямоугольный – красный
Полученные графики, представленные на рисунках 4.6-4.9, показывают влияние формы входного сигнала на характеристики формирующегося импульса. Стоит отметить, что прямоугольный входной сигнал увеличивает амплитуду импульса по сравнению с синусоидальным сигналом на 20 %. Форма входного сигнала, изменяющая период, не выявлена. Это обусловлено тем, что период в больше степени зависит от значений массы и жесткости системы.
Из ряда проведенных экспериментов для модели без РВД, были сформированы кривые влияния формы входного сигнала на амплитуду и период формирующегося импульса при изменении таких конструктивных параметров, как инерционная масса и жесткость пружины. Анализ этих кривых показал, что форма входного сигнала, также влияет и на систему без нелинейного элемента. 4.3 Сравнение формируемых импульсов гидроимпульсным механизмом с нелинейным элементом и без него
Пунктирная – кривая ГИМ с нелинейным элементом; сплошная – кривая ГИМ без нелинейного элемента Рисунок 4.10–График кривых формирующегося импульса Эксперименты, проведенные для гидроимпульсного механизма без нелинейного элемента, показали, что амплитуда импульса возрастает, но одновременно происходит незначительное снижение длительности периода формирующегося импульса (рисунок 4.10).
Разработана конструкция гидроимпульсного механизма без нелинейного элемента – ГИМ 2.0 (приложение Д). В данной конструкции реализована гидравлическая система создания «прямоугольного» импульса (приложение Е).
В настоящее время лидерами на рынке машин и оборудования для бурения взрывных скважин является фирма «ATLAS COPCO». Как ранее упоминалось в первой главе, гидроимпульсный механизм может быть внедрен в самоходные буровые установки. «Самоходные буровые установки компании «ATLAS COPCO». используются для проходки горизонтальных и слабонаклонных горных выработок. В зависимости от технических условий, буровые установки могут иметь до 4 стрел, что позволяет обуривать забой сечением от 6 м2 до 206 м2. Буровые установки, оснащены надежной гидравлической системой прямого управления (DCS) или компьютерной системой управления буровой установкой (RCS), которые можно дополнительно оборудовать различными уровнями автоматизации. Применяется широкий диапазон буровых перфораторов с мощностью удара от 16 кВт до 30 кВт.» [55]
Рассмотрим для сравнения применяемые в установках навесные буровые перфораторы: COP 3038: Гидравлический перфоратор COP 3038 — гидравлический перфоратор для бурения скважин диаметром от 43 до 64 мм. Он применяется при проходке туннелей, подземных выработок и при реализации камерно-столбовой разработки рудных месторождений, где в первую очередь ценится высокая скорость проходки. «…Характеристики и преимущества Эффективная гидравлическая система с двойной амортизацией, а также плавающий адаптер позволяют достичь высокой производительности и высокой экономичности бурового инструмента. Высокочастотная технология обеспечивает высокую скорость проходки без увеличения нагрузки на буровой инструмент. Промывная камера с двойным уплотнением сокращает время простоя, снижая риск попадания воды. Проходческие установки типа Boomer L,S,M, в основном используют перфораторы серии COP 1638HD+/COP 1838HD+/COP 2238HD+…» [55]