Increasing energy efficiency of hydraulic hammers used for secondary breaking based on the geometry effect of the impactor parts

DOI: https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-3-71-79

Читать на русскоя языкеA.M. Azimov , I.A. Zhukov
Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russian Federation
Russian Mining Industry №3 / 2025 p.71-79

Abstract: This article presents the results of theoretical and experimental studies aimed at the practical implementation of the possibility to account for the effect of the geometry of the impactor assembly when choosing rational design parameters of hydraulic hammers. The research was carried out using a test bench based on the principle of an impact tension machine. The test bench was manufactured at the Department of Mechanical Engineering of the Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University. It is shown that the anvil blocks made in the form of revolved solids of an exponential curve, a tractrix and a hyperbola can reduce the amount of impact energy by more than 50%. A method for embedding anvil blocks with a curved side surface into the hydraulic hammer housings is presented and justified, provided that the impact pulse parameters are maintained consistent with the properties of the rock being disintegrated. The results of the research have made it possible to justify a new design of the anvil block, which helps to increase the energy efficiency of hydraulic hammers used for disintegration of highstrength rocks.

Keywords: rock, secondary breaking, hydraulic hammer, impact unit, anvil block, pick, impact pulse, geometry of anvil block

For citation: Azimov A.M., Zhukov I.A. Increasing energy efficiency of hydraulic hammers used for secondary breaking based on the geometry effect of the impactor parts. - 2025;(3):71–79. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-3-71-79

Article info

Received: 17.02.2025

Revised: 10.04.2025

Accepted: 21.04.2025

Information about the authors

Amirkhon M. Azimov – Postgraduate Student, Department of Mechanical Engineering, Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russian Federation; https://orcid.org/0000-0002-4062-0584; e-mail: s215054@stud.spmi.ru

Ivan A. Zhukov – Dr. Sci. (Eng.), Head of the Department of Mechanical Engineering, Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russian Federation; https://orcid.org/0000-0001-9068-3201; e-mail: tmmiok@yandex.ru

Authors’ contribution

All the authors have made equivalent contributions to the publication.

Conflict of interest

The authors declare no conflict of interest

References

1. Литвиненко В.С., Петров Е.И., Василевская Д.В., Яковенко А.В., Наумов И.А., Ратников М.А. Оценка роли государства в управлении минеральными ресурсами. Записки Горного института. 2023;259:95–111. https://doi.org/10.31897/PMI.2022.100 Litvinenko V.S., Petrov E.I., Vasilevskaya D.V., Yakovenko A.V., Naumov I.A., Ratnikov M.A. Assessment of the role of the state in the management of mineral resources. Journal of Mining Institute. 2023;259:95–111. https://doi.org/10.31897/PMI.2022.100

2. Зубов В.П., Трофимов А.В., Колганов А.В. Влияние особенностей управления состоянием массива горных пород на рудниках Талнахского рудного узла на показатели разубоживания. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2024;(12-1):87–106. Режим доступа: https://giab-online.ru/files/Data/2024/12/12-1_2024_87-106.pdf (дата обращения: 15.01.2025). Zubov V.P., Trofimov A.V., Kolganov A.V. Influence of ground control features on indicators of dilution in mines of the Talanakh ore province. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2024;(12-1):87–106. (In Russ.) Available at: https://giab-online.ru/files/Data/2024/12/12-1_2024_87-106.pdf (accessed: 15.01.2025).

3. Гаращенко Ж.М., Теремецкая В.А., Габов В.В. Отработка угольных целиков унифицированными выемочными модулями локальными забоями. Горная промышленность. 2024;(5S):151–157. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-5S-151-157 Garashchenko Zh.M., Teremetskaya V.A., Gabov V.V. Mining of coal pillars using unified excavation modules with local faces. Russian Mining Industry. 2024;(5S):151–157. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-5S-151-157

4. Mikhailov A.V., Bouguebrine C., Shibanov D.A., Bessonov A.E. Impact evaluation of excavator positioning on open pit slope stability. International Journal of Engineering. 2025;38(1):99–107. https://doi.org/10.5829/ije.2025.38.01a.10

5. Юнгмейстер Д.А., Смоленский М.П., Сержан С.Л., Уразбахтин Р.Ю. Параметры шагающего устройства для добычи полезных ископаемых, рассредоточенных по морскому дну. Устойчивое развитие горных территорий. 2024;16(2):487– 502. https://doi.org/10.21177/1998-4502-2024-16-2-487-502 Yungmeister D.A., Smolenskii M.P., Serzhan S.L., Urazbakhtin R.Y. Parameters of a stepping device for mining of scattered minerals on the sea bed. Sustainable Development of Mountain Territories. 2024;16(2):487–502. (In Russ.) https://doi.org/10.21177/1998-4502-2024-16-2-487-502

6. Lagunova Yu., Makarova V., Pobegailo P. Experimental mechanics in relation to mining excavators. In: Radionov A.A., Gasiyarov V.R. (eds) Proceedings of the 10th International Conference on Industrial Engineering. Springer, Cham; 2024, pp. 440–450. https://doi.org/10.1007/978-3-031-65870-9_40

7. Гендлер С.Г., Степанцова А.Ю., Попов М.М. Обоснование безопасной эксплуатации закрытого угольного склада по газовому фактору. Записки Горного института. 2024:1–11. Режим доступа: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16519 (дата обращения: 12.01.2025). Gendler S.G., Stepantsova A.Y., Popov M.M. Justification on the safe exploitation of closed coal warehouse by gas factor. Journal of Mining Institute. 2024:1–11. Available at: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16519 (accessed: 12.01.2025).

8. Большунов А.В., Васильев Д.А., Дмитриев А.Н., Игнатьев С.А., Кадочников В.Г., Крикун Н.С. и др. Результаты комплексных экспериментальных исследований на станции Восток в Антарктиде. Записки Горного института. 2023;263:724– 741. Режим доступа: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16308 (дата обращения: 02.03.2025). Bolshunov A.V., Vasilev D.A., Dmitriev A.N., Ignatev S.A., Kadochnikov V.G., Krikun N.S. et al. Results of complex experimental studies at Vostok station in Antarctica. Journal of Mining Institute. 2023;263:724–741. Available at: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16308 (accessed: 02.03.2025).

9. Двойников М.В., Минаев Я.Д., Минибаев В.В., Камбулов Е.Ю., Ламосов М.Е. Технология глушения газовых скважин на регулируемом давлении. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2024;335(1):7–18. https://doi.org/10.18799/24131830/2024/1/4315 Dvoynikov M.V., Minaev Ya.D., Minibaev V.V., Kambulov E.Yu., Lamosov M.E. Technology for killing gas wells at managed pressure. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2024;335(1):7–18. (In Russ.) https://doi.org/10.18799/24131830/2024/1/4315

10. Sinha A., Vasan S.G., Nandrekar J.S.J., Aditya U., Khandelwal M., Prasad N. et al. Development of architecture of autonomous hydraulic rock breaker for limestone mines. In: Verma A.K., et al. (eds) Proceedings of Geotechnical Challenges in Mining, Tunneling and Underground Infrastructures. Springer, Singapore; 2022, pp. 683–695. https://doi.org/10.1007/978-981-16-9770-8_46

11. Hu J.-P., Yuan Z., Li K.-J., Peng Y.-M. Research on electro-hydraulic control system of new pile hammer. Chinese Journal of Engineering Design. 2018;25(1):103–109. (In Chin.) https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2018.01.014

12. Huang X., Hu G., Meng Q., Zheng X. Development status of hydraulic hammers and development trends of hydraulic hammers used in oil and gas well drilling. Electronic Journal of Geotechnical Engineering. 2016;21:5453–5464.

13. Чебан А.Ю., Хрунина Н.П. Использование горного оборудования для механического разрушения скальных и полускальных пород. Горная промышленность. 2014;(2):104–107. Cheban A.Yu., Khrunina N.P. Application of mining machinery and equipment for hardrock and half-rock mechanical breaking. Russian Mining Industry. 2014;(2):104–107. (In Russ.)

14. Zhang Y., Yan Z., Ashok P., Chen D., Eric V.O. Drilling hard abrasive rock formations with differential hydraulic hammers: dynamic modeling of drillstring vibrations for ROP optimization. In: IADC/SPE International Drilling Conference and Exhibition, Galveston, Texas, USA, March 8–10, 2022. SPE-208670-MS. https://doi.org/10.2118/208670-MS

15. Городилов Л.В., Коровин А.Н., Кудрявцев В.Г., Першин А.И. Выбор конструктивной схемы и параметров гидроударного устройства для активного исполнительного органа горной машины. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2023;(1):92–102. https://doi.org/10.15372/FTPRPI20230109 Gorodilov L.V., Korovin A.N., Kudryavtsev V.G., Pershin A.I. Structural layout and parameters of hydroimpactors for end effectors of mining machines. Fiziko-Texhnicheskiye Problemy Razrabbotki Poleznykh Iskopaemykh. 2023;(1):92–102. (In Russ.) https://doi.org/10.15372/FTPRPI20230109

16. Михайлов А.В., Казаков Ю.А., Соловьев И.В. Анализ элементов блочной технологии поверхностной выемки органогенного сырья. Горная промышленность. 2025;(1):129–136. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-1-129-136 Mikhailov A.V., Kazakov Y.A., Soloviev I.V. V Analysis of block technology elements for surface excavation of organogenic material. Russian Mining Industry. 2025;(1):129–136. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-1-129-136

17. Ge D., Suo Z., Peng J., Bo K., Cheng J., Zhang P. Dynamic responses of a fluidic hammer with hydraulic-damping-device. Journal of Petroleum Science and Engineering. 2021;200:108243. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2020.108243

18. Andersson H., Simonsson K., Hilding D., Schill M., Sigfridsson E., Leidermark D. Validation of a co-simulation approach for hydraulic percussion units applied to a hydraulic hammer. Advances in Engineering Software. 2019;131:102–115. https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2018.12.001

19. Afebu K.O., Liu Y., Papatheou E. Feature-based intelligent models for optimisation of percussive drilling. Neural Networks. 2022;148:266–284. https://doi.org/10.1016/j.neunet.2022.01.021

20. Aldannawy H., Rouabhi A., Gerbaud L. Percussive drilling: Experimental and numerical investigations. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2022;55(3):1555–1570. https://doi.org/10.1007/s00603-021-02707-5

21. He J.-F., Yin Q.-L., Yin K. Study on the abrasion property of the anvil inside a hydraulic DTH hammer fitted with horizontal oriented sliders. Fracture and Structural Integrity. 2017;11(42):263–271. https://doi.org/10.3221/IGF-ESIS.42.28

22. Городилов Л.В., Кудрявцев В.Г. Экспериментальное исследование динамики золотникового распределителя с дроссельным управлением. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2023;(4):79–89. https://doi.org/10.15372/FTPRPI20230409 Gorodilov L.V., Kudryavtsev V.G. Experimental analysis of slide throttle valve dynamics. Fiziko-Texhnicheskiye Problemy Razrabbotki Poleznykh Iskopaemykh. 2023;(4):79–89. https://doi.org/10.15372/FTPRPI20230409

23. Корогодин А.С., Иванов С.Л. Оценка технического состояния опорных подшипников скольжения барабанной мельницы при эксплуатации в составе арктического комплекса горного оборудования. Горная промышленность. 2024;(6):144– 151. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-6-144-151 Korogodin A.S., Ivanov S.L. Assessment of the technical condition of drum mill supporting sliding bearings during operation as part of an arctic mining equipment complex. Russian Mining Industry. 2024;(6):144–151. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-6-144-151

24. Максаров В.В., Минин А.О., Захарова В.П. Технологическое обеспечение качества расточных поверхностей изделий из алюминиевого сплава АМЦ на основе высокочастотного волнового воздействия. Цветные металлы. 2023;(4):90– 95. https://doi.org/10.17580/tsm.2023.04.12 Maksarov V.V., Minin A.O., Zakharova V.P. Ensuring surface quality in AlMn alloy items during high-frequency wave impact boring. Tsvetnye Metally. 2023;(4):90–95. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/tsm.2023.04.12

25. Григорьев Б.С., Елисеев А.А., Погарская Т.А., Торопов Е.Е. Математическое моделирование дробления грунта и многофазного течения бурового раствора при бурении скважин. Записки Горного института. 2019;235:16–23. https://doi.org/10.31897/PMI.2019.1.16 Grigoriev B.S., Eliseev A.A., Pogarskaya T.A., Toropov E.E. Mathematical modeling of rock crushing and multiphase flow of drilling fluid in well drilling. Journal of Mining Institute. 2019;235:16–23. https://doi.org/10.31897/PMI.2019.1.16

26. Muminov R.O., Kuziev D.A., Zotov V.V., Sazankova E.S. Performability of electro-hydro-mechanical rotary head of drill rig in open pit mining: A case-study. Eurasian Mining. 2022;(1):76–80. https://doi.org/10.17580/em.2022.01.16

27. Shishlyannikov D., Zvonarev I., Rybin A., Zverev V., Ivanchenko A. Assessment of changes in the abrasiveness of solid particles in hydraulic mixtures pumped with ESPs. Applied Sciences. 2023;13(3):1885. https://doi.org/10.3390/app13031885

28. Кызыров К.Б., Митусов А.А., Решетникова О.С. Проектировочные исследования параметров гидромолота для горной и строительной промышленностей. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018;(9):220–226. Режим доступа: https://giab-online.ru/files/Data/2018/9/220_226_9_2018.pdf (дата обращения: 09.03.2025). Kyzyrov K.B., Mitusov A.A., Reshetnikova O.S. Design research of parameters of hydraulic hammer for mining and construction. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2018;(9):220–226. (In Russ.) Available at: https://giab-online.ru/files/Data/2018/9/220_226_9_2018.pdf (accessed: 09.03.2025).

29. Yang Y., Liao H., Niu J., Wang Z., Zhang C. Fluid structure interaction simulation of rotary percussion drilling tool. Shiyou Xuebao. 2019;40(6):734–739. (In Chin.)

30. Коронатов В.А. Элементарная теория проникания ударника в твердые грунтовые среды при однократном ударе, с учетом возникающих трещин. Системы. Методы. Технологии. 2021;(1):25–33. https://doi.org/10.18324/2077-5415-2021-1-25-33 Koronatov V.A. An elementary theory of the penetration of a striker into solid soil media with a single impact, taking into account the emerging cracks. Systems. Methods. Technologies. 2021;(1):25–33. (In Russ.) https://doi.org/10.18324/2077-5415-2021-1-25-33

31. Каманин Ю.Н., Ределин Р.А., Кравченко В.А. Моделирование разрушения скальных пород гидравлическим устройством ударного действия. Горное оборудование и электромеханика. 2017;(2):30–34. Kamanin Yu.N., Redelin R.A., Kravchenko V.A. Simulation of fracture rock hydraulic equipment of percussion. Mining Equipment and Electromechanics. 2017;(2):30–34. (In Russ.)

32. Лазуткин С.Л., Лазуткина Н.А. Определение рациональных параметров исполнительных элементов ударной системы адаптивного ударного устройства. Современные наукоемкие технологии. 2019;(5):58–63. Режим доступа: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37520 (дата обращения: 09.03.2025). Lazutkin S.L., Lazutkina N.A. Determination of rational parameters actuators adaptive shock system shock device. Modern High Technologies. 2019;(5):58–63. (In Russ.) Available at: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37520 (accessed: 09.03.2025).

33. Жабин А.Б., Лавит И.М., Керимов З.Э. Результаты теоретических исследований силовой импульсной системы гидроударника. Горное оборудование и электромеханика. 2020;(5):9–15. https://doi.org/10.26730/1816-4528-2020-5-9-15 Zhabin A.B., Lavit I.M., Kerimov Z.E. Results of theoretical studies of the power impulse system of a percussion instrument. Mining Equipment and Electromechanics. 2020;(5):9–15. (In Russ.) https://doi.org/10.26730/1816-4528-2020-5-9-15

34. Караманиц Ф.И., Громадский А.С., Кузьменко Д.И. Создание и исследование новых коронок для бурения компенсационных шпуров и скважин в скальных породах. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018;(2):175–184. Режим доступа: https://giab-online.ru/files/Data/2018/2/175_184_2_2018.pdf (дата обращения: 09.03.2025). Karamanits F.I., Gromadskiy A.S., Kuzmenko D.I. Engineering and testing of new drill bits for compensatory drilling in hard rocks. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2018;(2):175–184. (In Russ.) Available at: https://giab-online.ru/files/Data/2018/2/175_184_2_2018.pdf (accessed: 09.03.2025).

35. Жуков И.А., Дворников Л.Т. Новые конструктивные решения бойков горных машин ударного действия. Норт-Чарлстон: CreateSpace; 2015 130 с.