Модернизация конструкции перфоратора ПП-54 для условий рудников ОАО «Апатит»
В.А. Пивнев, к.т.н., ОАО «Апатит»;
Д.А. Юнгмейстер, д.т.н., профессор кафедры КГМ и ТМ, Национальный минерально'сырьевой университет «Горный» (Санкт'Петербургский Государственный Горный Университет);
С.А. Лавренко, аспирант кафедры КГМ и ТМ, Национальный минерально'сырьевой университет «Горный»;
А.Э. Сабитов, студент, Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Выпускаемые в настоящее время переносные перфораторы предназначены для бурения горизонтальных и наклонных шпуров с применением пневматических поддержек или других установочно-подающих устройств. Их применяют при проведении горных выработок, добыче полезных ископаемых и других буровзрывных работ по породам крепостью от 6 до 20 по шкале проф. М.М. Протодьяконова. В условиях Кировского рудника ОАО «Апатит» коэффициент крепости пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова ƒ=8...14.
Скорость бурения шпура переносным перфоратором рекомендуется рассчитывать по формуле [1]:
(1)
Разные типы перфораторов имеют различные соотношения энергии (Ауд) и частоты ударов (nуд), поэтому их скорости будут отличаться в зависимости от крепости пород (рис. 1).
Из рис. 1 видно, что в условиях рудников ОАО «Апатит» целесообразно применять перфораторы ПП354 и ПП363, которые имеют наибольшие значения скорости бурения.
Понятие о квазипластическом ударе, явление «дребезга» и возникающие эффекты
Работа удара перфоратора и других машин ударного действия превращается в полезную работу разрушения забоя шпура за счет передачи ударом энергии, запасенной поршнем ударной системы и переданной исполнительному органу (буру, коронке и т.д.). Чем большая часть энергии поршня передается исполнительному органу, тем выше КПД передачи удара, больше производительность устройства, эффективнее бурение. Решая проблему повышения КПД передачи удара, была предложена новая конструкция ударной системы, предусматривающая введение между поршнем и штангой дополнительного тела – бойка малой массы. В такой системе в ходе ударного взаимодействия ударника со штангой боек совершает серию повторных, все учащающихся микросоударений, возникает «дребезг» бойка, который увеличивает пластичность удара без изменения физических свойств материалов. Реализуется квазипластический удар [2]. КПД передачи удара в таком случае значительно выше.
Поршень-ударник после удара практически «не отскакивает», а отводится сжатым воздухом.
Новая конструкция ударной системы перфоратора, рассматриваемая в данной работе, должна обладать ресурсом, сопоставимым с ресурсом немодернизированного ПП354. В то же время усовершенствованная конструкция позволит получить ряд экспериментально установленных эффектов (эксперименты проводились на предприятии ОАО «Апатит» по специально разработанной методике их проведения), улучшающих работу перфоратора сразу по нескольким показателям:
- реализуется квазипластический удар, упомянутый выше – это ведет к увеличению скорости бурения шпура;
- благодаря «дребезгу» бойка возникает ударный импульс сложной формы, семейство «Л-образных» импульсов вместо одиночного колоколообразного. Это приводит к более эффективному разрушению горной породы, тем самым увеличивается скорость бурения;
- реализуется эффект демпфирования отраженных от забоя волн, благодаря чему снижается уровень вибрации и шума при работе перфоратора. Это важное достоинство, т.к. шум и вибрация ведут к возникновению профессиональных заболеваний.
Квазипластический удар.
Условия возникновения «дребезга» в ударных системах «поршень-боек-штанга»
Квазипластический удар в системе трех тел, движущихся прямолинейно, был изучен в монографии [2]. Упрощенная аналитическая модель взаимодействия поршня-ударника со штангой в ударной системе «поршень-боек-штанга» изображена на рис. 2.
Было установлено, что для реализации «дребезга» необходимо выполнение неравенства (I-е условие «дребезга»):
(2)
где: m1 – условная масса штанги, величину которой, в соответствии с рекомендациями теории колебаний, следует принять равной массе одной трети ее длины, кг; m2 – общая масса поршня-ударника, величина которого равна сумме массы промежуточного бойка m"2 и собственно ударника m'2, (m2=m'2+ m"2). В частном случае, когда R1 и R2 – коэффициенты восстановления скорости при ударе бойка о штангу и бойка о поршень равны, неравенство преобразуется:
Коэффициент восстановления скорости R определяется материалом соударяющихся тел, их массой, формой, температурой и в ответственных случаях всегда подлежит предварительному опытному определению. Степень его отличия от единицы характеризует энергетические потери при ударе. При R=1 энергия не теряется, и удар называется абсолютно упругим. Наоборот, при R=0 потери максимальны, и удар называется абсолютно неупругим, или пластическим.
Введя параметры:
– коэффициент, характеризующий отношение массы малой части ударника (бойка) m"2 к массе всего ударника;
– коэффициент, характеризующий отношение массы всего ударника m2 к массе штанги, активно воспринимающей нагрузку, уравнение 4 преобразуется:
(5)
Из уравнения (5) можно выразить:
(6)
На рис. 3 изображен трехмерный график зависимости функции μ от переменных R и ν, изменяющихся в диапазоне от 0 до 1 и от 0,3 до 3 (и соответствующих реальным значениям масс штанг перфоратора ПП354) соответственно. Область возникновения «дребезга» ограничивается поверхностью и тремя основными плоскостями, т.е. «дребезг» появляется при попадании значения внутрь полученной области. Исходя из полученной зависимости, зная коэффициенты восстановления скорости при ударе, можно определить допустимую массу бойка, отвечающую массе поршня-ударника конкретного перфоратора.
II-е условие существования дребезга заключается в том, что время дребезга должно быть меньше времени распространения волны по длине штанги (волновой процесс в штанге):
(7)
Причем время цикла ограничивается значением порядка секунды (для перфоратора ПП354). Волновой процесс в штанге рассчитывается исходя из того, что время прохождения волны в обе стороны по штанге равно:
(8)
где: l – длина штанги (для перфоратора ПП354 составляет от 0,5 до 5 м); a – скорость волны в штанге, м/с.
Скорость волны определяется по формуле:
(9)
где: ρ – плотность материала штанги, кг/м3; Е – модуль Юнга (модуль упругости), Н/м3.
Тогда, подставив значение скорости распространения волны в штанге в формулу (8), получим:
(10)
Для получения количественного результата необходимо задаться материалом штанги. Штанги изготавливают из разных стальных сплавов в зависимости от условий эксплуатации. В данной работе принята распространенная отечественная буровая сталь – 55С2:
Модуль упругости, Е . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96·109 Н/м3
Плотность, ρ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7800 кг/м3
Ударная вязкость, KCU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48...56
σп . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1270 МПа
На рис. 4 изображен график зависимости времени волнового процесса в штанге, изготовленной из стали 55С2, от её длины.
Время «дребезга» определяется по формуле [3]:
(11)
где: s – величина предварительного зазора между бойком и хвостовиком штанги, м; Vпу – скорость поршня-ударника (для перфоратора ПП363 составляет около 10 м/с); R – коэффициент восстановления скорости (R=5/9 при ударе стальных тел [4]); h – характеристическое число (изменяется в интервале от 0 до 1), определяемое из квадратичного уравнения:
(12)
При R1=R2=R получаем:
(13)
Время дребезга зависит от устанавливаемого зазора между бойком и штангой. Величину необходимого зазора тогда можно рассчитать по формуле:
(14)
График зависимости времени дребезга от параметра h представлен на рис. 5 (для случая R=5/9, Vпу=10 м/с) при различных значениях величины зазора s.
Расчет модернизированной ударной системы «поршень-боек-штанга» перфоратора ПП-54
Для решения вопросов конструкционного исполнения ударной системы «поршень-боек-штанга» необходимо определить массу бойка и его размеры. Это позволит определить, насколько и каким образом необходимо изменять детали ударной системы.
Исходя из того, что базовой моделью для последующей модернизации принят перфоратор ПП354, следует задаться следующими начальными условиями:
- коэффициент восстановления скорости R=5/9 ≈ 0,56;
- скорость поршня-ударника в момент удара по хвостовику штанги Vпу =10 м/с;
- масса поршня-ударника m'2=1,95 кг;
- длина штанги l = 0,5–5 м;
- масса штанги (масса штанги, активно воспринимающая нагрузку) m1=3–30 кг.
Подставив значения начальных условий в уравнение (4) и сделав некоторые математические преобразования, получим следующее квадратное неравенство:
(15)
Масса штанги переменна и изменяется в некотором диапазоне, но уравнение должно выполняться для любых значений массы штанги в заданном диапазоне.
Уравнение производной:
(16)
Графики области допустимых значений массы бойка из условия уравнения (15) показан на рис. 6.
Анализируя графики рис. 6, можно сделать вывод, что самое жесткое ограничение накладывается при самой легкой, самой короткой штанге. Исходя из условий, масса бойка m"2 должна быть в диапазоне значений от 0 до 100 г. В табл. 1 указаны массы бойка (максимально возможные) для соответствующей массы штанги.
При известных диапазонах допустимых значений масс, проводится анализ II-го условия «дребезга».
Найдем параметр h, исходя из данных, полученных при анализе первого условия «дребезга». Подставив значения масс в квадратное уравнение (13) и преобразовав его, получим:
(17)
Масса штанги m1 переменна и изменяется в диапазоне от 3 до 30 кг. График зависимости параметра h (больший корень квадратного уравнения) от массы штанги представлен на рис. 7. Предел параметра h (больший корень квадратного уравнения) при массе штанги, активно воспринимающей нагрузку, стремящейся к бесконечности, равен 0,82.
Время «дребезга» бойка должно быть меньше времени волнового процесса в штанге. Время «дребезга» уменьшается с увеличением массы штанги. В то же время длительность волнового процесса в штанге увеличивается с увеличением массы (длины) штанги.
Подставив значения большего корня h квадратного уравнения (17) в уравнение (11) получим с учетом заданных значений масс, скорости поршня-ударника и коэффициента восстановления скорости:
На рис. 8 представлен график зависимости допустимого времени «дребезга», зависящего от массы штанги, при различных первоначальных зазорах между бойком и штангой. Таким образом «дребезг» возникает только в том случае, когда масса, активно воспринимающая нагрузку, станет больше критической (точка пересечения длительности волнового процесса и времени «дребезга»).
В 2011 г. на кафедре теории упругости Горного Университета в были проведены эксперименты «дребезга». В результате определено, что наибольшее количество энергии переносится от поршня-ударника к штанге при зазоре 4–5 мм.
При увеличении зазора до 10 мм энергия, передаваемая в штангу, резко падает. Положительный эффект от использования ударной системы «поршень-боек-штанга» в таком случае пропадает.
Аналитическое исследование динамики виброударной системы «поршень-боек-штанга» перфоратора
Модернизированная конструкция перфоратора моделируется системой трех масс: m1 – поршень, m – боек и m2 – штанга (рис. 9).
На поршень действует постоянная во времени сила P0= 1200–1500 H. Рассматриваем единичный удар поршня. Считаем, что со стороны породы на штангу действует сила сопротивления, пропорциональная скорости Fc = k·q.
В системе возникает так называемый квазипластический удар. С помощью теоремы об изменении количества движения и условия, связывающего доударные и послеударные относительные скорости тел через коэффициент восстановления R [4], строится циклический алгоритм, описывающий движения масс в системе.
Процесс продолжается до тех пор, пока боёк не окажется зажатым между штангой и поршнем. При этом происходит последний за i-й цикл удар поршня по штанге (вместе с бойком). Построенный алгоритм реализован в программе в среде программирования DELPHI, позволяющей исследовать процесс «дребезга» и его влияние на передаваемый штанге суммарный импульс.
По экспериментальным данным заглубление коронки или проходка (перемещение штанги в породе) в пересчете на один удар поршня составляет приблизительно х≈10–4–10–3 м в зависимости от свойств породы. Таким образом, приведенные на рис. 10 зависимости позволяют косвенным образом определить коэффициент сопротивления k на уровне 104–105 Нс/м (m1= 2 кг; m= 0,1 кг; m2=5 кг).
В рассматриваемой виброударной системе движения бойка представляют собой высокочастотный колебательный процесс (рис. 11). Эти колебания порождают соответствующие высокочастотные волновые процессы в штанге с возможным возбуждением соответствующих резонансов. Вследствие наличия сложных граничных условий на конце штанги, в ней возбуждаются не только продольные волны, но и поперечные, которые, по-видимому, и приводят к более активному разрушению породы при «дребезге».
Необходимо отметить, что в данных условиях соударяющиеся тела существенно различаются по массе и коэффициент восстановления может отличаться от часто принимаемого для сталей R= 0,6.
Из рис. 12 видно, что в среднем при коэффициентах восстановления R=0,6–0,8 и коэффициентах сопротивления породы k=104–105 Нс/м эффективность «дребезга» составляет 30–50%.
Таким образом, в рассматриваемой трехмассовой виброударной модели перфоратора движения бойка представляют собой высокочастотный колебательный процесс, при котором происходит более эффективная передача импульса от поршня штанге за счет снижения импульса отскочившего от штанги поршня, что фактически приводит к тому, что за каждый цикл этих колебаний происходит передача дополнительного импульса от поршня штанге. Суммарный импульс (и соответственно перемещение штанги в породе) при этом оказывается большим, чем передаваемый в конструкции перфоратора без бойка.
Анализ возможных вариантов реализации ударной системы «поршень-боек-штанга» для перфоратора ПП-54
Возможны различные варианты модернизации ударной системы перфоратора ПП354, отличающиеся размером материальных затрат, сохранением или потерей унификации деталей. В табл. 2 приведены возможные варианты изменения ударной системы ПП354 с целью введения промежуточного тела (бойка малой массы).
Наиболее приемлемым из рассмотренных вариантов является уменьшение длины хвостовика штанги. В таком случае будут наименьшими материальные затраты на модернизацию ударной системы и сохранится унификация деталей. Изготовить штанги с укороченными хвостовиками можно в ремонтных мастерских горных предприятий из стандартных штанг.
Для модернизации существующего перфоратора ПП354 был выбран путь с наименьшими материальными затратами, позволяющий сохранить унификацию деталей модернизированного перфоратора с прототипом (рис. 13).
Изменения в конструкции модернизированного перфоратора ПП354:
- внутри перфоратора установлен боек специальной конструкции;
- укорочен хвостовик штанги;
- стандартная воздушная трубка заменена удлиненной.
Удлиненная воздушная трубка (на рис. 13б – не показана) необходима для удержания бойка с зазором перед каждым ударом поршня-ударника.
Элементы модернизированной ударной системы перфоратора ПП54-М представлены на рис. 14
Боек центрируется внутри перфоратора за счет того, что часть его длины (около половины) входит в шестигранное отверстие поворотной буксы. Во время «дребезга», когда поршень-ударник воздействует через боек на штангу, колебания бойка реализуются между торцом хвостовика штанги и торцом поршня-ударника
Промышленные испытания перфоратора с центрированием бойка по внутренней поверхности
Комиссия в составе сотрудников ОАО «Апатит» и представителей СПГГУ контролировала проведение в сентябре 2011 г. испытаний опытно-промышленных образцов перфоратора, оснащенных специальными насадками из стали 40Х воздушной трубки и бойком, выполненным из отрезанной части хвостовика штанги фирмы Sandvik с центрированием его по внутренней поверхности, изготовленных по чертежам и рекомендациям СПГГУ.
В качестве объекта испытаний выбраны стандартный перфоратор ПП354 со стандартной штангой фирмы Sandvik длиной 970 мм и модернизированный перфоратор ПП354М (вариант VII) с отверстием в стволе в зоне контакта поворотной и хвостовой букс, при использовании штанги Sandvik с укороченным хвостовиком и бойка из отрезанной части хвостовика штанги фирмы Sandvik. Модернизированная ударная система включает воздушную трубку с оголовком диаметром 13 мм и длиной 15 мм из стали 55C2, одним концом, входящим в боек длиной 38 мм с центральным отверстием диаметром 13 мм из штанги Sandvik, другим концом диаметром 7 мм, с отверстием 3.5 мм и длиной 25 мм, входящим в воздушную трубку. Первоначальный зазор между штангой и бойком выдерживался в интервале 1.5–3 мм регулированием длины воздушной трубки.
Рис. 15 Общий вид ударной системы с центрированием бойка по внутренней поверхности
Также испытывался модернизированный перфоратор ПП354М (вариант VIII) с отверстием в стволе в зоне контакта поворотной и хвостовой букс, при использовании штанги Sandvik с укороченным хвостовиком и бойка, выполненного из отрезанной части хвостовика штанги фирмы Sandvik. Модернизированная ударная система включает воздушную трубку с оголовком диаметром 13 мм и длиной 11 мм из стали 55C2, входящим в боек длиной 38 мм с центральным отверстием диаметром 13 мм из штанги Sandvik (рис. 15). Первоначальный зазор между штангой и бойком выдерживался в интервале 1.5–3 мм регулированием длины воздушной трубки.
Представленные на испытания перфораторы изготавливались на заводе «Пневматика» в соответствии с требованиями ТУ, а модернизированные узлы для них изготавливались в ОАО «Апатит».
Цель испытаний – определение целесообразности и доказательство эффективности применения в конструкции пневматического перфоратора ударной системы «поршень-боек-штанга» в условиях ОАО «Апатит» на основе замеров основных параметров и сравнением их с аналогами (табл. 3).
Наиболее устойчивые результаты по повышению скорости бурения получены на модернизированном перфораторе ПП354М (вариант VII) с центрированием бойка по его внутренней поверхности и насадкой на воздушную трубку длиной не менее 15 мм, при использовании в качестве бойка отрезанной части хвостовика штанги фирмы Sandvik длиной 38 мм, при соблюдении первоначального зазора между штангой и бойком 2 мм. В этом случае при бурении монолита №1 прирост скорости бурения составлял в среднем 50%.
Лабораторные испытания
Результаты испытаний модернизированных перфораторов, полученные на практике и теоритические исследования проверялись на лабораторном стенде в СПГГУ. Испытательный стенд выполнен на базе электрического перфоратора фирмы Dauer (Латвия), закрепленный на станине, изготовленной из двух швеллеров. Штанга выполнена из высокопрочной стали 40Х. В первой трети длины штанги установлены два пьезодатчика, с возможностью их подключения к осциллографу, предназначенные для снятия характеристик ударного импульса.
Исследование ударных систем «поршень-боек-штанга» на таком стенде (рис. 16) позволяет получить экспериментальные зависимости и обосновать рациональные параметры ударного устройства на основе оптимизации ударного процесса в системе «поршень-боек-инструмент». При анализе графической информации, полученной в процессе проведения опытов на стенде, выявлены существенные отличия ударного импульса системы «поршень-боек-штанга» по отношению к стандартной, доказана возможность создания различных форм импульса, отличных от стандартной, за счет варьирования параметрами бойка для эффективного разрушения пород различных свойств.
Аналитическая обработка полученной информации
Обработка информации производится на основе графических и аналитических данных, полученных в процессе измерения ударного импульса для различных ударных систем.
Для анализа аналитических (численных) данных применяется лицензионное программное обеспечение Origin, позволяющее произвести детальный анализ волновых процессов, протекающих в измерительной штанге во время удара.
Анализ волновых процессов, протекающих в стандартной ударной системе, показал, что волновой процесс в измерительной штанге представляет собой единичный всплеск ударной нагрузки большой амплитуды с последующим затуханием волновых процессов. При анализе волновых процессов ударной системы с использованием промежуточного тела между поршнем-бойком и измерительной штангой наблюдается постепенный рост амплитуды колебаний до момента основного соударения поршня со штангой в момент соединения всех трех тел ударной системы: поршня, бойка и штанги. Далее следует аналогичный процесс затухания волновых процессов (рис. 17).
Как видно из рис. 17 ударный процесс в системе «поршеньбоек инструмент» имеет более широкий спектр ударной нагрузки, что при воздействии на породу должно вызвать интенсификацию ее разрушения.
На рис. 18 показаны импульсы напряжений в штанге стенда при различных режимах ударного воздействия. Как видно из рис. 18а форма ударного импульса с применением ударной системы «поршень-боек-штанга» изменяется, появляются всплески импульсов. При соударении в штанге возбуждается сложная волна напряжения, представляющая собой совокупность многократного воздействия бойка на штангу. На рис. 18а видно, что датчик от удара бойка фиксирует короткий импульс, равный 40 микросекундам, колоколообразной формы, затем импульсы объединяются на графике огибающей, однако видно, что это не меньше, чем 5–6 подимпульсов, отличающихся амплитудой и длительностью. На рис. 18а видно, что общая продолжительность импульса 170–180 микросекунд, что несколько больше, чем импульс стандартной ударной системы (рис. 18б), составляющий – 120–130 микросекунд, а площадь ограниченная осью и кривой ударного импульса, соответствующая передаваемой энергии в штангу, в первом случае превышает аналогичную площадь стандартной ударной системы[3].
Серии ударов, как в стандартной ударной системе, так и в сдвоенной происходят аналогичным образом, с учетом того, что затухающие колебательные процессы продолжаются до начала нового цикла ударного взаимодействия систем (рис. 19).
Выводы
Результаты лабораторных и промышленных испытаний, показавших высокую эффективность применения ударной системы «поршень-боекштанга», позволяют сделать вывод, что реализация таких явлений в конструкциях перфораторов, как увеличение КПД и энергии удара, увеличение интенсивности разрушения пород за счет применения сдвоенной ударной системы открывает возможности создания бурильных головок нового технического уровня и получения высокого экономического эффекта в практике бурения шпуров.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Иванов К.И. и др. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. / М.: Недра, 1987.
2. Нагаев Р.Ф. Механические процессы с повторными затухающими соударениями / М.: Наука, 1985.
3. Юнгмейстер Д.А., Бурак А.Я., Пивнев В.А., Судьенков Ю.В. Основные результаты исследований перфоратора со сдвоенной ударной системой «поршень*боек*штанга» // Горное оборудование и электромеханика, 2006, №3, с.17–20.
4. Бидерман В.Л. Прикладная теория механических колебаний / М.: Высшая Школа, 1972.
