Конструкция пневматического перфоратора

При конструировании пневматических перфораторов принимаются за основу две кинематические схемы: перфоратор с поворотным винтом и без поворотного винта. Первый вариант кинематики имеет преимущественное распространение.

Независимо от класса и типа все пневматические перфораторы имеют следующие основные узлы (рис. 1.8): ударно-поворотный механизм (12), который наносит удары по хвостовику бура (13) и поворачивает его; воздушный пусковой кран (10)', воздухораспределительное устройство (11); промывочное устройство (9); буродержатель (8); масленку перфоратора (6).

Если снять стяжные болты (3), то перфоратор распадается на три части: головку (2), цилиндр (4) и патрон (7). Выхлопное окно цилиндра е иногда имеет кран (5) для прямой продувки шпура. В головке перфоратора имеется ручка (1) для удерживания машины при работе. При бурении на патрубок воздуховпускного крана крепится шланг, питающий перфоратор сжатым воздухом, а на штуцер промывочного устройства — шланг, подводящий воду.

Сжатый воздух через полость в пробке пускового крана (10) по каналу а в головке (2) и дальше по каналу б в корпусе храпового кольца попадает в кольцевое пространство (в), имеющееся внутри воздухораспределителя. Дальше сжатый воздух клапаном (или золотником) по каналам в корпусе цилиндра направляется в нижнюю (г) или верхнюю (е)) полости цилиндра.

При поступлении сжатого воздуха в полость цилиндра (г)) осуществляется ход поршня перфоратора вперёд, при этом поворотный винт поворачивается на некоторый угол. В конце хода поршень наносит удар по торцевой плоскости хвостовика бура. При движении поршня вперед в начале хода воздух из полости (г) выходит в атмосферу через выхлопное окно и через зазоры в шлицевом сопряжении штока поршня с поворотной буксой. При дальнейшем движении поршень перекрывает выхлопное окно и сжимает воздух, оставшийся в полости цилиндра (г). Сжимаемый воздух через каналы в теле цилиндра устремляется в воздухораспределитель и перебрасывает клапан в положение, при котором сжатый воздух направляется в нижнюю полость цилиндра. В этом случае произойдет ход поршня назад. При этом ходе поворотный винт стопорится храповым механизмом и поршень поворачивается вместе с поворотной буксой и буром.

При бурении обязательным условием является постоянная промывка шпура промывочной жидкостью.

Рис. 1.8. Общий вид пневматического перфоратора

• мощность, развиваемая перфоратором, кВт N

Характеристика работы пневматического перфоратора

Основными показателями, характеризующими технико-эксплуатационные качества пневматических перфораторов, являются:

• • кинетическая энергия поршня, кДж А₀
• • частота ударов поршня в 1 мин и
• • величина максимального крутящего момента, Нм М_кр
• • угол поворота бура после удара, градус р
• • число оборотов бура в 1 мин п
• • расход воздуха в 1 мин, м³/мин Q
• • отдача перфоратора и соответствующее ей усилие подачи, кН С
• • уровень шума перфоратора при работе, дБ J
• • коэффициент использования перфоратора ц
• • себестоимость единицы бурения, руб. S

Мощность, развиваемую пневматическим перфоратором при работе, как любой машины ударного действия, можно определить по формуле Кинетическая энергия поршня.

Масса поршня т равна массе поршня G, делённой на ускорение g = 9,81 м/с², т. е.

Скорость поршня перед ударом по буру можно рассчитать по формуле

где 5 — длина хода поршня, м; Р — сила, движущая поршень при ходе вперед, Н. Р = F Р где F — рабочая площадь поршня, см²; Р' - среднее рабочее давление воздуха в цилиндре, Па-10⁵.

Как показали исследования, длина хода поршня перфоратора является величиной, изменяющейся в зависимости от величины давления сжатого воздуха, от качества и массы бура, а также от физикомеханических свойств буримых пород и условий бурения.

Наибольшей скорости поршень достигает перед нанесением удара по буру. Время хода поршня вперед о и назад t₂ не одинаковы и зависят от давления сжатого воздуха, соответственно изменяется и длина хода поршня, особенно при изменении давления от 0,1 до 0,6 МПа.

Если принять наибольшую возможную (конструктивную) длину хода поршня за .v_max, то рабочая длина хода поршня s при давлении 0,4…0,6 МПа равна (0,7…0,8) s_max.

Рабочее давление воздуха в цилиндре перфоратора Р' является величиной непостоянной, зависящей от величины давления сжатого воздуха, поступающего в перфоратор из трубопровода и замеряемого обычно манометром, и от потерь давления при прохождении сжатого воздуха из магистрали в цилиндр перфоратора. Особенно значительны потери при недостаточных сечениях каналов в шланге, штуцере, присоединяющем шланг к перфоратору, в воздуховпускном кране и особенно в воздухораспределительном устройстве. Отмечаются потери давления воздуха также в каналах корпуса цилиндра, подводящих воздух в рабочие полости цилиндра перфоратора, и при неправильном и уменьшенном сечении выхлопных окон.

При давлении сжатого воздуха 0,5…0,8 МПа рекомендуются следующие соотношения между рабочей площадью поршня и сечением:

• • канал штуцера F₂ >0,05/^;
• • каналы, подводящие воздух F_k >0,025 °F.

Если обозначить манометрическое давление сжатого воздуха в трубопроводе возле перфоратора через Р, а коэффициент потери давления воздуха через г|_п, то среднее индикаторное (рабочее) давление в цилиндре перфоратора будет равно:

Экспериментальным путём установлено, что величина коэффициента потерь давления воздуха г|_п весьма значительна. При давлении сжатого воздуха от 0,4 до 0,7 МПа значение г|" у современных перфораторов находится в пределах 0,4…0,5 в задней полости цилиндра и 0,5…0,6 в передней полости цилиндра. При расчётах с точностью, достаточной для практики, значение г|_п можно принимать равным 0,5.

На основании приведенных материалов можно рассчитать величину энергии, развиваемой поршнем пневматического перфоратора.

При ударе поршня по буру фактическая энергия, передаваемая на лезвие бурового инструмента, где T]_v — коэффициент, учитывающий потери энергии удара при передаче её на лезвие бурового инструмента,

где Гр — КПД удара и рассчитывается по следующей формуле:

ц, = т_хт₂{ -e)²/(wi + т₂)², (1.15).

где гп — масса поршня, кг; пь — масса бура, кг; е — коэффициент восстановления соударяющихся тел, при перфораторном бурении а = 0,90. .0,95; Гр — коэффициент, учитывающий потери энергии в соединениях (замках) бура. Непосредственными замерами установлено, что одно резьбовое соединение имеет г|₂⁼ 0,75…0,85, а конусное г|₂ ⁼ 0,6…0,75.

На основании исследований установлены минимальные значения величины энергии, передаваемой на лезвие бурового инструмента, в зависимости от крепости горных пород. При меньших значениях скорость бурения значительно снижается.

• • Коэффициент крепости пород
• (по шкале М.М. Протодьяконова) < 8 < 12 16
• • Величина удельной энергии

на лезвие инструмента А_к, Дж/мм > 0,06 > 0,10 > 0,16 > 0,20.

У современных пневматических перфораторов величиной, лимитирующей увеличение кинетической энергии, развиваемой поршнем и передаваемой буру, является запас прочности деталей машины и прочность бурового инструмента. Наиболее слабым звеном в настоящее время является лезвие буровой коронки, армированной твердым сплавом ВК-15 и допускающей нагрузку (работу) при бурении, не превышающую 0,3 МПа сечения пластинки твёрдого сплава. При больших нагрузках пластинки выходят из строя, раскалываясь и не выдерживая нормального количества заточек.

Увеличение мощности, а следовательно, и производительности пневматических перфораторов возможно за счёт увеличения частоты ударов. Если рабочую площадь поршня увеличить, а длину хода поршня уменьшить во столько же раз, то частота ударов увеличится в это же число раз при сохранении величины силы удара.

Первые пневматические перфораторы с увеличенной частотой ударов (высокочастотные) были созданы в СССР в 1939 г. В зарубежной практике такие перфораторы появились в 1952 г.

У обычных перфораторов отношение величин диаметра и длины хода поршня находится в пределах 1,0… 1,25, у высокочастотных (быстроударных) это отношение равно 2 и больше.

В настоящее время созданы конструкции пневматических перфораторов, имеющих частоту ударов до 5 000−6 000 в 1 мин, увеличивших скорость бурения в 3−5 раз. Практическое применение высокопроизводительных машин тормозится из-за отсутствия мероприятий, снижающих шум, создаваемый ими при работе, который по уровню превышает допускаемые санитарные нормы. Применение высокочастотных перфораторов возможно при дистанционном управлении или автоматизации бурения.

Если в формулу подставить полученные значения энергии поршня А₍) и частоты ударов и и произвести преобразования, то получим формулу, показывающую зависимость мощности перфоратора от его внутренних параметров,

Мощность перфоратора наиболее выгодно увеличивать за счёт увеличения рабочей площади F и давления воздуха Р.

Величина крутящего момента, развиваемого поворотным механизмом перфоратора, может быть определена по формуле.

где г_с — средний радиус поворотного винта, см; а₀ — угол подъёма резьбы поворотного винта, градус; ц — коэффициент трения в винтовой паре; г|, — КПД механизма, равный 0,25.

Поворот бура осуществляется при ходе поршня назад. Поступательное движение поршня с помощью поворотного винта и гайки преобразуется во вращательное движение поршня и поворотной буксы. Если угол наклона винтовой нарезки на поворотном винте равен у, то длина дуги окружности, на которую повернётся поршень, считая по среднему диаметру резьбы d_c, за один ход будет л-tgy. При числе ходов поршня в 1 мин и число оборотов бура.

Угол поворота бура за один ход поршня.

где г|_с — коэффициент, учитывающий наличие люфта в винтовой паре (для новых перфораторов он равен 0,7, а для изношенных — 0,5).

В зависимости от крепости пород, в которых производится бурение, рекомендуются следующие значения углов поворота бура (3₀: при бурении пород крепостью /< 10 р₀ ⁼ 18…36°; при бурении пород крепостью /= 10…16 (Зо = 9…18°, а при бурении пород с/> 16 Ро^<9°.

Расход сжатого воздуха пневматическим перфоратором при работе определяется из расчета:

где F_t и F₂ — величины рабочих площадей поршня, см²; 5 — длина хода поршня, см; Р — давление воздуха, поступающего в перфоратор, в МПа; к — коэффициент, учитывающий потери давления воздуха и неполноту заполнения цилиндра; для новых перфораторов к = 0,8, для изношенных — к = 1.

Показателем качества пневматического перфоратора можно рекомендовать удельный расход сжатого воздуха на единицу объёма выбуренного шпура.

Уровень шума работающего пневматического перфоратора расчётным путём может быть приближенно определен по формуле НИГРИ:

где R — уровень шума в децибелах при давлении воздуха 0,5…0,55 МПа; D и s - диаметр и длина хода поршня перфоратора, м; к — постоянная величина. На расстоянии 0,7 м от перфоратора для открытого пространства к = 97,8, в шахтных условиях к = 99,8.

Более точно уровень шума замеряется шумомерами.