Машина ударного действия с канатной связью рабочего органа и асинхронного каскадного привода для проходки глубоких щелей в крепких породах

Повышение эффективности процесса разрушения крепких горных пород, как при разведке и добыче полезных ископаемых, так и при строительстве горных предприятий, тоннелей, метрополитена и других промышленных и гражданских объектов, непосредственно связано с уменьшением трудоёмкости и ускорением проходки различных горных выработок, скважин, стволов. Основным способом разрушения крепких горных пород является использование энергии взрыва. Однако во многих случаях этот способ по разным причинам оказывается неприемлемым вообще, или же его вынужденное применение приводит к отрицательным последствиям, требующим дополнительных затрат на их компенсацию.

Основное назначение машин ударного действия для разрушения горных пород — проходка взрывных и другого назначения скважин в крепких породах ударно-вращательным и ударным способами. Вопросами совершенствования буровых машин, бурового инструмента, привода и систем управления занимались и занимаются многие учёные и научные коллективы. Вопросам теории разрушения горных пород ударом и взрывом, создания новой буровой техники и инструмента посвящены работы известных учёных. Это Александров Е. В., Алимов О. Д., Барон Л. И., Покровский Г. И., Фёдоров И. С., Кутузов Б. Н., Падуков В. Н., Протасов Ю. И., Дворников JI.T., Сафохин М. С., Петров Н. Г. и другие. Заметный вклад в дело совершенствования буровой техники внесли ученые Новочеркасского политехнического института: Михайлов В. Г., Крапивин М. Г., Водяник Г. М., Заго-роднюк В.Т., Сысоев Н. И., Раков И. Я., Рылёв Э. В. и другие.

При геологоразведочных работах, строительстве и эксплуатации шахт и рудников, для контурного взрывания необходима или желательна проходка скважин в виде узких протяжённых выработок (щелей) различной заглублённости. В мягких породах проходка щелей глубиною до 10 метров осуществляется машинами режущего типа с использованием различного рода цепных рабочих органов. Машин специально предназначенных для проходки щелей в крепких горных породах нет. При проходке шахтных стволов по крепким породам в условиях, исключающих применение взрывных работ, используют станки ударно-канатного бурения, но они малопригодны для проходки щелей, а в подземных условиях их применение вообще не возможно из-за больших габаритов. Габариты и масса станков ударно-канатного бурения определяются их кинематической схемой, основанной на использовании кривошипно-шатунного реверсирующего механизма. По этой причине ограничена высота подъёма инструмента и скорость инструмента перед ударом. Для достижения необходимой энергии удара увеличивают массу инструмента. Совершенствование станков ударно-канатного бурения продолжается, но привод и кинематическая схема не меняются.

Таким образом, проблема совершенствования способов, машин, инструмента для разрушения крепких горных пород, в том числе средств механизации для проходки глубоких вертикальных щелей в этих породах, является актуальной.

Соответствие диссертации плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления «Интенсивные ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных пластов, использование углей и охрана труда», утверждённого учёным советом ЮРГТУ (НПИ) в 1994 г.

Цель работы. Разработка машины для проходки глубоких щелевых выработок в крепких горных породах с применением ударного разрушения породы энергией не свободно падающего груза, изучение взаимосвязей между параметрами электрического привода машины, её инерционными массами, жестокостями упругих элементов, физико-механическими свойствами разрушаемых пород и их влияние на работоспособность и производительность машины.

Идея работы. Использование сочетания особенностей маятника, в виде подвешенного на канате к барабану груза, и электрического привода, в виде установленных на общем валу с барабаном двух асинхронных электрических машин, соединённых между собою последовательно со стороны статорных обмоток, позволяющих упростить конструкцию и улучшить эксплуатационные показатели.

Научные положения, разработанные лично соискателем и их новизна:

— основным фактором, определяющим цикличную работу машины в результате глубокого перераспределения напряжения сети между асинхронными двигателями каскадного привода, является момент, создаваемый на общем валу привода силой натяжения в канате, при этом влияние технологического разброса параметров асинхронных машин не отмечено;

— работоспособность машины без применения коммутирующих устройств в электрической цепи привода возможна при наличии в кинематической цепи машины аккумуляторов кинетической и потенциальной энергии при соотношении их ёмкостей не меньше чем 1:1;

— приоритетными параметрами, определяющими производительность машины при разрушении конкретной породы, являются момент инерции вращающихся масс, масса инструмента, жёсткость амортизатора, свободный ход инструмента от забоя до амортизатора;

— при движении инструмента к забою электрические машины привода могут из двигательного режима переходить в генераторный режим работы, что способствует повышению устойчивости работы привода, но снижает степень использования установленной мощности этих машин;

— использование асинхронных машин с повышенным пусковым моментом и с мягкой моментной характеристикой в сочетании с отсутствием зазора между инструментом и амортизатором способствует подавлению резонансных процессов в канате, нарушающих устойчивую цикличную работу машины;

— оптимальной конструкцией канатного барабана при использование асинхронных машин с повышенным пусковым моментом и с мягкой мо-ментной характеристикой в сочетании с отсутствием зазора между инструментом и амортизатором является барабан, выполненный в форме однопо-лостного гиперболоида, на внешней поверхности которого изготовлена канавка для укладки каната с шагом подъёма за один оборот, равным двадцати диаметрам каната.

В работе защищаются:

— конструктивно-компоновочная схема машины ударного действия с возвратно-поступательным движением рабочего органа, соединённого гибкой связью с равномоментным каскадным приводом, запускаемым в работу от аккумулятора потенциальной энергии, разработанная по результатам теоретических исследований, позволивших исключить применение реверсирующих устройств;

— математическая модель машины, представленной в виде двухмассо-вой динамической системы с упругими и нелинейными элементами, в которой при принятых допущениях адекватно описаны реальные процессы, что подтверждено экспериментами на физической модели и оценкой адекватности по критерию Фишера;

— закономерности, полученные на физической модели и на адекватной математической модели, производительности машины и нагрузок в её приводе и канате с учётом геометрических и кинематических параметров барабана, направления движения инструмента и барабана, реакции забоя, моментных характеристик двигателей и режимов их работы;

— методика и алгоритм расчёта на ЭВМ параметров машины, обеспечивающих заданную производительность для конкретных условий её работы, отличающаяся возможностью варьирования параметров и характеристик двигателей, аккумуляторов, каната, барабана;

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются:

— корректным использованием классической теории теоретической механики, электрических машин и электропривода, физики горных пород;

— проведением исследований на физической модели с использованием измерительных приборов класса точности 1,0 и с регистрацией быстропро-текающих процессов методом прямого осциллографирования, с применением регистрирующих приборов, частотные характеристики которых соответствуют частотам регистрируемых параметров;

— корректным применением статистических методов планирования и обработки экспериментов, проведённых на математической модели, адекватность которой реальным процессам подтверждена результатами исследований на физической модели;

— оценками адекватности результатов теоретических и экспериментальных исследований на моделях по критерию Фишера;

— хорошей сходимостью результатов исследований на физической и математической моделях по току, напряжениям, угловой скорости, времени цикла с точностью 3−5%.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты, выводы и рекомендации создают научные основы для разработки нового класса машин ударного действия для проходки узких глубоких щелей различного назначения в крепких горных породах, а так же ударных машин другого технологического назначения, с применением созданного программного обеспечения для автоматизированного проектирования таких машин.

Реализация результатов диссертационных исследований, Результаты исследований настоящей работы использованы: ттлп гтг"Аат/" тчтлт"Г1итут1 liiTrmm т тхттгг пплvrt тттш 1131 -Г 14' i и3434t'4III 3 1- т^лттлттп ixpia — iljj-^'o-ciiill-i ivxcixixxxxxox Д^-з xvvjJxv/iivnv" i — -3 m 11 3i 34 i—34 плутллгггттгпп ti ii 34 -1 / 4 / l-i- !i 111 ii i t' iii i i 31 ii ii13 iii -11 ii 11¹¹³¹ ii i л * /л^ттталзтзп aur j ¦ aanui j еидии xjxmjdo. ii видииинхопгил icmcid-mv ax-, is, Ъfxoxv- •^uxli.wv i пит Дип) 1 UJXB .

ТЛ t ПГГЛ ^TT/*VH «' TTV4 ГТЛ /% Л Г» «» +Л ГТ ТТТЛТТТТТТ Ti" T Г-1Л Art «1 I TfTYIM ЖТ1Т/>Л i глттттпт» ТТЛ тло /4л, А ттг* п, о j^vuxiu'ivi iipui^uvC-v njjyiiivxi-Kia r-.jpva Дгшсиаиаа лаашнл па Холр^Дри.

Горных машин и оборудования" Шахтинского института ЮРГТУ (НПИ). а мойлт"" w" глпттг"т1ттт гга тталтгдтттг <т ттттллл’п’т’отттглттттатт г> /лгрт т pavu 1 о*. -/vxxv/jd5п.х>1 iiUJxO/Kwiiifi^ х d. JL"lriurirLv/jri pauuim rr/^fc ТТЛ «lTl"ATTT T TI уAtГТ Т ТТЛ ТТОТ 7ТТТТ/ЛТТ ТТ ii идиир^гш! па naj ixiuia липфср^тдИn *wИ^рххх i.- п >з j. w и а. п м ii /i tin nui i '-i /л 34 i tiii* fimanrittv ттл зтапттт т v шилип n.'in i 143 |зц 311л141 111 i’m nvjjiOx ?-„ri диио11Ы? с^рдшл iiWJi^onisi.'V iiL’RO’liлкЛ ?i i utvi-m, wpi апяоип111 ii i/i i’t I / Л 313 i i 34 О 34 iiii i 1 Mil 131 ii • /-ittiqiiarmmff A 1−11 31(311 11 ii 1—341'4 iii 1 m i i 14 i i 13 i 1 I i i ii 3″ 1, i |, xjcuinLWix i^/жпи“ ! u, wirxriv*i.nivji шrt^jiwnnwis ллад^мяк ivpaaiA па. у J ¦ n 1алц-ша1'з i i 3 i i i 'i — i 34 1 /и 1 i г/1″ • ! ^ iiд iii ii 1/113/1и ii 13 о 31iii i ii ii /i и'1 viiiч» !! 311 i i i 1 iii i i ii i т1 •.

-¦•yavi и 1 I и С л— 1 '""ля^дии алад^жка 1х Б^-пл с.— /-. па) л^г. м? ал.1гч,.

1998г), на^шо-практичееких конференциях ЮРГТУ (Н11И) и Шахтинского iii iii-iiiii-* ." -1−14 / 1 ОО 1 1 ОООт^т-зЧ i 11″ ! i i п1 '1 i 111 ii' 31iii! 111 i п 1л•'! 13 13ii 31″ 1 iлт14.

ХХХХА^ХЖХХ у X" -ч< X " ! .'.••! ! по. пар. шжл '.'.¡-НгШарйА Г—а, ф-уДр

I ТУ I Т Ч-Ч /Л ТТТТ/ЛГ" «„-/“ V О Т? Т"Г» «¦Л'ПТТТ^Г» х иДрь1 хгг vг—иаЬ 1 гу i, а 1 па ма i .7 х п х -^¡-лилк, гуюшншм и ии^руД^оа.

•• -i -4 i 3' 1114 I i з!| ¦ i i 'ii i i i i ii i i 31 ич’и i iii'!-ii-1111 11 111 1−113 114 1 1−4 ii 31 -I ЦЗЦИ 1-|" * Г Т ТТ пис, чулск’хрифылация и ирииооидсюа шгх.

ЮРГТУ (НПИ), на объединённом научном семинаре кафедр: 'Торного машиностроения «Технологии горного производства», 'Торной ЭЛекТрОМе.

ХаНИКИ" У КраККС КОИ ИНЖСНСрНО" ПСДаГОГИЧССКОИ йКаДСМИИ (гОрНЫИ фа.

131 — - 11 -1″ i 4-'i ¦ i" - -1−3 111 111 iiiii х у j ¦ d х •" — s, х i аЛлпио i. i' l ч -'iiiihii iiiii 1 i 14 '1v11 i 34 -11 ill/l 11 141−311 i iii i 14 ii 4 — 14 «iii 1−31 ii31i i14 a 14-'13i i’v i i i 1 1 i» ! 31 31 1 11 i 31.

Eiyv^ii-ir-гг-Едxi ij i^MW да^брюцин uuj’jiiMsi/Danu -+ лююа xri ixujxj-iv.

11I I 1 31 tl-T-14 14 311'lll' /41 411 -I/.l rnill ll’i llH I I *4 11 '1/1 -^>14 34 1 341 I I III cil>i¦ vjiii". — l oci xxct iijwjivxfenita. u 34 14 -1−14 14 i i i i 14 -1 i i 34 i iii i i 31 i — n /11 з'4 -iii i~i «i ' ii 311−1 llll i 11 414 1 1 14 ii 1111» /4 1 i •! -1 -11 i- 31 ^ «-f л 313 ii /1 i ЗООТа ВЫххиЛНеНа rxa t ii/j, puxin. vi>ivxuai>iwrviaxirixvii ¡-¡-чУлчлхОdai.^,&bdquo-» l3,331nl, Гзз 31, 31,34^ 343¹⁴ 34.3,13 443 31^Г 3413 1 1 1 x. l ^ 34 1334,334 7″ i, «14 34r> 3,1 133 433,^34 /1^3 114 341.

РОССИЙСКОГО 1 0СуДарСТБСх1Г1^/х j JL WAXIJKIM^CIVUI U riHBvpvili’via гт/ч тттгтЛчгтгтГТТЛЛТЛЛ-ПА TTTTO ГГТ rmt Т («/Ч TTtTAT^TTTn* Г ГЛЛТЛПАТ1 П Jrf> Л vKOFu ишш 1 wumnuviiui и Hnvnn jia^, i ritiV г-.U i upufi aciup вшраЖ®-.! i’t «14 3 31 /4131 1 i / 4 гi 14 i j -11 i h’to t i i 1 114 3131 -1 '4 ii i’l [3ii-131, ii ii 3|34 11 144"/ 41 111 ii14 [ i i i 14 31' i-14 | 134 il «3 331 11 14 314 i ¦ - 34.

ГЛуООКуЮ xxpMJHcixSjxbxnjvxxj jjx43 xx pvliiwнии задач исследования.

Выводы.

1. Разработанная машина, в приводе которой использованы высоко-моментные двигатели с фазным ротором с номинальной мощностью 18 кВт (синхронная скорость 104,72 рад/с,), имеющие в цепи роторов реостаты, обеспечивающие критическое скольжение равное 1, при конструктивных параметрах 5кн = 0,176 м, СА =20 000 Н/'м, т = 40 кг, г0 = ОДЗ м, 3 =1,4 кгм3,1ш=30 м, с нулевым зазором между инструментом и аккумулирующей пружиной, обеспечивает энергию удара инструмента по породе, соизмеримую с энергией удара существующих станков ударно-канатного бурения.

2. По частоте ударов разработанная машина в 4 раза превосходит станки ударно-канатного бурения (240 ударов в минуту против 60 ударов в минуту у буровых станков типа «Амурец-100»).

3. Масса ударника разработанной машины на 1−2 порядка меньше массы долота станков ударно-канатного бурения.

4. Скорость движения ударника разработанной машины превышает скорость свободнопадающего долота станка ударно-канатного бурения.

5. Высота подъёма ударника разработанной машины не превышает 1 м, для его подъёма не требуется высокой мачты, что позволяет использовать эту машины при проходки щелей в подземных условиях угольных шахт.

Заключение

.

Выполненные исследования закономерностей физических процессов в системе электромеханического маятника в виде барабана, с подвешенной на гибкой связи массой, установленного на общем валу с двумя асинхронными двигателями его привода, статорные обмотки которых соединены последовательно и подключены на номинальное напряжение этих двигателей, позволили создать научные основы для проектирования нового класса машин ударного действия для разрушения крепких горных пород при проходки глубоких протяженных вертикальных щелей различного технологического назначения. Таким образом, в работе получено новое решение научно-технической задачи, поставленная цель достигнута.

Основные научные и практические результаты работы сводятся к следующему.

1.Анализ литературных и патентных источников позволил сделать вывод о необходимости разработки машин для проходки в крепких горных породах протяженных вертикальных щелей.

2.В основу разработки машин ударного действия для проходки щелей в крепких горных породах положено сочетание особенностей маятника и асинхронного каскада, позволяющих осуществлять реверсивную работу рабочего органа без применения реверсирующих устройств, что доказано на физической модели и защищено авторскими свидетельствами на конструктивно-компановочные схемы машин ударного действия.

3. На основе обобщения результатов исследования на физической модели, с учётом структурного единства конструктивных элементов машины и процесса взаимодействия породоразрушающего инструмента с горной породой, разработана адекватная опытным данным математическая модель, алгоритм расчёта и прикладная программа, позволяющие моделировать на ЭВМ процесс работы реальных машин с различными конструктивными параметрами и различными физико-механическими свойствами горных пород.

4.Найдены взаимосвязи при проходки глубоких вертикальных щелей в крепких горных породах между параметрами электрических двигателей привода машины, её инерционными массами, жесткостями упругих элементов и физико-механическими свойствами горных пород, их влияние.

TT"" «ЛЛ^ЛТТТТЛ V1"QTi» nOT>TrATrriT/*TI AS Ol I t II (- I I 'ЛЛ i n i тттгттттг TO АЛПЛПТТ ГЯЛ/ЧЛТ|"ГТТ па jjauvHtli/ Aapcuv t Cjjriv i uKn шшшиш, ^илдапв! na) irioiv^ uvriubiai U|Ä-JVÜ-IHрования машины.

5.Алгоритмы и программы расчёта на ЭВМ использованы при определении рациональной конфигурации канатного барабана и рациональных параметров машины для проходки вертикальных технологических щелей в крепких породах капитальных выработок угольных шахт, у которой показатель по энергии удара сопоставим с аналогичным показателем станков ударно-канатного бурения типа «Амурец-100», а показатель частоты ударов в 4 раза больше. б. Основные конструктивные решения защищены A.c. № 1 258 977 (СССР), №. 1 254 115 (СССР), № 1 257 284 (СССР).

7. Конструктивно-кинематическая схема, методика инженерного расчёта на базе математической модели, алгоритма и программы, использованы при проектировании машины для проходки водозаборных колодцев щелевого типа ЗАО «Донуголь» и в учебном процессе на кафедре «Горные машины и оборудование» Шахтинского института ЮРГТУ (НПИ).