Создание и исследование безклапанного ударного механизма с гидравлическими стабилизаторами давления (применительно к бурильным машинам)

В В Е Д Е Н И Е Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I… I985 годы и на период до 1990 года предусмотрено: освоение и внедрение в производство новой высокоэффективной техники, обеспечивающей рост производительности труда, снижение материалоемкости и энергоемкости, улучшение качества выпускаемой продукции". Наиболее трудоемкой и дорогостоящей операцией при добыче полезных ископаемых и проходке горных выработок на предприятиях угольной промышленности и цветной металлургии является процесс бурения шпуров и скважин, занимающий 30 70 времени от технологического цикла. Решению проблемы повышения производительности и экономичности работ с одновременным улучшением условий труда бурильщиков способствует создание гидрофицированных бурильных установок с гидрообъемными ударными устройствами. Вопросы теории проектирования и создания гидравлических ударных устройств изложены в работах О. Д. Алимова, А. Ф. Кичигина, А. Г. Лазуткина, Д. Н. Ешуткина, И. А. Янцена, А. Басова, Ю. И, Нерозникова, Г. В. Щвпеткина, А. С. Павлова, К. Б. Кызырова, В. А. Ткаченко и др., имеющих большую практическую ценность. Наибольшего успеха за рубежом в области создания гидрофицированных бурильных установок, оснащенных гидравлическими бурильными головками, достигли такие страны как Чехословакия, Польша, Франция, США, Швеция, Финляндия, Англия, Япония и др., где в последнее десятилетие ведутся интенсивные научно исследовательские и лроектно-конструкторские работы. Разработкой гидравлических бурильных головок в СССР занимается ряд организаций, в том числе ОКБ СГО, институты Ц Н Ш подземмаш и Гипроникель, Институт автоматики АН Кирг. ССР Фрунзенский и Карагандинский политехнические институты, НИГРЙ, КузШУИ, Кузмашзавод. Основным узлом ГБГ является ударный механизм. Известны результаты промышленной апробации целого ряда ударных механизмов, отличающихся по конструктивному исполнению и принципу работы. Из всей гаммы представленных технических решений бесклапанные гидравлические ударные механизмы (ЕГУМ) имеют наиболее простую структурную схему, обеспечивают рациональное сочетание параметров энергии и частоты ударов) и получение высокой скорости бурения при сохранении на требуемом уровне стойкости бурового инструмента.-Подтверадением служат результаты положительных испытаний бурильной установки 2Ш-ЗДГ на шахте Ш 65 Джезказганского Г Щ Для данного класса механизмов необходимо развить существующие методы расчета, усовершенствовать конструкцию и повысить надежность в работе, используя новые технические решения, что позволяет. в полной мере реализовать потенциальные возможности бесклапанных ударников и ускорить процесс освоения их п р о мышленностью. Настоящая работа является результатом целенаправлеаных исследований, проводимых в Карагандинском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте и направлена на развитие метода расчета, разработку и проверку в промышлен ных условиях новых технических решений и создание бесклапанного ударного механизма применительно к бурильной установке для проходки горных выработок в шахтах угольной промышленности. Работа выполнена в соответствии с научной тематикой Министерства тяжелого и транспортного машиностроения Создание гидравлической бурильной головки применительно к шахтной буровой установке Гос. регистрации 80 020 881-Министврства строительного, дорожного и коммунального машиностроения «Создание универсальной гидравлической бурильной головки» Ш Гос. регист рации 80 020 881 Минтяжмаша СССР и Минчермета СССР по целевой комплексной научно-технической программе 0.Ц.039- Минуглепрома СССР по решению научно-технической программы 0.16.09 подпрограмма 0.05.01). В диссертации последовательно поставлены задачи, результаты решения которых можно сформулировать следующим образомгразработан графоаналитический метод расчета параметров бесклапанного ударного механизма и раскрыто влияние физических свойств рабочей" жидкости на процесс энергопреобразованияисследован рабочий процесс бесклапанного механизма с управляемой камерой рабочего хода и установлены зависимости между режимными, конструктивными и энергетическими показателями-оптимизированы параметры ударно-поршневой группы механизма и подсистемы энер госнабженияопределены показатели бесклапанного ударного механизма и гидравлических стабилизаторов по результатам экспериментальных исследований бурильных головок на полноразмёрных стендахразработана усовершенствованная методика расчета параметров БГУМ с гидравлическими стабилизаторами давления разработаны и проверены в промышленных условиях новые технические решения результаты исследований реализованы в конструкциях ударных механизмов гидравлических бурильных головок применительно к бурильным установкам УЛГ-1Р, БУМ-1. Научные положения, разработанные ж ч н о диссертантом, и новизна I. Разработан графоаналитический метод расчета параметров БГУМ и получены уравнения изменения давления в рабочей камере при сжатии-расширении, отражающие специфику работы механизма, позволяющие без специальных вычислений оперативно оценить влияние упругих свойств жидкости на выходные показатели, 2. Получены расчетные зависимости, устанавливающие связь между конструктивными и энергетическими параметрами БГУМ, отличающиеся тем, что учитывают изменение давления в подсистеме энергоснабжения и гидротранспортной подсистеме. 3. Проведена оптимизация параметров БГУМ исходя из условия его функционального взаимодействия с системами подачи и исполнительного органа. Впервые получены соотношения, позволяющие на стадии проектирования выбрать оптимальные параметры ударно-поршневой группы, создающие радиальный режим нагруже ния бурового става применительно к машинам вращательно-ударного и ударного способов бурения, 4. Определены впервые оптимальные параметры гидравлического стабилизатора рабочее давление, коэффициент пульсации обеспечивающие минимальные вес и габариты ГБГ, что отвечает предъявляемым требованиям и позволяет создать устойчивую и маневренную бурильную установку. 5. Впервые в конструкциях БГУМ использован новый структурный элемент запускное устройство применение которого позволяет повысить КПД механизма и обеспечить устойчивый запуск, По результатам исследований разработана методика расчета и выбора параметров БГУМ с гидравлическими стабилизаторами давления. Методика расчета утверждена институтом ЦНШподземмаш и рекомендована к применению при проектировании бесклапанных механизмов для гидравлических бурильных головок. Методика расчета используется в учебном процессе КарПТИ студентами специальности 0506 «Горные машины» при выполнении научно-исследовательских, провктно-конструкторских, курсовых и дипломных работ. Результаты исследований использованы при совместной разработке технических заданий на создание и промышленное освоение гидравлических бурильных головок (ГБГ-1,УГЕГ) утвержденных соответственно институтом ЦНЙИподземмаш и ОКБ Стройдормаш". Результаты исследований реализованы в конструкциях БГУМ предназначенных для гидрофицированной бурильной установки с программным управлением УБГ-1Р и бурильной установки БУМ-1,Б1урильная установка УБГ-1Р проходит промышленные испытания на шахте «Несветаевская» П. О, «Ростовуголь». Установка УЕГ-1Р была представлена ставке Уголь-83″ в г. Донецке. на международной выРабота выполнена на кафедре Горные машины и комплексы" Карагандинского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института. В полном объеме диссертационная работа докладывалась в Проблемной лаборатории и на кафедре «Горные машины и комплексы» (Караганда, 1983 г.), а также на заседании Ученого совета института ЦНЙИподземмаш г. Москва, 198 г Автор считает своим долгом выразить благодарность докт техн. наук, профессору А. Г. Лазуткину, канд.техн.наук, доцентам Ю. И. Нерозникову, К. Б. Кызырову В.А. Ткаченко за постоянную научно-методическую помощь при работе над диссертацией, а также всем товарищам, оказавшим помощь в выполнении и работы. оформлении I. АНАЛИЗ БЕСКЛАПАННЫХ ГйДРАВЖЧЕСКИХ УДАРНЫХ МЕХАНИЗМОВ БУРИЛЬНЫХ МАШИН И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАШШ I.I. Анализ исследований бесклапанных гидравлических ударных механизмов Современные бурильные установки оснащаются гидравлическими головками, у которых в качестве ударных узлов используются механизмы, выполненные по клапанной и бесклапанной схемам распределения жидкости. Из анализа результатов, приведенных в технической литературе и патентной информации, следует, что механизмы, выполненные по клапанной схеме,.

ВЫВОДЫ.

I. Получена экспериментальная зависимость суммарного модуля упругости газожидкостной смеси от давления и установлено фактическое содержание нерастворенного воздуха, равное 0,5% от объема рабочей жидкости. Из семейства уравнений выбраны уравнения аппроксимации, по которым рассчитываются текущие значения давления в фазах цикла сжатия-расширения жидкости •.

2. Проведены экспериментальные исследования ЕГУМ на полноразмерном стенде Поваровского опытного завода. В результате сравнения аналитических и экспериментальных данных получены результаты их количественного расхождения по энергии удара 8,1%9 частоте ударов 6,8%% КПД механизма 3,8%, коэффициенту пульсации 7,4 Внесены коррективы в расчетную формулу при определении потребляемого механизмом расхода жидкости .

3, Усовершенствована методика расчета параметров БГУМ с гидравлическими стабилизаторами давления, которая позволяет по исходным данным (^) определить все параметры, необходимые для проектирования и оценить влияние физических свойств жидкости на выходные показатели. Методика расчета используется в учебном процессе КарПТИ, утвержден’а институтом ЦНИИподземмаш и рекомендована к применению при проведении инженерных расчетов, связанных с проектированием и созданием гидравлических бурильных головок с бесклапанными ударными механизмами".

Результаты исследований и методические рекомендации использованы при создании опытно-промышленных образцов гидравлических бурильных головок УГЕГ, бурильной головки для установки УБШ-321Г, ГБГ-1, разработанных Карагандинским политехническим институтом совместно с ОКБ «Стройдормаш», СКБ СГО, институтом ЦНИИподземмаш.

5. Гидравлические бурильные головки разработаны в соответствии с техническими заданиями, утвержденными ОКБ «Стройдормаш» и институтом ЦНИИподземмаш. Работа направлена на выполнение целевых комплексных научно-технических программ 0.Ц.039 и 0.16,09,подпрограмма 0.05,01.

6. Установлено, что технический уровень ГБГ-1 соответствует лучшим образцам гидравлических бурильных головок аналогичного класса, создаваемых зарубежными фирмами. Техническая скорость бурения по породам крепостью / =16.18 единиц по шкале проф.М. М. Протодьяконова составила 0,0233 м/с. Объем ресурсных испытаний — 220 часов.

7. В промышленных условиях проверены новые технические решения (гидравлический стабилизатор, комбинированное уплотнение, устройство для запуска), способствующие повышению ресурса работы бурильной головки и увеличению производительности труда. Технические решения защищены авторскими свидетельствами.

8. Бурильная установка УГБ-IP с головками ГБГ-1 была представлена на международной выставке «Уголь-83» в г. Донецке.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения бурильной установки УЕГ-1Р равен 25 тыс. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации дано новое решение актуальной научной задачи, состоящее в раскрытии влияния свойств жидкости на процесс энергопреобразования, установлении зависимостей между режимами, конструктивными и энергетическими показателями при взаимодействии БГУМ с системами энергоснабжения, подачи, исполнительного органа, оптимизации параметров, совершенствовании структуры, что позволяет назначить рациональные параметры при проектировании ударного механизма, повысить его эффективность и создать компактную ГЕГ для гидрофицированных бурильных установок.

Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. В условиях постоянного наращивания мощности и производительности буровых работ перспективным направлением является создание гидравлических бурильных головок с БГУМ, которые имеют упрощенную структуру, технологичны в изготовлении, обеспечивают высокие скорости бурения при сохранении на требуемом уровне стойкости бурового инструмента.

2. Получены уравнения для определения текущих значений давления в камере рабочего хода при сжатии-расширении жидкости, отражающие специфику работы БГУМ и оценивающие влияние физических свойств жидкости на процесс энергопреобразования. Разработаны номограммы расчета параметров БГУМ, которые позволяют без специальных вычислений оперативно определять выходные показатели механизма.

3. Разработана математическая модель БГУМ с управляемой камерой рабочего хода и получены зависимости, устанавливающие связь между режимными, конструктивными и энергетическими параметрами. Математическая модель учитывает изменение давления в подсистеме энергоснабжения и сопротивления в гидротранспорт-ноё подсистеме.

4. Проведена оптимизация параметров БГУМ из условия его функционального взаимодействия с системами подачи и исполнительного органа. Впервые получены соотношения, позволяющие на стадии проектирования выбрать оптимальные параметры ударно-поршневой группы, создающие рациональный режим нагружения бурового става для машин вращательно-ударного и ударного способов бурения при наименьших энергозатратах и износе бурового инструмента.

5. Определены оптимальные параметры гидравлического стабилизатора (Р3 =1 В МПа, fa — 1,24.1,28).Указанные показатели обеспечивают минимальные вес и габариты ГБГ, что отвечает требованиям, предъявляемым к бурильным установкам, предназначенным для проходки малогабаритных горных выработок. Получены зависимости, устанавливающие связь между параметрами подсистемы энергоснабжения и конструктивными размерами гидравлического стабилизатора, обеспечивающие выполнение поставленной задачи оптимизации.

6. На Скуратовском экспериментальном и Поваровском опытном заводах выполнены экспериментальные исследования гидравлических бурильных головок с ЕГУМ, подтвердившие правомерность принятой при аналитических расчетах модели. Максимальная погрешность в определении основных показателей не превышает II, 7% В промышленных условиях проверены новые технические решения, обеспечивающие высокую работоспособность ГЕГ и повышение КПД бесклапанного механизма. Объем ресурсных испытаний составил 220 часов. Испытания показали, что техни ческий уровень и выходные показатели (^$<^=107,9 Дж- =.

128,33 с" 1 — =0,63.0,73- /^=0,0233 м/с) гидравлических «бурильных головок соответствуют лучшим образцам машин, созданных зарубежными фирмами. Производительность бурильных установок с ГБГ в 2.2,5 раза выше производительности установок, серийно выпускаемых промышленностью.

7. Разработана усовершенствованная методика расчета параметров ЕГУМ с гидравлическими стабилизаторами, комплексно учитывающая основные факторы, сопутствующие рабочему процессу. Методика расчета утверждена институтом ЦНИИподземмаш, рекомендована к применению и используется в учебном процессе КарПТИ. Методика позволяет по исходной энергии и частоте ударов определить значения всех параметров, необходимых для проектирования.

8. Результаты исследований использованы и реализованы: при составлении технических заданий на создание и промышленное освоение гидравлических бурильных головок (ГЕГ-1, УГЕГ), утвержденных соответственно институтом ЦНИИподземмаш Минуглепрома СССР и ОКБ «Стройдормаш» Министерства строительного, дорожного и коммунального машиностроенияпри расчете и проектировании ГБГ с бесклапанными ударными механизмами для бурильных установок УБГ-IP, БУМ-1, УШ-321Г.

Гидрофицированная бурильная установка с программным управлением УБГ-IP была представлена на международной выставке «Уголь-83» в г. Донецке.

Б настоящее время установка УБГ-IP проходит испытания на шахте «Несветаевская» П.О. «Ростовуголь» .

9. Ожидаемый экономический эффект от внедрения одной бурильной установки на предприятиях угольной промышленности составит 25 тыс.рублей.