CC BY
56
© Б.Г. Климов, Л.Н. Гильянова, Л.И. Матвеева, 2003
УДК 622.022:621.542 Б.Г. Климов, Л.Н.
Гильянова, Л.И. Матвеева
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРА МЕТРОВ ПНЕВМОУДАРНИКА
В
горнодобывающей промышленности пневмоударные машины широко используются при проведении буровзрывных работ, поэтому исследование этих машин является актуальным. Использование переменных факторов в натуральных единицах снижает область применения полученных результатов, в то время как безразмерные критерии подобия могут быть применены для различных пневмоударных устройств, работающих в сходных режимах.
При проектировании пневмоударных машин использование безразмерных критериев позволяет значительно упростить получение расчетных значений основных технических характеристик машины, например, ударная мощность, расход воздуха и др., определить рациональные значения переменных факторов при обеспечении заданного значения выходного параметра, существенно уменьшить общую стоимость исследований.
Для изучения ударных явлений воспользуемся критерием подобия движений материальных точек массой т под - -действием сил р = —— , который определяется как
ЛЫе
Ft^
ті
= idem,
(1)
где Жш - критерий Ньютона, т - масса ударника, кг; і - ход ударника; F=pS - сила, движущая ударник; S - площадь поперечного сечения ударника, м2; р - давление сжатого воздуха, Па.
Умножив числитель и знаменатель (1) на ход ударной массы і и учитывая, что Fl=A - энергия удара, Дж, получим энергетический критерий подобия удара
Л А =■
At
2
ті
2
(2)
Этот критерий определяет необходимое соответствие между основной эксплуатационной характеристикой бурильной машины - энергией удара и ее конструктивными параметрами: массой ударника и его ходом. Увеличение хода удара машины согласно (2) вызывает существенное возрастание энергии удара.
Ограничивающим фактором здесь является стойкость бурового инструмента. Оптимизационным параметром может быть масса бойка. Решение задачи относится к компромиссному типу. Меняя два входных параметра: массу ударника и его ход, можно спроектировать целую серию
характеристик масштабный фактор
_ \а1ат
унифицированных пневмоударных машин и на этом предварительном этапе уже судить о целесообразности создаваемой машины.
С использованием критериев подобия (1) и (2) рассчитаны основные технические характеристики проектируемых машин в зависимости от массы и хода ударника при постоянном сетевом давлении (масштаб давления Ор = 1). Для учета скоростных процесса согласно (1) введен временной
аР
(3)
где а і - масштаб хода; а т - масштаб массы бойка.
Расчет произведен с применением симплекс суммируемого плана эксперимента, позволяющего получить квадратичные модели, с размещением опытных точек в центре и в вершинах шестигранника. Базовой моделью принят пневмоударник ПП-105-2,2 (центральная точка плана). Линии равного отклика для ударной мощности Муд (КВт) при р = 0,5 МПа показаны на рисунке. Наиболее выгодные конструкции получены в точках 1 и 2. Однако пневмоударник, соответствующий т. 1 (уменьшение вчетверо массы ударника при неизменном ходе), конструктивно трудновыполним, а конструкция т. 2 представляет практический интерес.
Расчетные показатели экспериментального пневмоударника ПЭ-1 приведены в таблице. Конструкция длинноходового пневмоударника с облегченной массой имеет очевидные преимущества. При эксплуатации такого пневмоударника в сетях с давлением 1 МПа (вариант ПЭ-2) его эксплуатационные параметры оказываются близки шведскому погружному ударнику СОР-42, который рассчитан на сетевое давление 1,8 МПа.
Проведена экономическая оценка рассматриваемых типов пневмоударников с применением симплекс суммируемого плана. Факторами здесь являются: сечение выработки, крепость пород, тип пневмоударника, стойкость инструмента, рабочее давление и т. д. Исходные данные модели дополнялись тарифами, ставками, нормами, ценами, что дает возможность делать как общие, так и конкретные выводы об эффективности применения длинноходовых пневмоударников на основе расчетов удельной стоимости буровзрывных работ и удельной заработной платы на погонный метр выработки. Анализ полученных зависимостей позволяет сделать вывод о целесообразности увеличения хода ударни-
ПАРАМЕТРЫ ПОГРУЖНЫХ ПНЕВМОУДАРНИКОВ
Параметр ПП-105-2,2 ПЭ-1 ПЭ-2 СОР-42
Рабочее давление, МПа 0,5 0,5 1,0 1,8
Ход поршня, мм 55 110 110 136
Масса бойка, кг 3,2 1,6 1,6 11,3
Частота ударов, с-1 32,5 32,5 45,8 -
Энергия удара, Дж 73,5 147 294 -
Ударная мощность, кВт 2,2 4,4 12,4 -
Расход воздуха, м3/мин 5,5 11 22 19
Линии равного отклика для ^д, кВт, при р = 0,5 МПа
ка и снижения его массы. Так, применение модели ПЭ-1 при сетевом давлении 0,5 МПа по сравнению с базовой моделью ПП-105-2,2 снижает удельные расходы по заработной плате на 15-18 %.
На заключительном этапе осуществлен натурный эксперимент по определению усилия удара пневмоударника ПЭ-1 на разработанном в Северо-Кавказском государственном технологическом университете стенде. Отличительной особенностью стенда является то, что на испытуемой бурильной машине не устанавливается никаких датчиков, а энер-
гия удара машины оценивается по величине вибрации ударяемого тела, на котором установлен пьезоэлектрический датчик. Стенд позволяет проводить сравнительную оценку величины ударной нагрузки различных ударных машин. Базовой моделью при проведении эксперимента оставлен пневмоударник ПП-105-2,2. Для перехода к модели ПЭ-1 рассчитаны следующие коэффициенты: масштаб хода а і = 0,5; масштаб масс а т = 2; масштаб давления а р = 1; масштаб времени а і = 1.
Результаты испытаний позволили сформулировать следующие выводы.
1. Увеличение хода бойка в два раза при неизменной массе увеличивает ударную мощность машины в 1,5 раза. Однако при этом в 2 раза возрастает расход воздуха.
2. Уменьшение массы бойка в два раза при всех остальных неизменных параметрах приводит к повышению частотности процесса до 46 с-1 и увеличению ударной мощности в 1,5 раза. При этом расход воздуха и энергия удара не меняются.
3. Увеличение хода ударника в два раза и двойное снижение массы бойка обеспечивает двукратный рост ударной мощности при пропорциональном росте расхода воздуха. Частота ударов остается неизменной за счет увеличения скорости бойка.
Выполненные исследования пневмоударников на основе энергетических критериев подобия позволяют надеяться на перспективное применение длинноходовых пневмоударников с облегченной массой бойка.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------------------------
Климов Борис Григорьевич — профессор, Северо-Кавказский государственный технологический университет Гильянова Людмила Николаевна - докторант, Московский государственный горный университет.
Матвеева Людмила Ивановна - аспирант, Северо-Кавказский государственный технологический университет.
