CC BY
119
© Д.А. Юнгмейстер, Ю.В. Судьенков,
В.А. Пивнев, А.К. Пягай, А.Я. Бурак,
2011
УДК 622.063.23
Д.А. Юнгмейстер, Ю.В. Судьенков, В.А. Пивнев,
А.К. Пягай, А.Я. Бурак
ИССЛЕДОВАНИЯ УДАРНОЙ СИСТЕМЫ «ПОРШЕНЬ-БОЕК-ИНСТРУМЕНТ» ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ ОБЛА СТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОЦЕССА ДРЕБЕЗГА
В статье представлены исследования процесса дребезга ударной системы «поршень-боек-инструмент». Изложена методика теоретических исследований процесса дребезга. Обоснована эффективность применения сдвоенной ударной системы в конструкциях дробилок молоткового и роторного типов, а также бурильных головок. Установлено что дребезг в системе трех тел реализуется в случае зазора между бойком и штангой от 1 до 5 мм, при этом энергия, передаваемая в штангу максимальна при зазоре 5 мм. Установлено, что распределение энергии зависит от параметров соударений: количества соударений и различных фаз колебания при соударениях.
Ключевые слова: горные машины, погружной пневмоударник, сложноструктурные породы, квазипластический удар.
Создание новых горных машин, принцип действия которых основан на ударе (бурильных головок (БГ), дробилок молоткового (МД) и роторного (РД) типов и др.), является весьма сложной проблемой, так как не существует методик расчетов динамических параметров модернизированных ударных систем (например, ударных систем типа «поршень-боек-инструмент», встроенных в ротор РД или БГ) для МД, РД и БГ, поэтому часто приходится применять экспериментальные методы определения реальных параметров конструкций, что является очень дорогим и продолжительным процессом.
Запатентованные конструкции буровых устройств [1] (бурильных головок, погружных пневмоударников, переносных перфораторов и др.), в которых применятся ударная система «поршень-боек-штанга», основаны на новом явле-
нии, получившем в последнее время статус научного открытия [2].
В материалах по открытию впервые авторы предлагают и экспериментально доказывают правомочность рассматривать рост скорости бурения перфораторами при использовании сдвоенных ударных систем, где параметры соударяющихся тел рассчитаны по оригинальной методике, как сложное явление, суммирующее несколько эффектов, которые могут протекать как независимо друг от друга, так и взаимосвязано. Среди этих эффектов экспериментально и/или теоретически установлены следующие.
Рост КПД удара за счет реализации дребезга бойка, то есть передачи кинетической энергии от движущегося поршня в хвостовик штанги порциями, посредством высокочастотных колебаний бойка в уменьшающемся зазоре между сближающимися поршнем и штангой (доказано на стенде по исследова-
нию единичного удара) — дает приращение скорости бурения до 20 % [3—7];
Ослабление породы в зоне воздействия на нее инструмента, происходящее в результате прохождения через штангу (инструмент) высокочастотных ударных импульсов 20 кГц и более [4], доказано в экспериментальных работах Судьенкова Ю.В. по исследованию динамики трещин при ударной нагрузке образцов поваренной соли, а также в работах Судьенкова Ю.В и Бурака А.Я. по исследованию разрушения кембрийских глин — возможный прирост скорости до 20 %;
Демпфирование бойком отраженных от забоя и преобразованных или преломленных в штанге волн (40 % и более, доказано при опробовании различных конструкций ударных систем и бойков при экспериментальных апробациях модернизированного перфоратора в условиях Кировского рудника ОАО «Апатит» [7]);
Освобождение энергии упругой деформации бойка в момент «слипания» (квазипластического удара) соударяющихся тел (поршня, бойка и хвостовика инструмента), с посылкой дополнительной ударно-импульсной нагрузки на рабочий инструмент и ударник в виде серии единичных ударных импульсов в расширяющемся зазоре при совершении обратного хода ударника с ускорением этого хода и повышением частоты циклов ударного механизма.
Совместными исследованиями специалистов СПГГИ (ТУ) и СПГУ экспериментально установлена на основе изучения осциллограмм формы ударного импульса (см. рис.1), полученных при проведении стендовых исследований единичных соударений поршня через боек в штангу, интенсификация разрушения пород ударным импульсом, состоящим из семейства подъимпульсов весьма
малой продолжительности и большой амплитуды.
Для подтверждения указанных выше явлений использовались различные лабораторные стенды: установка с баллистическим маятником, установка по методу Шарпи, стенд позволяющий замерять прямой импульс в штанге. Результаты исследований на всех стендах показали значительное превосходство ударной системы «поршень-боек-штанга». Разработана и испытана конструкция перфоратора с ударной системой «поршень-боек-штанга» [5,7], где реализован процесс передачи ударного импульса от поршня к штанге. Использование перфораторов с ударной системой, основанной на «дребезге» бойка, позволяет в 1,5 раза и более увеличить скорость бурения по сложноструктурным породам.
Перечисленные выше особые условия протекания соударения показывают, что в ударных системах «поршень-боек-штанга» действительно возможен рост скорости бурения на 50 % и более. Этот факт подтверждается в результатах рудничных испытаний модернизированных перфораторов, зафиксированных актами испытаний и видеосъемкой (особые условия: бурение образцов только апати-то-нефелиновой руды, шпуры — слабо наклонные, глубина шпуров — до 1 м), публикациями в открытой печати, докладами на Международных конференциях и научно-технических салонах, где материалы по указанным исследованиям были отмечены золотыми медалями (Москва, Париж, Нюрнберг, Брюссель и др.).
Квазипластический удар в системе трех тел, движущихся прямолинейно, возникает в результате дребезга бойка, первоначально описан Нагаевым Р.Ф. [8].
5,0x10 1,0x10 1,5x10 2,0x10
Рис. 1. График зависимости напряжений в штанге перфоратора при единичном ударе поршнем (а) и поршнем с бойком (б и в), материал и размеры которого различны
В частности, им было установлено, что для реализации дребезга необходимо выполнение неравенства:
\2
<
+ Л/^)2 (1 + я;)(1 + я,)
т., т2
(т1 + т2 )(т2/ + т2), (1)
где Я и Я — коэффициенты восстановления скорости при ударе бойка о штангу и о поршень; Ш\ — условная масса штанги, активно воспринимающая ударную нагрузку, шх = т0д / 3 , Шшт — полная масса штанги; т2 — общая масса поршня-ударника, величина которого равна сумме масс промежуточного бойка (т2/ ) и собственно ударника т2, то есть т2 = т2 + т2.
В частном случае, когда Я = Я2 = Я и, введя следующие параметры: ц = т2/ / т2 — коэффициент, характеризующий отношение массы малой части ударника (бойка) т2 к массе
всего ударника; V = т2 / т1 — коэф-
фициент, характеризующий отношение массы всего ударника т2 к массе штанги, вместо (1) получаем:
4 Я 1 -ц
<
(1 + Я)2 1 + цл1
Динамика ударного процесса сдвоенного ударника описывается следующим образом: в процессе соударения участвуют три тела: штанга-боек-
поршень.
Известно, что при распространении затухающего колебания для реализации поставленной задачи необходимо выполнить следующее условие: время удара должно быть меньше времени дребезга, которое должно быть меньше времени распространения волны (Тдр <<Твол),
т = 1 + Я s
66 = ^ + я ■ V;5
где 5 — величина предварительного зазора между бойком и хвостовиком штанги, м; У}6 — скорость поршня-
ударника, м/с; h — характеристическое число (изменяется в интервале от 0 до
Массы Macca бойка Коэффициенты восстановления скорости R1= -R2=R
т, и т2, кг т2', кг 8/9 7/9 6/9 5/9 4/9
массы 2 и 5 0,001 -1,787627 -1,602727 -1,442501 -1,306949 -1,196071
массы 5 и 10 0,001 -1,789055 -1,603994 -1,443616 -1,307921 -1,196901
массы 500 и 100 0,2 -1,78158 -1,597372 -1,437796 -1,302851 -1,19253
массы 2 и 5 0,01 -1,765289 -1,582941 -1,425112 -1,291802 -1,183003
массы 2 и 5 0,022 -1,735846 -1,55686 -1,402189 -1,271834 -1,165786
массы 2 и 5 0,12 -1,509279 -1,356164 -1,225796 -1,118176 -1,033296
массы 5 и 5 0,3 -1,149132 -1,03714 -0,945404 -1,042464 -0,822693
1), определяемое из квадратичного уравнения при R1 =R2=R:
Н2 +
2 R -
т., т2 (1 + R)2 (т. + )т2
h + R2 = 0. (2)
Соотношение масс ударной системы выбирается исходя из условия, что абсолютно неупругое соударение будет более выгодным, если масса штанги т1
мала, то есть: т2 > т, (2 R + Й2) , что было обосновано в диссертационной работе Пивнева В.А. Это неравенство является необходимым, но не достаточным условием большей эффективности абсолютно неупругого соударения ударника и штанги.
Коэффициент при h в рассматриваемом квадратном уравнении (а^2 + + Ь^ + с = 0) при различных соотношениях масс ударной системы для различных R представлен в табл. 1.
Сопоставляя соотношения масс для различных R, уравнение (2) имеет решение при положительном дискриминанте, что будет иметь место, если коэффициент при h по модулю изменяется в диапазоне от 0,8 до 1,12 (при R=5/9), а при R=7/9 — коэффициент при h изменяется от 1,55 до 1,7.
На рис. 2, а представлен график зависимости времени дребезга от параметра h (для случая т1=2 кг; т2=5 кг;
= 0,12 кг) при различных значениях величины зазора 5 и скорости поршня-ударника vпу.
Для характеристики области реализации процесса дребезга на рис. 2, а показаны кривые времени волнового процесса Теол, ограничивающие зону дребезга для различных длин штанг. На рис. 2, б построены графики зависимости времени дребезга от величины зазора между бойком и хвостовиком штанги.
Сопоставляя графики (см. рис. 2, а и 2, б), построенные по теоретическим данным для различных s и vl д, видно,
что дребезг в системе трех тел реализуется в случае величины зазора между бойком и штангой меньше 5 мм. Это не противоречит утверждению о том, что с увеличением длины штанги время волнового процесса должно увеличиваться и не противоречит неравенству Тдр <Теол <Тцикла, которое должно выполняться вне зависимости от длины штанги, что и наблюдается на графиках.
Выполненные совместно со специалистами кафедры Теории упругости СПГУ теоретические исследования эффективности переноса ударного импульса, позволяют полную механическую энергию упругих волн, возбуждаемых в штанге при ударе, представить в виде:
ю
ф
а
к
2
К
а
ш
0,0065 -0,0055 -0,0045 -0,0035 -0,0025 -0,0015 -0,0005 --0,0005 -
м
Ф
ю
ф
&
4 к
5 ф
6 СО
0,002
0,0018
0,0016
0,0014
0,0012
0,001
0,0008
0,0006
0,0004
0,0002
0
—s=0,01м;Vпу=5м/с s=0,01м;Vпу=10м/с s=0,01м;Vпу=15м/с —s=0,001м;Vпу=5м/с s=0,001м;Vпу=10м/с s=0,001м;Vпу=15м/с
— - Lшт=2м;Твол=0,001с
— -^шт=5м;Твол=0,003с Lшт=10м;Tвол=0,006с
■"02 04 0,6 0,8 1
Параметр h
1,2
1,4
Зависимость времени дребезга от величины зазора, Тдр=^)
при R=5/9
у=15 м/с у=10 м/с _ —*—\-=5 м/с '
0,002 0,004 0,006 0,008 0,01
Величина зазора между бойком и штангой s, м
0,012
0
0
Рис. 2. Графики зависимостей времени дребезга Тдр от: а — параметра И; б — величины зазора 8 между бойком и хвостовиком штанги
Е = Шрс, | )2 dt,
0
где Ж — площадь поперечного сечения стержня, м2; р — плотность, т/м3; С1 —
скорость продольной волны в стержне, м/с. На рис. 3 приведены графики зависимости полной энергии штанги, ударника и бойка от расстояния 5 между бойком и штангой для различных значений жесткостей ударника к1 и штанги к2. Здесь наблюдается рост передавае-
мой в штангу энергии в случае сдвоенного ударника.
Анализируя графики на рис. 3, видно, что в случае k2<< kl для малых значений 5, до 7 мм, энергия, передаваемая в штангу сопоставима передаваемой энергии одиночного соударения, отклонения не превышают 4 %. С увеличением расстояния от бойка до штанги количество передаваемой в штангу энергии падает.
Для случая равных жесткостей штанги и ударника kl= k2, в отличие от предыдущего случая, наблюдается резкое падение значений передаваемой в штан-
Графики зависимости полной энергии штанги, ударника и бойка от расстояния 8
„ / \_/ \ '
- ' — С _ у' Ґ"
~ V Ударник - - - - Боек
0 2 4 6 8 10 12 14
Расстояние между соударяющимися поверхностями бойка и штанги в, мм
Рис. 3. Графики зависимости полной энергии штанги, ударника и бойка от расстояния s между бойком и штангой для к2 << к1
£ 4
гу энергии. Это связано с тем, что при увеличенной жесткости штанги группа соударений приходится на различные фазы колебания штанги, что меняет перераспределение энергии между штангой и ударником. При значении 5 от 1 до 5мм, энергия, передаваемая в штангу, возрастает (при 5=5 мм — максимальна), а при превышении 5 мм — энергия, передаваемая в штангу, падает.
Таким образом, формулы по определению соотношения масс поршня-ударника и бойка, а также установленные величины ограничений на первоначальный зазор между бойком и штангой (инструментом) позволяют рассчитать реальные параметры ударной системы для различных установок: БГ, МД, отбойных молотков и гидроударников и других.
Для повышения эффективности работы МД, РД и БГ с использованием системы «поршень-боек-инструмент» необходимо продолжить детальное исследование взаимосвязи их основных парамет-
1. Патент №2296850. Перфоратор / Юнг-мейстер Д.А., Пивнев В.А., Соколова Г.В., Лу-кашов К.А., Непран М.Ю., Бурак А.Я. // — Опубл. 2007, Бюл. №10.
ров, а также подтвердить результаты лабораторных исследований испытаниями экспериментальных образцов установок на производстве.
Перспективные разработки МД, РД и БГ могут быть рекомендованы ОАО «Тяжмаш», ОАО «Г ормаш» для создания модернизированных дробилок и средств бурения, где может быть применима указанная выше ударная система. Исследования должны быть продолжены в СПГГИ (ТУ), ОАО «Апатит» и ОАО «Тяжмаш» и ОАО «Гормаш», при этом целесообразно рассмотреть технические и экономические возможности проведения совместных работ для изготовления опытных образцов перфоратора и дробилки с ударной системой «поршень-боек-инструмент», направленных на увеличение интенсификации разрушения породы, повышения стойкости коронок и бил и улучшения вибро-акустических характеристик установок.
------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Научное открытие №А-415. Явление интенсификации передачи энергии удара при центральном повторяющемся соударении твердых тел через промежуточный упругий элемент / Нагаев Р.Ф., Юнгмейстер Д.А., Судь-
енков Ю.В., Горшков Л.К., Пивнев В.А., Сви-нин В.С. // — Опубл. 2007, Диплом №332.
3. Нагаев Р.Ф., Пивнев В.А., Пашкин Л.Н, Юнгмейстер Д.А. Сравнение передаваемых в разрушаемую породу импульсов для одинарных и сдвоенных ударников // В сб.: «Машины и механизмы ударного, периодического и вибрационного действия». Материалы II международного научного симпозиума. — Орел: ОрелГТУ,
2003. — С. 131—133.
4. Судьенков Ю.В., Сусликов А.И., Юнгмейстер Д.А., Бурак А.Я. Исследование эффективности разрушения твердых тел при ударе одиночным и сдвоенным стержнем-ударником // Ударно-вибрационные системы, машины и технологии. Материалы III международного научного симпозиума. — Орел: ОрелГТУ, 2006. — С. 139—143.
5. Юнгмейстер Д.А., Бурак А.Я., Пивнев В.А., Судьенков Ю.В. Основные результаты исследований перфоратора со сдвоенной
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Юнгмейстер Д.А. — доктор технических наук СПГГИ (ТУ); Судьенков Ю.В. — кандидат физико-математических наук СПГУ; Пивнев В.А. — кандидат технических наук ОАО «Апатит»;
Пягай А.К. — ОАО «Тяжмаш»;
^ АВТОРЕФЕРАТ
Л.Х. Гитис
В частную типографию зашел молодой человек и попросил размножить автореферат диссертации. Заказ простой, его попросили немного подождать и через час он уже получил готовый тираж. Стоит такая услуга недорого, все сказали друг другу спасибо и разошлись, удовлетворенные исходом сделки.
На следующий день телефонный звонок. Ученый секретарь диссертационного совета, прочитав на обложке автореферата телефон типографии, напустился на приемщицу заказов: «Кто вам разрешил печатать автореферат без соответствующих виз»? Приемщица, кстати кандидат технических наук, отвечает: «А зачем нам визы? Законом они не предусмотрены. Человек оплатил услугу, а мы ему размножили. Если диссертант написал что-то неправильное, дискутируйте у себя на совете. На то и процедура защиты». Ученый выслушал, произнес какую-то невнятную угрозу и повесил трубку.
(Продолжение на с.338)
Бурак А.Я. — СПГГИ (ТУ)
ударной системой «поршень-боек-штанга» // Горное оборудование и электромеханика, 2006. — № 3. — С. 17—20, 49.
6. Юнгмейстер Д.А., Соколова Г.В., Бурак А.Я., Судьенков Ю.В. Исследование ударных систем на стенде с баллистическим маятником // Горное оборудование и электромеханика, 200б. — № 7. — С. 39—42.
7. Юнгмейстер Д.А., Пивнев В.А., Судьенков Ю.В. и др. Экспериментальные исследования пневматических перфораторов (ударных систем) с двухмассовым поршнем-ударником // Гидравлика и пневматика. — № 13—14. —
2004. — С. 17—20.
8. Нагаев Р.Ф. Механические процессы с повторными затухающими соударениями. — М.: Наука, 1985. ВТШ
