CC BY
43
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 621.01
А.О. Абидов
д-р техн. наук, профессор, ректор, Ошский технологический университет
им. академика М.М. Адышева, г. Ош, Киргизия
О.М. Исманов
старший преподаватель,
Ошский технологический университет
им. академика М.М. Адышева, г. Ош, Киргизия
Э.М. Болушев
старший преподаватель,
Ошский технологический университет им. академика М.М. Адышева, г. Ош, Киргизия
ВЗАИМОДЕИСТВИЕ ОБРАБАТЫВАЕМОЙ СРЕДЫ С УДАРНОЙ МАШИНОИ НА ОСНОВЕ МЕХАНИЗМА ПЕРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЫ
Аннотация. Рассматривается влияние момента трения инструмента буровой машины о стенки обрабатываемой среды на выбор рациональных параметров элементов трансмиссии машины.
Ключевые слова: электромеханический перфоратор, механический перфоратор, буровая машина, механизм переменной структуры, универсальный коллекторный двигатель и инструмент.
A.O. Abidov, Osh Technological University named academic M.M. Adyshev, Osh, Kyrgyzstan
O.M. Ismanov, Osh Technological University named academic M.M. Adyshev, Osh, Kyrgyzstan
E.M. Bolushev, Osh Technological University named academic M.M. Adyshev, Osh, Kyrgyzstan
INTERACTION WITH SHOCK TREATMENT MEDIUM MACHINES BASED ON VARIABLE STRUCTURE
MECHANISMS
Abstract. The effect of friction torque tool drilling machine on the wall of the treated medium to choose rational parameters of the transmission elements of the machine.
Keywords: electromechanical punch, mechanical hammer, drilling machine, mechanism of variable structure, a universal commutator motor and the tool.
Наиболее распространенными способами бурения шпуров и скважин в горном деле и на строительстве являются вращательный и вращательно-ударный способы. При этом вращательно-ударный способ считается предпочтительным при бурении шпуров на горных породах с относительно большим коэффициентом твердости, где достигается сравнительно большая скорость бурения [1]. Производительность при бурении шпуров зависит от правильности выбора рациональных параметров таких как частота вращения инструмента, количество ударов на один оборот инструмента, осевое усилие подачи, энергия удара и т.д. На процесс бурения, на прочность и долговечность инструмента, элементов машины оказывают существенное влияние динамические явления, происходящие в процессе работы системы: обрабатываемая среда-инструмент-машина. Эти явления, в свою очередь, зависят от физико-механических свойств обрабатываемой среды, от технических параметров, заложенных в конструкцию машины. Одной из серьезных динамических явлений, происходящих при работе буровой машины это - крутильные колебания в элементах ее трансмиссии, которая обеспечивает передачу движения от двигателя к исполнительным органам, взаимодействующим с обрабатываемой средой. Эти колебания отрицательно влияют на долговечность элементов трансмиссии машины, ее технические характеристики. Крутильные колебания в
основном изучались при исследовании буровых машин для вращательного бурения, тогда как в буровых машинах ударно-вращательного действия интенсивность и амплитуда крутильных колебаний существенно возрастают в силу увеличения интенсивности взаимодействия породоразрушаю-щего инструмента с обрабатываемой средой.
Силовая трансмиссия наиболее распространенных буровых машин [2] состоит (рис. 1) из источника энергии 1, виброударного механизма 2 для генерирования ударных нагрузок в рабочем инструменте, механизма вращения породоразрущающего инструмента 3 и буровой штанги 4. В конструкциях буровых машин применяются также схемы с раздельным приводом, когда вращение инструмента и движение ударной массы виброударного механизма производятся от отдельных двигателей. Крутильные колебания в силовой трансмиссии, влияние различных условий на долговечность элементов машин исследованы во многих работах. Целью проведенных исследований являлось определение параметров крутильных колебаний, которые приводят к увеличению динамической нагрузки на элементы машины, к уменьшению их долговечности. Для уменьшения амплитуды крутильных колебаний используют такие способы как увеличение жесткости штанги и маховых масс системы, использование гасителей крутильных колебаний [2].
Рисунок 1 - Структурная схема силовой трансмиссии [2]: 1 - источник энергии, 2 - виброударный механизм, 3 - механизм вращения порода разрушающего инструмента,
4 - буровая штанга
Исследование динамических явлений в трансмиссиях буровых машин на основе механизма переменной структуры (МПС) так же является актуальным и первоочередным. К настоящему времени на основе ударного МПС разработаны и созданы ряд машин различного назначения и режима работы - вращательного, ударного и ударно-вращательного. По техническим параметрам эти машины являются широкого типоразмера, начиная от ручных до стационарных, вмонтированных на шасси базовых машин (рис. 2, рис. 3, рис. 4) [3; 4].
Рисунок 2 - Электромеханический перфоратор с МПС [3]: г1-г2, г3-г4, г5-г6, 27-г8 - зубчатые пары, ¡1,|2,|3,|4 - передаточные числа зубчатых пар
4 Н 9 Ю 11
Рисунок 3 - Механический перфоратор [4]: 1 - гидромотор, 2 - присоединительная муфта, 3 - шестерня, 4 - кривошип, 5 - шатун, 6 - коромысло, 7 - волновод, 8 - шатун механизма вращения инструмента, 9 - коромысло механизма вращения инструмента, 10, 11 - зубчатая пара, 12 - породоразрушающий инструмент
Рисунок 4 - Буровая машина: 1 - гидродвигатель податчика, 2 - винтовой преобразователь податчика, 3 - податчик, 4 - стелаж для буровых труб, 5 - бак масляной, 6 - электродвигатель, 7 - гидронасос, 8 - салазка, 9 - ударный механизм, 10 - гидродвигатель ударного механизма, 11 - гидродвигатель вращателя, 12 - вращательный механизм, 13 - трубодержатель, 14 - люнет для монтажа буровых труб и демонтажа, 15 - буровая коронка, 16 - гидроцилиндр, 17 - пульт управления
В конструкциях, созданных к настоящему времени буровых машин на основе МПС, приводы вращения инструмента и движение ударной массы осуществляется от одного источника питания. Из числа созданных буровых машин на основе МПС исследована динамика ручного электромеханического перфоратора ПРЭ (рис. 2) путем математического моделирования [3]. В качестве источника питания в конструкции ПРЭ служит универсальный коллекторный двигатель. Вращающий момент двигателя передается к ударной системе через зубчатые редукторы 21-и2, и3-и4, и5-и6, а к инструменту через зубчатые пары и1-22, и7-и8. Муфта предельного момента в конструкции перфоратора предохраняет оператора от травм при заклинивании инструмента, а элементов конструкции от поломок. В исследованиях динамики перфоратора рассмотрены влияние массо-инерционных параметров элементов ударной системы, трансмиссии на работу
двигателя, крутильные колебания элементов трансмиссии.
Уравнение движения одноподвижной динамической системы - якоря двигателя записывается общеизвестным дифференциальным уравнением:
где I - момент инерции ротора двигателя, с - угловая скорость двигателя, М - момент движущих сил, Мс - момент сил сопротивления, t- текущее время.
Момент сил сопротивления Мс в уравнении движения электромеханического перфоратора задается как момент сопротивления, состоящий из двух составляющих: моментов сопротивления со стороны ударного механизма и инструмента.
В исследованиях динамики электромеханического перфоратора возмущающая нагрузка, создаваемая ударным механизмом, рассматривается как момент, обеспечивающий работу ударного механизма, а величина момента сопротивления, возникающий при взаимодействии породоразрушающего инструмента с обрабатываемой средой принята как постоянное число. Однако в процессе работы перфоратора при бурении шпуров с увеличением глубины бурения растет момент сопротивления, создаваемой со стороны инструмента. Как известно, ручные перфораторы используются в основном при бурении шпура (бурение шпуров диаметром до 16 мм) на элементах зданий и сооружений, где обрабатываемая, ею, среда имеет относительно низкую твердость и относительно небольшую глубину бурения. Поэтому на физико-механические свойства обрабатываемой среды, на изменение величины момента сопротивления со стороны инструмента в вышеназванной работе не было обращено особое внимание, так как его влияние на динамику трансмиссии перфоратора считалось незначительной.
Для бурения шпуров и скважин в горных породах с относительно высоким коэффициентом крепости и сравнительно большой глубиной в Инженерной академии Кыргызской Республики созданы перфораторы (рис. 3) и буровая машина (рис. 4) на основе МПС, которые являются техническими средствами для отделения блоков камня от массива. Эти машины имеют сравнительно высокие технические характеристики, которые предназначены для бурения шпуров при отделении блоков камня от массива и скважин глубиной до 10 м при диаметре бурения 250 мм. Для определения рациональных параметров элементов этих машин необходимо учитывать характеристики обрабатываемой среды, так как длина бурения этих машин относительно больше. Момент сопротивления, создаваемый со стороны инструмента в этих машинах относительно выше и соответственно интенсивность крутильных колебаний элементов трансмиссии выше. Поэтому для определения рациональных параметров элементов трансмиссии необходимо изучение динамики машин с учетом нагрузок, создаваемых со стороны инструмента, которые зависят от характеристик обрабатываемой среды. В работе [2] рассматривается потери мощности буровой машины на трение о стенки скважины. Мощность, расходуемая на преодоление трения о стенки скважины, растет с увеличением глубины бурения. Если представить трение инструмента в скважине как вязкое трение, то момент трения запишется [2]:
где рск - коэффициент демпфирования, Си - ругловая скорость инструмента.
Момент трения может меняться от нуля (начало бурения) до его максимального значения, когда вся мощность двигателя тратится на преодоление момента трения инструмента о стенку скважины (заклинивание инструмента), т.е.
где мдв - момент двигателя.
Соответственно коэффициент демпфирования (рск) также меняется от нулевого до
I
Л
Мск = РскСи ,
0 < Мск ^ Мдв ,
максимального значения. Более точное его значение определяется экспериментально, где фиксируются мощность, затрачиваемая на преодоление трения инструмента о стенки скважины и угловая скорость инструмента для каждой конкретной глубины бурения [2], т.е.:
о _ Мск Иск .
СОи
Здесь необходимо также отметить, что коэффициент демпфирования ИСК имеет различное значение для различных диаметров бурения, так как с увеличением диаметра инструмента увеличивается и мощность, затрачиваемая на преодоление трения для одинаковой глубины бурения. Поэтому значение коэффициента демпфирования необходимо каждый раз определять для конкретного инструмента с определенным диаметром.
Дальнейшие исследования динамики буровых машин с механизмом переменной структуры должны быть проведены с учетом колебательных процессов в ее трансмиссии, которые могут быть анализированы и решены на основе математического моделирования и проведения экспериментальных исследований. В этих исследованиях учет наличия момента трения инструмента о стенки скважины, который зависит от параметров инструмента, обрабатываемой среды и скважины, должен быть одним из важнейших.
Список литературы:
1. Алимов О.Д. Бурильные машины [Текст] / О.Д. Алимов, Л.Т. Дворников. - М.: Машиностроение, 1976.
2. Манжосов В.К. Крутильные колебания в трансмиссиях буровых машин [Текст] / Ман-жосов В.К., Абдраимов С., Невенчанная Т.О. - Фрунзе: Илим, 1982.
3. Кукчаев М.М. Динамика электромеханического перфоратора с механизмом переменной структуры [Текст]: автореф. дис. ... канд. техн. наук 05.02.18 / Кукчаев М.М. - Бишкек, 2001.
4. Кадыркулов А.К. Буроударный способ отделения блоков камня перфораторами с ударным механизмом переменной структуры [Текст]: дис. . канд. техн. наук: 05.05.06 / А.К. Ка-дыркулов. - Бишкек, 2002. - 195 с.
