Разработка пневматической ударной машины с изменяемыми энергетическими характеристиками для проходки скважин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Плохих Вадим Валерьевич

• Плохих Вадим Валерьевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Плохих Вадим Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Общая характеристика устройств ударного действия для сооружения скважин в породных массивах

1.2 Анализ систем воздухораспределения пневматических ударных машин

1.2.1 Пневмоударный механизм с дроссельной системой воздухораспределения

1.2.2 Пневматические ударные машины с золотниковой системой воздухораспределения

1.2.3 Пневматические устройства ударного действия с беззолотниковой системой воздухораспределения

1.2.4 Машина с комбинированной системой воздухораспреления

1.2.5 Устройства ударного действия с клапанной системой воздухораспределения

1.3 Обоснование направления совершенствования устройств ударного действия для реализации адаптивных технологических процессов

1.4 Задачи исследования

2 ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ ПНЕВМОУДАРНОГО УСТРОЙСТВА С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ РАБОЧЕГО ЦИКЛА

2.1 Общие требования к погружным буровым машинам

2.2. Общие требования к пневмомолотам

2.3 Общие требования к пневматической ударной машине с регулируемыми параметрами рабочего цикла

2.4 Анализ конструкций пневматических ударных

машин

2.5 Обоснование конструктивной схемы пневмоударного устройства для реализации адаптивных технологических

процессов

2.6 Выводы

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ РАБОЧЕГО ЦИКЛА НА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ПНЕВМОУДАРНОГО УСТРОЙСТВА

3.1 Обоснование выбора программного обеспечения для создания имитационной модели пневмоударной системы

3.2 Построение расчетной модели пневмоударной машины

3.3 Исследование рабочего цикла пневмоударной машины на имитационной модели

3.4 Исследования взаимосвязи давления перехода упругого клапана в открытое состояние с энергетическими

характеристиками пневмоударной машины

3.5 Стенд, методика и результаты проведения экспериментальных исследований по определению параметров клапана тарельчатого

типа

3.6 Определение энергетических характеристик рабочего цикла пневмоударной машины

3.7 Выводы

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБРАЗЦА ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ УДАРНОЙ МАШИНЫ

4.1 Измерительная аппаратура

4.2 Стенд для проведения испытаний

4.3 Исследование рабочего цикла пневмоударной машины

4.4 Экспериментальные исследования процесса взаимодействия пневмоударного устройства для проходки скважин с породным массивом

4.4.1 Оборудование для экспериментальных исследований

4.4.2 Методика проведения эксперимента

4.4.3 Результаты экспериментального исследования процесса проходки скважины пневмоударной машиной с регулируемыми параметрами рабочего цикла

4.5 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение. Методика расчета основных параметров пневматической ударной машины с изменяемыми энергетическими характеристиками

для сооружения скважин

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка пневматической ударной машины с изменяемыми энергетическими характеристиками для проходки скважин»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Сооружение подземных каналов является неотъемлемой частью технологических процессов в горной промышленности и подземном строительстве. Наиболее эффективными методами разрушения горных пород являются методы, основанные на виброударном воздействии. Этим объясняется широкое разнообразие ударных машин и механизмов, производящихся для горной промышленности и других отраслей народного хозяйства.

Наиболее широко в качестве генератора ударных импульсов используются машины и механизмы с пневматическим приводом. Это обусловлено технологической простотой изготовления таких машин, низкой стоимостью при достаточной надежности работы. Пневмоударные машины находят широкое применение при сооружении скважин, шпуров, анкерного крепления горных выработок, в бестраншейных технологиях прокладки подземных коммуникаций, и в других видах горных и строительных работ.

В настоящее время в производственную сферу горнодобывающей отрасли все больше вовлекаются месторождения с неблагоприятными условиями ведения горных работ. Осваиваются месторождения полезных ископаемых на все более глубоких горизонтах, расположенные в труднодоступных районах, в регионах с суровыми климатическими условиями. При этом становится сложнее обеспечить необходимую производительность горных работ. Усложняется задача обеспечения комфортных и безопасных условий труда персонала. Общим трендом развития горных технологий в новых условиях является автоматизация производственных процессов, внедрение роботизированных буровых комплексов, и использование так называемых «адаптивных технологий». Это позволяет минимизировать присутствие людей в рабочей зоне.

Суть адаптивных технологий бурения скважин состоит в том, что энергетические характеристики пневмоударного устройства (энергия и

частота ударов, усилие подачи и скорость вращения инструмента) задаются с учетом физико-механических свойств обрабатываемого породного массива. Это позволяет минимизировать энергоемкость процесса разрушения породы, обеспечить эффективное удаление разрушенной породной массы из скважины и, в конечном итоге улучшить технико-экономические показатели бурового процесса.

В области подземного строительства, при сооружении коммуникаций, также существует необходимость адаптации режимов ударного воздействия к свойствам конкретного грунтового массива с целью повышения производительности. Положительным следствием использования адаптивных технологий является возможность увеличения долговечности работы ударных механизмов, породоразрушающего инструмента за счет улучшения удельных показателей процесса разрушения породы, сокращения времени работы в режиме полной мощности.

Адаптивные технологии, наилучшим образом соответствуют требованиям построения дистанционных «безлюдных технологий», в которых управление технологическими операциями бурения осуществляются без непосредственного присутствия оператора в месте ведения работ.

Похожим образом развиваются и бестраншейные технологии подземного строительства. Оптимизация процессов взаимодействия рабочего органа с породным массивом является актуальной задачей, решение которой позволяет уменьшить энергозатраты производственного процесса, уменьшить число занятых в нем людей, улучшить условия труда.

Задача оптимизации процессов взаимодействия рабочего органа с породным массивом усложнена тем, что породные массивы характеризуются большим разнообразием физических и механических свойств. Причем достаточно часто свойства породы могут заметно отличаться даже на относительно небольших областях или участках одного и того же массива. Этим объясняются часто наблюдаемые на практике случаи, когда при сооружении одной скважины на разных ее участках отмечается заметное

изменение скорости проходки и других параметров при неизменных режимах работы технологического оборудования. Отсюда следует, что и параметры ударного воздействия следует оперативно изменять в соответствии со свойствами породного массива.

Большой вклад в исследование и создание пневмоударных машин внесли такие ученые, как Костылев А.Д., Гаун В.А., Тупицын К.К., Есин Н.Н., Петреев А.М., Абраменков Э.А., Смоляницкий Б.Н., Червов В.В., Примычкин А.Ю. Учеными созданы надежно работающие ударные машины различного назначения. В большинстве случаев при этом главными задачами исследований являлись высокая надежность работы машин, их долговечность, производительность и другие важные задачи, которые и были успешно решены.

Отмеченные выше тенденции развития горных технологий в современных условиях требуют создания новых пневматических ударных машин, в которых предусмотрена возможность регулирования значений энергетических характеристик непосредственно в процессе работы без остановки машины. Это позволит увеличить производительность и эффективность производства горных работ, снизить их себестоимость, улучшить условия труда за счет минимизации присутствия людей в рабочей зоне.

Пневмоударные машины с регулируемой энергией ударных импульсов позволят расширить диапазон технических возможностей и облегчить решение некоторых проблем при бурении скважин, при бестраншейной прокладке подземных каналов. Например, при бурении дегазационных скважин в подземных условиях практически во всех шахтах существует проблема низкого давления воздуха в шахтных пневмомагистралях. Причинами являются изношенность компрессорного оборудования, неудовлетворительное техническое состояние весьма протяженных и разветвленных трубопроводов воздушных магистралей. В результате магистральное давление воздуха в местах проведения буровых работ, редко

достигает номинального значения. К тому же величина давления часто непредсказуемо меняется в связи с подключением и отключением других потребителей воздуха. На низком давлении энергия удара уменьшается и, если она будет меньше некоторого порогового значения, при котором достигается разрушение породы, то бурение невозможно. Регулирование энергетических характеристик пневмоударников позволит в таких условиях увеличить энергию удара и продолжить бурение скважин.

Похожим образом возможность регулирования энергии ударных импульсов окажется весьма полезной и при бестраншейном способе сооружения подземных каналов методом забивания в грунтовый массив стальных труб. По мере увеличения длины забитой трубы сопротивление грунта увеличивается, а скорость внедрения тубы уменьшается. Для уменьшения сопротивления в процессе забивания производят периодическую очистку внутренней полости трубы от набранного грунта. В противном случае внутри трубы может образоваться грунтовая пробка и скорость внедрения упадет до нуля. С учетом этой опасности очистку чаще всего производят после каждой забитой секции трубы перед наращиванием следующей секции.

Однако в неблагоприятных грунтовых условиях нередкими являются случаи, когда грунтовая пробка образуется раньше, чем секция трубы будет забита до проектной отметки. Вариантом выхода из такой ситуации может быть отрезание незабитой части трубы, чтобы ограниченные размеры котлована позволили смонтировать очистное оборудование. Естественно, что при этом время проведения работ и их трудоемкость увеличиваются.

Более простым выходом является увеличение энергии ударных импульсов. Известно, что в таких случаях даже относительно небольшая прибавка энергии удара позволяет возобновить внедрение трубы. На практике это достигается заменой пневмомолота на более мощный и тяжелый, если он имеется у исполнителя работ. Возможность регулирования энергии позволит в такой ситуации обойтись тем же пневмолотом.

Отсюда следует вывод о том, что создание новых пневматических ударных машин, конструкции которых позволят регулировать энергетические характеристики устройства в процессе работы, является актуальной задачей.

Цель работы: обосновать конструктивную схему и определить параметры пневмоударной машины с регулируемыми энергией ударных импульсов и частотой ударов, и расширенной за счет этого возможностью адаптации режимов ударного воздействия к свойствам обрабатываемой среды.

Идея работы заключается в регулировании энергетических характеристик пневмоударного механизма посредством изменения величины рабочего хода ударника за счет изменения положения распределительного элемента, осуществляющего переключение потока энергоносителя.

Объект исследования: пневматическая ударная машина с механизмом изменения величины рабочего хода.

Предмет исследования: рабочий цикл пневматической ударной машины с регулируемыми энергетическими характеристиками.

Задачи работы:

1. Разработать конструктивную схему пневмоударного механизма, позволяющую регулировать энергетические характеристики в процессе его работы.

2. Определить значения конструктивных параметров пневмоударного механизма, при которых обеспечивается его устойчивая работа.

3. Установить зависимость энергии ударных импульсов и частоты ударов пневмоударной машины от величины его рабочего хода.

Методы исследования: анализ и обобщение информации, содержащейся в литературных источниках, имитационное моделирование рабочего цикла пневмоударного устройства, исследование рабочего цикла пневмоударной машины на экспериментальном образце.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Регулирование значений энергетических характеристик в предложенной конструктивной схеме пневмоударного механизма достигается использованием комбинированной системы воздухораспределения, бесклапанной и клапанной, образующей два выхлопных канала, первый из которых при открывании вызывает начальное падения давления в камере холостого хода, приводящее к открытию эластичного клапана в основном выхлопном канале. При перемещении воздухораспределительного патрубка изменяется расположение первого, управляющего канала, величина хода ударника, энергия ударного импульса и частота ударов.

2. Для пневмоударного механизма с комбинированной системой воздухораспределения с эластичным клапаном при давлении воздуха в питающей магистрали в диапазоне 0,4-0,6 МПа область рациональных значений давления в камере холостого хода, при котором должен открываться эластичный клапан, находится в интервале от 0,1 до 0,25 МПа.

3. Для пневмоударного механизма выбранного типоразмера с диаметром корпуса 130 мм и массой ударника 7,7 кг уменьшение величины рабочего хода ударника в 2 раза от номинального значения приводит к уменьшению величины энергии ударных импульсов в 4 раза при одновременном увеличении их частоты в 2,4 раза.

Обоснованность и достоверность научных положений обеспечивается удовлетворительной сходимостью расчётных и экспериментальных данных, достаточным объёмом экспериментальных исследований в лабораторных условиях с применением апробированных методов измерения.

Научная новизна диссертации:

1. Разработана конструктивная схема пневмоударной машины с комбинированной системой воздухораспределения, позволяющая регулировать энергетические характеристики в процессе ее работы.

2. Определен интервал давлений, при котором должен открываться эластичный клапан.

3. Установлен диапазон изменения энергии ударных импульсов и частоты ударов в пределах регулируемого перемещения воздухораспределительной кромки первого управляющего канала в конструктивно возможном диапазоне.

Личный вклад автора заключается в: разработке имитационной модели пневмоударного устройства; проведении исследования динамики рабочего цикла; участии в создании стендов, в проведении, обработке и интерпретации результатов лабораторных экспериментальных исследований пневмоударной машины.

Практическая значимость исследования заключается в разработке методики расчета основных параметров пневмоударной машины с регулируемыми энергетическими характеристиками, позволяющими изменять величину энергии ударных импульсов и частоту ударов в процессе работы без остановки машины.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования молодых ученых», Омск, 2022 г., Международной научной конференции «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология», Новосибирск, 2021 г., 2022 г., 2023 г., 2024 г., Всероссийской конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли», Новосибирск, 2021 г., 2023 г., Международной научной школы молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых», Москва, 2021 г., Всероссийской конференции «Научно-технические проблемы и технологии освоения месторождений полезных ископаемых в сложных горногеологических условиях и на больших глубинах горных работ», Новосибирск, 2022 г., Международном научном симпозиуме «Неделя

горняка», Москва, 2022 г., Всероссийской конференции «Проблемы недропользования», Екатеринбург, 2023 г., 2024 г., 2025 г.

Публикации. Основные результаты исследования отражены в 14 печатных работах, опубликованных в рецензируемых научных изданиях, в том числе в 2-х работах, опубликованных в журналах, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ, получен патент на полезную модель устройства ударного действия.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 121 странице и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы из 100 наименований и приложения, содержит 39 рисунков и 4 таблицы.

Автор благодарен своему научному руководителю д.т.н. Б.Б. Данилову и заведующему отделом горной и строительной геотехники к.т.н. Д.О. Чещину за помощь при выполнении работы. Отдельную благодарность автор выражает сотрудникам отдела горной и строительной геотехники ИГД СО РАН за практическую помощь в проведении экспериментальных исследований.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Общая характеристика устройств ударного действия для сооружения

скважин в породных массивах

В настоящее время в горном производстве и строительстве важное значение имеют современные технологии, которые сокращают сроки проведения работ, их стоимость, минимизируют трудозатраты. Важное место в технологических процессах горного производства и строительства занимает сооружение скважин в массивах горных пород. В горной промышленности бурение скважин применяется при поиске и разведке месторождений полезных ископаемых, при их добыче. В промышленном и гражданском строительстве скважины сооружаются, на разных этапах, начиная с инженерно-изыскательских работ, строительства фундаментов и оснований и заканчивая прокладкой различных трубопроводов, коммуникаций бестраншейным способом.

В зависимости от физико-механических свойств породного массива используются разные технологии сооружения скважин. В рыхлых (грунтовых) массивах наиболее часто используются методы прокола, продавливания, в твердых породах используется различные методы бурения.

Методы виброударного прокола и продавливания для сооружения скважин в грунте используются достаточно давно. Горизонтальные и наклонные скважины сооружаются при подземном строительстве, бестраншейной прокладке подземных коммуникаций. Значительный толчок в своем развитии эти методы получили в середине прошлого века, когда в Институте горного дела СО РАН были созданы автономно перемещающиеся в грунте пневматические ударные машины, которые стали называться пневмопробойниками. Пневмопробойники нашли широкое применение не только для сооружения грунтовых скважин, но и для забивания в грунт стальных труб при виброударном прокалывании и виброударном продавливании [1-5].

Скважина формируется корпусом пневмопробойника при его внедрении в грунтовый массив и последующем поступательном перемещении. Грунт при этом деформируется в радиальном направлении, поэтому стенки скважины достаточно уплотнены для обеспечения временной устойчивости при последующем затягивании прокладываемых коммуникаций.

Непосредственное воздействие оператора на пневмопробойник в процессе его работы невозможно. Любая неисправность, которая связана с нарушением работы ударного механизма, приводит к потере пневмопробойника, так как зачастую извлечение машины из грунтового массива невозможно. Поэтому надежность работы этих машин имеет очень важное значение.

Схема виброударного прокалывания грунта пневмопробойником показана на рисунке 1.1. Внедрение трубной плети 1 в грунтовый массив под дорогой 2 происходит под действием ударника пневмопробойника 3, движущегося внутри корпуса машины возвратно-поступательно. Предварительно перед началом работы сооружается рабочий приямок 4 нужной глубины, для точной установки и выхода машины в приемный котлован 5. Удар перемещает корпус, тем самым преодолевая силу трения трубной плети с грунтом и вытеснение грунта преимущественно в радиальном направлении с последующим уплотнением стенок скважины. Силы трения, возникающие между наружной поверхностью трубной плети и грунтом, удерживают машину от перемещения в обратном направлении под действием силы отдачи. Механизм реверса в пневмопробойнике делает возможным изменение направления ударов на противоположное для изменения направления движения с прямого хода на обратный. Это необходимо при работе машины в глухих скважинах для возврата назад или в аварийных случаях, когда происходит встреча с непреодолимым препятствием [6-11].

1 - трубная плеть; 2 - автодорога; 3 - пневмопробойник; 4 - рабочий приямок;

5 - приемный котлован; 6 - трубы; 7 - оголовок; 8 - сварочный агрегат; 9 - насадка;

10 - компрессор

Рисунок 1.1 - Схема сооружения скважины пневмопробойником

Основное достоинство виброударного прокола состоит в простоте и эффективности технологического процесса и применяемого оборудования. Но при увеличении диаметра скважины энергоемкость процесса формирования скважины возрастает пропорционально второй степени увеличения диаметра, верхний предел которого для большинства пневмопробойников составляет 300-350 мм. Вследствие этого скважины диаметром более 200 мм чаще всего приходится сооружать за несколько проходов, постепенно увеличивая их диаметр. Обширная зона деформации грунта не позволяет сооружать новые скважины рядом уже с имеющимися подземными коммуникациями без риска их повреждения. Кроме того глубина заложения скважины должна быть больше, чем зона обширных деформаций, для предотвращения вспучивания дневной поверхности [1, 12, 13].

Для снижения энергоемкости процесса сооружения скважины и уменьшения зоны деформации грунта применяют способ виброударного продавливания стальной трубы в грунтовый массив под действием ударных импульсов, генерируемых пневмопробойником или пневмомолотом. Этот способ, также как и прокол, основан на эффекте перемещения колебательной

системы под действием удара в направлении движения машины без приложения статических внешних сил [14].

Схема бестраншейной прокладки труб методом виброударного продавливания представлена на рисунке 1.2. Внедрение обсадной трубы 1 в грунтовый массив происходит под действием пневмоударного модуля 2, который передает ударный импульс через переходные кольца 3. Специальная опора 4 предназначена для удержания машины и обсадной трубы в горизонтальном положении от просадки под собственным весом. Переходные кольца 3 предназначены для установки в них пневмоударных машин с разными диаметрами. Примерами машин, оснащенными переходными кольцами, являются отечественные пневмопробойники ИП4603, СО134 или пневмомолоты М-200, М-400 или «Тайфун» [4, 18].

' * /7~7—777—7ТГ

1 - обсадная труба; 2 - пневмоударный модуль; 3 - переходные кольца; 4 - специальная

опора; 5 - направляющая Рисунок 1.2 - Схема бестраншейной прокладки труб методом виброударного

продавливания

Достоинствами метода виброударного продавливания являются простота процесса сооружения скважины и компактность применяемого оборудования, что способствовало быстрому внедрению его в практику подземного строительства [14, 18]. К недостаткам можно отнести ограничение максимальной длины забиваемой трубы, в большинстве случаев составляющей около 50-60 м. Это объясняется тем, что при увеличении

длины трубной плети эффективность действия ударного импульса уменьшается настолько, что энергии на преодоление сил сопротивления грунта становится недостаточно и скорость проходки резко падает. В среднем примерно 10-20% энергии единичного удара расходуется на пластическую деформацию и продвижение трубы. Большая же часть энергии (до 80-90 %) затрачиваются на упругую деформацию трубы и прилегающего к ней грунта [1].

В процессе продавливания трубчатого кожуха поступающий в его внутреннюю полость грунт создает дополнительное сопротивление, вызывающее ухудшение эффективности действия ударных импульсов. Периодическая очистка внутренней полости трубы от поступившего в него грунта в определенной мере решает эту проблему, хотя и требует дополнительных затрат времени на смену технологического оборудования [2]. Обычно технологический процесс выстраивают так, чтобы очистку производить после внедрения (забивания) каждой секции. Затем присоединяют следующую секцию и начинают дальнейшее внедрение кожуха. Однако случается и так, что до конца внедрить секцию не удается. Тогда приходится делать дополнительную промежуточную переустановку оборудования и производить промежуточную очистку.

В последнем случае можно завершить операцию по внедрению секции до конца, если увеличить энергию ударного импульса. Причем даже небольшое увеличение энергии (в пределах 10%) обычно позволяет достичь необходимого эффекта [2]. На практике для этого используют более мощную ударную машину с большей энергией ударных импульсов, если такая машина имеется у исполнителя работы.

Нередкими являются случаи, когда при бестраншейной прокладке металлического кожуха энергии удара не хватает для продвижения кожуха, даже при том, что его внутренняя полость полностью очищена от грунта. Обычно эти ситуации возникают на завершающей стадии прокладки кожуха большого диаметра и длины. В этом случае также необходимо увеличить

энергию удара путем использования другой, более мощной ударной машины, если таковая имеется.

Было бы удобнее и проще в таких случаях увеличить энергию путем регулирования параметров машины. Однако, доступного средства повышения энергетических характеристик пневмопробойников и пневмолотов (энергии ударных импульсов и частоты ударов) нет. На практике можно лишь уменьшить энергию, а заодно и частоту ударных импульсов путем уменьшения подачи сжатого воздуха. Других методов изменения энергетических характеристик в существующих пневмоударных машинах не предусмотрено.

Таким образом, создание пневмоударных машин, в которых предусмотрена возможность регулирования энергетических характеристик, будет способствовать повышению эффективности работ по бестраншейной прокладке коммуникаций, других работ в области подземного строительства.

Эффективным способом проходки скважин в твердых горных породах является бурение. А наиболее эффективным методом бурения является ударно-вращательный. Для реализации этого метода используют погружные пневмоударники - мощные пневматические машины ударного действия, предназначенные для ударно-вращательного бурения скважин в горных породах средней и высокой крепости.

В отличие от других буровых машин основной особенностью погружного пневмоударника является нахождение его в скважине и передача ударного импульса непосредственно инструменту, разрушающему породу. Вращение и подача на забой пневмоударника с инструментом осуществляются с помощью бурового станка. Вращающий момент и осевое усилие подачи передаются через став буровых штанг, который служит также трубопроводом для подвода энергоносителя к пневмоударнику [19].

На подземных и открытых горных работах для бурения скважин часто применяются самоходные буровые станки (рисунок 1.3), в которых в качестве рабочего органа используются погружные пневмоударники.

1 - гусеничный механизм хода; 2 - пульт управления гусеничным ходом; 3 - кронштейн;

4, 6 - податчик; 5, 9 - гидроцилиндр; 7 - вращатель; 8 - центратор; 10 - башмак;

11 - гидродомкарат; 12, 13 - пульт управления Рисунок 1.3 - Самоходный буровой станок

Базой станка является гусеничный механизм хода 1, имеющий раздельный гидравлический привод гусениц. Гидронасос механизма перемещения приводится в действие пневмодвигателем радиально-поршневого типа. В задней части станка размещены гидростанция с пультом управления гусеничным ходом 2 и сидение машиниста. В передней части бурового станка на поперечной оси крепятся кронштейн (кулиса) 3, на котором смонтирован вращатель, поворачивающий ось податчика 4 на угол 360°. Два гидроцилиндра 5 осуществляют перевод податчика из транспортного положения в рабочее и поворачивают податчик на угол 20°, что дает возможность бурить скважины «под себя». На сварной раме податчика 6 находится вращатель 7, который перемещается по раме податчика телескопическим гидроцилиндром с двойной раздвижностью. В нижней части податчика расположен гидроключ для удержания бурового става при осуществлении спуско-подъемных операций и центратор 8, который точно центрирует по оси буримой скважины пневмоударник. При бурении вниз рама податчика надвигается на почву выработки

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Плохих Вадим Валерьевич, 2025 год

- 18 с.

7. Пат. 2080443 Российская Федерация. Пневматическое реверсивное устройство ударного действия для проходки скважин в грунте [Текст] / Х. Б. Ткач, А. Д. Терсков, В. В. Трубицын, В. В. Червов; опубл. 27.05.1997, Бюл. № 15. - 18 с.

8. А. с. 924276 СССР. Устройство ударного действия для проходки скважин в грунте [Текст] / Костылев А. Д., Богинский В. П., Смоляницкий Б.Н.; опубл. 30.04.1982, Бюл. № 16.

9. А.с. № 610937 СССР. Устройство ударного действия для образования скважин в грунте. В. П. Богинский, Х.Б. Ткач, А.Д. Костылев, К.С. Гурков, В.В. Климашко, Б.Н. Смоляницкий, В.М. Терин.- Опубл. в БИ, 1978, № 22.

10. А. с. 927912 СССР. Устройство ударного действия для проходки скважин в грунте [Текст] / Костылев А. Д., Смоляницкий Б.Н., Богинский В. П., Сырямин Ю. Н. и Данилова О. М.; опубл. 15.05.1982, Бюл. № 18.

11. А. с. 901410 СССР. Устройство для проходки скважин в грунте [Текст] / Трегубов Б. Г., Мухин Ж. Г. и Власов В. Н.; опубл. 30.01.1982, Бюл. № 4.

12. Костылев А.Д. Анализ проходки скважин пневмопробойниками // ФТПРПИ. - 2000. - № 3.

13. Гурков К.С., Климашко В.В., Костылев А.Д. Новый типоразмерный ряд пневмопробойников // ФТПРПИ. - 1989. - № 4.

14. Рейфисов Ю. Б. Условия самотранспортирования керна грунта в трубе при забивке ее пневмопробойником [Текст] / Ю. Б. Рефисов // Виброударные процессы в строительном производстве: сб. науч. тр. / ИГД СО АН СССР. - Новосибирск, 1986. - С. 23 - 29.

15. Кершенбаум Н. Я. Прокладка горизонтальных и вертикальных скважин ударным способом [Текст] / Н. Я. Кершенбаум, В. И. Минаев. - М.: Недра, 1984. - 245 с.

16. Минаев В. И. Обоснование метода виброударного прокола грунтовых препятствий [Текст] / В. И. Минаев // Строительство трубопроводов - 1964.- № 7.

17. Кершенбаум Н. Я. Виброметод в проходке горизонтальных скважин [Текст] / Н. Я. Кершенбаум, В. И. Минаев. - М.: Недра, 1968. - 155 с.

18. Смоляницкий Б.Н. Новые пневмоударные машины "Тайфун" для специальных строительных работ [Текст] / Б. Н. Смоляницкий, В. В. Червов,

В. В. Трубицын, И. В. Тищенко, И. Э. Вебер //Механизация строительства. -1997 - № 7. С.5-8.

19. Суднишников Б. В., Есин Н.Н., Тупицын К.К. Исследование и конструирование пневматических машин ударного действия. - Новосибирск: «Наука», 1985. - 135 с.

20. Иванов К.И. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых [Текст] / К.И. Иванов, М.С. Варич, В.И. Дусев. М.: Недра, 1974. - 408с.

21. Ребрик Б.М. Бурение скважин при инженерно-геологических изысканиях [Текст] / Б.М. Ребрик, М.: Недра, 1997, С. 35-48.

22. Абраменков, Э. А. Классификация основных признаков пневматических механизмов машин ударного действия [Текст] / Э. А. Абраменков, В. Ф. Корчаков // Строительство и архитектура. 1979, №8. -с.157 - 163.

23. Абраменков, Э. А. Создание ручных пневматических машин ударного действия с дроссельным воздухораспределением [Текст]: дис. докт. техн. наук: 05.05.06 / Абраменков Эдуард Александрович. - Новосибирск. 1989. - 302 с.

24. Алимов, О. Д. Исследование рабочего процесса пневматического бурильного молотка с беззолотниковымвоздухораспределением [Текст] / О. Д. Алимов, В. Ф. Горбунов // Изв. ТПИ. Т106.- Томск. 1958. - с. 36 - 50.

25. Кассациер, И. С. Теория и расчет пневматических машин ударного действия с золотниковым распределением [Текст] / И. С. Кассациер. ДАН СССР. Т71. №5. 1950.

26. Русин, Е. П. Исследование и создание реверсивных бесклапанных пневмоударных механизмов [Текст]: дисс. канд. техн. наук: 05.05.06 / Русин Евгений Павлович. - Новосибирск. 1981. - 234с.

27. Сомин, С. Е. Обзор конструкций пневматических ударных машин. Ч2. Распределение воздуха [Текст] / С. Е. Сомин. - Томск. Архив ТЭМЗ им. В. В. Вахрушева . 1943. - 36 с.

28. Официальный сайт Учебные материалы [Электронный ресурс]. -Режим доступа: https://works.doklad.ru/view/b-wy9Q8wtA0/4.html

29. Официальный сайт «Про бурение и водоснабжение» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://burenieinfo.ru/burovoj-stanok-nkr-100/

30. Хазин М.Л. Роботизированная техника для добычи полезных ископаемых / Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2020. Т.18. №1. С. 4-15.

31. Atkinson R.D. Robotics and the future of production and work. Information Technology and Innovation Foundation (2019).

32. Dadhich S., Bodin U., Andersson U., 2016, Key challenges in automation of earth-moving machines, Automation in Construction. 68, 212-222.

33. Marshall J.A., Bonchis A., Nebot E., Sheding S. Robotics in mining // Springer handbook of robotics. Springer, Cham, 2016; 1549-1576.

34. Rakhmangulov А. Sustainable o pen pit mining and technical systems: concept, principles, and indicators / A. Rakhmangulov, K. Burmostrov, N. Osintsev // Sustainability. - 2021. №13 (3). - Pp. 1101.

35. Марданов В.А., Ткаченко Д.Г. Об использовании робототехники при ведении горнопроходческих работ // В сборнике: Проблемы горного дела. Сборник научных трудов II Международного Форума студентов, аспирантов и молодых ученых-горняков, посвященного 100-летию ДонНТУ. Донецкий национальный технический университет; Институт горного дела и геологии. г. Донецк, 2021. С. 89-93.

36. Кауркин И.А., Зиновьев В.В. Роботизация в горнодобывающей промышленности // Сборник материалов IX Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых с международным участием «РОССИЯ МОЛОДАЯ». - 2017. - С. 35006.

37. Александров Е.В. Пути улучшения эксплуатационных показателей машин ударного действия [Текст] / Е.В. Александров, В.Б. Соколинский, Г.М. Захариков. М.: ИГД им. Скочинского, 1968. - 54 с.

38. СуднишниковВ.Б. Элементы динамики машин ударного действия [Текст ] / Б.В. Суднишников, Н.Н. Есин. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1965. - 84 с.

39. Абраменков Э.А., Абраменков Д.Э. Пневматические механизмы машин ударного действия: дроссельные, струйные, беззолотниковые, бесклапанные. Справ, пособ. Новосибирск, изд. Новосибирского университета, 1993. - 430 с.

40. Шахторин И.О. Выбор и обоснование параметров погружного пневмоударника малого диаметра: Дис. канд. техн. наук (05.05.06) / Новосибирск, 2017. - 98 с.

41. Назаров Н. Г. Повышение ударной мощности пневмопробойников / Н. Г. Назаров // Горные машины: сб. науч. тр. / ИГД СО АН СССР. - Новосибирск, 1980. - С.14 - 20.

42. Климашко В. В. Пути повышения энергии удара машин для забивания труб при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций / В. В. Климашко, В. П. Гилета, Б. Н. Смоляницкий // Механика горных пород. Горное и строительное машиноведение. Технология горных работ: сб. науч. тр. / ИГД СО АН СССР. - Новосибирск, 1993. - С. 76 - 79.

43. Хейборт П. Обзор выставки «NO-DIGLIVE' 96» в Абингдоне // РОБТ. - 1996 - № 2.

44. Петреев А.М., Смоляницкий Б.Н. Согласование параметров пневмомолота с производительностью источника питания // ФТПРПИ. -1999. - № 2.

45. Гилета В. П. К вопросу создания пневмоударных устройств повышенной мощности для забивания труб [Текст] / В. П. Гилета, Н. Д. Сырямин // Виброударные процессы в строительном производстве: сб. науч. тр./ ИГД АН СССР. - Новосибирск, 1986. - С.15-22.

46. А.с. № 998740. Пневматический ударный механизм. В.А. Гаун. -Опубл. в БИ, 1983, № 7.

47. Гаун В. А. Разработка и исследование погружных пневмоударников с повышенной энергией удара [Текст] / В. А. Гаун // Повышение эффективности пневмоударных буровых машин. - Новосибирск. Изд. ИГД СО АН СССР, 1987. - с. 3-10.

48. Петреев А.М. Кольцевой упругий клапан в пневмоударных машинах [Текст] / А.М. Петреев, А.Ю. Примычкин, Д.С. Воронцов // ФТПРПИ. - 2010 - № 4. С. 56-65.

49. Гаун, В. А. К вопросу применения воздухораспределительного устройства с эластичным цилиндрическим клапаном в пневмоударниках [Текст] / В. А. Гаун // Исследование пневматических буровых машин ударного действия. - Новосибирск. Изд. ИГД СО АН СССР. 1974. - с. 14 -15.

50. Гаун, В. А. О пропускной способности воздухораспределения с упругим клапаном [Текст] / В. А. Гаун // Пневматические буровые машины. — Новосибирск: ИГД СО АН, 1984. - с. 72 - 76.

51. Гаун, В. А. Повышение КПД пневмоударников [Текст] / В. А. Гаун // Повышение эффективности пневмоударных буровых машин. -Новосибирск. Изд. ИГД СО АН СССР. 1987. - с. 23 - 28.

52. Гаун, В. А. Разработка и исследование погружных пневмоударников с комбинированным воздухораспределением [Текст]: автореф. дисс. канд. техн. наук: 05.05.06 / Гаун Виктор Александрович. -Новосибирск. 1978. - 19 с.

53. Гаун, В. А. К вопросу повышения энергии удара погружных пневмоударников [Текст] / В. А. Гаун // ФТПРПИ. 1983. №2. - с. 79 - 81.

54. Смоляницкий Б.Н. Повышение эффективности использования энергоносителя в пневмомолотах для подземного строительства [Текст] / Б.Н. Смоляницкий, В.В. Червов // ФТПРПИ. - 2014 - № 5. С. 143-156.

55. Плохих, В.В. Исследование динамических параметров рабочего цикла виброударных систем, участвующих в реализации адаптивных технологических процессов / В.В. Плохих, Б.Б. Данилов, Д.О. Чещин //

Интерэкспо ГЕО-Сибирь. - 2021. - Т.2. - №4 - С. 67-77.DOI: 10.33764/2618-981X-2021 -2-4-67-77

56. Чещин Д.О. О возможности применения накопителей энергии в ударных машинах / Д.О. Чещин, В.В. Плохих, А.К. Ткачук // Интерэкспо ГЕО-Сибирь. - 2021. - Т.2. - №4 - С. 181-189.DOI: 10.33764/2618-981X-2021-2-4-181-189

57. Чещин Д.О. Пневмоударная машина с механическим накопителем энергии / Д.О. Чещин, Б.Б. Данилов, В.В. Плохих // Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых. - 2021. - С. 190 - 193.

58. Патент № 2224868 РФ. Пневмоударник / Дусев В.И., Колосова Е.В. - Опубл. 27.02.2004.

59. Патент № 2211908 РФ. Пневматическое буровое устройство / Воробьев В.Н., Аристов В.А., Заслов В.Я., и др. - Опубл. 10.09.2003.

60. Патент № 2166055 РФ. Погружная ударная машина для бурения скважин кольцевым забоем / Липин А.А. - Опубл. 27.04.2001.

61. Патент № 2186925 РФ. Устройство для бурения скважин / Воробьев В.Н., Роженцов В.Ф., Авдонин Ю.Ф., и др. - Опубл. 10.08.2002.

62. А.с. № 998740. Пневматический ударный механизм. В.А. Гаун. -Опубл. в БИ, 1983, № 7.

63. А.с. № 1218095. Пневматический ударный механизм. В.А. Гаун. -Опубл. в БИ, 1986, № 10.

64. Гилета В. П. Создание и совершенствование пневмоударных устройств для проходки горизонтальных скважин способом виброударного продавливания [Текст]: дис. ...докт. техн. наук / В. П. Гилета. - Новосибирск, 1997. - 287с.

65. Massarsch K.R. (2004) «Vibro-Driving - The Importance of Soil Vibrations».

66. Суднишников Б. В. Воздухораспределительные устройства пневматических машин ударного действия [Текст] / Б. В. Суднишников, Н. Н. Есин. - Новосибирск: изд. СО АН, 1965. - 47с.

67. Вихляев А.А., Каменский В.В., Федулов А.И.. Ударное дробление крепких материалов. Новосибирск: Наука:, 1969. 160 с.

68. Федулов А.И., Архипенко А.П., Маттис А.Р. Выбор зазоров в трущихся парах пневмомолотов. Новосибирск: Наука, 1980, 126 с.

69. Tambovtsev P. N., Rusin E. P. Justification of the air distribution system of a down-the-hole hammer with an efficient operating cycle. Mining Science and Technology (Russia). 2023;8(4):360-376. https://doi. org/10.17073/2500-0632-2022-12-67

70. Плохих В. В. Создание пневматической ударной машины для реализации адаптивных технологических процессов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2022. - № 7. - С. 91-103.

71. Пат. 208325 РФ, МПК Е21В 1/00 (2006.01). Устройство ударного действия / Б.Б. Данилов, В.В. Плохих, А.А. Речкин, Д.О. Чещин; заявитель и патентообладатель ИГД СО РАН. - №2021118386; заявл. 24.06.2021 // опубл. 14.12.2021, Бюл. № 35 - 7 с.

72. Официальный сайт компании ESI Group [Электронный ресурс]. -Режим доступа: https://www.esi-group.com/products/system-simulation

73. Официальный сайт языка моделирования Modelica [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.modelica.org/

74. Плохих, В.В. Создание и исследование имитационной модели пневматической ударной машины с изменяемой структурой ударной мощности / В.В. Плохих, Б.Б. Данилов, Д.О. Чещин // Интерэкспо ГЕОСибирь. - 2022. - Т.2. - №3 - С. 270-278. DOI: 10.33764/2618-981X-2022-2-3-270-278

75. E. Hahne: Technische Thermodynamik. Bonn, München, Paris: Addison-Wesley 1992.

76. H. Murrenhoff: Grundlagen der Fluidtechnik. Teil 2: Pneumatik. Aachen: Verlag Mainz 1999.

77. H. Töpfer, A. Schwarz: Wissensspeicher Fluidtechnik. VEB Fachbuchverlag Leipzig 1988

78. K. Großmann: Ein Beitrag zur Modellfindung und -berechnung für die dynamische Analyse von Werkzeugmaschinen-Strukturen. Dissertation. Dresden University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, 1974.

79. Тарг С. М. Сила инерции // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. — Т. 4. Пойнтинга—Робертсона эффект — Стримеры. — С. 494—495. — 704 с.

80. Сила инерции / Самсонов В. А. // Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов. — М. : Большая российская энциклопедия, 2004—2017.

81. Орир Дж. Физика, полный курс = Physics by Jay Orear, Cornell University / пер. с англ. и научная редактура Ю. Г. Рудого и А. В. Беркова. — 2-е изд.. — Москва: Издательство «КДУ», 2010. — С. 100—101. — 752 с.

82. Плохих, В.В. Результаты исследования влияния упругого клапана на энергетические параметры рабочего цикла пневмоударной машины / В.В. Плохих, Д.О. Чещин, Б.Б. Данилов // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. - 2023. - Т. 10. - № 4. - С. 97 - 101. DOI: 10.15372/FPVGN2023100415

83. Потураев, В. Н. Резиновые детали машин [Текст] / В. Н. Потураев, В. И. Дырда. - М.: Машиностроение. 1977. - 216 с.

84. Речкин А. А., Данилов Б. Б. Влияние формы опорной поверхности стационарно установленного упругого клапана на изменение предударной скорости бойка ударной машины // Интерэкспо Гео-Сибирь. -2022. -Т. 2. - № 3. - С. 279-285. DOI: 10.33764/2618-981X-2022-2-3-279-285

85. Плохих, В.В. Результаты исследования процесса механического замыкания упругого клапана и применение его в пневмоударной машине с регулируемыми параметрами рабочего цикла // Проблемы недропользования. - 2023. - № 1 (36). - С. 94 - 103. DOI: 10.25635/2313-1586.2023.01.094

86. Плохих, В.В. Результаты экспериментальных исследований динамики клапана прямоугольного сечения / В.В. Плохих, Б.Б. Данилов, Д.О.

Чещин // Интерэкспо ГЕО-Сибирь. - 2023. - Т.2. - №1 - С. 207-214. DOI 10.33764/2618-981X-2023-2-1-207-214

87. Плохих, В.В. Обоснование принципиальной схемы и исследование рабочего цикла пневматической ударной машины с изменяемой структурой ударной мощности / В.В. Плохих, Б.Б. Данилов, Д.О. Чещин, А.О. Кордубайло // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. - 2021. - Т. 8. - № 1. - С. 315 - 320. DOI: 10.15372/FPVGN2021080148

88. Плохих, В.В. Обоснование принципиальной схемы и исследование динамических параметров пневмоударной машины с изменяемой структурой ударной мощности / В.В. Плохих, Д.О. Чещин // Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых. - 2021. - С. 173 - 177.

89. Спиридонов, А. А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов / А. А. Спиридонов. - М.: Машиностроение. 1981. - 184 с.

90. Официальный сайт компании НПК ВИП [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http:// www.zaovip.ru/

91. Официальный сайт компании Darxton [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http:// www.darxton.ru/

92. Официальный сайт компании CNC Technology [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:// www.cnc-tehnologi.ru/

93. Официальный сайт компании Lcard [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.lcard.ru/

94. Официальный сайт ООО НПО «Челябинский инструментальный завод» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:// www.chiz.ru/

95. Официальный сайт компании Vieir [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http:// www.vieir.ru/

96. Плохих В.В. Исследование рабочего цикла физической модели пневмоударной машины с изменяемой структурой ударной мощности / В.В. Плохих, Д.О. Чещин // Фундаментальные и прикладные исследования молодых ученых. - 2022. - С. 24-29.

97. Плохих, В.В. Обоснование принципиальной схемы и определение основных регулируемых параметров рабочего цикла пневмоударной машины / В.В. Плохих, Б.Б. Данилов, Д.О. Чещин // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2023. - №2 - С. 102 - 111. 001: 10.15372/ГТРКР120230210

98. Алабужев П. М., Минкевич Л. М. Основы теории подобия и моделирования. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1965.

99. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. - М.: Изд-во стандартов, 1993. - 19 с.

100. Плохих, В.В. Результаты экспериментального исследования процесса взаимодействия пневматической ударной машины с грунтовым массивом в рамках реализации адаптивных технологических процессов / В.В. Плохих, Б.Б. Данилов, Д.О. Чещин // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. - 2022. - Т. 9. - № 1. - С. 162 - 168. Б01: 10.15372/ГРУа№022090123

УТВЕРЖДАЮ

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ УДАРНОЙ МАШИНЫ С ИЗМЕНЯЕМЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ДЛЯ СООРУЖЕНИЯ

СКВАЖИН

Новосибирск 2025 г.

1 Общие положения

Создание пневмоударной машины с изменяемыми энергетическими характеристиками является актуальной задачей, так как данные машины востребованы современной горной промышленностью в месторождениях с крайне неблагоприятными условиями ведения горных работ и в подземном строительстве. Такие машины в перспективе могут быть применимы в составе роботизированных буровых комплексов, способных работать в автоматическом режиме. Разработанная методика содержит рекомендации для расчета основных параметров при проектировании пневмоударного устройства, полученные с применением имитационного моделирования.

2 Исходные данные

Исходными данными для проведения расчета основных параметров устройства являются:

Масса ударника туд, кг;

Наибольший расход воздуха Q, м3/с;

Расстояние от наковальни до передней кромки выхлопного отверстия

Я, м;

Предварительный диаметр камеры рабочего хода А, м.

3 Расчетная схема

га

со

1 — корпус; 2 — наковальня; 3 — выхлопное отверстие в корпусе; 4 — упругий клапан; 5 — ударник; 6 — осевой канал в ударнике; 7 — проточка в ударнике; 8 — выхлопное отверстие в патрубке; 9 — фторопластовое уплотнение; 10 — задняя гайка; 11 — выхлопной канал в патрубке; 12 — впускной патрубок; 13 — канал подвода энергоносителя в камеру холостого хода; 14 — подвижный патрубок; А — камера рабочего хода; Б — камера холостого хода; рм — магистральное давление; Б1 - диаметр камеры рабочего хода; Б2 - диаметр камеры обратного хода; Ху - ход ударника от наковальни до передней кромки выхлопного отверстия 8; Я - расстояние от наковальни до передней кромки выхлопного отверстия 8; Хтах - длина габаритного хода ударника; Ба - достаточное сечение выпускного отверстия; Бо - наружный диаметр кольцевого клапана, расположенного в канавке на наковальне; Бо - диаметр наружной контактной поверхности кольцевого клапана при крайнем переднем положении ударника; ё1 - диаметр магистрального канала в камеру рабочего хода; ё2 - диаметр магистрального

канала в камеру холостого хода Рисунок - Схема к расчету основных конструктивных параметров устройства: а) положение удара; б) положение ударника в момент выхлопа

4 Определение предударной скорости и рабочего хода ударника

Предударная скорость ударника Уу, м/с:

Уу = Уо + М, (1)

где у0 - начальная скорость ударника (в начале рабочего хода у0=0); а -ускорение ударника, м/с2; t - время рабочего цикла, с.

Поскольку величина рабочего хода может регулироваться, целесообразно использовать в расчетах конструктивный коэффициент к, который определяется как отношение рабочего хода ударника X к расстоянию Я от наковальни до передней кромки выхлопного отверстия 8 (рисунок 1).

к = Х/Я. (2)

По результатам имитационного моделирования пневмоударной машины конструктивный коэффициент к = 0,3-0,4. Наименьшее значение коэффициента соответствует минимальной энергии удара £тт, и наоборот, наибольшее значение коэффициента соответствует максимальной энергии удара Етах.

Из (2) определяют рабочий ход ударника X, м:

X = кЯ. (3)

Длина хода ударника до выхлопа X, м:

X = vоt + а^/2. (4)

Ход ударника от наковальни до передней кромки выхлопного отверстия 8 Xy, м:

Xy = X - 0,015. (5)

Ускорение ударника из второго закона Ньютона а, м/с2:

а=(Е - Етр)/туд, (6)

где Е - сила давления энергоносителя в камере рабочего хода, Н; Етр - сила трения фторопластовых уплотнений на ударнике о корпус, Н.

Е = А (7)

где р - давление энергоносителя в камере рабочего хода, р = 400000 - 600000 Па; 51 - предварительная площадь сечения камеры рабочего хода, м2:

51 = гсА2/4, (8)

где А - предварительный диаметр камеры рабочего хода.

Ртр = № (9)

где ^ - коэффициент трения фторопласта по стали, ^ = 0,08 [1]; N - сила нормального давления, Н.

N = шу^, (10)

где g - ускорение свободного падения, м/с2. Приравнивая (3) и (4) получают:

кЯ = а?/2. (11)

Подставляя выражения (10-6) в (11) определяют время рабочего цикла

г, с:

г =

рлВ!2

2кКтуд__^2)

4

Подставляя (12) в (1) определяют предударную скорость ударника:

с \

УУ = а

2кЯтуд

рлО*

——т ш

4 У

(13)

5 Определение энергетических характеристик и конструктивных параметров пневмоударной машины

Габаритный ход ударника Хтах определяют при наибольшем значении конструктивного коэффициента к = 0,4, при котором величина рабочего хода X наибольшая.

Габаритный ход ударника Хтах, мм:

Хтах = X + 35. (14)

Энергия удара Е, Дж:

Е = ШудУу2/2. (15)

Рабочий объем камеры рабочего хода ¥1, м3:

V = Е/ри, (16)

где ри - среднее избыточное давление в камере рабочего хода, ри = 0,4-0,6 МПа.

Коэффициент длины рабочего хода Кх:

Кх = X/D1. (17)

где Кх < 1 - для короткоходовой пневмоударной машины; Кх >1 - для длинноходовой пневмоударной машины.

Уточненный диаметр камеры рабочего хода D1, м

D = 3

4 E

(18)

п Кхрх

Уточненная площадь сечения камеры рабочего хода 51, м2 определяется по формуле (5).

Частота ударов /, Гц при максимальном расходе воздуха Q, м3/с:

/= Q/(qE), (19)

где q - удельный расход воздуха, q = (1,9 - 2)-10-4 м3/(Вт • с).

Площадь сечения 52, м2 и диаметр 02, м цилиндрической части камеры холостого хода:

52 = ^1, (20)

где у - соотношение площадей, у = 1,25.

D =

4^ 2

(21)

ж

Диаметр наружной контактной поверхности кольцевого клапана, находящегося в свободном состоянии Д11Ш, м:

D?

¿max + 1

где ¿max - наибольшая деформация растяжения материала кольцевого клапана; для резины средней твердости рекомендуется ¿max = 0,18 - 0,22 [2].

Наружный диаметр кольцевого клапана, расположенного в канавке на наковальне, при открытом состоянии камеры холостого хода D0, м:

Do = Dmm^mrn + 1), (23)

где ¿min - наименьшая предварительная деформация растяжения материала кольцевого клапана; для резины средней твердости рекомендуется ¿max = 0,02 - 0,04 [2].

Диаметр D0 наружной контактной поверхности кольцевого клапана при крайнем переднем положении ударника больше диаметра D0. Это происходит вследствие малой радиальной деформации растяжения материала кольцевого клапана в месте его контакта с корпусом.

D0 = 1,1D0. (24)

Наименьшая площадь сечения камеры холостого хода S2min, м2:

= nD0'2/4. (25)

Условие работоспособности пневмоударной машины при ее вертикальном положении «вниз» определяется возможностью подъема ударника для совершения холостого хода. Сила Fx, Н подъема ударника преодолевает сопротивление его веса G, Н, а также избыточного магистрального давления рм, Па сжатого воздуха, действующего на площадь S1, м2 сечения камеры рабочего хода.

Fx > G + рмЯ (26)

Fx pмS2min, (27)

G = mydg. (28)

Из формул (26 - 28) получим условие работоспособности

пневмоударного устройства при его вертикальном положении «вниз»:

— g

S2тш * — + S. (29)

P м

Диаметр D0, м контактной поверхности кольцевого клапана при крайнем переднем положении ударника определяется с учетом формулы (25).

D0 >

f .„„ .. Л

- уд g

+ Si

V P М у

2

(30)

Площадь 5а, м2 сечения выпускного отверстия из камеры холостого хода в атмосферу имеет кольцевую форму. Выпускное отверстие образуется

между внутренней поверхностью корпуса диаметром Атах, = 0,08 м и наружной поверхностью упругого кольцевого клапана диаметром А0.

^ = - А2). (31)

Для проверки площади выпускного сечения рассчитывают коэффициент Ка площади выпускного сечения по формуле (32) и сравнивают его с коэффициентом Ка, рассчитанным по формуле (33).

Ка = 5а/Б2. (32)

к ■ = 2Х

Р1

^ -1

¥»аТа Ч Ра ,

(33)

где X - рабочий ход ударника, м; у - соотношение площадей; Уа - скорость выхода воздуха в атмосферу, Уа = 135 м/с; р1 - давление в магистрали, р1 = 0,4-0,6 МПа; р1 - давление в атмосфере, р1 = 0,1 МПа; Та -продолжительность выхлопа, с;

о у2

Та ^^^-^ ' (34)

^ - 2 X /

ч ^ У

где Уу - предударная скорость, м/с; /- частота ударов, Гц.

Если Ка > Ка', то полный выхлоп воздуха произойдет еще до прихода ударника в крайнее заднее положение.

Если Ка будет меньше, чем Ка', то выхлоп воздуха до прихода ударника в крайнее заднее положение будет неполным, и он продолжится при движении ударника вперед. Важно, чтобы разница между этими коэффициентами не превышала - в два раза, тогда выхлоп закончится до момента возвращения ударника в положение «начало выхлопа», и потери энергии удара будут минимальными, поэтому:

Ка > 0,5Ка'. (35)

Уменьшить Ка можно путем увеличения продолжительности выхлопа Та. Для этого следует увеличить ход ударника X и уменьшить предударную скорость уу путем увеличения массы ударника туд.

Увеличить Ка можно за счет увеличения площади 5а сечения выпускного отверстия (смотри формулу 31). Для этого следует уменьшить наружный диаметр А0 кольцевого клапана, расположенного в канавке на ударнике, при открытом состоянии камеры холостого хода. Однако при этом необходимо учитывать условие работоспособности устройства при его вертикальном положении «вниз» (по формуле 29).

Площадь калиброванного отверстия 5д, м:

Хш Б,

д -^л , (36)

Б =

1 2 X

/ °У У

где Уд - средняя скорость движения воздуха через отверстие в ударнике по результатам моделирования, Уд = 60 м/с.

Диаметр калиброванного отверстия й, м:

' "V1Т • (37)

Диаметр магистрального канала в камеру рабочего хода й1, м:

й = (1,7-2,0)й. (38)

Диаметр магистрального канала в камеру холостого хода йг, м:

й2 = 0,8й1. (39)

Список литературы

1. Крагельский, И. В. Коэффициенты трения: Справочное пособие / И. В. Крагельский, И. Э. Виноградова - 2-е изд. доп. и перераб. - М: Машгиз, 1962. - 220 с.

2. Червов В.В. Теория и практика создания пневматических молотов с переменной структурой мощности для реализации бестраншейных технологий прокладки коммуникаций. Дис. докт. техн. наук (05.05.04) / Новосибирск, 2009. - 289 с.