книги из ГПНТБ / Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых

в точке соударения, которые, в свою очередь, влияют на эту реакцию вследствие зависимости последней от формы падающего импульса,

согласно (220) и (221).

Н иж е приводится пример расчета схематической системы удар ­ ник — инструмент — порода по описанной выше методике.

Пример 4. (рпс. 202). Для расчета системы ударник — инструмент — порода примем условия ударного взаимодействия бойка с инструментом теми же,

Рис. 202. К расчету системы ударник — инструмент — порода (пример 4)

здесь для гладкой штанги F ( 1 ) i = F n при шаге счета Дг, соответственно равном

шагу разбиенпя ударной системе на участки А х = a A t . В общем случае F ( 1 ) —

кусочная волна, идущая в сторону породы на последнем участке инструмента,

363

Так как F„ = 0, то и /+ = 0.

Усилие на контакте определяется как сумма падающего и отраженного импульсов:

для гранита при внедрении в забои скважины

Проверяем условие Z < ;= > Z * , где Z* = £Z„H— 0,33-20 = 6,6 (для гра­ нита с, = о,зз).

Znop (Ml) < Z*,

следовательно, продолжаем считать Znop (и) по формуле (220). Глубина внедрения для i — 2

us = 1,48 •Ю "» + 2 ‘2303^00 1(j'l4°~6 = 1’48 •10"J + 3’37 ’ 10-4 = 4 '85 •10-4 сы-

где Fо = 3370 кгс.

Отраженный от породы импульс

0,014 —20 1480 = —1478 кгс.

0,014 + 20

Усилие на контакте в момент i - 2

F2 = 1480— 1478 = 2 кгс.

Дальнейший расчет проводится в такой же последовательности. После достижения сопротивлением Znop (и;) величины Z* расчет продолжаем по фор­ муле (221), которая в случае численного счета имеет вид

,xi5Ku/+i

Здесь следует иметь в виду, что для определения SK используется величина

364

Расчет каждой конкретной машины и установление ее оптималь­ ных параметров представляет собой самостоятельную прикладную задачу, которая должна решаться непосредственно при разработке заданной машины. Однако основные положения по построению оптимальных систем и выбору их параметров могут быть получены при анализе основных аналитических зависимостей, при исследо­

масштабного изменения свойств породы).

Рассмотрим геометрически подобные системы А и Б, линейные размеры которых различаются в К раз (рис. 203):

глубина внедрения иБ = K ua,

объем внедрения (разрушения) VE = K 3Va -

Размеры ударника (геометрия и масса) и его динамические ха­ рактеристики (скорость и энергия удара) для системы А соответ­ ственно равны (геометрия ударника для простоты принята

365

линейной): 1улА — длина, dyixA — диаметр, тА — л Дуд а гудР _ M acc£li

mAv\

vA — скорость удара, Wa ~ — -----энергия удара.

Аналогичные параметры для подобной системы Б необходимо установить.

За основу подобия нагруженного состояния элементов системы, как указывалось выше, принято положение о сохранении равенства напряжений в сопоставляемых сечениях этих элементов.

Напряжения в штанге А при ударе бойком заданной массы

Диаметр бойка Б должен быть выбран в соответствии с условием геометрического подобия равным dyAB = Kdудд. Тогда напряже­ ния в штанге Б будут определяться выражением

Приравнивая полученные значения напряжений согласно при­ нятому положению о подобии нагруженного состояния

находим, что в случае одинакового материала инструмента и удар­ ника для сохранения подобия нагружения должно быть выдержано условие

что при кубичном изменении объема разрушения определяет по­ стоянство объемной энергоемкости в сравниваемых подобных систе­ мах.

366

Таким образом, силовое и энергетическое подобие систем удар­ ник — инструмент — порода (с точностью до масштабного изменения свойств породы) соблюдается при обеспечении геометрического подобия входящих в иих элементов и равенстве скоростей прило­ жения нагрузки. Или, переходя на волновые представления о пере­ даче энергии удара в виде ударных импульсов, условием подобия в геометрически подобных системах будет сохранение амплитуды

ударного импульса и его формы при изменении временных коорди­ нат пропорционально изменению линейных размеров системы.

Полученные условия построения систем с силовым и энергети­ ческим подобием позволяют сравнивать между собой буровые ма­ шины (в условиях подобия), определять параметры разномасштаб­ ных машин по заданной модели и т. д.

Пример 1. Сравнить основные параметры и выходные характеристики ударных систем перфоратора ПР22 и пневмоударника М48. Примем за единые показатели параметры и характеристики перфоратора ПР22.

1. Коэффициент приведения по геометрическим размерам при диаметре скважин для ПР22 = 40 мм, для М48 d2 = 105 мм.

К= — = ^ - = 2 , 6 .

2.При известном коэффициенте приведения сравниваем: а) массу поршней, кг:

поршня ПР22: действительная бД1 = 2,351

приведенная Спр1 = 1,0; поршня М48:

действительная СД2 = 2,8; приведенная

в) скорость удара поршней, м/с: поршня ПР22:

действительная иуд1 = 6,7; приведенная i>nPi’= 1;

поршня М48: действительная гуД2 = 8,4;

приведенная

Ууд 2 __'8 ,4

V,,p-= vyalK°~~~6Т

367

с соблюдением правил подобия на бурение скважин (шпуров) диаметром 40 мм, то он имел бы следующие параметры и выходные характеристики: энергия удара

сравнению с перфоратором ПР22 это была бы весьма маломощная машина. Пример 2. Определить параметры и выходные характеристики буровой

машпны для бурения скважины диаметром 200 мм, сохранив силовое и энергети­ ческое подобие с буровой машиной БУ-70, с помощью которой при бурении по граниту скважин диаметром 67 мм достигается средняя механическая скорость

ИЛ, = K4V-! = 33 -14 = 126 кгс ■м.

Ударная мощность при N 1 = 6,5 л. с.

N i = K3N 1 = 33 • 6,5 = 58,5 л. с.

Скорость бурения такой машиной по граниту при иыех , = 250 мм/мин составит

имех о = Комех i = 3- 250 = 750 мм/мин.

Пользуясь изложенными выше положениями о подобии ударных систем, можно сравнить существующие типы машин ударного дей­ ствия по приведенным силовым, энергетическим и геометрическим параметрам.

368

В табл. 87 представлены характеристики некоторых машин (се­ рийных и опытных), приведенные по условиям подобия к показа­ телям перфоратора ПР22, которые приняты за единичные.

Т а б л и ц а 87

* Опытные машины.

Из анализа данных, приведенных в табл. 87, видно резкое раз­ личие приведенных (можно их назвать удельными) параметров машин с погружными и вынесенными из скважины пневмоударни­ ками. Эти различия значительны по силовым и энергетическим пока­ зателям. У пневмоударников приведенная энергия единичного удара, а также ударная мощность в 10—20 раз ниже, чем у перфораторов.

Наглядным является сравнение геометрических размеров удар­ ных узлов, приведенных к единичным показателям, некоторых наи­ более характерных машин, перечисленных в табл. 88 (рис. 204). Массы и геометрия бойков пневмоударников с самыми различными ударными параметрами (от 5 до 45 кгс*м) оказываются несоизмери­ мыми после приведения их к сравнимым показателям с аналогичными параметрами перфораторных поршней.

Эти сравнения указывают на неиспользованные резервы повы­ шения производительности бурения, так как (согласно изложенным выше положениям) при сохранении геометрического и механиче­ ского (силового) подобия объемная скорость проходки скважины пропорциональна третьей степени коэффициента изменения системы, а линейная скорость прямо пропорциональна этой величине.

Следовательно, сохраняя условия геометрического подобия и по­ добия силового нагружения, можно, увеличив линейные размеры системы в К раз, получить такое же увеличение скорости бурения.

Максимальная амплитуда ударных нагрузок, определяющая стой­

ПР22

Р и с . 204. Ударные системы буровых машин, приведенные по усло­

бойком равного со штангой сечения при ударе со скоростью 15 м/с. Энергия удара при указанной выше амплитуде может увеличиваться за счет длины (массы) ударника практически неограниченно.

На рис. 205 приведены результаты теоретического исследования ударной системы для скважины диаметром 50 мм при бурении по граниту. Расчетные точки получены для длин ударников, указанных

370

на рисунке. Расчеты проводились по приведенной выше методике для системы ударник — инструмент — порода.

Анализ показывает, что для заданной амплитуды ударного импуль­ са и неограниченной его продолжительности, т. е. при неограничен­ ном увеличении энергии удара, существует предельный объем раз­ рушения, который можно получить в скважине заданного диаметра. Практически линейный рост объема разрушения сохраняется до

У/Umax,и/

энергии удара 25—30кгс-м, когда объем разрушения достигает 50—60% i>max. Дальнейшее увеличение энергии удара приводит к снижению темпа роста объема разрушения. Так, при увеличении энергии удара с 35 до 65кгс-м прирост объема составляет всего 20%. Для получения объема разрушения, равного 0,9 нтах, нужно затратить около 80кгс-м. Таким образом, для заданного диаметра скважины всегда существует предельная энергия удара, которая может эффективно производить полезную работу, т. е. разрушать породу.

Минимальная энергоемкость лежит в пределах от 5 до 10 кгс-м. Увеличивая объемную энергоемкость до 1,5 раз, можно довести энергию удара до 40—50 кгс/м, что также соответствует допустимым по стойкости нагрузкам на контакте инструмента с породой.

Максимально повысить скорость бурения за счет увеличения энергии удара (без увеличения частоты) по сравнению с достигаемой

при энергии удара 8—10 кгс-м в рассматриваемом случае можноне более чем в 3,5—4 раза (при условии сохранения стойкости ин­ струмента).

Перенося эти результаты на системы, построенные по правилам подобия, например для бурения скважин диаметром 105 и 155 мм,, практически можно довести линейные скорости бурения до 2—4 м/мин, т. е. скорости на порядок более высокие, чем получают в настоящее время при любом другом способе бурения. Для получения таких скоростей при заданной стойкости инструмента необходимо довести энергию удара при бурении скважин диаметром 105 и 155 мм соответ­ ственно до 160—450 и 600—1400 кгс-м при 2000 уд/мин. Это будет соответствовать мощности ударного привода соответственно 50— 130 и 180—440 кВт (для сравнения расход мощности только тепло­ носителем при огневом бурении станками СБО составляет 1300— 1500 кВт, а установленная мощность на шарошечных станках 150— 460 кВт).

Несколько слов о нагрузках, возникающих при этом на инстру­ менте. На представленном графике (см. рис. 205) нанесены величины максимальных контактных усилий, возникающих при различных энергиях удара. Из этого графика видно, что повышение энергии удара до 15 кгс-м (при бурении скважин диаметром 50 мм) практи­ чески не увеличивает нагрузок на инструменте по сравнению с уда­ ром в 8 кгс-м. Это позволяет использовать обычное, не усиленноевооружение инструмента.

При энергиях удара в диапазоне 20—40 кгс-м нагрузки воз­ растают вдвое и поэтому должно предусматриваться усиление воору­ жения примерно во столько же раз, что вполне осуществимо в габа­ ритах заданного диаметра. Дальнейшее увеличение энергии удара приводит к следующему значительному скачку контактных усилий, которое в заданных размерах инструмента компенсировать очень трудно. Однако, как было показано выше, эта область является также нецелесообразной с точки зрения затрат энергии.

Возможность расчета максимальных параметров позволяет срав­ нивать создаваемые машины с предельными эталонами, т. е. иметь границы, к достижению которых необходимо стремиться. Такие предельные границы по энергии удара, рассчитанные для различных диаметров шпуров и скважин при бурении по граниту / = 12—14, приведены в табл. 88, причем нижние пределы относятся к ударникам

диаметра практически достигли по энергии удара своего максимума, ограниченного допустимой энергоемкостью бурения и стойкостью инструмента.

Машины для бурения глубоких скважин диаметром 50—65 мм имеют еще двух-трехразовый запас по повышению ударной мощно­ сти за счет энергии удара. Наибольшие же перспективы в этом отно­ шении имеют машины, предназначенные для бурения скважин

372