книги из ГПНТБ / Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых

СП

о

и,мм/мин

Рис. 34. Зависимость механической скорости бурения от глубины скажнны для различных ударных групп

После того как было выявлено преимущество поршней с массой, равномерно распределенной по длине, бурили скважины глубиной 20 иг. В этих испытаниях поршни длиной 300 мм и небольшой мас­ сой, т. е. поршни № 8 и 9, обеспечивали более высокую скорость бурения. Причем поршень № 8 длиной 500 мм с волноводом боль­ шим, чем длпна самого поршня, обеспечил п более высокую произ­ водительность бурепия на всей длине скважины. Поршень № 9 обеспечивал более высокую скорость бурения в начале скважины, однако на большой глубине скорость бурения была ниже, чем при поршне № 8.

Для более точного определения влияния формы поршня на ско­ рость бурения результаты испытаний оценивались методами мате­ матической статистики.

Прп бурении с поршнями № 1 и 2, имеющими одинаковую массу (6,7 кг) и одинаковую длину (160 мм), были получены скорости бурения соответственно 108 и 112 мм/мии. Коэффициент вариации в обоих случаях составлял 19%. Пользуясь таблицей вероятностей Стыодента — Фишера и формулами оценки средних, было устано­ влено, что значения для поршней № 1 и 2 разнятся несущественно. Это обстоятельство указывает на то, что для коротких поршней рас­ пределение массы по длине не имеет большого значения. Напомним, что поршень № 1 имел массу, сосредоточенную в хвостовой части а поршень № 2 — в головной. Вполне вероятно, что массу короткогопоршня можно рассматривать как сосредоточенную и что незначи­ тельное ее перераспределение по длине влияет на скорость бурения несущественно.

Поршни № 6 и 7 имели длину 195 мм и массу соответственно 8,48 и 8,36 кг. Средняя скорость буренпя поршнем № 6 была 111 мм/мпн и поршнем № 7—87 мм/мин при коэффициентах вариа­ ции соответственно 13 и 19%. Расхождение средних значений после проведенных расчетов получилось существенным. Таким образом, поршни с разным распределением массы по длине (масса поршня № 6 была сосредоточена в хвостовой части, а поршня № 7 — в головной), обеспечивают разную производительность буровой машины. Это ука-

Т а б л и ц а 11

52

зывает на то, что более целесообразно массу сосредотачивать в хво­ стовой части поршня. Сравнивались также поршни № 2 п 9.

Результаты сравнения приведены в табл. 11. Поршень № 9

образной основной массой в головной части. Так, в начальный пе­ риод бурения скважин скорость бурения соответственно составляла 150 и 120—125 мм/мин, а на глубине 10 м — 95—100 и 70—80 мм/мин.

Средняя удельная производительность (табл. 12) по группам поршней типа б и в на 40—50% выше, чем поршней типа а, т. е. разница является существенной.

Из десяти поршней, принятых к исследованию, лучшие показа­ тели получены с поршнем № 8 и с поршнем № 9. Конструктивно поршни выполнены с равномерно распределенной массой по длине. Масса поршней 5,38—5,86 кг, длина 300 мм. Поршни развивают

53

энергию удара до 17,5 кгс-м и число ударов 2200—2500 в минуту. Поршни типа б имеют промежуточные характеристики. Они лучше, чем поршни типа а, но уступают поршням типа в.

Энергетические параметры и форма поршня ручных перфорато­ ров должны обеспечивать, с одной стороны, достаточно большую энергию удара при небольшой его массе, с другой — невысокие напряжения в штангах. Первое обстоятельство определяет энерго­ емкость разрушения горной породы, а второе — долговечность бурового инструмента.

Исследовались поршни отечественных и иностранных перфо­

ляла 8,4 м/с. При разрушении мрамора наименьшую энергоемкость имели экспериментальные поршни, однако разница в энергоемкости не столь уж велика. Средняя по двум экспериментальным порш­ ням энергоемкость разрушения составила 26,2 кгс-см3, т. е. ниже промышленных поршней на 15%.

При разрушении лабрадорита энергоемкость разрушения при экспериментальных поршнях ниже на 18%, чем при серийных, т. е. при бурении крепких пород форма поршня сказывается более суще­ ственно. Экспериментальный поршень ПРЛЭ обеспечивает меньшую энергоемкость разрушения (на 25%) по сравнению с поршнем перфо­ ратора ПР24Л. Поршень перфоратора ПР24ЛУ удлинен, и в нем отсутствует «паразитная масса» на утолщенной части, и в обоих случаях он имеет лучшие показатели, нежели поршень серийного перфоратора. Поршень ПРЛЭ является дальнейшим улучшением ударной системы перфоратора ПР24Л.

Тарировочный поршень имеет более высокую энергоемкость по сравнению с экспериментальными поршнями за счет излишней длины. Поршень длиной 300 мм за счет лучшего использования энергии импульса будет иметь более низкую энергоемкость. При­ чины существенного снижения энергоемкости при разрушении как слабых, так и крепких пород следует искать в форме поршня. Поршни сечением, близким к сечению штанги, имеют лучшие пока­ затели, и наоборот, поршни с большим сечением имеют и более высо­ кую энергоемкость разрушения горной породы, т. е. у таких поршней не вся масса участвует в ударе — они имеют «паразит­ ную массу», которая вызывает дополнительные затраты энергии на перемещение, и в то же время эта энергия отражается, не переходя в породу.

Второй показатель, по которому следует сравнивать поршни, — это напряжения, создаваемые в штангах при ударе. Поршень ПР24Л (серийный) создает напряжения, равные 2495 кгс/см2, в то

54

время как другие поршни вызывают напряжения до 2000 кгс/см2, а тарировочный поршень 1610 кгс/см2.

Третьим показателем является прочность самого поршня. За­

дпт геликоидальный винт, а за ней следует утолщенная часть с рез­ ким переходом к большому сечению. Ударная волна, проходя из тонкой части в утолщенную, отражается с тем же знаком, интерфе­ рирует с продолжением волны, вызывая повышение напряжений в ослабленной части поршня, что сопровождается его поломками, поэтому крайне нежелательно иметь шейки на поршне. В этом отно­ шении показателен поршень перфоратора RH-754 фирмы «Атлас Копко» с постоянно увеличивающимся сечением по длине. На конце он пмеет незначительное утолщение. Такой поршень имеет минималь­ ную «паразитную массу». Тарировочный поршень имеет «паразит­ ную массу» за счет длины; если поршень укоротить, то он будет приближаться к «идеальному».

Четвертым показателем поршня является контактная прочность ударяющего конца поршня. Замечено, что поршни, у которых сеченпе головной части больше, чем сечение хвостовика бура, имеют меньше поломок, поэтому стремятся придавать головной частп поршня большее сечение, чем сечение хвостовика. Однако это ведет к увеличению количества отраженной энергии и ухудшает первые два показателя поршня.

Вопрос о повышении контактной прочности поршня следует решать правильным выбором сталей, метода термообработки, кон­ фигурации ударяющей частп, а не увеличением сечения. Примером правильного решения может служить поршень перфоратора RH-754, контактная прочность которого достаточно высока.

При создании бурильных машин следует иметь в виду, что к пер­ фораторам с самостоятельным винтом (заднее вращение) трудно соз­ дать поршень рациональной формы для генерации эффективного ударного импульса. В этом отношении в более благоприятных усло­ виях находятся перфораторы с геликоидальным скосом на самом поршне (переднее вращение) и перфораторы с независимым вра­ щением бура.

Резюмируя сказанное, можно сделать вывод, что ручные перфо­ раторы, выпускаемые промышленностью, имеют далеко не лучшую форму поршней. Это отрицательно сказывается на производитель­ ности перфораторов, прочности бурового инструмента, прочности тела поршня и контактной прочности ударяющего конца поршня. Из испытанных поршней наилучшие показатели имеет терировочный поршень, который при малой энергоемкости разрушения горных пород создает самые низкие напряжения в штангах. Затем идут экспериментальные поршни. Лучшим из промышленных является поршень перфоратора RH-754 фирмы «Атлас Копко». Все другие

56

промышленные поршни имеют неудовлетворительную форму и тре­ буют изменения.

Воздухораспределительные устройства1

Под воздухораспределительным устройством принято понимать систему деталей (подвижных и неподвижных), которая в сочетании с системой воздухоподводящих каналов обеспечивает движение сжа­ того воздуха в нужном направлении и, как следствие, — возвратно­ поступательное движение поршня-ударника.

Воздухораспределительное устройство перфоратора должно обе­ спечивать высокое индикаторное давление в полостях рабочего цилиндра как при прямом, так и при обратном ходе поршня-удар- нпка, в то время как в машинах ударного действия со свободным поршием-ударником основное внимание уделяется рабочему ходу. В этом принципиальное отличие схемы воздухораспределения перфо­ раторов от схем воздухораспределения ударных машин со свободным поршнем-ударинком.

Правильно выбранная система воздухораспределения определяет надежность и экономичность работы перфоратора. Она должна обе­ спечивать запуск при любом положении перфоратора, оптимальные параметры с минимальной вибрацией и отдачей, иметь простую и технологичную конструкцию.

Воздухораспределительные устройства современных перфорато­ ров можно разделить на две большие группы: клапанные и золотни­ ковые. К клапанным относятся такие механизмы, у которых испол­ нительный орган (клапан) открывает подающие сжатый воздух каналы, располояшнные по движению клапана. Золотник открывает каналы, расположенные перпендикулярно своему движению. По форме клапаны различают пластинчатые, кольцевые, фланцевые, мотыльковые, дисковые, откидные, грибовидные и другие. Золот­ ники можно разделить на две большие группы: свободные и связан­ ные с поршнем. Свободные золотники перекидываются за счет сжа­ того воздуха, поступающего по специальным каналам, а жесткий золотник механически связан с поршнем или даже располагается

на самом поршне.

Ручные высокочастотные перфораторы имеют, как правило, плоский, кольцевой или фланцевый клапаны, т. е. клапаны легкие, на перекидку которых затрачивается мало энергии и времени (0,001 — 0,015 с). Перфоратор среднего веса с нормальной частотой имеет обычно дисковые откидные клапаны. Воздухораспределение со свободным золотником преимущественно применяется в мощных перфораторах с небольшим числом ударов в минуту. Золотник на штоке поршня применяется у высокочастотных перфораторов.

1 Написано пнж. В. М. Васильевым.

57

По признаку автоматического управления регулирующим орга­ ном воздухораспределительные устройства можно подразделить на четыре класса:

I.Схемы воздухораспределеиня, у которых управление клапа

12машиностроительного завода и в перфора­ торах фирмы «Демаг» (ФРГ). Принци­ пиальная схема такого воздухораспределения (рис. 36) состоит из клапана 1, клапанной коробки 2, седла 3, направля­ ющей втулки 4, цилиндра 5 и поршняударника 6.

Направляющая втулка 4 имеет два яруса отверстий, сообщающих камеры клапана с воздухоприемной полостью 7. Отверстия яруса 8 питают сжатым воз­ духом камеру обратного хода 10, а через отверстия яруса 9 сжатый воздух по­ ступает в камеру рабочего хода 11.

Изменение направления движения

Камера рабочего хода 11 в этот период соединена с атмосферой, а клапан прижат к седлу. При дальнейшем движении поршеньударник перекрывает выхлопное окно 13 и в камере рабочего хода начинается сжатие.

Сжатый воздух давит на клапан через отверстие 14, стремясь ■его перекинуть. По мере движения поршня-ударника влево давление в камере рабочего хода увеличивается, а в камере обратного хода уменьшается и после открытия выхлопного окна клапан перекиды­ вается на впуск сжатого воздуха в камеру рабочего хода. Поршень-

58

ударник меняет направление движения на противоположное, осуще­ ствляя рабочий ход. Клапан в данный период прижат к клапанной коробке, так как камера обратного хода соединена с атмосферой. При дальнейшем движении поршня-ударника вниз выхлопное окно закрывается, воздух, который находится в камере обратного хода, сжимается и, проходя по каналам 15, давит на левую часть клапана. В конце рабочего хода поршень-ударник ударяет по хвосто­ вику бура, предварительно открыв выхлопное окно, через которое сжатый воздух из камеры рабочего хода выходит в атмосферу; давле­ ние справа на клапан падает, и он перекидывается на впуск воздуха в камеру обратного хода,

Рассмотренная схема воздухораспределения может быть реко­ мендована для перфораторов с повышенным числом ударов при коротком ходе поршня-ударника. Достоинством схемы является простота конструкции воздухораспределительного механизма. К не­ достатку следует отнести повышенный расход сжатого воздуха из-за наличия прямого продувания в момент, предшествующий перекидке клапана.

II. Схемы воздухораспределения, у которых управление клепа ном осуществляется давлением сжатого воздуха рабочих камер и давлением сжатого воздуха на дополнительную площадку клапана (в период рабочего хода), полость которой постоянно сообщается с воздухоприемной камерой через радиальный дросселирующий зазор.

Основным преимуществом механизма воздухораспределительного устройства этого класса является надежность и стабильность работы, простота и технологичность конструкции.

К недостатку данной схемы следует отнести низкий к. п. д. из-за больших потерь сжатого воздуха вследствие дросселиро­ вания. Так же как и в первом классе, здесь имеет место прямое продувание в период перекидки клапана. Этот класс схем воз­ духораспределения может быть подразделен по конструктивному признаку на следующие подклассы:

1. Воздухораспределительные устройства с фланцевым кла­ паном:

а) фланцевый клапан сопрягается с корпусом клапанной коробки по внутреннему диаметру. По данной схеме выполнены перфораторы ПР20Ли ПР25Л завода «Пневматика», ПРЗОК и ПТ45 Кыштымского механического завода;

б) фланцевый клапан имеет посадку в корпусе клапанной ко­ робки по наружному диаметру. Подобное конструктивное выполне­ ние воздухораспределительного устройства применяется в перфора­ торах фирмы «Вёлер» (Австрия).

2.Воздухораспределительные устройства с кольцевым клапаном

ввиде шайбы. Они применяются в перфораторах ПР19, ПР22, ПТ36 и ПТ29 завода «Коммунист» и в перфораторах фирмы «Медон»

(Франция).

59