- •В.А. Романов, и.П. Кавыршин эксплуатация карьерного оборудования
- •1. Расчет рабочих параметров процесса бурения
- •1.1. Теоретические основы процесса бурения
- •1.1.1. Теория рабочего процесса буровых машин ударного и ударно-вращательного действия
- •1.1.2. Теория рабочего процесса машин вращательного
- •1.1.3. Теория рабочего процесса машин вращательного бурения резцовыми долотами
- •1.1.4. Физические основы термического (огневого) бурения
- •1.1.5. Определение производительности буровых станков
- •1.2. Задачи для выполнения практических работ
- •1.2.1. Определение теоретической скорости бурения и энергии единичного удара погружного пневмоударника
- •1.2.2. Определение частоты ударов и мощности погружного певмоударника
- •1.2.3. Определение режимных параметров бурения породы
- •1.2.4. Определение режимных параметров бурения породы режущим долотом
- •1.2.5. Определение производительности буровых станков
- •2. По формулам (1.25) и (1.26) рассчитывается месячная и годовая производительность:
- •1.3. Примеры решения задач
- •2. Определение основных параметров
- •2.1. Методика расчета и расчетные зависимости
- •2.1.1. Тяговый, статический расчеты и расчет устойчивости бульдозера
- •2.1.2. Тяговый и статический расчеты рыхлителя
- •2.1.3. Тяговый расчет и расчет устойчивости скрепера
- •2.1.4. Тяговый, статический расчеты и расчет устойчивости одноковшового фронтального погрузчика
- •2.1.5. Расчет производительности выемочно-транспортирующих машин
- •2.2. Задачи для выполнения практических работ
- •2.2.1. Определение рабочих параметров бульдозера
- •2.2.2. Определение рабочих параметров навесного рыхлительного оборудования
- •2.2.3. Определение основных эксплуатационных параметров самоходного двухмоторного скрепера
- •2.2.4. Определение эксплуатационных параметров
- •2.3. Примеры решения задач
- •3. Теоретические основы расчета нагрузок
- •3.1. Методика расчета и расчетные зависимости
- •3.1.1. Определение линейных размеров и масс основных
- •3.1.2. Условия работы приводов главных механизмов экскаваторов
- •3.1.3. Определение нагрузок на рабочее оборудование прямых
- •3.1.4. Определение средневзвешенной мощности приводов
- •3.1.5. Определение нагрузок на рабочее оборудование
- •3.1.6. Определение средневзвешенной мощности приводов
- •3.1.7. Тяговый расчет гусеничного ходового оборудования
- •3.1.8. Тяговый расчет шагающего ходового оборудования
- •3.2. Задачи для выполнения практических работ
- •3.2.1. Определение эксплуатационных параметров рабочего оборудования прямой механической лопаты
- •3.2.2. Определение эксплуатационных параметров рабочего
- •3.2.3. Тяговый расчет двухгусеничного хода одноковшового
- •3.2.4. Определение мощности привода шагающего
- •3.3. Примеры решения задач
- •4. Определение числа технических
- •4.1. Методы определения числа технических
- •4.2. Постановка задачи и исходные данные
- •4.3. Порядок решения задачи
- •4.4. Примеры решения задачи
- •5. Расчет ремонтной базы для технического
- •5.1. Общие сведения о ремонтных базах
- •5.2. Постановка задачи и исходные данные
- •5.3. Порядок расчета ремонтной базы ценностным
- •5.4. Пример расчета
- •6. Проверка фундамента под установку
- •6.1. Основные положения
- •6.2. Постановка задачи и исходные данные
- •6.3. Порядок выполнения работы
- •6.4. Пример расчета фундамента
1. Расчет рабочих параметров процесса бурения
и производительности бурильных машин.
1.1. Теоретические основы процесса бурения
1.1.1. Теория рабочего процесса буровых машин ударного и ударно-вращательного действия
Ударное разрушение прочных горных пород, происходящее в результате внедрения лезвия инструмента, в большинстве случаев носит хрупкий характер, поскольку преимущественно применяется на породах такого типа.
Под действием силы удара Ру (Н) лезвие заостренного под углом α бурового инструмента (рис. 1.1, а) диаметром d (м) внедряется в породу на глубину h (м). В массиве создается сложное напряженное состояние: под действием сжимающих напряжений под разрушающей гранью инструмента образуется уплотненное ядро из раздробленной породы, а под действием сдвигающих напряжений, появляющихся от сил N, происходит скол частиц породы под углом θ ≥ α в сторону открытой плоскости.
Внедрение инструмента прекращается, как только силы сопротивления становятся равными действующей силе:
Ру = 2 (FT cos α/2+N sin α/2) Кз, (1.1)
где FT – сила трения лезвия долота о породу, Н;
N – нормальная сила воздействия боковой поверхности лезвия
долота на породу, Н;
КЗ = 1,2…1,3 - коэффициент, учитывающий затупление лезвия
долота.
Как видно из рис. 1.1, а,
FТ=µ1N; N=106σм.б.d h/cos α/2,
где µ1 – коэффициент трения бурового инструмента о породу;
σм.б. = 0,5(σсж + σск) – предел прочности породы при механическом
способе бурения (табл. 1.1.), МПа.
После подстановки в формулу (1.1) значений FT и N получим
Ру = 2∙106 d h σм.б (tg а/2+µ1 ) Кз. (1.2)
Из формулы (1.2) можно определить глубину погружения лезвия долота.
Таблица 1.1
Значения предела прочности породы при разрушении механическим способом бурения
Горная порода |
Плотность, т/м3 |
Коэффициент крепоти f |
Предел прочности на сжатие σсж, МПа |
Предел прочности на скалывание σск, МПа |
Механический (приведенный) предел прочности при разрушении σм.б, МПа |
Мел, каменная соль, гипс, обыкновенный мергель, каменный уголь |
2,28 –2,65 |
2 – 6 |
34 – 80 |
2,4 – 23 |
18,2 –51,5 |
Песчаник, конгломераты, плотный мергель, известняки |
2,65 –2,72 |
2 – 6 |
80 – 100 |
23 – 25 |
51,5 –62,5 |
Железные руды, песчанистые сланцы, сланцевые крепкие песчаники |
2,72 –2,84 |
6 – 10 |
100 –140 |
25 – 32 |
62,5 – 86 |
Гранит, мрамор, доломит, колчедан, порфиры |
2,84 –2,89 |
10 – 12 |
140 –180 |
32 – 44 |
86 – 112 |
Плотный гранит, роговики |
2,89 –2,95 |
12 – 14 |
180 –243 |
44 – 50 |
112–146,5 |
Крепкий гранит, кварциты, очень крепкие песчаники и известняки |
2,95 – 3 |
14 – 16 |
243 –272 |
50 – 52 |
146,5–162 |
Базальты, диабазы |
3 – 3,21 |
16 – 20 |
272 –343 |
52 – 53 |
162 – 198 |
h = Ру /2∙106 d h σм.б. (tg а/2+µ1 ) Кз. (1.3)
При ударе по забою (рис. 1.1, б) двухперьевое долото скалывает один сектор (aba′b′), при этом за один удар по периметру скважины скалываются два участка (ab) и (a′b′) суммарной длиной
Lo = 2∙2 h tg θ/2,
где θ ≈1200.
После каждого удара долото должно поворачиваться на некоторый угол, величина которого должна быть такой, чтобы скалывались целики между следами соседних ударов. Следующий удар долото наносит по сектору (bca′e′) и т. д.
Угол поворота долота после удара определяет частоту ударов за один его оборот, при котором будет отделен слой породы со всей поверхности скважины равный суммарной глубине nh погружения лезвия долота, так как каждое перо долота за полный его оборот скалывает слой породы h со всей площади скважины.
Таким образом, потребную частоту ударов долота по забою за один его оборот можно определить из соотношения
Z0=π d/L0= π d/2 n h tg θ/2, (1.4)
где п – число перьев на долоте (п = 2 – для двухперьевого и п = 4 – для
крестового).
Частота ударов за один оборот Z0 у современных станков, использующих пневмоударники, составляет 8 – 15. Чем крепче порода, тем большее число ударов должно приходиться на один оборот долота. При частоте ударов пневмоударника в секунду Z необходимая частота вращения бурового инструмента n1 (c-I) определяется из выражения
п1=Z/Z0 . (1.5)
Теоретическая скорость бурения υ (м/ч) с учетом выражений (1.4) и (1.5) определяется из выражения
. (1.6)
Из формулы (1.6) следует, что эффективность бурения возрастает с увеличением силы Ру и частоты ударов в секунду Z и с уменьшением угла заострения бура α, а уменьшается с увеличением диаметра инструмента d. Несмотря на то, что зависимость (1.6) не учитывает динамику процесса разрушения, однако она качественно правильно характеризует закономерности ударного разрушения.
Под действием возрастающей от нуля силы Ру энергия единичного удара А (Дж) составит
А = 0,5 Ру h,
а теоретическая скорость бурения будет
v = [60∙1,2∙10-4 А Z п tg θ/2] / [π d2 σм.б (tg а/2+ µ1) K3]. (1.7)
Таким образом, эффективность разрушения породы при ударном бурении определяется следующими основными параметрами процесса: энергией единичного удара, частотой ударов и углом поворота инструмента после каждого удара.
При ударно-вращательном бурении погружными пневмоударниками (ППУ) с увеличением осевого усилия улучшаются условия передачи удара породе и увеличиваются скорость бурения, сила трения лезвий о забой и необходимый крутящий момент.
При давлении подводимого сжатого воздуха р (Па) среднее индикаторное давление воздуха в цилиндре погружного пневмоударника при рабочем рр (Па) и обратном р0 (Па) ходах поршня определяют по формулам
рр = Ср р и ро = Со р,
где Ср и Со – коэффициенты, учитывающие снижение среднего
давления в цилиндре и соответственно равные для
бесклапанного распределительного устройства 0,62 и 0,4.
Осевое усилие Рос (Н), действующее на поршень диаметром D (м), при рабочем и обратном ходах определяется соответственно из выражений
Рос.р = 0,25 π Ki pp D2;
Рос.o= 0,25 π Ki po D2,
где Ki = 0,7…0,8 – коэффициент, учитывающий уменьшение полезной
площади поршня с рабочей и обратной сторон.
Минимальные удельные осевые усилия, отнесенные к диаметру долота, принимаются равными (2 – 3) 104 Н/м.
Ускорения jр и jо (м/с2) движения поршня массой mп (кг) соответственно при рабочем и обратном ходах:
jp = Р ос.р/mп; jo = Рос.о/mп.
Рис. 1.1. Схема работы инструмента ударного действия
Частота ударов поршня ударника Z (c-l) зависит от длительности цикла работы ударного механизма (tц = tp + t0) и определяется при известных конструктивной длине хода поршня Lп (м), продолжительности рабочего tp (с) и обратного to(c) ходов поршня по формуле
, (1.8)
где Сп = 0,85…0,9 – коэффициент уменьшения хода поршня.
Энергия единичного удара А (Дж) поршня массой mп при сопротивлении трения поршня о стенки цилиндра с коэффициентом трения µз определяется по формуле
А = Lп Сп (Рос.р – g mп µз).
Теоретическая мощность Nп (Вт) пневмоударника на поршне:
Nп = А Z.
Мощность пневмоударника прямо пропорциональна мощности единичного удара и частоте ударов и может быть повышена за счет увеличения давления воздуха и площади поршня. Однако при существующем качестве металла и твердых сплавов, используемых для изготовления инструмента, увеличивать давление воздуха свыше 2,4 МПа считается нецелесообразным. Увеличение же частоты ударов свыше 20 с-1 обычно достигается уменьшением длины хода поршня, увеличением его площади и рабочего давления.