Міністерство освіти і науки України
НТУУ “КПІ”
Практична робота №4
Колонкові свердла
Київ
 |
1. Тема: Колонкові свердла.
2. Мета: Вивчити конструкцію, принцип дії та методику розрахунку основних параметрів колонкових свердел.
3. Задачі:
3.1. Вивчення будови та принципу дії колонкового електромеханічного свердла ЕБГП-1.
3.2. Вивчення будови та принципу дії окремих елементів: траверси, кінематичної та гідравлічних схем.
3.3. Проведення розрахунків основних параметрів: сили подачі Р, крутячого моменту Мкр., потужності приводу N. Визначення частоти обертання шпинделя n.
3.4. Аналіз режиму роботи ЕБГП-1.
3.5. Вивчення будови колонки та проведення ескізування основних кріплень.
4. Матеріали та обладнання:
Методичні вказівки до виконання лабораторної роботи, натурний зразок ЕБГП-1, натурний зразок фіксації електро-свердла.
5. Теоретичні відомості.
5.1. Призначення й область застосування
колонкових свердел.
Для буравлення шпурів по гірських породах із коефіцієнтами міцності до f = 12 по Протодьяконову, застосовують свердла з великим осьовим зусиллям - до 1500 кг·с і великим осьовим моментом, що мають електродвигуни потужністю до 5 кВт. Свердла цього типу встановлюють на колонках або на маніпуляторах.
Найбільше широке застосування одержали колонкові свердла з гідравлічною подачею.
5.2. Класифікація і вимоги.
По способу подачі інструмента на вибій колонкові свердла розподіляються на свердла з ручною подачею і механічною подачею.
За родом споживаємої енергії - на електричні, пневматичні і гідравлічні свердла.
По типу керування - на свердла з безпосереднім керуванням і дистанційним.
Раніше застосовуємі свердла з диференційно-гвинтовою подачею, тепер витиснуті свердлами з гідравлічною подачею, тому зупинимося на розгляді останніх.
Під час експлуатації до колонкових свердел пред'являються такі вимоги:
1) Для приєднування свердла до магнітного пускача, на штреку при дистанційному керуванні застосовується шестижильный гнучкий кабель ГРШЭ 3х4 + 3х2,5 мм2.
2) Щомісяця роблять огляд і змащення свердел.
 |
3) Заправляють гідроциліндр олією: “індустріальна 12” або “індустріальна 20”. Заправку роблять при висунутих штоках.
4) Траверсу заповнюють олією.
5) Бурова штанга повинна бути надійно закріплена в упорі.
6) Для порід із міцністю f ≤ 8 швидкість обертання бурової штанги рекомендується приймати n = 315 об/хв, при f >8 - n = 170 об/хв.
7) Переключення швидкості обертання штанги відбувається тільки при виключеному електродвигуні.
8) Забурення повинне відбуватися при малих величинах зусилля і швидкості обертання.
9) У процесі експлуатації корпус електродвигуна і гідросистема не повинні нагріватися понад 70°C.
10) По закінченні буріння, штанги повинні бути всунуті в циліндри, рукав для подачі води - відєднаний, вода що залишилася в шпинделі - злита і свердло прибране в безпечне місце.
11) Планово-попереджувальний огляд і ремонт свердла рекомендується відбувати щотижня, поточний ремонт - один раз на 3 - 4 місяця.
При дотриманні цих вимог, продуктивність колонкових свердел складає 20 ¸ 50 м/зміна, при буравленні порід із коефіцієнтом міцності f = 4 ¸ 6 і 10 ¸ 20 м/зміна - при f = 6 ¸ 10.
5.3. Конструкція колонкового свердла ЕБГП-1.
Електрогідравлічний бур ЕБГП-1 (Рис.1) являє собою колонкове свердло обертальної дії, яке складається з електродвигуна 1, двошвидкісного редуктора 2, гідропривода 5, траверси 3 зі шпинделем 4, промивним пристроєм, і двох гідроциліндрів подачі 9. Електродвигун через редуктор передає обертання шпинделю та приводить в дію шестерневий насос, який під тиском нагнітає масло під поршні гідроциліндрів. Поршні та з”єднані з ними штоки висувають патрон зі шинделем вперед, забезпечуючи цим необхідне зусилля подачі штанги з коронкою, яку закріплено в патроні. Максимальний тиск масла в гідроститемі до 6,5 МПа. Максимальна глибина шпура який буриться без заміни штанги складає 2,2 м.
У деяких колонкових свердел швидкість буріння автоматично змінююється в залежності від міцності порід. При цьому задане зусилля подачі лишається незмінним.
Питома иаса колонкових свердел на 1 кВт встановленої потужності коливається від 23 до 53 кг.
Констукції ручних та колонкових свердел повинні відповідати наступним спеціальним вимогам:
оболонки або частини оболнок електросвердел та відбійних молотків, якщо їх виготовлено з аллюмієвих сплавів, повинні мати міцне покриття з матеріалів безпечни у відношенні фрикційного іскріння.
бурильні машини та колонкові свердла повинні мати механічне загородження шпинделів;
Свердло ЕБГП-1 складається з таких основних частин (Рис.1):1- електродвигун; 2-редуктор; 3-траверса; 4-шпиндель; 5-гідропривод; 6-цапфа; 7-шланг; 8-штоки; 9-гдроцилінлр; 
Рис.1 Колонкове свердло ЕБГП-1
5.4. Констукція траверси.
На Рис.5.2 даний розріз траверси. У корпусі 1 траверси розташований патрон 2, у який уставляється бурова штанга таким чином, що передній кінець її з різцем виходить із траверси на довжину біля 0,9 метра. Патрон з'єднаний із стаканом 3, а останній - із шпинделем 4.
Для фіксації патрона щодо стакана на зовнішній поверхні є кільцевий буртик. Зубчастими напівмуфтами 5 і 6 патрон із буром може бути жорстко сполучений із шпинделем. При розчіплюванні напівмуфт він вільно обертається відносно шпинделя. Стакан 3 із лівої сторони закінчується шестернею, що входить у зачеплення з зубами, розташованими на внутрішній поверхні торцевої зубчастої напівмуфти 5. Для того, щоб напівмуфти довільно не з'єднувалися, між ними поміщений виток пружини 8. 
Рис.2 Траверса
5.5. Принцип дії колонкового свердла ЕБГП-1.
Принцип дії колонкового свердла можна усвідомити, вивчивши кінематико-гідравлічну схему, показану на Рис.3.
Передача обертання від вала електродвигуна відбувається з двох боків. З одного боку, через пару шестерен 1-2 приводиться в дію гідронасос 3, що через золотник керування 4 може подавати робочу рідину в штокові або поршневі порожнини двох силових гідроциліндрів 17. З іншого боку, обертання від електродвигуна через дві пари циліндричних шестерен 6-7 і 8-9 передається блоку шестерен 10-11. Користуючи ручкою Р, цей блок можна встановити так, щоб обертання передавалося через пари 10-12 і
13-14 або через пари 11-15 і 13-14. Від шестерні 14 через втулку 21 обертання передається шпинделю 16, що має дві швидкості: n1=170 об/хв, n2 = 315 об/хв. Разом із шпинделем обертається бурова штанга 20.
Переміщуючи ручку 5 у довільному напрямку встановлюють напрямок руху штоків 18, пов'язаних із ними траверси 19, шпинделя 16 і бурової штанги 20, до забою і від нього. При обертанні тієї ж ручки стискується і розтискається пружуна плунжерного клапана, завдяки чому дроселюванням олії змінюється величина осьового зусилля на різець.
Рис.3 Кінематико-гідравлічна схема колонкового свердла ЕБГП-1
5.6. Технічна характеристика свердла ЕБГП-1.
В даний час найбільше поширеними колонковими свердлами є ЕБГП-1, що серійно виготовляє Конотопський завод “Червоний металіст”. У таблиці 5.1 приведена його технічна характеристика.
Найменування основних параметрів | Норма |
Потужність електродвигуна (годинна), кВт Напруга, В Швидкість обертання ротора, об/хв Зусилля подачі, кН Подача штанги, мм/об Швидкість зворотнього ходу, м/хвЧастота обертання штанги, с-1 Швидкість подачі, м/с Габаритні розміри: довжина, мм ширина, мм висота, мм Маса свердла, кг Засіб пилеподавлення й очистки шпуру | 2,5 660/ 380 2860 15 0,5-5,0 5 2,84-2,52 0,023 1100 400 410 130 промивання |
5.7. Переваги і недоліки колонкових свердел ЕБГП-1.
Свердла ЕБГП-1 мають ряд переваг у порівнянні зі свердлами, що мають диференційно-гвинтову подачу:
Ø механізм подачі автоматично регулює швидкість буравлення в залежності від опору породи, що призводить до збільшення середньої швидкості буравлення;
Ø буравлення відбувається одною штангою довжиною 2200 мм, завдяки чому ліквідуються ручні операції по заміні і нарощуванню штанги;
Ø ліквідуються операції по підтримці штанги при забурюванні;
Ø різець підводиться до забою при штанзі, що не обертається.
Свердла ЕБГП-1 мають також і свої недоліки:
Ø велика вага свердла;
Ø перегріви корпуса електродвигуна і гідросистеми.
5.8.Конструкція та кінематика свердла ЕБК-2А.
На Рис.4 показано колонкове свердло ЕБК-2А.
Свердло складається з асинхронного двигуна 1 на напругу 220,380 В з п=2900 об/хв і потужністю 2,7 кВт; трьохступіневого редуктора з муфтою переключення 2; ходового гвинта (шпинделя) 3 з патроном для закріплення бура; шпиндель має можливість осьового преміщення на 980 мм. Як вказано на кінематичній схемі редуктора (Рис.5), роторна циліндрична шестерня 1 кріпиться на валу шпонкою, блок циліндричних шестерен 2 (шестерню закріплено на іншій шестерні за допомогою шпонки) посаджений на вісь, яку закріплено в корпусі свердла. Блок циліндричних шестерен 3 посаджено на проміжнному валику 9 та зафіксовано від осьового переміщення вздовж вала.
Циліндричний вінець 6 прикріплено болтами до втулки ходового гвинта 7, яка мвє рухоме шлицьове зачеплення з ходовим гвинтом 8.
Ходовий гвинт (шпиндель) має стрічкову різьбу та два пази, вздовж всієї нарізної частини гвинта (в пази входять виступи – шліци втулки ходового гвинта).
Фрікційна муфта переключення з”єднана з валиком рухомо за допомогою шліцевого з”єднаня та переміщується ракояткою 5. Муфта під дією Рис.4 Колонкове електросвердло пружини постійна притиснута до блока шестерен 3.
ЕБК-2А Можна поставити її нейтрально (вказано на схемі) або притиснути до корпусу свердла.
Кінематичний ланцюг при середньому положенні рукоятки 5 і ввімкненні двигуна матиме настпний вигляд:
1-2-3-6, 7, 8, 11, 10-12, 4
при цьому шпиндель обертається, але подачі не відбувається.
Кінематичний ланцюг при крайньому правому положенні рукоятки 5 та ввимкненні двигуна матиме настпний вигляд:
6, 7, 8
/ \
1-2-3, 4, 12-10, 11
при цьому шпиндель обертається з кількістю обертів n7 (кількість обертів втулки ходового гвинта), гайка 11 обертається з кількістю обертів n11, через те що n11> n7, шпиндель буде не тільки обертатись з кількістю обертів n7 , а ще буде подаватись на вибій або від вибою (в залежності від напрямку обертання двигуна).
Швидкість подачі шпинделя Vшп можно обчислити за формулою :
Vшп=( n11 – n7) t,
де t – крок різьби шпиделя, мм.
Через те що (n11 - n7) величина невелика, то швидкість шинделя теж буде невеликою, при обертанні шпинделя праворуч це буде режим буріння шпура.
Кінематичний ланцюг при крайньому лівому положенні рукоятки 5 та ввимкненні двигуна
1-2-3-6, 7, 8
деталі 4, 12, 10, 11 не обертаються, Vшп=( – n7) t – шпинделт буде подаватися в зворотньому напрямку по відношенню до напрямку подачі при попередньому положенні рукоятки 5. При обертанні шпинделя праворуч бур буде працювати в режимі вивільнення з шпуру, при обертанні шпинделя ліворуч – в режимі швидкої подачі в шпур.
Рис.5 Кінематична схема колонкового електросвердла ЕБК-2А
Таким чином за допомогою рукоятки 5 та перемикача на колонковому свердлі можна отримати наступні режими руху шпинделя:
а) обертання шпинделя праворуч без подачі - режим буріння без подачі;
б) обертання шпинделя праворуч і повільна подача його на вибій – режим буріння;
в) обертання шпинделя праворуч та швидка подача його назад – режим вивільнення бура;
г) обертання шпинделя ліворуч та швидка подача його на вибій – режим підготовки до буріння після заміни коронки або бура.
Фрикційна муфта 4 в бурі призначена не тільки для переключення режимів роботм свердла, але й для захисту свердла від пошкодженнь при перенавантаженнях (Рис.6). Вона складається з циліндричної втулки 4, яку посаджено на втулку 6 (посадка ковзаюча, з втулкою 6 її з”єднано шпонкою 7), кулачкової напівмуфти 5, затисненої між фланцями втулок 4 та 6.
Втулка 6 з різьбою на кінці посаджена на проміжний валик 9 (Рис.5) та з”єднана з ним ковзаючою шпонкою.
За допомогою гайки 8 регулюють силу стиснення пружини 3.
Рух від блока шестерен 3 на валик 9 передається через полумуфту 5за рахунок сил тертя нп втулках 6 та 4 (Рис 6).
Рис.6 Фрикційна муфта 
свердла ЕБК-2А
При перенавантаженні свердла полумуфта 5 проковзує між фланцями 4 та 6.
Для ефективного використання колонкового свердла необхідно для конкретних умов роботи підбирати визачену кількість обертів шпинделя та визначене значення подачі на один оберт шпинделя. Підбір режимів здійснюється за рахунок зміни шестерен 1, 2, 3 (Рис 5).
5.9. Визначення основних параметрів колонкового свердла.
До основних параметрів колонкового свердла варто віднести: зусилля подачі свердла на забій, крутячий момент на буровій колонці, потужність приводу обертання.
Величина необхідного зусилля подачі P свердла на забій визначається по формулі:
P = 0,5· Z· σсм · D· ( К · f· h + 0,5· C2 )
де Z - число пір'їн різця;
σсм - тимчасове (зусилля) опір породи зім’яттю, Па;
К = 0,5…0,7– коефіцієнт, що враховує тендітність гірської породи і неповний контакт її з передньою крайкою різця;
f = 0,5…0,7– коефіцієнт тертя різця об гірську масу;
h - товщина стружки, м;
C2 - величина заокруглення різця.
Крутячий момент Мкр. (Н·м) на буровій коронці визначається по формулі:
Мкр. = 2/3· D· R· Z
де R - рівнодіюча сила, що діє на пір'їна різця в площині, перпендикулярної осі обертання, Н.
Потужність приводу обертання N (Вт) визначається з урахуванням ККД передачі редуктора обертання:
N = 2· p· Кн · Мкр. · n· h-1
де К = 1,15…2,2– коефіцієнт неврахованих утрат;
n - частота обертання різця;
h - ККД передачі крутячого моменту від двигуна до різця.
5.10. Визначення частоти обертання шпинделя.
Частота обертання двигуна n = 2860 об/хв.
Передатне число зубчастих зачеплень:
i6-7 = 0,808 i8-9 = 0,378 i10-12 = 0,914 i11-15 = 0,535 i13-14 = 0,389
Діаметри зубчастих коліс:
d6 = 21мм | d7 = 26 мм | d8 = 14 мм | d9 = 17 мм | D10 = 32 мм |
d12 = 35 мм | d11 = 23 мм | d13 = 14 мм | d14 = 36 мм | d15 = 43 мм |
Розраховуємо при частоті n = 315 об/хв:
n · i6-7 = 2860·0,808 = 2311 об/хв;
2311· i8-9 = 874 об/хв;
874· i10-12 = 799 об/хв;
799· i13-14 = 313 об/хв.
Аналогічно розраховується для n = 175 об/хв.
