5 ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ
ПАРАМЕТРОВ БУРИЛЬНЫХ МАШИН УДАРНО-
ПОВОРОТНОГО ДЕЙСТВИЯ
Практическая работа №5
5.1 Цель работы
Изучить конструкцию и принцип действия бурильных машин ударно-поворотного действия, научиться определять их основные параметры.
5.2 Общие сведения о типах, конструкциях
и принципе работы машин ударно-поворотного действия
Машины ударно-поворотного действия предназначены для бурения крепких и весьма крепких пород с коэффициентом крепости до 20.
К основным типам машин этого вида относятся:
- ручные перфораторы и одно – и многостреловые самоходные каретки для бурения шпуров. В качестве инструмента применяются долотчатые крестовые коронки диаметром 36-46 мм, оснащенные твёрдым сплавом;
- колонковые и телескопические перфораторы, самоходные одно – и двух
стреловые каретки для бурения скважин. В качестве инструмента применяются долотчатые и крестовые коронки диаметром 52-65 мм.
Перфоратор представляет собой бурильную машину ударно-поворотного действия, преобразующую энергию сжатого воздуха в энергию удара бурового инструмента о забой с целью его разрушения.
Перфоратор состоит из корпуса и смонтированных в нём ударно-поворотного механизма, воздухораспределительного устройства, механизма управления и устройства для очистки шпуров от буровой мелочи.
На рисунке 1.1 представлена схема перфоратора РПМ-17, который представляет небольшую бурильную машину, главнейшими частями которой являются: цилиндр 1 и двигающийся в нем металлический поршень 2 со штоком 3 на переднем конце для удара по хвостовику бура 4. Цилиндр имеет внутри небольшую золотниковую коробку с автоматическим распределительным клапаном 5 для впуска сжатого воздуха (то с одной стороны поршня, то с другой) и отверстия для выпуска отработанного воздуха. Шток поршня имеет на конце с внешней стороны прямые вырезки, которыми входит в двойную втулку 6; поршень и шток имеют внутреннее продольное цилиндрическое углубление с пологими косыми вырезами для поворотного стержня 7. В двойную втулку перфоратора с одной стороны входит конец штока своими прямыми вырезками, а с другой – хвостовик бура, поэтому вместе с поворотом штока будет поворачиваться и втулка с буром.
 |
1 – корпус и цилиндр; 2 – поршень; 3 – шток поршня; 4 – хвостовик бура; 5 – воздухораспределение; 6 – втулка; 7 – поворотный стержень; 8 – гайка поворота (храповая букса); 9 – тормозные зубцы
а – продольный разрез перфоратора; б - поворотное устройство
Рисунок 1.1 – Схема перфоратора РПМ-17
Поворотное устройство (рисунок 1.1, б) представляет собой гайку – храповую буксу 8 с внутренними зубцами и поворотный стержень с двумя тормозными зубцами 9. Тормозные зубцы стержня, сцепляясь с зубцами гайки, допускают поворот стержня только в одну сторону. Стержень с внешней стороны имеет косую пологую нарезку и входит в углубление поршня и штока.
Схема работы перфоратора сводится к следующему. При поступлении сжатого воздуха в перфоратор слева (см. рисунок 1.1) поршень двигается вправо (рабочий ход) и концом штока, который входит во втулку, наносит удар по хвостовику бура; в этом случае поршень и шток, продвигаясь по стержню, поворачивают его по своей косой нарезке. В конце хода поршень открывает выходные отверстия для выпуска отработанного воздуха из левой части цилиндра и сжимает воздух в правой части, что заставляет воздухораспределительный клапан менять положение, и сжатый воздух начинает поступать в цилиндр справа. При поступлении воздуха справа, поршень и шток двигаются влево и поворачиваются на поворотном стержне, который благодаря тормозным зубцам не может поворачиваться в обратную сторону. Со штоком поворачивается втулка, а вместе с ней и вставленный в неё бур.
В конце обратного хода открываются выходные отверстия для выпуска отработанного воздуха из правой части перфоратора, а воздухораспределительный клапан снова меняет положение. Поворот бура на 5-100 при каждом обратном ходе поршня обеспечивает круглое сечение выбуриваемого шпура.
Очистку шпура от породы производят выдуванием пыли сжатым воздухом, выходящим из перфоратора, или промывкой шпуров водой.
5.3 Расчет основных параметров бурильных машин
ударно-поворотного действия
5.3.1 Задача
Определить основные параметры бурильной машины ударно-поворотного действия.
При решении задачи необходимо определить:
- энергию единичного удара перфоратора;
- к. п.д. удара;
- энергию единичного удара на лезвии буровой коронки;
- глубину внедрения лезвия коронки в породу;
- частоту ударов поршня-ударника;
- частоту ударов и ускорение поршня-ударника;
- частоту вращения буровой коронки;
- техническую скорость бурения;
- мощность ударного механизма;
- техническую и эксплуатационную производительность установок, оборудованных перфораторами.
Исходные данные принять из таблицы 1.1.
Энергия единичного удара, развиваемого поршнем-ударником перфоратора А, Дж, определяется по формуле:
, (1.1)
где D – диаметр поршня, м;
S – ход поршня, м;
Pi – средне индикаторное давление сжатого воздуха в рабочей полости цилиндра (пневматического перфоратора), Па.
Таблица 5.1 – Исходные данные к задаче
Показатели | Варианты | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
Крепость пород ¦ | 7,8.9 | 8,9,10 | 10,11,12 | 12,13,14 | 14,15,16 | 7,8,9 |
Энергия удара А, Дж | 36 | 50 | 53 | 54 | 63 | 38 |
Диаметр коронки dK, мм | 32 | 36 | 40 | 40 | 40 | 40 |
Диаметр поршня D, мм | 71 | 75 | 80 | 85 | 75 | 70 |
Масса поршня-ударника m, кг | 2,7 | 4,8 | 5,5 | 7,2 | 5,3 | 3,1 |
Масса бура mБ, кг | 2,5 | 4,2 | 4,97 | 6,26 | 4,3 | 3,0 |
Давление сжатого воздуха Р, МПа | 0,4 | 0,45 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,45 |
Глубина шпура L, м | 2,5 | 2,6 | 2,8 | 3,0 | 3,2 | 2,7 |
Число бурильных головок r | 1 | 1 | 2 | 2 | 3 | 1 |
Ход поршня определяется из соотношения
Энергия удара бура о породу будет меньше, чем энергия удара поршня, так как часть ее расходуется на упругую деформацию поршня и бура.
КПД удара
, (1.2)
где e - коэффициент восстановления (для стали e = 0,55);
m - масса поршня-ударника, кг;
mб - масса бура, кг.
Определяется энергия единичного удара, АК, Дж, на лезвии буровой коронки
Аk = hУ × А (1.3)
Находится глубина внедрения лезвия коронки в горную породу h, м, при каждом ударе в зависимости от крепости горной породы f
, (1.4)
где dК - диаметр буровой коронки, м;
sСЖ - предел прочности горной породы на сжатие, Па (приложение А, таблица А.1);
aК - угол приострения лезвия коронки, град (aК =90; 100 ¸ 110; 120° в зависимости от f);
m - коэффициент трения лезвия коронки о породу (m = 0,6 ¸ 1,2);
kЗ - коэффициент, которым учитывается затупление лезвия коронки (kЗ = 1,2 ¸ 1,3).
Строится график зависимости глубины внедрения лезвия коронки в горную породу от предела прочности горной породы.
Определяется частота ударов поршня-ударника Z, уд/мин.,
, (1.5)
где tРХ – время движения поршня-ударника при рабочем его ходе, с,
, (1.6)
где a - ускорение поршня-ударника, м/с2
, (1.7)
где F – действующая на поршень-ударник движущая сила при рабочем ходе, Н,
(1.8)
Для обеспечения рациональной частоты вращения коронки nб при бурении пород различной крепости предусматривается набор гаек и поворотных стержней с различным подъемом их винтовой нарезки.
После каждого удара поршня пневматического перфоратора (ручные, колонковые, телескопные) коронки поворачиваются на угол b.
Конструируются три пары сменных гаек и геликоидальных стержней, обеспечивающих поворот коронки на углы b = 36°, 23° и 9° соответственно для слабых, средних и крепких пород.
Устанавливаются три значения частоты вращения буровой коронки nб, об/мин (сменными стержнями и гайками):
(1.9)
Определяется техническая скорость бурения Vб, м/мин,
Vб = h × nб (1.10)
Находятся три значения h и nб при бурении по породам различной крепости и, соответственно, при b = 9°; 23° и 36°. Строится график Vб = ¦(sсж) при рациональных nб.
Мощность на головке бура NУ, кВт, находится по формуле
, (1.11)
где h - к. п.д. привода ударного механизма (h = 0,92).
Эксплуатационная сменная производительность шахтных бурильных установок, оборудованных перфораторами (бурильными головками) QСМ, м/смену, определяется из выражения
QСМ= QТЕХ× (ТСМ– ТПЗ – ТОП), (1.12)
где QТЕХ – техническая производительность установки, м/ч;
ТСМ - продолжительность смены, ч (ТСМ = 6 часов);
ТПЗ – затраты времени на подготовительно-заключительные операции, ч (ТПЗ =0,54 ч);
ТОП - простои по организационным причинам, ч (ТОП = 0,58 ч ).
Техническая производительность установок для подземного бурения
, (1.13)
где kГ - коэффициент готовности установки (kГ = 0,7 ¸ 0,93):
kО - коэффициент одновременности (kО = 1; 0,8; 0,7) при числе бурильных головок соответственно r = 1; 2 и 3);
Vб - скорость бурения, м/мин;
VОХ -скорость обратного хода бурильной головки, м/мин (VОХ = 16 м/мин);
tЗ - время замены коронки, мин (tз = 2,5 мин);
В - стойкость коронки на одну заточку, м (В = 15м);
tН - время наведения бурильной машины с одного шпура на другой, мин (tН = 2 мин);
tЗБ- время забуривания шпура, мин (tЗБ = 1 мин);
L – глубина шпура, м.
