Библиографическое описание:

Пашков Е. Н., Зиякаев Г. Р., Новосельцева М. В. Анализ эффективности гидроимпульсного механизма бурильных машин // Молодой ученый. — 2015. — №10. — С. 282-287.

Представлена физическая модель гидроимульсных механизмов бурильных машин с одним и двумя колебательными контурами. Получены дифференциальные уравнения, описывающие механические и гидравлические процессы, протекающие в механизме за весь цикл его работы. Представлено сравнение моделей гидроимульсного механизма бурильных машин. Аналитическое решение, позволяет сделать вывод об эффективности применения таких механизмов.

Ключевые слова: гидроимпульсный механизм, гидропульсатор, безбойковый механизм, вынужденные колебания, собственная частота, резонанс.

 

Прогрессивным направлением в развитии машин и механизмов ударного действия является создание силовых импульсных систем с гидравлическим приводом [1]. Исследования вращательного бурения режущим инструментом с наложением на него высокоэнергетических упругих колебаний показали возможность в 2–2,5 раза интенсифицировать процесс разрушения горных пород, в 1,5–2 раза повысить износостойкость режущего инструмента, на 2–3 категории крепости пород по шкале проф. М. М. Протодьяконова расширить область эффективного применения вращательного бурения скважин при повышении производительности труда на 40–70 % [2].

В работах [3–9] рассмотрена оригинальная модель гидроимпульсного силового механизма бурильных машин, в которых силовые импульсы возникают за счет резонансных колебаний гидроцилиндра с реактивной массой. Возникает вопрос об эффективности данного оригинального механизма и сравнения его с упрощенным механизмом без колебательного контура, в котором силовые импульсы формируются только плунжерным гидропульсатором.

Рассмотрим модель гидроимпульсного силового механизма без колебательного контура (рис. 1). Импульсы давления жидкости формируются следующим образом. При работе гидропульсатора, плунжер совершает возвратно-поступательное движение, при этом создаются импульсы давления жидкости, которые через поршень и буровую штангу передаются на обрабатываемую среду.

Рис. 1. Модель гидроимульсного механизма без колебательного контура: 1 — гидроцилинд; 2 — плунжер (пульсатор); 3 — рукав высокого давления (РВД); 4 — бурильный инструмент; 5 — разрушаемая порода

 

Вводим обобщенную координату: x2 — координата перемещения плунжера (рис. 1).

Уравнение расходов для системы будет:

здесь – площадь плунжера,  — коэффициент упругости гидросистемы, определяющий расход на деформацию элементов гидросистемы и сжимаемость жидкости.

Преобразуем:

Проинтегрировав выражение, получаем

,                                                                                                         (1)

где С1 — постоянная интегрирования.

Подставляем начальные условия  в (1), находим постоянную интегрирования

.

Плунжер движется по закону , где r — радиус кривошипа привода плунжера. Подставляем закон движения плунжера и постоянную интегрирования в выражение (1), получаем уравнение колебаний давления в гидросистеме (усилия на бурильном инструменте):

.                                                                                    (2)

Из выражения можно найти амплитуду колебаний давления и максимальное значения давления в гидросистеме:

.

Рассмотрим модель гидроимпульсного силового механизма c двумя колебательными контуром и реактивной массой (рис. 2). Импульсы давления жидкости формируются следующим образом. При работе гидропульсатора, плунжер совершает возвратно-поступательное движение, при этом создаются импульсы давления жидкости, которые передаются в гидроцилиндр.

Так как гидроцилиндр поджат упругой силой, происходит его раскачка вместе с инерционной массой m. При этом происходит периодическое преобразование кинетической энергии массы m в потенциальную энергию деформированной системы жидкости и рукава — повышению давления в системе и обратно. При режиме работы системы близкого к резонансному, возникают импульсы давления значительной величины, которые через поршень и буровую штангу передаются на обрабатываемую среду.

Для вывода уравнений, описывающих данную систему, полагаем, что между двумя следующими друг за другом силовыми импульсами, гидроцилиндр неподвижен. Вводим следующие обобщенные координаты: x1 — координата перемещения корпуса гидроцилиндра; x2 — координата перемещения плунжера (рис. 2).

Рис. 2. Модель гидроимульсного механизма: 1 — гидроцилиндр с активной массой; 2 — плунжер; 3 — рукав высокого давления (РВД); 4 — бурильный инструмент; 5 — разрушаемая порода

 

Учитывая принятые допущения, дифференциальное уравнение движения гидроцилиндра можно представить в виде:

,                                                              (3)

где m — масса, прикрепленная к корпусу гидроцилиндра; – коэффициент трения между поршнем и гидроцилиндром; с — жесткость пружины; p — давление в гидроцилиндре; – постоянное усилие поджима; – площадь поршня гидроцилиндра.

Уравнение расходов:

,                                                                                    (4)

где  — коэффициент упругости гидросистемы, определяющий расход на деформацию элементов гидросистемы и сжимаемость жидкости.

выражение (4) получили

,                                                                                     (5)

где С1 — постоянная интегрирования.

Подставляем начальные условия  в (5), находим постоянную интегрирования

.

Из выражения (5) находим

                                                                           (6)

Подставляем закон движения плунжера в выражение (6) и дважды дифференцируем:

Подставляем в (3), получаем

Преобразуем выражение к виду

     (7)

Вводим обозначения

Тогда выражение (7) приобретает вид

или

                                                         (8)

где

Делим (8) на и получаем дифференциальное уравнение вынужденных колебаний с вязким сопротивлением [1]. Обозначим:

После подстановки в (6) получаем

                                                          (9)

Решением уравнения (9) будет:

где

Или

Из полученного решения можно найти требуемую частоту приводного двигателя плунжера, при которой система находится в резонансе, и амплитуда скачка давления максимальна:

Максимальная амплитуда при этом будет:

После преобразований получим:

Параметры системы были равны:

Рис. 3. Импульсы давления на поршне в резонансном режиме: 1 — гидроимпульсный механизм с одним колебательным контуром; 2 — гидроимпульсный механизм с двумя колебательными контурами

 

На рис. 3 представлено сравнение импульсов давления создаваемых гидроимпульсными механизмами с одним и двумя колебательными контурами при одних и тех же значениях параметров системы. Из рисунка видно значительное преимущество гидроимульсного механизма с двумя колебательным контуроми, т. к. амплитуда импульсов создаваемого им давления в резонансном режиме многократно больше, чем у гидроимпульсного механизма одним колебательным контуром.

Выводы:

По результатам математических исследований можно сделать вывод о том, что при одних и тех же исходных данных, колебания давления на поршне, а соответственно и силы на ударном инструменте выше в случае гидроимпульсного механизма с колеблющейся массой. Так же считая амплитуду давления одноконтурного механизма базовой можно оценить эффективность гидроимпульсного механизма.

 

Литература:

 

1.         Бутенин Н. В., Лунц Я. Л., Меркин Д. Р. Курс теоретической механики: Учебник. В 2-х томах. Т. II.: Динамика. — 2-е изд. Перераб. и доп. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. — 544 стр.

2.         Липин А. А., Танайно А. С., Тимонин В. В. Современные погружные машины для бурения скважи. Горная техника: Каталог-справочник. — СПб.: ООО «Славутич», 2006. — С. 116–123.

3.         Патент на ПМ 79924 РФ. МПК7 Е21В 6/02, B25D 16/00. Гидроимпульсная сваебойная машина / Пашков Е. Н., Зиякаев Г. Р., Юровский П. Г., Пономарев А. В. Опубл. 10.10.2013 г.

4.         Патент на ПМ 71369 РФ. МПК7 Е21В 6/02, B25D 16/00. Станок для бурения скважин в подземных условиях / А. В. Шадрина, А. А. Казанцев, А. Л. Саруев, Л. А. Саруев. Опубл. 10.03.2008 г.

5.         Шадрина А. В., Саруев Л. А., Саруев А. Л. Динамические процессы в колонне труб при вращательно-ударном бурении скважин малого диаметра из подземных горных выработок // Томск. Изд-во Томского политехнического университета. 2009.- 175 с.

6.         Пашков Е. Н., Саруев Л. А., Зиякаев Г. Р. Математическое моделирование гидроимпульсного механизма бурильных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2011. — № 5 — С. 26–31.

7.         Пашков Е. Н., Зиякаев Г. Р., Кузнецов И. В. Дифференциальные уравнения процессов гидроимпульсного силового механизма бурильных машин / Пашков Е. Н., Зиякаев Г. Р., Кузнецов И. В. // Приволжский научный вестник. — 2013. — № 4 (20). — С. 32–36.

8.         Пашков Е. Н., Зиякаев Г. Р., Юровский П. Г. Одноконтурный гидроимпульсный механизм бурильных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2013. — № 12. Отдельные статьи (специальный выпуск). Актуальные проблемы машиностроения. — С. 95–99.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle