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.

Основные термины (генерируются автоматически): механизма бурильных машин, гидроимпульсного силового механизма, гидроимульсного механизма, гидроимпульсного механизма, силового механизма бурильных, гидроимпульсного механизма бурильных, давления жидкости, модель гидроимпульсного силового, импульсы давления, импульсы давления жидкости, Импульсы давления жидкости, Модель гидроимульсного механизма, гидроимульсного механизма бурильных, координата перемещения плунжера, гидросистемы и сжимаемость жидкости, давления одноконтурного механизма, эффективности гидроимпульсного механизма, коэффициент упругости гидросистемы, с одним и двумя колебательными, и двумя колебательными контурами.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос