Способы снижения динамических нагрузок во вращателе гидрофицированного шарошечного станка тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.06, кандидат технических наук Шмидт, Владимир Элиасович

• Шмидт, Владимир Элиасович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шмидт, Владимир Элиасович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ШАРОШЕЧНОГО БУРЕНИЯ.

1.1. Тенденции развития гидроприводов вращательно-подающих механизмов буровых станков крупного шарошечного бурения.

1.2. Теория разрушения горных пород шарошечным бурением.

1.3. Существующие схемы приводов буровых станков.

1.4. Анализ существующих методик расчета и поддержания рациональных режимов бурения.

1.5. Цель и задачи диссертационной работы.

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССА РАБОТЫ ГИДРОПРИВОДА ВРАЩАТЕЛЯ БУРОВОГО СТАНКА.

2.1. Разработка гидропривода и анализ статических характеристик.

2.2. Составление уравнений движения привода вращателя с учетом жесткостей упругих элементов.

2.3. Анализ динамики привода вращателя.

2.4. Исследование способов снижения динамических нагрузок в гидроприводе вращателя.

2.4.1. Исследование влияния жесткости упругих элементов на динамические характеристики гидропривода.

2.4.2. Исследование влияния гидропневмоаккумулятора на динамические характеристики гидропривода вращателя бурового станка.

2.4.3. Влияние формы механической характеристики гидропривода на динамику механизма вращения шарошечного бурового станка.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Моделирование динамических процессов на опытном стенде.

3.2. Описание испытательного стенда и исследование динамических процессов на модели бурового станка.

3.3. Подтверждение адекватности исследуемой математической модели опытному стенду.

4. ВОПРОСЫ НАДЕЖНОСТИ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ

ДИНАМИКИ ВРАЩАТЕЛЯ.

4.1. Оценка надежности привода вращателя при различных способах снижения динамических нагрузок.

4.2. Рекомендации по исследованию динамических нагрузок и способов ее снижения для гидрофицированых вращателей буровых станков на стадии проектирования.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Способы снижения динамических нагрузок во вращателе гидрофицированного шарошечного станка»

Одним из самых трудоемких процессов в технологии открытых работ является бурение взрывных скважин. Затраты на буровые работы составляют до 30 % всех затрат, необходимых для добычи 1 кубического метра полезного ископаемого.

Существенный вклад в исследования по технологии шарошечного бурения на карьерах и разработку шарошечных буровых станков внесли Н. В. Мельников, Б.А. Симкин, А.Ф. Суханов, П.П. Назаров, Б.Н. Кутузов, Н.Я. Репин, В.Д. Буткин, Г.М. Водяник, P.M. Эйгелес, A.A. Жуковский Н.И. Терехов, Ю.А. Петров, Е.А. Русаков, Г.М. Егоров, JI.H. Кантович, Б.С. Маховиков, К.Г. Асатур, О.В. Кабанов, С.Г. Зарицкий.

На настоящий момент в связи с тем, что большинство шарошечных буровых станков работающих на горных предприятиях нашей страны отработало свой ресурс, необходимо обновление парка буровых станков. Вращатель бурового станка является основным агрегатом, определяющим мощность бурового станка и воспринимающим нагрузки, возникающие при разрушении породы. Математические модели приводов вращателей учитывающие конструктивные параметры на настоящий момент разработаны и изучены недостаточно. Для создания современных буровых станков и систем управления работой привода вращателя нужны теоретически обоснованные, надежные методы расчета нестационарного движения их элементов.

В связи с этим работы по проектированию новых и усовершенствованию существующих приводов вращателей буровых станков для открытых горных работ .обеспечивающие повышение надежности за счет использования современного гидрооборудования, 'анализа динамики вращателя и способов снижения динамических нагрузок на основе математического моделирования и стендовых испытаний на стадии проектирования, являются актуальными.

Сказанное выше определило необходимость выполнения данной работы, которая посвящена исследованию динамики вращателя и способов ее снижения с целью повышения надежности работы буровых шарошечных станков.

Автор выражает свою искреннюю благодарность научному руководителю доц. ОБ. Кабанову, проф. Б.С. Маховикову, проф. К.Г. Асатуру, Д.В. Иртуганову, преподавателям и сотрудникам кафедры РСУ за внимание и помощь в проведении работы.

Цель работы. Целью исследования является повышение надежности работы станков шарошечного бурения с безредукторным гидравлическим механизмом вращения буровой колонны, сокращение затрат на бурение и улучшение условий труда путем снижения динамических нагрузок во вращателе бурового станка.

Научные положения, выносимые на защиту.

• Механизм вращения станка шарошечного бурения с безредукторным объемным гидроприводом является колебательным объектом, при этом соединения электродвигателя с насосом и гидромотора с буровой колонной целесообразно выполнять с помощью жестких муфт.

• Применение гидропневмоаккумулятора снижает динамические нагрузки, при этом в плоскости конструктивных параметров гидропневмоаккумулятора имеется экстремум обеспечивающий минимальные динамические забросы давления в системе гидропривода и момента на валу электродвигателя.

• Использование устройства ^обеспечивающего мягкие характеристики гидропривода позволяет получить минимальные динамические отклонения режимных параметров давления в гидросистемГи^юмента на электродвигателе и обеспечить зону рабочих режимов удовлетворяющих заданным горнотехническим условиям. /

Методика исследования включает использование математического анализа, методов теории авторегулирования, компьютерного моделирования процессов ^происходящих в элементах механизма вращения буровой колонны, а также экспериментальные исследования на стенде для испытаний вращательно-подающих механизмов буровых станков, разработанном на кафедре РСУ, обработку результатов люлученных на стенде и их сравнение с теоретическими л /' на основе теории подобия ирбработки экспериментальных данных.

Личное участие автора в получении научных результатов, изложенных работе, заключалось в анализе и обобщении научного и производственного опыта шарошечного бурения, в анализе формирующихся на долоте нагрузок, составлении математических моделей вращателя станка, разработке способов улучшения динамических характеристик привода, анализе результатов эксперимента и оценки надежности привода при снижении нагрузок предложенными способами.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается современным уровнем теоретических и достаточным объемом экспериментальных исследований, а также адекватностью разработанных математических моделей натурному стенду для исследования динамики шарошечных буровых станков' ^ ——- ">

Научная новизна.

Показано что вращательный механизм бурового станка, снабженный безредукторным объемным гидроприводом, как объект управления, является колебательным устойчивым звеном.

Научно обосновано, что в случае применения объемного гидропривода соединения валов электродвигателя с насосом и гидродвигателя с буровым ставом должны быть жесткими. Примшши§^пругих ^лементов^риводит к сни^^ механизмЯГ"—

Показано, что при применении гидропневмоаккумулятора имеется зона оптимальных настроек, обеспечивающая минимум амплитудных колебаний давления ш/момента на валу электродвигателя.

Установлено, что в случае применения объемного гидропривода с «мягкими» характеристиками можно обеспечить^ минимум динамических отклонений давления и момента, а скоростн/оурового става оставить на заданном оптимальном уровне для определенных горнотехнических условий.

Практическая значимость работы:

• Разработаны рекомендации, позволяющие упростить конструкцию механизма вращения бурового станка за счет устранения упругих элементов и редуктора.

• Предложена методика выбора параметров гидропневмоаккумулятора, обеспечивающая минимум динамических забросов давления и момента. х

• Разработан способ снижения динамической нагруженности станка за счет смягчения динамических характеристик гидропривода вращателя. Использование устройства, обеспечивающего мягкие характеристики гидропривода, позволяет получить минимальные динамические отклонения его параметров давления и момента, и получить зону рабочих режимов, удовлетворяющую заданным режимным параметрам.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались на конференциях молодых ученых и студентов в 1998, 1999 г.г. (Санкт-Петербург, СПГГИ). КЛР^иЩкМ

С^^л^би^А

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 5 печатных л г работ в сборниках научных трудов. р^/Ь^ ^ 8

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и основных выводов, приложений, списка литературы, включающего 62 наименования, изложена на 137 страницах машинописного текста, включает 47 рисунков и 6 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Горные машины», Шмидт, Владимир Элиасович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной диссертационной работе дан анализ работы привода вращателя шарошечного бурового станка. Изучены формирующиеся та долоте нагрузки, и проанализированы расчетные зависимости для определения этих нагрузок.

Приводы вращательных механизмов современных буровых станков сложны в конструктивном исполнении и работают в тяжелых динамических условиях. В связи с тем, что большинство шарошечных буровых станков на карьерах отработало свой ресурс необходимо создание новых современных буровых станков, а также модернизация существующих моделей, которые нуждаются в автоматизации эксплуатационных операций и повышении надежности.

Оценено влияние жесткостей упругих элементов на динамические характеристики гидрофицированного вращателя.

Гидропривод вращателя бурового станка работает в условиях быстроменяющихся, детерминированных и случайных нагрузок, что вызывает колебание давления, момента на валу электродвигателя и скорости гидромотора. Предложены способы снижения динамических нагрузок в приводе вращателя за счет включения в систему гидропневмоаккумулятора или регулирующего устройства. Использование предлагаемых способов позволяет прогнозировать повышение надежности работы станка.

Одной из причин тормозящих, создание новых надежных буровых станков и систем управления ими, является большая сложность и дороговизна промышленных или стендовых испытаний. Исследование работы станка и его динамических характеристик при помощи компьютерного моделирования на стадии проектирования имеет ряд преимуществ: возможность изменения характеристик нагружения и их повторения, удобная форма полученных результатов (графики, числовые таблицы), а также быстрота проведения исследований и малые материальные затраты по сравнению с промышленным экспериментом.

Теоретические исследования по созданию математической модели вращателя натурной модели станка показали ее сложную математическую структуру.

На основе теории подобия и моделирования показана адекватность разработанной математической модели вращателя натурной модели станка, результаты теоретических исследований хорошо согласуются с экспериментальными.

Объективной оценкой качества машины является надежность. На основе методики оценки надежности на стадии проектирования возможно с достаточной точностью оценить изменение надежности нового или модернизируемого привода по сравнению с базовым, что свою очередь будет говорить о целесообразности разработки.

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. При создании вращательных механизмов шарошечных буровых станков, перспективным является создание безредукторных гидрофицированых вращателей.

2. При создании гидроприводов вращателей буровых станков целесообразно на основе предложенного пакета компьютерных программ проводить предварительные исследования математической модели объекта.

3. В результате анализа определено, что математическое описание гидропривода вращателя без учета жесткостей упругих элементов может быть представлено 4 дифференциальными уравнениями.

4. В результате исследования определено, что при применении гидропневмоаккумулятора имеется зона оптимальных настроек, обеспечивающая минимум амплитудных колебаний давления и момента на валу электродвигателя.

115

5. В случае применения объемного гидропривода с «мягкими» характеристиками, возможно путем введения в гидропривод регулирующего воздействия обеспечить минимум динамических отклонений давления и момента, а скорость бурового става оставить на заданном оптимальном уровне для определенных горнотехнических условий.

6. Результаты полученные при экспериментальных исследованиях динамических процессов во вращателе бурового станка показали близкое сходство с результатами компьютерного моделирования.

7. Представленные рекомендации по исследованию динамики вращателя охватывают этапы проектирования и модернизации существующих приводов вращателя буровых шарошечных станков, позволяют на стадии проектирования исследовать динамические характеристики и при необходимости добиться снижения динамических нагрузок в гидроприводе вращателя и оценить надежность предлагаемого варианта привода по сравнению с базовым.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шмидт, Владимир Элиасович, 2000 год

1. Асатур К. Г., Маховиков Б. С., Кабанов О. В., Зарицкий С. Г. Математическое описание привода вращательно-подающего механизма бурового станка. - Записки ЛГИ., 1983. Т. 97. С. 113-118.

2. Барлоу Р., Прошан Ф. Математическая теория надежности. Пер с английского под ред. Гнеденко Б.В. М., Советское радио, 1969.- 488 с.

3. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин. Справочник. М., Машиностроение, 1979., 702 с.

4. Башта Т. М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. М., Машиностроение 1974, 606 с.

5. Буткин В.Д. Исследование основных параметров режима шарошечного бурения взрывных скважин на открытых горных работах. Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. М., ИГД. Им. A.A. Скочинского, 1964.

6. Буткин В.Д. Методы определения оптимальных режимов шарошечного бурения на карьерах. Научные сообщения ИГД им. A.A. Скочинского, 1977, вып. 153.

7. Буткин В.Д. Об оптимальной величине углубления долота за один оборот для различных горных работ. Техника и технология буровзрывных работ, вып. 1, 1973.

8. Буткин В.Д. Опыт совершенствования технологии бурения на разрезах. М., ЦНИЭИуголь, 1975.

9. Буткин В. Д. Проектирование режимных параметров автоматизированных станков шарошечного бурения. М.: Недра, 1979. - 208 с.

10. Буткин В.Д. Угольным карьерам новую буровую технику. - Уголь, 1968, №7.

11. Водянник Г.М., Рылев Э.В. Новые бурильные машины вращательного действия. Киев, Техника, 1979. - 26 с.

12. Голушков М. И., Рыбкин Ю. П. К вопросу автоматизации режимов вращательного бурения. Труды НИИ Гипроникель, 1970, вып. 45. - с. 1017.

13. Гольд М.А., Гордеев В.П., Лукьянов А.Н., Филиппов Т.С, Оптимизация режимов бурения взрывных скважин шарошечными станками тяжёлого типа. Труды института "Гипроникель", вып. 43, Л., 1969.

14. Гордеев В.П. Комплексное исследование и оптимизация процесса бурения взрывных скважин мощными шарошечными станками. Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Иркутск, ИЛИ., 1970.

15. Докукин A.B. Проблемы создания автоматически регулируемого привода горных машин и комплексов. Сб. Теоретические и экспериментальные исследования регулируемого привода шахтных забойных машин. М., Наука., 1966., с. 5-29.

16. Егоров Г. М., Русаков Е. А., Рыбкин Ю. П. Результаты исследований гидрофицированного вращательно-подающего механизма бурового станка тяжелого типа. Начные труды ин-та Гипроникель, Л.,1981, с.46-56.

17. Егоров Г.М., Мороз В.М., Петров Ю.А., Русаков Е.А. Опыт и перспективы проектирования и создания буровых шарошечных станков институтом Гипроникель. Научн. тр. ин-та Гипроникель, Л., 1984, с.35-48.

18. Жуковский А. А. Приводы и средства автоматизации буровых станков. Обзор. Москва, 1980.

19. Жуковский A.A. Разработка и исследование системы автоматизации процесса шарошечного бурения взрывных скважин на открытых горных разработках. Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Свердловск, СГИ, 1967.

20. Зарицкий С. Г. Определение критериев подобия для создание модели вращательно-подающего механизма бурового станка. Механизация горных работ наугольных шахтах, Зап. Тул. ПИ., Тула, 1987., с. 34-37.

21. Зарицкий С. Г., Кабанов О. В., Соловьев В. С., Русаков Е.А. Исследование динамики привода исполнительного органа гидрофицированного бурового станка с применением ЭВМ. Сборник научных трудов.: Л.: Гипроникель, 1989.

22. Кантович Л. Н., Дмитриев В. Н. Статика и динамика буровых шарошечных станков. М., Недра, 1984. - 200 с.

23. Кирпичев М.В. Теория подобия. М.5 АН СССР, 1953.

24. Ковалевский В.Ф. Теплообменные устройства и тепловые расчеты гидропривода горных машин. М., «Недра», 1972.

25. Козловский Е. А. Гафиятуллин Р. X. Автоматизация процесса геологоразведочного бурения. М.,Недра, 1977.

26. Кузнецов А.В., Зибарев А.И., Ильменский В.В. О количественной оценке надежности гидроэлементов буровых станков. Новое горное оборудование для карьеров и подземных рудников цветной металлургии. Сборник научных трудов. Л., Гипроникель, 1981,с. 66-72.

27. Кутузов Б.Н. Теория, техника и технология буровых работ. М., Недра, 1972.

28. Кутузов Б.Н., Шмидг Р.Г. Шарошечное бурение скважин на карьерах и пути повышения его эффективности. М., "Недра", 1966.

29. Лебедев А.Н. Основы теории моделирования. Пенз. НИ, Пенза, 1977. 80с.

30. Махно Д.Е., Шадрин А.И. Надежность карьерных экскаваторов и станков шарошечного бурения в условиях Севера. М., «Недра», 1976, 166 с.

31. Маховиков Б.С., Асатур К.Г., Кабанов О.В. Гидравлика и гидравлические машины. Л., ЛГИ., 1986.

32. Маховиков Б. С. Динамика приводов горных машин с гидротурбинными двигателями и стабилизация их нагрузок. / Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: МГИ, 1988.

33. Маховиков Б. С. Регулируемый привод исполнительного органа механогидравлического комбайна. — Изв. вузов. Горный журнал, 1983, №12, с. 53-59.

34. Маховиков Б. С., Кабанов О. В., Зарицкий С. Г. Механико-технологический анализ принципов автоматического управления буровыми станками. Изв. Вузов. Горный журнал, 1983, № 9, с. 95-100.

35. Мельников Н.В. Будущие горные разработки. Горный журнал,1974, №2.

36. Мельников Н.В., Симкин Б.А. Обоснование и выбор основных параметров новых буровых станков для открытых работ. М., Углетехиздат, 1957.

37. Мельников Н.В., Арсентьев А.И., Газимов М.С., Симкин Б.А. Теория и практика открытых горных работ. М., «Недра», 1973

38. Мельников Н.В., Симкин Б.А., Винницкий К.Е. Техника открытых работ за рубежом. М., Углетехиздат, 1956.

39. Методика расчета величин гарантийных сроков (гарантийных наработок) промышленных изделий., М., Изд. стандартов, 1975.

40. Наринский Н.Э. Основы выбора параметров и конструирования мощных станков шарошечного бурения скважин в горнорудной промышленности.

41. Автореф. диес. на соиск. уч. степ, доктора техн. наук М., ИГД им. А.А.Скочинского, 1979.

42. Певзнер Л.Д. Надежность горного электрооборудования и технических средств шахтной автоматики. М., «Недра», 1983.

43. Перетолчин В.А. и др. Техника, технология и опыт бурения скважин на карьерах . -М., "Недра", 1993.

44. В.С Поляков, И.Д. Барбаш, O.A. Ряховский. Справочник по муфтам.- Л.: Машиностроение, 1979, 344с.

45. Подэрни Р. Ю. Горные машины и автоматизированные комплексы для орткрытых работ. Москва, Недра, 1979.

46. Русаков Е. А., Мороз В. М. Состояние технический уровень перспективы развития буровой техники для открытых работ. Научные труды института Гипроникель, Л.,1987, с. 10-18.

47. Свешников В.К. Станочные гидроприводы: Справочник. — 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение. 1995.-448 с.

48. Симкин Б.А., Григорьев В.К. Основные направления развития буровой техники. Взрывное дело. №77/34,- М., Недра, 1976.-172 с.

49. Симкин Б.А. Технология и процессы открытых горных работ., М., «Недра», 1970

50. Смирнов В.И. Курс высшей математики. 4 издание М.,ГТТИ, 1933, Т.2.-522 с.

51. Суханов А.Ф., Кутузов Б.Н., Шмидт Р.Г. Вибрация и надежность работы станков шарошечного бурения. М., «Недра», 1967, 127 с.

52. Терехов Н. И., Авраамов И. С., Гаврилов П. Д., Кунинин П. Н. Регулирование и управление режимами бурения взрывных скважин. Л.: Недра, 1980. - 223 с.

53. Тимошенко. С П. Устойчивость стержней пластин и оболочек. М.: Наука, 1071.807 с.

54. Федоров B.C. Практические расчеты в бурении. М., «Недра», 1966.

55. Чигинцев В. Ф. Исследование и обоснование оптимальных параметров приводов станков шарашечного бурения. Автореферат диссертации на соискание уч. степени кандидата техн. наук, Свердловск. Свердловский горный институт, 1975.

56. Шестимирова В.Н., Антошенков В.Н. Состояние и тенденции развития станков ШБ. М., ЦНИИТЭНтяжмаш, 1989.

57. Эйгелес Р. М. Разрушение горных пород при бурении. М., Недра, 1971.

58. Эйгелес Р. М., Стрекалова Р. В. Расчет и оптимизация процессов бурения скважин. М., Недра, 1977. 200 с.

59. Everell M.D. Drill automationa step into the future. "Canadian mining J.", 1974., №5.

60. Li Та M. Rotary drilling with automated controls — new force in open — pit blast hole production. "Coal Age", 1979., №8.