Полукатеноид вращения как универсальный боек ударных систем технологического назначения

© Л.Т. Дворников, И.А. Жуков, 2008

УДК 622.23.05

Ё.Т. Дворников, И.А. Жуков

ПОЛУКАТЕНОИД ВРАЩЕНИЯ КАК УНИВЕРСАЛЬНЫЙ БОЕК УДАРНЫХ СИСТЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Семинар № 21

Ведущей отраслью промышленности Кузбасса является добыча угля и железной руды, в которой занято сравнительно большое количество населения области. Объем добычи непрерывно растет в результате освоения новых месторождений и расширения производственной мощности предприятий. Извлечение и переработка твердых полезных ископаемых, строительство подземных сооружений, добыча строительных материалов сопряжены с необходимостью разрушения больших объемов горных пород. В горнодобывающей отрасли создаются разнообразные машины и механизмы, разрушение горных пород связано с большими затратами труда, времени, энергии и денежных средств. В настоящее время большой объем горной массы перерабатывается буровзрывным способом, одной из главных операций

которого является операция бурения шпуров и скважин, которая представляет собой весьма трудоемкий и тяжелый цикл горнопроходческих работ при добыче полезных ископаемых. Вследствие этого вопросы совершенствования буровой техники весьма актуальны и имеют важное народнохозяйственное значение.

Наибольший эффект разрушения достигается при ударном воздействии на горную породу, именно на этом принципе строятся многие горные машины, в частности машины, используемые для бурения шпуров и скважин.

Актуальность совершенствования ударных систем технологического назначения связана со значительными экономическими выгодами, заключающимися в увеличении производительности буровых работ и уменьшении энергозатрат на бурение.

2

Уо 1

3-

5

Рис. 1. Схема ударной системы технологического назначения

282

V,

Е]

I

т

Е

Ез

Схема типичной ударной системы представлена на рис. 1. Принцип действия такой системы заключается в следующем. Энергия привода преобразуется в кинетическую энергию возвратно-поступательного движения бойка 1, который в конце своего хода соударяется с хвостовиком волновода

2, представляющего собой стержень. В результате, кинетическая энергия ударника частично преобразуется в полезную энергию продольных колебаний волновода и частично может переходить в другие виды энергий. Г енерируемые бойком продольные колебания называются падающим ударным импульсом 4, который перемещается по волноводу, оканчивающемуся, как правило, инструментом

3. Амплитуда и длительность импульса определяются материалами, формами и размерами соударяющихся тел. Под действием импульса инструмент перемещается, создавая тем самым условия для разрушения обрабатываемой среды 6, и проникает в эту

Рис. 2. Распределение предударной энергии бойка

среду на определенную глубину. При этом достаточно заметная часть энергии возвращается в ударную систему в виде отраженного импульса 5, который, как правило, гасится самой системой.

Расчет ударных систем технологического назначения включает в себя решение задачи о формировании и распространении импульсов упругой деформации при соударении бойка с волноводом и о прохождении ударного импульса по волноводу в обрабатываемую среду и превращении его энергии в работу разрушения. Решение этой задачи позволяет определить действующие нагрузки в системе и произвести расчеты на прочность, а также рассчитать производительность.

После их соударения кинетическая энергия Е бойка преобразуется в энергию ударного импульса Е1, которая частично в виде Е2 отражается от среды и движется к ударному торцу бойка, при этом лишь часть энергии в виде Е3 расходуется на разрушение среды, а энергия Е4 уходит в среду и рассеивается (рис. 2). Для оценки эффективности процесса используют коэффициент передачи энергии (КПЭ) импульса:

П =

Е1 - Е2

Е1

Энергия Е1 определяется по падающему ударному импульсу, а Е2 -по отраженному. Коэффициент ц принимается как критерий эффективности работы ударной системы.

В 1962 г. одним из известных уче-ных-исследователей теории удара Александровым Е. В. было сделано открытие, заключающееся в том, что коэффициент передачи энергии зависит не только от массы бойка т и его

предударной скорости Ч0, но и от форм соударяющихся тел. Рациональное проектирование ударной системы должно обеспечить максимальный коэффициент передачи энергии при заданной энергии удара. При этом подбор целесообразной формы ударника является одним из наиболее действенных методов проектирования, приводящий к увеличению значения данного коэффициента.

Для рационального использования энергии удара необходимо обеспечение формирования в волноводе импульса оптимальной формы, при которой его амплитуда начинается с некоторого определенного значения и возрастает с интенсивностью, соответствующей интенсивности роста сопротивляемости обрабатываемой среды внедрению (рис. 3).

Среди бойков известных форм максимальная амплитуда ударного импульса обеспечивается абсолютно жестким бойком, который физически можно представить в виде «шайбы» бесконечно большого диаметра и бесконечно малой длины.

Ранними исследованиями было установлено, что ударник, формирующий ударный импульс оптимальной формы, должен быть переменного поперечного сечения, площадь которого должна нарастать от ударного торца, т.к. при приближении диаметра неударного торца к диаметру

Рис. 4. Катеноид вращения

Рнс. 3. Оптимальная форма ударного импульса

ударного формы волн будут стремиться к прямоугольной. А образующая ударника должна быть вогнутой в сторону продольной оси ударника.

На форму ударного импульса оказывает значительное влияние кривизна образующей боковой поверхности ударника, а, следовательно, и распределение объема в бойке по мере продвижения от ударного торца к неударному при условии равенства объемов сравниваемых бойков. Поэтому в качестве бойка, генерирующего оптимальный по форме ударный импульс, рационально принять катеноид вращения (рис. 4), который, благодаря следующему своему свойству, является уникальным в своем роде: любой кусок катеноида по площади меньше, чем всякая другая поверхность, ограниченная тем же контуром. Это свойство катеноида было найдено в 1776 году выдающимся французским математиком, инженером и полководцем Ж. Менье.

Площадь поверхности абсолютно жесткого бойка («шайбы») стремится к нулю. Следовательно, боек полукате-

Рис. 5. Способ образования видов катеиоидиых бойков

ноидальной формы будет предшествовать абсолютно жесткому ударнику в ряду сравнения площадей поверхностей при продвижении к минимальной. Тогда теоретически можно предположить, что полукатеноидальный боек будет генерировать импульс, в котором амплитуда нарастает с интенсивностью, повышающейся во времени, а максимальное значение амплитуды выше, чем для бойков, для которых процесс соударения с длинными стержнями описан аналитически.

В таком ударнике образующей является цепная линия - катена, описываемая в прямоугольной системе координат функцией гиперболического косинуса:

ґ X X Л

У = -

а

= а • еИ

X

где а - параметр катены.

Можно предположить, что практическое использование полукатенои-дальных бойков, описываемых данным уравнением, в ударных системах технологического назначения не получило широкого применения по той причине, что прямое использование этого уравнения для построения бойков приводит к быстрому увеличению его радиального размера, что, естественно, приводит к габаритам, непригодным для применения в практике горного дела и строительства.

Однако этот недостаток реального построения полукатеноидальных бойков всё же может быть преодолен. Реализация этой идеи достигается тем, что в качестве образующих, ограничивающих криволинейные поверхности бойков, используются различные участки катены, рассматриваемой в прямоугольной системе ко-

ординат, смещенной и повернутой на определенный угол относительно исходной (рис. 5). Получаемые таким образом бойки, в частности при заданной их одинаковой массе, отличаются тем, что из-за различия форм и длин, они генерируют в волноводах различные по форме упругие ударные импульсы, каждый из которых может являться оптимальным для разрушения какой-либо из различающихся по крепости сред.

Оптимальность ударного импульса подтверждается проведенным сравнительным анализом форм импульсов, генерируемых бойками различных форм (рис. 6). Исследование проводилось с использованием программы, составленной в математическом пакете Мар1е, позволяющей решать задачу о генерировании волновых ударных импульсов в стержневой системе.

Сравнительный анализ оптимальной для разрушения обрабатываемой

среды формы ударного импульса и формы импульса, генерируемого бойками полукатеноидальной формы, показывает, что:

- ударный импульс, генерируемый полукатеноидальным бойком, нарастает на переднем фронте с интенсивностью повышающейся во времени, что соответствует требованию к форме импульса оптимальной формы;

- значение отношения максимальной амплитуды импульса к амплитуде импульса, генерируемого бойком с сечением, равным сечению штанги, более 2 и также превышает значения этого отношения для бойков иных форм.

Однако катеноид вращения, как боек ударных систем технологического назначения, обладая вышеотме-ченными качествами, оказывается весьма сложным телом с точки зрения его изготовления и встраивания в реальную конструкцию машины, т.к. не содержит поршневой ступени, способной обеспечить ему необходимый запас продольной устойчивости. Учитывая это обстоятельство, был предпринят поиск форм ударников, которые бы, обладая преимуществами катеноида, могли быть установлены в конструкции современных ударных систем.

Рис. 6. Ударные импульсы, генерируемые бойками различных форм, а именно:

1 - полукатеноидальным; 2 -гиперболическим; 3 - коническим; 4 - цилиндрическим бойком равного со штангой сечения; 5 - цилиндрическим, с сечением большим сечения штанги

На рис. 7 показана возможная практическая реализация катеноидных бойков.

Представленный боек ударного механизма содержит цилиндрическую поршневую часть 1, обеспечивающую ему устойчивое положение в корпусе механизма, и цилиндрическую ударную часть 2. В основном материале бойка выполнена внутренняя полость 3, заполненная материалом с удельным весом, отличным от удельного веса основного материала бойка. Форма внутренней полости представляет собой тело вращения, радиус наружной окружности которой в поперечном сечении любого вырезанного элементарного слоя определяется по формуле:

г =

где К - внешний радиус поперечного сечения основного материала бойка; р - приведенный радиус поперечного сечения бойка; Л - параметр, определяющий отношение удельных весов основного материала и материала внутренней полости бойка.

При таких условиях боек по приведенному удельному весу будет идентичен полукатеноидальному по генерируемому импульсу.

Я !

Рис. 7. Практическая реализация катеиоидиых бойков

Таким образом, полу-катеноидальные бойки являются наиболее рациональными с точки зрения эффективности использования энергии удара и могут считаться универсальными с точки зрения их реализации в металле и использования в современных ударных механизмах, ггш

4

2

3

— Коротко об авторах

Дворников ЛТ. - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теории механизмов и машин и основ конструирования,

Жуков И. А. - кандидат технических наук, доцент, заместитель заведующего кафедрой теории механизмов и машин и основ конструирования,

Сибирский государственный индустриальный университет.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 21 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. Л.И. Кантович.

---------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ им. Г.В. ПЛЕХАНОВА

МОЧУЁОВСКИЙ Аркадий Михайлович Совершенствование механизма искусственного искривления скважин скользящими отклонителями непрерывного действия 25.00.14 к.т.н.