Исследование ударного узла электропневматического бурильного молотка

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 88 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1У56 г.

ИССЛЕДОВАНИЕ УДАРНОГО УЗЛА ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКОГО БУРИЛЬНОГО МОЛОТКА

А. С. СИМОНОВ, Я А. СЕРОВ, В. Ф. ГОРБУНОВ, Н. Н. РОДЮКОВ (Представлено проф., докт. техн. наук Алабужевым П. М.).

Введение

В настоящее время бурение шпуров в крепких породах осуществляется в основном пневматическими бурильными молотками. Существенным недостатком этого способа бурения является высокая стоимость энергии сжатого воздуха. Отсюда вытекает необходимость создания электрических бурильных машин, способных бурить крепкие породы.

За последнее время научно-исследовательскими институтами и заводами было сконструировано и изготовлено несколько новых конструкций электрических и электропневматических бурильных молотков [1].

Достаточно подробно принцип работы ударных узлов электропневматических молотков изложен П. М. Алабужевым в его докторской диссертации [2]. Коллективом кафедры „Горные машины и рудничный транспорт" Томского политехнического института были проведены дополнительные исследования работоспособности ударного узла электропне^вматического молотка при бурении горных пород различной крепости. Целью этих исследований было выявление ш ивыгоднейшего расположения компенсационного отверстия и рациональной величины воздушной подушки, обеспечивающих наибольшую скорость бурения при минимальном удельном расходе мощности проектируемого ТЭМЗом мощного электропневматического бурильного молотка.

Описание экспериментальной установки и обработка

опытных данных

Экспериментальная установка состоит из следующих основных частей: у Арного и поворотного узла, бурового инструмента, устройств для продувки шпура, для подачи бура на забой, опорного узла и контрольно-измерительной аппарату*ы

Ударный узел (рис. 1) состоит из цилиндра 1, поршня 2 и бойка 3. При работе ударного узла боек и поршень совершают возвратно-поступательное движение в цилиндре 1. При движении вперед боек наносит удары по торцовой части передаточной втулки, в которой закреплен буровой инструмент. Возвратно-поступателг>ное движение поршня осуществляется с по-мощью кривошипно-шатунного механизма 4. Кривошипно-шатунный механизм приводится в движение электродвигателем тре> фазного тока 5 (мощностью N — 2.7 Квт, числом оборотов Л —1460 об!Мин) через клнно-ремениую передачу 6 с перетодачным числом 1,12. Между поршнем и бойком находится воздушная подушка, величина которой меняется за счет изменения длины хяоетовика передаточной втулки при помощи шайб 7 в пределах от

7. Из». ТПИ, т. 88

97

О до 65 ММ. Для компенсации утечек воздуха из воздушной подушки вдоль стерла цилиндра имеется ряд компенсационных отверстий 8, которые могут перекрываться винтов чми пробками.

Узел вращения бура состоит из двигателя постоянного тока 9 и редуктора 10. Редуктор состоит из двух пар прямозубых цилиндрических шестерен с общим п редаточным числом ¿ = 5,2. Корпус редуктора прикреплен к передней сте ке цилиндра и к ф\анцевой части электродвигателя. Вращательное движение буровой инструмент получает от передаточной втулки 11, на которой посчжена ведомая шестеряя редуктора. Передаточная втулка имеет удлиненный шиночн^й паз и благодаря этому может не только вращаться вместе с вед.>мэй шестерней редуктора, но и иметь продольное перемещение относительно установленной на ней шестерни 12 В качестве бурового инструмента использован бур с однодолотчатой коронкой с1 — 42 ММ, армированной твердым сплавом ВК-15. Бур изготовлен из буро<юй стали <¿ — 25 Мн> I ~ 1 м. Своим ко ич.;с<им хвостовиком бур входит в торцевое коническое углубление передуто*ной втулки 11, которая и перед»ет ему вращательное и поступательное дчлже ие. Для удаления буровой пыли, образующейся в шпуре, исполыован боковой способ подачи сжатого воздуха в шпур через специальную муфту 13, надетую на передаточную втулку. Воздух, сжатый до давления 2—3 атн, подводится к муфте по гибкому шлангу 14 от компрессора ШВКС 5 Из туфты воздух поступает в поперечный паз передаточной втулки и далее через осевое отверстие передаточной втулки и бура в шпур. Для удалении Суровей пыли из помещения лаборатории использован вентилятор „П оходк! 500".

Подача ударного уз \а с инструментом осуществляется грузом, укрепленным на тр >се. Гр >с переброшен через блок и вторым своим концом укреплен к подвижной части стендл. Подвижная часть стенда представляет собой плиту, на к>гор>1 закреплены ударный и поворотный узлы. Плита, при помощи карэгки и.яеет свободное продольное перемещение по направляющим пазам в л .-нового податчика.

Опорный узел состоит из горизонтальной траверсы и с передвигающейся.по ней о)о1 тл раверса укреплена хомутами к вертикальным стойкам, приваренным к рале установки. Рама установки сварена из двух швеллеров и двух поперечныч угольников. В обойме траверсы крепится винтовой податчик с кареткой и н 1хэдящимся на ней молотком. Конструкция обоймы

позволяет изменять направление бурения как в горизонтальной, так я вертикальной плоскостях.

Бурение шпуров производилось в граните с коэффициентом крепости 1 г~ 13—15 и песчанике с коэффициентом крепости / — 6 — 8.

Образцы породы устанавливались в раме специального стенда и укреплялись домкратами.

Параметры ударного узла

Наименование Показатели

Число ударов, уд/мин 1300

Диаметр цилиндра, ММ 68

Ход псршня, ММ 87

Радиус кривошипа, мм 43,5

Вес бойка, кг 2

Диаметр компенсационного отверстия, ММ 5

Расстояние ме.тду компенсационными отверстиями, мм 10—15

На основании исследований определялись следующие величины:

а) скорость бурения

V — — .60 мм!мин,

I

где I — глубина пробуренного шпура за опыт, мм, I—продолжительность бурения, сек;

б) мощность, потребляемая ударным узлом

= ватт,

где 3 —число фаз,

IV—показание ваттметра в делениях,

30 — постоянная прибора для данных пределов измерения по току и напряжению [<3];

в) мощность, потребляемая узлом вращения

А1вр = и. I ватт,

где и—напряжение постоянного тока, вольт, I — потребляемая сила тока, ампер;

г) число ударов молотка

пм = Пуд уд/мин,

Ьуд

где Пуд — число оборотов электродвигателя ударного узла, IУд — передаточное число клино-ременной передачи;

д) число оборотов бура

пб = Пвр об/мин, 1вр

где пвр—число оборотов электродвигателя узла вращения, 1вР —передаточное число редуктора.

Для построения графиков из таблиц результатов эксперимента определялись.

1. Средне-арифметические значения:

а) скорости бурения, мм мин,

б) мощности, затрачиваемой на удар, ватт,

в) мощности, затрачиваемой на вращение, ватт. По формуле:

Л -

ар. — >

Поп

где 2 А — сумма значений величин за каждую серию опытов (для данного компенсационного отверстия или данной величины воздушной подушки), Л<?п—количество опытов в серии.

2. Объемная работа разрушения по формуле:

Д А, = к , кГм\см\

Vср* ар.

где МСр. ар.—средне-арифметическое значение мощности для данной серии

опытов,

Уср. ар, —средне-арифметическое значение скорости бурения при той же серии опытов,

к — коэффициент диаметра шпура, который может быть определен следующим образом:

ватт _ 0,001 кет.60 сек _ 61,2 кГм

мм\мин 0,1 см см

тс

т. к. 1 см шпура соответствует объему — — Ф' 1 = 0,785 с12см?>, то получим:

4

ватт 61,2 ^ . ,

— кГм/см\

мм! мин 0,785

а так как Л шпура ~ с1 коронки, то

ватт 61,2 , п , ч

— — =-=4,37 кГм\смъу

мм/мин 0,785.4,22

следовательно,

к — 4,37 кГм1см-\

3. Величина средне-квадратичной ошибки для каждого средне-арифметического значения но формуле:

'ОП ~ 1

где — сумма отклонений опытных величин от их средне-арифметического значения,

Поп — количество опытов. Коэффициент вариации (пр оцентныи показател ь средне-квадратичной ошибки):

л 1°'

ар.

Величина средне-квадратичной ошибки и коэффициента вариации дает возможность не только оценить точность опыта, но и судить об устойчивости работы ударного узла при данном режиме.

Полученные значения величин были занесены в таблицы, на основании •которых и построены графики (рис. 2, 3, 4, 5, 6, 7).

Анализ полученных зависимостей

Влияние положения компенсационного отверстия на работу ударного узла

600

4оо

300

гао

Ив графика, рис. 2, видим, что скорость бурения молотка изменяется по некоторой ломаной кривой и максимального значения достигает при работе на 5, 6 и 7 компенсационных отверстиях (рис. 1).

При работе ударного узла на крайних компенса- -громит

ционных отверстиях скорость бурения резко уменьшается и наиболее низкую величину имеет на 8 и 10 компенсационных отверстиях. Следует указать, что при малых скоростях бурения наблюдается наиболее устойчивый режим работы ударного узла как при бурении по песчанику, так и по граниту. При бурении по песчанику ударный узел наиболее устойчиво работает на 4 и 10 компенсационных отверстиях, при бурении по граниту — на третьем отверстии. При больших скоростях бурения (при работе на 5, 6 и 7 компенсационных отверстиях) ударный узел имеет менее устойчивые режимы.

Сравнивая скорости бурения молотка при работе ударного узла на различных компенсационных отверстиях и исходя из устойчивости режима, следует выделить компенсационное отверстие 6. Отверстие 6 расположено на расстоянии 82 ММ от передней стенки поршня (что соответствует ¡78% длины воздушной подушки), когда поршень находится в заднем крайнем положении и на расстоянии 5 мм от кромки поршня при его переднем положении (что соответствует 10,8% длины воздушной подушки).

При работе ударного узла на 6 компенсационном отверстии молоток имеет максимальную скорость бурения и относительно устойчивый режим работы. Так как опыты проводились при постоянном числе ударов в минуту и постоянном числе оборотов бура, то можно предполагать, что скорость бурения изменяется пропорционально изменению ударной мощности. Кривая мощности при бурении по песчанику (рис. 3) несколько напоминает кривую скорости бурения, то есть увеличение скорости бурения соответствует и увеличению мощности, потребляемой ударным узлом. Наибольшего значения мощность достигает при работе на 6, 7 компенсационных отверстиях (что соответствует максимальной скорости бурения), а затем падает и снова уве-

о

£

о

а о

ч

100

Номер.компенсацзнного отберет и,

Рис. 2. Зависимость скорости бурения от положения компенсационного отверстия.

личивается при компенсации утечек на 9 и 10 отверстиях и максимального значения достигает при работе на 11 компенсационном отверстии. При бурении по граниту кривая мощности достигает максимального значения при работе на 7 и 8 компенсационных отверстиях. Кривая мощности при бурении по граниту проходит несколько выше, чем при бурении по песчанику. Расход мощности на удар при бурении по граниту на 30—50% больше.

чем при бурении по песчанику !при тех же режимах ударного узла). Как видно и6 кривых (рис. 3), мощность, потребляемая ударным узлом, не на всех компенсационных отверстиях соответствует энергии удара. На 10 компенсационном отверстии ударная мощность имеет значительную величину, однако энергия удара не большая и скорость бурения низкая.

Мощность, потребляемая при одиннадцатом компенсационном отверстии, выше, чем при шестом и седьмом, а скорость бурения ниже.

Следовательно, с приближением компенсацион ного отверстия к заднему крайнему положению поршня, ударный узел работает менее устойчиво и потребляет большую мощность при меньших скоростях бурения.

Из сопоставления графиков (рис. 2, 3) следует, что мощность, необходимая для вращения бура, находится в обратной зависимости от скорости бурения, а, следовательно, от энергии удара, то есть максимальной энергии удара (на 6 компенсационном отверстии) соответствует минимальная мош ность вращения, а минимальной энергии удара на 10 компенсационном отверстии соответствует максимальная мощность вращения.

При бурении по граниту мощность, потребляемая узлом вращения, - меньше, чем при бурении по песчанику (на 30—50%).

Из рис. 4 видим, что объемная работа разрушения изменяется по кривой, имеющей минимум на 6 компенсационном отверстии (как при бурении по песчанику, так и по граниту). С увеличением номера компенсационного отверстия (приближением его к передней стенке поршня) объемная работа разрушения увеличивается в 2—3 раза и при бурении по граниту она, примерно, раза в два больше, чем при бурении по песчанику.

Из сказанного следует, что максимальным скоростям бурения соответствует минимальная объемная работа разрушения. Таким образом, как при бурении по песчанику, так и по граниту наиболее целесообразно работать на компенсационном отверстии 6 (рис.. Ц-

ЯИНИи - гранит

ЛЕЕР ~ песчанч*

СОО'Л-

$000

£ ¿¡аоо—

X 3000

2ооо

&оо

Номер компенсационного огпберс

Рис. 3. Зависимость ударной мощности и мощности вращения от положения компенсационного отверстия.

Влияние длины воздушной подушки на работу ударного узла

При исследовании влияния длины воздушной подушки на работу ударного узла компенсгция утечек воз ¿уха из воздушной подушки осуществлялась отверстием 6. При изменении длины воздушной подушки скорость бурения (рис, 5, бурение по песчанику) изменяется по кривой, имеющей максимум при длине воздушной подушки равной 46 ММ. С уменьшением или с -увеличением длины воздушной подушки скорость бурения уменьшается на 30—40%. Опыты, проведенные при бурении по граниту, подтверждают максимальное значение скорости при длине воздушной подушки 46 мм, Но при бурении по граниту скорость бурения в 2—3 раза меньше, чем при бурении по песчанику.

Мощность, потребляемая ударным узлом (рис. 6), несколько уменьшается с увеличением длины воздушной подушки. Уменьшение ударной мощности ведет и к уменьшению скорости бурения. При бурении по граниту ударный узел потребляет мощности больше, чем при бурении по песчанику. Мощность, потребляемая узлом вращения (рис. 6), мало изм' няется при изменении длины воздушной подушки, но несколько увеличивается с увеличением длины воздушной подушки, что соответствует уменьшению энергии удара и скорости бурения. Кривая м щнос1*и вращения при бурении по граниту проходит ниже, чем при бурении по песчанику.

Г'

номер Компенсационнаго отёерс т

Рис. 4. Зависимость объемной работы разрушения от положения компенсационного отверстия.

Объемная работа разрушения, (рис. 7—бурение по песчанику) изменяется по кривой, имеющей минимум при длине воздушной подушки равной 46 мм. С увеличением или уменьшением длины воздушной подушки объемная работа разрушения увеличивается. Минимум объемной работы разрушения

Рис. 5. Зависимость скорости бурения от вели^чпы воздушной подушки.

длина Воздушной подуш/ги, мы

Рис 6. Зависимость ударной мощности и мощности вращения от величины воздушной подушки.

при длине воздушной подушки 46 мм подтверждается опытами бурения по граниту. Но при бурении по граниту объемная работа разрушения много выше, чем при бурении по песчанику.

5 *

!

о

о.

о $

ъ ч> о ч

«X

о

*

36 Т/ 46 5/ 56 6/ 2) ли на воздушной подушки, л***

Рис. 7. Зависимость объемной работы разрушения от длины воздушной подушки.

Таким образом, в процессе исследования было установлено, что наивыгоднейшим режимом работы данного молотка следует считать работу: 1) при длине воздушной подушки равной 46 мм и при отношении

R i

43,5 мм 46 мм

9,45,

где R радиус кривошипа, ММ,

10—длина воздушной подушки, мм;

2) при компенсации утечек через отверстие б. Когда поршень находится в заднем крайнем положении, отношение расстояния компенсационного отверстия 6 от передней стенки поршня к длине воздушной подушки равно 1,78; отношение 0,1 соответствует переднему крайнему положению поршня;

о) при работе на шестом компенсационном отверстии молоток имеет максимальную скорость бурения и устойчивый режим работы. Работа на вышеуказанном режиме обеспечивает показатели, помещенные в таблице 1.

При рекомендованных параметрах ударного узла скорость бурения может быть увеличена в 1,5—2 раза за счет:

а) уменьшения скорости вращения бура с 360—420 до 150 оборотов в минуту [4];

б) увеличения усилия подачи с 20—25 до 50 кг [5|.

Таблица 1

Гсрна» порода

Максимальная Максимальный

скорость удельный расход

бурения 1 мощности,

мм/мин » ватт ¡мм¡мин

Минимальная объемная работа разрушения

кгм\смл

Минимальный расход электроэнергии на 1 п. М шпура

Песчаник Гранит

525

210

11,78

25 АН

52 132

0,197 0,425

ЛИТЕРАТУРА

1. Алабужев П. М., Алимов О. Д. К вопросу о конструировании электропкев-матических уашин ударного действия. Известия ТПИ, том 78, 1955.

2. Алабужев П. М. Исследование рабочего процесса электропневматических машин ударного действия. Диссертация, ТПИ, 1954.

3. Инструкция к комплексу измерительных приборов КИП, 1954.

4. Алимов О. Д. О механизме разрушения горных пород при ударно-вращательном бурении. Известия ТПИ, т. 75, 1954.

5. Алимов О.. Д. О влиянии усилия подачи на скорость бурения пневматическими, бурильными молотками. Известия ТПИ, т. 75, 1954.