WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Ин димир владим в мирови ич обос снован ние па араме етров поро одораз зруша ающег инс го струме ента и гид дравл лическ кой уд дарной маш й шины д для бу урения сква я ажин в горн ных по ор

На правах рукописи

а р и

Т

Тимони Влад

ин димир Владим

В мирови

ич

ОБОС

СНОВАН

НИЕ ПА

АРАМЕ

ЕТРОВ

ПОРО

ОДОРАЗ

ЗРУША

АЮЩЕГ ИНС

ГО СТРУМЕ

ЕНТА И ГИД ДРАВЛ

ЛИЧЕСК

КОЙ УД

ДАРНОЙ МАШ

Й ШИНЫ Д ДЛЯ БУ

УРЕНИЯ СКВА

Я АЖИН В ГОРН

НЫХ ПО

ОРОДАХ

Х Специа альность 05.05.06 «Г Горные ма ашины»

АВТ

ТОРЕФЕР РАТ

диссер ртации на соискание ученой с е степени кандидат технических наук

та к Ново осибирск –

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте горного дела Сибирского отделения РАН

Научный руководитель: член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор Опарин Виктор Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Чанышев Анвар Исмагилович доктор технических наук, профессор Суворов Дмитрий Григорьевич

Ведущая организация – филиал «Центра горно-геологического оборудования» ФГУГП «Урангео»

Защита состоится «19» июня 2009 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 003.019.01 в Учреждении Российской академии наук Институте горного дела Сибирского отделения РАН по адресу: 630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 54.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ИГД СО РАН.

Автореферат разослан «18» мая 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук Попов Н.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Применение погружных гидроударных машин при бурении скважин существенно улучшает показатели эффективности бурения:

повышается процент выхода керна, возрастает скорость бурения, снижаются энергозатраты и стоимость, уменьшается влияние структурных особенностей геологического разреза на эффективность бурения. Гидроударники обеспечивают хорошее сохранение заданного направления скважины, что обусловлено ударным методом разрушения породы на забое, большой жесткостью снаряда, небольшой величиной разработки ствола скважины по диаметру и высокой механической скоростью бурения. Однако, распространенные во всем мире погружные гидроударники используют кинетическую энергию жидкости для преобразования ее в удар и являются машинами динамического типа. Они имеют высокий непроизводительный расход рабочей жидкости, приводящий к размыву стенок скважины в неустойчивых зонах слабых пород, а также низкие значения к.п.д. и энергии удара, недостаточные для реализации эффективного бурения крепких горных пород. Улучшение этих показателей возможно путем создания принципиально новых гидроударников, основанных на использовании потенциальной энергии рабочего тела, т.е. гидрообъемных машин. Они обладают потенциально более высокими энергетическими параметрами и технологическими возможностями.

Самым распространенным и наиболее перспективным породоразрушающим буровым инструментом на сегодня является штыревой. Известно, что при использовании штыревого инструмента происходит значительное снижение энергоемкости процесса бурения, но при этом требуется приложение определенной энергии к штырю. Поэтому при создании высокоэффективной гидрообъемной погружной ударной машины актуальной задачей является согласование энергии удара с конструктивными параметрами бурового инструмента. Это предполагает проведение экспериментальных исследований, направленных на определение достаточной энергии удара, обеспечивающей объемное разрушение породы при минимальных энергозатратах, и поиск рационального расположения штырей в буровом инструменте.

Целью диссертационной работы является обоснование рациональных, с позиции минимизации энергозатрат, параметров бурового инструмента и принципиальной конструктивной схемы погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом для бурения скважин в горных породах средней и высокой крепости.

Идея работы заключается в применении объемного привода в погружной гидравлической ударной машине, а также расположении штыревых инденторов породоразрушающего инструмента в соответствии с условиями обеспечения бурения с минимальной энергоемкостью.

Объект исследования – гидравлическая ударная машина с объемным приводом и геосреда при их взаимодействии.

Предмет исследований – характер взаимодействия инденторов породоразрушающего инструмента с геосредой, рабочий цикл гидравлической ударной машины.

Задачи исследования:

– установить закономерность изменения энергоемкости процесса разрушения горной породы от геометрических параметров вооружения штыревого породоразрушающего инструмента и разработать практические рекомендации по их использованию при проектировании инструмента;

– обосновать принципиальную схему погружной гидравлической ударной машины и экспериментально определить рациональные соотношения площадей рабочих элементов машины для её работы в широком (0,5–4,0 МПа) диапазоне давлений энергоносителя;

– испытать экспериментальный образец погружной гидравлической ударной машины в стендовых условиях, уточнить её рациональные настройки;

– разработать методику расчета основных параметров погружной гидравлической ударной машины с целью обеспечения минимальной энергоемкости процесса разрушения горной породы.

Методы исследований. В работе применен комплексный подход, включающий: научный анализ и обобщение опыта в области создания гидравлических ударных машин и породоразрушающих инструментов к ним; экспериментальные исследования процесса динамического внедрения инденторов в породу и рабочего цикла погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом с применением современных методов и технических средств.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. При ударном взаимодействии геоматериала (мрамор, гранит) с инструментом, оснащенным разрушающими инденторами со сферической торцевой поверхностью, не зависимо от количества инденторов в группе (от 1 до 3 шт.) и расстояния между ними (15 – 25 мм) существует пороговое значение энергии удара, обеспечивающее объемное разрушение материала с минимальной энергоемкостью.

2. Для оценки рационального расположения породоразрушающих инденторов по торцу инструмента и энергетического воздействия на него следует использовать безразмерный энергетический критерий возникновения волн маятникового типа и квазирезонансных явлений в массиве горных пород, зона минимальных значений которого совпадает с зоной минимальной энергоемкости разрушения породного массива.

3. Устойчивая работа гидравлической ударной машины с одной управляемой камерой и автономной системой её питания–разрядки на всем пути движения ударника при давлении энергоносителя в напорной магистрали в диапазоне 0,5–4,0 МПа обеспечивается соотношением рабочих площадей ударника со стороны камер прямого и обратного хода, площади верхнего торца клапана и площади разрядного канала (Sоб.х. · Sзакр.) / (Sразр. · Sпр.х.) = 1,2–1,8, при Sзакр. / Sразр. = 4,0–5,0.

Достоверность научных положений подтверждается сходимостью теоретических и экспериментальных данных, полученных с помощью современных методов исследований.

Научная новизна диссертации:

– установлены условия ударного разрушения горной породы с минимальной энергоемкостью и безразмерный энергетический критерий разрушения породного массива при бурении скважин, позволяющий оценить эффективность использования энергии удара, подведенной к забою;

– установлено совпадение безразмерного энергетического критерия оценки разрушения породного массива и энергетического условия возникновения волн маятникового типа, что свидетельствует о возникновении в зоне минимальной энергоемкости разрушения породы геомеханических квазирезонансных явлений;

– экспериментально доказана работоспособность гидравлической ударной машины объемного типа с одной управляемой камерой в системе распределения энергоносителя и автономной системой ее питания–разрядки на всем пути движения ударника, разработано и запатентовано техническое решение, обеспечивающее повышение частоты ударов ударника и увеличение мощности машины путем сохранения площади сечения сливного тракта максимальной и постоянной на всем протяжении обратного хода ударника;

– определены рациональные геометрические соотношения размеров основных элементов системы распределения энергоносителя, оказывающие наибольшее влияние на устойчивость работы гидравлической ударной машины, и разработан метод расчета ее основных характеристик и параметров породоразрушающего инструмента, обеспечивающие бурение скважин с минимальной энергоемкостью.

Личный вклад автора заключается в разработке методики и проведении экспериментального исследования особенностей процесса разрушения горных пород при динамическом вдавливании группы инденторов, оценке процесса разрушения с точки зрения нелинейной геомеханики; в обработке и интерпретации экспериментальных данных; в разработке конструкции погружной гидравлической ударной машины.

Практическая ценность работы:

– разработана методика расчета погружной гидравлической ударной машины и породоразрушающего инструмента к ней для обеспечения бурения скважин с минимальной энергоемкостью в породах средней и высокой крепости;

– создан и опробован экспериментальный образец погружной гидравлической ударной машины, позволяющий максимально полно использовать энергию рабочей жидкости.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на третьей международной конференции «Проблемы механики современных машин», Улан-Удэ, 2006 г.; Всероссийской научной конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды», Новосибирск, 2006 г., 2008 г.; Всероссийской научной конференции с участием иностранных ученых «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли», Новосибирск, 2007 г.; работа диссертанта отмечена в номинации «Лучшие аспиранты РАН 2007 года».

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано восемь печатных работ, в том числе два патента РФ на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 129 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 85 наименований; содержит 36 рисунков, 24 таблицы.

Автор благодарен своему научному руководителю член-корреспонденту РАН, д.ф.-м.н., профессору В.Н. Опарину за помощь при выполнении работы и осмыслении результатов проведенных исследований, д.т.н., профессору Б.Н. Смоляницкому за отеческую поддержку и внимание, к.т.н. А.А. Липину за научную поддержку. Отдельную благодарность хочется выразить всем сотрудникам лаборатории бурения ИГД СО РАН.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, сформулированы цель и идея работы, научная новизна и практическая ценность, а также научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе – «Состояние вопроса и задачи исследования» – представлен обзор способов бурения и примеры их реализации пневматическими и гидравлическими машинами ударного действия. Анализ исследований, проведенных Н.А. Беланом, Г.В. Арцимовичем, Л.Э. Графом, Е.Ф. Эпштейном, К.И. Ивановым, Б.М. Ребриком, А.И. Федуловым и др., позволил оценить достоинства и недостатки гидравлического и пневматического привода ударных машин и сделать вывод о том, что наиболее рациональным типом импульсного породоразрушающего устройства является гидрообъемное.

Выполнен анализ современных требований к породоразрушающему инструменту для бурения скважин погружными машинами ударного действия с различными энергоносителями. Существенный объем исследований в данном направлении был выполнен Р.М. Эйгелесом, Г.В. Арцимовичем, В.Д. Андреевым, М.Р. Мавлютовым, Н.Н. Павловой, Л.И. Бароном, Л.А. Шрейнером, О.Д. Алимовым, Б.А. Жлобинским. Ими установлены основные параметры породоразрушающего инструмента, которые в наибольшей степени влияют на эффективность разрушения массива. Однако степень их влияния различными учеными оценивается по-разному, и однозначного решения проблемы рационального размещения породоразрушающих инденторов по торцу бурового инструмента нет. Также однозначно не установлены условия ударного разрушения горных пород с минимальной энергоемкостью инструментом штыревого типа. В связи с этим сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.

Во второй главе – «Определение рациональных параметров породоразрушающего инструмента» – представлены результаты физического моделирования процесса внедрения твердосплавных породоразрушающих штырей в горную породу под действием ударной нагрузки, проведенного на специально созданном стенде.

Стенд (рисунок 1) состоит из станины 1, установленного на ней генератора ударных импульсов 2, оснащенного специальным породоразрушающим инструментом, плиты 3 с закрепленным на ней блоком 4 исследуемого материала, имитирующего породный массив. В качестве генератора ударных импульсов был использован пневмоударник П105 Кыштымского машиностроительного завода с конструуктивным измене единичный удар по инстр рументу. В качестве модели породор коронки с одним штыре ем, двуммя 15, 20 и 2 мм др от дру 25 мм по торцу и сунок 2 – Породора азрушающи инстру пользоовавшийся в экспери углах равностороннего тре шения гееоматериа алов, установить о обеспечиввающие э услов парам Инндентор п представл собой стандар Экксперимен прово –д динамичес ское внеддрение од дного индентора;

–в внедрение инструм –в внедрение инструментов с тремя штырями, расположенными в углах ственно;

– внедрение в поверхность мраморного блока одного твердосплавного штыря, последовательно устанавливаемого в вершины равностороннего треугольника со стороной 25 мм, при этом общая энергия, переданная индентору за три удара, равнялась энергии, обеспечивающей разрушение геоматериала с минимальной энергоемкостью при одновременном динамическом вдавливании такого же количества инденторов в заданном расположении.

Диапазон изменения энергии удара (20–150 Дж) при динамическом вдавливании охватывал значения, при которых не происходило заметных изменений механических свойств геоматериалов во вдавливаемой точке поверхности образца породы, и значения, которые кратно превышали уровни энергии, применяемые на практике. Это позволило оценить не только достигнутый уровень эффективности разрушения горных пород при проходке скважин, но и сделать оценку возможности и целесообразности дальнейшего повышения энергии удара машин. Уровень энергии удара определялся по диаграммам давлений энергоносителя в рабочей камере генератора импульсов с использованием теоремы Б.В. Суднишникова о движении массы под действием силы, заданной в функции времени. Он обеспечивался изменением давления воздуха в магистрали.

Оценка эффективности использования подводимой энергии осуществлялась по энергоемкости разрушения где Aуд - энергия удара ударника, Дж; V - объем разрушенной породы, м3.

Известно, что процесс разрушения породы и его энергоемкость в большой мере определяются удельной нагрузкой на забой скважины, поскольку с изменением ее величины может происходить либо усталостное, либо менее энергоемкое объемное разрушение геоматериала. Поэтому определение условий получения объемного разрушения и установление обеспечивающих эти условия параметров рабочего инструмента в сочетании с рациональным энергетическим воздействием является ключевой задачей повышения эффективности бурения.

Под рациональным энергетическим воздействием здесь понимается минимально необходимое и достаточное по энергетическим показателям воздействие породоразрушающего органа машины на забой скважины для того, чтобы эффективно осуществлялся процесс разрушения породного массива без переизмельчения горной породы.

В качестве критерия эффективного объемного разрушения горной породы рассмотрен безразмерный энергетический критерий В.Н. Опарина в представлении (2):

где M – масса пород очаговой зоны объемного разрушения; – скорость продольной волны для соответствующего типа пород объемом V (M = · V, – плотность пород); и – коэффициенты с положительными значениями, лежащими в достаточно ограниченном диапазоне; W – энергетическая характеристика очаговой зоны разрушения, которая может иметь различное представление в зависимости от использования той или иной «априорной» информации.

Возникновение волны маятникового типа происходит лишь при внешних энергетических воздействиях W, при которых 1 4, = 9.

Для очаговых зон землетрясений или горных ударов практически всех энергетических классов, W – это значение излучаемой сейсмической энергии из соответствующих этим зонам породных объемов (V). Какая доля накопленной потенциальной энергии U0 в очаге при этом излучается в виде сейсмической энергии – вопрос в значительной мере открытый, хотя многие исследователи полагают, что ее можно оценивать по значению коэффициента – сейсмического действия подземных взрывов соответствующей энергии (отвечающей сравниваемому классу землетрясения или горного удара), т.е. W = (V) · U0.

Как видно из таблицы 1, возрастание энергии взрывов на три порядка приводит к возрастанию коэффициента сейсмического действия подземных взрывов лишь на один порядок. Поэтому можно ожидать, что при механическом разрушении горных пород для E0 ~ 103 Дж значение коэффициента составляет 1,5 · 10–6.

Выполненные эксперименты позволили дать оценку коэффициента (в данном случае импульсного породоразрушающего воздействия механического инструмента на горный массив), а также определить рациональное расположение инденторов на рабочей поверхности породоразрушающего бурового инструмента.

По результатам экспериментов построены графики, отображающие зависимость энергоемкости процесса разрушения от энергии единичного удара для каждой комбинации инденторов. На рисунке 3, для примера, приведены зависимости энергоемкости процесса разрушения от энергии единичного удара для инструментов, вооруженных тремя породоразрушающими штырями при различных расстояниях между ними.

Табллица 1 – Д Динамическ параметры очаго коровых землетря взрывов п М.А. Сад Примечан ние: 1) черт над математическим символами – средние величи В табблице: Y – мощность взрыва, кT E0 – полн энергия очаговой зоны землетрясений, эрг; Ec – с сейсмическ энергия эрг; Vc – объем очаг разрыва, ккм.

ударника для гра На рисунке 4 приведены графики зависимостей энергетического критерия k от энергии единичного удара ударника при его воздействии на инструмент, вооруженный тремя породоразрушающими штырями. При этом использовалась формула (2) в ее модифицированном к условиям эксперимента варианте:

где E0 – подводимая на разрушаемую поверхность энергия от породоразрушающего инструмента.

Значения, V, p для испытуемых геоматериалов определялись экспериментально.

Анализ результатов экспериментов показал, что при 1 4, = 9 коэффициент принимает значение, равное 1,5 · 10–6. Учитывая приведенный выше прогноз порядковых величин для (путем экстраполяции табличных данных М.А. Садовского), это значение является удовлетворительным.

Рисунок 4 – Зависимости безразмерного энергетического критерия от энергии единичного удара ударника для гранита (а) и мрамора (б) при вооружении породоразрушающего инструмента тремя штырями на расстоянии 15, 20 и 25 мм друг от друга Таки образо устано ля исследоваанных пар раметров вооруже ения пороодоразрушшающего о инструмеента энер падает до определленного ппороговог значен рисунок 3;

– пр равном количе ния порооды является прак ктически постоянн величиной; для гранит значеной та - ние миниимальной энергое составил (1,5–1, –п при пооче ередном внедрени инден геоматер риалов с существен нно выш чем при одн группы иинденторров, что м пряжени соседних по гру Су учетом крритерия мминимиза ации энеергозатрат экспери гии единничного уудара маш рами при разруше где х – р расстояни между индентор При проекти мостям р рекоменд дуется опрределять расстоян между инденто лов аналогичные зависимо ости необх ходимо получить.

В третьей главе – «Обоснование параметров погружной гидравлической ударной машины» – приведен анализ принципиальных схем и конструкций погружных и выносных гидравлических ударных машин на основе данных, представленных О.Д. Алимовым, В.Б. Войцеховским, В.Ф. Горбуновым, В.Э. Еремьянцем, Д.Н. Ешуткиным, А.Ф. Кичигиным, А.Г. Лазуткиным, В.К. Манжосовым, Г.Г. Пивнем, Л.С. Ушаковым, А.И. Федуловым, И.А. Янценым и другими исследователями. На основе анализа впервые предложена конструкция погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом и пружинным аккумулятором (рисунок 6). От известных машин её отличает оригинальная конструкция распределительной системы питания– разрядки управляемой камеры рабочего хода ударника, включающая дифференциальный клапан, обеспечивающий подачу в камеру рабочего хода рабочей жидкости на всем пути движения ударника в фазе прямого хода. Это обеспечивает разгон ударника до необходимой предударной скорости, а также принудительную разрядку (вытеснение жидкости) камеры рабочего хода в фазе обратного хода, позволяющую двигаться ударнику с минимальным противодавлением со стороны камеры обратного хода, тем самым, сокращая обратный ход ударника без потери энергии удара и увеличивая частоту ударов работы машины. Наличие в пружинном аккумуляторе обратной связи обеспечивает работу пружин с постоянной нагрузкой, вне зависимости от глубины бурения и высоты столба жидкости над машиной.

Реализация этой схемы осуществлена в экспериментальном образце одного из самых распространенных типоразмеров, обеспечивающем бурение скважин диаметром 110 мм и глубиной до 200 м в породах средней и высокой крепости.

При этом из конструктивных соображений диаметр корпуса принят равным 93 мм, а расход рабочей жидкости (вода) – 50-120 л/мин.

В четвертой главе – «Экспериментальные исследования погружной гидравлической ударной машины» – описаны стендовые испытания опытного образца погружной гидравлической ударной машины, изготовленной по предложенной схеме (рисунок 6).

Стендовая установка для экспериментального определения энергетических параметров опытного образца погружной гидравлической ударной машины представлена на рисунке 7.

1 – сливной тракт; 2 – пазы в гильзе; 3 – ударник; 4 – шток; 5 – канал в штоке; 6 – канал в переходнике; 7 – переходник; 8 – клапан; 9 – паз в гильзе; 10 – камера прямого хода; 11 – гильза; 12 – камера обратного хода; 13 – корпус; 14 – наковальня; – шток аккумулятора; 16 – переходник аккумулятора; 17 – поршень аккумулятора;

18 – корпус; 19 – пружина; 20 – гильза; 21 – упор; 22 – заглушка; 23 - переходник Рисунок 6 – Схема погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом и пружинным аккумулятором Экспериментальный стенд состоит из массивной станины 1, установленной на фундаменте 2 и закрепленной на нем анкерными болтами. На станине смонтировано прижимное устройство 3 с пневматическим приводом, обеспечивающее прижим гидравлической ударной машины 4. Образец устанавливался на энергопоглотитель 5. Рабочая жидкость подавалась к гидроударнику через переходник 6 от насоса марки АНБ-22. Для регистрации давления в камерах погружной гидравлической ударной машины использовались пьезоэлектрические датчики 7 серии Т-500-2, передающие элекРисунок 7 – Стенд для экспетрический заряд через сетевой микропроцессорный риментального исследования одноканальный усилитель заряда типа 5011 на ана- погружной гидравлической логово-цифровой преобразователь Е 14-140. ударной машины Регистрация значений измеряемых параметров осуществлялась на персональном компьютере с использованием программных средств L-Graph.

Экспериментальное исследование опытного образца включало в себя: проверку работоспособности гидравлического ударного механизма при различной производительности насоса с целью качественной оценки рабочего процесса (получение диаграмм давление–время) и количественного определения его основных параметров (энергии и частоты ударов, расхода рабочей жидкости, времени прямого и обратного хода ударника); определение влияния рабочих площадей ударника со стороны камер прямого и обратного хода, площади верхнего торца клапана и площади разрядного канала на устойчивость работы погружной гидравлической ударной машины в диапазоне давлений энергоносителя 0,5–4,0 МПа в напорной магистрали.

Диаграмма изменения давлений в рабочих камерах погружной гидравлической ударной машины в установившемся режиме работы при подаче рабочей жидкости 90 л/мин представлена на рисунке 8. Она свидетельствует об устойчивой работе системы, то есть без ощутимых сбоев и нарушений рабочего цикла. Анализ диаграмм позволяет отметить, что при осуществлении подачи рабочей жидкости в машину, в магистрали отсутствуют пики давления, тогда как в камере обратного хода они достигают трех-пяти кратных значений величины рабочего давления. Это свидетельствует о нормальном функционировании аккумулятора, который эффективно гасит возникающие пики давлений в напорной магистрали.

Детальное рассмотрение процесса обратного хода ударника позволило выделить характерные участки его движения. Начальный участок - характеризует процесс разрежения в камере прямого хода. Основной участок - начало которого отмечается скачком давления в камере прямого хода в результате набегания ударника на шток переходника и резкого уменьшения площади сливного тракта. На этом участке устанавливается равномерное движение ударника до команды на переключение клапана в положение «прямой ход». На следующем участке давление в камере прямого хода увеличивается и клапан открывается.

Далее ударник, останавливается и меняет направление своего движения на обратное.

При прямом ходе ударника можно также выделить характерные участки движения. Один из них характеризует движение ударника под магистральным давлением жидкости, а второй – движение ударника по инерции после схода его со штока переходника. На втором участке магистраль напрямую соединена со сливом через камеру прямого хода для образования на клапане перепада давления. Поэтому он определяет четкость переключения клапана в положение «обратный ход», которое происходит в момент удара ударника по инструменту, что отмечается на диаграмме совпадением импульса удара с первым импульсом давления в камере обратного хода.

1 – удар ударника по инструменту; 2 – набегание ударника на шток переходника;

3 – команда на переключение клапана в положение «прямой ход»; 4 – начало прямого хода; 5 – команда на перекидку клапана в положение «обратный ход»; 6 – начало Рисунок 8 – Диаграмма давлений гидравлической ударной машины с аккумулятором при производительности насоса 90 л/мин Определение соотношений рабочих площадей ударника со стороны камер прямого и обратного хода, площади верхнего торца клапана и площади разрядного канала проводилось в два этапа: 1 – выбор рационального отношения площадей ударника со стороны камер прямого и обратного хода, обеспечивающего предотвращения преждевременной перекидки клапана в положение «прямой ход»; 2 – определение площади верхнего торца клапана, при которой ударная машина работает в широком (0,5–4,0 МПа) диапазоне давлений.

В результате анализа полученных экспериментальных данных определены и запатентованы соотношения1 рабочих площадей ударника со стороны камер прямого и обратного хода, площади верхнего торца клапана и площади разрядного канала, при которых гидроударник устойчиво работает в заданном диапазоне давлений в напорной магистрали энергоносителя (0,5–4,0 МПа).

Эти соотношения описываются уравнением Патент РФ № где Sпр.х. – площадь ударника со стороны камеры прямого хода, мм2; Sоб.х. – площадь ударника со стороны камеры обратного хода, мм2; Sзакр. – эффективная площадь клапана, работающая на его закрытие, мм2; Sразр. – площадь разрядного канала, мм2.. Значение коэффициента k изменяется в диапазоне 1,2-1,8.

Для работающей машины с реализованными в ней рациональными соотношениями конструктивных параметров получена зависимость выходных характеристик от количества подаваемой рабочей жидкости, представленная на рисунке 9.

Рисунок 9 - Зависимость параметров экспериментального образца погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом от количества подаваемой рабочей жидкости Всплеск давления в камере прямого хода на обратном ходе ударника, вызванный резким ступенчатым уменьшением площади сливного тракта вследствие набегания ударника на шток переходника (рисунок 8) – является негативным фактором. С целью его устранения найдено и запатентовано техническое решение2, позволяющее оставлять площадь сечения сливного тракта максимальной и постоянной на всем протяжении обратного хода ударника. В результате его применения можно ожидать повышения частоты ударов ударника, увеличения мощности машины и, как следствие, повышения эффективности её работы.

Предложенное техническое решение, представленное на рисунке 10, заключается в установке внутри штока 1 втулки 2 с дросселирующими отверстиями 3 в районе заклапанной полости и пружины 4. При работе втулка 2 периодически перекрывает радиальные окна 5, образованные в штоке 1. При обратном ходе ударника 6 рабочая жидкость сначала малым потоком идет через Патент РФ № дросселирующие отверстия 3 в сливной тракт 7, тем самым, создавая перепад давления на втулке 2. Сила, создаваемая перепадом давления, сжимает пружину 4,перемещая втулку 2 и открывая, тем самым, радиальные окна 5, образованные в уравниваются, и она под действием пружины 4 возвращается в своё исходное положение, закрывая радиальные окна 5 в штоке 1.

Рисунок 10 – Погружная гидравударника со стороны камер прямого и обратлическая ударная машина с дополнительной системой разрядки на ного хода, площади верхнего торца клапана и всем протяжении обратного хода площади разрядного канала, при которых ударника работает в диапазоне давлений (0,5–4,0 МПа) в напорной магистрали энергоносителя, что подтверждается диаграммами давлений в рабочих камерах;

– найдено техническое решение, позволяющее оставлять площадь сечения сливного тракта максимальной и постоянной на всем протяжении обратного хода ударника; в результате повышается частота ударов ударника, увеличивается мощность машины и, как следствие, повышается эффективность её работы.

В пятой главе – «Методика расчета основных параметров бурового снаряда (погружная гидравлическая ударная машина – породоразрушающий инструмент)» – приведена инженерная методика расчета основных параметров системы «погружная гидравлическая ударная машина – породоразрушающий инструмент», разработанная на основе обобщения результатов, полученных при экспериментальном исследовании погружной гидравлической ударной машины и динамического внедрения твердосплавных породоразрушающих штырей в геоматериалы.

Методика включает в себя следующие основные позиции.

В первую очередь, это – размещение породоразрушающих штырей по торцу инструмента (рисунок 11) группами в количестве трех штырей на равных межцентровых расстояниях с использованием эмпирических зависимостей (4) и (5).

Далее по расчетной энергии удара определяется приведенная энергия, необходимая для разрушения забоя (5). Для этого вводится поправочный коэффициент распределения энергии по забою = 0,5…0,7, вследствие неодновременного взаимодействия породоразрушающих штырей с массивом.

По соотношениям (4) определяются конст- Рисунок 11 – Пример руктивные параметры гидравлической ударной схемы расположения машины, значения которых используются при твердосплавных штырей В таблице 2 приведены рассчитанные по предложенной методике и экспериментально установленные характеристики для погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом диаметром 93 мм для бурения скважин сплошным забоем в мраморе.

Таблица 2 – Технические характеристики погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом № Технические характеристики Рассчитанные Экспериментально установленные Таким образом, предложенная методика позволяет обосновать параметры породоразрушающего инструмента, согласовать и рассчитать энергетические и геометрические характеристики погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом, обеспечивая, тем самым, оптимальное по энергоемкости объемное разрушение породы при бурении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся научно-квалификационной работой, изложены научно обоснованные технические разработки, имеющие существенное значение для экономики горной отрасли. На основе результатов выполненных теоретических и экспериментальных исследований дано обоснование параметров погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом и породоразрушающего инструмента к ней, реализация которых обеспечивает минимизацию энергетических затрат при бурении.

Основные научные и практические результаты работы.

1. Установлено, что к одному из перспективных направлений развития базовой для горного дела технологии бурения скважин, относится разработка погружных гидравлических ударных машин с объемным приводом. Они легко вписываются в подземные выработки, в том числе, малого сечения, не требуют дорогостоящего крупногабаритного бурового оборудования, обеспечивают достаточную точность направления бурения скважин.

2. Экспериментально доказано, что при разрушении породного материала инструментом, оснащенным инденторами со сферической торцевой поверхностью, существует пороговое значение энергии удара, обеспечивающее объемное разрушение геоматериала с минимальной энергоемкостью. Соответствующий пороговому значению энергии удара безразмерный энергетический критерий механического воздействия ударника на породу совпадает с энергетическим условием возникновения волн маятникового типа, и свидетельствует о том, что в зоне минимальной энергоемкости возникают геомеханические квазирезонансные явления.

3. Доказана работоспособность созданного в ИГД СО РАН экспериментального образца гидравлической ударной машины объемного типа с одной управляемой камерой в системе распределения энергоносителя и автономной системой ее питания–разрядки на всем пути движения ударника, разработано и запатентовано техническое решение, обеспечивающее повышение частоты ударов ударника и увеличение мощности машины, повышение эффективности её работы.

4. Экспериментально установлено соотношение рабочих площадей ударника со стороны камер прямого и обратного хода, площади верхнего торца клапана и площади разрядного канала, при котором гидравлическая ударная машина работает устойчиво в диапазоне давлений 0,5–4,0 МПа в напорной магистрали энергоносителя.

5. Разработана методика расчета основных параметров погружной гидравлической ударной машины и породоразрушающего инструмента для реализации оптимального по энергоемкости объемного разрушения породы.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Липин А.А. Погружные гидроударники объемного типа [Текст] / А.А. Липин, В.В. Тимонин. Горный журнал, №12, 2006, с. 57–58.

2. Липин А.А. Современные погружные ударные машины для бурения скважин [Текст]/ А.А. Липин, В.В. Тимонин, А.С. Танайно. Каталог-справочник // Горная техника, Санкт-Петербург, 2006, с. 116–123.

3. Тимонин В.В. Динамика, конструктивные и энергетические параметры погружного гидроударника с объемным приводом для бурения скважин в горных породах [Текст] / В.В. Тимонин. Материалы третьей международной конференции // Проблемы механики современных машин, том I, Улан-Удэ, 2006, с.

117–121.

4. Тимонин В.В. Оптимизация соотношений конструктивных параметров погружной гидравлической ударной машины объемного типа [Текст] / В.В. Тимонин. Труды научной конференции с участием иностранных ученых // Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды. Новосибирск, 2007, с. 51–53.

5. Тимонин В.В. Оценка процесса разрушения горных пород при динамическом вдавливании группы инденторов с точки зрения нелинейной геомеханики [Текст] / В.В. Тимонин. Труды научной конференции с участием иностранных ученых // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. Новосибирск, 2008, с. 470–474.

6. Пат. 2300618 Российская Федерация, МПК7: Е 21 В 4/14, Е 21 В 1/26.

Погружной гидроударник [Текст]/ Тимонин В.В.; заявитель и патентообладатель ИГД СО РАН. – 2006100970; заявл. 10.01.2006; опубл. 10.06.2007, Бюл.

№ 16. –6 с.: ил.

7. Пат. 2307911 Российская Федерация, МПК Е 21 В 4/14,Е 21 В 1/ (2006.01.). Погружной гидроударник [Текст]/ Тимонин В.В.; заявитель и патентообладатель ИГД СО РАН. – 2006114656; заявл. 28.04.2006; опубл. 10.10.2007, Бюл. № 28. –5 с.: ил.

Подписано к печати 12.05.2009 Формат 68 84 / Печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № Учреждение Российской академии наук Институт горного дела СО РАН 630091, г. Новосибирск, Красный проспект,



Похожие работы:

«ЭНБОМ Екатерина Александровна НЕКОТОРЫЕ КРАЕВЫЕ ЗАДАЧИ ДЛЯ ВЫРОЖДАЮЩИХСЯ ГИПЕРБОЛИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ ТРЕТЬЕГО ПОРЯДКА В ТРЕХМЕРНЫХ ОБЛАСТЯХ 01.01.02 -дифференциальные уравнения АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Казань - 2003 Работа выполнена на кафедре математического анализа Самарского государственного педагогического университета. Научный руководитель : заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук,...»

«Грибов Андрей Геннадьевич АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ ОБМЕНОВ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ Специальность 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва – 2011 Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Вычислительный центр им. А.А. Дородницына РАН в Отделе прикладных проблем оптимизации. Научный руководитель : доктор физико-математических наук...»

«Сасин Антон Владимирович ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРЯДА В СКРЕЩЕННЫХ ПОЛЯХ В НЕОНЕ Специальность: 01.04.04 — физическая электроника АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Петрозаводск 2010 Работа выполнена на кафедре экспериментальной и общей физики физико-математического факультета ГОУВПО Карельской государственной педагогической академии Научный руководитель : Кандидат физ.-мат. наук, профессор Вагнер Саул Давидович Официальные...»

«Поспелов Алексей Игоревич Методы многокритериальной целочисленной оптимизации, основанные на аппроксимации границы Парето 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва 2010 Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Вычислительный центр им. А. А. Дородницына РАН Научный руководитель : доктор физико-математических наук, профессор Лотов...»

«Горбунов Михаил Александрович ФОРМИРОВАНИЕ СТРАТЕГИИ ДИВЕРСИФИКАЦИИ ОРГАНИЗАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНСТРУМЕНТАРИЯ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИННОВАЦИОННО-ИНДУСТРИАЛЬНЫХ ПРОЕКТОВ Специальность 08.00.05 – Экономика и управление народным хозяйством (менеджмент) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата экономических наук Новосибирск – 2012 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева Научный доктор...»

«УДК 510.5, 519.7 Васильев Александр Валерьевич Эффективные алгоритмы в модели квантовых ветвящихся программ Специальность: 01.01.09 дискретная математика и математическая кибернетика Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Казань – 2009 Работа выполнена на факультете вычислительной математики и кибернетики Казанского государственного университета. Научный руководитель : доктор физико-математических наук, профессор Фарид...»

«Грицевич Андрей Валерьевич Некоторые новые эффекты структурной и пространственной неоднородности в полимерных системах Специальность 02.00.06 – Высокомолекулярные соединения АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва – 2008 www.sp-department.ru Работа выполнена на кафедре физики полимеров и кристаллов физического факультета Московского...»

«МИХАЙЛОВ Александр Валериевич МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СОПРЯЖЕННЫХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ РАССНАРЯЖЕНИЯ БОЕПРИПАСОВ НАПРАВЛЕННЫМ ПОТОКОМ ЛЕДЯНЫХ УДАРНИКОВ. Специальность 05.13.16 – Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (в области технических наук ). АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата...»

«Клёнов Николай Викторович СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ УСТРОЙСТВА, ОСНОВАННЫЕ НА НЕТРИВИАЛЬНЫХ ФАЗОВЫХ И АМПЛИТУДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ СТРУКТУР Специальность 01.04.04 – физическая электроника АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва – 2008 Работа выполнена на кафедре атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Научный руководитель : доктор физико-математических...»

«ЧАЛЫХ АННА АНАТОЛЬЕВНА ВЛИЯНИЕ ДЕФОРМАЦИОННО-ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРСТИК ПОЛИМЕРОВ НА ИХ АДГЕЗИОННЫЕ СВОЙСТВА Специальность физическая химия 02.00.04 АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук Москва - 2003 www.sp-department.ru Работа выполнена в Институте физической химии РАН Научный руководитель : кандидат химических наук, старший научный сотруДJПП Официальные оппоненты : доктор химических наук, профессор Куличихин Валерий Григорьевич...»

«Туэрди Умайэр Резонансное одно- и двухфотонное взаимодействие света с экситонами в квантовых точках CdSe/ZnS Специальность: 01.04.10 – физика полупроводников АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва - 2008 Работа выполнена на кафедре физики полупроводников Физического факультета Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова. Научный руководитель : доктор физико-математических наук, доцент Е.А. Жуков...»

«СЕРИКОВ АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ И ФАЗООБРАЗОВАНИЕ В СИСТЕМЕ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ОКСИДОВ TiO2-NiO Специальность 02.00.21 – химия твердого тела АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук Челябинск 2010 1 Работа выполнена в ГОУ ВПО Челябинский государственный педагогический университет и в ГОУ ВПО Южно-Уральский государственный университет Научный руководитель : кандидат химических наук Гладков Владимир Евгеньевич Официальные оппоненты :...»

«ПРИЩЕПИН БОРИС ИВАНОВИЧ РАЗРАБОТКА И АПРОБАЦИЯ МОДЕЛЕЙ СИСТЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ ПЕРСОНАЛА ЕС ОрВД РФ Специальность – 05.22.13. Навигация и управление воздушным движением АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург 2005 2 Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования СанктПетербургский государственный университет гражданской авиации на кафедре Организация...»

«Гордеев Егор Юрьевич Спектрально-кинетические и лазерные характеристики кристаллов Na0,4Y0,6F2,2, активированных редкоземельными ионами Специальность 01.04.05 – оптика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Казань – 2010 2 Работа выполнена на кафедре квантовой электроники и радиоспектроскопии физического факультета ФГАОУВПО Казанский (Приволжский) федеральный университет Научный руководитель : кандидат физико-математических...»

«Гао Цзесин ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ МЕТАМАТЕРИАЛОВ АНАЛИТИЧЕСКИМИ И ЧИСЛЕННЫМИ МЕТОДАМИ 01.01.03 – Математическая физика Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва – 2011 Научный руководитель : Доктор физико-математических наук профессор Боголюбов Александр Николаевич Официальные оппоненты : Доктор физико-математических наук профессор Беланов Анатолий Семенович Доктор физико-математических наук...»

«Сидоров Евгений Николаевич ОСОБЕННОСТИ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СИЛЬНО ЛЕГИРОВАННОГО GaAs:Te В УСЛОВИЯХ КОРРЕЛИРОВАННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИМЕСИ Специальность 01.04.10 – физика полупроводников АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико–математических наук Томск – 2010 Работа выполнена в Омском филиале Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН Научный руководитель : кандидат физико–математических наук Давлеткильдеев Надим Анварович Официальные...»

«Круткова Елена Юрьевна ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АНИЗОТРОПНЫХ КРЕМНИЕВЫХ СТРУКТУР Специальность 01.04.10 физика полупроводников АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва – 2007 1 Работа выполнена на физическом факультете Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова Научный руководитель : доктор физико-математических наук Тимошенко Виктор Юрьевич Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук...»

«БЕЛЯЕВ Владимир Сергеевич МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ В СИСТЕМАХ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ Специальность 05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург 2005 1 Работа выполнена на кафедре Прикладная математика ГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Научный руководитель :...»

«Щекин Алексей Андреевич Исследование углеродных наноструктур комбинированным методом атомно-силовой микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния Специальность 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Зеленоград, Москва 2011 Работа выполнена в ЗАО Нанотехнология-МДТ, Зеленоград, Москва Научный руководитель : доктор технических наук, профессор Быков Виктор Александрович...»

«ХАСБИУЛЛИН ИЛЬНАЗ ИЛЬФАРОВИЧ СЕЛЕКТИВНАЯ ОЛИГОМЕРИЗАЦИЯ ЭТИЛЕНА В ГЕКСЕН-1 ПОД ДЕЙСТВИЕМ РАСТВОРИМЫХ КОМПЛЕКСНЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ НА ОСНОВЕ ХРОМА (III) 02.00.06 – Высокомолекулярные соединения АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук Казань – 2013 www.sp-department.ru Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Казанский национальный исследовательский...»














 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.