Разработка и определение параметров экспериментального стенда силового гидроимпульсного механизма

Представлена физическая модель гидроимульсных механизмов бурильных машин с одним и двумя колебательными контурами. Получены дифференциальные уравнения, описывающие механические и гидравлические процессы, протекающие в механизме за весь цикл его работы. На основании полученных результатов разработана схема экспериментального стенда гидроимпульсного механизма и рассмотрен вопрос определения его параметров.

Ключевые слова:гидроимпульсный механизм, резонанс, собственная частота, экспериментальный стенд.

В настоящее время при разработке месторождений полезных ископаемых, в строительстве, для бурения шпуров и скважин в горных породах, для разрушения каменных и бетонных блоков, твердых покрытий, забивки свай и труб широкое применение находят буровые машины ударно-вращательного действия. Перспективным направлением развития таких машин является их создание на основе безбойкового гидроимпульсного механизма.

В работах [1–4] была представлена принципиальная схема силового гидроимпульсного механизма для интенсификации бурения скважин малого диаметра (рис. 1).

Импульсы давления жидкости формируются следующим образом. При работе гидропульсатора, плунжер совершает возвратно-поступательное движение, при этом создаются импульсы давления жидкости, которые передаются в гидроцилиндр. Так как гидроцилиндр поджат упругой силой, происходит его раскачка вместе с инерционной массой m. При этом происходит периодическое преобразование кинетической энергии массы m в потенциальную энергию деформированной системы жидкости и рукава — повышению давления в системе и обратно. При режиме работы системы близкого к резонансному, возникают импульсы давления значительной величины, которые через поршень и буровую штангу передаются на обрабатываемую среду.

Рис. 1. Модель гидроимульсного механизма: 1 — гидроцилиндр с активной массой; 2 — плунжер; 3 — рукав высокого давления (РВД); 4 — бурильный инструмент; 5 — разрушаемая порода

Была получена система дифференциальных уравнений, описывающих процессы, происходящие при работе гидроимпульсного механизма:

Здесь: m — масса, прикрепленная к корпусу гидроцилиндра; – коэффициент трения между поршнем и гидроцилиндром; с — жесткость пружины; p — давление в гидроцилиндре; – постоянное усилие поджима; – площадь поршня гидроцилиндра; – площадь плунжера;  — приведенный момент инерции вращающихся деталей ротора; – приводной момент двигателя; χ — коэффициент демпфирования; r — радиус кривошипа; – коэффициент упругости рукавов высокого давления.

Для проверки теоретических исследований на кафедре Теоретической и прикладной механики Томского политехнического университета, разрабатывается экспериментальный стенд гидроимпульсного механизма.

Схема механической части стенда представлена на рис. 2. Неподвижная рама 1, изготовлена из швеллеров и стальных листов. Подвижное основание 2, из листовой стали толщиной 20 мм, может свободно перемещаться относительно рамы в продольном направлении с помощью цилиндрических роликов 3. Гидроцилиндр 4 жестко соединен с подвижным основанием 2 с помощью стойки 5, которая крепится к основанию с помощью болтов. Гидроцилиндр поджат в раме с помощью пружины сжатия 6, которая фиксируется в установке с помощью стаканов 7. Активная масса установки может меняться с помощью грузиков 8. Силовые импульсы, создаваемые установкой, замеряются датчиком силы 9, размещенным между штоком гидроцилиндра и рамой. Перемещения подвижного основания относительно рамы замеряются акселерометром 10.

Рис. 2. Схема механической части экспериментального стенда: 1 — рама; 2 — подвижное основание; 3 — ролики; 4 — гидроцилиндр; 5 — стойка; 6 — пружина; 4 — стаканы; 8 — грузы; 9 — измеритель силы; 10 — акселерометр

Гидравлическая часть стенда включает дозировочный плунжерный насос, регулируемый предохранительный клапан давления и трехпозиционный гидрораспределитель (рис. 3). Импульсы давления жидкости создаются за счет неравномерности подачи плунжерного насоса, трехпозиционный распределитель служит для изменения направления потока жидкости. С помощью регулирования предохранительного клапана давления изменяется величина предварительного поджатия пружины.

Рис. 3. Гидравлическая схема экспериментального стенда: 1 — насос; 2 — предохранительный клапан; 3 — гидрораспределитель; 4 — гидроцилиндр

Как было показано в [3], амплитуда импульсов давления будет максимальна в резонансном режиме, когда

Для определения величины активной массы, чтобы система находилась в резонансе, преобразуем:

Частота вращения приводного вала плунжерного насоса равнамин^-1. Следовательно с^-1.

Диаметр поршня гидроцилиндра равен мм, следовательно его площадь будет м².

Жесткость пружины была измерена экспериментально и составила H/м.

Коэффициент упругости РВД также был найден экспериментально и оказался равен м³/ Па.

Найдем требуемую активную массу:

кг.

Доработка экспериментального стенда, экспериментальные исследования и их сравнение с аналитическими расчетами является предметом дальнейшего исследования.

Выводы:

1.                  Была представлена методика расчетов параметров гидроимпульсного механизма исходя из условия его работы в резонансном режиме.

2.                  Изменяя величину активной массы и коэффициента объемной упругости РВД можно подобрать параметры гидроимпульсного механизма так, чтобы он работал в режиме близком к резонансному при заданной частоте силовых импульсов.

3.                  Жесткость поджимной пружины мало влияет на остальные параметры гидроимпульсного механизма, т. к. .

4.                  Наибольшее влияние на требуемую величину активной массы механизма оказывает коэффициент объемной упругости РВД.

Литература:

1.                  Пашков Е. Н., Зиякаев Г. Р., Кузнецов И. В. Дифференциальные уравнения процессов гидроимпульсного силового механизма бурильных машин / Пашков Е. Н., Зиякаев Г. Р., Кузнецов И. В. // Приволжский научный вестник. — 2013. — № 4 (20). — С. 32–36.

2.                  Пашков Е. Н., Саруев Л. А., Зиякаев Г. Р. Математическое моделирование гидроимпульсного механизма бурильных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2011. — № 5 — С. 26–31.

3.                  Pashkov E. N., Ziyakaev G. R., Tsygankova M. V. Differential equations of processes for the hydropuls power mechanism of drill machines // Applied Mechanics and Materials. — 2013 — Vol. 379. — p. 91–94 [6765–2013].

4.                  Патент на ПМ 133152 РФ. МПК7 Е02D 7/10. Гидроимпульсная сваебойная машина / Е. Н. Пашков, Г. Р. Зиякаев, П. Г. Юровский, А. В. Пономарев. Опубл. 10.10.2013 г.