Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,686

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ БУРЕНИЯ ШПУРОВ С НАЛОЖЕНИЕМ ИМПУЛЬСОВ ОСЕВОГО УСИЛИЯ И КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА НА ИНСТРУМЕНТ

Гринько Д.А. 1
1 ФГБОУ ВО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова»
В статье обоснована необходимость проведения экспериментальных исследований режимов бурения шпуров с дополнительным наложением импульсов осевого усилия и крутящего момента на вращающийся буровой резец. Для проведения экспериментальных исследований разработана и изготовлена оригинальная конструкция экспериментального стенда для исследования режимных параметров бурения шпуров с возможностью наложения на вращающийся буровой резец дополнительных воздействий. Так же в статье выбран план проведения эксперимента и разработана методика его проведения на основе рототабельного центрально-композиционного планирования (РЦКП). Регрессионные зависимости, полученные с использованием известных методов математической статистики и правил проведения экспериментальных исследований, свидетельствуют о существенном влиянии дополнительных воздействий в виде импульсов крутящего момента и импульсов осевого усилия, накладываемых на вращающийся буровой резец. Импульсы крутящего момента, накладываемые на буровой резец, повышают скорость бурения шпуров за счет создания дополнительных напряжений сдвига в разрушаемой породе, однако наибольший прирост скорости бурения шпура достигается при совместном наложении в одной фазе импульсов осевого усилия и крутящего момента на буровой резец, что обеспечивает дополнительное внедрение инструмента в породу и способствует ее объемному разрушению, что в конечном счете повышает скорость бурения.
режимные параметры
бурение шпуров
импульс осевого усилия
импульс крутящего момента
скорость бурения
экспериментальный стенд
1. Крапивин М.Г. Горные инструменты / М.Г. Крапивин, И.Я. Раков, Н.И. Сысоев. – М.: Недра, 1990. – 256 с.
2. Лагунова Ю.А. Машиностроение. Энциклопедия / Ю.А. Лагунова, А.П. Комиссаров, В.С. Шестаков, С.В. Белов, Л.А. Гаврилова, И.Ю. Иванов, Н.П. Косарев, К.П. Порожский, Н.В. Савинова, Н.М. Суслов, А.Д. Табарин, С.Г. Фролов, С.А. Червяков, В.Е. Эпштейн; ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. – М.: Машиностроение. Горные машины. Т. IV–24, 2011. – 496 с.
3. Цехин, А.М. Горные машины и проведение горных выработок: учеб. пособие / А.М. Цехин, А.Ю. Борисов. – Кемерово: КузГТУ имени Т.Ф. Горбачева, 2013. – 176 с.
4. Гринько Д.А. Повышение эффективности бурения шпуров путем управляемого наложения импульсов осевого усилия и крутящего момента на буровой резец // Пром-Инжиниринг: труды II международной научно-технической конференции. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2016. – С. 235–238.
5. Гринько Д.А. Метод расчета и поддержания рациональных режимных параметров бурильной машины мехатронного класса: дис. ... канд. техн. наук: 05.05.06. – Новочеркасск, 2015. – 158 с.
6. Гилёв А.В. Проектирование рабочих органов и режимных параметров буровых станков для сложноструктурных горных массивов: монография / А.В. Гилёв, А.О. Шигин, В.Д. Буткин, – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. – 318 с.
7. Алимов О.Д. Бурильные машины / О.Д. Алимов, Л.Т. Дворников. – М.: Машиностроение, 1976. – С. 295.
8. Пат. 2516042 Российская Федерация, МПК E 21 B 3/00, E 21 C 39/00. Стенд для исследования режимов бурения горных пород / Сысоев Н.И., Мирный С.Г., Гринько Д.А.; заявитель и патентообладатель федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)». – 2012151807/03; заявл. 03.12.12; опубл. 20.05.2014, Бюл. 14. – С. 3.
9. Сысоев Н.И. Основы теории функционирования бурильных машин вращательного действия / Н.И. Сысоев, С.Г. Мирный. – Новочеркасск: Южно-Российский государственный технический университет (НПИ), 2006. – 105 с.
10. Буткин В.Д. Буровые машины и инструменты: учебное пособие / В.Д. Буткин, И.И. Демченко. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. – 120 с.
11. Сидняев Н.И. Введение в теорию планирования эксперимента: учеб. пособие / Н.И. Сидняев, Н.Т. Вилисова. – М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2011. – 463 с.

Известно, что на скорость бурения шпуров оказывают значительное влияние такие параметры, как физико-механические свойства разбуриваемой породы (прочность и абразивность), конструкция и степень затупления применяемого породоразрушающего инструмента, а также выбранные режимные параметры бурения (частота вращения инструмента, величина осевого усилия, параметры накладываемых на инструмент импульсов) [1–3]. Перечисленные параметры условно можно разделить на управляемые и неуправляемые, т.е. параметры, значениями которых можно или нельзя управлять в процессе бурения шпура. Если физико-механические свойства разбуриваемых пород и конструкция породоразрушающего инструмента относятся к неуправляемым параметрам, то режимные параметры бурения в процессе работы могут варьироваться в достаточно широких пределах, что относит их к управляемым. Установление рациональных соотношений между управляемыми (режимными) параметрами позволит существенно повысить скорость бурения шпуров [4–6]. Однако из-за сложности процесса взаимодействия резца с забоем аналитические исследования процесса разрушения породы инструментом всегда сложны, а иногда и вовсе невозможны, поэтому в большинстве случаев исследования подобных процессов проводят с помощью физического эксперимента [7].

Цель исследования

Целью данного исследования является экспериментальное установление количественных и качественных закономерностей, отображающих влияние импульсов осевого усилия и крутящего момента, накладываемых на вращающийся буровой резец, на скорость бурения шпура. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- разработана и изготовлена конструкция экспериментального стенда, позволяющая исследовать режимы бурения шпуров с дополнительным наложением импульсов осевого усилия и крутящего момента на вращающийся инструмент;

- разработана методика проведения экспериментальных исследований.

Материалы и методы исследования

Для проведения экспериментальных исследований режимов бурения с наложением дополнительных импульсов на инструмент была разработана оригинальная конструкция бурового стенда [8] (рис. 1), так как известные ранее стенды для исследования режимов бурения позволяли проводить исследования либо только во вращательном режиме бурения, либо во вращательном или вращательно-ударном [1, 7].

grin1.tif

Рис. 1. Стенд для исследования режимов бурения горных пород: 1 – рама; 2 – податчик; 3 – вращатель; 4 – образец породы; 5, 6 – опоры; 7 – отрезок штанги; 8 – макет бурового инструмента; 9, 10 – подставки; 11, 12 – механизмы – возбудители импульсов осевого усилия и крутящего момента соответственно; 13, 14 – тензометрические звенья

Многочисленные исследования режимов бурения свидетельствуют о нелинейной зависимости скорости бурения от таких режимных параметров, как частота вращения [9, 10], частота и энергия осевых импульсов. По этой причине при разработке методики проведения экспериментальных исследований и выборе плана эксперимента был выбран план второго порядка. К тому же планирование экспериментальных исследований с использованием известных методов теории планирования эксперимента позволяет при минимуме затрат и времени получить максимум необходимой информации.

Экспериментальные исследования режимов бурения горных пород проводились с использованием методики рототабельного центрально-композиционного планирования (РЦКП), позволяющей предсказывать значения функции отклика с одинаковой точностью во всех направлениях на одинаковом расстоянии от центра плана эксперимента. Получение регрессионной модели, проверку значимости ее коэффициентов, проверку на адекватность и дальнейшее исследование модели проводили в соответствии с методикой РЦКП, изложенной в источнике [11].

Экспериментальные исследования режимов бурения проводились на цементно-песчаных образцах диаметром 70 мм. Контактная прочность образцов породы определялась по методу Л.И. Барона и Л.Б. Глатмана на гидравлическом прессе ПСУ-10. Бурение шпура проводилось моделью углепородного резца БИ-741 с масштабным коэффициентом равным 4 на режимах, соответствующих данному масштабному коэффициенту [7].

Данные с тензометрических звеньев стенда фиксировались и записывались при помощи крейтовой системы LTR L-Card (специализированного модуля АЦП для тензоизмерений LTR212) и пакета прикладного программного обеспечения для ЭВМ.

Результаты исследования и их обсуждение

Исследования влияния импульсов осевого усилия и крутящего момента, накладываемых на вращающийся буровой резец, проводились по методике РЦКП в диапазоне частот вращения 200–360 мин-1 и частоте импульсов осевого усилия и крутящего момента в диапазонах 2200–4000 ипм/мин. Указанные диапазоны значений были выбраны исходя из известных рекомендаций по частоте вращения и рационального угла поворота инструмента между осевыми импульсами. Для проведения эксперимента были отобраны 3 группы пород с контактной прочностью Pk1 = 500 МПа, Pk2 = 600 МПа и Pk3 = 700 МПа.

В результате проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных по методике РЦКП были получены регрессионные модели, отображающие влияние импульсов крутящего момента, накладываемых на вращающийся буровой резец, на скорость бурения шпура:

– для пород с контактной прочностью Pk1 = 500 Мпа

grin01.wmf

– для пород с контактной прочностью Pk2 = 600 МПа

grin02.wmf

– для пород с контактной прочностью Pk3 = 700 МПа

grin03.wmf

где nв – частота вращения инструмента, мин-1; nm – частота импульсов крутящего момента, имп/мин.

Оценка статистической значимости коэффициентов и адекватности уравнений регрессии проводилась по критерию Стьюдента и Фишера соответственно. В результате проведенной проверки уравнений регрессии на уровне значимости α = 0,05 было определено, что полученные регрессионные модели с вероятностью не менее 95 % адекватно описывают изучаемое явление. Для уравнения регрессии, полученного при бурении пород с крепостью Pk3 = 700 МПа и дополнительным наложением импульсов крутящего момента, построены графические зависимости (рис. 2).

grin2a.tif

а

grin2b.tif

б

Рис. 2. Поверхность отклика регрессионной модели (а) для образцов пород с контактной прочностью Pk3 = 700 МПа и срезы этой поверхности (б) при частотах импульса: 1 – 2200; 2 – 3100; 4000 – имп/мин

В результате сравнительного анализа полученных зависимостей с известными результатами исследований для вращательного бурения [7] было установлено, что наложение импульсов крутящего момента на буровой резец повышает скорость бурения шпуров. При бурении пород в диапазоне контактных прочностей Pk = 500–700 МПа в диапазонах частот вращения инструмента 200–360 об/мин и импульсов крутящего момента в диапазоне 2200–4000 имп/мин позволяет повысить скорость бурения в 1,02–1,41 раза по сравнению с вращательным способом бурения. Причем при увеличении количества импульсов крутящего момента и частоты вращения наблюдается уменьшение интенсивности прироста скорости бурения. Это связано с превышением рекомендуемого рационального числа импульсов на один оборот и снижением удельной подачи инструмента соответственно.

При исследовании совместного влияния импульсов осевого усилия и крутящего момента на скорость бурения была также использована методика РЦКП. Диапазоны варьирования факторов модели и образцы пород были приняты такими же, как и в предыдущем опыте.

В результате проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных были получены регрессионные модели, отображающие влияние совместного наложения на буровой резец импульсов осевого усилия и крутящего момента, на скорость бурения шпура:

– для пород с контактной прочностью Pk1 = 500 МПа

grin04.wmf

grin05.wmf;

– для пород с контактной прочностью Pk2 = 600 МПа

grin06.wmf

grin07.wmf;

– для пород с контактной прочностью Pk3 = 700 МПа

grin08.wmf

grin09.wmf,

где nв – частота вращения инструмента, мин-1; nm – частота импульсов крутящего момента, имп/мин; nо – частота импульсов осевого усилия, имп/мин.

Оценка статистической значимости коэффициентов и адекватности уравнений регрессии проводилась по критерию Стьюдента и Фишера соответственно на том же уровне значимости (α = 0,05), что и в предыдущем опыте. Для уравнения регрессии, полученного при бурении пород с крепостью Pk3 = 700 МПа дополнительным наложением импульсов осевого усилия и крутящего момента, построены графические зависимости (рис. 3).

grin3a.tif

а

grin3b.tif

б

Рис. 3. Поверхности отклика регрессионной модели для образцов пород с контактной прочностью Pk1 = 700 МПа при частотах вращения инструмента: а – 200 об/мин; 2 – 360 об/мин

Сравнительная характеристика вращательного способа бурения со способом с дополнительными воздействиями на буровой резец в виде импульсов осевого усилия и импульсов крутящего момента представлена на рис. 4.

Анализ полученных зависимостей показал, что совместное наложение на вращающийся буровой резец импульсов осевого усилия и импульсов крутящего момента позволяет в большей степени повысить скорость бурения в сравнении с вращательным способом, так как за счет импульса осевого усилия обеспечивается дополнительное внедрение инструмента в породу, а за счет импульса крутящего момента обеспечивается создание дополнительных напряжений сдвига.

Так, при совместном наложении на буровой резец импульсов осевого усилия и крутящего момента при частоте вращения 200 мин-1 с частотами импульсов в диапазоне 2200–4000 имп/мин скорость бурения увеличивается в 2,46–3,14 раза, а при частоте вращения инструмента 360 мин-1 с той же частотой импульсов осевого усилия и крутящего момента скорость бурения повышается в 1,78–2,36 раза.

grin4.tif

Рис. 4. Сравнительная характеристика вращательного способа бурения со способом с дополнительными воздействиями на буровой резец: 1 – вращательное бурение; 2, 3, 4 – бурение с дополнительным наложением импульсов крутящего момента с частотой 2200, 3100, 4000 имп/мин соответственно; 5, 6, 7 – бурение с дополнительным совместным наложением импульсов осевого усилия и импульсов крутящего момента с частотой 2200/2200, 3100/3100, 4000/4000 имп/мин соответственно

Заключение

1. Экспериментальные исследования режимных параметров бурения с дополнительным воздействием на буровой резец импульсов осевого усилия и крутящего момента с использованием разработанной методики РЦКП позволяют сократить количество опытов в эксперименте без снижения достоверности получаемых результатов и оценить совместное влияние нескольких факторов на скорость бурения.

2. Результаты экспериментальных исследований влияния дополнительно накладываемых на буровой резец импульсов осевого усилия и крутящего момента показывают, что совместное наложение импульсов осевого усилия и крутящего момента в диапазонах частот вращения 200–360 мин-1 и частот импульсов 2200–4000 имп/мин позволяют повысить скорость бурения в 1,78–3,14 раза в зависимости от выбранных режимов.

Работа выполнена в рамках гранта РФФИ по проекту № 16-35-00406\17.


Библиографическая ссылка

Гринько Д.А. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ БУРЕНИЯ ШПУРОВ С НАЛОЖЕНИЕМ ИМПУЛЬСОВ ОСЕВОГО УСИЛИЯ И КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА НА ИНСТРУМЕНТ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2018. – № 3. – С. 20-25;
URL: http://applied-research.ru/ru/article/view?id=12142 (дата обращения: 26.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252