Обоснование рациональных режимов работы станка шарошечного бурения с наддолотным ударником для условий ОАО «Апатит»

Одним из основных технологических процессов открытой добычи полезного ископаемого в настоящее время продолжает оставаться бурение взрывных скважин с помощью самоходного оборудования. Наибольшее распространение в мире на открытых работах получил шарошечный способ бурения. Таким способом выполняется до 70% всех объемов работ. Поэтому техническое состояние шарошечного бурового оборудования во многом определяет эффективность всего процесса технологии горного производства.

На горных предприятиях стран СНГ наиболее широко используются шарошечные буровые станки СБШ 250. Несмотря на значительный опыт производства и эксплуатации машин данного типоразмера, многие отечественные станки отстают от мирового уровня технического развития бурового оборудования. Кроме того, ситуация еще более усугубляется тем, что большинство станков, используемых на карьерах РФ, отработали свой ресурс, и их дальнейшая эксплуатация неизбежно сопровождается высокой аварийностью. Несмотря на все недостатки, главным преимуществом отечественных станков остается их доступность для потребителей и относительно невысокая стоимость в сравнении с зарубежными аналогами.

Основные направления совершенствования станков СБШ 250 заключаются в повышении скорости бурения автоматизацией контроля режимных параметров или использованием различных технических средств интенсификации бурения и снижении вибрации бурового става и станка в целом.

Известны различные способы повышения производительности станков шарошечного брения: использование комбинированного породоразрушаю-щего инструментановых высокотехнологичных шарошечных долот зарубежных фирмприменение магнитострикционных генераторов, устанавливаемых над шарошечным долотом и другие.

Среди технических средств, снижающих вибрацию бурового става, наибольший интерес представляют пневмогидравлические амортизаторы, устанавливаемые между опорным блоком и первой штангой станка СБШ.

Повышение скорости бурения СБШ 250, путем использования наддо-лотных пневмоударников, позволит снизить себестоимость бурения, а следовательно, и необходимость покупки дорогостоящей импортной техники.

Интенсификация процесса шарошечного бурения станка СБШ возможна также путем наложения дополнительной ударной нагрузки на долото, с помощью наддолотного пневмоударника (НПУ), устанавливаемого между буровым ставом и шарошечным долотом. Актуальной задачей, при использовании НПУ при бурении скважин станками СБШ 250, является выбор рациональных режимов работы станка, обеспечивающих повышение производительности при сохранении стойкости породоразрушающего инструмента и отсутствии роста вибрации бурового става. Повышение скорости бурения СБШ 250, путем использования наддолотных пневмоударников, позволит снизить себестоимость бурения, а следовательно, и необходимость покупки дорогостоящей импортной техники.

Работа базируется на исследованиях: БуткинаВ. Д, Ветюкова М. М., Дмимитриева В. Н., Загривного Э. А., Иванова К. И., Кантовича Л. И., Кутузова Б. Н., Подэрни Р. Ю., Суханова А. Ф., Шмидта Р. Г. и др.

Идея работы: повышение скорости бурения скважин станком шарошечного бурения путем использования дополнительной динамической нагрузки на долото.

Защищаемые научные положения 1. Колебательная система бурового става дискретно изменяемой длины при взаимодействии шарошечного долота с забоем скважины представлена механико-математической моделью с распределенными параметрами, обеспечивающей определение частоты собственных продольных колебаний системы в функции ее демпфирующих свойств, глубины скважины и геометрических характеристик става станка шарошечного бурения с пневмогидравлическим амортизатором.

2. Механическая скорость бурения скважин в породах средней крепости станком шарошечного бурения с наддолотным ударником прямо пропорциональна величине осевой нагрузки, частотам вращения долота и дополнительной ударной нагрузки и описывается нелинейным уравнением с постоянными коэффициентами, применимым при изменении значений технологических параметров в интервалах, рекомендуемых при бурении скважин в породах рассматриваемой крепости.

Методы исследований.

При решении поставленных задач использовался комплексный метод исследований, включающий:

— математическое моделирование колебательных процессов бурового става;

— теоретические и экспериментальные исследования влияния основных режимных параметров на механическую скорость бурения;

— экспериментальные исследования вибрационных режимов работы бурового става станка шарошечного бурения;

— компьютерную обработку и анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, разработанных в диссертации, подтверждается использованием апробированных математических методов, фундаментальных положений по динамике машин, удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований и экспериментальных исследований в условиях Кировского и Восточного рудников ОАО «Апатит».

Научная новизна диссертационной работы заключается:

— в установлении зависимости механической скорости бурения скважины станком шарошечного бурения с наддолотным ударником от основных режимных параметров и частоты нанесения ударов по долоту при работе по апатито-нефелиновым рудам;

— в установлении зависимости резонансных частот колебаний бурового става от демпфирующих параметров колебательной системы, глубины бурения и геометрических характеристик става.

Практическая ценность:

— разработана методика испытания в производственных условиях модернизированных станков шарошечного бурения, определения их основных эксплуатационных параметров и выбора рациональных режимов их работы;

— даны рекомендации по модернизации конструкций наддолотных пневмо-ударников для станков шарошечного бурения;

— разработан комплект прикладных программ для построения спектральных характеристик вибрационных режимов бурового става станка шарошечного бурения по экспериментальным данным, полученным с использованием виброизмерительной аппаратуры SVAN.

Реализация результатов работы.

Рекомендации по совершенствованию конструкций и режимов работы бурового оборудования для повышения скорости бурения и стойкости поро-доразрушающего инструмента приняты к использованию ООО «ОМЗ — горное оборудование и технологии» (см. Приложение I).

Опытный образец модернизированного наддолотного пневмоударника используется при бурении взрывных скважин станком СБШ 250 МНА-32 в ОАО «Апатит».

Апробация работы.

Результаты работы обсуждались на семинаре в ОАО «ЦГМ «Ижорские заводы» (2002) — на Международном семинаре «Ударные, вибрационные машины», Орел, ОрелГТУ, (21−22.10 03) — на кафедре «Горные машины и оборудование» МГГУ на конференции «Неделя горняка» 28.01.04- межкафедральных семинарах ГЭМФ СПГГИ (2002, 2003, 2004).

3.7. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ КОНСТРУКЦИИ НАДДОЛОТНЫХ ПНЕВМОУДАРНИКОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ СБШ.

Анализ существующих направлений по интенсификации процесса бурения взрывных скважин станками шарошечного бурения, а так же результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований показывают, что предпочтительным и наиболее просто реализуемым среди прочих для СБШ является способ совмещения удара и вращательного (шарошечного) бурения.

Модернизация буровой техники и буровых станков в первую очередь должна проводиться в направлении обязательного снижения вибрации на рабочих местах до уровня, регламентированного санитарными нормами, а также снижения вибраций, воспринимаемых станком в целом, особенно в наиболее опасных диапазонах частот (см. раздел 1.6).

На основании результатов теоретических исследований резонансных частот продольных колебаний бурового става станка СБШ 250 МНА-32, представленных в главе 2, можно сделать вывод о том, что наиболее опасными частотами будут 6 Гц, 31 Гц, 47 Гц. Наличие всплесков амплитуд продольных колебаний бурового става на частотах близких, 6 Гц и 47 Гц, доказано экспериментально (см. рис. 3.11). Рабочая частота бурового става при бурении пород средней крепости находится в диапазоне частот близких 6 Гц. Совпадение собственной частоты бурового става с его рабочей частотой приведет к возникновению резонанса и выходу из строя бурового оборудования.

Смещения резонансных частот колебаний бурового става из зоны рабочих частот возможно при использовании дополнительного пневмогидравли-ческого амортизатора с малой жесткостью, устанавливаемого между вращателем и буровым ставом (раздел 2.1, соответствующий график см. на рис. 2.7) или, наоборот, при существенном (в три раза) увеличении жесткости тросов системы подачи. Использование для снижения продольных колебаний бурового става пневмогидравлического амортизатора приводит к снижению амплитуды продольных колебаний бурового става и смещению первого резонанса на частоту 2,5 Гц (перевод системы в дорезонансный режим). Результаты расчета, проведенного для системы с утроенной жесткостью канатов, дают основание утверждать, что при данном способе, система перейдет в за-резонансный режим и первая резонансная частота составит 12 Гц.

Анализ результатов проведенных теоретических исследований показал, что при использовании для интенсификации процесса бурения НПУ необходимо выбирать пневмоударники, частота работы которых не совпадает с резонансными частотами колебаний бурового става и его рабочей частотой, а именно с 6 Гц, 8−10 Гц, 31 Гц и 47 Гц. При использовании НПУ совместно с пневмогидравлическим амортизатором частота его ударов, помимо частот перечисленных выше, не должна быть равной 2,5 Гц.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований рекомендуется применять на станках типа СБШ наддолотные пневмоударники совместно с пневмогидравлическим амортизаторами, параметры которых, могут быть рассчитаны методами, изложенными в разделе2.1, а конструктивные решения следует принимать в соответствии ранее выполненными работами [39].

На основании анализа рекомендованных режимов работы станков СБШ 250 МНА32 на карьерах ОАО «Апатит» и результатов теоретических исследований, представленных в главе 2, можно сделать вывод о том, что у станков, работающих в соответствии с рекомендованными режимами, при бурении взрывных скважин глубиной до 16 м потери устойчивости бурового става не происходит. При бурении скважин глубиной свыше 16 м для обеспечения условия сохранения устойчивости бурового става следует выбирать режимы работы станка в соответствии с результатами исследований представленных в главе 2 (рис. 2.10).

Предельные значения основных режимных параметров при их форсировании для повышения скорости бурения скважин станками СБШ 250 МНА-32 с пневмогидравлическими амортизаторами следует так же определять по графику рис. 2.10.

Результаты экспериментальных исследований, представленные в главе 3, доказывают эффективность использования наддолотных пневмоударни-ков для повышения скорости бурения скважин станками типа СБШ. Регрессионное уравнение, полученное в главе 3 по результатам многофакторного эксперимента, позволяет прогнозировать изменение скорости бурения скважин станком шарошечного бурения с наддолотным пневмоударником при изменении значений, входящих в него технологических параметров, в интервалах, рекомендуемых при бурении скважин в породах средней крепости.

На основании результатов экспериментальных и теоретических исследований по определению влияния на скорость бурения скважин станком СБШ 250 МНА-32 режимных параметров и наличия НПУ можно утверждать, что основным параметром, влияющим на прирост скорости бурения скважин станком с НПУ, является техническая характеристика пневмоударника.

На основании результатов полученных в главе 3, для заданных горногеологических условий, можно сделать вывод о необходимости проведения исследований в направлении повышения частоты ударов НПУ для дальнейшего повышения скорости бурения скважин станком СБШ 250 МНА-32 с НПУ.

Результаты экспериментальных исследований, направленных на изучение вибрации бурового става показали, что наложение ударной нагрузки на долото при помощи НПУ приводит к возникновению продольных колебаний бурового става в спектрах частот кратных 11,5 Гц (рабочая частота НПУ), а их максимальная величина составляет 40 мкм, что приблизительно в 30 раз меньше максимальных амплитуд колебаний бурового става на рабочих частотах (6 Гц). На основании результатов экспериментальных исследований вибрационных режимов работы станка СБШ 250 МНА-32 можно утверждать, что наличие НПУ при бурении скважин станками типа СБШ (не зависимо от режимных параметров) не приводит к существенному изменению амплитуды продольных колебаний бурового става и, следовательно, не оказывает существенного влияния на стойкость узлов станка.

Для увеличения скорости бурения скважин станками шарошечного бурения и повышения стойкости долот, целесообразно использование погружного пневмоударника, при работе которого, возможно создание ударного импульса регулируемой формы (см. рис. 3.14, описание патента [71]). Это приводит к повышению скорости бурения за счет более полного прилегания шарошки к забою, повышения концентрации ударной нагрузки, лучшего очищения штырей шарошек, а так же интенсификации разрушения забоя. Конкретные схемы бурового става с ударным механизмом, позволяющим изменять форму ударного импульса, могут быть реализованы за счет создания полых поршней-ударников со специальным заполнением [71].

Как показали результаты теоретических и экспериментальных исследований в качестве рекомендаций по совершенствованию конструкции НПУ следует считать необходимым продолжение исследований (как стендовых так и рудничных) по следующим направлениям: исследование работоспособности НПУ, выполненного в соответствии с патентом на способ бурения [71]- обоснование параметров полых поршней, как средства активного демпфирования ударной нагрузкиопределение возможного диапазона регулирования частоты ударов НПУ посредством технических устройств, указанных в [71]- исследование работоспособности систем управления колебаниями поршня в НПУ воздействием на поршень различными способами: магнитным полем, степенью заполнения полостей тяжелой магнитоактив-ной жидкостью и другими [71]- исследование возможности получения ударного импульса регулируемой формы [72]- исследование влияния параметров ударника на стойкость шарошечных долот.

Проведенная работа дает основание считать, что применение на станках типа СБШ наддолотных пневмоударников, оснащенных системой управления параметрами ударной системы, позволит получить высокоэффективное средство бурения.

Конструкции буровых снарядов с пневмоударником (для станков СБШ), рассмотренные в разделе 3.1, сборочные чертежи которых представлены в приложениях 6а и 66, рекомендуются для передачи на машиностроительное производство, например, «Туламашзавод» или РМЗ ОАО «Апатит» с целью создания опытной партии и внедрения в производство на ОАО «Апатит».

Рекомендации по совершенствованию конструкций и режимов работы бурового оборудования для повышения скорости бурения и стойкости поро-доразрушающего инструмента приняты к использованию ООО «ОМЗ — Горное оборудование и технологии» (Приложение I).

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении х/д 8/2003 и переданы ОАО «Апатит».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, содержится решение задачи повышения скорости бурения взрывных скважин станками шарошечного бурения путем использования дополнительной динамической нагрузки на долото и обоснованием значений параметров ударной системы и вибрационных характеристик бурового става, необходимых для выбора рационального режима работы станка шарошечного бурения с наддолотным ударником, что имеет существенное значение для совершенствования буровых машин и повышения эффективности горнодобывающих предприятий.

Основные научные и практические выводы, сделанные в результате выполненных исследований, заключаются в следующем.

1. Разработана математическая модель, позволяющая описать процесс прохождения продольных колебаний по буровому ставу станка СБШ и определить частоту собственных колебаний става, равную: для става длиной 8 м — 47 Гцдля става длиной 16 м — 31 Гцдля става длиной 8 м и 16 м при использовании пневмогидравлического амортизатора — 2,5 Гц.

2. Получено нелинейное уравнение, позволяющее оценить влияние основных факторов процесса бурения (осевой нагрузки, частоты вращения долота и частоты ударов ударника) на механическую скорость бурения скважин станком СБШ с наддолотным ударником, при изменении значений технологических параметров в интервалах: Рос = 0,14 — 0,22 МНп — 1 — 2 с" 1- пУд ~ 0 — 12 Гц.

3. Экспериментально подтверждена работоспособность разработанной конструкции наддолотного пневмоударника и доказано, что использование НПУ не приводит к увеличению максимальных амплитуд продольных колебаний бурового става станка СБШ.

4. Обосновано, что при использовании наддолотного пневмоударника для повышения скорости бурения скважин станком типа СБШ следует выбирать режимы работы станка, соответствующие максимальным значениям осевой нагрузки и частоты вращения долота, рекомендуемым при бурении скважин в породах средней крепости станком без ударника.

5. Экспериментально доказано, что использование наддолотного ударника для интенсификации процесса бурения станка СБШ 250 МНА-32 позволяет увеличить скорость бурения в среднем на 15% и стойкость долота до 10% (Приложение IX).

6. Использование наддолотного пневмоударника при бурении скважин станком шарошечного бурения позволяет при обеспечении заданной производительности добиться снижения продольных колебаний бурового става уменьшением величины осевой нагрузки или частоты вращения долота.