Конструкция пневматического перфоратора

При конструировании пневматических перфораторов принимаются за основу две кинематические схемы: перфоратор с поворотным винтом и без поворотного винта. Первый вариант кинематики имеет преимущественное распространение.

Независимо от класса и типа все пневматические перфораторы имеют следующие основные узлы (рис. 1.8): ударно-поворотный механизм (12), который наносит удары по хвостовику бура (13) и поворачивает его; воздушный пусковой кран (10)', воздухораспределительное устройство (11); промывочное устройство (9); буродержатель (8); масленку перфоратора (6).

Если снять стяжные болты (3), то перфоратор распадается на три части: головку (2), цилиндр (4) и патрон (7). Выхлопное окно цилиндра е иногда имеет кран (5) для прямой продувки шпура. В головке перфоратора имеется ручка (1) для удерживания машины при работе. При бурении на патрубок воздуховпускного крана крепится шланг, питающий перфоратор сжатым воздухом, а на штуцер промывочного устройства - шланг, подводящий воду.

Сжатый воздух через полость в пробке пускового крана (10) по каналу а в головке (2) и дальше по каналу б в корпусе храпового кольца попадает в кольцевое пространство (в), имеющееся внутри воздухораспределителя. Дальше сжатый воздух клапаном (или золотником) по каналам в корпусе цилиндра направляется в нижнюю (г) или верхнюю (е)) полости цилиндра.

При поступлении сжатого воздуха в полость цилиндра (г)) осуществляется ход поршня перфоратора вперёд, при этом поворотный винт поворачивается на некоторый угол. В конце хода поршень наносит удар по торцевой плоскости хвостовика бура. При движении поршня вперед в начале хода воздух из полости (г) выходит в атмосферу через выхлопное окно и через зазоры в шлицевом сопряжении штока поршня с поворотной буксой. При дальнейшем движении поршень перекрывает выхлопное окно и сжимает воздух, оставшийся в полости цилиндра (г). Сжимаемый воздух через каналы в теле цилиндра устремляется в воздухораспределитель и перебрасывает клапан в положение, при котором сжатый воздух направляется в нижнюю полость цилиндра. В этом случае произойдет ход поршня назад. При этом ходе поворотный винт стопорится храповым механизмом и поршень поворачивается вместе с поворотной буксой и буром.

При бурении обязательным условием является постоянная промывка шпура промывочной жидкостью.

Общий вид пневматического перфоратора

Рис. 1.8. Общий вид пневматического перфоратора

• мощность, развиваемая перфоратором, кВт N

Характеристика работы пневматического перфоратора

Основными показателями, характеризующими технико-эксплуатационные качества пневматических перфораторов, являются:

  • • кинетическая энергия поршня, кДж А0
  • • частота ударов поршня в 1 мин и
  • • величина максимального крутящего момента, Нм Мкр
  • • угол поворота бура после удара, градус р
  • • число оборотов бура в 1 мин п
  • • расход воздуха в 1 мин, м3/мин Q
  • • отдача перфоратора и соответствующее ей усилие подачи, кН С
  • • уровень шума перфоратора при работе, дБ J
  • • коэффициент использования перфоратора ц
  • • себестоимость единицы бурения, руб. S

Мощность, развиваемую пневматическим перфоратором при работе, как любой машины ударного действия, можно определить по формуле

Кинетическая энергия поршня

Масса поршня т равна массе поршня G,, делённой на ускорение g = 9,81 м/с2, т. е.

Скорость поршня перед ударом по буру можно рассчитать по формуле

где 5 - длина хода поршня, м; Р - сила, движущая поршень при ходе вперед, Н. Р = F Р где F - рабочая площадь поршня, см2; Р' - среднее рабочее давление воздуха в цилиндре, Па-105.

Как показали исследования, длина хода поршня перфоратора является величиной, изменяющейся в зависимости от величины давления сжатого воздуха, от качества и массы бура, а также от физикомеханических свойств буримых пород и условий бурения.

Наибольшей скорости поршень достигает перед нанесением удара по буру. Время хода поршня вперед о и назад t2 не одинаковы и зависят от давления сжатого воздуха, соответственно изменяется и длина хода поршня, особенно при изменении давления от 0,1 до 0,6 МПа.

Если принять наибольшую возможную (конструктивную) длину хода поршня за .vmax, то рабочая длина хода поршня s при давлении 0,4...0,6 МПа равна (0,7...0,8) smax.

Рабочее давление воздуха в цилиндре перфоратора Р' является величиной непостоянной, зависящей от величины давления сжатого воздуха, поступающего в перфоратор из трубопровода и замеряемого обычно манометром, и от потерь давления при прохождении сжатого воздуха из магистрали в цилиндр перфоратора. Особенно значительны потери при недостаточных сечениях каналов в шланге, штуцере, присоединяющем шланг к перфоратору, в воздуховпускном кране и особенно в воздухораспределительном устройстве. Отмечаются потери давления воздуха также в каналах корпуса цилиндра, подводящих воздух в рабочие полости цилиндра перфоратора, и при неправильном и уменьшенном сечении выхлопных окон.

При давлении сжатого воздуха 0,5...0,8 МПа рекомендуются следующие соотношения между рабочей площадью поршня и сечением:

  • • канал штуцера F2 >0,05/^;
  • • каналы, подводящие воздух Fk >0,025F.

Если обозначить манометрическое давление сжатого воздуха в трубопроводе возле перфоратора через Р, а коэффициент потери давления воздуха через г|п, то среднее индикаторное (рабочее) давление в цилиндре перфоратора будет равно:

Экспериментальным путём установлено, что величина коэффициента потерь давления воздуха г|п весьма значительна. При давлении сжатого воздуха от 0,4 до 0,7 МПа значение г|„ у современных перфораторов находится в пределах 0,4...0,5 в задней полости цилиндра и 0,5...0,6 в передней полости цилиндра. При расчётах с точностью, достаточной для практики, значение г|п можно принимать равным 0,5.

На основании приведенных материалов можно рассчитать величину энергии, развиваемой поршнем пневматического перфоратора.

При ударе поршня по буру фактическая энергия, передаваемая на лезвие бурового инструмента, где T]v - коэффициент, учитывающий потери энергии удара при передаче её на лезвие бурового инструмента,

где Гр - КПД удара и рассчитывается по следующей формуле:

ц, = тхт2{ -e)2/(wi + т2)2, (1.15)

где гп - масса поршня, кг; пь - масса бура, кг; е - коэффициент восстановления соударяющихся тел, при перфораторном бурении а = 0,90.. .0,95; Гр - коэффициент, учитывающий потери энергии в соединениях (замках) бура. Непосредственными замерами установлено, что одно резьбовое соединение имеет г|2= 0,75...0,85, а конусное г|2 = 0,6...0,75.

На основании исследований установлены минимальные значения величины энергии, передаваемой на лезвие бурового инструмента, в зависимости от крепости горных пород. При меньших значениях скорость бурения значительно снижается.

  • • Коэффициент крепости пород
  • (по шкале М.М. Протодьяконова) < 8 < 12 < 16 > 16
  • • Величина удельной энергии

на лезвие инструмента Ак, Дж/мм > 0,06 > 0,10 > 0,16 > 0,20

У современных пневматических перфораторов величиной, лимитирующей увеличение кинетической энергии, развиваемой поршнем и передаваемой буру, является запас прочности деталей машины и прочность бурового инструмента. Наиболее слабым звеном в настоящее время является лезвие буровой коронки, армированной твердым сплавом ВК-15 и допускающей нагрузку (работу) при бурении, не превышающую 0,3 МПа сечения пластинки твёрдого сплава. При больших нагрузках пластинки выходят из строя, раскалываясь и не выдерживая нормального количества заточек.

Увеличение мощности, а следовательно, и производительности пневматических перфораторов возможно за счёт увеличения частоты ударов. Если рабочую площадь поршня увеличить, а длину хода поршня уменьшить во столько же раз, то частота ударов увеличится в это же число раз при сохранении величины силы удара.

Первые пневматические перфораторы с увеличенной частотой ударов (высокочастотные) были созданы в СССР в 1939 г. В зарубежной практике такие перфораторы появились в 1952 г.

У обычных перфораторов отношение величин диаметра и длины хода поршня находится в пределах 1,0... 1,25, у высокочастотных (быстроударных) это отношение равно 2 и больше.

В настоящее время созданы конструкции пневматических перфораторов, имеющих частоту ударов до 5 000-6 000 в 1 мин, увеличивших скорость бурения в 3-5 раз. Практическое применение высокопроизводительных машин тормозится из-за отсутствия мероприятий, снижающих шум, создаваемый ими при работе, который по уровню превышает допускаемые санитарные нормы. Применение высокочастотных перфораторов возможно при дистанционном управлении или автоматизации бурения.

Если в формулу подставить полученные значения энергии поршня А() и частоты ударов и и произвести преобразования, то получим формулу, показывающую зависимость мощности перфоратора от его внутренних параметров,

Мощность перфоратора наиболее выгодно увеличивать за счёт увеличения рабочей площади F и давления воздуха Р.

Величина крутящего момента, развиваемого поворотным механизмом перфоратора, может быть определена по формуле

где гс - средний радиус поворотного винта, см; а0 - угол подъёма резьбы поворотного винта, градус; ц - коэффициент трения в винтовой паре; г|, - КПД механизма, равный 0,25.

Поворот бура осуществляется при ходе поршня назад. Поступательное движение поршня с помощью поворотного винта и гайки преобразуется во вращательное движение поршня и поворотной буксы. Если угол наклона винтовой нарезки на поворотном винте равен у, то длина дуги окружности, на которую повернётся поршень, считая по среднему диаметру резьбы dc, за один ход будет л-tgy. При числе ходов поршня в 1 мин и число оборотов бура

Угол поворота бура за один ход поршня

где г|с - коэффициент, учитывающий наличие люфта в винтовой паре (для новых перфораторов он равен 0,7, а для изношенных - 0,5).

В зависимости от крепости пород, в которых производится бурение, рекомендуются следующие значения углов поворота бура (30: при бурении пород крепостью /< 10 р0 = 18...36°; при бурении пород крепостью /= 10...16 (Зо = 9...18°, а при бурении пород с/> 16 Ро<9°.

Расход сжатого воздуха пневматическим перфоратором при работе определяется из расчета:

где Ft и F2 - величины рабочих площадей поршня, см2; 5 - длина хода поршня, см; Р - давление воздуха, поступающего в перфоратор, в МПа; к - коэффициент, учитывающий потери давления воздуха и неполноту заполнения цилиндра; для новых перфораторов к = 0,8, для изношенных - к = 1.

Показателем качества пневматического перфоратора можно рекомендовать удельный расход сжатого воздуха на единицу объёма выбуренного шпура.

Уровень шума работающего пневматического перфоратора расчётным путём может быть приближенно определен по формуле НИГРИ:

где R - уровень шума в децибелах при давлении воздуха 0,5...0,55 МПа; D и s - диаметр и длина хода поршня перфоратора, м; к - постоянная величина. На расстоянии 0,7 м от перфоратора для открытого пространства к = 97,8, в шахтных условиях к = 99,8.

Более точно уровень шума замеряется шумомерами.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >