Изучение конструкции и расчёт производительности подземных самоходных бурильных установок и буровых станков

Основные положения

Бурильные установки предназначены для бурения шпуров на подземных рудниках, шахтах и при строительстве тоннелей.

Основными системами бурильных установок (рис.3.1) являются: ходовое оборудование 1, привод перемещения 2, гидропривод 3, пульт управления 4, манипулятор 9, податчик 7, бурильная головка 6.

Манипулятор состоит из основания 5, раздвижной стрелы 9, гидроцилиндра стрелы 10, позиционера 8, механизма параллельности перемещения 11.

Гидропривод предназначен для работы гидроцилиндров опорных домкратов (аутригеров) 12, манипулятора 9, позиционера 8.

Рис.3.1. Самоходная бурильная установка

Установка, показанная на рис.3.1, имеет пневмоколёсный ход. В процессе работы она выставляется на опорные гидродомкраты (аутригеры) 12.

Бурильные установки могут применяться вместе с погрузочно-транспортными машинами на очистных работах и при проведении выработок площадью 6 ­– 60 м².

Подземные буровые станки предназначены для бурения скважин диаметром 50 – 85 мм и глубиной до 30 м в породах с f ≤ 20. На рис.3.2 представлено устройство станка ПБУ-80М.

Бурильными головками многих установок и станков являются колонковые перфораторы ПК60 и ПК75 [4] с независимым вращением бура. Они имеют практически сходную между собой конструкцию. Основными системами перфоратора ПК75 (рис.3.3) являются: корпус, ударный механизм, воздухораспределительная система ударного механизма, вращательный механизм, воздухораспределительная система вращательного механизма, промывочная система, механизмы управления.

Корпус включает в себя крышку цилиндра 20, цилиндр 4, переходник, переднюю 12 и заднюю 8 крышки, статор 22.

Ударный механизм состоит из поршня-ударника (бойка) 7, который наносит удар по хвостовику штанги 14.

Воздухораспределительная система ударного механизма включает в себя: воздушный канал 1; клапанную коробку 3 с мотыльковым клапаном 2; камеру и каналы прямого 19 и обратного 17 хода; выхлопное отверстие 6 и глушитель шума 5.

Вращательный механизм состоит из статора 22, ротора 23 с впрессованным в него золотником 11, шпинделя 13, цилиндрических роликов 10, заложенных в пазы статора. Ротор выполнен в виде зубчатого колеса с наружными круговыми зубьями.

Воздухораспределительная система вращательного механизма состоит из входной кольцевой полости 16, в которую нагнетается воздух; кольцевой проточки 9; винтовых каналов золотника 11 с выходными отверстиями в роторе 15 (входные и выходные отверстия смещены друг относительно друга на 90°); рабочей полости между ротором и статором; выходной внутренней полости вращателя, отверстия в передней крышке 12 для выпуска воздуха.

Вращательный механизм выполнен в виде планетарного редуктора. Число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев статора. Полный поворот бура (хвостовика, штанги и инструмента) происходит за число обкатываний ротора по статору, равное количеству зубьев статора. Выходным звеном ротора являются внутренние круговые зубья, входящие в зацепление с внешними круговыми зубьями шпинделя 13. Частота вращения ротора и шпинделя совпадает, несмотря на эксцентричное расположение их осей. Это происходит из-за равного числа зубьев зацепления.

Промывочная система для подачи воды в забой включает в себя штуцер 21; водяную трубку 18, канал хвостовика, штанги инструмента.

Силовой импульс и крутящий момент, создаваемые перфоратором, передаются через бур в инструмент, а затем в породу, вследствие чего происходит рабочий процесс разрушения. Бур бывает цельный и составной. Составной бур состоит из хвостовика, штанг, соединительных муфт и коронки (рис.3.4). Для переносных перфораторов штанга и хвостовик представляют собой одно целое.

Рис.3.4. Составной бур

Инструментом перфораторов являются буровые коронки, подразделяющиеся на следующие типы:

долотчатые, армированные призматическими твёрдосплавными пластинками с клиновой породоразрушающей поверхностью КДП (рис.3.5, а), которые целесообразно применять в монолитных породах малой и средней абразивности и любой крепости;

крестовые, армированные призматическими твёрдосплавными пластинками с клиновой породоразрушающей поверхностью ККП (рис.3.5, б), ко­торые применяются в трещиноватых породах средней и высокой крепости, а также в абразивных породах, когда происходит интенсивный износ ко­ронок по диаметру;

трёхперые, армированные цилиндрическими твёрдосплавными вставками (штырями) с клиновой породоразрушающей поверх­ностью КТШ (рис.3.5, в), имеющие повышенную прочность твердосплавного элемента; их целесообразно применять в крепких породах средней и высокой абразивности;

коронки с цилиндро-сферическим твёрдосплавным вооруже­нием, у которого породоразрушающие поверхности выполнены в виде сферы КНШ (рис.3.5, г); эти коронки имеют преимущество перед другими типами вследствие повышенного ресурса между заточками и, сле­довательно, меньших потерь времени на смену затупленного ин­струмента. Однако эти коронки нельзя использовать из-за умень­шения скорости бурения в вязких породах и породах невысокой крепости.

Соединение буровых коронок со штангами бывает конусное и резьбовое (рис.3.6). Конусное соединение применяют при бурении перфораторами с энер-

гией удара до 120 Дж, т. е. для перенос­ных и телескопных. Угол конусности колеблется от 2°36' до 6° на сторону. В России и странах бывшего СССР применяют угол конусности 3°30'.

Резьбовое соединение применяют для мощных перфораторов. К резьбовым соединениям предъявляют следующие требования: легкое разъединение элементов, наименьшие потери импульса при прохождении через соединение, достаточно высокие прочность и износостойкость.

Теоретическая скорость бурения шпуров ударно-вращательной установкой [4]

, м/ч, (3.1)

где u_н – начальная механическая скорость бурения,

, м/мин, (3.2)

где A – энергия удара перфоратора, Дж; n – частота ударов, с^-1; d – диаметр
шпура, мм; f – коэффициент крепости пород. В формуле (3.1) a – декремент затухания энергии силового импульса, величина которого зависит от глубины бурения и типа перфоратора (величину a смотри в табл.3.1); L – глубина шпура, м.

Таблица 3.1

Техническая скорость бурения шпуров [4]

, м/ч, (3.3)

где k_г – коэффициент готовности,

, (3.4)

где T_o – средняя наработка на отказ, ч; T_в – среднее время восстановления отказа, ч. В формуле k_о – коэффициент одновременности, k_о = 1; 0, 8; 0, 7 при числе бурильных машин соответственно 1; 2; 3; R – число бурильных машин на установке; u_ох – скорость обратного хода бурильной головки, м/мин; T_з – время замены резца (коронки), мин; B – стойкость резца (коронки) на одну заточку, м; T_н – время наведения бурильной машины с одного шпура (скважины) на другой, мин; T_зб – время забуривания шпура (скважины), мин; m – число шпуров (скважин) в забое; L – глубина шпура, м.

Эксплуатационная производительность подсчитывается исходя из длительности смены, затрат времени на подготовительно-заключительные операции и простой по организационным причинам [4]

, м/смену, (3.5)

где T_см – длительность смены, мин; T_пз – время на подготовительно-заключительные операции, мин; T_оп – время организационных простоев, мин; T_п – время перегона установки, мин.

Для бурильных установок, предназначенных для проведения глубоких скважин небольшого диаметра, техническая скорость бурения определяется по формуле [4]

, м/ч, (3.6)

где t_н и t_р – время навинчивания и развинчивания одной штанги, мин; l – длина штанги, м. Остальные значения приведены в пояснении к формуле (3.3).

Эксплуатационная скорость бурения для таких бурильных установок рассчитывается по формуле [4]

, м/смену. (3.7)

Задание. На основании данных табл.3.2 рассчитать техническую и эксплуатационную скорость бурения для бурового станка ПБУ-80М с бурильной головкой – перфоратором ПК75А. Построить зависимости Q_т = f (f), Q_т = f (L) и
Q_э = f (L).

Пример.

Исходные данные: A = 176 Дж; n = 37 c^-1; d = 40 мм; f = 16; a = 0, 04;
L = 20 м; k_г = 0, 9; R = 1; k_о = 1; B = 20 м; t_н = 0, 5 мин; t_р = 1 мин; l = 1, 22 м;
T_з = 4 мин; T_н = 5 мин; T_зб = 1 мин; m = 14; T_см = 360 мин; T_пз = 40 мин;
T_оп = 60 мин; T_п = 30 мин.

Определим по формуле (3.2) начальную скорость бурения скважин ударно-вращательной установкой

0, 763 м/мин.

Теоретическую скорость бурения скважин вычислим по формуле (3.1)

м/ч.

Техническую скорость бурения скважин вычислим по формуле (3.6)

м/ч.

Эксплуатационную скорость бурения скважин вычислим по формуле (3.7)

м/смену.

Варианты заданий по расчёту технической и эксплуатационной скорости бурения шахтными бурильными установками.

Таблица 3.2

Варианты заданий по расчёту технической и эксплуатационной скорости бурения шахтными бурильными установками

Таблица 3.3

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №4