8 812 123 45 67
Расчет динамики горного перфоратора для бурения шпуров

Специалистами АО "ЦИФРА" выполнены расчеты динамики новой конструкции горного перфоратора с повышенным КПД.

Выпускаемые в настоящее время переносные перфораторы предназначены для создания горизонтальных и наклонных шпуров при различных горных выработках. Принцип работы перфораторов основан на переходе работы ударного механизма в полезную работу разрушения горной породы. Для повышения КПД передачи ударного импульса перфоратора в работе предложена новая конструкция его системы, заключающаяся во введении между поршнем и штангой тела малой массы – бойка.

Боек в ходе движения совершает серию высокочастотных ударов, поочередно отскакивая от сближающихся поршня и штанги. Такое поведение бойка получило название «дребезг». В процессе «дребезга» энергия от поршня к штанге передается по частям, и наблюдается увеличение количества передаваемой энергии, а значит и КПД процесса. Впервые явление повышениея эфективности передачи энергии удара при центральном соударении твердых тел через промежуточный упругий элемент было открыто и изучено Д.А. Юнгмейстером, Р.Ф. Нагаевым, Л.К. Горшковым и др., и зарегистрировано как научное открытие.

Задача была аналитически решена Р.Ф. Нагаевым, и его решение подтвердило возможность повышения эффективности переноса энергии при возникновении эффекта «дребезга». Однако, решение удалось получить только для стереомеханической модели удара. В такой постановке взаимодействующие тела представляются абсолютно твердыми, что не позволяет учесть волновые процессы, возникающие в телах. Учет распространения упругих волн позволит более детально изучить происходящие процессы. Определение эффективности передачи энергии в рассматриваемых моделях перфораторов с учетом волновых процессов требут математического моделирования с применением конечно-элементного анализа.

При построении математической модели рассматривается упрощенная постановка, не учитывающая вращательные движения перфоратора, трение в горной породе и буровые коронки, которые устанавливают на конец штанги. Также моделируется только один удар перфоратора. Получаемые при данных допущениях результаты являются более консервативными, а их анализ упрощается. Таким образом, задача в первом приближении сведена к моделированию соударения двух цилиндрических стержней для стандартной системы и трех цилиндрических стержней для модернизированной схемы, и решается в осесимметричной постановке.

В обеих моделях в начальный момент времени штанга контактирует с горной породой. Механика разрушения горной породы и бетона близки, так что для создания массива горной породы используется модель материала бетона RHT (Riedel-Hiermaier-Thoma). Конечно-элементная модель построена с учетом осевой симметрии геометрии стержней.

Граничными условиями для обеих моделей является отсутствие горизонтальных перемещений на краю области, моделирующей масив горной породы. Начальным условиями для обеих моделей являлась начальная скорость поршня 10 м/c. Для решения задачи использовалась программная система конечно-элементного анализа ANSYS Explicit STR. Явная схема интегрирования по времени, реализованная в данном решателе, позволяет в полной мере описать волновой процесс во время удара и проникновение штанги-забурника в область горной породы.

Результаты математического моделирования показали, что при использовании модернизированной системы в горную породу поступает большее количество энергии как в стереомеханической (на 13%), так и в волновой постановке (на 14%). Тем самым, возрастает перемещение штанги в горной породе,  а значит и скорость бурения.

Эффект "дребезга" хоршо можно видеть по анимированным результатам.

Превосходство модернизированной схемы с тремя телами над стандартной с двумя также видно по распределению поврежденности материала, моделирующего массив горной породы. Здесь красным цветом обозначен полностью поврежденный материал, несущая способность которого упала из-за образования трещин и разрушения его структуры, а синим - неповреженный материал, структура которого не нарушена.

Можно видеть, что в случае работы перфоратора с модернизированной схемой количество поврежденного материала заметно больше, что свидетельствует о повышении КПД передачи ударного импульса от поршня к горной породе. Также на иллюстрациях можно видеть области поврежденности, возникающие на глубине массива горной породы на оси удара. Эти «всплески» повреждености возникают при использовании модернизированной системы перфоратора и способствуют образованию трещин в горной породе, что очень сильно влияет на ее крепость.

Таким образом, математическая модель, построенная для исследования влияния эффекта "дребезга", позволила показать прирост КПД в работе модернизированного перфоратора уже на первом ударе. Энергия, передаваемая в породу, возросла как для стереомеханической, так и для волновой постановок. Поврежденность массива горной породы увеличилась как количественно, так и качественно. И все эти резульаты удалось получить в консервативной постановке, даже без учета вращения инструмента, работы высокопрочных бурильных коронок, природной неоднородности горного массива и многих других эффектов.

вернуться к списку новостей
Рассчитать стоимость онлайн
Сообщите основную информацию о вашей задаче, ответьте на несколько вопросов и мгновенно получите оценку трудоемкости актуальной для вас инженерной задачи.
Узнать цену
Связанные новости
22 июля 2024

Математическое моделирование роботов манипуляторов для атомных станций малой мощности

Атомная станция малой мощности (АСММ) — это один из перспективных проектов Госкорпорации «Росатом». Такие станции предназначены для удалённых районов с неразвитой сетевой инфраструктурой, где нецелесообразно строить мощные АЭС. АСММ обладают рядом преимуществ, таких как энергонезависимость, экологически чистое производство энергии и стабильное снабжение электричеством и теплом труднодоступных территорий.
Новости
29 мая 2024

Инженеры АО «ЦИФРА» провели виртуальные испытания цифровой модели трамвайного вагона 71-639 «Кастор»

Специалисты Центра инженерно-физических расчетов и анализа (АО «ЦИФРА») провели виртуальные испытания каркаса кузова трамвайного вагона модели 71-639 «Кастор» производства Усть-Катавского вагоностроительного завода (УКВЗ, входит в Госкорпорацию «Роскосмос»). 

Новости
Связанные публикации в блоге
26 августа 2024

Строительная и промышленная акустика: математическое моделирование и инженерные расчёты

Акустическое моделирование является ключевым инструментом в современном мире, оказывая существенное влияние на разнообразные сферы нашей жизни. Этот процесс, основанный на математических и физических принципах, позволяет анализировать и предсказывать поведение звуковых волн в различных средах. Моделирование играет важнейшую роль в достижении желаемых акустических характеристик, будь то создание эффективных систем шумоподавления или оптимизация акустики в архитектурных пространствах.
Блог
10 июня 2024

Расчёт прочности и несущей способности металлических конструкций зданий и сооружений

Расчёт металлических конструкций на прочность и несущую способность является одной из ключевых задач в строительстве для обеспечения безопасности и долговечности объектов. 

Блог
Связанные вебинары
23 декабря 2020

Повышение эффективности процессов промышленной газоочистки с использованием численного моделирования

На вебинаре рассмотрим численное моделирование современных газоочистных установок.
Вебинары
23 июля 2020

Применение компьютерного моделирования при ремонте и модернизации судов

В рамках Договора о научно-техническом сотрудничестве между АО «ЦНИИМФ» и АО «ЦИФРА» на данном вебинаре заведующий отделом конструктивной надежности и защиты судов от коррозии АО «ЦНИИМФ» Алексей Петров расскажет об имеющемся опыте и перспективах использования компьютерного моделирования для решения различных задач, связанных с ремонтом или модернизацией судов в эксплуатации.
Вебинары
Расскажите о вашей задаче
Изменить файл
Поля, отмеченные звездочкой (*) обязательны для заполнения.
Успешно отправлено! Наш специалист свяжется с Вами в ближайшее время!