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
17 октября 2022

Эксперты АО «ЦИФРА» выступили на нефтегазовой конференции АО «ТомскНИПИнефть»

Специалисты АО «ЦИФРА» приняли участие в V научно-технической конференции «Технологии обустройства нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений», организованной АО «ТомскНИПИнефть». Событие состоялось 20-21 сентября 2022 года и стало местом встречи учёных и практиков, проектировщиков и представителей служб эксплуатации – специалистов, представляющих наиболее актуальные разработки в сфере обустройства, подготовки нефти и газа.
Новости
12 октября 2022

Отзывы стажеров 2021-2022

Продолжаем публиковать отзывы молодых специалистов, прошедших полный курс стажировки и стали сотрудниками компании.
Новости
Связанные публикации в блоге
15 июня 2022

Расчет прочности внешнего корпуса насоса по ASME BPVC VIII

На сегодняшний день крупнейшими производителями сосудов и аппаратов, работающих под давлением, является Китай, Германия, Канада, Великобритания, Россия и другие. Оборудование, изготавливаемое этими странами, поставляется и применяется по всему миру. При этом в каждой эксплуатирующей стране разработана своя нормативно-техническая база. Проблема заключается в том, что все нормы весьма разнородны по своему статусу и не образуют единой системы.
Блог
21 апреля 2022

Ткань против пули. Математическое моделирование испытаний бронеткани согласно ГОСТ 34286-2017

Бронеодеждой или БО согласно ГОСТ 34286-2017 называют средства индивидуальной броневой защиты, выполненные в виде пальто, накидок, плащей, костюмов, курток, брюк, комбинезонов, жилетов и т.п., предназначенные для периодического ношения с целью защиты туловища и (или) конечностей человека (за исключением стоп ног и кистей рук) от воздействия холодного оружия и огнестрельного стрелкового оружия, а также поражения осколками (далее - средства поражения). БО применяется тогда, когда может потребоваться защита жизни и здоровья человека. Она классифицируется и для нее проводятся испытания согласно назначенным классам.
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
Сделайте заказ
Изменить файл
Поля, отмеченные звездочкой (*) обязательны для заполнения.
Успешно отправлено! Наш специалист свяжется с Вами в ближайшее время!