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.