Обоснование и выбор параметров исполнительного органа ударного действия агрегата для проходки выработок метро
На правах рукописи
БУРАК Андрей Ярославович
ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ АГРЕГАТА ДЛЯ ПРОХОДКИ ВЫРАБОТОК МЕТРО
Специальность 05.05.06 - Горные машины
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
санкт-петербург
2009
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом
университете)
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Д.А. Юнгмейстер
Официальные оппоненты:
заслуженный деятель науки РФ,
доктор технических наук, профессор
Л.К. Горшков
кандидат технических наук
А.Н. Коровников
Ведущее предприятие: ОАО «Метрострой» (Санкт-Петербург)
Защита диссертации состоится 20 апреля 2009 г. в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного Совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106, Санкт-Петербург, В.О., 21-я линия, д. 2, ауд. 7212.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.
Автореферат разослан 20 марта 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
д.т.н., профессор В.В. Габов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы работы. Строительство новых линий метрополитена Санкт-Петербурга ведется как по кембрийской глине забоями, подверженными объемным вывалам, так и, особенно в тоннелях южного направления, забоями, имеющими прослойки крепких пород. В настоящее время строительство спецвыработок и станционных тоннелей небольшой протяженности в условиях ОАО «Метрострой» осуществляется бесщитовой проходкой отбойными молотками с применением ручного труда и механизированного укладчика тоннельной обделки (УТМ). Для устранения ручного труда необходимы средства механизации разработки забоя. При этом целесообразно применение исполнительных органов сменных типов для массивов различного состава. Могут использоваться как резцовый инструмент на планшайбах и коронках (для мягких сухих глин), так и ударные исполнительные органы для разработки забоев с крепкими прослойками.
Указанные средства механизации должны работать в призабойной зоне шириной до 1 м и высотой до 10 м, вписываться в комплексы с высокоэффективными гидравлическими силовыми манипуляторами и пневматическими или гидравлическими ударниками.
Использование ударников может значительно повысить эффективность разработки забоя, однако известные отечественные малогабаритные ударники (отбойные молотки, пневмо- или гидроломы), а также гидроударники зарубежных фирм (Atlas Copco, Kone, Krupp и др.) имеют либо большие габариты по длине, либо недостаточную энергию удара, поэтому необходим ударник, отличающийся высокой эффективностью разрушения породы при малых габаритах. Таким требованиям отвечают устройства с ударными системами «поршень-боек-инструмент», основанными на использовании процесса дребезга. Как показал анализ исследований таких ударных систем, расчет их параметров требует уточнения необходимых и достаточных условий протекания процесса дребезга бойка как промежуточного упругого элемента.
Цель работы: обоснование рациональных параметров ударного устройства исполнительного органа агрегата для проведения выработок в условиях ОАО «Метрострой» на основе оптимизации ударного процесса в системе «поршень-боек-инструмент».
Научная новизна заключается в разработке теоретических основ создания исполнительного органа ударного действия агрегата для проходки спецвыработок и станционных тоннелей, основанного на применении ударной системы «поршень-боек-инструмент», повышение эффективности работы которого возможно за счет дребезга бойка и возвращения к забою отраженных волн.
Работа базируется на исследованиях Алимова О.Д., Асатура К.Г., Ветюкова М.М., Власова С.Н., Горшкова Л.К., Загривного Э.А., Иванова К.И., Калиничева В.П., Кантовича Л.И., Коломийцова М.Д., Красникова Ю.Д., Нагаева Р.Ф., Подэрни Р.Ю., Соколинского В.Б., Ушакова Л.С., Хазановича Г.Ш., Шелковникова И.Г. и др.
Основные задачи исследования:
1. Анализ существующих и выявление перспективных способов и технических средств ведения проходческих работ в условиях ОАО «Метрострой», а также анализ существующих конструкций пневмо- и гидроударников, принципа их действия и методик расчета.
2. Разработка механико-математической модели ударных процессов в системе «поршень-боек-инструмент», аналитический и компьютерный анализ параметров ударной системы.
3. Разработка методики определения параметров ударной системы «поршень-боек-инструмент» и проведение стендовых экспериментов для оценки ударных характеристик системы.
4. Обоснование компоновочной схемы комплекса для проходки спецвыработок и разработка эффективного ударного устройства с принципиально новой системой передачи удара.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовался метод исследований, включающий теоретическую и экспериментальную части. В теоретическую часть входило исследование параметров ударных систем бурильных машин на основе методов теоретической механики, теории колебаний, стереомеханической и волновой теорий и метода конечных элементов. Экспериментальные исследования включали в себя проведение серии опытов на лабораторных стендах с широкими возможностями регулировки основных параметров. Результаты экспериментов обрабатывались методами математической статистики.
Защищаемые научные положения:
1. Интенсификация передачи энергии удара породоразрушающему инструменту обеспечивается в процессе работы ударной системы «поршень-боек-инструмент» при ходе бойка как промежуточного упругого элемента не более 5 мм и его массе, на порядок меньшей массы поршня-ударника, что дает возможность увеличения производительности проходческого агрегата для проведения спецвыработок и станционных тоннелей на 20-30%.
2. Результаты экспериментальных исследований работы системы «поршень-боек-инструмент» показывают возможность усиления ударного импульса за счет энергии упругой волны на 15-20%, повышения его длительности на 20-25%, амплитуды высокочастотных составляющих интегрального ударного импульса на 15-20%, что реализуется при достижении дребезга бойка (повторяющегося высокочастотного соударения с уменьшением амплитуды) как упругого элемента и обеспечивает увеличение степени трещиноватости и поверхности обнажения разрушаемой породы при росте до 25 % глубины проникновения в нее разрушающих инденторов.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, полученных в диссертации, подтверждается использованием современных методов теории колебаний, численных методов решения уравнений, методов математического моделирования с помощью ЭВМ, достаточным и обоснованным объемом и представительностью выполненных экспериментов, удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований с применением современных средств измерений.
Практическая ценность диссертации заключается в разработке:
- технологической схемы проходки спецвыработок и станционных тоннелей небольшой протяженности в условиях ОАО «Метрострой»;
- конструктивной схемы перфоратора с ударной системой «поршень-боек-инструмент»;
- рекомендаций по модернизации конструкций бурильных головок ударного действия;
- экспериментального стенда, обеспечивающего исследование ударных систем бурильных головок в широком диапазоне изменения режимных параметров;
- методики расчета параметров ударной системы «поршень-боек-инструмент»;
- сдвоенной ударной системы в конструкции исполнительного органа проходческого комплекса.
Реализация результатов работы. Результаты исследований в виде рекомендаций и инженерной методики расчета ударных систем «поршень-боек-инструмент», а также вариантов принципиально новых схем (на уровне патентов) технологии проходческих работ при проведении спецвыработок и станционных тоннелей небольшой протяженности переданы в ОАО «Метрострой» (Санкт-Петербург) для практического использования.
Личный вклад автора:
- обоснование конструкции устройства для проведения спецвыработок и станционных тоннелей;
- разработка механико-математической модели процесса дребезга в системе «поршень-боек-инструмент»;
- определение величин эффективных зазоров между соударяющимися телами в системе «поршень-боек-инструмент»;
- разработка рациональных параметров системы «поршень-боек-инструмент» и соответствующих им конструкций ударника (перфоратора).
Апробация работы. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы обсуждались на Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, 2006 - 08), Международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (Орел, 2006), научной конференции молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2005, 2006), межкафедральных семинарах ГЭМФ СПГГИ (ТУ) (2005 - 08).
Публикации. Результаты исследований диссертационной работы изложены в 14 печатных работах, из них два изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 137 страницах, содержит 68 рисунков, 14 таблиц, список литературы из 121 наименований и 3 приложений.
Во введении даются общая характеристика, цель и идея работы.
В главе 1 приведен анализ тенденций совершенствования проходческих технологий и техники для условий ОАО «Метрострой» и методик расчета основных параметров гидравлических и пневматических бурильных головок.
В главе 2 даны результаты математического моделирования ударных процессов в бурильных головках исполнительного органа проходческого комплекса для проведения спецвыработок и станционных тоннелей небольшой протяженности.
В главе 3 приводятся результаты лабораторных (стендовых) исследований сдвоенной ударной системы пневмо- и гидравлических машин ударного действия.
В главе 4 даны варианты перспективных конструкций средств механизации проведения спецвыработок и станционных тоннелей, а также методика определения экономической эффективности их использования.
В заключении приводятся общие выводы и рекомендации.
Автор выражает искреннюю благодарность профессорам СПбГГИ (ТУ) Горшкову Л.К., Иванову С.Л., Тимофееву И.П., а также к.ф.-м.н., с.н.с. кафедры «Теория упругости» СПГУ Судьенкову Ю.В. за консультации и помощь в работе над диссертацией.
ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. Интенсификация передачи энергии удара породоразрушающему инструменту обеспечивается в процессе работы ударной системы «поршень-боек-инструмент» при ходе бойка как промежуточного упругого элемента не более 5 мм и его массе, на порядок меньшей массы поршня-ударника, что дает возможность увеличения производительности проходческого агрегата для проведения спецвыработок и станционных тоннелей на 20-30%.
В настоящее время строительство подземных сооружений осуществляется следующими способами: открытым, закрытым, опускным, горным, щитовым, механизированным и продавливанием исполнительного органа. Проведенные исследования современных способов проходки спецвыработок и станционных тоннелей небольшой протяженности в условиях ОАО «Метрострой» показали, что наименее эффективной, с точки зрения производительности и технологичности, является технология бесщитовой проходки тоннелей отбойными молотками с применением ручного труда и механизированного укладчика тоннельной обделки, который применяется до сих пор.
В связи с этим дан прогноз возможности получения значительного социально-экономического эффекта в случае внедрения в производство механизированного проходческого комплекса на основе стандартного оборудования, который обеспечил бы механизацию процессов отбойки, крепление и уборку отбитой породы, повысил производительность по любому забою, например, имеющему небольшие размеры, при простоте монтажа и использования. Оборудование для отбойки разрабатываемого массива при этом целесообразно укомплектовать малогабаритными ударниками с высокой эффективностью передачи энергии удара на забой.
Анализ различных вариантов компоновок проходческого комплекса для проведения спецвыработок и станционных тоннелей в условиях ОАО «Метрострой» с использованием метода морфологического анализа (по методике Юнгмейстера Д.А.) позволило остановиться на варианте оснащения шагающего крепеустановщика конструкции ОАО «Метрострой» исполнительным органом, обеспечивающим механизацию процесса отбойки породы и исключающим присутствие людей в забое. Как варианты сменного рабочего оборудования по разработке забоя с прослоями твердых включений рассмотрены гидроударники или гидравлические фрезы. На рис. 1 представлена технологическая схема проходки спецвыработок.
Сравнительный анализ технологии проведения спецвыработок и станционных тоннелей в условиях шахт ОАО «Метрострой» (рис. 2) показывает, что по варианту проходки выработки без щита методом сплошного забоя с использованием отбойных молотков требуется две смены (14 ч) для разработки 56,5 м3 объема грунта. Производительность отбойки породы (кембрийской глины с крепостью по шкале М.М. Протодьяконова f=22,5) составит 4,03 м3/ч (см. рис. 2). В случае явно выраженного кливажей течения и разлома в забое выработки породы разрушаются на параллельные плиты различной толщины, при этом производительность отбойки молотками Qом может увеличиться до 18 м3/ч.
В варианте проходки выработки комплексом, агрегатированным манипулятором со сменными исполнительными органами, для разработки 56,5 м3 объема грунта с помощью гидроударника или гидравлической фрезы потребуется не более 1 смены. Следовательно, производительность отбойки кембрийской глины c крепостью f=22,5 составит (см. рис. 2): для гидроударника – 3,88 м3/ч; для гидравлической фрезы со скоростью боковой подачи 0,02 м/с, принятой на основании экспериментальных данных для условий шахт ОАО «Метрострой», – 5,64 м3/ч.
Исходя из технической характеристики приводов механизма ходовой части и механизма вращения рычага крепеустановщика ТУ-4ГП, а также эксплуатационных данных по скорости выдвижения рычага в осевом направлении, видно, что для варианта проходки выработки проходческим комплексом с рабочим органом в виде съемной планшайбы с резцами, закрепленной на рычаге крепеустановщика, для разработки 56,5 м3 объема грунта потребуется не более 5 ч. При расчете производительности планшайбы Qп.ш. скорость подачи принималась на порядок ниже реальной скорости (0,02 м/с) передвижения крепеустановщика, так как в технических данных не были учтены усилия на рычаг при возможном его нагружении.
Рис. 2. Производительность отбойки породы без щита методом сплошного забоя с использованием отбойных молотков (Qом) и проходческим комплексом, оснащенным различными исполнительными органами (Qф., Qг., Qп.ш.):
Расчет производительности отбойки породы гидроударником Qг., фрезой Qф. и планшайбой Qп.ш. на рычаге выполнялся по стандартным методикам, а производительность отбойки породы отбойными молотками Qом рассчитывалась на основе планограмм проходческих работ по данным шахты №614 для забоев участка станции «Пушкинская» (объект ЗАО «Тоннельный отряд - 3»).
Анализ зависимости производительности проходки от крепости пород по шкале М.М. Протодьяконова (см. рис. 2.) для различных вариантов исполнительных органов показывает, что для условий шахт ОАО «Метрострой» производительность фрезы недостаточно велика и меньше производительности гидроударника и планшайбы. Поэтому для разработки забоев шахт метро Санкт-Петербурга наиболее рационально использовать проходческий комплекс с рабочим органом в виде съемной планшайбы на рычаге или гидроударник на манипуляторе, при этом гидроударник должен в весьма ограниченном пространстве (при малых габаритах) обладать значительной энергией удара для более эффективного разрушения забоя.
По сравнению с бесщитовой проходкой тоннеля отбойными молотками и крепеустановщиком применение планшайбы и гидроударника на рычаге крепеустановщика имеет следующие преимущества: увеличивается скорость проходки; значительно сокращаются ручные работы; повышается безопасность ведения работ и улучшаются условия труда горнорабочих.
Для повышения энергии удара и эксплуатационных показателей стандартных гидроударников может использоваться сдвоенная ударная система, которая работает по схеме «ударник - боек – инструмент». Установка упругого бойка небольшой массы между ударником и инструментом реализует процесс дребезга.
Квазипластический удар в системе трех тел, движущихся прямолинейно, возникает в результате дребезга бойка, первоначально описанный Нагаевым Р.Ф. В частности, им было установлено, что для реализации дребезга необходимо выполнение неравенства:
, (1)
где 
и 
- коэффициенты восстановления скорости при ударе бойка о штангу и о поршень; m1 – условная масса штанги, активно воспринимающая ударную нагрузку, m1 =
; mшт – полная масса штанги; 
- общая масса поршня-ударника, величина которого равна сумме масс промежуточного бойка (
) и собственно ударника 
, то есть 
, при этом меньшая часть ударника (
) должна быть определенной массы.
В частном случае, когда 
, 
- коэффициент, характеризующий отношение массы малой части ударника (бойка) 
к массе всего ударника; 
- коэффициент, характеризующий отношение массы всего ударника 
к массе штанги, вместо (1) получаем:
. (2)
Динамику ударного процесса сдвоенного ударника можно проследить по рис. 3.
Рис. 3. Упрощенные схемы ударного взаимодействия трех тел к механико-математической модели описания процесса их взаимодействия:
а) начало движения поршня-ударника; б) абсолютно неупругий удар; в) после сжатия/растяжения штанги (за полупериод)
Известно, что при распространении затухающего колебания для реализации поставленной задачи необходимо выполнить следующее условие: время удара должно быть меньше времени дребезга, которое должно быть, в свою очередь, меньше времени распространения волны (Тдр <<Твол). Причем время цикла ограничивается значением частоты ударов, например, для ПП-54 оно равно 1/30 с. Время дребезга зависит от величины зазора между бойком и штангой:
,
где s – величина предварительного зазора между бойком и хвостовиком штанги, м; – скорость поршня-ударника, м/с; h – характеристическое число (изменяется в интервале от 0 до 1), определяемое из квадратного уравнения при R1=R2=R:
. (3)
Соотношение масс ударной системы выбирается, исходя из условия, что неупругое соударение будет более выгодным, если масса штанги 
мала, то есть 
, что было обосновано в работе Пивнева В.А. Это неравенство является критерием при расчете рациональных параметров бойка и является необходимым, но не достаточным условием увеличения эффективности неупругого соударения ударника и штанги.
Коэффициент при h в рассматриваемом квадратном уравнении (ah2 + bh + c = 0) при различных соотношениях масс ударной системы для различных R представлен в табл. 1.
Коэффициент при h Таблица 1
Массы  и  , кг | Macca бойка  , кг | Коэффициенты восстановления скорости R1=R2=R | ||||
| 8/9 | 7/9 | 6/9 | 5/9 | 4/9 | ||
| 2 и 5 | 0,001 | -1,787627 | -1,602727 | -1,442501 | -1,306949 | -1,196071 |
| 5 и 10 | 0,001 | -1,789055 | -1,603994 | -1,443616 | -1,307921 | -1,196901 |
| 500 и 100 | 0,2 | -1,78158 | -1,597372 | -1,437796 | -1,302851 | -1,19253 |
| 2 и 5 | 0,01 | -1,765289 | -1,582941 | -1,425112 | -1,291802 | -1,183003 |
| 2 и 5 | 0,022 | -1,735846 | -1,55686 | -1,402189 | -1,271834 | -1,165786 |
| 2 и 5 | 0,12 | -1,509279 | -1,356164 | -1,225796 | -1,118176 | -1,033296 |
| 5 и 5 | 0,3 | -1,149132 | -1,03714 | -0,945404 | -1,042464 | -0,822693 |
При сопоставлении соотношений масс для различных R следует, что уравнение (3) имеет решение при положительном дискриминанте, если коэффициент при h по модулю изменяется в диапазоне от 0,8 до 1,12 (при R=5/9), а при R=7/9 - от 1,55 до 1,7.
На рис. 4 представлен график зависимости времени дребезга от параметра h (для случая m1=2 кг; m2=5 кг; 
= 0,12 кг) при различных значениях величины зазора s и скорости поршня-ударника 
=10 м/с.
Зависимость же времени дребезга только от величины зазора между бойком и штангой всегда линейная.
Сопоставляя графики (см. рис. 4), построенные по теоретическим данным для различных s и 
, можно видеть, что дребезг в системе трех тел реализуется в случае величины зазора между бойком и штангой меньше 5 мм, что не противоречит утверждению о том, что с увеличением длины штанги время волнового процесса должно увеличиваться, и это не противоречит неравенству Тдр <Твол <Тцикла, которое должно выполняться не зависимо от длины штанги, что и наблюдается на графиках.
Выполненные совместно со специалистами кафедры теории упругости СПГУ теоретические исследования эффективности переноса ударного импульса позволяют полную механическую энергию упругих волн, возбуждаемых в штанге при ударе, представить в виде:
,
где W – площадь поперечного сечения стержня, м2; – плотность, т/м3; – скорость продольной волны в стержне, м/с.
На рис. 5 приведены графики зависимости степени передачи полной энергии штанге от ударника и бойка при изменении расстояния s между бойком и штангой для различных значений жесткостей ударникаи штанги.
а) б)
Рис. 5. Графики зависимости степени передачи полной энергии штанге от ударника и бойка при изменении расстояния s между бойком и штангой:
а) для случая k1<< k2; б) для случая равных жесткостей k1=k2
Анализируя графики на рис. 5, можно видеть, что в случае 
<<
для малых значений s (до 7 мм) энергия, передаваемая в штангу, сопоставима с передаваемой энергией от одиночного соударения, отклонения не превышают 4%. С увеличением расстояния от бойка до штанги количество передаваемой в штангу энергии падает.
Для случая равных жесткостей штанги и ударника 
=
, в отличие от предыдущего случая, наблюдается резкое падение значений передаваемой штанге энергии. Это связано с тем, что при увеличенной жесткости штанги число соударений приходится на различные фазы ее колебаний, что меняет перераспределение энергии между штангой и ударником.
Следует заметить, что при изменении значений s от 1 до 5 мм энергия, передаваемая штанге, возрастает (при s=5 мм – максимальна), а при превышении 5 мм энергия уменьшается.
На основе выполненных теоретических исследований разработана и защищена патентом конструкция проходческого комплекса для проведения спецвыработок и станционных тоннелей в условиях ОАО «Метрострой», а также конструкция перфоратора с ударной системой «поршень-боек-инструмент (штанга)».
Таким образом, применение сдвоенной ударной системы в конструкции исполнительного органа проходческого комплекса позволяет значительно увеличить передачу энергии удара, интенсивность разрушения пород и глубину погружения лезвий долота, что способствует увеличению скорости проходки на 20-30%.
2. Результаты экспериментальных исследований работы системы «поршень-боек-инструмент» показывают возможность усиления ударного импульса за счет энергии упругой волны на 15-20%, повышения его длительности на 20-25%, амплитуды высокочастотных составляющих интегрального ударного импульса на 15-20%, что реализуется при достижении дребезга бойка (повторяющегося высокочастотного соударения с уменьшением амплитуды) как упругого элемента и обеспечивает увеличение степени трещиноватости и поверхности обнажения разрушаемой породы при росте до 25 % глубины проникновения в нее разрушающих инденторов.
Стендовые испытания ударной системы «поршень-боек-инструмент» проводились на установке с баллистическим маятником, схема которого представлена на рис. 6,а, а также на установке со специальным креплением для образцов породы различных свойств (рис.6,б,в), методика которого аналогична методу проведения экспериментальных исследований по Шарпи.
Методика исследований заключалась в следующем (рис. 6,а): датчики размещались на штанге 3 стенда и в стержне 10 баллистического маятника 11. Угол отклонения баллистического маятника 11 был пропорционален величине напряжения, передаваемого в стержень маятника, и измерялся электрическим потенциометром 12. Первый датчик 13 регистрировал продольные колебания напряжений в штанге 3 при прохождении ударного импульса и располагался на расстоянии 300 мм от нагружаемого торца штанги. Второй датчик 14 размещался на расстоянии 30 мм от конца стержня 10 баллистического маятника 11 и регистрировал на осциллографе колебания напряжений при прохождении ударного импульса через стык между штангой 3 и стержнем 10 маятника при различных режимах ударного воздействия.
Рис. 6. Схемы испытаний:
а) на стенде с баллистическим маятником; б) характера разрушения и глубины внедрения ударника-индентора; в) образцов на ударный изгиб
Разгон стального поршня-ударника 2 осуществлялся импульсным магнитным полем соленоида 9, размещенного на трубе 1 из нержавеющей стали с внутренним диаметром, равным диаметру поршня-ударника 2 и бойка 4. Для соблюдения условия абсолютно плоских торцов стержней (по волной теории) соприкасающиеся при ударе торцы бойка 4, поршня-ударника 2 и хвостовика штанги 3 были выполнены плоскими. Импульсное магнитное поле в соленоидной катушке 9 возбуждалось при разряде конденсаторной батареи (С) через тиристор 7 при подаче управляющего импульса напряжения с генератора 6. Измерение скорости перемещения поршня-ударника 2 осуществлялось через предусмотренное в стальной трубе 1 смотровое окно 8. От лазера 16 часть луча через первое зеркало 17, установленное под углом 450 к лучу, отражалась на первый фотодиод 15, а другая часть луча преломлялась зеркалом и поступала на второе зеркало 17, установленное под таким же углом 450, затем отражалась на 2-й фотодиод 15. Определив заранее расстояние между фотодиодами и время прохождения сигнала между первым и вторым фотодиодами, вычислялась скорость поршня.
Характерные виды сигналов с датчика 13 штанги 3, а также с датчика 12 отклонения баллистического маятника для различных ре
жимов ударного воздействия представлены на рис. 7,а,б.
Рис. 7. Сигналы с датчиков:
а) отклонения баллистического маятника при воздействии ударного импульса; б) напряжения в штанге при различных режимах ударного воздействия
Электрический сигнал (напряжение) с датчиков, установленных на штанге стенда и стержне маятника, пропорционален величине давления (смещению поверхности, с которой имеют акустический контакт датчики, т.е. на которой они размещены). Временные зависимости силовых параметров удара пропорциональны производной по времени от электрических сигналов с датчиков.
На осциллограмме (см. рис.7,а) наблюдается увеличение энергии упругих волн на 15-20%, передаваемых штангой, при воздействии сдвоенной ударной системы, что находится в согласии с результатами, представленными на рис. 7,б.
Как видно из рис. 7,б, форма основной волны (прямого ударного импульса за время 
) с применением сдвоенной ударной системы изменяется (т.е. появляются всплески импульсов): длительность ударного импульса при сдвоенной ударной системе превышает на 10-40% длительность импульса при классической ударной системе, а амплитуда высокочастотных составляющих спектра ударного импульса увеличивается на 20-50%. В случае воздействия таких импульсов это должно вносить дополнительный вклад в энергию разрушения горных пород. Проинтегрировав графики (рис. 7,б) с помощью программного пакета Microcal Origin 6.0 Professional, можно сделать вывод, что площадь суммарного ударного импульса прямой волны напряжений в штанге при сдвоенном ударном режиме превышает на 10-25% площадь ударного импульса классического варианта ударного режима.
Таким образом, исследования ударных систем на стенде с баллистическим маятником подтверждают перспективность выбора сдвоенного ударника для повышения эффективности переноса ударного импульса.
Исследования характера разрушения и глубины внедрения ударника-индентора в образец, а также пороги и характер разрушения образцов при испытаниях на ударный изгиб по методу Шарпи проводились на установке по схемам рис. 6,б,в.
В качестве испытуемых материалов были использованы образцы квадратного сечения, выполненные из эпоксидной смолы, а также образцы кембрийской глины из забоев шахты №614 участка станции «Пушкинская» (объект ЗАО «Тоннельный отряд-3»).
Пороговые скорости поршня-ударника, при которых имело место разрушение образцов эпоксидной смолы, различались на 25-30%. Значение скорости для удара только поршня было близко к 3,5 м/с, а для удара поршня через боек – 2,9 м/с.
Разрушение образцов эпоксидной смолы при ударе поршня через боек, то есть ударным импульсом с более высокочастотным спектром, помимо различия пороговых скоростей, характеризуется наличием достаточно большого числа микротрещин. Это свидетельствует об интенсификации разрушения пород при использовании сдвоенной ударной системы.
На рис. 8,а,б приведен характерный вид зон внедрения индентора в виде четырехгранной призмы с углом 300 в образцы кембрийской глины. Скорость поршня-ударника в обоих случаях была одна и та же и равнялась 
= 8 м/с.
При оценке эффективности разрушения кембрийской глины пользовались методом замера количества трещин в образце и сравниванием фотографий образцов, разрушенных различными ударными системами. Разрушенный участок образцов исследовался под микроскопом, при этом производилось измерение площади разрушения, глубины внедрения индентора в породу и количество трещин.
Измерения диагоналей зоны внедрения индентора в образцы кембрийской глины показывают, что площадь разрушенного участка образцов поршнем-ударником через боек превышает на 5-10% площадь разрушенного участка только поршнем-ударником. Кроме того, измерения показали увеличение глубины внедрения индентора на 20-25% для случая воздействия через боек, при этом фрактографический анализ показывает, что разрушение образцов при ударе поршня через боек характеризуется наличием достаточно большого числа микротрещин и «выколов» породы по сравнению с разрушением образцов при ударе только поршня.
Параметры исследования разрушенных участков образцов кембрийской глины сведены в табл. 2.
Параметры исследования разрушенных образцов кембрийской глины Таблица 2
| Параметры | Поршень-ударник | Поршень-ударник через боек |
| Среднее значение глубины внедрения индентора в кембрийскую глину, hср.внедр., мм | Единичная ударная нагрузка (одиночный удар) | |
| 7,9 | 9,25 | |
Цикличный удар продолжительностью 0,20 0,25 с. (Fц=50 Гц) | ||
| 10,6 | 12,25 | |
| Измерения диагоналей зоны внедрения индентора в образцы: d1, мм d2, мм dср=(d1+d2)/2, мм | Одиночный удар | |
| 11,6 13,2 12,4 | 12,6 13,7 13,1 | |
| Площадь разрушенного участка образца, S, мм2 | Одиночный удар | |
| 120,70 | 134,71 | |
Акустическая спектроскопия образцов эпоксидной смолы осуществлялась с помощью оптико-акустического дефектоскопа в полосе частот 75МГц. Наибольшее различие спектров акустических импульсов, прошедших вблизи зоны надреза при разрушении импульсами с существенно разными пространственно-временными спектрами, наблюдается при частотах ~ 40 МГц, что соответствует влиянию на спектр образцов, разрушенных при ударе через боек, дефектов с характерными размерами ~ 30-40 мкм.
Следовательно, можно утверждать, что, наряду с известным влиянием формы, амплитуды и длительности силового (ударного) импульса, на процессы разрушения существенное влияние имеет и пространственно-временной спектр ударной нагрузки. То есть корреляция масштабов дефектной структуры материалов и пространственно-временного спектра ударной нагрузки могут в значительной мере определять порог, характер и длительность динамического разрушения материалов.
Таким образом, исследования ударных систем при взаимодействии с породами различных свойств подтверждают перспективность использования ударной системы «поршень-боек-инструмент» в конструкции исполнительного органа ударного действия проходческого комплекса для проведения спецвыработок и станционных тоннелей небольшой протяженности в условиях ОАО «Метрострой». Это может быть объяснено повышением КПД передачи удара от ударника к инструменту, увеличением эффективности передачи импульса породоразрушающему инструменту, увеличением эффективности разрушения гетерогенных сред.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленная диссертация является законченной научной квалификационной работой, в которой на базе выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований содержится новое решение актуальной научной задачи, заключающейся в обосновании и выборе параметров исполнительного органа ударного действия агрегата для проходки выработок метро на основе применения ударной системы «поршень-боек-инструмент» в конструкции гидроударника, внедрение которой будет способствовать ускорению научно-технического прогресса в горно-строительной отрасли за счет интенсификации передачи ударного импульса при разрушении пород, повышения энергии удара, что имеет важное значение не только для увеличения скорости проходческих работ в метро Санкт-Петербурга, но и других областях промышленности.
Основные научные и практические выводы, сделанные в результате выполненных исследований, заключаются в следующем.
1. Разработанная конструкция проходческого агрегата и ударного устройства исполнительного органа ударного действия может быть успешно использована для проходки спецвыработок небольшой протяженности в условиях ОАО «Метрострой».
2. Механико-математическая модель ударной системы «поршень-боек-инструмент» позволяет уточнить массовые и геометрические соотношения соударяющихся тел и материалы для их изготовления при обеспечении процесса дребезга, а также определить величины КПД и энергии удара.
3. Дребезг в системе трех тел реализуется в случае зазора между бойком и штангой не более 5мм, при этом энергия, передаваемая на штангу, возрастает при величине зазора от 1 до 5мм.
4. Распределение энергии зависит от параметров соударений: их количества и различных фаз колебаний при соударениях.
5. Использование ударной системы «поршень-боек-инструмент» в конструкциях пневмо- и гидроударников способствует увеличению передачи энергии упругих волн через инструмент на 15-20% по сравнению с традиционной ударной системой.
6. Удар поршнем-ударником в случае, когда между штангой (инструментом) и поршнем находится упругий боек, увеличивает глубину внедрения индентора на 20-25 %, усиливает трещиноватость и обеспечивает рост площади разрушенного участка образца породы на 5-10%.
Список основных публикаций по теме диссертации:
1. Юнгмейстер Д.А. Обоснование параметров гидроударника исполнительного органа проходческого комплекса для проведения выработок шахт Метростроя Санкт-Петербурга / Д.А. Юнгмейстер, А.Я. Бурак, В.В. Габов //Гидравлика и пневматика, 2005,№19.- С.13-15.
2. Бурак А.Я. Исследование гидроударных исполнительных органов проходческого комплекса для Метростроя Санкт-Петербурга // Записки горного института, 2006.- Т.167(2).-С.186-188.
3. Юнгмейстер Д.А. Основные результаты исследований перфоратора со сдвоенной ударной системой «поршень-боек-штанга» / Д.А. Юнгмейстер, А.Я. Бурак, В.А. Пивнев, Ю.В. Судьенков // Горное оборудование и электромеханика, 2006, №3.- С.17-20.
4. Юнгмейстер Д.А. Исследование ударных систем на стенде с баллистическим маятником / Д.А. Юнгмейстер, Г.В. Соколова, А.Я. Бурак, Ю.В. Судьенков // Горное оборудование и электромеханика,2006,№7.- С.39-42.
5. Перфоратор. Пат. РФ, №2296850 / Д.А. Юнгмейстер, В.А. Пивнев, Г.В. Соколова, К.А. Лукашов, М.Ю. Непран, А.Я. Бурак // Бюл. №10, 2007.
6. Комплекс для проведения выработок в слабоустойчивых породах. Пат. РФ, №2302529 / Д.А. Юнгмейстер, А.Я. Бурак, Д.В. Смирнов, А.В. Иванов // Бюл. №19, 2007.
7. Юнгмейстер Д.А. Эспериментальные исследования ударных систем «поршень-боек-штанга» / Д.А. Юнгмейстер, А.Я. Бурак, Г.В. Соколова, Ю.В. Судьенков // Ударно-вибрационные системы, машины и технологии. Материалы III международного научного симпозиума. – Орел: ОрелГТУ, 2006.- С.72-75.
8. Бурак А.Я. Стендовые исследования ручного перфоратора с ударной системой «поршень-боек-штанга» / А.Я. Бурак, Д.А. Юнгмейстер, А.Ю. Васильев, Ю.В. Судьенков // Записки горного института, 2008. – Т.178.- С.175-180.
9. Юнгмейстер Д.А. Разработка и исследование компоновки исполнительного органа проходческого комплекса для шахт ОАО «Метрострой» / Д.А. Юнгмейстер, С.А. Игнатьев, А.Я. Бурак, С.А. Коновалов // Записки горного института, 2008.- Т.178. – С.201-206.
