Автоматизированный метод проектирования бойков ударных машин по физико-механическим свойствам разрушаемых объектов

повышение эффективности работ, связанных с разрушением горной породы ударными воздействиями, при неизменной энергии удара, определяемой кинетической энергией бойка, достигается путем учета эффекта влияния геометрических параметров элементов ударных узлов машины. Задание бойку геометрической формы, согласованной с силами сопротивлений горной пород ударному разрушению, обеспечивает формирование в штанге-волноводе такого ударного импульса, вся энергия которого расходуется непосредственно на разрушение породы, а энергия отраженной волны стремится к нулевому значению. Аналитические методы решения проблемы учета геометрии бойка ударной машины зачастую не приводят к быстрому достижению поставленной цели в силу возникновения сложных математических вычислений. На этом основании в статье ставится и решается задача разработки численного алгоритма синтезирования геометрических размеров ударника в зависимости от параметров ударного импульса и создания на его основе программного обеспечения. По результатам исследований приводится пример синтеза геометрии бойка для разрушения горной породы высокой крепости — гранита, а также выдвигается новое техническое решение выполнения бойка с криволинейной образующей боковой поверхности оснащением цилиндрической оболочкой постоянной толщины. Такой подход позволяет не только повысить эффективность разрушения породы ударными воздействиями, но и уменьшить негативное влияние на прочность машины отраженных ударных волн.

Тимофеев Е. Г., Теплякова А. В., Жуков И. А., Голиков Н. С. Автоматизированный метод проектирования бойков ударных машин по физико-механическим свойствам разрушаемых объектов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 12-2. — С. 257—269. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_122_0_257.

Тимофеев Евгений Геннадьевич¹ — аспирант, e-mail: veefomit77777@yandex.ru;
Теплякова Анна Васильевна² — студент, e-mail: teplyakovanu@mail.ru;
Жуков Иван Алексеевич² — докт. техн. наук, доцент, профессор кафедры машиностроения, http://orcid.org/0000-0001-9068-3201, e-mail: tmmiok@yandex.ru;
Голиков Николай Сергеевич² — канд. техн. наук, доцент кафедры машиностроения, e-mail: golikovnikolay@yandex.ru;
¹ Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк, 654007, Россия;
² Санкт-Петербургский горный университет, 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, Россия.

Жуков Иван Алексеевич, e-mail: tmmiok@yandex.ru. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

1. Толстунов С. А., Половинко А. В. Определение эффективности применения машин ударного действия при добыче крепких горных пород // Записки Горного института. — 2013. — Т. 205. — С. 36–39.

2. Шадрина А. В., Саруев Л. А. Анализ и научное обобщение результатов исследований ударно-вращательного способа бурения скважин малого диаметра из подземных горных выработок // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. — 2015. — Т. 326. — № 8. — С. 120–136.

3. Данилов Б. Б., Смоляницкий Б. Н., Чещин Д. О. Обоснование принципиальных схем отклоняющих устройств в установках горизонтального направленного бурения скважин // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2015. — № 3. — С. 106–116.

4. Саруев Л. А., Шадрина А. В., Мельнов К. В., Саруев А. Л. Результаты экспериментальных исследований гидроимпульсного механизма для бурения пилотных скважин при прокладке трубопроводов // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. — 2021. — Т. 332. — № 12. — С. 103–113. DOI: 10.18799/24131830/2021/12/3468.

5. Aldannawy H., Rouabhi A., Gerbaud L. Percussive drilling: Experimental and numerical investigations // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2022, vol. 55(3), pp. 1555–1570. DOI: 10.1007/s00603-021-02707-5.

6. Репин А. А., Тимонин В. В., Алексеев С. Е., Кокоулин Д. И., Попелюх А. И. Повышение мощности малогабаритных погружных пневмоударников // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2016. — № 6. — С. 86–93.

7. Литвиненко В. С., Двойников М. В. Методика определения параметров режима бурения наклонно прямолинейных участков скважины винтовыми забойными двигателями // Записки Горного института. – 2020. – Т. 241, №1. – С. 105-112. – DOI: 10.31897/ pmi.2020.1.105.

8. Керимов З. Э. Гидравлические машины ударного действия и их практическое применение // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. — 2019. — № 10. — С. 481–489.

9. Юнгмейстер Д. А., Исаев А. И., Ячейкин А. И., Соболева П. Д. Экспериментальные исследования погружного пневмоударника бурового станка // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 3. — С. 28–36. DOI: 10.25018/02361493-2021-3-0−28−36.

10. Litvinenko V. S., Vasiliev N. I., Lipenkov V. Ya., Dmitriev A. N., Podoliak A. V. Special aspects of ice drilling and results of 5G hole drilling at Vostok station, Antarctica // Annals of Glaciology. 2014, vol. 55(68), pp. 173–178. DOI: 10.3189/2014AoG68A040.

11. Кызыров К. Б., Митусов А. А., Решетникова О. С. Проектировочные исследования параметров гидромолота для горной и строительной промышленностей // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2018. — № 9. — С. 220–226. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-9-0−220−226.

12. Юнгмейстер Д. А., Крупенский И., Лавренко С. А. Анализ вариантов модернизации станков шарошечного бурения с погружным пневмоударником // Записки Горного института. — 2018. — Т. 231. — С. 321–325. DOI: 10.25515/PMI.2018.3.321.

13. Червов В. В., Тищенко И. В., Червов А. В., Ванаг Ю. В. Разработка энергонасыщенного пневматического молота на основе исследований взаимодействия его физической модели с грунтом // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2021. — № 1. — С. 95–106. DOI: 10.15372/FTPRPI20210110.

14. Юнгмайстер Д. А., Гасымов Э. Э., Исаев А. И. Обоснование конструкции и параметров устройства для регулирования потока воздуха в погружных пневмоударниках станков шарошечного бурения // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 6–2. — С. 251–267. — DOI: 10.25018/0236_1493_2022_62_0_251.

15. Опарин В. Н., Тимонин В. В., Карпов В. Н., Смоляницкий Б. Н. О применении энергетического критерия объемного разрушения горных пород при совершенствовании технологии ударно-вращательного бурения скважин // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2017. — № 6. — С. 81–104. DOI: 10.15372/ FTPRPI20170609.

16. Симонов П. С. Экспериментальное исследование дробления горной породы единичным ударом // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 1. — С. 71–79. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-1-0−71−79.

17. Гринько А. А., Сысоев Н. И., Гринько Д. А. Повышение эффективности процесса сколообразования при ударно-поворотном воздействии долота на горную породу // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 9. — С. 102–115. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-9-0−102−115.

18. Болобов В. И., Плащинский В. А. Влияние продолжительности удара на эффективность разрушения горных пород и пластического деформирования металлов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 3. — С. 78–96. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_3_0_78.

19. Лагунова Ю. А., Митусов А. А., Решетникова О. С. Специфические особенности эксплуатации механизмов ударного действия // Актуальные проблемы повышения эффективности и безопасности эксплуатации горношахтного и нефтепромыслового оборудования. — 2016. — Т. 1. — С. 72–75.

20. Комиссаров А. П., Галызин С. С. Выбор параметров буровых машин ударного действия с позиции упругих волн // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. — 2016. — № 5. — С. 84–88.

21. Теплякова А. В., Азимов А. М., Алиева Л., Жуков И. А. Обзор и анализ технических решений для повышения долговечности и улучшения технологичности элементов ударных узлов бурильных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 9. — С. 120–132. — doi.org/10.25018/0236_1493_2022_9_0_120.

22. Долгий И. Е., Николаев Н. И. Сопротивление горных пород разрушению при бурении скважин // Записки Горного института. — 2016. — Т. 221. — С. 655–660. DOI: 10.18454/PMI.2016.5.655.

23. Болобов В. И., Ле Т. Б., Чупин С. А., Плащинский В. А. Зависимость наработки пики гидромолота от износостойкости ее материала // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 5. — С. 68–79. DOI 10.25018/0236-1493-2020-50−68−79.

24. Болобов В. И., Плащинский В. А., Борисов С. В., Бинь Л. Т. О соотношении параметров разрушения породы в статических и динамических условиях // Обогащение руд. — 2021. — № 5. — С. 3–9. DOI: 10.17580/or.2021.05.01.

25. Лазуткин С. Л., Лазуткина Н. А. Определение рациональных параметров исполнительных элементов ударной системы адаптивного ударного устройства // Современные наукоемкие технологии. — 2019. — № 5. — С. 58–63.

26. Ding W.-S., Tian L., Liu K. Analysis of dynamic characteristic of transient impact from hydraulic hammer // Huanan Ligong Daxue Xuebao (Ziran Kexue Ban). 2016, vol. 44, no. 11, pp. 63–70. DOI: 10.3969/j.issn.1000−565X.2016.11.010.

27. Andersson H., Sigfridsson E., Simonsson K., Leidermark D., Hilding D., Schill M. Validation of a co-simulation approach for hydraulic percussion units applied to a hydraulic hammer // Advances in Engineering Software. 2019, vol. 131, pp. 102–115. DOI: 10.1016/j. advengsoft.2018.12.001.

28. Ямпольский Д. З. Численное моделирование продольного удара. Сравнение с экспериментом // Вестник научно-технического развития. — 2019. — № 9(145). — С. 30–51. — DOI: 10.18411/vntr2019−145−4.

29. Жабин А. Б., Лавит И. М., Керимов З. Э. Результаты теоретических исследований силовой импульсной системы гидроударника // Горное оборудование и электромеханика. — 2020. — № 5(151). — С. 9–15. DOI: 10.26730/1816-4528-2020-5-9−15.

30. Dong Ge, Zhongwei Suo, Jianming Peng, Kun Bo, Jingqing Cheng, Pengyu Zhang. Dynamic responses of a fluidic hammer with hydraulic-damping-device // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2021, vol. 200, p. 108243. DOI: 10.1016/j.petrol.2020.108243.

31. Kenneth Omokhagbo Afebu, Yang Liu, Evangelos Papatheou. Feature-based intelligent models for optimisation of percussive drilling // Neural Networks. 2022, vol. 148, pp. 266–284. DOI: 10.1016/j.neunet.2022.01.021.

32. Zhukov I. A., Repin A. A., Timofeev E. G. Automated calculation and analysis of impacts generated in mining machine by anvil blocks of complex geometry // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2018. Vol. 134. P. 012071. DOI: 10.1088/1755– 1315/134/1/012071.

33. Тимофеев Е. Г., Жуков И. А., Теплякова А. В. Комплекс программ для автоматизированного расчета геометрии ударных узлов машин // Программная инженерия. — 2021. — Т. 12. — № 8. — С. 404–412. DOI: 10.17875/prin.12.404−412.