Динамическая модель работы электромагнитного ударного механизма электрического перфоратора

Обоснована целесообразность применения электрических перфораторов для бурения отверстий и шпуров ударно-вращательным способом в удаленных районах при сложных рельефах местности и ограничениях связей с внешними энергокоммуникациями. В качестве объекта исследования рассматривается однокатушечный электромагнитный ударный механизм с упругим реверсом бойка, с регулируемой частотой и энергией удара, выполненный по схеме с центральным технологическим каналом и получающий питание от источника энергии ограниченной мощности. Изложены результаты исследований по разработке динамической модели электромагнитного ударного механизма электрического перфоратора, позволяющей производить анализ рабочих процессов, учитывающих влияние конструктивных параметров, а также формы и длительности импульсов питающего напряжения. Основу динамической модели составляют дифференциальные уравнения, отражающие электрическое и механическое равновесие ударного механизма, учитывающие границы движения ударной массы бойка и ударные взаимодействия в механической системе. Расчет модели выполнен средствами компьютерного моделирования в среде Matlab Simulink, основанной на применении численных методов. Для заданных параметров ударного механизма получена зависимость энергии от частоты ударов. Установлена адекватность результатов моделирования с результатами, полученными на физической модели. Ошибка при расчетах зависимости энергии от частоты ударов не превышает 6%, что допустимо для решения задач проектного расчета. Показана энергетическая эффективность применения электрических перфораторов, созданных на основе электромагнитных ударных механизмов поступательного движения, обеспечивающих более высокие значения КПД в сравнении с ударными механизмами, созданными на основе коллекторного электропривода вращательного действия.

Ключевые слова: горное дело и строительное производство, бурение отверстий и шпуров, электрический перфоратор, электромагнитный ударный механизм, динамическая модель, механическая колебательная система, анализ рабочих процессов, энергия удара, частота удара, коэффициент полезного действия.

Как процитировать:

Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Динамическая модель работы электромагнитного ударного механизма электрического перфоратора // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 12-2. — С. 190—202. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_122_0_190.

Благодарности:

Информация об авторах:

Нейман Людмила Андреевна — докт. техн. наук, профессор, http://orcid.org/00000002-3442-6531, Новосибирский государственный технический университет, 630073, Новосибирск, проспект Карла Маркса,20, Россия, e-mail: neyman31@gmail.com;
Нейман Владимир Юрьевич — докт. техн. наук, заведующий кафедрой, http://orcid. org/0000-0002-8433-1610, Новосибирский государственный технический университет,630073, Новосибирск, проспект Карла Маркса, 20, Россия, е-mail: nv.nstu@ngs.ru.

Контактное лицо:

Нейман Владимир Юрьевич, e-mail: nv.nstu@ngs.ru.

Список литературы:

1. Ямпольский Д. З. Некоторые особенности ударных импульсов машин ударного действия // Вестник научно-технического развития. — 2020. — № 4 (152). — С. 26—42. DOI: 10.18411/vntr2020−152−4.

2. Хруцкий А. А., Ощепков В. С. Компьютерное моделирование рабочего процесса погружного пневмоударника П-110 // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2018. — № 7. — С. 131—138. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-7-0−131−138.

3. Abramenkov D. E., Popov N. A., Abramenkov E. A. Methodology for evaluating energysaving technical solutions of impact machines and equipment // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. VIII International Scientific Conference Transport of Siberia. 2020, art. 012134. DOI: 10.1088/1757−899X/918/1/012134.

4. Каманин Ю. Н, Ределин Р. А., Кравченко В. А. Моделирование разрушения скальных пород гидравлическим устройством ударного действия // Горное оборудование и электромеханика. — 2017. — № 2(129). — С. 30—34.

5. Сысоев Н. И., Гринько А. А., Гринько Д. А. Обоснование структуры и рациональных конструктивных параметров перфоратора с винтовым рабочим ходом бурового инструмента // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 7. — С. 113–124. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_7_0_113.

6. Gumenyuk V., Dobroborsky B., Gumenyuk O., Krupyshev M. Providing high speed drilling of boreholes with portable pneumatic rock drills in emergency situations // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019, vol. 666, art. 012094. DOI:10.1088/1757−899X/666/1/012094.

7. Rempel D., Antonucci A., Barr A., Cooper M. R., Martin B., Neitzel R. L. Pneumatic rock drill vs. electric rotary hammer drill: Productivity, vibration, dust, and noise when drilling into concrete // Applied ergonomics. 2019, vol. 74, pp. 31—36. https://doi.org/10.1016/j. apergo.2018.08.005.

8. Ураимов М. У., Еремьянц В. Э. Гидравлический перфоратор с совмещенным ударным механизмом и механизмом поворота инструмента // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. — 2021. — № 10. — С. 56—62. DOI: 10.26160/2658-3305-2021-10−56−62.

9. Немков С. А., Дроздов А. Н., Степанов В. В. Модель работы компрессионно-вакуумного ударного механизма электрического перфоратора SDSPLUS // Механизация строительства. — 2016. — Т. 77. — № 11. — С. 46—49.

10. Usanov K. M., Volgin A. V., Kargin V. A., Moiseev A. P., Chetverikov E. A. Electric converters of electromagnetic strike machine with battery power // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018, vol. 327, art. 052031. DOI: 10.1088/1757−899X/327/5/052031.

11. Абидов А. О., Исманов О. М. Mатематическая модель электромеханического перфоратора с ударно-поворотным механизмом // Бюллетень науки и практики. — 2019. — Т. 5. — № 5. — С. 233—240. DOI: 10.33619/2414−2948/42/31.

12. Едыгенов Е. К., Васин К. А. Результаты испытаний электромагнитного молота для безвзрывного разрушения горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 5. — С. 80–90. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-5-0−80−90.

13. Neiman L. A., Neiman V. Yu., Shabanov A. S. A simplified calculation of the intermittent periodic operating regime of an electromagnetic impact drive // Russian Electrical Engineering. 2014, vol. 85, no. 12, pp. 757—760. DOI: 10.3103/S1068371214120104.

14. Neiman V. Yu. Dynamic energy transformation of linear electromagnetic machines with preliminary magnetic-energy storage // Russian Electrical Engineering. 2003, vol. 74, no. 2, pp. 41—47.

15. Usanov K. M., Volgin A. V., Chetverikov E. A., Kargin V. A., Moiseev A. P., Ivanova Z. I. Strike action electromagnetic machine for immersion of rod elements into ground // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2017, vol. 87, art. 032050. DOI : 10.1088/1755−1315/87/3/032050.

16. Neyman L. A., Neyman V. Yu. Complex analysis of electromagnetic machines for vibro-impact technologies // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2017, vol. 87, art. 032026. DOI: 10.1088/1755−1315/87/3/032026.

17. Kargin V. A., Volgin A. V. Electromagnetic strike action system with self-adjustment of output energy // 2018 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). — IEEE. 2018, pp. 1—4. DOI: 10.1109/ FarEastCon.2018.8602647.

18. Ижбулдин Е. А., Абрамов А. Д. Ручной электрический ударный инструмент для реализации виброударных технологий в транспортном машиностроении и строительстве // Вестник Иркутского государственного технического университета. — 2017. — Т. 21. — № 1 (120). — С. 32—39. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-1-32−41.

19. Нейман В. Ю., Нейман Л. А., Скотников А. А., Артебякина Е. Ю. Патент на изобретение № 2502855 от 11.04.12. Электромагнитный ударный механизм. Бюл. № 36 от 27.12.13.

20. Hendzel Z., Rykała Ł. Modelling of dynamics of a wheeled mobile robot with mecanum wheels with the use of Lagrange equations of the second kind // International Journal of Applied Mechanics and Engineering. 2017, vol. 22, no. 1, pp. 81—99. DOI: 10.1515/ijame-2017−0005.

21. Van Nguyen T., Petre R. A., Stroe I. Calculus of axial force in a mechanism using Lagrange equations // INCAS Bulletin. 2016, vol. 8, no. 2, pp. 97—108. DOI: 10.13111/2066−8201.2016.8.2.8.

22. Petre R. A., Nichifor S. E., Craifaleanu A., Stroe I. Using Lagrange Equations to Study the Relative Motion of a Mechanism // International Journal of Aerospace and Mechanical Engineering. 2020, vol. 14, no. 10, pp. 421—425.

23. Суворов И. Ф., Романова В. В., Хромов С. В. Исследование влияния несимметрии фазных напряжений на режимы работы асинхронных двигателей в среде имитационного моделирования MATLAB/SIMULINK // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. — 2016. — Т. 16. — № 3. — С. 72—83. DOI: 10.14529/power160309.

24. Xu L., Song J. G., Lin Q. Q. Brushless DC motor speed control system Simulink simulation // 2016 IEEE International Conference on Power and Renewable Energy (ICPRE). — IEEE. 2016, pp. 62—66. DOI: 10.1109/ICPRE.2016.7871173.

25. Kiyakli A. O., Solmaz H. Modeling of an electric vehicle with MATLAB/Simulink // International journal of automotive science and technology. 2018, vol. 2, no. 4, pp. 9—15. https://doi.org/10.30939/ijastech..475477.

26. Nazaruddin N., Siallagan R. Software Engineering Development of Finite Element Method Programming Applications in 2D Frame Structures Using Python Programs // Journal of Physics: Conference Series. 2021, vol. 2049, art. 012031. DOI:10.1088/1742−65 96/2049/1/012031.

27. Hu H. Z., Zhao J., Liu X.D, Guo Y. G. Magnetic field and force calculation in linear permanent-magnet synchronous machines accounting for longitudinal end effect //IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2016, vol. 63, no. 12, pp. 7632—7643. DOI: 10.1109/ TIE.2016.2594793.

28. Fonseca W. S., Lima D. S., Nunes M. V. A., Soeiro N. S., Lima A. K. F. Analysis of electromagnetic stresses and structural integrity on the winding of a transformer under inrush currents conditions // 2016 12th IEEE International Conference on Industry Applications (INDUSCON). 2016, pp. 1—8. DOI: 10.1109/INDUSCON.2016.7874578.