Экспериментальное исследование ударных импульсов в системе «поршень–долото»

Внедрение: 2021  г.

Модуль E14‑440 применялся ранее в исследованиях по моделированию динамики системы «боёк–инструмент–горный массив», о чём мы публиковали нашу статью [2]. В новой публикации [1] представлена методика измерения ускорений, возникающих в системе «поршень–долото» во взаимодействии с горным массивом. Анализируются осциллограммы ускорения. Количественные оценки ударных импульсов обсуждаются с точки зрения их влияния на производительность разрушения.

Испытательная установка представляла собой маятниковый молот с поршнем и долотом, а горная масса моделировалась мраморной глыбой массой 400 кг. Схема эксперимента показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема эксперимента: 1 – мраморный блок; 2 – долото; 3 – поршень; 4 – вибропреобразователи АR33; 5 – датчик контроля скорости ИДС‑2; 6 – светочувствительный датчик до- и послеударной скорости долота (два лазерно-фотодиодных датчика); 7 – усилители Bruel&Kjaer 2651; 8 – АЦП E14‑440; 9 – ПК.

При испытаниях поршень 3 разгонялся до заданной скорости v₁ до момента контакта с долотом 2. Долото 2 надежно прижималось с достаточным усилием к мраморному блоку 1. Ускорения в поршне и долоте регистрировались с помощью вибропреобразователей GlobalTest AR33 и усилителей Bruel&Kjaer 2651. Суммарная ошибка измерения составляла не более 5,5 %. Регулирование скорости осуществлялось с помощью индукционного датчика скорости ИДС‑2, расположенного на поршне. Оптический датчик (две пары лазер-фотодиод) регистрировал положение поршня до и после контакта с долотом, чтобы определить скорость поршня до и после удара, его коэффициент восстановления и энергию, переданную долоту. Сигналы от датчиков передавались через АЦП E14‑440 на ПК и обрабатывались в программе PowerGraph 3.3.

На рисунке 2 показана осциллограмма после обработки в программе PowerGraph 3.3. Интегрированные сигналы от датчиков ускорений поршня и долота информируют о скоростях этих инструментов. Импульс, передаваемый инструменту и регистрируемый датчиком ИДС, хорошо коррелирует с импульсом, рассчитанным как интеграл первой полуволны ускорения от датчиков, установленных на долоте. Показания оптического датчика скорости и скорость поршня, вычисленная путем интегрирования сигналов датчика ускорения, установленного на поршне, также совпадают.

Рисунок 2. Осциллограммы сигналов в программе PowerGraph 3.3 (сверху вниз): ускорения поршня a_s и долота a_I, измеренные датчиками АE33, скорость поршня v (датчик ИДС‑2), сигнал оптического датчика s_O.

На рисунках 3 и 4 представлены наложенные осциллограммы датчиков ускорения, установленных на поршне и долоте на расстоянии 300 и 70 мм от плоскости взаимодействия «поршень–долото», и кривые скорости, полученные интегрированием. Для лучшей наглядности сигналы датчика ускорения и кривые скорости поршня смещены влево по оси t так, чтобы моменты прихода их ударных импульсов совпадали.

Рисунок 3. Наложенные осциллограммы ускорений поршня a_s (пунктир) и долота a_T (сплошная линия) в испытаниях на 8 ударов (сверху вниз) долотом весом 5 кг и поршнем, имеющих вес и скорость перед ударом соответственно: а) 3,1 кг и ~ 5,01 м/с; b) 5,5 кг и ~ 4,01 м/с; c) 16 кг и ~ 2,25 м/с.

Рисунок 4. Кривые скорости, полученные интегрированием осциллограмм с рисунка 3 для поршня (пунктир) и долота (сплошная линия) в испытаниях на 8 ударов (сверху вниз) долотом весом 5 кг и поршнем, имеющих соответственно вес и скорость перед ударом: а) 3,1 кг и ~ 5,01 м/с; b) 5,5 кг и ~ 4,01 м/с; c) 16 кг и ~ 2,25 м/с.

Полученные данные демонстрируют некоторые особенности форм и величин ускорений и скоростей ударных импульсов, генерируемых в ударной системе при ее взаимодействии с мраморной глыбой, и их корреляцию с размерами срезов. Дальнейшее совершенствование процедуры позволит получить более полное представление о взаимодействии между конструктивными параметрами ударной системы, ударными импульсами и размерами разрезов. Теоретический анализ движения поршня и долота при ударном взаимодействии с массивом горных пород и распространения в них ударных импульсов необходим для получения характеристики движения вершины долота как обусловливающего образование рыхлых пород и сопоставления фактической и расчетной волновых картин.

Источники:

1. VP Efimov and LV Gorodilov 2021 IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 773 012041.
2. Моделирование динамики системы «боек – инструмент – горный массив»: [Электронный ресурс] // ООО «Л Кард». М,. 2022. URL: https://www.lcard.ru/portfolio/ram_engine (Дата обращения: 04.11.2020).

Разработчик: Ефимов В.П., Городилов Л.В. (Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН, Новосибирск)