стенд для исследования процессов бурения горных пород

Формула изобретения

СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ БУРЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД, включающий механизм вращения буровой штанги с породоразрушающим инструментом, которая установлена с возможностью взаимодействия с блоком горной породы, и нагрузочный гидроцилиндр, отличающийся тем, что он снабжен воспринимающим гидроцилиндром с воспринимающим поршнем, установленным с возможностью взаимодействия с блоком горной породы, при этом нагрузочный гидроцилиндр связан посредством рабочей магистрали с воспринимающим гидроцилиндром, поршень которого имеет площадь сечения большую, чем площадь сечения поршня нагрузочного гидроцилиндра, причем поршень последнего выполнен за одно целое с буровой штангой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности.

Известен стенд для моделирования процессов бурения, включающий в себя станину, штангу с породоразрушающим инструментом, стол для крепления блока породы, механизм вращения штанги, нагрузочное приспособление рычажного типа.

Недостатком известного стенда является непостоянство осевого усилия подачи из-за изменяющегося плеча нагрузочного приспособления в процессе углубления штанги в блок горной породы.

Известен также нагрузочный экспериментальный стенд, содержащий вал-шток, нагрузочный гидроцилиндр, механизм вращения буровой штанги, гидронасос, рабочие магистрали.

Известный стенд обеспечивает постоянную удельную подачу. Осевое усилие при этом может принимать различные значения и определяется физико-механическими свойствами исследуемых пород (крепостью, трещиноватостью и т. д. ).

Цель изобретения - повышение точности эксперимента за счет обеспечения в процессе бурения постоянного осевого усилия.

Это достигается тем, что блок горной породы размещен на поршне воспринимающего гидроцилиндра, связанного рабочей магистралью с нагрузочным гидроцилиндром, причем площадь сечения поршня воспринимающего гидроцилиндра больше площади сечения поршня нагрузочного гидроцилиндра.

На фиг. 1 изображен предлагаемый стенд; на фиг. 2 - два характерных положения стенда.

Стенд состоит из воспринимающего поршня 1, воспринимающего гидроцилиндра 2, связанного рабочей магистралью 3 с нагрузочным гидроцилиндром 4. Нагрузочный поршень 5 связан через упорный подшипник 6 с концом буровой штанги 7. Другой конец буровой штанги оснащен породоразрушающим инструментом 8, взаимодействующим с блоком 9 горной породы. Стенд включает в себя также механизм 10 вращения буровой штанги, стол 11 для крепления горной породы и механизм 12 горизонтального перемещения стола с блоком горной породы.

В исходном состоянии буровая штанга 7 с породоразрушающим инструментом 8 фиксируется над блоком 9 горной породы (см. фиг. 2, а), например, с помощью специального фиксатора.

После освобождения буровой штанги 7 последняя входит в соприкосновение с блоком 9 горной породы. При этом на контакте породоразрушающего инструмента 8 с блоком 9 горной породы возникает осевое усилие Р (см. фиг. 2, б). Из фиг. 1 видно, что нагрузочный 4 и воспринимающий 2 гидроцилиндры являются сообщающимися. В связи с этим, если обозначить q - давление жидкости в их общей рабочей магистрали 3, справедливы соотношения

откуда

P= Q , где S₁ и S₂ - соответственно площади сечения воспринимающего 1 и нагрузочного 5 поршней;

Р - осевое усилие;

Q - вес всего стола 11 с породой и воспринимающим поршнем.

Этот вес может быть уменьшен или увеличен за счет специальных грузов или приспособлений, воздействующих на воспринимающий поршень 1.

Из выражения видно, что при постоянном значении силы Q, осевое усилие Р зависит от соотношения сечений S₁ и S₂ и при заданных значениях S₁ и S₂ также остается постоянным, при приближении значений S₁ и S₂ друг к другу их разница может оказаться весьма малой, стремящейся к нулю, а осевое усилие Р может достигать значительных величин, стремящихся к бесконечности. Необходимые постоянные во времени осевые усилия Р достигаются при заданных фиксированных значениях S₁ и S₂.

Работает стенд следующим образом.

При включении механизма 10 вращения породоразрушающий инструмент 8, воздействуя на горную породу с заданным осевым усилием Р, начинает ее разрушать. При этом буровая штанга 7 углубляется в образующийся шпур на заданную глубину. Взаимное проникание породоразрушающего инструмента вместе с буровой штангой в породу обусловлено тем, что площади сечения поршней S₁ и S₂ различны, причем S₁> S₂. В силу того, что жидкость, находящаяся в рабочей магистрали 3, несжимаема, смещение воспринимающего поршня 1 на величину h₁ приводит к смещению нагрузочного поршня 5 на величину h₂. Это происходит потому, что объем жидкости, вытесняемой поршнем 1, оказывается равным

V = h₁ S₁, и этот же объем, заполняя цилиндр 4, смещает поршень 5 на величину h₂, т. е.

V = h₂ S₂.

Следовательно,

V = h₁ S₁ = h₂ S₂, откуда

h₂= h₁ , но, т. к. S₁ > S₂, то h₂ > h₁, что и приведет к взаимному прониканию штанги с инструментом в породу на величину

h = h₂ - h₁.

По окончании бурения достаточно изменить направление действия силы Q, например приложить к воспринимающему поршню 1 вертикально вверх силу, большую чем Q, и породоразрушающий инструмент с буровой штангой свободно выходит из шпура. После горизонтального перемещения блока породы механизмом 12 перемещения бурится следующий шпур. В силу того, что вес выбуренной из шпура породы пренебрежимо мал по сравнению с весом Q, осевое усилие Р остается постоянным.

Ни один известный стенд, включая прототип, не давал возможности бурить шпуры с постоянным осевым усилием. (56) Алимов О. Д. и Дворников Л. Т. Бурильные машины. М. : Машиностроение, 1976, с. 194 и 196, IУ, 36.