TÍNH TOÁN, KIỂM TRA CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN MÁY KHOAN ĐẬP KHÍ NÉN KC50

- Máy khoan đập khí ép: lực đập do khí ép tạo ra, quả piston chuyển động trong xi lanh sẽ truyền đến đuôi choòng khoan và truyền đến mũi khoan, đập vào đất đá 5 4 3 2 2 Giá đỡ máy khoan

Lời nói đầu

Trong khai thác mỏ nói chung và khai thác mỏ hầm lò nói riêng, với công nghệ khai thác hiện tại máy khoan là dụng cụ không thể thiếu, dùng để khoan lỗ mìn phục vụ cho quá trình xây dụng cơ bản cũng như khai thác Vì vậy nghiên cứu về máy khoan có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả làm việc, tăng tuổi thọ và đề ra phương án cải tiến nó càng ngày càng hoàn thiện

Và được thầy Đoàn Văn Giáp hướng dẫn, em đã đi nghiên cứu: Kết cấu, hoạt động và tính toán kiểm tra góc xoay choong khoan và cơ cấu đẩy của máy khoan cột khí nén KC50

Mặc dù em đã cố gắng để hoàn thiện đồ án này nhưng vẫn không tránh khỏi sai sót Vì vậy em mong được sự chỉ bảo thêm của thầy và các thầy trong bộ môn để bản đồ án của em được hoàn thiện hơn Qua đây em xin cảm ơn thầy

Đoàn Văn Giáp đã giúp đỡ em tận tình trong thời gian qua

PHẦN I NGHIÊN CỨU MÁY KHOAN CỘT KHÍ NÉN KC50

1.1 Sơ lược về máy khoan đập khí nén KC50

Máy khoan đập khí ép KC 50 là loại máy khoan thực hiện phá vỡ đất đá theo chu kỳ do vậy năng suất khoan không cao Đối với máy khoan đập thành phần ngoại lực chủ yếu đóng vai trò phá vỡ đất đá là xung lực đập Trong quá trình khoan dụng cụ khoan tác dụng vào đất đá từng nhát đập gián đoạn

Khả năng làm việc của máy khoan đập:

- Khoan được đất đá có f  6 (6  20);

- Đường kính lỗ khoan: D  85 mm, với máy khoan đập khí ép;

- Chiều sâu khoan: L  25 m

- Máy khoan đập khí ép: lực đập do khí ép tạo ra, quả piston chuyển động trong xi lanh sẽ truyền đến đuôi choòng khoan và truyền đến mũi khoan, đập vào đất đá

5 4

3

2

2

Giá đỡ máy khoan có dạng cột Bao gồm cột 1 lắp đặt giữa trần và nền lò (hình) Xà 2 được kẹp cố định trên cột bằng bộ phận kẹp 3, có thể xoay

quanh cột, lệch hướng lên hay xuống so với phương ngang một góc đến

450 và trượt lên xuống theo thân cột Máy khoan 4 lắp đặt trên xà và được định hướng bằng xà Với kết cấu như vậy, mỗi lần lắp đặt cột có thể tiến hành khoan liên tục nhiều lỗ ở độ cao và hướng khoan khác nhau bằng cách thay đổi vị trí của xà Cơ cấu đẩy 5 dùng để đẩy máy khoan

1.2 Nguyên lý kết cấu

b c d a

Hình Sơ đồ nguyên lý kết cấu búa khoan cột Máy khoan gồm:

1 – Van trượt

2 – Đĩa ngăn

3 - Piston có cán dài phía trước chuyển động đi lại trong xi lanh đóng vai trò búa đập

4 - thân máy với vai trò là xi lanh công tác

5,6 – Đia

a,b - đường dẫn khí vào xilanh

d - lỗ xả

1.3 Nguyên lý làm việc:

Máy khoan đập khí ép là loại máy khoan làm việc theo chu kỳ, một chu kỳ gồm hai hành trình:

- Hành trình đập (hành trình công tác): piston chuyển động về phía trước

để đập vào đuôi choòng khoan

- Hành trình không tải: piston chuyển động lùi về sau đồng thời choòng khoan được xoay đi một góc 

Hoạt động đập của máy khoan như sau: khi mở van khí ép trên đường dẫn khí từ máy ép tới máy khoan,Ống van 1 lắp trượt trơn trên trục 7, nghĩa là

có thể trượt sang trái và sang phải Ở đầu hành trình làm việc, van1 ở tận cùng bên trái như hình trên, khí nén từ ống dẫn khí vào khoảng hở giữa 5

và 6, qua đường a,b vào xilanh và đẩy pistong thực hiện quá trình đập Trước khi mặt sau pistong mở lỗ xả d thì đã mở lỗ xả c khí nén từ xilanh theo đường c đẩy vào phía trái vành gờ trên ống van đẩy nó sang trái che kín lỗ b khí sẽ theo đương e vào mặt trước của xilanh.lúc này kết thúc hành trình đâp và bắt đầu hành trình lùi Mặt trước của pistong trước khi

mở lỗ xả d thì đã mở đường f, một phần khí nén trong xilanh vào trong đường f tác dụng vào vành gờ phải của ống van và đẩy nó sang trái về vị trí ban đầu.quá trình đập được lập lại theo chu kỳ

Ngoài việc thực hiện quá trình đập, búa khoan phải đảm bảo xoay dụng cụ khoan một góc nhất định sau mỗi nhát đập Quá trình xoay dụng cụ khoan

do cơ cấu xoay thực hiện vào hành trình lùi của piston Nguyên lý kết cấu

và làm việc như sau (hình trên):

C-C

Bánh cóc 8 có răng trong hướng theo một chiều ăn khớp với các con cóc

có thân lắp với trục 9 Đầu phải của trục có ren (hoặc các đường xoắn) bước lớn ăn khớp với đai ốc 3 gắn chặt với mặt trong piston Trục xoắn và cán piston lắp trượt trơn

Khi piston chạy lùii, trên mặt ren giữa đai ốc và trục xoắn tạo nên thành phần lực có xu hướng xoay trục xoắn Nhưng phải bố trí con cóc, bánh cóc

và trục xoắn sao cho lúc này con cóc bị giữ lại không quay được Kết quả

là trục xoắn cũng bị giữ lại cố định Piston chạy lùi và bắt buộc phải xoay

đi một góc Do bạc nối 4 lắp lỏng với thân búa, lắp then hoa với cán piston

và liên kết qua mặt sáu cạnh với đuôi dụng cụ khoan nên khi piston xoay, qua bạc nối làm dụng cụ khoan xoay theo

Góc xoay  của dụng cụ khoan được xác định như sau:

 = , độ Trong đó:

L- chiều dài hành trình piston, mm

d- đường kính trung bình của trục xoắn, mm

- góc nghiêng của đường xoắn, độ

Như vậy, muốn thay đổi góc xoay  phải thay đổi trục xoắn có góc nghiêng ren  khác nhau

Ở hành trình tiến của piston, con cóc không giữ trục xoắn nên piston sẽ chuyển động thẳng, còn trục xoắn xoay, kết quả là dụng cụ khoan không xoay Cơ cấu xoay dạng bánh cóc - con cóc lắp ở đuôi máy làm thân máy khoan dài Để thân máy khoan ngắn hơn người ta lắp đặt cơ cấu này phía trước piston

1.4 Các bộ phận chính của máy khoan đập khí ép

Kết cấu máy khoan đập khí ép gồm các bộ phận chính sau:

1.4.1 Bộ phận cung cấp khí ép

Là van cung cấp để đưa khí ép từ đường ống vào trong lòng búa Van cung cấp thường được bố trí ở nắp sau của búa

1.4.2 Bộ phận phân phối khí ép

Là van phân phối có nhiệm vụ đưa khí ép tới phía trước và phía sau của piston trong mỗi hành trình làm việc

Các loại van phân phối: van tự phân phối, đẩy, lật, trượt, phối hợp

- Van tự phân phối dựa trên nguyên lý chuyển động của piston để đóng

mở van

- Van đẩy, lật: làm việc theo nguyên lý dựa trên sự chênh áp giữa hai

bề mặt van để đóng mở van cuối mỗi hành trình

- Van trượt: khí ép không bị dồn lại do vậy không tổn hao khí ép trong các chu kỳ làm việc

- Van phối hợp: là sự kết hợp giữa van trượt và van chên áp Ở hành trình công tác làm việc theo van trượt Ở hành trình không tải làm việc theo van chênh áp

1.4.4 Bộ phận đập

Bộ phận đập hay còn gọi làm bộ phận công tác của máy khoan đập bao gồm: xi lanh và piston

- Xi lanh: do piston chuyển động trong xi lanh rất nhiều lần trong một đơn vị thời gian nên yêu cầu đối với vật liệu chế tạo xi lanh phải chịu được mòn, có độ cứng và độ bóng cao, xi lanh thường được mạ crôm để tăng tính mài mòn Kết cấu xi lanh là một ống trơn, trong thân ống có lỗ thông

để đưa khí ép đến ngăn trước và ngăn sau của xi lanh

- Piston: có nhiệm vụ truyền lực đập đến đuôi choòng khoan trong hành trình công tác và xoay choòng khoan đi một góc trong hành trình không tải Kết cấu piston có hai loại: piston rãnh xoắn ngoài và piston đai ốc xoắn trong

1.4.5 Bộ phận xoay choòng khoan

Cơ cấu xoay choòng trong máy khoan đập có hai kiểu sau:

- Cơ cấu xoay choòng cóc trong: đi với piston đai ốc xoắn trong;

- Cơ cấu xoay choòng cóc ngoài: đi với piston rãnh xoắn ngoài

Ở hành trình công tác: piston chuyển động về phía trước, do piston có rãnh xoắn nên cóc lắp trên trục xoắn (trong cơ cấu xoay choòng cóc trong) hoặc bánh cóc (trong cơ cấu xoay choòng cóc ngoài) quay theo chiều thuận của cơ cấu cóc Kết quả là piston chỉ chuyển động tịnh tiến về phía trước đập vào đuôi choòng khoan truyền lực đập tới mũi khoan để phá hủy đất đá

Ở hành trình không tải: piston chuyển động lùi lại, do piston có rãnh xoắn và cơ cấu cóc khi này không quay được theo chiều ngược lại vì vậy piston vừa chuyển động tịnh tiến lùi lại vừa phải xoay đi một góc Góc xoay này phụ thuộc vào hành trình chuyển động của piston và bước xoắn của ren trên piston Do piston được liên kết với đuôi choòng khoan thông qua ống xoay choòng nên khi piston xoay kéo theo choòng khoan cùng quay

1.5 Bôi trơn búa khoan

Trong thân búa khoan, khi hoạt động có nhiều chi tiết chuyển động tương đối với nhau như: van và mặt dẫn hướng, mặt ren ăn khớp của trục xoắn, bạc nối với piston và thân búa Để giảm ma sát và giảm mài mòn, các bề mặt đó phải được bôi trơn bằng dầu

Phương pháp bôi trơn thường là cho dòng khí ép đi qua bộ phận chứa dầu bên trong hoặc ngoài thân búa, khí ép sẽ hút dầu tạo ra hỗn hợp dạng sương mù, đi qua các bộ phận chuyển động và tự động bôi trơn cho chúng

Hình 4.9- Sơ đồ bôi trơn búa khoan Trên hình 4.9 giới thiệu một cách thực hiện bôi trơn Trên đường ống dẫn khí ép 2 gần thân búa khoan có lắp đặt một bầu chứa dầu 1 có dung tích khoảng 0,1  0,5 lít đủ cho búa khoan làm việc trong thời gian 6  8 giờ Dầu được định kỳ đổ vào bầu Bầu dầu được treo ở vị trí đứng như hình vẽ Khi khí ép vào đầu a, qua lỗ 4 sẽ ép lên mặt dầu tạp áp suất cao, rồi được hút theo lỗ 3 trộn với khí ép ra đầu b vào búa để bôi trơn

PHẦN II TÍNH TOÁN CHUYÊN ĐỀ

2 Tính toán, kiểm tra góc xoay choang khoan.

Tính toán búa khoan gồm nhiều công việc, ở đây chỉ nêu cách xác định một số thông số chính làm cơ sở cho việc thiết kế các bộ phận của búa khoan

Có nhiều phương pháp tính khác nhau, một trong các phương pháp đó như sau: lưỡi khoan còn sắc với góc sắc  Mỗi nhát đập mũi khoan xuống sâu một khoảng h Lực tác dụng hai bên mặt nghiêng của lưỡi cắt như nhau, do vậy chỉ cần xác định cho một bên

Phương trình cân bằng lực trên hướng dọc trục mũi khoan như sau:

m

K 2 sin N 2 cos

.

T

.

2













trong đó: P – lực tác dụng của búa;

N – lực cản pháp tuyến với mặt bên lưỡi cắt;

T – lực ma sát;

Km – hệ số kể đến độ tăng lực do mũi khoan bị mòn, Km = 1,2  1,3

Các thành phần lực được xác định:

T = N.f

2 cos

h d







, N

với: n – độ bền nén tức thời của đất đá khoan, N/cm2;

d – đường kính mũi khoan, cm

f – hệ số ma sát giữa mũi khoan với đất đá Thay N và T vào công thức trên ta có:

m

K 2 sin N 2 cos f N 2















Hay: n f K m

2 tg h d 2

















 Dựa theo công thức này có thể xác định độ xuống sâu h sau mỗi lần đập khi biết lực đập P

Khi mũi khoan ăn sâu xuống dưới tác dụng của lực P, theo phương ngang đất đá chịu sự tác dụng của lực Pn, lực này có khả năng đẩy trượt vỡ gân đất đá còn lại giữa hai nhát đập liên tiếp

m

K f 2 tg 2

P 2

cos

.

N

P























Sau nhát đập thứ nhất

tạo nên mặt vát tự do A và

B Nhát đập thứ 2 có thể tác

dụng đẩy trượt vỡ gân đất

đá có mặt tự do A và B về

phía mặt tự do Một cách

gần đúng có thể coi mỗi lần đập mũi khoan đẩy trượt vỡ diện tích hai hình quạt có tâm O, có tổng diện tích là S: Sơ đồ tính toán búa khoan đập

1

2

n 4

d 2

S   với: n1 – số lần đập của mũi khoan trong một nửa vòng quay

2.1 góc xoay α của chòng khoan

0 0

0

75 , 27 4

26 14 , 3

4 90 360

360







tg

tg d

tg L







Trong đó:

L- chiều dài hành trình piston,L= 90 mm

d- đường kính trung bình của trục xoắn, d= 26 mm

- góc nghiêng của đường xoắn,  = 4o độ.

2.2 xác định công đập của pistong

Áp suất khí nén tác dụng lên mặt sau piston ps được xác định:

ps = p.cs = 70,7 0,52 = 36,764 N/cm2

Và áp suất lên mặt trước piston pt cũng được xác định:

pt = p.ct = 70,7 0,26 = 18,382 N/cm2

Với:

p – áp suất khí nén trong ống dẫn tới búa khoan; p=7at=70.7 N/cm2

cs , ct – hệ số tổn thất áp suất vào mặt trước và sau, với van lá có thể lấy cs

= 0,52 và ct = 0,26

Lực đẩy khí nén lên mặt sau Ps được tính:

4

764 , 36 ).

3 9 (

14 , 3 4

2 1 2









s

p d D

Lực đẩy Pt của khí nén lên mặt trước:

4

382 , 18 ).

5 9 (

14 , 3 4

2 2 2









t

p d D

trong đó: d1 – đường kính trục xoắn,d1= 3 cm

d2 – đường kính cán piston,d2= 5 cm

D – đường kính piston, D = 9 cm Khi khoan lỗ dốc lên hay xuống phải kể đến lực cản (P) do trọng lượng piston và ma sát:

P =  G.sin( + ) =  43,4sin 10o = 7,54 N

Với: G – trọng lượng piston, G = 43,3 N

 - góc nghiêng lỗ khoan so với phương ngang  = 00

 - góc ma sát  = 10o

Công đập do búa khoan tạo ra tính theo công thức:

A = (Ps + P).L.Ch

Hay: AL.C 0,25..p D  d2G.sin 

1

2 s

0 , 25 3 , 14 36 , 764 9 3 7 , 54 16025

86

,

0

.









trong đó: L – chiều dài hành trình đập,L = 9 cm

Ch – hệ số giảm hành trình, Ch = 0,85  0,9 Dấu “+” khi lỗ khoan hướng xuống, dấu “-” khi lỗ khoan hướng lên Công đập tác dụng lên dụng cụ khoan

A’ = A.η = 16025.0,7 = 11217 N.cm

Trong đó η = 0,6 ÷ 0,7 chọn η = 0,7

2.3 Xác định lượng xuống sâu sau mỗ nhát đâp.

Mặt khác công đập của dụng cụ khoan lại liên đến lực đập và độ tiến sâu của dụng cụ khoan

2

.

' h P

A  hay

h

A P

'

2

Ta lại có lực tác dụng của búa khoan là :

m

h d

2

.













Ta có: Độ xuống sâu h sau mỗi lần đập khi biết lực đập

78 , 0 3 , 1 3 0 2

120

1200 5 , 8 2

11217 2

2

2

.



































tg K

f tg d

A h

m n



Với: n – độ bền nén tức thời của đất đá khoan,

1200 100

.

12 



n

d – đường kính mũi khoan, d = 8,5 cm

f – hệ số ma sát giữa mũi khoan với đất đá f = 0,3

Km – hệ số kể đến độ tăng lực do mũi khoan bị mòn, Km = 1,2  1,3

α – góc sắc của mũi khoan α = 120o

2.4 Gia tốc chuyển động và thời gian hành trình piston

Gia tốc chuyển động của piston khi đập được tính:

479 34 , 4

2079









G

g P m

P

p

s

m/s2

Với: mp – khối lượng piston, mp=4,34 kg

Gia tốc chuyển động của piston khi chạy lùi:

202 34 , 4

808

G

g P m

P

p

t

m/s2

2.5 Thời gian hành trình đập t đ và lùi t l được xác định:

018 , 0 479

86 , 0 09 , 0 2

2







a

C L

028 , 0 202

86 , 0 09 , 0 2

2



a

C L

Tần số đập z được tính:

1304 028

, 0 018 , 0

60 60











l

t

Số lần đập trong một vòng quay :

13 75 , 27

360 360



Tốc độ quay dụng cụ khoan được tính:

5 , 100 360

1304 75 , 27 360

.





 z

Với:  - góc cần xoay mũi khoan sau mỗi lần đập,  = 27,75o

z – số lần đập trong một phút

2.6 Tính toán búa khoan đập

42034 3

, 1

3 , 0 2

120

1200 78 , 0 5 , 8 2

2

.

.





























Với: n – độ bền nén tức thời của đất đá khoan,

1200 100

.

12 



n

d – đường kính mũi khoan, d = 8,5 cm

f – hệ số ma sát giữa mũi khoan với đất đá f = 0,3

Km – hệ số kể đến độ tăng lực do mũi khoan bị mòn,

Km = 1,2  1,3 Thành phần lực ngang trên mũi khoan tác dụng vào đất đá

7956 3

, 1 3 , 0 2

120

2

42034

2 2

'



































tg K

f tg

P P

m

n

Diên tích đất đá bị phá vỡ sau 1 lần đập :

7 , 8 13

4

5 , 8 14 , 3 2

4

.

1

2







n

d

Với: n1 – số lần đập của mũi khoan trong một vòng quay

n1 = 12,72 l/vòng

Lực cản đất đá do đẩy trượt vỡ có thể tính khi biết độ bền trượt vỡ t của

đất đá: 8 , 7 840 7329

4

2

1

2







n

n

d S

Ở đây: t = (0,3 0,7).n= 0,7.1200 = 840 N/cm2

Muốn phá vỡ đất đá bằng đẩy trượt phải đảm bảo Pn ≤ Pn’

Từ kết quả tính toán, kiểm tra ta thấy thành phần lực ngang tác dụng vào đất đá lớn hơn nhiều thành phân lực ngang cần thiết Từ đó ta có thể kết luận rằng góc xoay choang khoan thỏa mãn để khoan được đất đá có độ cúng f = 12 , với áp suất làm việc 7 at

3 Tính toán, kiểm tra bộ phận đẩy

Điều kiện để bộ phận đẩy thực hiện được chức năng của nó là:

Lực phát động đẩy đầu khoan lớn hơn tổng các lực cản phát sinh trong quá trình khoan vừa khoan vừa chuyển động tịnh tiến

cht

P

P 1

P1 : Lực đẩy hướng trục

cht

P : Tổng lực cản hướng trục