Tính toán thiết kế chế tạo mũi khoan đập xoay

Tài liệu tham khảo Tính toán thiết kế chế tạo mũi khoan đập xoay

Lời nói đầu Ngày nay, khoa học ngày càng phát triển.nhu cầu về các thiết bị máymóc phục vụ cho ngành công nghiệp nặng đòi hỏi có tính chuyên dụng ngàycàng cao Đối với ngành khai thác mỏ, nhu cầu về thiết bị khoan để thăm dòkhai thác ngày càng cao Đối với ngành khai thác mỏ ở nớc ta, các thiết bịkhai thác gồm máy móc, mũi khoan đều phảI nhập từ nớc ngoàI Sau thờigian tìm hiểu nghiên cứu của em cùng với sự giúp đỡ,hớng dẫn tận tình củathầy giáo Trần Sỹ Tuý và cô chú tại viện năng lợng mỏ Em đẵ hoàn thànhnhiệm vụ đợc giao của mình:

tính toán thiết kế chế tạo mũi khoan đập xoay

Ưu điểm của mũi khoan này là sự kết hợp u điểm của 3 loại mũi khoan

đập xoay của Nga, Trung Quốc, Thuỵ Điển hiển đang đợc sử dụng ở ViệtNam Mũi khoan này phù hợp với điều kiện khai thác thực tế ở các mỏ ViệtNam

Do thời gian nghiên cứu có hạn chế và còn nhiều hạn chế về mặt kinhnghiệm nên không thể tránh khỏi những sai sót Em rất mong các thầy, cô

đóng góp ý kiến để bản đồ án này hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Qua quá trình khảo sát, tham khảo dới cơ sở sản xuất va nghiên cứumột số tài liệu về lĩnh vực khoan địa chất Tôi nhận thấy rằng hiện nay cácthiết bị khoan đợc sử dụng ở các mỏ than Quảng Ninh tỏ ra rất kém hiệu quả

đối với mục tiêu cần tăng hiệu quả khoan nổ mìn và giữ ổn định bờ mỏ để có cơ sở cho việc đầu t thiết bik khoan phù hợp với điều kiện mỗi xínghiệp nhằm mục tiêu nâng cao hiệu quả khoan nổ mìn tăng sản lợng thankhai thác và giữ ổn định bờ mỏ cần nghiên cứu công nghệ và thiết bị khoanphù hợp Chính vì vậy việc lựa chọn công nghệ , dụng cụ và thiết bị khoancần phù hợp với điều kiện địa chất , sản lợng khai thác sơ đồ công nghệ vàthông só hệ thống khai thác cũn nh thiết bị khai thác ở mỗi mỏ là rất cầnthiết Sau đây là một số phơng pháp , sơ đồ khai thác của một số mỏ mà emtìm hiểu đợc qua một số tài liệu ở Viện Cơ khí năng lợng mỏ

1.Sơ đồ khai thác

1.1.Sơ đồ ở các mỏ lớn:

- Hệ thống khai thác (HTKT): do đặc điểm địa chất, tất cả các mỏ lớn

đều sử dụng HTKT có vận tải , đất đá đổ bãi thải ngoài và trong

- Bờ công tác đợc khoan theo lớp xiên với góc bờ dao động 14  170.Chiều rộng mặt công tác 5055 mm Những năm ân đây do khó khăn trongsản xuất kinh doanh, các mỏ trên phải chọn giải pháp giảm hệ số bóc đất đábằng cách thu hẹp tầng công tác, nâng dần góc bờ công tác lên 20  250

- Dây chuyền công nghệ khai thác: Dây chuyền công nghệ khai thácphổ biến các mỏ: Khoan nổ – xúc bốc – vận tải đổ thải mà trong đó côngnghệ khoan nổ mìn hết sức quan trọng thờng tiến hành trên các máy khoanxoay cầu 250 ( 250 mm ) công tác khoan nổ cần tiến hành hợp lý chínhxác để đạt đợc độ ổn định bờ mỏ, độ an toàn sau khi khoan nổ thờng sử dụngxúc đất đá bằng máy xúc tay với dung tích 4,6  8 m3 với tầng đất đá cứngcần nổ mìn thì sử dụng dây chuyền công nghệ nh vậy là antoàn hợp lý

- Vấn đề đặt ra ở đây là dùng loại dụng cụ và thiết bị khoan nào, đờngkính bao nhiêu để đồng bộ với dung tích máy xúc kể trên nhằm giảm chi phíkhai thác cho các mỏ

1.2 Các mỏ nhỏ và khai thác lộ vỉa

Công nghệ khai thác sử dụng tơng đối đơn giản: Khai thác bằng thủcông kết hợp với cơ giới thô Máy khoan chủ yếu dùng máy khoan đập xoay

tr.m3/ năm riêng mỏ Núi Béo tăng từ 1,6 triệu lên 5,8 trm3/năm vào năm

2005 Với các mỏ này cần chọn các loại máy khoan có năng suất cao độ bềntốt nhất là đầu t vào việc sản xuất các loại mũi khoan phù hợp

2 Ph ơng pháp khoan và quá trình hoạt động của mũi khoan

2.1 Các ph ơng pháp khoan

Có hai phơng pháp khoan chủ yếu

a,ph ơng pháp khoan xoay cầu : chiếm 7%

b, phơng pháp khoan đập xoay : chiếm 93% trong phơng pháp này có phơngpháp khoan

- khoan đập đỉnh chiếm 65%

- Khoan đập đáy chiếm 28%

Phơng pháp khoan nghiêng đợc áp dụng rộng rãi nhờ giảm chi phí khoan

mỏ, cỡ hạt nhỏ giảm tác động địa chấn

c, Khoan xoay cầu

Khoan trong đá có độ cứng f = 6  8, đờng kính mũi khoan từ d = 140

400 mm máy khoan xoay cầu chỉ áp dụng ở các mỏ lớn Để đồng bộ với cácloại máy xúc nhằm đạt hiệu quả khai thác cao nhất Trong điều kiện quy môkhai thác không lớn, đá rắn chắc, mài mòn cao mặt tầng hẹp thì khoan xoaycầu lại ít có hiệu quả và không đáp ứng đợc nhu cầu

đờng kính 190   250 mm

3 Các điều kiện và phạm vi áp dụng thiết bị công nghệ khoan hợp lý cho các

mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh

3.1 Phân tích điều kiện khi áp dụng thiết bị khoan vào các mỏ

Trên các mỏ lộ thiên lớn phơng pháp khoan xoay thờng chiếm u thế nhng

ở các mỏ vừa khoan đập đáy thờng đợc sử dụng nhiều

Một xu hớng khác trên thế giới là xu hớng đấu thầu khoan

dlk phụ thuộc vào nhiều sản lợng mỏ yêu cầu hệ số f và dung tích của gầumáy xúc sử dụng dlk càng lớn tơng ứng với sản lợng càng cao khi khoan vớicùng loại thiết bị

3.2.1 Theo chiều cao (Ht)

Nói chung Ht có quan hệ lệ thuận với dlk Đối với điều kiện khai thác các mỏ

lộ thiên Quảng Ninh thì Ht dao động trong khoảng 8  16 m, với giá trị nàysau khi nghiên cứu và đánh giá nên chọn đờng kính khoan từ 50  200 mm

là phù hợp

3.2.2 Theo cỡ hạt nổ mìn và dung tích gầu máy xúc

Đối với điều kiện khai thác các mỏ lộ thiên Quảng Ninh có thể lựa chọn dlk

theo dung tích gầu máy xúc (E) do hãng TảMOCK đề nghị Tại các mỏ lớndùng máy xúc gầu 4,6  5 m3 nên chọn dlk = 89  200 mm Tại các mỏ nhỏdùng máy xúc thủy lực gầu ngợc có gầu 1 2 m3 thì nên chọn đờng kính mũikhoan dlk = 25 102 mm

3.2.3 Các tính chất cơ lý đá nứt nẻ

Các tính chất cơ lý đá có ảnh hởng nhiều đến việc lựa chọn phơng phápkhoan với điều kiện các mỏ than vùng Quảng Ninh không thể dùng phơngpháp khoan xoắn phơng pháp khoan xoay cầu áp dụng với đờng kính  200mm: khi gặp đá rất cứng nh ở mỏ Cao Sơn, Đèo Nai phải dùng dlk 250 mm.3.2.4.Theo sản lợng mỏ

Nh vậy với sản lợng các mỏ, lộ vỉa từ 0,2 0.6 tr m3/năm thì dlk hợp lý nằmtrong khoảng từ 67  110 mm Đối với các mỏ lớn, tùy thuộc vào dung tíchgầu máy xúc sử dụng nên chọn dlk 115 mm khoảng từ 115  225 mm Đất đá trong khu vực Quảng Ninh có độ cứng khác nhau, cấu trúc không

đồng đều và có mài mòn cao, do đó cần sử dụng loại máy khoan thủy lực đập

đáy và đập đỉnh dễ tăng sản lợng khoan và hỗ trợ cho máy khoan xoay cầu 3.2.5 Tính giá thành khoan

Khoan xoay có lợi thế về chi phí trong khoan đá mềm và cứng trung bìnhkhi khoan đá cứng và rất cứng thì khoan đập đáy có chi phí thấp hơn vớicùng đờng kính lỗ khoan Khi dlk 228 mm thì khoan xoay trở nên tăng sứccạnh tranh do chi phí 1 mét khoan thấp hơn của đầu đập đáy với dlk< 228 mmthì u thế thuộc về khoan đập đáy

3 3 Các loại mũi khoan thờng dùng hiện nay

Các loại mũi khoan thờng dùng hiện nay chủ yếu là các loại mũi khoan củaNga mũi khoan của Trung Quốc, mũi khoan Nhật Bản, Thụy Điển

Với sản lợng bóc đất đá ngày càng tăng cao Vì vậy các thiết bị khoan rấtchóng bị hỏng nhất là mũi khoan Các mũi khoan này thờng bị hỏng do mòncác hạt hợp kim thờng bị vỡ do làm việc cờng độ liên tục Mũi khoan mỏ ởnớc ta thờng phải nhập khẩu giá thành đắt Do đó chi phí khoan nổ mìn tăngdẫn đến giá thành sản phẩm tăng không thể cạnh tranh trên thị trờng vì sảnphẩm đắt không bán đợc

Trong thời gian qua sau khi nghiên cứu tìm hiểu ba loại mũi khoan của

Căn cứ vào tình hình sản xuất mũi khoan ở nớc ta Với khuôn khổ luận ánsau khi nghiên cứu em nhận thấy rằng với điều kiện kỹ thuật hiện có ở nớc ta

mà thực tế ở viện cơ khí năng lợng và mỏ hiện nay ta có thể sản xuất đợc cácmũi khoan đập xoay để phục vụ cho ngành khai thác khoáng sản ở nớc tahiện nay nhằm giảm chi phí nhập khẩu tiết kiệm chi phí ngoại tệ dẫn đếngiảm chi phí giá thành mũi khoan dẫn đến hạ giá thành sản phẩm tăng khảnăng cạnh tranh

Để có mũi khoan phù hợp tận dụng các máy móc hiện có thì nhiệm vụ đặt

ra là với các loại mũi khoan đập xoay của Nga, Thụy Điển, Trung Quốc Với

u điểm của 3 loại mũi khoan này Từ đó ta thiết kế đợc một dạng mũi khoantối u để sử dụng trong nớc

Chơng II

Tính toán thiết kế mũi khoan đập xoay

I Nguyên lý làm việc của mũi khoan

Mũi khoan đập xoay là chi tiết tơng đối phức tạp, đối với loại mũi khoannày các phần của mũi khoan đều gia công rất phức tạp thờng phải gia côngtrên máy chuyên dùng và đồ gá chuyên dùng Mũi khoan đập xoay sử dụng

để khoan đá dùng trong công nghiệp khai thác mỏ Mũi khoan làm theonguyên lý đập xoay dới tác dụng của một lực mũi khoan đi xuống đập mạnhvào đất đá cùng lúc đó với tác dụng của một mô men xoay mũi khoan xoaytròn làm cho đất đá bị rạn nứt và bị phá vỡ

Do điều kiện làm việc với môi trờng phức tạp độ cứng đất đá thay đổi Làmviệc với tải trọng nặng và thay đổi nên yêu cầu kỹ thuật của mũi khoan có độcứng sau nhiệt luyện :(58  60) HRC, kiểm tra trên 100% sản phẩm Bề mặtlàm việc của chi tiết là mặt đầu có gắn mảnh hợp kim cứng BK8

II Chọn vật liệu gia công

- Mác thép : 20XH3A

- Tính chất cơ học vật liệu thành phần hóa học

Dựa vào các mũi khoan đập xoay hiện đang sử dụng tại các mỏ ở Việt Nam

nh :

1- Mũi khoan đập xoay kiểu Trung Quốc

2- Mũi khoan đập xoay kiểu Nga

3- Mũi khoan đập xoay Sanwith Thụy Điển

Ta thiết kế đợc mũi khoan với những u điểm phù hợp với điều kiện chất tạicác vùng mỏ ở Viẹt Nam

4- Mũi khoan đập xoay thiết kế

Xem các hình vẽ:

Thiết kế quy trình công nghệ

I Quy trình công nghệ

Nguyên tắc chung khi thiết kế nguyên công là đảm bảo đợc năng suất và

độ chính xác yêu cầu Năng suất và độ chính xác phụ thuộc vào chế độ cắt, ợng d, số bớc công nghệ vv Vì vậy, khi thiết kế nguyên công phải dựa vàodạng sản xuất, phơng pháp phân tán nguyên công để chọn sơ đồ nguyêncông hợp lý

Quy trình công nghệ gồm 15 nguyên công

1- Nguyên công I: Ca phôi

2- Nguyên công II: Ren phôi

3- Nguyên công III: ủ phôi

4- Nguyên công IV: Tiện đầu nhỏ

5- Nguyên công V: Tiện đầu to

6- Nguyên công VI: Phay 8 rãnh tháo lắp mũi khoan

7- Nguyên công VII: Phay 4 rãnh 16 mm tháo lắp mũi khoan

8- Nguyên công VIII: Phay các rãnh thoát đá, thoát khí

9- Nguyên công IX: phay 3 rãnh thoát khí

10- Nguyên công X: Khoan 3 lỗ thóat khí

11- Nguyên công XI: Khoan 16 lỗ 11,4

12- Nguyên công XII: Nhiệt luyện

13- Nguyên công XIII: Khoét doa lỗ 11,68

14- Nguyên công XIV: ép các hạt hợp kim BK8

15- Nguyên công XV: Tổng kiểm tra

II Sơ đồ các nguyên công:

Nguyên côngI: ca phôi

ThiÕt bÞ :M¸y ca cÇn 8721

Dông cô c¾t : lìi ca P18 B = 4

Dông cô ®o : thíc l¸ thíc cÆp 1/10

§ì gi¸ : khèi V kÑp cña m¸y ca

24

170

Thiết bị:Máy búa 400

Dụng cụ cắt : Chày,cối

Dụng cụ đo : Thớc lá, thớc cặp 1/10

Nguyên công III : ủ phôi

Mục đích : khử ứng suất d và giảm độ cứng bề mặt đo nguyen công rèn sinh

Yêu cầu kỹ thuật

PhôI sau khi ủ đạt độ cứng 180 – 220 HB

+ Làm sạch bề mặt

T ủ = 780-800 Co oNung

Nug

Bíc 3 : khoan lç t©m mòi t©m,thÐp giã P18

Bíc 4 : khoan lç Ø20 mòi khoan ruét gµ thÐp gãc P18

16 R20

4,5 S

Gá trên đồ gá phân độ chuyên dùng của đồ gá phay

Dao phay đĩa thép 3 mặt D = 58mm ; d = 22mm ; P18 ; B = 16

Sau khi phay song 1 ranh phân độ phay tiếp các độ còn lại

Nguyên công VIII: phay các r nh thoát đáãnh thao lắp mũi khoan

Nguyªn c«ng X : khoan 3 lç tho¸t khÝ

8

S n

850° ±10

420° ±10

Không khí T° C

Yêu cầu nhiệt luyện : đật độ cứng 58 – 60 HRC

Sau nhiệt luyện, các bề mặt chi tiết không bị rạn nứt biến dạng

- làm sạch bề mặt

Nguyên công XIII : khoét doa lỗ ỉ11,68

n

ỉ11,68

Sử dụng doa toạ độ có bộ điều khiển PLC

Gá trên đồ gá chuyên dùng, đồ gá đợc lắp đặt trên bàn quay, phân độDoa khoét thép gá P18 có ỉ11,68

Doa doa gắn mảnh hợp kim cứng T15K6 ỉ11,68

60 °

ép các hạt hợp kim cứng lên đầu mũi khoan sử dụng máy ép thuỷ lực 40 tấn

Do tính chất và môi trờng làm việc của mũi khoan đá là chỉ tải nặng và va

đập mạnh, làm việc với số vòng quay cao nên ta sử dụng mối ghép chặt

Nguyên công XV : tổng kiểm tra

Kiểm tra độ cứng trên máy tiện

Tính toán luợng d khi gia công lỗ 11,68

Quy trình công nghệ chia làm hai nguyên công

Sai lệch không gian sau khi khoan là k=0,06phôi= 0,06.74 = 5(m)

Sai số gá đặt khi khoan đợc xác định nh sau:

đg= 2 2

k

Sai số chuẩn trong trờng hợp này khi chi tiết bị xoay khi định vị bằng trục gá

do có khe hở ở giữa trục gá và mặt trụ ngoài của chi tiết c= 20m

Sai số kẹp chặt k đợc xác định theo bảng 24 và k= 70 m vậy sai số kẹp

Vậy sai số gá đặt

gđ= 20  2 70 2 =72

Sai số gá đặt ở nguyen công khoét là

gđ= 0,06.gđ= 4,5

Xác định lợng d gia công nhỏ nhất theo công thức :

2Zmin = 2( Rzi-1+Ti-1+ ( 2 2 )

sau khi doa :

(m)

thiết bị : máy búa 400

dụng cụ cắt : chày , cối

yêu cầu : độ lõm trên bề mặt  1 mm

0 0 , 9 60

73

75 47

x t

1 1,4 1,24 = 33,9 m /ph

 tốc độ cắt : n1 =

D D

14 , 3

9 , 33 1000

1000

.

p m D

Mx =

100 2

58 528 100

2

8 , 31 518 60

102

K C

.

Tra b¶ng ta cã :

Cv = 292 ; xv = 0,15 ; yv = 0,3 ; m = 0,18 ; t =45,

Kv = Knv Kmv Kuv K v K 1v K v Kqv Kov = 75 1,4 1 1 1 1 1,24/73 = 1,78

Ut = 345 ( / )

4 , 0 1 45

78 , 1 292

3 , 0 15 , 0 18 ,

Nt = 1893

158 14 , 3

345 10

78 , 1

.

Pz = Cpz z pz

n z y z

Py =Cpy py

y n yy

xy S u K

Py =Cpx x px

n yx

Tra b¶ng ta cã : Cpz = 300 ; xz = 1 ; yz = 0,75 ; nz = 0,15

Px = 339 11 0,5 227 – 0,4 0,973 = 23,8 ( kg )

C«ng suÊt c¾t :

Ne =

60 102

227 5 , 65 60 102

v

v v S t T

K D C

2 , 0 5 , 1 15

3 , 0 1 1 2 , 1 20 7

= 11,1 m/phót

Nt =

20 14 , 3

7 , 11 10

K C

Kuv la hệ số kể đến ảnh hởng của vật liệu dụng cụ cắt đến tốc độ cắt.

0 0 , 4 60

24 , 1 1 4 , 1 1 ).

73

75 (

47

= 32 ( m /ph )

nt =

100 14 , 3

32 1000

.

= 32,5 ( m /phút )lực cắt :

n z y z x pz

n n

K K K

p p

973 , 0 )

973 , 0 (

964 , 0 )

973 , 0 (

98 , 0 )

9375 ,

0 ( )

97 3 , 0 ( )

75 73 ( ) 75

(

K

1 35 , 1 75 , 0

- Chế độ cắt : t = 0,5.( 106 – 100) = 3 mm

v v

v v

y S x t m T

K C v

.

24 , 1 1 1 1 1 4 , 1 1 75

.

K

K K K K K K K K

ph m

3 , 0 4 , 0 15 , 0 0 , 1 18 , 0 45

78 , 1 292







ph v D

v

100 14 , 3

10

750 100 14 , 3 10

.

P 

y p y y y py

x

p x x x px

98 , 0 1 1 1 1 98 ,

P

60 102

117 42 60 102

3 , 26 1000

1000







Chọn theo máy : nm = 120 v/ph

Vận tốc cắt thực tế là : v n 28 , 2m/ ph

1000

120 75 14 , 3

p n y z

x p z

n D

K Z B S t C P

.

10

Trong đó : Z là số răng dao phay

120 75

1 18 16 05 , 0 5 , 4 2 , 68 10

0 75 , 0

1 72 , 0 86 , 0

75 185 100 2

m

q

Z B S

t

T

D c

.

75 5 , 68

1 , 0 1 , 0 2 , 0 3 , 0 2 , 0

2 , 0

ph m

Lực cắt Pz= p

w q

n y z

x

n D

Z B S t C

.

10

Trong đó: Z- là số răng dao phay

Cp và các số mũ tra bảng ta có:

Cp= 68,2; x = 0,86; y = 0,72; u = 1; q = 0,86; w = 0; Kp=1

Thay các số liệu trên vào công thức ta có:

kg N

120 75

18 18 05 , 0 5 , 4 82

1 72 , 0 86 , 0

75 208 100 2

t

T

D C

.

90 5 , 68

1 , 0 1 , 0 2 , 0 3 , 0 2 , 0

2 , 0

ph m

Vậy tốc độ cắt theo tính toán nt= 94 , 7 ( / )

75 14 , 3

78 , 26 1000

Vậy tốc độ cắt thự tế là: 26 , 8 ( / )

1000

95 90 14 , 3

ph m



Lợng chạy dao phút: Sp= Z.Sz.nz= 20.0,1.95 = 190(mm/ph)

w q

n y z

x

n D

Z B S t C

.

10

Trong đó: Z- là số răng dao phay

Cp và các số mũ tra bảng ta có:

Cp= 68,2; x = 0,86; y = 0,72; u = 1; q = 0,86; w = 0; Kp=1

Thay các số liệu trên vào công thức ta có:

kg N

120 90

20 16 1 , 0 5 , 7 82

1 72 , 0 86 , 0







Mô men xoắn: M P z.D 28,5.90 12 , 85kg/m