MÔ HÌNH ĐỘNG lực học KHOAN XOAY đập

Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC KHOAN XOAY - ĐẬP DYNAMICS MODELLING OF THE ROTARY PERCUSSIVE DRILLING Lưu Minh Hùng1,a, Chu Văn Đạt1,b Học viện Kỹ thuật Quân a luuhungcb@gmail.com; bvandat1903@gmail.com TÓM TẮT Bài báo trình bày mô hình động lực học khoan xoay đập Mô hình tính toán xây dựng sở coi đá chịu va đập môi trường đàn - nhớt dẻo, trình khoan tổng hợp tác động trình xoay đập mũi khoan làm phá hủy đá Các tham số mô hình xây dựng dựa thông số kết cấu khoan xoay đập tính chất vật liệu đá, đầu mũi khoan đầu bi Từ khóa: động lực học khoan; khoan xoay đập; đàn - nhớt dẻo ABSTRACT This paper presents the dynamics model of Calculate model is built on the basis rocks considered as viscous-plastics environmental, drilling process is the combine rotate and beating for The parameters of the model is based on structural parameters of rotarypercussion drilling and material properties of the rock, the rock bit is the ball Keyword: drilling dynamics; rotary-percussion drilling; visco-elasto plastic ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện thiết bị khoan đá sử dụng phổ biến ngành xây dựng hầm giao thông ngầm, thủy điện, khai thác mỏ, thăm dò địa chất, khoáng sản…Nguyên lý hoạt động chúng dựa ba phương pháp khoan là: khoan đập, khoan xoay khoan xoay-đập, để khoan loại đá có độ cứng f kp ≥ đá sa thạch, đá vôi, đá granit,…thì phương pháp khoan xoay-đập đạt hiệu cao Để xác định thông số khoan cách hợp lý, việc nghiên cứu mô hình động lực học khoan đóng vai trò định đến hiệu trình phá huỷ đá khoan xoay đập NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Thiết bị trình làm việc khoan xoay - đập Phương pháp khoan xoay - đập tạo xung lực lớn để đóng vấu mũi khoan vào sâu đá Đầu khoan xoay liên tục nhờ cấu xoay độc lập, đồng thời đập liên tục lên gương lỗ khoan với lực dọc trục lớn Sóng lượng tác động tới mũi khoan truyền vào đá qua bề mặt tiếp xúc vấu đầu mũi khoan với đá Quá trình đập tạo vết nứt xuyên tâm ăn sâu vào đá, trình xoay mũi khoan làm cho đá bị tách từ vết nứt xuyên tâm bị vỡ thành mảnh vụn, dẫn tiến choòng khoan giúp cho mũi khoan sâu vào đá Đất đá bị phá vỡ vỡ lở đầu khoan xoay với làm yếu sơ tác dụng đập đầu khoan Các phoi đá thoát khỏi lỗ khoan thông qua nước khí nén (Hình 1) 782 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Thiết bị khoan xoay – đập 1- nguồn động lực; 2- khu điều khiển; 3- cần giá khoan; 4- búa khoan; 5- chân tựa Cụm búa choòng khoan xoay- đập bao gồm: đầu búa, pittông đập, choòng khoan, pittông giảm chấn, trục nối then, then dẫn động quay, ống nối truyền mô men xoắn từ trục nối then dẫn động khoan tới choòng khoan, mũi khoan, hệ thống dẫn tiến búa khoan (Hình 2) Pittông đập chuyển động tịnh tiến truyền lực đập đến mũi khoan để phá đá với tần số đập f đ thông qua trục nối then choòng khoan, chuyển động quay trục nối then truyền qua ống nối đến choòng khoan mũi khoan để nghiền đá thành mảnh vụn Đầu khoan xoay lần va đập Sóng lượng tác động tới đầu khoan truyền vào đá qua bề mặt tiếp xúc vấu khoan thép các-bon đá để phá hủy đá, lực dẫn tiến búa khoan choòng khoan làm cho mũi khoan tiếp xúc với đá Các mảng vụn đá (phoi đá) thoát thông qua lỗ đầu mũi khoan lỗ thổi phoi Để tránh choòng khoan bị cong, gãy lực cản phá vỡ đá lỗ khoan tăng đột ngột, thông số dẫn động quay choòng khoan dẫn tiến phải có mối liên hệ chặt chẽ với nhau, trị số lực cản tăng nhanh lực dẫn tiến phải giảm, chí để tránh kẹt gẫy choòng khoan phải đảo chiều dẫn tiến Trong thực tế khai thác sử dụng máy khoan đá nước ta nay, việc phải thay cần khoan gẫy thường xuyên, nguyên nhân phối hợp làm việc đồng thời thông số khoan chưa hợp lý điều kiện làm việc cụ thể Đầu búa Pittông đập Trục nối then Mũi khoan Ống nối Pittông giảm chấn Khoang A Choòng khoan Lỗ thổi phoi Khoang B Then dẫn động quay Dẫn tiến búa khoan Hình Cụm búa choòng khoan đá 783 Đá Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 2.2 Mô hình động lực học khoan xoay - đập 2.2.1 Mô hình đàn-nhớt, dẻo đá x F(t) m c x1 mr D k x2 Hình Mô hình đàn - nhớt, dẻo đá Mô hình đàn - nhớt, dẻo đá hiển thị hình Mô hình đá bao gồm khối lượng (m), có độ cứng tuyến tính (c), hệ số cản nhớt (k) yếu tố ma sát khô với lực ngưỡng D (tại đá bị phá hủy) Độ cứng c, hệ số cản nhớt k đại diện cho tính chất đàn hồi độ nhớt đá cứng trước bị phá hủy, yếu tố ma sát khô với ngưỡng D ngưỡng lực nghiền nát môi trường đá Một khối lượng nhỏ cắt đá (m r ) hiển thị sơ đồ có tác dụng không đáng kể, yếu tố khối lượng đặc trưng để thiết lập phương trình vi phân hệ Khi lực F(t) tác dụng vào m, lò xo c giảm chấn k từ từ bị biến dạng thuộc tính đàn - nhớt môi trường Nếu hợp lực lò xo nhỏ lực tới hạn D, đá xuất phản lực đàn - nhớt, giai đoạn này, m dao động xung quanh vị trí cân xác định vị trí yếu tố ma sát khô Khi tăng lực F(t), lực đàn hồi lò xo giai đoạn nén lớn ngưỡng lực tới hạn D, phản lực môi trường thay đổi tính chất trở nên dẻo Sau giai đoạn nén lò xo, toàn kết thúc trượt dẻo, đá bị biến dạng dẻo, giả định tất khối lượng cắt loại bỏ từ nghiền bề mặt Phương trình động lực học: 1 + bx = F(t) − N mx (1)  x nêu c(x1 − x ) ≥ D x =  0 nêu c(x1 − x ) < D + Giai đoạn đàn – nhớt: Trong giai đoạn biến dạng đàn hồi, lực ma sát khô nhỏ giá trị tới hạn F th (ngưỡng phá hủy đá), tổng lực N lực đàn hồi lo xo N = c(x -x ) < c(x -x ) D (1.b) Kỹ thuật khoan xoay-đập cho hiệu suất cao khoan môi trường đá cứng như: đá sa thạch, đá vôi, đá granit (đá hoa cương), sử dụng mô hình Đàn - nhớt, dẻo đá hoàn toàn hợp lý để nghiên cứu phá hủy đá trình khoan 784 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 2.2.2 Mô hình động lực học xoay - đập Để nghiên cứu mối quan hệ thông số: vận tốc góc choòng khoan, tần số đập, lực đập, vận tốc dẫn tiến đến suất khoan, cần tiến hành xây dựng mô hình tương tác thiết bị khoan đá Để xây dựng mô hình, cần chấp nhận giả thiết sau: + Môi trường đá đồng đẳng hướng; Vị trí giá khoan cố định trình khoan đá; Giả thiết cho phần tính toán sử dụng đầu khoan phẳng gắn mũi cắt có biên dạng chỏm cầu Mô hình khoan xoay đập thể hình Trong đó: F đ - lực đập Pittông; M x - mô men xoay choòng khoan; F dt - lực dẫn tiến choòng khoan Hình Mô hình vật lý khoan xoay - đập Coi đá môi trường đàn – nhớt, dẻo Trục nối then, mũi khoan vật rắn tuyệt đối, choòng khoan bị xoắn mà không bị biến dạng dọc Tổn thất lượng ống nối trục then với choòng khoan không đáng kể Ứng dụng lý thuyết học hệ nhiều vật để mô hình hóa thiết bị khoan, mô hình khoan xoay đập hình F(t) Mx k31 k21 k22 Fdt m1 ϕ1 J1 c12, k12 J2 m2 ϕ2 c21 c22 x1 Mcx Mc c31 x2 D x3 Hình Mô hình động lực học khoan xoay - đập Trong đó: lực đập Pittông F(t); lực dẫn tiến choòng khoan F dt ; mô men xoay choòng khoan M x ; + Mô men cản đầu mũi khoan M c , tính thư sau: M = M kd + M td c M kd = µ Pep Rtb : mô men ma sát bề mặt mũi khoan với đá; µ - hệ số ma sát trượt bề mặt mũi khoan với đá; P ep – lực ép mũi khoan vào đá; R tb – bán kính trung bình; tiết diện tròn R tb = 2/3 R R – bán kính mũi khoan; M td : mô men ma sát thành mũi khoan với thành đá 785 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV + D - ngưỡng phá hủy đá; x - tọa độ phần tử ma sát khô; x , x - tọa độ trọng tâm mũi khoan choòng khoan; m , m - khối lượng mũi khoan choòng khoan; J , J – mô men quán tính mũi khoan choòng khoan; k 31 , k 21 - phần tử giảm chấn biến dạng dọc; k 12 , k 22 - phần tử giảm chấn biến dạng xoắn; c 31 , c 21 độ cứng quy kết lò xo; c 12 , c 22 - độ cứng chống xoắn quy kết; ϕ - góc quay mũi khoan; ϕ - góc xoắn choòng khoan Áp dụng phương trình Lagrange loại II cho hệ gồm mũi khoan choòng khoan, ta hệ phương trình vi phân chuyển động: x1 + k 21x − k21 x2 + c 21 x1 − c21 x2 = F (t) + Fdt m1  m   x2 − k21 x1 + (k 21 + k31 ) x − c21 x1 + (c21 + c31 ) x =  Mx  J1ϕ1 + (k12 + k22 )ϕ1 − k 22 ϕ2 + (c12 + c22 )ϕ1 − c22ϕ2 =  J 2ϕ2 − k22ϕ1 + (k 22 + k32 )ϕ2 − c22ϕ1 + (c22 + c32 )ϕ2 = −M c − k 21x + k21 x2 − c 21 x1 + c21 x2 + F (t) + Fdt x1 = m1  m   x = k21 x1 − (k 21 + k31 ) x + c21 x1 − (c21 + c31 ) x ⇔ 2 −(k12 + k22 )ϕ1 + k 22 ϕ2 − (c12 + c22 )ϕ1 + c22ϕ + M x  J1ϕ1 =  J 2ϕ2 = k22ϕ1 − (k 22 + k32 )ϕ2 + c22ϕ1 − (c22 + c32 )ϕ − M c (2) 2.3 Kết tính toán khảo sát số thông số làm việc khoan xoay đập Sử dụng phần mềm Matlab để giải hệ phương trình (2), với điều kiện đầu bao gồm thông số vị trí, vận tốc, gia tốc ban đầu khâu sau: Lúc bắt đầu khoan, choòng khoan mũi khoan đứng yên, góc quay mũi khoan choòng khoan x1 ( ) = x ( 0) = 0; x ( 0) = x ( 0) = 0; ϕ1 ( 0) = 0; ϕ 1( 0) = 0; ϕ2 ( ) = ϕ ( 0) = Kết thể hình 6, 7, Khi độ cứng môi trường đá thay đổi mối quan hệ vận tốc choòng khoan tần số đập thay đổi theo Ở giá trị độ cứng c d nhỏ vận tốc choòng khoan đạt giá trị lớn tần số đập thấp (tương ứng với c d =10 MN/m f đ =29 Hz), giá trị độ cứng c d tăng vận tốc choòng khoan giảm đạt giá trị lớn tần số đập cao nhiều (tương ứng với c d =50 MN/m f đ =70 Hz) Như vào độ cứng môi trường đá, lựa chọn tần số đập thích hợp cho búa khoan để đảm bảo đạt hiệu phá vỡ đá cao, đồng thời hạn chế hao phí lượng thiết bị khoan (hình 6) Hình Ảnh hưởng tần số lên vận tốc choòng khoan độ cứng đá thay đổi Hình Ảnh hưởng tần số lên dịch chuyển phần tử ma sát khô độ cứng đá thay đổi Điều rõ nét xem xét quan hệ dịch chuyển phần tử ma sát khô tần số đập giá trị khác độ cứng c d Kết khảo sát hình cho thấy độ cứng c d tăng dịch chuyển phần tử ma sát khô đạt lớn tần số cao (khi c d tăng từ 10-50 MN/m f đ tăng từ 37-90 Hz), để đạt hiệu cao 786 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV khoan, nói cách khác để đạt độ dịch chuyển lớn phần tử ma sát khô công tác khảo sát, đánh giá tính chất lý tính môi trường đá vị trí khoan quan trọng, không đạt suất khoan cao mà tiết kiệm tối đa chi phí lượng Trong môi trường đá mềm (độ cứng nhỏ), phần lớn lượng truyền đến mũi khoan bị hao tán biên độ dao động tương đối cao mũi khoan biến dạng phần tử đàn hồi, phần nhỏ lượng truyền cho phần tử ma sát khô tạo dịch chuyển nhỏ Trong môi trường đá cứng, tác động va đập gây độ võng nhỏ, hợp lực phần tử đàn hồi cản nhớt lớn, lực truyền đến phần tử ma sát khô, tạo dịch chuyển lớn Hình Dịch chuyển mũi khoan đáy lỗ khoan tác động tải trọng va đập Đồ thị biên độ dịch chuyển choòng khoan có hình dáng tương tự đồ thị biên độ lực va đập, phần lượng va đập truyền cho phần tử ma sát khô gây dịch chuyển trượt x , đồ thị dịch chuyển x có hình dáng bậc thang tương ứng với biên độ x (hình 8) KẾT LUẬN Bài báo trình bày mô hình động lực học khoan xoay - đập Mô hình mô tả trình xoay đập đồng thời thiết bị khoan xoay-đập, việc khảo sát mô hình cho biết ảnh hưởng thông số khoan đến trình phá hủy đá Thiết lập phương trình vi phân chuyển động, sở đành giá ảnh hưởng tần số lên vận tốc choòng khoan dịch chuyển phần tử ma sát khô độ cứng thay đổi Mô tả độ dịch chuyển mũi khoan đáy lỗ khoan tác động tải trọng va đập Mô hình kiểm chứng qua thực nghiệm, phát triển báo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chu Văn Đạt, Lê Trọng Cường, Lưu Minh Hùng, “Xác định lực va đập hợp lý phá hủy đá khoan xoay đập” Kỷ yếu hội nghị KHCN khí lần thứ Hà Nội, 3/2013 [2] Võ Trọng Hùng, Phùng Mạnh Đắc, “Cơ học đá ứng dụng xây dựng khai thác mỏ” Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2005 [3] Đỗ Sanh, “Cơ học T2” NXB Giáo dục, 2004 [4] Han, Gang, Mike Bruno and Maurice B Dusseault (2005), Dynamically Modeling Rock Failurein Percussion Drilling American Rock Mechanics [5] Pavlovskaia, Ekaterina and Marian Wiercigroch (2003), Modelling of vibro-impactsystem driven by beat frequency [6] Chiang, E.Luciano and Dante A.Elias (2007), A 3D FEM methodology forsimulating the impact in rock drilling hammers International Journal of Rock THÔNG TIN TÁC GIẢ GS.TS Chu Văn Đạt, giảng viên cao cấp, Học viện Kỹ thuật Quân Email: Vandat1903@gmail.com, ĐT: 0912288192 ThS Lưu Minh Hùng, giảng viên, Trường Sĩ quan Công binh Email: luuhungcb@yahoo.com, ĐT: 0914204552 787 ... khí - Lần thứ IV 2.2 Mô hình động lực học khoan xoay - đập 2.2.1 Mô hình đàn-nhớt, dẻo đá x F(t) m c x1 mr D k x2 Hình Mô hình đàn - nhớt, dẻo đá Mô hình đàn - nhớt, dẻo đá hiển thị hình Mô hình. .. đầu khoan phẳng gắn mũi cắt có biên dạng chỏm cầu Mô hình khoan xoay đập thể hình Trong đó: F đ - lực đập Pittông; M x - mô men xoay choòng khoan; F dt - lực dẫn tiến choòng khoan Hình Mô hình. .. chuyển x có hình dáng bậc thang tương ứng với biên độ x (hình 8) KẾT LUẬN Bài báo trình bày mô hình động lực học khoan xoay - đập Mô hình mô tả trình xoay đập đồng thời thiết bị khoan xoay- đập, việc