Trên cơ sở kết quả nghiên cứu quá trình làm việc của thiết bị khoan xoay đập bài báo tiến hành khảo sát ảnh hưởng của một số thông số làm việc đến quá trình khoan của máy khoan xoay đập. Với kết quả thu được, cho phép đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số đến quá trình khoan, từ đó đưa ra các lựa chọn thông số làm việc hợp lý cho máy khoan xoay đập làm việc đạt hiệu quả cao.
SCIENCE TECHNOLOGY ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ LÀM VIỆC ĐẾN QUÁ TRÌNH KHOAN CỦA KHOAN XOAY ĐẬP EFFECTS OF SOME WORKING PARAMETERS ON DRILLING PROCESS OF THE ROTARY PERCUSSIVE DRILLING Lưu Minh Hùng1, Lê Trọng Cường1, Bùi Văn Hải2,* TÓM TĂT Trên sở kết nghiên cứu trình làm việc thiết bị khoan xoay đập báo tiến hành khảo sát ảnh hưởng số thơng số làm việc đến q trình khoan máy khoan xoay đập Với kết thu được, cho phép đánh giá mức độ ảnh hưởng thông số đến q trình khoan, từ đưa lựa chọn thông số làm việc hợp lý cho máy khoan xoay đập làm việc đạt hiệu cao Từ khóa: Khoan xoay đập, đá cứng, phá hủy đá ABSTRACT Based on the results of working process study of rotary drilling equipment, the article examines the influence of some parameters on the drilling process of rotating drilling With the results obtained, it is possible to assess the impact of the parameters on the drilling process, thereby providing reasonable working parameters for the most efficient drilling machine Keywords: Rotary percussive drilling, hard rock, rock destruction mơ hình tính tốn [3] tham số có quan hệ, tác động qua lại lẫn nhau, nên để đánh giá mức độ ảnh hưởng tham số tới khả khoan thiết bị, tác giả chọn phương pháp khảo sát mức độ ảnh hưởng độc lập tham số Phạm vi khảo sát tham số nằm khoảng biến thiên tham số xác định theo đặc tính thiết bị MƠ HÌNH TÍNH TỐN THIẾT BỊ 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 mơ hình hóa thiết bị khoan, mơ hình khoan xoay đập hình 1 Học Viện Kỹ thuật Quân Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: haihang08@gmail.com Ngày nhận bài: 20/8/2018 Ngày nhận sửa sau phản biện: 20/11/2018 Ngày chấp nhận đăng: 25/12/2018 ĐẶT VẤN ĐỀ Phương pháp khoan xoay - đập đạt hiệu cao khoan loại đá có độ cứng cao đá sa thạch, đá vôi, đá granit, Với thiết bị khoan xác định suất thiết bị khoan đá phụ thuộc vào thông số làm việc biết trước tính đá Phát triển hồn thiện thiết bị khoan đá xoay - đập ngày nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Việc nghiên cứu ảnh hưởng thông số làm việc đến q trình khoan sở để xác định thông số làm việc cách hợp lý thiết bị khoan xoay đập Trong khuôn khổ báo, nhóm tác giả tập trung nghiên cứu ảnh hưởng số thông số làm việc thiết bị khoan xoay đập vận tốc xoay, tần số lực đập, tốc độ dẫn tiến đến trình khoan Xuất phát từ đặc điểm Hình1 Mơ hình động lực học khoan xoay đập Trong đó: Fđ - Lực đập Pít tơng; Fdt - Lực dẫn tiến chng khoan; Fth - Ngưỡng phá hủy đá; Mq - Mô men quay chng khoan;Mc - Mơ mem cản đầu mũi khoan; m1 - Khối lượng chuôi búa khoan; m2 - Khối lượng choòng khoan; m3 - Khối lượng mũi khoan; mđ - Khối lượng đá bị phá hủy; x1 - Tọa độ trọng tâm chuôi búa khoan; x2 - Tọa độ trọng tâm choòng khoan; x3 - Toạ độ trọng tâm mũi khoan; xđ - Toạ độ trọng tâm đá bị phá hủy; 1 - Góc quay chi búa khoan; 2 - Góc quay chng khoan; 3 - Góc quay mũi khoan; c1- Hệ số cản nhớt piston giảm chấn; k1 - Hệ số độ cứng piston giảm chấn; c2, c3 - Hệ số cản nhớt mối ghép ren; k2, k3 - Hệ số độ cứng mối ghép ren; c2x, c3x - Các hệ số cản nhớt biến dạng xoắn; k2x, k3x, - Các hệ số độ cứng chống xoắn; cđ - Hệ số cản nhớt đá; kđ - Hệ số độ cứng đá Số 49.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 91 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Áp dụng phương trình Lagrange loại II cho hệ gồm chi búa, chng khoan mũi khoan, phương trình vi phân chuyển động hệ: -3 x2 x 2-x (1) 0.5 Fkñ - Lực cản độ cứng đá gây k ñ (x x đ ) k đ (x x ñ ) Fth F Fth k đ (x x đ ) Fth k đ (x x ñ ) (2) 20 40 60 Tan s o, (Hz) 80 100 120 Hình Ảnh hưởng tần số lên vận tốc mũi khoan dịch chuyển đáy lỗ khoan Như vậy, tần số có ảnh hưởng lớn đến thay đổi vận tốc choòng khoan, mũi khoan dịch chuyển phần tử ma sát khô ảnh hưởng lớn đến hiệu quả, suất khoan máy Fcñ - Lực cản cản nhớt đá gây Fcñ cñ x Hieu so (x2- x 3) (m) Trong đó: đ k x 10 1.5 Van toc x2, (m/s) m1 x1 (c1 c )x c x (k1 k )x1 k x Fdt Fñ x c x (c c )x c x k x1 m2 (k k )x k x 3 m3 x3 c x (c c ñ )x k x2 k x Fcñ Fkñ 1 c2x c 2x k 2x 1 k 2x 2 Mq J1 J c (c2x c 3x ) c 3x k 2x 1 2 2x (k 2x k 3x )2 k 3x 3 3 c 3x c 3x k 3x 2 k 3x 3 Mc J3 tiếp tục xảy Như có dải tần số làm việc mà xung động va chạm có tác dụng nâng cao tốc độ thâm nhập mũi khoan vào đá, tương ứng đồ thị dải tần số 50 - 70Hz x2 (3) x3 x kđ (x3 xđ ) Fth x đ 0 kđ (x3 xđ ) Fth Dich chuyen x (m) 0.5 (4) KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ LÀM VIỆC ĐẾN QUÁ TRÌNH KHOAN CỦA KHOAN XOAY ĐẬP 3.1 Khảo sát ảnh hưởng tần số đập lực đập 3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng tần số đập Để khảo sát ảnh hưởng tần số đập ta tiến hành khảo sát trình làm việc búa khoan với môi trường đá cố định Các giá trị độ cứng đá k = 5.108 (N/m), hệ số cản nhớt đá c = 1,98.103 (Ns/m) lực tới hạn phá hủy đá Fth = 138 (kN) Trên hình 2, đường màu xanh đường vận tốc tịnh tiến tương đối mũi khoan so với môi trường đá, đường màu đỏ đường dịch chuyển tương đối mũi khoan so với vị trí thời yếu tố ma sát khô, ký hiệu hiệu số = x2 - x3 dịch chuyển mũi khoan so với mặt đá vỡ Từ đồ thị ta nhận thấy giá trị lớn vận tốc mũi khoan dịch chuyển tương đối mũi khoan so với vị trí thời yếu tố ma sát khô đạt tần số nằm khoảng 50 đến 70Hz, khoảng lân cận tần số 65Hz hai giá trị đạt lớn Trên hình trước điểm cộng hưởng, vận tốc mũi khoan dịch chuyển yếu tố ma sát khô tăng tỷ lệ với nhau, sau cộng hưởng, tần số tiếp tục tăng tượng trượt yếu tố ma sát khơ khơng 92 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 49.2018 Khi đá chưa bị phá hủy vận tốc khối đá khơng, bị phá hủy coi tốc độ dịch chuyển phoi đá mơ hình vận tốc tịnh tiến mũi khoan, nghĩa là: Van toc x , (m/s) 0 20 40 60 80 Tan so, (Hz) 100 120 140 Hình Ảnh hưởng tần số lên vận tốc choòng khoan, mũi khoan 3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng lực đập Để khảo sát ảnh hưởng lực đập, tiến hành khảo sát trình làm việc búa khoan với mơi trường đá Cát kết, đặc tính đá bảng Bảng Đặc tính loại đá TT Loại đá Đá Sạn kết Fth (kN) k (N/m) c (N.s/m) 2,3.10 Ghi 286 8,4.10 Đá Cát kết 210 5.10 4,9.10 Đá cứng Đá vôi mềm 138 2,1.108 1,98.103 Đá trung bình Đá cứng Khảo sát xung lực đập búa khoan thay đổi, độ cứng đá cố định k = 5.108 (N/m) Ta đồ thị ảnh hưởng tần số đập lên vận tốc cụm choòng khoan, mũi khoan cho trường hợp với xung lực đập thay đổi hình Trên đồ thị hình với độ cứng đá k = 5.108 (N/m), xung lực đập I = 120 (kN) chọn tần số đập khoảng 50 60Hz phù hợp; với xung lực đập I = 160 (kN) chọn tần số đập khoảng 55 - 65Hz phù hợp; với xung lực đập I = 220 (kN) chọn tần số đập khoảng 60 - 70Hz phù hợp; với xung lực đập I = 280 (kN) chọn tần số đập khoảng 75 - 85Hz phù hợp SCIENCE TECHNOLOGY x 10 -3 x 10 0.5 0.4 0.3 3 0.6 1.5 0.4 0.2 100 120 0 20 40 60 80 Tan so, (Hz) 0.8 b) -3 x 10 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 -3 0.8 x3 0.6 0.7 Van toc x , (m/s) x3 x2 2.5 0.8 Dich chuyen x (m) 120 100 1.5 0.4 20 40 60 80 Tan so, (Hz) 100 0 20 40 60 80 Tan so, (Hz) 120 100 d) c) Hình Ảnh hưởng lực đập lên vận tốc choòng khoan, mũi khoan a) Xung lực đập I = 120 (kN) búa lên vận tốc x dịch chuyển x3 b) Xung lực đập I = 160 (kN) búa lên vận tốc x dịch chuyển x3 c) Xung lực đập I = 220 (kN) búa lên vận tốc x dịch chuyển x3 d) Xung lực đập I = 280 (kN) búa lên vận tốc x dịch chuyển x3 3.2 Khảo sát ảnh hưởng độ cứng đá Để khảo sát ảnh hưởng độ cứng đá đến suất máy khoan ta tiến hành thay đổi độ cứng đá, lực tới hạn Fth phá hủy đá thay đổi tương ứng với giá trị độ cứng k đá thay đổi từ k1 = 8,4.108 (N/m) đến k4 = 8,93.107 (N/m) hệ số cản nhớt đá thay đổi từ c1 = 2,3.104 (N.s/m) đến c4 = 6,83.102(N.s/m) Xung lực đập búa không đổi Kết tính tốn thu đồ thị hình 5, k k 2.5 k k 2 0.5 20 40 0.6 0.4 0.2 0 20 40 60 80 100 120 Tan so, (Hz) 60 80 100 Hình Ảnh hưởng tần số lên dịch chuyển đáy lỗ khoan độ cứng đá thay đổi Kết khảo sát hình cho thấy, độ cứng k tăng dịch chuyển đáy lỗ khoan đạt lớn tần số cao (khi k tăng từ 8,93x107- 8,4x108N/m f tăng từ 80 - 90Hz), để đạt hiệu cao khoan, cơng tác khảo sát, đánh giá tính chất lý tính mơi trường đá vị trí khoan quan trọng, không đạt suất khoan cao mà tiết kiệm tối đa chi phí lượng KẾT LUẬN Trên sở mơ hình động lực học thiết bị khoan xoay đập, thiết lập mô hình tính tốn; Đánh giá ảnh hưởng số thơng số làm việc đến q trình khoan tần số đập lực đập, ảnh hưởng môi trường đá Với loại đá khác nhau, tần số đập khác Đá cứng tần số đập cao, với độ cứng đá k = 5.108 N/mthì tần số f khoảng 50 - 70Hz hợp lý Khi độ cứng k đá tăng từ 8,93.107 - 8,4.108N/m để đạt hiệu khoan tốt tần số đập f từ 80Hz - 90Hz 1.5 3 2 0.2 0.5 0.1 120 k 40 60 80 Tan so, (Hz) k Dich chuyen, x (m) 20 x2 Van toc x , (m/s) k k x 10 Van toc, x (m) -3 x 10 0.2 0.5 a) 1.8 1.6 1.4 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 môi trường đá, mà 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, nâng cao suất làm việc máy 0.1 Dich chuyen x (m) 1.6 1.4 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 x3 0.6 Van toc x , (m/s) x3 Dich chuyen x (m) x2 Dich chuyen x (m) Van toc x , (m/s) x2 -3 120 Tan so, (Hz) Hình Ảnh hưởng tần số lên vận tốc cụm choòng khoan, mũi khoan độ cứng đá thay đổi Từ hình cho thấy, độ cứng mơi trường đá thay đổi mối quan hệ vận tốc cụm choòng khoan, mũi khoan tần số đập thay đổi theo Ở giá trị độ cứng k nhỏ vận tốc chng khoan đạt giá trị lớn tần số đập thấp (tương ứng với k4 = 8,93.107N/m f = 32Hz), giá trị độ cứng k tăng vận tốc chng khoan giảm đạt giá trị lớn tần số đập cao nhiều (tương ứng với k1 = 8,4.108N/m f = 69Hz) Vậy độ cứng môi trường đá thay đổi ảnh hưởng lớn đến suất khoan máy Do vào độ cứng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nhữ Văn Bách, Nguyễn Đình Ấu, 1998 Phá vỡ đất đá phương pháp khoan nổ mìn NXB Giáo dục, Hà Nội [2] Lê Trọng Cường, Chu Văn Đạt, Lưu Minh Hùng, 2013 Xác định lực va đập hợp lý phá hủy đá khoan xoay đập Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Cơng nghệ Tồn quốc Cơ khí lần thứ III [3] Chu Văn Đạt, Lưu Minh Hùng, 2015 Mô hình động lực học khoan xoay đập Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Cơng nghệ Tồn quốc Cơ khí lần thứ IV, (tập 1) 782-787 [4] Võ Trọng Hùng, Phùng Mạnh Đắc, 2005 “Cơ học đá ứng dụng xây dựng khai thác mỏ” Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [5] Nguyễn Sỹ Ngọc, 2005 “Cơ học đá” NXB Giao thông vận tải, Hà Nội [6] Pavlovskaia, Ekaterina and Marian Wiercigroch, 2003 Modelling of vibro-impact system driven by beat frequency [7] Chiang, E.Luciano and Dante A.Elias, 2007 A 3D FEM methodology for simulating the impact in rock drilling hammers International Journal of Rock [8] Thuro K, Spaun G., 1996a Drillability in hard rock drill and blast tunnelling Felsbau 14: 103-109 [9] A.A.Balkema / Rotierdam / Brookfield / 1995, Drilling and blasting of rocks Số 49.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 93 ... SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THƠNG SỐ LÀM VIỆC ĐẾN Q TRÌNH KHOAN CỦA KHOAN XOAY ĐẬP 3.1 Khảo sát ảnh hưởng tần số đập lực đập 3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng tần số đập Để khảo sát ảnh hưởng tần số đập. .. hưởng số thông số làm việc đến trình khoan tần số đập lực đập, ảnh hưởng môi trường đá Với loại đá khác nhau, tần số đập khác Đá cứng tần số đập cao, với độ cứng đá k = 5.108 N/mthì tần số f khoảng... Hình Ảnh hưởng tần số lên vận tốc mũi khoan dịch chuyển đáy lỗ khoan Như vậy, tần số có ảnh hưởng lớn đến thay đổi vận tốc choòng khoan, mũi khoan dịch chuyển phần tử ma sát khô ảnh hưởng lớn đến