Машины вращательного бурения.

Лекция № 4. Машины вращательного и ударного бурения.

При вращательном бурении (сверлении) разрушение горной породы происходит спиральными слоями за счет постоянного со­общения буровому инструменту (резцу) осевого усилия подачи и крутящего момента. В связи с этим при вращательном бурении почти не образуется пыли и шума, а процесс разрушения породы идет непрерывно, что в породах ниже средней, а иногда и средней крепости делает его более эффективным. Весьма положительной чертой вращательного бурения является также возможность широкого использования электрической энергии, которая в 6—15 раз дешевле пневматической. Стоимость же капитальных за­трат на приобретение и монтаж оборудования при использовании электрической энергии по сравнению с пневматической снижается почти в 100 раз. В последнее время проводятся большие работы по расширению области применения вращательного бурения на средние и крепкие породы.

Машины вращательного бурения предназначены для бурения шпуров и скважин по углю и породам с использованием в режиме резания. Горная поро­да при вращательном бурении (сверлении) разрушается спиральны­ми слоями за счет сообщения буровому инструменту осевого усилия подачи, крутящего момента и движении инструмента по винтовой ли­нии.

Машины вращательного бурения подразделяются на ручные и колонковые сверла, применяемые в основном для бурения шпу­ров по углю и породам ниже средней и средней крепости, станки для бурения разведочных и взрывных скважин по породам любой крепости и гезенко-бурильные и сбоечные машины. Последние применяются для бурения подземных вертикальных и наклонных выработок диаметром до 1000—1500 мм по мягким и средней крепости породам.

Ручные горные сверла предназначены для бурения шпуров диамет­ром до 50 мм по углям всех категорий крепости и слабым породам (f < 3). Современные горные сверла по способу подачи бурового инструмента на забой подразделяют на сверла с ручной и механичес­кой подачей; по роду потребляемой энергии — на электрические, пнев­матические и гидравлические и по типу управления — с непосредствен­ным и дистанционным управлением.

Электросверло СЭР19-2М применяют для бурения шпуров по уг­лю и мягким породам. Электрический ток подводится к пусковому устройству (выклю­чателю) гибким кабелем, один конец которого подсоединен к штеп­сельной вилке пускателя. Сверло включается нажатием на пусковой рычаг, расположенный в правой рукоятке сверла.

Электросверла ЭР14Д-2М и ЭР18Д-2М имеют дистанционное управ­ление. В конструкции сверла ЭРП18Д-2М предусмотрен приводимый от редуктора сверла барабанчик с тросом, который обеспечивает меха­ническую подачу сверла на забой по мере углубления буримого шпу­ра.

Технические данные ручных электросверл приведены в табл. 1.1.

Пневматические ручные сверла применяют для бурения шпуров по углю и породам с коэффициентом крепости f до 3 по шкале проф. М.М. Протодьяконова в шахтах, где применение электроэнергии запре­щено Правилами безопасности. Технические данные ручных пневмосверл приведены в табл. 1.

В корпусах сверл размещены ротационный двигатель, редуктор, пусковое устройство и глушитель шума. В крышке корпуса распо­ложена масляная камера. Сверла СРЗМ и СРЗБ имеют устройство для промывки шпура, состоящее из муфты боковой промывки и специ­ального переходника.

Гидравлические сверла СГР, в отличие от пневматических, обору­дуются гидроприводом, выполненным в виде гидротурбин, и пока не получили распространения в горной промышленности, но в ряде слу­чаев могут оказаться весьма целесообразными, например, при гидро­добыче полезного ископаемого.

Таблица 1

Таблица 2

Пневматические и гидравлические сверла отличаются значительной простотой конструкции, надежностью и безопасностью в работе, а так­же возможностью плавного регулирования частоты вращения рабо­чего инструмента, что в ряде случаев делает их более выгодными, чем электрические, и обеспечивает перспективность дальнейшего разви­тия и совершенствования.

Колонковые сверла и бурильные головки предназначаются для бурения шпуров (диаметром до 50 мм) в породах средней и выше средней крепости (f до 8) и крепких углях. В связи с этим они вы­полняются более мощными, чем ручные, имеют значительно большие массу и усилие подачи, и для бурения всегда устанавливаются на спе­циальных распорных колонках или манипуляторах.

Рис. 1. Кинематическая и гидравлическая схемы колонкового сверла ЭБГП-1

В настоящее время колонковые сверла выпускаются с гидравличес­кой подачей. Кинематическая и гидравлическая схемы сверла ЭБГП-1 noказаны на рис. 1. Крутящий момент от асинхронного электродвигателя 10 с короткозамкнутым ротором, имеющего мощность 2,5 кВт, через пары шестерен 9, 4, 5 и 3 передается вращающей втулке 2 и даль­ше через шпонки - шпинделю 1. Шпиндель имеет две частоты враще­ния — 2,84 и 5,25 с'¹. Частота вращения изменяется переключением блока шестерен 6 на шестерни 5 или 7. Подача шпинделя 1 на забой на величину 900 мм производится при помощи двух гидроцилиндров 8, обеспечивающих усилие подачи до 15 кН и скорость подачи до 0,023 м/с. Гидронасос 12 приводится во вращение от электродвига­теля 10 через пару шестерен 11. Забирая масло через фильтр 16 из ре­зервуара 17, гидронасос подает его через предохранительный клапан 13 к распределительному крану 14. Перемещая рукоятку 15 крана 14 в продольном направлении, можно подавать масло в поршневую или штоковую полость гидроцилиндров 8 и изменять тем самым нап­равление осевого перемещения шпинделя 1 сверла и бурового инстру­мента.

При вращении рукоятки 15 сжимается или разжимается пружина плунжера клапана, чем регулируется осевое усилие на шпинделе. Мас­са сверла составляет 130 кг.

Машины вращательного бурения с большим ходом подачи буро­вого инструмента (2-3 м) основаны на применении бурильных го­ловок, которые являются мощными приводами для вращения буро­вого инструмента и, следовательно, могут использоваться для буре­ния только в комплекте с податчиками, устанавливаемыми на под­держивающих приспособлениях. В качестве поддерживающих прис­пособлений для тяжелых бурильных машин с податчиками наиболее часто используют манипуляторы, устанавливаемые на специальных бу­ровых тележках, погрузочных или других горных машинах. Разделе­ние приводов вращателя и податчика дает возможность обеспечить независимость их работы и получить на буровом инструменте боль­шие крутящие моменты и осевые усилия.

Электрическая вращательная бурильная головка УБШ204 (рис. 2) состоит из электродвигателя 7, мощного редуктора 7, являющего­ся корпусом головки, шпинделя 75 и муфты 14, Крутящий момент от ротора электродвигателя через две пары шестерен 19, 2 и 3, 18 пе­редается на шлицевый вал 17 с переключаемым блоком шестерен 16. Блок шестерен может соединяться с шестерней 4 и передавать кру­тящий момент на шпиндель 75 через шестерню 5 или входить в зацеп­ление с шестернями 6 или 9, обеспечивая при этом три частоты вра­щения главного вала 8. Поскольку главным валом воспринимают­ся не только большие крутящие моменты, но и большие осевые уси­лия, передняя шейка его оборудована опорным роликовым, и упор­ным шариковым подшипниками 11 и 10. В передней части редукто­ра на шпинделе 75 насажена водоподающая муфта 14, которая обо­рудована манжетными и сальниковыми уплотнениями и удержива­ется от вращения упорами 13, прижимаемыми пружинами 72. Буриль­ная головка монтируется на плите, которая перемещается по направ­ляющим податчика.

Бурильной головкой УБШ204 оснащается установка бурильная электрическая БУЭ1М конструкции ЦНИИподземмаша при бурении шпуров по породам с коэффициентом крепости f=4…8. Бурильная головка снабжена асинхронным электродвигателем мощностью 7,5 кВт и обеспечивает три частоты вращения шпинделя 2,92; 6,73 и 12,6 c^-1. В зависимости от крепости буримых пород производится переклю­чение частоты вращения шпинделя.

Податчик состоит из направляющей балки, выполненной из двух швеллеров, на которой закреплен реечно-цепной механизм подачи с приводом от двух гидроцилиндров. Максимальная скорость подачи 0,13 м/с, усилие подачи до 17 кН, ход подачи 3000 мм. Бурильная го­ловка с податчиком установлена на манипуляторе, размещенном на самоходном шасси, передвигающемся по рельсовому пути. Установ­ка БУЭ1М предназначена для бурения шпуров при проведении гори­зонтальных подготовительных выработок сечением от 6 до 10 м².

Бурильные установки БУА-ЗС и БУА-ЗС-02, на гусеничном ходу, предназначены для бурения шпуров в забоях горизонтальных и нак­лонных до + 10° выработок.

Установка БУА-ЗС имеет односкоростную электрическую буриль­ную головку с частотой вращения шпинделя 20 с^-1 и предназначена для работы в камерах и очистных забоях сланцевых шахт при высоте вы­работок 1,7-2,8 м и коэффициенте крепости сланца f= 2-4.

Установка БУА-ЗС-02 оснащена двухскоростной бурильной голов­кой с частотой вращения шпинделя 5,3 и 11,6 с^-1 и предназначена для проведения подготовительных выработок сечением 8…18 м² в свету по породам с коэффициентом крепости до 8 по шкале проф. М.М. Протодьяконова.

Мощность двигателя вращателей и принципиальная конструкция податчика бурильных головок установок БУА-ЗС и БУА-02 такие же, как и установки БУЭ1М. Максимальные усилия подачи 9,8 кН, ско­рость подачи вращателя 0,25 м/с.

Рабочий инструмент ручных и колонковых сверл (рис. 3, а) сос­тоит из витых 1 или сплошных буровых штанг и резцов 5. У буровой штанги различают тело буровой шганги 2 и головку 3 с отверстием для крепления резца 5 с помощью крепежного штифта 4.

Рис. 3. Буровой инструмент ручных и колонковых сверл

Штанги изготовляют из углеродистой стали марок У7А, У8, а также из конструкционной стали 35ХГСА круглого, ромбического и прямо­угольного сечений с навивкой на них спирального выступа или свив­кой буровой стали в виде спирали, для выноса из шпура буровой ме­лочи.

Съемные резцы (рис. 3, б, в, г) состоят из корпуса 7, хвостови­ка 7 для крепления резца в штанге, и перьев 2, заканчивающихся ре­жущими лезвиями. Буровые резцы двух основных типов РУ (см. рис. 3, в) и РП (см. рис. 3, б, г) соответственно для бурения по углю и породе изготовляют из стали У7 и армируют пластинками 8 (см. рис. 13, г) из твердого сплава ВК-6, ВК-8 или ВК-8В.

Различают переднюю грань резца 3, образующую с основной плос­костью передний угол резца Θ и заднюю грань 6, образующую с услов­ной плоскостью резания (перпендикулярной к основной плоскости) главный задний угол резца γ. Передний угол Θможет изменяться в пределах ±15°, обычно принимают равным 0°, Задний угол резца, предотвращающий трение задней гранью о плоскость забоя, в резцах ти­пов РУ и РП принят равным соответственно 25 и 18°. Пересечение пе­редней я задней граней резца образует режущую кромку, характери­зуемую углом заострения или заточки резца δ. Режущие кромки пе­ра резца подразделяют на главные режущие кромки 4, образующие внешний или концевой угол резца φ и кромки рассечки 5, образую­щие угол рассечки ψ. Угол рассечки обычно принимают равным 90±6°, а концевой угол — 140±4°. Для уменьшения трения о стенки шпура резцу придается угол конусности ω, равный 2-3°. Диаметр наиболее распространенных РУ и РП соответственно равен 43, 45 и 41 мм.

Для бурения шпуров электрическими вращательными бурильны­ми головками в бурильных установках БУЭ1М и БУА-ЗС-02 применя­ют круглые буровые штанги с наружным диаметром 32 мм и каналом для промывки шпура диаметром 9 мм с резцами БИ-741 или РП-42.

Специальные требования техники безопасности. К таким требо­ваниям для машин вращательного бурения, применяемых в шахтах, опасных по газу и пыли, относятся необходимость специального по­крытия элементов бурильных машин сплавами, не дающими искре­ния при соударении и фрикционном трении.

Рукоятки ручных электросверл и кожух вентилятора, а также все части, с которыми контактирует рабочий в процессе бурения, должны быть защищены надежным изоляционным покрытием, целостность которого должна проверяться перед спуском в шахту и началом ра­боты. Все токоведущие части бурильных машин должны быть надеж­но заземлены, а работа ручными электросверлами разрешается толь­ко в защитных резиновых перчатках. Все движущиеся элементы бурильных машин (шпиндели, цепи по датчиков и др.) должны иметь на­дежную защиту для предотвращения травмирования рабочего. Разре­шается пользоваться только полностью исправными бурильными ма­шинами и инструментом и только убедившись в безопасности рабо­чего места. Не допускаются работа тупыми резцами и поддержание вращающейся штанги руками.

Осмотр, проверку, мелкий ремонт или наладку бурильной маши­ны и инструмента разрешается производить только после отключения их от сети и полной остановки двигателя.