Определение сопротивлений воздухораспределительного устройства, подводящих и выхлопных каналов при движении сжатого воздуха в ударном механизме бурильных головок

При расчете эксплуатационных параметров ударных механизмов необходимо предварительно определить приведенные коэффициенты скоростных сопротивлений при движении сжатого воздуха в данном устройстве. Так как конструкция каналов обычно отличается при рабочем и обратном ходе поршня- ударника, следует рассчитывать эти коэффициенты соответственно при каждом направлении движения поршня.

При движении поршня принимается турбулентный режим потока воздуха (число Рейнольдса составляет порядка R_e @ 4×10³), поэтому можно считать коэффициент местных сопротивлений практически не зависящий от R_e. Для каждого типа воздухораспределения расчетные формулы (при рабочем и обратном ходе поршня) заимствуются из курса гидравлики [3].

Расчет коэффициентов сопротивления движению воздуха в воздухораспределительном устройстве ударного механизма

Наиболее распространенными конструкциями воздухораспределительных устройств выносных и погружных бурильных головок являются клапанные устройства (особенно с клапаном, перемещающимся поступательно):

- с мотыльковым поворотным клапаном (например, перфораторы типа ПК-60, ПК-75 (рис.2), пневмоударники типа М29Т);

- с клапаном, перемещающимся поступательно (пневмоударники типа М-1900 (рис.3); ПП105-2,4 (М48) (рис.4); бурильные головки типа 1100-1-м (рис. 5);

- с бесклапанным воздухораспределением – распределение воздуха осуществляется самим поршнем - ударником (пневмоударники, например, П-105К и др.).

В каждом вышеперечисленном случае необходимо при расчетах учитывать особенности конструкции ударных механизмов.

 

Рис.1.Бурильная головка - перфоратор типа ПК-75 c клапанным воздухораспределением и независимым вращением бурового инструмента

1-поршень-ударник; 2-цилиндр ударного механизма,

3-корпус вращателя, 4-ротор вращательного механизма

 

 

Рис.2 Расчетная схема ударного механизма бурильной головки типа ПК-75

с мотыльковым клапаном

(положение поршня изображено в момент удара – начало первого расчетного периода)

 

 

 

 

Предварительно по рабочим чертежам бурильной головки вычерчивается схема ударного механизма в момент удара поршня по хвостовику (долоту) – начало обратного хода поршня и в момент начала рабочего хода. Далее по предлагаемой методике рассчитываются сопротивления воздухораспределительного устройства.

При работе ударного механизма клапан перемещается относительно оси цилиндра, открывая и закрывая соответствующие каналы подачи воздуха к поршню- ударнику (рис.6).

При обратном ходе поршня-ударника положение клапана обычно соответствует схеме на рис.6-б, однако необходимо учитывать, что существуют ударные механизмы, у которых обратный ход поршня происходит при положении клапана на рис.6-а.

Коэффициент местных сопротивлений клапана определяется в соответствии с конструктивной схемой воздухораспределительного устройства (рис.6-б) с учетом движения потока воздуха по каналам (коленам) с острыми краями на повороте [3, с.287], или со скругленными кромками [3, с.545,570], или как сложное перетекание потока из одного объема в другой через различные лабиринты [3, с.464].

где и - коэффициенты сопротивлений движению воздуха при обратном движении поршня – ударника [1,2,5];

;

;

,

где - ширина опорной поверхности клапана, перекрывающая доступ воздуха в ударный механизм при обратном ходе поршня, м, (рис.6);

- диаметр канала для подвода воздуха при обратном ходе поршня, м;

- величина хода клапана, м.

Рис. 6. Схема работы клапана:

а– рабочий ход поршня

б – холостой ход поршня

 

При рабочем ходе поршня коэффициент местных сопротивлений по схеме (рис.6– а) определяется (1;2;5;3, с.459):

где -коэффициент сопротивлений движению воздуха при рабочем ходе поршня- ударника:

,

где -- диаметр подводящего канала при рабочем ходе поршня - ударника, м;

В частности, для перфораторов типа ПК-60 и ПК-75 величина проходного сечения подводящего канала в седле клапана может быть определена по конструкции воздухораспределительного устройства и рассчитывается следующим образом (рис.2, вид А)

где - внешний и внутренний радиусы подводящего канала, мм;

-центральный угол подводящего канала, град.