Амортизатор для бурового станка

 

ИЗОБРЕТЕНИЯ

ОП ИГРАНИ

Союз Советскмх

Социалистических

Республик (ii)781315

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 281278 (21) 2704094/22-03 с присоединением заявки NP (23) ПриоритетОпубликовано 2311,80. Бюллетень М 43

Дата опубликоваимя описания 231 1.80 (5ЦМ. Кл

Е 21 В 17/06 Г 16 Р 15/00

Государственный «омнтет

ССС Р но делам изобретений и открмтнй (53) УДК622 24 05 (088.8) (72) Авторы изобретения

A.Ä.Æèäêoâ, И.A.Êàëüÿí и Н.Т.Корсаков

1 (71) заявитель (54) АМОРТИЗАТОР ДЛЯ БУРОВОГО СТАНКА

Изобретение относится к горной промышленности и в частности к предохранительным устройствам буровых станков вращательного бурения, преимущественно взрывных скважин, а так

° же может быть использовано в горном машиностроении, например в дробилках.

Известен амортизатор, включающий шток, нажимную втулку, закрепленную на нем, упругий элемент, состоящий из,однотипных тарельчатйх пружин, разрезную центрирукхдую втулку и опорную траверсу (1).

Основньхк недостатком этих амортизаторов является их высокая относительная жесткость.

Известен также амортизатор для бурового станка, включакхций шток с закрепленной на нем нажимной втулкой, упругий элемент, выполненный из секций тарельчатых пружин, разрезную центрирукщую втулку и опорную траверсу (2) .

Однако показатели жесткости и долговечности этого амортизатора недостаточно удовлетворительны, поскольку относительно высокая жесткость амор тизатора позволяет снижать уровень вибрации в среднем лишь в 1,5 раза, а тарельчатые пружины часто выходят иэ строя из-за больших относительных деформаций.

Цель изобретения — снижение жесткости амортизатора и повышение срока его службы, Указанная цель достигается тем, тп что пружины,. образующие секции амор,тизатора, имеют размеры, связанные соотношением ,Озй:-(а1г/0,45-0,55/:/0,012-0,025/, где 0 — наружный диаметр пружин, мм;

15 Й t диаметр внутреннего отверстия пружины, мм;

К= - относительная конусность

I пружины;

Я вЂ” толщина пружины, мм;

Д вЂ” Bblc0TcL конусности пружины ммтт йричем К = 1,3-1,6.

Кроме того, может быть принято, что в .каждой секции количество пру2«жин с К 1,3-1,4 больше или равно количеству пружин с К 1,4-1,6.

Иа ф иг. 1 пок аз ан общий . в ид амо ртиэатора, разрез; на фиг. 2 — пружины, общий вид; на фиг.3 - зависимости, сила деформации, для различных зна781315

Велйчийа мертвого хода пружин и положение точки нулевой жесткости при изменении К в относительных единицах представлены в таблице.. чений отношения высоты конусности 8, к толщин е пружин S; í à Ф иг . 4 — к ривая изменения выносливости пружин амортизатора от напряжения в материале пружину на фиг.5 — кривые, поясняющие характер изменения напряжений

1„; . и t в пружинах, в области геометрйческих параметров пружин, для наиболее нагруженных кромок I, П, Щ (фиг.2) .

Амортизатор имеет шток 1, Нажимную втулку 2, закрепленную на штоке !О гайкой 3. Упругий элемент 4, разме-. щенный на штоке 1 и взаимодействующйй своими торцами с нажимной втулкой 2 и опорной траэерсой 5. ПружиньР

: центрируются между-собой центрирующим устройством б, выполненным, наприМер, в виде втулки. Упругйй эле " мент амортизатора выполнен из секций 7, которые выполнены из тарельчатых пружин 8, геометрические размеры которых связаны (фиг.3) соотношениями plé:4Ь -1/0,45-0,55/:/0,0120,025/, где D — - наружный диаметр пружин, мм;

d - диаметр внутреннего отверстия 2 пружин, мм;

К= - --относительная конусность

$ пружины; д - высота конусности пружины, мму

8 - -толщина пружин, мм; 30 причем K= 1,3-1,6.

Пружины В, составляющие секцию 7, "выполнены с относительной конусностью причем может быть принято то, что количество пружин с К=1,3"1,4 больше или равно количеству пружин с K= 1,4-1,6. Например, из четырех пружин, составляющих секцию, две.пружины, имеющие К=1,3-1,4, могут быть выполнены одна с К= 1,3, другая — с

К= 1,4; две другие пружины секции, 40 имеющие K=1,4-1,6, могут быть выполнены одна с К=1,5, друг ая с К-"1, б, На фиг.3 пунктирной линией показа на" характернстика силы деформации для секции пружин с пРедложенными отноше- 4> ниями размеров. Сплошными линиями на

Фиг.3 показана характеристика пружин .

"с различной относительной конусностьюот К= 0,1 до K"- -1,7. По осям координат на Фиг. отложены относительная деформация, где d - текущее значение прогибУ пружин; относительная нагрузка — -, где Р - текущее значение нагрузКи при прогибе Ю, Ру - нагрузка

pÕ при прогйбе д,, 55

Амортизатор работает следующим образом.

При нагружении амортизатора осевым усилием секции амортизатора сжимаются до расчетной величины, располагаемой слева вблизи точки нуле- gp вой жесткости. Долото в процессе вращения, перемещаясь по выступам и впадинам забоя, начинает совершать колебания,,поднимая и опуская опорную траверсу на некоторую амплитуду, при этом амплитуда силы, передаваемая на станок, будет равна амплитуде перемещения на жесткость рабочего участка амортизатора. Таким образом, чем меньше жесткость рабочего участка амортизатора, тем меньше амплитуда силы возбуждающая колебания станка.

Как видно иэ фиг,3, при малых значениях относительной конусности пружины (К О, 1-1, 2) сила деформации является близкой к линейной, при этом жесткость пружин приблизительно постоянна при любых значениях относительной деформации. При К 1,3 характеристика стайовится существенно нелинейной. При К=1,41 при относительной деформации, равной единице, производная функции сила деформации становится равной нулю, что соответствует зйачению текущей жесткости равной нулю. При К>1,41 точка нулевой жест- . кости образуется при относительной деформации меньше единицы (эти точки на фиг.3 обозначены буквами а, б," в ), при этом справа от этих точек находятся ветви с отрицательным значением жесткости, что соответствует быстрому захлопыванию пружин при постоянстве нагрузки до полного сплкщивания. т.е. вправо оТ. точек "а", "б", "в" происходит опро,кидывание пружин.

1 Таким образом, если поместить рабочую нагрузку на секцию амортизато- ра справа вблизи точки нулевой жесткости, можно получить амортизатор с минимальным значением рабочей жесткости, Ф

Однако такая работа амортизатора будет недостаточно надежна, вследствии возможности опрбкидывания пружин при перегрузках.

Повышение надежности работы амортизатора при частых перегрузках с секция ми,выполненными иэ пружин,с соотношениями,указанными в п.l формулы затруднительно. Этому препятствует ряд причин. Во-первых, если выполнить секцию из пружин с К= 1,4, у амортизатора не будет упругого хода, поскольку точка нулевой жесткости соответствует относительной деформации, равной единице. При перегрузках (К>1,4) секции будут опрокидываться до полного смятия пружин ° При обратном ходе пружины будут сжаты, пока относительная нагрузка не уменьшится до единицы.

Обозначим для удобства относительную деформацию через Х, то есть

0 : (P зс Ъ.

781315

1,5

К: 1,4

1,7

1,6

Х

Х2 х ьх

0,7

0,56

0,45

0,86

0,3

Х„- нижнее значение мертвого хода;

Х вЂ” верхнее значение мертвого хо- 10

2 да;

Х вЂ” положение точки нулевой

Э жесткости;

hX — эона мертвого обратного хо, да. 15

Как видно из таблицы, точка нулевой жесткости находится внутри зоны

:мертвого хода пружин, т.е. Увеличения

К не обеспечивает возможности работы амортизатора непосредственно вблизи 2О этой точки при перегрузках.

Однако, если выполнить секцию из пружин, половина которых имеет)(*1,6, а другая половина К= 1,3, суммарная характеристика такой секции будет .иметь нулевую жесткость на неко- 25 торой площадке относительных деформаций (на фиг.3 площадка находится внутри заштрихованной эоны), что обеспечит наличие хода амортизатора при его работе вблизи нулевой зо- 3Q ны жесткости беэ опрокидывания и за:пирания пружин.

Из таблицы видно, что увеличения

К с 1,6 до-1,7 не приводит к заметно-. му смещению точки нулевой жестко- 35 сти в сторону меньших относительных деформаций. Вместе с тем увеличения K сопровождается ростом внутренних напряжений в материале пружин (фиг.5) .Так увеличение К с 1,6 (кривая 2) до 1,7 (кривая 1) приводит к увеличению нап:ряжений на 10%.

Таким образом наиболее приемлемым является диапазон изменения отношений высоты конусности,d - к толщине пружин -S равный 1,3-1,6. 45

В рамках укаэанного интервала можно получить" нулевую" жесткость (ее дают например следущие соотношения K„

4,3; K "1,4, K 1,5; K+.-1,.6 или K„=l,3, K = 1 6, а в случае, если необходимо Я ..получить не нулевую жесткость, а малую, но не равную нулю, число пружин с К&1,4 следует увеличить.

Существенным препятствием для осуществления данного технического реше- 55 ния является значительное возрастание внутренних напряжений с увеличением " относительной конусности пружин при увеличении относительных деформаций, что влечет за собой поломку пружин.

Однако получить малую жесткость в рабочей зоне амортизатора (при K =1,31,6 и Х= 0,5-1) возможно при выполнении пружин с предлагаемыми геометрическими соотношениями, а именно

D:d: — = 1:/0,45-0,55/:/0,012-0,025/.

0,71 0,69

0,44 0,55

Изменения напряжений при У =д для области геометрических параметров пружин в безразмерной форме представлены на фиг.5. Характер изменения напряжений дает кривая выносливости, полученная опытным путем и показанная на фиг.4.

Как видно из фиг.5, напряжение 61 (кривые 1.1,1.3) больше чем6; б (кривые 2.1,2.2; 3.1,3.2) при прочих равных условиях; поэтому при выборе параметров пружин с,)1 необходимо принимать во вниманиеб„.Данное напряжение имеет минимум в интервале отношений

D:d, равных 1:/0,45-0,55/, при 0=1 (на графике для удобства отложена шкала отношений при d=l, т.е. шкала ° обратных отношений). Граница этой области обозначена заштрихованной зоной и обозначена на кривой 1.1 точ:ками а и б . Выход за границы области приводит к росту значений напряжений, например, если расширить границы области до точек а и б . напряжения возрастут на 5-10%, что приведет к снижению долговечности амортизатора.

Как видно из фиг. 4, максимально допустимым отношением D:S, с учетом фиг.5, является отношение 1:0,025, (точка 1 фиг.4):Иинимальным отношением является D:S=l:0,012 (точка 3) . Дальнейшее снижение отношения не целесообразно, поскольку кривая вЫносливо-. сти справа от точки 3 выполаживается и дальнейшее снижение отношения не приводит к увеличению долговечности амортизатора.

Вместе с тем грузоподъемность пружин, как известно, зависит от четвертой степени толщины и снижение толщины пружин приведет к потере грузоподъемности. Таким образом отношение

1:0,012 является оптимальным.

Изменение отношения сверх 1:0,025 нерационально, поскольку меньшее значение приводит к резкому снижению} долговечности амортизатора и к поломке пружин при их перегрузке. Наиболее рациональным является диапазон отношений D: Б=l(0,,018 -0,012), что обеспечивает И=(2-6) 10

Переход от кривой выносливости к отношению D:S осуществляется следующим образом. По кривой выносливости определяется6 (показано стрелкой на фиг.4) по верхнему значению К = пан

=1 б (кривая 1 ° 2 фиг.5) определяется коэф781 315 фициентМ,; затем вычисляется коэффициент 9 . (4

Y ——

3 (По значению М йаходится отис ение ф, - а в выражение входит величина

ФЕ где Ь - -характеристика упругих свойств материала пружину 10

Š— модуль упругости первого рода

P.- коэффициент Пуассона.

Таким образом, в связи с тем, что жест%ость "амортизатора мала, амплиту да"силй, передаваемая на станок, также будет, мала.

Исйбльзование амортизатора обеспечит повышение эффективности бурения за счет снйжения уровня вибраций бу.рового станка и стабилизации нагрузки на породообраэуяций инструмент в 29 низкочастотной части спектра колебаний„ достигаемых за счет малой рабочей жесткбсти амортизатора, с одно временным увеличением ресурса его ра- боты. 25

Формула изобретения

1. Амортизатор для бурового станка, включающий шток с закрепленной на нем нажимной втулкой и упругий элемент, выполненный из секций тарельчатых пружин, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что; с целью снижения жесткости амортизатора и повышения срока его службы, пружины, образующие секции амортизатора, имеют размеры, связанные соотношением

D:d: ф=l:/0,45-0,5У:/0,012-0,O25/, где D - наружный диаметр пружин, мм

d - диаметр внутреннего отверстия пружин, мм;

К= — относительная конусность пружии1

В - толщина пружин, мм;

У .- высота конусности пружин, мм; е причем К = 1,3-1,6.

2. Амортизатор для бурового станкапопl,отличающийся тем, что в каждой секции количество пружин с К =1,3-1,4 больше или равно количеству пружйн с К =1,4-1,6.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. АвтоРское свидетельство СССР

9 417602, кл. Е 21 В 17/06, 1971.

2. Информационный листок Р 1.04, серия 07-06, М., НИИТЭХИИ, 1974 (прототип) .

7813I5

В . Ъ»

>>=q gg

Составитель В. Родина

Редактор М.Габуда Техред М.Петко Корректор М.Демчик

ЮЮЮ Ю»В

Закаа 8084/27 . Тирам 626 Подаис ное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретения и открытия

ll3035, Mocxsa, F-35,Рауыская наб., д.4/5

Филиал ППП Патент, r.Óìãîðîä, ул.Проектная, 4