ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОГРУЖНОГО ПНЕВМОУДАРНИКА В САПР

АННОТАЦИЯ

В статье представлен комплексный анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) погружного пневмоударника и бурового долота с применением средств автоматизированного проектирования (САПР). Рассмотрены этапы моделирования, проведена оценка распределения напряжений и деформаций в основных элементах ударного механизма и бурового инструмента. Особое внимание уделено сравнительному анализу исходных и модернизированных конструкций, а также влиянию конструктивных изменений на долговечность и энергоэффективность работы оборудования. Полученные результаты позволяют обосновать оптимальные параметры конструкции и повысить эксплуатационную надежность пневмоударников.

ABSTRACT

The article presents a comprehensive analysis of the stress-strain state (VAT) of a submersible pneumatic hammer and a drill bit using computer-aided design (CAD) tools. The modeling stages are considered, and the stress and strain distribution in the main elements of the impact mechanism and drilling tool is estimated. Special attention is paid to the comparative analysis of the original and upgraded structures, as well as the impact of structural changes on the durability and energy efficiency of the equipment. The results obtained make it possible to substantiate the optimal design parameters and increase the operational reliability of pneumatic hammers.

Ключевые слова: пневмоударник, напряженно-деформированное состояние, САПР, моделирование, буровое долото, прочность, SolidWorks Simulation.

Keywords: pneumatic hammer, stress-strain state, CAD, modeling, drill bit, strength, SolidWorks Simulation.

Введение

Современные требования эффективности буровых работ предъявляют высокие стандарты к надежности и долговечности погружных пневмоударников. Одним из ключевых этапов проектирования и совершенствования таких машин является исследование их напряженно-деформированного состояния с помощью средств автоматизированного проектирования. Применение САПР позволяет выявить критические зоны, оптимизировать геометрию деталей и повысить ресурс работы оборудования. В данной работе на основе материалов экспериментальных и расчетных исследований рассмотрены вопросы оценки НДС ударника и бурового долота, а также влияние конструктивных изменений на показатели прочности и долговечности.

Методика численного моделирования

Исследование НДС погружного пневмоударника и бурового долота выполнено с использованием программного комплекса SolidWorks Simulation. В качестве исходных объектов моделирования выбраны:

• ударник погружного пневмоударника П-235;
• буровой инструмент КШ-550.

Рисунок 1. Пневмоударник погружной П-235

Моделирование включает следующие этапы:

1. Построение 3D-модели с учетом реальных геометрических параметров и материалов.
2. Задание граничных условий — имитация ударной нагрузки, закрепление опорных зон, моделирование контактов.
3. Проведение статического анализа — расчет распределения эквивалентных напряжений, деформаций, определение коэффициента запаса прочности.
4. Проведение анализа на усталостную прочность — оценка ресурса при циклическом нагружении.
5. Сравнительный анализ исходных и модернизированных конструкций.

Результаты моделирования ударника

Исходная конструкция. Расчетная модель ударника П-235 позволила выявить следующие особенности НДС:

• Максимальные напряжения локализуются в зонах концентраторов — отверстиях для продувки, переходах сечений, ударном торце.

• Критическое напряжение составило 737 МПа при пределе текучести материала 835 МПа, что соответствует коэффициенту запаса прочности 1,1.

• Основные деформации сосредоточены в местах резких переходов сечений и на ударном торце.

Такая конфигурация ограничивает возможность повышения давления сжатого воздуха и, соответственно, энергоэффективность работы.

Модернизированная конструкция. В новой модели ударника реализованы следующие изменения:

• Увеличен диаметр проходного сечения и отверстий для подачи воздуха.
• Оптимизирована форма боковой образующей — использована полукатеноидальная поверхность.
• Изменён угол наклона отверстий, что позволило снизить локальные напряжения.

Результаты моделирования показали:

• Максимальные напряжения снизились до 560 МПа при давлении 0,5 МПа и до 736,9 МПа при 0,7 МПа. (рис. 1)
• Коэффициент запаса прочности вырос до 1,49 при рабочем давлении 0,5 МПа.
• Повысилась общая кинетическая энергия удара, увеличилась частота ударов и мощность механизма.

Рисунок 1. Испытание оптимизированного бойка на ударную нагрузку

слева – давлением 0,5 МПа; справа – давлением 0,7 МПа

Анализ напряженно-деформированного состояния бурового долота

Исходная конструкция. Исследование бурового инструмента КШ-550 выявило следующие особенности:

1. Наибольшие напряжения наблюдаются в хвостовике, в зонах контакта с ударником, а также в местах установки твердосплавных вставок.
2. Критические зоны формируются в местах сопряжения державки и коронки, а также в пазах для продувочных каналов.
3. Запас прочности исходной конструкции составлял 1,06, что ограничивает срок службы при интенсивных циклических нагрузках.

Модернизированная конструкция

В новой конструкции бурового инструмента реализованы:

1. Объединение опережающей и хвостовой частей в единую деталь, что повысило общую прочность.
2. Оптимизация схемы расположения инденторов — увеличение их количества в центральной зоне, равномерное распределение по окружности.
3. Увеличение размеров продувочных каналов и изменение угла их расположения.

Результаты анализа показали:

1. Максимальные напряжения снизились до 682 МПа, запас прочности вырос до 1,39. (рис. 2)
2. Деформации корпуса уменьшились в 2 раза.
3. Срок службы по усталостной прочности увеличился, особенно в центральной зоне и хвостовике.

Рисунок 2. Анализ напряжений при статическом нагружении

а) Исходный ударный узел; б) Модернизированный ударный узел

Обсуждение результатов

Комплексное моделирование в САПР позволило выявить критические зоны и определить направления для совершенствования конструкции как ударника, так и бурового инструмента. Основные резервы повышения долговечности и энергоэффективности заключаются в:

• оптимизации формы боковой поверхности ударника;
• увеличении диаметра проходных каналов;
• рациональном распределении инденторов на торце бурового инструмента;
• снижении концентрации напряжений в местах сопряжения деталей.

Реализация указанных изменений обеспечивает не только повышение прочности и ресурса оборудования, но и позволяет увеличить рабочее давление, частоту и энергию удара, что ведет к росту производительности буровых работ.

Заключение

Проведенное исследование напряженно-деформированного состояния погружного пневмоударника и бурового долота с использованием САПР показало высокую эффективность численного моделирования для оптимизации конструкции. Модернизация ключевых элементов позволила повысить запас прочности, снизить максимальные напряжения и увеличить срок службы оборудования. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании новых моделей пневмоударников и буровых инструментов для горнодобывающей промышленности.

Список литературы:

1. Алямовский А.А. SOLIDWORKS Simulation и FloEFD. Практика, методология, идеология. — Москва, 2020. — 658 с.
2. Блохин В.С. Повышение эффективности бурового инструмента. — Киев: Техника, 1982. — 160 с.
3. Жуков И.А., Дворников Л.Т. Теоретические обоснования форм ударяющих тел для машин ударного действия // Наука и молодежь: труды региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / СибГИУ. — Новокузнецк, 2000. — С. 212.
4. Суднишников Б.В., Есин Н.Н., Тупицын К.К. Исследование и конструирование пневматических машин ударного действия. — Новосибирск: Наука, 1985. — 134 с.
5. Дворников Л.Т., Зайцев В.И., Гопен А.М. Расчет величин максимального напряжения в буровой штанге и коронке при воздействии ударного импульса // Совершенствование технологии сооружения горных выработок: сб. науч. трудов. — Кемерово: Кузбас. политех. ин-т, 1984. — 137 с.
6. Карпов В.Н. Разработка методики оценки энергоэффективности бурения скважин погружными пневмоударниками: дис. канд. техн. наук. — М., 2019. — 174 с.
7. Алимов О.Д., Дворников Л.Т. Бурильные машины. — М.: Машиностроение, 1976. — 295 с.