XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Ультразвуковой бур с пьезоэлектрическим излучателем
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность: Осложнённые горно-геологические условия и увеличение объёмов бурения для геологоразведочных работ и дальнейшего освоения открытых месторождений ведут к изысканию инновационных, высокопроизводительных и безопасных способов бурения.
Объект исследования: Ультразвуковое бурение.
Предмет исследования: Ультразвуковой бур с пьезопреобразователем.
Цель: Проект принципиальной схемы ультразвукового бура с пьезопреобразователем.
Задачи:
Изучить инновационные способы бурения в России и их недостатки;
2. Рассмотреть возможность применения пьезоэлектрического преобразователя для получения ультразвука в бурении;
3. Спроектировать схему УЗ бура с применением пьезоэлектрического излучателя.
Методы: информационный;теоретическое исследование;практическое исследование;сравнительный анализ;расчётный.
В настоящее время возникает много сложностей при освоении открытых месторождений:
-выход негабарита при вскрышных работах;
-аварии с рабочим инструментом;
-сложные климатические условия;
-неспособность бурения по-горизонтали;
-и т.д.
Поэтому непрерывно усиливается поиск и исследование новых способов разрушения твёрдых тел, основанных на современных передовых достижениях науки и техники. На сегодняшний день уже известны и опробованы некоторые инновационные способы бурения, такие как, плазменный, огневой,гидравлический и ультразвуковой способы бурения. В своей научной статье я буду рассматривать ультразвуковой способ бурения.
Раздел 1. Пьезоэффект и ультразвук
Пьезоэффект – это явление возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует два типа пьезоффекта (рис.1): прямой и обратный. При прямом пьезоэффекте деформация пьезоэлектрического образца приводит к возникновению электрического напряжения между поверхностями деформируемого твёрдого тела. Существует и обратный пьезоэлектрический
эффект – возникновение механических деформаций поддействиемэлектрического поля. При обратном пьезоэффекте приложение напряжения к телу вызывает его механическую деформацию, в следствие чего возникает ультразвук [1].
Указанными свойствами обладают естественные монокристаллические вещества (кварц, сегнетова соль, турмалин и т.д.) и искусственные поликристаллические твёрдые растворы, структура которых упорядочена предварительной поляризацией в электрическом поле(пьезокерамики – титанат и цирконат свинца, бария и т.д.) [2].
Рис. 1. Прямой и обратный пьезоэффекты.
Именно из-за способности генерации ультразвука я использую пьезоэфффект.
Пьезоэлектрические конструкции, которые вырабатывают ультразвук,называются ультразвуковыми пьезопреобразователями. Однако, существует ещё один электромеханический источник ультразвука высокой интенсивности -магнитострикционный. Но, если сравнивать магнитострикционный ипьезоэлектрический, то пьезоэлектрический эффективнее (рис.2) [3].
Рис. 2. Сравнение источников УЗ.
Конструкции ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей
Пьезоэлектрические преобразователи нашли широкое применение в различных областях, начиная от зажигалок и заканчивая медицинскими исследованиями. В низкочастотном ультразвуковом диапазоне используют преобразователи следующей конструкции (рис. 3).
Рис. 3. Конструкция ультразвукового преобразователя.
Активный элемент ультразвукового преобразователя состоит из двух пьезокерамических пакетов, между которыми находится металлический цилиндр. Все элементы прибора фиксируются и сжимаются под определенным усилием с помощью стального болта, который вызывает начальную поляризацию пьезокерамических пакетов. Амплитуда колебаний такого преобразователя зависит от количества пьезокерамик, от характеристикиспользуемыхматериалов. Максимальные колебания кончика излучателя такого преобразователя могут достигать десяти микрон на резонансной частоте. Пьезокерамический преобразовательстандартной конструкции (с цилиндрическим излучателем) совершает колебания маленькой амплитуды. Общей практикой для усиления механических колебаний является использование конусной формы излучателя и излучателей с экспоненциальной формой. В области высоких ультразвуковых мощностей длину излучателя делают равной половине волны резонансных колебаний [4].
Раздел 2. Бурение
Условия бурения на севере
Якутия - единственный регион, территория которого полостью находится в зоне вечномерзлотных грунтов, то есть в криолитозоне. Толщина мёрзлого слоя в верховьях реки Вилюй достигает 1500м. При бурении в зоне вечной мерзлоты может произойти очень нежелательный процесс - оттайка. Это осложняетбуровые работы в Якутии [5].
Климат резко континентальный, отличается продолжительным зимним и коротким летним периодами. Алдан отличается ранним выпадение снега и поздним его таянием. Снег выпадает в сентябре, а окончательно тает в конце мая. И может даже выпасть в середине лета.Толщина снежного покрова больше, чем по всей территории Якутии, что также усложняет условия бурения.
Состав грунтов Якутии разнообразен. В районеАлданского нагорья выходит на поверхность Алданский щит, состоящий изгранита. Остальные участки представлены глинистыми почвами с большимсодержанием доломита.Средний коэффициент крепости грунтовых пород по шкале Протодьяконова k ≈ 16 (см. Приложение 1).
Преимущества ультразвукового бурения
Рис. 4. Преимущества УЗ-бура.
Более лёгкое бурение шпура. Ультразвуковое бурение вызывает минимальные разрушения в стенках шпура, благодаря чему облегчается освоение шпура и повышается производительность работ.
Универсальность. Ультразвуковое бурение можно использовать для отбора кернов, геологоразведки, удаление негабаритов, бурение для взрывных работ, а также бурение для осушения, фундаментов, водяных скважин.
Производительность. Скорость бурения в 2 раза превышает скорость бурения при традиционных методах взятия кернов из вскрышных пород.
Превосходное получение информации. Ультразвуковое бурение позволяет получить равномерный, практически неповреждённый керн из любого пласта с непревзойдённым качеством и точностью. Благодаря тому, что погрешностьпри бурении составляет менее 1%, буровая бригада точно знает, с какой глубины был взят керн.
Разрушение негабаритов. При проведении вскрышных работ в Алданском районе образуются большие гранитные глыбы, которые не помещаются в кузов транспорта. Их необходимо подвергать разрушению для дальнейшего освоения полезных ископаемых.
Снижение риска и нагрева. Ультразвуковое бурение значительно снижает риски срыва проекта в связи с неизвестными или сложными подповерхностными условиями. Также ультразвуковой бур практически не нагревается, что очень важно в условиях криолитозоны.
Раздел 3. Проектирование УЗ бура
Предлагаемый ультразвуковой бур содержит:
1) Узел вращения(рис.5);
2) Ультразвуковую колебательную систему (рис.6 УЗКС);
3) Узел вибрационной развязки(рис.7);
4) Узел создания вибраций(рис.8);
5) Рабочий инструмент(рис.9).
Включение всех этих узлов в предлагаемое устройство позволит оказать комплексное воздействие при бурении, такое как: ультразвуковое, ударное и вращательное воздействия.
Узел вращения
Рис. 5. Узел вращения.
Узел вращения периодически проворачивает всю конструкцию. Узел вращения в дополнении к УЗ воздействию и низкочастотным вибрациям устройства ультразвукового бурения обеспечивает периодический проворот всей конструкции устройства, что, при наличии специальной (зубчатой) рабочей кромки ультразвукового инструмента, обеспечивает дополнительный прирост производительности процесса бурения (см. Приложение 2) [6].
Ультразвуковая колебательная система
Рис. 6. УЗКС.
Ультразвуковая колебательная система (УЗКС) предназначена для преобразования электрической энергии в акустическую и передачи её ультразвуковому инструменту. Частота от 20 до 24 кГц. УЗКСтехнологического назначения состоит из пьезоэлектрических элементов, отражающей накладки, концентратора, рабочего инструмента с излучающей
поверхностью (см. Приложение 3).
Важнейшей характеристикой колебательной системы является резонансная частота, так как при работе на резонансной частоте достигаются наибольшие значения колебательныхсмещений искоростей, определяющих эффективность процесса. Рабочая частота, илидиапазон частот, устанавливается в зависимости от рабочих частот УЗустановок.
Отражающая частотнопонижающая накладка выполняется из обычных сталей типа Ст 45. Для построения колебательных системы применяются пьезокерамические материалы с высокими значениями добротности, высокой температурой Кюри, повышенными значениями пьезомодулей, и также низким значением тангенса диэлектрических потерь при высоких напряжениях. Наиболее пригодными для построения колебательных системы являются разработанные в последние годы пьезоматериалы типа ПКР-8М, ЦТС-23 и АРС- 841 [7].
Узел вибрационной развязки
Рис. 7. Вибрационная развязка.
Исключает передачу колебаний на конструкцию УЗКС и узел вибраций. Таким образом, для исключения влияния как продольных колебаний, так ирадиальных колебаний в узловой области необходима разработка конструкции, обеспечивающей эффективную вибрационную развязку элемента УЗКС с корпусом (см. Приложение 4) [8].
Узел создания вибраций
Рис.8. Узел создания вибраций.
Узел создания вибраций служит для ударного воздействия на грунт посредством колебаний свободной массы. Колебания свободной массы возникают за счёт её периодического отскока от колеблющейся, с ультразвуковой частотой, выступающей части концентратора. Периодичность отскока свободной массы определяется параметрами свободной массы и силой её прижатия к концентратору пружиной. Усилие прижатия свободной массы к выступающей части можно изменять при помощи регулировочной шайбы, толщина которой задаёт величину сжатия пружины (см. Приложение 5) [9].
Рабочий инструмент
Рис. 9. Рабочий инструмент.
Осуществляет механическое воздействие на объект с ультразвуковой частотой (около 21 кГц). Такое воздействие не требует усилий прижима, исключает нагрев в зоне бурения и позволяет бурить любые материалы (см. Приложение 6).
Зубчатая кромка позволяет устройству работать в двух режимах:
1 - без зубчатой кромки рабочий инструмент разрушает грунт принципом отбойного молотка;
2 - с зубчатой кромкой буровое устройство способно бурить шпур, разрушать негабариты и брать качественный керн (если сделать внутри инструмента полость).
Раздел 4. Принципиальная схема ультразвукового бура с пьезопреобразователем
Рис. 12. Схема УЗ бура.
Принцип работы
При подаче электрического напряжения 220 В на пьезоэлектрические элементы УЗ колебательной системы, она начинает совершать продольные механические колебания.Соединённый механически с УЗКС концентратор так же начинает колебаться. Концентратор дополнительно усиливает амплитуду механических колебаний (около 70 мкм). В процессе сверления рабочий инструментнепрерывно воздействует на объект именно с такой амплитудой и частотой (около 21 кГц), разрушая его. Колебания концентратора приводят к ударному движению свободной массы внутри корпуса. В результате ударноговоздействия свободной массы на всю конструкцию устройства обеспечиваются её дополнительные низкочастотные вибрационные колебания с амплитудой, в десятки раз превышающей амплитуду ультразвукового воздействия на объект рабочим инструментом, что обеспечивает дополнительный прирост производительности процесса бурения. При ультразвуковом воздействии возникают маленькие частицы грунта, которые могут эффективно удаляться из
зоны сверления. В то же ударные воздействия разрушают частицы покрупнее, которые дробятся УЗ колебаниями. Все частицы эффективно удаляются из зоны сверления за счёт колеблющейся боковой поверхности рабочего инструмента. Наличие вращения способствует подъёму продуктов износа и приросту производительности.
Сравнительный анализ скорости бурения
При написании практической части я связался (см. Приложение 7) с Бийским
технологическим институтом, чтобы узнать эффективность их ультразвукового бура, который стал моим прототипом. Специалисты мне прислали результаты исследований в виде таблицы 2. Данные указаны в мм/мин и исследования проводились на буровом стенде на породе крепостью ≈16 по шкале Протодьяконова.
Табл. 2. Результаты экспериментальных исследований.
Результаты экспериментальных исследований показали, что скорость бурения выросла на 34% по сравнению только с ударным и вращательным воздействием.
Заключение
В процессе работы были проанализированы пьезоэффекты и ультразвуковые
пьезопреобразователи; исследованы условия бурения в Республике Саха(Якутия); изучены преимущества УЗ бурения; построена принципиальная схема УЗ бура и изучен принцип её работы. А также была доказана эффективность УЗ бура.
Литература
1. А. Никифорова, Что такое пьезоэлектрические материалы и почему за ними будущее // Технические и математические науки / [Электронный ресурс]. – Режим доступа : https://hightech.fm/2021/03/24/piezo-electric-materials (дата обращения 12.12.2022);
2. А.А. Бобцов, В.И.Бойков, С.В.Быстров, В.В. Григорьев Исполнительные устройства и системы для микроперемещений / учеб. пособие : 2011. － 23 с.;
3. Ультразвук. Физические основы и технологическое применение //Технические и математические науки / [Электронный ресурс]. – Режим доступа : https://u-sonic.ru/upload/ultrasonic.pdf (дата обращения 14.12.2022);
4. Конструкции ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей // Технические и математические науки / [Электронный ресурс]. – Режим доступа : https://engineering-solutions.ru/ultrasound/transducers/ (дата обращения 14.12.2022);
5. Поморцева А.А., Поморцев О.А., Гелиоциклические модуляцииизменчивости природно-климатических и инженерно-геологическихобстановок в криолитозоне (на примере Якутии) // Геология / Успехи современного естествознания. – 2020. – № 12. – С. 151-156;
6. Шкадов В.И., УЗЕЛ ВРАЩЕНИЯ // патент №RU 49904;
7. Хмелев В.Н., Цыганок С.Н., Барсуков Р.В., Лебедев А.Н., Проектирование и анализ эффективности полуволновых пьезоэлектрических ультразвуковых колебательных систем / 2015. － 1-3 с.;
8. Хмелев В.Н., Нестеров В.А., Шалунов А.В. Бийский Технологический институт филиал Алтайского технического университета им. И.И. Ползунова Бийск , Россия. Центр ультразвуковых технологий Бийск Россия, Разработка узла акустической развязки ультразвуковой колебательной системы // 2006. － 4 c. ;
9. Барсуков Р.В, Хмелёв В.Н, Генне Д.В, Голых Р.Н, Нестеров В.А, Барсуков А.Р, Устройство ультразвукового бурения внеземных объектов, пат. // Технические и математические науки / [Электронный ресурс]. – Режим доступа : https://findpatent.ru/patent/278/2785271.html .
ПРИЛОЖЕНИЕ 1.
Таблица 1. Шкала крепости по Протодьяконову.
Приложение 2.
Мощность NВР, кВт, затрачиваемая на вращение бура определяется из выражения:
(1)
где МКР – крутящий момент на буре, Нм;
ВР – угловая частота вращения бура, с-1;
ВР – к.п.д. механизма вращателя (ВР = 0,68).
(2)
где FП – усилие подачи на забой, Н;
R – радиус приложения силы трения коронки о породу, м ( , dK – диаметр коронки);
- коэффициент трения коронки о породу ( = 0,6÷0,9).
(3)
Nвр=3, 66 Н·м · 70 об/мин / 1000 · 0,68 =0,4 кВт (1-3)
3, 66 Н·м – максимальный крутящий момент.
Приложение 3.
Для расчёта длины ультразвуковой волны используется формула
λ=C/f (4)
Где λ - длина волны, нм;
C - скорость распространения волны в данной среде, м/c;
f - частота колебаний, Гц.
Толщина пьезоэлемента рассчитывается по формуле:
l =C/2f (5)
Где l - толщина пьезоэлемента;
С - скорость распространения волны в данной среде, м/c;
f - нужная частота колебаний для работы, Гц.
λ=4450 м/с/22000 Гц= 0,2 м, где С=4450 м/с для гранита и доломита.
l =4450 м/с/2·22000Гц = 0,1 м (4-5)
ПРИЛОЖЕНИЕ 4.
Для цилиндрического стержня соотношение между амплитудой продольных и радиальных колебаний выглядит следующим образом:
(6)
Где А1 – амплитуда продольных колебаний, м;
A2 – амплитуда радиальных колебаний, м;
L – длина волновода, м;
D – диаметр волновода, м.
60/0,2=2 · L/D
L/D =150 (6)
ПРИЛОЖЕНИЕ 5.
Мощность удара свободной массы NУ, кВт вычисляется по формуле
(7)
где А – энергия единичного удара, Дж;
nУ – частота ударов, мин-1;
У – к.п.д. удара (У = 0,75).
Nу=(60 Дж · 22000Гц) / (60 · 1000 · 0,75) = 29.3 кВт (7)
ПРИЛОЖЕНИЕ 6.
Для расчёта эффективности рабочего инструмента в сравнении с другим инструментом бурения используют формулу
(8)
Где Kэ - коэффициент эффективности;
Ф1 - функция, определяющая величину, которая характеризует протекание соответствующего процесса для традиционного бурового инструмента;
Ф2 - функция, определяющая величину, которая характеризует протекание соответствующего процесса для выбранного бурового инструмента.
К = 1 – 90мм/мин ׃ 136мм/мин = 0,34 (8)
ПРИЛОЖЕНИЕ 7.
В процессе работы мне удалось проконсультироваться с некоторыми специалистами по бурению. Один из них Алексей Веннадьевич Иванов - директор Алданского политехникума, имеющий многолетний стаж и опыт работы в золотодобывающих компаниях Алданского района РС(Я). Мы с ним обсудили сложности бурения в условиях криолитозоны. Также он дал положительную оценку ультразвуковому буру.
Также я связался с Хмелёвым Владимиром Николаевичем － заслуженным изобретателем РФ, доктором технических наук и автором более 110 патентов в сфере ультразвука. Владимир Николаевич дал мне рекомендации по предлагаемому устройству, а также прислал результаты УЗ бура, доказывающие его эффективность.