gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2022-12-67gscience-594Research ArticleMINING MACHINERY, TRANSPORT, AND MECHANICAL ENGINEERINGГОРНЫЕ МАШИНЫ, ТРАНСПОРТ И МАШИНОСТРОЕНИЕJustification of the air distribution system of a down-the-hole hammer with an efficient operating cycleОбоснование системы воздухораспределения погружного пневмоударника с экономичным рабочим цикломhttps://orcid.org/0000-0003-1058-2764ТамбовцевП. Н.TambovtsevP. N.

Павел Николаевич Тамбовцев – кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник Лаборатории моделирования импульсных систем

Scopus ID 7004038110

г. Новосибирск

Pavel N. Tambovtsev – Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Senior Researcher of the Impulse Systems Modeling Laboratory

Scopus ID 7004038110

Novosibirsk

tambovskiyp@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7220-8589РусинЕ. П.RusinE. P.

Евгений Павлович Русин – кандидат технических наук, старший научный сотрудник Отдела горной и строительной геотехники

Scopus ID 20434728100

г. Новосибирск

Evgeny P. Rusin – Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher of the Department of Mining and Construction Geotechnics

Scopus ID 20434728100

Novosibirsk

gmmlab@misd.ruИнститут горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН (ИГД СО РАН)РоссияN.A. Chinakal Institute of Mining of the Siberian Branch of the RASRussian Federation20231612202384360376Copyright © Tambovtsev P.N., Rusin E.P., 20232023Тамбовцев П.Н., Русин Е.П.Tambovtsev P.N., Rusin E.P.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/594

One method for conserving energy in the mining industry and ensuring the required pressure of compressed air in underground mining networks is to decrease the specific energy carrier consumption, particularly in the case of down-the-hole hammers. The objective of this study is to substantiate the air distribution system of an air hammer, aimed at reducing the specific consumption of compressed air. We propose a system consisting of two chambers with a constant supply of compressed air, two controllable chambers, two elastic valves on the hammer, and a valve for cutting off the supply of compressed air to the forward stroke chamber, which is controlled by the hammer’s position. This proposed configuration was employed to create two different designs for the air hammer. The operational cycle of the designed device has been numerically examined using SimulationX software and validated through experimental testing on a laboratory bench. Our calculations reveal that the suggested air distribution system, featuring controlled inlet to the backward stroke chamber, successfully achieves the stated objective. In comparison to the standard M29T hammer with nearly identical dimensions, striking power, and compressed air consumption for cleaning the borehole, the designed hammer exhibits a 53% reduction in specific energy consumption, and its electrical power usage for compressed air supply is halved. These design specifications align with both experimental results and data derived from the existing literature, confirming the accuracy of our calculation.

Одним из способов экономии энергии в горной промышленности и обеспечения необходимой величины давления сжатого воздуха в воздухопроводных сетях подземных добычных предприятий является уменьшение удельного расхода энергоносителя потребителями, в частности, погружными пневмоударниками. Цель настоящей работы – обоснование системы воздухораспределения пневмоударника, обеспечивающей снижение удельного расхода сжатого воздуха. Предложена система, включающая две камеры с постоянной подачей сжатого воздуха, две управляемые камеры, два упругих клапана на ударнике и клапан для отсечки подачи сжатого воздуха в камеру прямого хода, управляемые от положения ударника. На основе предложенной конфигурации разработаны два варианта конструкции пневмоударника. Рабочий цикл разработанного устройства исследован численно с привлечением программного обеспечения SimulationX и экспериментально на лабораторном стенде. Расчеты показали, что предложенная система воздухораспределения в версии с управляемым впуском в камеру обратного хода обеспечивает достижение поставленной цели. По сравнению с серийным пневмоударником М29Т, при практически одинаковых с ним габаритах, ударной мощности, расходе сжатого воздуха на продувку забоя скважины, разработанный пневмоударник имеет удельный расход энергоносителя на 53 % меньше, а потребление электрической мощности на его питание сжатым воздухом в 2 раза ниже. Расчетные данные соответствуют опытным, полученным в эксперименте и из литературных источников, что подтверждает корректность результатов расчета.

энергопотреблениепогружной пневмоударниксистема воздухораспределенияудельный расходударная мощностьпродувка забоя скважинычисленное моделированиепоказатели рабочего цикластендовые экспериментыenergy consumptiondown-the-hole hammerair distribution systemspecific consumptionpercussion powerbottomhole purgingnumerical simulationoperating cycle parametersbench experimentsReferencesМинеева А.С. Энергоэффективность как фактор устойчивого развития горнодобывающего предприятия. Экономика и предпринимательство. 2016;(11–2):565–570.Mineeva A. S. Energy efficiency as a factor of sustainable development for a mining company. Journal of Economy and Entrepreneurship. 2016;(11–2):565–570. (In Russ.)Люханов В.В., Алферов С.Б., Трофимов В.Ф., Роженцов В.Ф. Пневмоударный буровой инструмент, работающий при высоком давлении сжатого воздуха. Горная промышленность. 2012;(5):28–30.Lyukhanov V. V., Alferov S. B., Trofimov S. N., Rozhentsov V. F. Pneumatic high-pressure rock drill by Nipigormash OAO and Mashinostroitelny Holding ZAO. Russian Mining Industry. 2012;(5): 28–30. (In Russ.)Смоляницкий Б.Н., Репин А.А., Данилов Б.Б. и др. Повышение эффективности и долговечности импульсных машин для сооружения протяженных скважин в породных массивах. Монография. Новосибирск: Изд. СО РАН; 2013. 204 с.Smolyanitsky B. N., Repin A. A., Danilov B. B. et al. Improving the efficiency and durability of impulse machines for the construction of long wells in rock masses. Monograph. Novosibirsk: SB RAS Publ.; 2013. 204 p. (In Russ.)Карпов В.Н., Немова Н.А., Резник А.В. О повышении эффективности бурения взрывных скважин при освоении твердых полезных ископаемых. В: Инновации и перспективы развития горного машиностроения и электромеханики: сборник тезисов 8-й Международной научно-практической конференции. Санкт-Петербург: СПГУ; 2021. C. 341–345.Karpov V. N., Nemova N. A., Reznik A. V. On improving the efficiency of drilling blast wells in the development of solid minerals. In: Innovations and prospects for the development of mining engineering and electromechanics: a Collection of Abstracts of the 8th International Scientific and Practical Conference. St. Petersburg: SPGU; 2021. Pp. 341–345. (In Russ.)Кумыкова Т.М., Кумыков В.Х. Исследование динамических характеристик шахтного гидропневмоаккумулятора сжатого воздуха. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2013;(5):99–109. (Перев. вер.: Kumykova T.M., Kumykov V.K. Dynamics of mine hydro-pneumatic accumulator. Journal of Mining Science. 2013;49(5):763–771. https://doi.org/10.1134/S1062739149050109)Kumykova T. M., Kumykov V. K. Dynamics of mine hydro-pneumatic accumulator. Journal of Mining Science. 2013;49(5):763–771. https://doi.org/10.1134/S1062739149050109 (Orig. ver.: Kumykova T. M., Kumykov V. K. Dynamics of mine hydro-pneumatic accumulator. Fiziko-Tekhnicheskiye Problemy Razrabotki Poleznykh Iskopayemykh. 2013;(5):99–109. (In Russ.))Алексеев С.Е., Кокоулин Д.И. Использование погружных пневмоударников для прямолинейного направленного бурения. В: Современные проблемы в горном деле и методы моделирования горно-геологических условий при разработке месторождений полезных ископаемых: сб. материалов Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. КузГТУ; 2015.Alekseev S. E., Kokoulin D. I. The use of down-the-hole hammers for straight directional drilling. In: Modern problems in mining and methods of modeling mining and geological conditions in the development of mineral deposits: proceedings of the All-Russian scientific and tech. conf. with international participation. Kemerovo RF, 2015. Kemerovo: TF Gorbachev Kuzbass State Technical University; 2015 (In Russ.)Гаун В.А. Разработка и исследование погружных пневмоударников с повышенной энергией удара. Повышение эффективности пневмоударных буровых машин: сб. науч. трудов. Новосибирск: ИГД СО РАН; 1987. C. 3–10.Gaun V. A. Development and research of down-the-hole hammers with increased impact energy. In: Improving the efficiency of pneumatic percussion drilling machines: a collection of scientific papers. Novosibirsk: Institute of Mining SB USSR AS; 1987. Pp. 3–10. (In Russ.)Липин A.A. Перспективные пневмоударники для бурения скважин. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2005;(2):74–78. (Перев. вер.: Lipin A.A. Promising pneumatic punchers for borehole drilling. Journal of Mining Science. 2005;41(2):157–161. https://doi.org/10.1007/s10913-005-0078-0)Lipin A. A. Promising pneumatic punchers for borehole drilling. Journal of Mining Science. 2005;41(2):157–161. https://doi.org/10.1007/s10913-005-0078-0 (Orig. ver.: Lipin A. A. Promising pneumatic punchers for borehole drilling. Fiziko-Tekhnicheskiye Problemy Razrabotki Poleznykh Iskopayemykh. 2005;(2):74–78. (In Russ.))Емельянов П.М., Есин Н.Н., Зиновьев А.А. и др. Машины для бурения скважин погружными молотками в подземных условиях. Новосибирск: Изд-во СО АН СССР; 1965. 161 с.Emelyanov P. M., Esin N. N., Zinoviev A. A. et al. Machines for drilling boreholes with down-the-hole hammers in underground conditions. Novosibirsk: SB USSR AS; 1965. (In Russ.)Иванов К.И., Латышев В.А., Андреев В.Д. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. М.: Недра; 1987. 272 с.Ivanov K. I., Latyshev V. A., Andreev V. D. Drilling technique in the mineral deposit mining. Moscow: Nedra Publ.; 1987. 272 p. (In Russ.)Суднишников Б.В., Есин Н.Н., Тупицын К.К. Исследование и конструирование пневматических машин ударного действия. Новосибирск: Наука, СО АН СССР; 1985. 134 с.Sudnishnikov B. V., Esin N. N., Tupitsyn K. K. Study and designing of pneumatic impact machines. Novosibirsk: Nauka Publ.; 1985. 134 p. (In Russ.)Wijk G. (Ed.) Hammer theory and practice. 2008. URL: https://www.researchgate.net/publication/271527406_Hammer_Theory_and_PracticeWijk G. (Ed.) Hammer theory and practice. 2008. URL: https://www.researchgate.net/publication/271527406_Hammer_Theory_and_PracticeГерц Е.В. Пневматические приводы. Теория и расчет. М.: Изд-во «Машиностроение»; 1969. 359 с.Gerts E. V. Pneumatic drives. Theory and calculation. Moscow: Mashinostroenie Publ.; 1969. 359 p. (In Russ.)Мюнцер Е.Г. Построение математической модели пневмоударных механизмов на ЭВМ. В: Пневматические буровые машины: сб. науч. тр. Новосибирск: ИГД СО АН СССР; 1984. C. 49–55.Myuntser E. G. Construction of a mathematical model of pneumatic impact mechanisms on a computer. In: Pneumatic drilling machines: collection of scientific papers. Novosibirsk: Institute of Mining SB USSR AS; 1984. p.49-55. (In Russ.)Федулов А.И., Архипенко А.П., Маттис А.Р. Выбор зазоров в трущихся парах пневмомолотов. Новосибирск: Наука, Сибирское отд; 1980. 128 с.Fedulov A. I., Arkhipenko A. P., Mattis A. R. Selection of gaps in the rubbing pairs of a pneumatic hammer. Novosibirsk: Siberian dept. of Nauka publ; 1980. 128 p. (In Russ.)Петреев А.М., Примычкин А.Ю. Работа кольцевого упругого клапана в пневмоударном приводе. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2016;(1):132–143. (Перев. вер.:Petreev A. M., Primychkin A. Y. Ring-type elastic valve operation in air hammer drive. Journal of Mining Science. 2016;52(1):135–145. https://doi.org/10.1134/S1062739116010224 (Orig. ver.: Petreev A. M., Primychkin A. Y. Ring-type elastic valve operation in air hammer drive. Fiziko-Tekhnicheskiye Problemy Razrabotki Poleznykh Iskopayemykh. 2016;(1):132–143. (In Russ.))Petreev A.M., Primychkin A.Y. Ring-type elastic valve operation in air hammer drive. Journal of Mining Science. 2016;52(1):135–145. https://doi.org/10.1134/S1062739116010224)Tambovtsev P. N. Experimental studies of pneumatic impact device with a reduced specific consumption of compressed air. Fundamental and Applied Issues of Mining. 2020;7(2):47–52. (In Russ.) https://doi.org/10.15372/FPVGN2020070208Тамбовцев П.Н. Экспериментальные исследования пневмоударного устройства с пониженным удельным расходом сжатого воздуха. Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. 2020;7(2):47–52. https://doi.org/10.15372/FPVGN2020070208Petreev A. M., Primychkin A. Y., Vorontsov D. S. Ring-shape elastic valve in the air percussion machines. Journal of Mining Science. 2010;46(4):416–424. https://doi.org/10.1007/s10913-010-0052-3 (Orig. ver.: Petreev A. M., Primychkin A. Y., Vorontsov D. S. Ring-shape elastic valve in the air percussion machines. Fiziko-Tekhnicheskiye Problemy Razrabotki Poleznykh Iskopayemykh. 2010;(4):56–65. (In Russ.))Петреев А.М., Воронцов Д.С., Примычкин А.Ю. Кольцевой упругий клапан в пневмоударных машинах. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2010;(4):56–65. (Перев. вер.: Petreev A.M., Primychkin A.Y., Vorontsov D.S. Ring-shape elastic valve in the air percussion machines. Journal of Mining Science. 2010;46(4):416–424. https://doi.org/10.1007/s10913-010-0052-3)Tymchur A. D. On the issue of improving the pneumatic transport of drill chips when drilling holes in open pits. Proceedings of USGU. 2000;(11):277–279. (In Russ.)Тымчур А.Д. К вопросу улучшения пневмотранспорта выбуренных частиц при бурении скважин на карьерах. Известия УГГУ. 2000;(11):277–279.Esin N. N. Methods of research and fine-tuning of pneumatic hammers. Novosibirsk: Institute of Mining SB USSR AS; 1965. 76 p. (In Russ.)Есин Н.Н. Методика исследования и доводки пневматических молотков. Новосибирск: ИГД СО АН СССР; 1965. C. 25–26.Есин Н.Н. Методика исследования и доводки пневматических молотков. Новосибирск: ИГД СО АН СССР; 1965. C. 25–26.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.