Источник: Калиниченко О.И., Зыбинский П.В..Забойные буровые машины: Учебное пособие. – 2-е изд.,исправл. и доп.- Донецк: ДонНТУ, 2006
Получение расчетного материала, обосновывающего выбор рабочих и конструктивных параметров гидроударных механизмов различных типов и классов особенно существенно на стадии аналитического проектирования. Мировой опыт свидетельствует, что экономические последствия ошибок, исправленных, соответственно, на стадиях исследования, проектирования, изготовления и эксплуатации техники, относится как 1:10:100:1000. Поэтому, важное значение имеет факт обоснованности подхода к принципам расчета машин в строгом соответствии с реальными рабочими процессами, протекающими в гидроударной системе.
Основой для развития теории и методов расчета гидроударных машин явились работы В.Вольского.
Принципы построения общей теории гидроударных машин впервые сформулированы в середине 30-х годов ХХ века Е.Ф.Эпштейном, одним из основоположников становления отечественной буровой отрасли. По оценкам ученого, для рассмотрения основных процессов, протекающих в гидроударнике, не имеет значения, двигается ли поток жидкости через канал в поршне или обтекает поршень, не имеющий канала для прохода жидкости. Также не имеет принципиального значения, под действием каких сил боек возвращается в исходное положение. Такое перемещение бойка может осуществляться пружиной или потоком жидкости, который в нужный момент направляется вверх. Для гидроударных машин как одинарного, так и двойного действия общие закономерности одинаковы. Поэтому обоснованным является единый подход к составлению математических моделей забойных гидроударников любого класса и типа.
Идеи Е.Ф. Эпштейна получили развитие в работах большого количества ученых и исследователей. Однако наиболее фундаментальными и принципиальными являются теоретические разработки гидроударных машин, выполненные Г.И. Неудачиным и В.Г. Ясовым.
В учебном пособии использован общий порядок рассмотрения рабочего процесса гидроударников, предложенный Г.И.Неудачиным. Его теоретические подходы не противоречат законами естествознания, широко апробированы и базируются на законе сохранения энергии жидкости и условии баланса объемов жидкости, поступающей от бурового насоса и проходящей через гидроударник в отдельные фазы рабочего цикла.
Возвратно-поступательное перемещение бойка вызывает волновое движение потока промывочной жидкости в буровом снаряде и в скважине, которое характеризуется переменным значением скорости и давления. Это усложняет выбор исходных данных для расчета гидроударников.
Для упрощения аналитических исследований и выполнения инженерного расчета параметров гидроударных механизмов, Г.И. Неудачиным сформулирована группа допущений, которые не противоречат естественным законам, и соответствуют реальным условиям работы машин:
1. Характеристика потока жидкости в гидросистеме определяется средней скоростью потока и средней величиной давления, обусловленного затратами энергии жидкости на привод механизма;
2. Жидкость в надпоршневой камере гидроударника безинерционна и несжимаема; корпус механизма и наковальни неподвижны в течение рабочего цикла; плотность рабочей жидкости в цилиндре механизма остается постоянной в течение рабочего цикла независимо от величины давления;
3. Ввиду небольших размеров полости цилиндра по сравнению с длиной трубопровода, время пробега упругой волны по цилиндру мало по сравнению со временем распространения волны по трубопроводу и этим временем можно пренебречь;
4. Гидравлические сопротивления в гидроударнике, зависящие от квадрата скорости движения бойка, выражаются некоторой постоянной величиной; характеристика пружин бойка и клапана линейная;
5. При ударе бойка возникает отскок, характеризующийся коэффициентом восстановления скорости.
Наиболее важными элементами расчета гидроударника являются: скорость соударения бойка и наковальни, определяющая силовую характеристику машины (энергию единичного удара); частота ударов; рабочее давление в цилиндре машины. При исследовании и проектировании гидроударников важно иметь четкое представление о характере процесса перемещения поршня-бойка, что наиболее наглядно иллюстрируется в виде обобщенных циклограмм рабочего цикла гидроударника. При этом математическая модель динамики поршня-бойка представляется в виде дифференциального уравнения движения бойка на рабочем ходе.