CC BY
31
УДК 622.23.051 DOI: 10.17213/0321-2653-2016-1-76-79
ОБОСНОВАНИЕ АДАПТИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕЖУЩЕГО БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА
JUSTIFICATION OF ADAPTABLE PARAMETERS OF THE CUTTING
DRILLING TOOL
© 2016 г. В.С. Исаков, Нгуен Зуй Тхань, Н.П. Чухряев
Исаков Владимир Семенович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Подъемно-транспортные строительные и дорожные машины», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (863)52 55-6-37. E-mail: kafedra_sdkm@mail. га
Нгуен Зуй Тхань - аспирант, кафедра «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (863)52 55-6-49. E-mail: [email protected]
Чухряев Николай Павлович - доцент, кафедра «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (863)52 55-6-49. E-mail: [email protected]
Isakov Vladimir Semenovich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Hoisting Construction and Road Machines», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (863)52 55-6-37. E-mail: kafedra_sdkm@mail. ru
Nguyen Duy Thanh - post-graduate student, department department «Hoisting Construction and Road Machines», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (863)52 55-6-49. E-mail: [email protected]
Sukharev Nikolai Pavlovich - assistant professor, department «Hoisting Construction and Road Machines», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (863)52 55-6-49. E-mail: [email protected]
Выбор рационального бурового инструмента, в особенности для разработки слоистых горных пород, имеющих различные физико-механические свойства, обеспечивает повышение скорости бурения, снижение энергоемкости, минимизацию себестоимости производственного процесса. Комбинированные буровые долота обеспечивают адаптацию, т.е. автоматическое изменение параметров инструмента в соответствии с крепостью разбуриваемой породы. В статье обосновываются адаптируемые параметры и их граничные значения, в частности форма рассечки, углы резания, возможности изменения структуры буровых долот и их конструктивной реализации, предусматривающие осевое смещение блока резцов, работающих по крепким породам, относительно блока резцов для мягких пород, использование сплошной или дискретной линии реза. Возможности реализации такого подхода подтверждаются широко распространенными комбинированными долотами, а также конструкциями инструмента, предложенными авторами. Разработка бурового инструмента с адаптируемыми параметрами позволяет создавать новый высокоэффективный режущий буровой инструмент.
Ключевые слова: буровое долото; адаптивность; адаптивные долота; слоистые породы.
Selection of rational drilling tool, particularly for the development of foliated rock, that has different physical and mechanical properties, provides increased drilling rate, decreased power consumption, minimizing the cost of manufacturing process. Combined drilling bits provide adaptation, i.e, automatic change of tool options in accordance with the strength of drilled out formation. The article deals with the adaptable parameters and their limit values, in particular, the shape of crosscut angles, cutting opportunities, the possibility of changing the structure of drilling bits and constructive realization providing an axial displacement of block of cutters working with hard rocks, relative to the block of cutters for soft rocks, the use of continuous or discrete cutting lines. The possibilities of such an approach are confirmed by widespread combined bits and tool design, proposed by the authors. Development of the drilling tool with the adapted parameters lets you create new high-performance cutting drilling tool.
Keywords: drilling bit; adaptability; adaptive bit; foliated rock.
Одним из основных факторов, влияющих на эффективность бурения, является правильный выбор конструкций исполнительных инструментов - долот. Рациональный породоразрушающий инструмент может обеспечить повышение скорости бурения, снижение энергоемкости, минимизацию себестоимости производственного процесса, повысить стойкость инструмента.
Однако значительная часть угольных и рудных карьеров характеризуется сложно-структурированным слоистым залеганием горных пород, имеющих различные физико-механические свойства, что существенно затрудняет выбор рационального типа и рабочих параметров породоразрушающего бурового инструмента [1]. На сегодняшний день при бурении пород с различной крепостью слоев выбор долот определяется максимальным значением крепости. При этом для бурения крепких пород преимущество отдается шарошечным долотам.
Шарошечные долота - наиболее эффективный и износостойкий инструмент для пород крепостью f > 8. Применение высококачественных сталей и твердых сплавов, неразборная конструкция определяют их высокую стоимость и низкую ремонтопригодность. На глиносодержащих мягких слоях, вязких малоабразивных породах, где необходимо разрушать забой преимущественно резанием, а не дроблением и раздавливанием, его применение не обеспечивает эффективную работу и экономически не целесообразно. Смена долота при бурении существенно увеличивает общую продолжительность процесса и его стоимость.
Другим решением этой проблемы является применение комбинированного режуще-шарошечного долота [2]. При комбинированном воздействии на забой создаются благоприятные условия для использования как шарошечного, так и режущего долот. Комбинированный инструмент позволяет в зависимости от крепости разрабатываемых пород осуществлять автоматический переход от работы режущей частью к работе шарошечного породоразрушающего органа. Считается, что при такой схеме работы как мягкие, так и выше средней крепости породы будут обури-ваться наиболее эффективным способом. Вместе с тем при преобладании мягких прослоек породы стоимость бурения 1 м скважин, ввиду значительной стоимости самого комбинированного режуще-шарошечного долота, будет возрастать. Поскольку режуще-шарошечные долота имеют большой коэффициент заполнения забоя скважины телом долота, наиболее дешевый для данных условий шнековый способ удаления буровой мелочи будет малоэффективен. Применение же в этих условиях для очистки скважины пневматического или шнеко-пневматического способов также будет увеличивать стоимость бурения 1 м скважины.
Комбинированный инструмент более точно можно было бы назвать адаптивным, т.е. приспосабливающимся к условиям среды, позволяющим изменять структуру долота в зависимости от крепости буримой породы.
В общем случае под адаптивной понимают систему, «которая сохраняет работоспособность при непредвиденных изменениях свойств управляемого объекта или окружающей среды путем смены алгоритма функционирования или поиска оптимальных состояний» [3].
В других источниках [4, 5] отмечается, что изменения относятся также к структуре устройства или механизма. В частности [5], адаптивность может достигаться «... за счет дополнительной степени подвижности механизма, которая компенсируется динамической связью через рабочий процесс, например, через обрабатываемый объект». Связь через рабочий процесс, обусловливающая определенность движения звеньев, имеет «адаптирующий характер» [6] и названа адаптирующей. В результате полученные структуры адаптивных механизмов будут иметь в своем составе хотя бы одну неассурову группу.
Как известно [6], к нормальным (или цепям нулевого порядка) относят ассуровы цепи, которые своим приспособлением к нулевому механизму не изменяют числа степеней свободы. Остальные же цепи наслоения образуют «порядки», положительные и отрицательные, в зависимости от того, увеличивают они или уменьшают число степеней свободы и на сколько единиц.
Адаптивные цепи, входящие в состав неассуро-вых групп положительных порядков, обеспечивают приспособляемость движения звеньев к внешним факторам или технологическому процессу. При этом лишняя подвижность в механизмах адаптивной структуры предполагает, как правило, кинематическую или динамическую связь, компенсирующую данную структурную подвижность [7]. В зависимости от продолжительности замыкание через объект обработки может носить прерывный или постоянный характер. Конструктивно замыкание кинематической цепи может быть осуществлено силовым или геометрическим способом [8]. При силовом прерывном - замыкание цепи носит временный характер, обеспечивая возврат системы к исходной структуре при изменении внешнего фактора.
Исследованию строительных, горных, транспортных и технологических машин с адаптивными рабочими органами посвящены работы Г.М. Водяника, Э.В. Рылева [9], А.Н. Дровникова [7] и ряда других исследователей. Применительно к буровому инструменту к адаптивному следует отнести комбинированные (шарошечно-лопастные) долота, с упругими вставками [10] и некоторые другие.
Создание адаптирующихся породоразрушающих инструментов позволяет расширить возможности рационального применения различных сочетаний долот, в том числе и режущих, меняющих свою структуру или параметры в зависимости от условий среды. Обоснование адаптируемых параметров, и их граничных значений, вариативности структур, возможности их конструктивной реализации обусловливают необходимость их систематизации.
Для обоснования адаптируемых параметров и их граничных значений, выявления рациональной изменчивости структур, возможности конструктивной реализации необходимы их исследование, систематизация и вариативная проработка.
Для долот режущего типа характерно применение сменных резцов, изменение формы рассечки, угла резания, использования сплошной или дискретной линии реза, обеспечение дополнительных или сменяющихся при затуплении резцов на периферийных кромках. Кроме этого к адаптивному долоту предъявляются общие требования, характерные для любых конструкций породоразрушающего инструмента:
- максимальная эффективность разрушения горных пород и минимизация энергозатрат;
- достаточная прочность и износостойкость как режущей части, так и корпуса долота;
- технологичность изготовления, относительно низкая стоимость;
- легкость переустановки и ремонтопригодность;
- надежность крепления, исключающая потерю долота или его частей;
- обеспечение беспрепятственного удаления буровой мелочи.
Вопросы создания быстросъемных режущих элементов, унификации резцов, их группового крепления рассматривались уже многими авторами [10]. Их замена осуществляется достаточно быстро, не требует применения специализированного инструмента или оборудования, однако при замене необходимо извлекать буровой инструмент из скважины. Более интересным представляется решение, при котором происходит осевое смещение блока резцов при их затуплении относительно блока с новыми резцами, что позволяет вдвое увеличить продолжительность бурения без извлечения долота из скважины. Например, аналогичное решение предложено А.М. Демидовым [11].
Известно, что наличие рассечки у долота позволяет не только снизить энергоемкость разрушения породы за счет периодического скола образующегося керна, но и повысить скорость бурения. Оптимальные размеры и форма рассечек, как установлено исследованиями [12], для пород разной крепости должны быть различными. Так, рациональными для мягких пород являются коническая форма и максимальные диаметры рассечек. С увеличением крепости пород рекомендуется меньший диаметр и цилиндрическая форма рассечки. Однако при бурении пород с различной крепостью слоев диаметр и форма выбираются из расчета разрушения крепких пород. Одним из решений можно считать режущее долото с автоматическим изменением диаметра рассечки, защищенное патентом РФ на изобретение [13]. Предложенная конструкция долота за счет изменения диаметра и формы рассечки с конической на цилиндрическую позволяет интенсифицировать процесс разрушения керна породы в центральной части режущего долота, снизить затраты мощности на вращение бурового става, повысить скорость бурения, прочность режущих кромок и в
целом эффективность бурения взрывных скважин в перемежающихся по крепости породах.
К числу наиболее важных геометрических параметров режущего породоразрушающего инструмента относят, наряду с углом резания, передний угол, т.е. угол между передней поверхностью режущей лопасти инструмента и плоскостью, перпендикулярной плоскости резания и проведенной через главную режущую кромку. Как известно, нулевые и особенно положительные передние углы применяют на породах невысокой крепости и мягких, а отрицательные на породах повышенной крепости. Большинство конструкций обладает постоянным передним углом, целесообразным для конкретных условий бурения при заданных удельных давлениях на режущих кромках. Очевидно, что при изменении удельных давлений на режущих кромках и рабочие качества инструментов при постоянных передних углах также могут изменяться в некоторых пределах, что может служить предметом отдельного исследования. В процессе бурения скважины в перемежающихся по крепости породах автоматическая корректировка передних углов резания в зависимости от крепости пород позволит повысить скорость бурения, износостойкость долота и снизить вибрацию.
При бурении мягких пород характерны большие скорости подачи инструмента и поэтому наиболее проблемным представляется режим удаления буровой мелочи, т.е. возникает необходимость минимизации коэффициента перекрытия и высоты долота. При бурении крепких пород с целью обеспечения более высоких удельных давлений разрабатывают коронки с сокращенной длиной контакта режущих кромок с забоем, что достигается применением сменных резцов с прерывистой режущей кромкой. В ряде случаев максимальную эффективность достигают долота с малым углом конусности и сплошной режущей кромкой, предохраняющей дорогостоящий корпус долота от износа и обеспечивающей повышение надежности инструмента.
Таким образом, перечисленные выше вариативные параметры бурового режущего инструмента могут быть использованы для создания высокоэффективных режущих долот, обеспечивающих автоматическую установку рациональных геометрических параметров режущих лезвий в процессе бурения скважины в перемежающихся по крепости породах, а также максимальную унификацию и надежность инструмента.
Литература
1. Страбыкин Н.Н., Пеплов Е.В. Обоснование, выбор конструктивных и режимных параметров, эффективность применения агрегированного породоразрушающего бурового инструмента // Горное оборудование и электромеханика. 2012. № 6. С. 6 - 15.
2. Катанов Б.А. Развитие компоновочных схем режуще-шарошечных долот // Вестн. Куз. гос. техн. ун-та. Кемерово, 2004. № 61 (43). С. 55 - 57.
3. Советский энциклопедический словарь / ред. кол: А.М. Прохоров (гл.ред.) [и др.]: 2-е изд. М.: Сов. энциклопедия, 1982. 1600 с.
4. Политехнический словарь / редкол.: А.Ю. Ишлинский (гл. ред.) [и др.]: 3-е изд., перераб. и доп. М.: Большая Российская энциклопедия, 2000. 656 с.
5. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам: 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1987. 560 с.
6. Добровольский В.В. Теория механизмов. М.: Гостехиздат,
1951. 467 с.
7. Дровников А.Н. Неассуровы структуры механизмов и машин. Ростов н/Д.: «Пегас», 2000. 136 с.
8. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин: 4-е изд., перераб. и доп. М.: Наука, 1988. 640 с.
9. Водяник Г.М., Рылев Э.В. [и др.]. Сверление горных пород самонастраивающейся буровой машиной // Горный породоразрушающий инструмент. Киев, 1970. С. 116 - 129.
10. Шамшин В.Н., Чухряев Н.П., Егоров В.И., Балашов В.Б. Унифицированный инструмент для бурения скважин (принципы создания, результаты внедрения) // Механизация строительства. 1983. № 3. С. 13 - 15.
11. Буровое долото. А. с. № 573566, заяв. 01.04.68 № 1230411/03 / А.М. Демидов. Опубл. 25.09.77, Б.И. 1977. № 35.
12. Крапивин М.Г., Раков И.Я., Сысоев Н.И. Горные инструменты; 3-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1990. 256 с.
13. Буровое режущее долото. Патент 2300621 по заявке 2005121113 от 05.07.2005 / Н.П. Чухряев, В.С. Исаков [и др.] // Б.И. 2007. № 16.
References
1. Strabykin N.N., Peplov E.V. Obosnovanie, vybor konstruktivnykh i rezhimnykh parametrov, effektivnost' primeneniya agregiro-vannogo porodorazrushayushchego burovogo instrumenta [Justification, choice of design and regime data, efficiency of use of the aggregated rock cutting boring tool]. Gornoe oborudovanie i elektromekhanika, 2012, no. 6, pp. 6-15. [In Russ.]
2. Katanov B.A. Razvitie komponovochnykh skhem rezhushche-sharoshechnykh dolot [Development of layout schemes rezhushche-sharoshechnykh of chisels]. Vestn. Kuz. gos. tekhn. un-ta, 2004, no. 61 (43), pp.55-57.
3. Sovetskii entsiklopedicheskii slovar' [Soviet encyclopedic dictionary]. Moscow, Sov. Entsiklopediya, 1982, 1600 p.
4. Politekhnicheskii slovar' [Polytechnical dictionary]. Moscow, Bol'shaya Rossiiskaya entsiklopediya, 2000, 656 p.
5. Krainev A.F. Slovar' - spravochnik po mekhanizmam [The dictionary reference on mechanisms]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1987, 560 p.
6. Dobrovol'skii V.V. Teoriya mekhanizmov [Theory of mechanisms]. Moscow, Mashgiz, 1951, 467 p.
7. Drovnikov A.N. Neassurovy struktury mekhanizmov i mashin [Neassurova of structure of mechanisms and cars]. Rostov-on-Don, Pegas Publ., 2000, 136 p.
8. Artobolevskii I.I. Teoriya mekhanizmov i mashin [Theory of mechanisms and cars]. Moscow, Nauka Publ., 1988, 640 p.
9. Vodyanik G.M., Rylev E.V. i dr. Sverlenie gornykh porod samonastraivayushcheisya burovoi mashinoi Gornyi porodoraz-rushayushchii instrument [Drilling of rocks the self-adjusted boring machine]. Kiev, 1970, pp. 116-129.
10. Shamshin V.N., Chukhryaev N.P., Egorov V.I., Balashov V.B. Unifitsirovannyi instrument dlya bureniya skvazhin (printsipy sozdaniya, rezul'taty vnedreniya) [The unified tool for drilling of wells (the principles of creation, results of introduction)]. Mek-hanizatsiya stroitel'stva, 1983, no. 3, pp.13-15. [In Russ.]
11. Demidov A.M. Burovoe doloto [Drilling bit]. No. 573566, 1977.
12. Krapivin M.G., Rakov I.Ya., Sysoev N.I. Gornye instrument [Mountain tools]. Moscow, Nedra Publ., 1990, 256 p.
13.Chukhryaev N.P., Isakov V.S. i dr. Burovoe rezhushchee doloto [The boring cutting chisel]. Patent RF, no. 2300621, 2007.
Поступила в редакцию 15 декабря 2015 г.
