CC BY
50
Эпюры поперечных прогибов, нормальных и касательных напряжений для трехслойной панели с соотношением сторон 1/1 при их оценке аналитическим методом и методом конечного элемента представлены на рис. 2.
Как видно из таблицы, максимальное расхождение между аналитической оценкой и оценкой по методу конечного элемента наблюдается для нормальных напряжений в обшивках при большем отклонении панели от прямоугольной.
Результаты расчетов, полученные обоими методами, совпадают с достаточной для практики точностью. Таким образом, предлагаемая конечно-элементная модель может быть использована при расчете панелей звукопоглощающих конструкций на поперечный изгиб при условии, что модули сдвига в
плоскостях XZ и YZ, модули упругости в направлении оси Z будут оценены непосредственно по результатам испытаний.
Таким образом, задача о поперечном изгибе прямоугольной трехслойной панели с легким заполнителем при условии постоянства касательных напряжений по толщине ее заполнителя сведена к решению системы из двух дифференциальных уравнений. При применении данного подхода к трехслойной панели мы пренебрегаем касательными напряжениями в обшивках, считая, что вся поперечная сила воспринимается заполнителем. В результате касательные напряжения в заполнителе получаются несколько завышенными, что идет в запас прочности.
Статья поступила 18.08.2014 г.
Библиографический список
1. Осадчий Н.В., Шепель В.Т. Аналитическое исследование цилиндрического изгиба пластин с учетом деформаций сдвига при различных условиях закрепления их кромок // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2013. № 9 (80). С. 82-89.
2. Осадчий Н.В., Шепель В.Т. Исследование изгиба прямоугольной пластины приближенными методами с учетом деформаций сдвига // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2014. № 2 (85). С. 49-55.
3. Осадчий Н.В., Шепель В.Т. Аналитическое исследование поперечного изгиба трехслойной пластины с нежестким заполнителем // Вестник Иркутского государственного тех-
нического университета. 2014. № 5 (88). С. 37-43.
4. Вольмир А.С. Гибкие пластинки и оболочки. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1956. 420 с.
5. Куршин Л.М. Поперечный изгиб трехслойных балок. М.: Машиностроение, 1985. 208 с.
6. Бойцов Г.В., Палий О.М. и др. Справочник по строительной механике корабля. В 3 т. Т. 2: Пластины. Теория упругости, пластичности и ползучести. Численные методы. Л.: Судостроение, 1982. 464 с.
7. Амбрацумян С.А. Теория анизотропных пластин (прочность, устойчивость и колебания). М.: Наука, 1967. 268 с.
УДК 622.233.05:621.3
ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ШАРОШЕЧНОГО БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА ЗА СЧЕТ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ БУРЕНИИ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД
© А.О. Шигин1
Сибирский федеральный университет, 660041, Россия, г. Красноярск, пр. Свободный, 79.
Рассмотрены результаты исследования максимальной эффективности разрушения горной породы при шарошечном бурении скважин в зависимости от частоты вращения долота, времени передачи энергии, приводящей к разрушению требуемого объема породы и усилия подачи рабочего органа. Представлена методика расчета оптимальных режимных параметров бурения шарошечным долотом массивов горных пород, характеризующихся значительной трещиноватостью, слоистостью и изменением показателя буримости в широком диапазоне. Сделан сравнительный анализ повышения производительности бурового станка и стойкости бурового инструмента в результате применения адаптивного вращательно-подающего механизма. Ил. 4. Библиогр. 9 назв.
Ключевые слова: трещиноватость; слоистость; горный массив; порода; эффективность разрушения; стойкость шарошечных долот; адаптивный привод.
IMPROVING ROLLER CONE BIT RESOURCE DUE TO REGIME PARAMETER OPTIMIZATION WHEN DRILLING COMPLEX STRUCTURE ROCK MASSIFS A.O. Shigin
Siberian Federal University,
79 Svobodny pr., Krasnoyarsk, 660041, Russia.
The article treats the results of studying maximum efficiency of rock breaking under roller-cone drilling depending on bit
1Шигин Андрей Олегович, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и комплексов, тел.: 89131862659, e-mail: [email protected]
Shigin Andrei, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machinery and Systems, tel.: 89131862659, e-mail: [email protected]
rotation frequency, transfer time of the energy used for the destruction of the required volume of rock and feeding pressure of the power section. It introduces a procedure to calculate the optimal regime parameters for roller cone drilling of fractured and stratified rocks, whose drillability factor changes in a wide range. The paper provides a comparative analysis of the improvement of rock drilling machine productivity and drilling tool durability resulting from the application of an adaptive ro-tating feed mechanism. 4 figures. 9 sources.
Key words: fracture; bedding; mountain range; rock; destruction efficiency; roller cone bit resistance; adaptive drive.
Базой промышленного производства является горная отрасль, осуществляющая добычу полезных ископаемых, в большинстве своем открытым способом. Основные объемы горной массы подготавливаются к выемке с помощью буровзрывных методов, для чего требуется бурение взрывных скважин. Ежегодные эксплуатационные затраты на эти цели на предприятиях России достигают суммы более 6 млрд рублей, 60-65% из которых приходятся на буровые долота.
При бурении взрывных скважин станками используется различный инструмент, однако в большинстве случаев при бурении пород крепостью от 6 до 14 по шкале Протодьяконова применяются трехшарошечные буровые долота. Они имеют лапы, на которых смонтированы шарошки конусной формы на опоре, состоящей из трех подшипников качения: большого роликового, малого роликового и шарикового ряда замка.
Бурение осложняется структурой горных пород. На карьерах Алроса, ЗАО «Полюс», Мазульского известнякового рудника ОАО «Русал-Ачинск», Нефелинового рудника ОАО «Русал» преобладает трещиноватый массив. На угольных разрезах СУЭКа доминируют слоистые породы. Бурение горных массивов также осложняется неполным удалением шлама из забоя скважины.
В результате сложного циклического нагружения тела качения опор шарошечных долот выдерживают определенное количество циклов нагружения [1]. На наибольшее количество циклов до разрушения опоры шарошек конструктивно могут влиять такие особенности, как тип подшипника, его герметизация, наличие козырька, выбор материала тел качения и других элементов.
Для тел качения ресурс подшипника с учетом дополнительной циклической нагрузки [2]:
х \10/ { ~ \ /3
L = 10б
-1
<т„
(1)
где < - предел выносливости материала, МПа; <га- амплитуда переменных напряжений цикла, МПа; <в -предел прочности материала, МПа; < - среднее напряжение цикла, МПа.
о -о
_ max_mm
a ~
о +о
_ max_min
m ~ 2 '
гДе отх , отт - максимальное и минимальное напряжения, возникающие при ударах горной породы возрастающей крепости либо при перекатывании зубьев шарошки, МПа.
Для большей проходки долот при одинаковых режимных параметрах бурового станка важно правильно подобрать вооружение шарошек, то есть материал, форму зубьев шарошки, относительное расположение венцов зубьев, частоту их расположения в каждом ряду, выступание зубьев из тела шарошки.
В настоящее время существует большое количество методик для определения производительности буровых станков шарошечного бурения, но при этом нет достаточно формализованной методики, однозначно показывающей нелинейную зависимость скорости бурения от частоты вращения бурового става. Экспериментальные и опытные данные наглядно показывают, что скорость бурения возрастает до некоторых пор почти линейно, но постепенно она перестает увеличиваться [3]. Это объясняется следующим образом. Шарошечное долото имеет механизм циклического воздействия отдельных зубьев на забой скважины, состоящей из пород, которые, с точки зрения механики разрушения, можно объединить в две группы: структурные и прочностные. Поэтому горная порода в конкретной точке массива обладает набором свойств, обусловливающих количество механической работы, которую необходимо совершить буровому станку посредством очередного зубца шарошки, чтобы разрушить какой-то объем этой породы. Следует также учитывать, что исполнительный орган бурового станка воздействует с определенной мощностью на объем горной породы некоторый промежуток времени, чтобы ее разрушить, совершив работу:
Араз = N ■ 'раз , (1)
где ^аз - время, необходимое для разрушения некоторого объема горной породы посредством одного зубца ша-60 ВЕСТНИК ИрГТУ №10 (93) 2014
рошки; N - мощность исполнительного органа бурового станка, передаваемая посредством бурового инструмента для разрушения породы:
N = Рос V, (2)
где Рос - осевое усилие; v - скорость бурения.
Шарошечные долота, как правило, эффективны при бурении твердых, но хрупких пород. В случае значительной упругости материала существенной будет доля потери энергии на деформацию и преобразование ее в тепло. Однако при крепости массива более 6 по шкале Протодьяконова, породы в большинстве случаев не имеют значительной упругости и позволяют работать шарошечному долоту в режиме хрупкого разрушения.
При данных условиях, по сведениям Цуприкова А.А. [4], скорость бурения, без учета потерь энергии на деформацию породы и выделение тепла, можно определить из выражения
8n ■ Р ■ к
v = 2 вр » , (3)
■ к
1 ^ пов об.раз 1.
D ■а
где лвр - частота вращения шарошечного долота, с-; й1 - диаметр шарошечного долота, м; Рос - осевое усилие, Н; кш - коэффициент пропорциональности, равный радиусу шарошек долота, м; коб.раз - коэффициент объемного разрушения, характеризующий трещиноватость породы, ее способность дробиться на куски, вплоть до порошкообразного состояния; апов - поверхностная плотность свободной энергии вещества материала породы, Н/м2.
F
а =
пов
раз
S ■ к
Рраз - сила структурного разрушения породы, Н; Б - площадь поперечного сечения разрушае-
об. раз .2
мой породы, м . Физический смысл величины апов соответствует пределу прочности материала с учетом уже имеющихся повреждений.
По сведениям Подэрни Р.Ю. [5], скорость бурения также можно определить из выражения
40р ■ п
ос вр
V =-— , м/ч,
П ■ D
(4)
где Рос - осевое усилие, МН; лвр - частота вращения бурового става, с-1; й1 - диаметр долота, м; П5 - показатель буримости, П6 = 0,07-(сгсж+сгС()в)+ 0,7у\ асж - предел прочности горной породы при одноосном сжатии, МПа;
о
осдв- предел прочности горной породы при сдвиге, МПа; у - плотность горной породы, т/м . Откуда
а
п пов
■к
об.раз
1ЛЛ0%к
где апов- поверхностная плотность свободной энергии вещества материала породы, МПа. Исходя из условия хрупкого разрушения, работа одного зубца [3]:
^раз ^раз^пов ^об.раз '
(5)
(6)
где 1/Раз- объем разрушенной породы одним зубцом в результате одного воздействия, м .
При этом максимальный объем породы ограничивается размером выступающей части одного зубца в зубчатом ряду шарошки (рис. 1), расстоянием между зубцами в одном ряду и расстоянием между рядами зубцов шарошки.
Рис. 1. Схема перекатывания шарошки по забою
Отсюда промежуток времени, необходимый для совершения работы разрушения породы Aраз одним зубцом шарошки, при мощности N исполнительного органа бурового станка, можно определить из выражения
г = 4аз
раз N
V < - k,
раз пов об.раз
С учетом выражения (5) получим
, т о 1 п8 кш Пб ^раз , п Л 1Л( кш Пб ^раз
граз = 7,2-10 -р- , или г = 7,240 -—
раз N У-Р
(7)
где v - механическая скорость бурения, полученная при установленном усилии подачи и частоте вращения рабочего органа.
Чтобы определить частоту вращения шарошечного долота, при которой время контакта зубцов будет достаточным для передачи энергии, приводящей к разрушению заданного объема породы, необходимо сравнить время разрушения этого объема с временем контакта зубца с породой при данных кинематических законах движения с учетом диаметра шарошек и количества зубьев в рядах. Таким образом, время контакта зуба определяется следующим образом:
1
гк.з =■
П„
а
(8)
вр ^ тах
-к
где Dшmax - максимальный диаметр шарошки; к - количество зубцов всех рядов шарошки. Для трехшарошечных долот
^ 1,7- п ■к
(9)
Максимальная эффективность разрушения соответствует равенству
г = г .
к.з раз
Если ¿кз > граз, то неэффективно тратится время работы бурового станка, и необходимо увеличить частоту вращения бурового става. Если ¿кз < граз, то неэффективно расходуется ресурс бурового инструмента, и нужно
снизить частоту вращения. Таким образом, для эффективной работы шарошечного долота следует стремиться к выполнению следующего условия:
к = ^ = 7 2-108-п ■ккш-Пб'^аз
а
эф.вр
I,
у-Р
ат
^ = 1,
(10)
где кэф.вр - коэффициент эффективности бурения шарошечным долотом в зависимости от частоты вращения. Для трехшарошечного долота
кэф.вр =7^ = 7,2-108 -1,7-пвр ■ к-
кш- Пб ' Граз
у-Р
=1 .
(11)
Из условия максимальной эффективности работы шарошечного долота
1,7 пвр-к
= 7,2-10'
8 кш- Пб' Граз
V-Р^
(12)
максимальная частота вращения трехшарошечного долота может быть найдена из выражения
N N
п =-
вр 12,24-108-к-кш- Пб-Урраз
, или пвр =-—--
вр а-з,6-108-к-п-г
"1 ->■> >
б раз
к.з
1
В случае одного полного оборота шарошки и поражения забоя всеми ее зубцами, максимальную частоту вращения шарошечного долота при бурении массива определяем
0,94 • N
Пвр" ' (13)
где ¡1 - высота зубца, выступающая за профиль зубчатого венца, м (рис. 1).
При бурении сложноструктурного массива горной породы прохождение долотом различных нарушений сплошности и однородности сопровождается значительными нетехнологическими ударами и вибрацией. В результате этого ресурс долота снижается до двух и более раз [2]. Естественный физический способ снижения реактивных нагрузок на отдельные тела качения подшипников и зубцы заключается в снижении передачи количества энергии в данную точку материала и горной породы. Этот способ эффективен в отношении временных и циклических нагрузок. Для перекатывающейся с зуба на зуб шарошки очевидная реализация данного способа представляется в виде увеличения частоты вращения шарошечного долота. Таким образом, частота вращения из выражения (13) должна быть увеличена, в случае бурения трещиноватой породы, на величину, зависящую от степени увеличения нагрузок вследствие ударов при прохождении трещин и других нарушений сплошности и однородности массива.
Напряжение в ролике опор качения шарошечных долот можно найти из выражения [6]:
<д = 600 \
рг 2 (уб + у,/ 2) 2пб + 2апб
*• Яр • ¿р 2(уб + у,/2)-у,/2 2пб +дпб
• ¿инд, (14)
3
где Рг - радиальное усилие, прилагаемое к подшипнику, Н; г - количество тел качения в подшипнике; Ор - диаметр ролика, мм; 1р - длина ролика, мм; Ош - диаметр шарика, мм; v5 - скорость бурения горной породы м/с; ^ -скорость опускания зубца шарошки на забой, м/с; Пб - показатель буримости [4]; ДП6 - величина изменения показателя буримости массива горных пород, характеризующихся изменением прочностных характеристик, нарушением сплошности и однородности; кинд - коэффициент формы индентора (кинд = 0,79 для индентора, имеющего форму закругленного цилиндра; кинд = 0,47 для индентора, имеющего форму правильного конуса; кинд = 0,7 для индентора, имеющего форму выпуклого конуса).
С учетом выражения (14), частота вращения при бурении сложноструктурного массива горной породы может быть найдена следующим образом:
Гп 1-_0,94 •N • 2Пб + 2ДПб • к (15)
1 вр 1 108•*•Я • пб • Ь 2п + Дпб инд" ( )
Как видно из выражения (15), частота вращения при бурении массива горных пород зависит от изменения их прочностных характеристик, нарушения сплошности и однородности. При этом с увеличением перепада прочностных характеристик, трещиноватости, слоистости, оптимальная частота вращения увеличивается, снижая общую нагрузку на отдельные тела качения шарошечного долота. Конструктивно оптимальная частота вращения может быть уменьшена путем снижения коэффициента индентора кинд за счет большего заострения зубьев шарошки и увеличения диаметра долота. Породы с более высоким средним значением показателя буримости также необходимо бурить при меньшей частоте вращения по сравнению с менее крепкими породами.
Максимально допустимое усилие подачи рабочего органа бурового станка определяется из допустимых нагрузок на тела качения шарошечных долот. С учетом выражения (14), допустимое максимальное усилие подачи при бурении массивов с различными физико-механическими характеристиками:
[Рх]-6• *• Ор • Ц •
[5-1
600 2 (Уб + У,/2) 2П1 + 2ДПб к
2 (Уб + у,/2)-У,/2 2Пб + ДПб -
(16)
3
где [арш] - допустимое напряжение для материала тел качения подшипников шарошечных долот [6].
Из анализа выражения (16) следует, что при бурении массива горных пород усилие подачи зависит от изменения их прочностных характеристик, нарушения сплошности и однородности. При этом с увеличением перепада прочностных характеристик, трещиноватости, слоистости, оптимальное значение усилия уменьшается, снижая
общую нагрузку на тела качения шарошечного долота. Конструктивно оптимальное значение усилия может быть увеличено путем повышения количества и размеров тел качения шарошечного долота, а также уменьшения коэффициента индентора кинд за счет большего заострения зубьев шарошки. Кроме того, оптимальное значение усилия подачи рабочего органа может быть увеличено за счет увеличения предела прочности материала тел качения шарошечных долот.
Непосредственно в процессе бурения скважины свойства пород в горном массиве изменяются, поэтому максимально допустимое усилие подачи рабочего органа бурового станка становится величиной переменной. Соответственно изменению показателя буримости и структуры массива по мере углубления долота, меняется максимально допустимое усилие подачи. В современных отечественных и зарубежных буровых станках исключить внезапную ударную нагрузку практически невозможно. На изменение свойств породы уже позже реагирует машинист. Поэтому для предотвращения разрушения опор шарошечных долот вследствие единичного удара машинист заранее устанавливает заниженное усилие подачи. Величина заниженного усилия подачи определяется опытным путем индивидуально машинистом. Эта величина всегда меньше значения, которое можно определить из выражения (16).
Электромагнитный линейный привод подачи [7, 8] сглаживает все гармоники ударной нагрузки длительностью более 0,01 с при прохождении долотом трещин и пограничных зон пород с разной крепостью. Процесс образования и наложения гармоник ударной нагрузки показан на рис. 2.
Рис. 2. Процесс образования и наложения гармоник ударной нагрузки в процессе бурения сложноструктурного
массива шарошечными долотами
В случае применения в качестве адаптивного механизма подачи бурового станка линейного трехфазного электродвигателя с частотой напряжения сети 50 Гц, гармоники ударной нагрузки, длительностью более 0,01 с, сглаживаются. При этом амплитуда сглаженной гармоники ударной нагрузки зависит от времени распространения импульса удара от места контакта зуба с породой до поверхности тел качения шарошки [9]:
г =
21
Е Р
(17)
где I - путь, пройденный ударным импульсом, м; Е - модуль упругости материала, по которому распространяется ударный импульс, Па; р - плотность материала, по которому распространяется ударный импульс, кг/м3.
В связи с этим конструкция, материал шарошки, длина и материал зубьев непосредственно оказывают влияние на время распространения ударной волны. По результатам расчетов с применением выражения (17), для отечественных долот диаметром 244,5 мм, с твердосплавными зубьями, время распространения ударной волны приблизительно равняется 30 мкс (рис. 5). Для долота диаметром 244,5 мм, с фрезерованными зубьями, время распространения ударной волны увеличивается до 46 мкс.
В определенном масштабе форма ударной волны может быть представлена в виде сегмента окружности, как показано на рис. 3. Тогда по оси ординат может быть отложена относительная величина мощности № энергии, преобразуемой в механическую в данный момент времени. А интеграл мощности за период времени I равен относительной величине работы или энергии, которая преимущественно направлена на разрушение опор качения долота. Данная работа может быть представлена в виде площади фигуры, ограниченной дугой окружности с центром О, радиусом Я и хордой I, лежащей на оси абсцисс.
Рис. 3. Процесс распространения ударной волны и сглаживание при ее длительности более 0,01 с
При осуществлении подачи рабочего органа на забой линейным асинхронным двигателем, энергия поглощается электромагнитной связью, и ударная волна сглаживается в течение 10 мкс. Таким образом, энергия, преобразованная в механическую, показана на рис. 5 в виде площади фигуры, ограниченной дугой окружности с центром 01, радиусом ^ и хордой t1, лежащей на оси абсцисс. Угол ф, образованный касательной к дугам, исходящей из начала координат и осью абсцисс, одинаковый для обоих описанных случаев, поскольку в начальный момент времени t = 0 мощность ударной волны зависит только от усилия, скорости подачи рабочего органа на забой и физико-механических характеристик горной породы. Отсюда выражение для относительной величины энергии ударной волны без адаптивного привода подачи рабочего органа:
Ед =
г2
8 ■( бтф)
ж-ф 90
- бт 2ф
(18)
где Еуд - относительная величина энергии ударной волны при взаимодействии бурового инструмента с горной породой; t - время распространения ударной волны без адаптивного привода, мкс.
Выражение для относительной величины энергии ударной волны с подачей рабочего органа бурового станка адаптивным приводом:
Еа =■
уд
г2
ж-ф 90
- бт 2ф
(19)
8 -(^пф)
где ^ - время распространения ударной волны с подачей рабочего органа бурового станка адаптивным приводом, мкс.
Таким образом, если пренебречь массой бурового става при подаче рабочего органа адаптивным приводом, максимально допустимое усилие подачи рабочего органа бурового станка определяется из допустимых нагрузок на тела качения шарошечных долот, а также отношения энергии ударной волны с подачей рабочего органа бурового станка адаптивным и неадаптивным приводом. С учетом выражений (16), (18) и (19), допустимое максимальное усилие подачи при бурении массивов с различными физико-механическими характеристиками:
Г У
ГРа1 = 6-2■ Б ■ X
ос J р р
[^ ]
((
600
\Л
2 (+ У,/2 ) 2Пб + 2АПб
2 ( Уб + у,/2 )-V,/2 2Пб +ЛПб
- 2
^ г 2 '1
г2
■ К
(20)
б , / 7 , / б б
Ч V - V ,/
где [Роса] - допустимое усилие подачи рабочего органа адаптивным вращательно-подающим механизмом.
Частота вращения при бурении сложноструктурного массива горной породы с применением адаптивного привода может быть найдена из выражения
[»]
0,94 ■ N
(( 2п1
108-ж-Б ■ Пб ■ h
2дп
2п1 + дп
-1
Л г 2 %+1 t
Л
- К
(21)
Исходя из представленных выражений, ударная составляющая в выражении (14) уменьшится. Напряжение в
телах качения определится
5уд - 600 • 3
к
((
* • О • ¿р
2 ( Уб + у,/ 2 )
2П'6+2ДП6 ' 2П1 +ДПб
- 2
+2
• к,„
(22)
2 (Уб + У,12)- У,
В случае применения адаптивного привода подачи и бурения трехшарошечным долотом с твердосплавными запрессованными зубьями, максимально допустимое усилие подачи может быть увеличено на 30-35%. При бурении долотом с фрезерованными зубьями максимально допустимое усилие подачи может быть увеличено на 35-40% в связи с большим вылетом зуба и временем прохождения ударной волны. Приблизительно на такую же величину возрастет техническая скорость бурения в случае применения адаптивного электрического привода, по отношению к станкам, оснащенным жестким гидравлическим приводом подачи рабочего органа.
Стойкость трехшарошечных долот, с учетом выражения (1), можно определить с помощью выражения
Т ----У,, м. (23)
2 • пвр ■ 1,7 6' ( )
С учетом выражений (21)-(23), получены зависимости стойкости трехшарошечных долот в зависимости от показателя буримости, слоистости и трещиноватости. На рис. 2 маркером • обозначена зависимость для однородной породы (кривая 1). Маркером — обозначены зависимости для слоистых пород. Кривая 2 получена для следующих характеристик породы: количество слоев породы на один погонный метр скважины псл = 10 м-1; средняя разница показателя буримости смежных слоев в массиве горной породы АП6 = 2. Кривая 3 получена при псл =
10 м-1, ДП6 = 4; кривая 5 - при псл = 20 м-1, АП6 = 2; кривая 7 - при псл = 20 м-1, АП6 = 4. Маркером ▲ обозначены зависимости для трещиноватых пород. Кривая 4 получена при количестве трещин на один погонный метр скважины птр = 10 м-1. Кривая 9 - при птр = 20 м-1. Маркером ♦ обозначены зависимости для массивов горных пород, которые характеризуются и слоистостью, и трещиноватостью. Кривая 6 построена при птр = 10 м-1, псл = 10 м-1 и ДП6 = 2; кривая 8 - при птр = 10 м-1, псл = 10 м-1 и ДП6 = 4; кривая 10 - при птр = 10 м-1, псл = 20 м-1 и ДП6 = 2; кривая
11 - при птр = 20 м-1, псл = 10 м-1 и ДПб = 2; кривая 12 - при птр = 10 м-1, псл = 20 м-1 и ДПб = 4; кривая 13 - при птр =
тр
псл = 10 м-
20 м-1
м-1 и ДП = 4.
и ДПб = 4; кривая 14 - при птр = 20 м-, псл = 20 м- и ДПб = 2; кривая 15 - при птр = 20 м-, псл = 20
П6
б
Рис. 4. Стойкость буровых долот с твердосплавными зубьями в зависимости от значения показателя буримости [4]: а - кривые для жесткого (гидравлического) механизма подачи; б - кривые для адаптивного
механизма подачи бурового станка
а
Таким образом, при бурении горных массивов со средней трещиноватостью и слоистостью буровыми станками с адаптивным вращательно-подающим механизмом стойкость трехшарошечных долот увеличивается более чем в 2 раза. При бурении горных массивов с высокой слоистостью буровыми станками с адаптивным вра-щательно-подающим механизмом стойкость трехшарошечных долот увеличивается до 65%. При бурении горных массивов с высокой трещиноватостью буровыми станками с адаптивным вращательно-подающим механизмом стойкость трехшарошечных долот увеличивается более чем в 5 раз. Выводы
1. Максимальная эффективность разрушения горной породы при шарошечном бурении скважин обеспечивается такой частотой вращения долота, при которой время контакта зуба шарошки равно времени передачи энергии, приводящей к разрушению требуемого объема породы;
2. Время передачи энергии, приводящей к разрушению требуемого объема породы с показателем буримо-сти Пб, зависит от возможной глубины внедрения n зубьев определенной формы, шарошечного долота, диаметром D1, под действием привода подачи, мощностью N, с учетом к.п.д.;
3. Своевременное изменение режимных параметров (скорости подачи, осевого усилия) за счет адаптивного механизма подачи бурового става обеспечивает повышение скорости бурения на 30-40% без снижения стойкости долота;
4. При бурении массивов горных пород со средней трещиноватостью и слоистостью буровыми станками с адаптивным вращательно-подающим механизмом стойкость шарошечных долот можно увеличить до 2-х раз, а при бурении массивов с высокой трещиноватостью и слоистостью - до 5 раз;
5. Конструктивные схемы буровых станков должны быть обеспечены системой автоматизации управления работой вращательно-подающего механизма, способной регулировать частоту вращения и осевое усилие при бурении горных массивов, характеризующихся значительной трещиноватостью, слоистостью и изменением показателя буримости в широком диапазоне.
НИР выполнена в рамках реализации Гранта Президента МК-2531.2014.8.
Статья поступила 18.07.2014 г.
Библиографический список
1. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. 8-е изд., перераб. В 3 т. М.: Машиностроение, 2001. Т. 2. 912 с.
2. Буткин В.Д. Проектирование буровых долот для открытых горных, земляных и строительных работ: монография. М.: МАКС Пресс, 2005. 240 с.
3. Цуприков А.А. Анализ процесса разрушения породы долотом при бурении скважин // Научный журнал КубГАУ. 2011. № 10. С. 1-10.
4. Подэрни Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых работ: учебное пособие. 4-е изд. М.: Изд-во МГГУ. 2001. 422 с.
5. Шигин А.О., Гилев А.В. Методика расчета усталостной прочности как основного фактора стойкости шарошечных долот // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2012. № 3. С. 22-27.
6. Шигин А.О., Гилев А.В. К вопросу о нагрузках на породоразрушающий инструмент при бурении сложноструктурных горных пород // Горное оборудование и электромеханика. 2012. № 6. С. 16-20.
7. Шигин А.О. Адаптивный вращательно-подающий механизм бурового станка для снижения непрогнозируемых нагрузок при бурении сложноструктурных пород // Горный журнал. 2013. № 7. С. 84-89.
8. Шигин А.О., Гилев А.В. Исследование режимов работы электромагнитного привода подачи бурового станка // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2013. № 4. С. 101-111.
9. Шелковников И.Г. Использование энергии удара в процессах бурения. Л.: Недра, 1977. 159 с.
