книги из ГПНТБ / Блохин В.С. Буровой инструмент для машин ударного действия

Прочность паяного шва буровой коронки зависит от величины изгибающих и срезающих усилий, действующих на твердый сплав, паяное соединение п корпус коронкп в зоне пайки. При бурении скважин на плоских гранях пластин твердого сплава, по которым выполняется пайка, возникают нормальные и тангенциальные напряжения, определяющие напряженное состояние паяного соеди­ нения (рис. 61).

Напряженное состояние паяного шва. Величина касательных

(т) н нормальных (п) напряжений в прішое находится по следу­ ющим формулам, еслп известно напряженное состояние пластины

Полученные выражения могут быть использованы и для реше­ ния обратной задачи, если известны тх, т2 и п сравнительно просто определяются значения ах, аг и ахг в пластине твердого сплава.

При анализе работоспособности бурового инструмента необхо­ димо иметь в виду, что припой (как упруго-вязкий материал) перераспределяет опасные концентрации а, возникающие в про­ цессе бурения скважин, и тем самым предохраняет пластины от поломок.

176

Напряжения среза, действующие в припое. При бурении сква­ жин в крепких горных породах работоспособность паяного соеди­ нения определяется величиной срезающих усилий, возникающих в зоне шва при приложении внешних сил к пластине твердого сплава. Для определения касательных напряжений (т) в припое при равномерном распределении стэкв по всему сечению пластины можно использовать следующую приближенную формулу:

где аэкп — максимальное эквивалентное напряжение в пластине твердого сплава; h н Н — геометрические размеры пластины твер­

Пример. Определить величину срезающих напряжений в при­ пое опережающего лезвия коронки К-17, возникающих при буре­ нии скважин в крепких горных породах (Роп — 25 000—40 000 кгс).

при s = 0,5# # = 4,9 см2; # х = 7,84 см2; и2 = 38,4; г = 1,88;

т = 24 кгс/мм2;

при z = 0 и2 = 65,4; т «=* 37 кгс/мм2.

Расчет по формуле (3.49) для аналогичных условий дает подоб­ ные значения т = каэкв -^ -= ( 19,5—22,2) кгс/мм2, т. е. для оценки

в зависимости от напряженности пластин твердого сплава, физико-механических свойств материа­ лов, подвергающихся пайке, и самого припоя; от размеров шва, пластины твердого сплава и лезвия коронки. Полученные выраже­ ния могут быть использованы для расчета п оценки напряженного состояния цластин и перьев коронки, если известно, распределение напряжений в припое.

178

Напряженность паяного шва определяется в основном величи­ ной напряжений, действующих в пластине, геометрией пластины, шва и лезвия коронки. С увеличением толщины шва, высоты и длины пластины, при прочих равных условиях, значения т снижаются, а с увеличением h — возрастают. Однако с ростом h снижается стэкв, поэтому при разработке инструмента необходимо

ляет снизить величину действующих т примерно в 2—2,5 раза (рис. 63).

§ 5. ГЛУБИНА ВНЕДРЕНИЯ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИХ ЛЕЗВИИ

Изложенное выше позволяет определять величину и форму ударного импульса в буровом инструменте, характер распределе­ ния контактного давления в зоне соприкосновения инструмента с буримой породой. Это в свою очередь дает возможность оценить величину разрушения породы за один удар. Разрушение зависит от физико-механических свойств буримой породы, формы породоразрушающпх лезвий коронки, величины усилий, действующих в зоие контакта породоразрушающпх лезвий и др. Названные параметры в то же время являются функцией глубины внедрения лезвпй. Решение такой задачи без упрощений довольно сложно, поэтому при решении попользовано понятие — «сопротивление гор­ ной породы внедрению в нее инструмента», предложенное Ферхарстом. Сопротивление горной породы характеризуется отношением силы Роп к скорости внедрения ѵл

где Рр — усилие, необходимое на разрушение породы под лезвием коронки. Величина Рр в процессе бурения характеризуется значе­ нием контактного давления и свойствами породы. Для горных пород с постоянными свойствами

а для коронок, армированных цилиндрическими вставками

FK= пп А [2 (R -f а) — А],

где a n d — полуширина площадок упругого деформирования и предварительного притупления лезвий; а — угол приострения лезвий; А — глубина внедрения лезвий в породу; L — длина лез­ вий; п — число вставок твердого сплава, находящихся одновре­ менно в контакте с горной породой; R — радиус вставки в зоне контакта.

При условии, в единицу времени на породу действует импульс с постоянной амплитудой, значение которого с учетом части импульса, потребной на разрушение, будет

где Е II с — модуль упругости и скорость звука для материала породоразрушающпх лезвпй; F — площадь начального упругого контакта инструмента с породой; — скорость перемещения лезвпй; Роп — усилие, действующее на пластины твердого сплава; Рісі — акустическая жесткость буримой породы; рс — акустиче­ ская жесткость инструмента в зоне контакта с породой.

С учетом выражений (3.54) и (3.56)

Показатель ф характеризует эффективность применения инстру­ мента с точки зрения внедрения его в буримую породу. С увеличе­ нием прочности и жесткости породы, увеличением площади на­ чального контакта п глубины внедрения значение ф растет, а с уве­ личением продолжительности и амплитуды ударного импульса снижается.

Оценку процесса бурения скважин по энергетическим затра­ там можно осуществить по соотношению

где Т — энергия, потребная на разрушение породы в процессе бурения; R — радиус скважины; стрв— предел прочности буримой породы при одноосном сжатии; ѵ — скорость бурения скважин; 0 — коэффициент трения между твердым сплавом и буримой

180

породой; z — число циклов пневмоударника (число циклов на­ гружений коронки). _

Принимая справедливым условие Т = Р0ПД, получим

Выполненные исследования дают возможность оценить вели­ чину и охарактеризовать механизм процесса разрушения породы за один удар. При ударе по инструменту в нем возникает импульс напряжений, движущийся к зоне контакта. На контакте инстру­ мента с породой, по мере приближения импульса, начинают воз­ растать о и в определенный момент достигают предельных значе­ ний, вызывающих разрушение породы. Процесс разрушения со­ стоит из трех этапов [3].

На первом этапе имеет место упругая деформация породы, внед­ рение лезвий происходит на незначительную величину (1—2%) от общей глубины внедрения). Минимальные т формируются на небольшой глубине от поверхности контакта. Первый этап характеризуется линейным ростом сопротивления породы внедре­ нию. При достижении а сдвига критических величин наступает разрушение породы. Одновременно с начальными выколами по­ роды, под лезвием она дополнительно дробится, уплотняется и сминается (и действующие в зоне контакта, имеют большие значения). На этой стадии образуется ядро уплотнения, от кото­ рого отходит ряд трещин. Из них две-пять крупных, имеющих протя5кенность в 10 раз большую, чем глубина лунки, полученная от внедрения лезвий в породу, а остальные — мелкие. Мелкими трещинами формируется так называемый начальный объем разру­ шения, который при последующих нагружениях инструмента существенно влияет на величину его внедрения. Первый этап за­ канчивается резким уменьшением угла наклона кривой сопроти­ вления породы внедрению.

Второй этап характеризуется интенсивным разрушением по­ роды и внедрением лезвий, последнее достигает примерно 90% от общего углубления. Основное разрушение происходит в резуль­ тате выкалывания боковых призм, являющегося следствием пере­ дачи давления от ядра уплотнения и выхода мелких трещин на поверхность. Горные породы, как правило, имеют кристалличе­ скую структуру, микротрещины и различного рода нарушения, поэтому плоскости скола проходят не строго по траекториям ттах, но располагаются довольно близко к ним. На втором этапе, после

181

осуществления первого крупного откола породы, энергия ударного импульса остается еще достаточной п процесс разрушения про­ должается. Образуется новое ядро уплотнения, представляющее собой продолжение предыдущего, происходит откол новых призм, но объем нх значительно меньше. Второму этапу свойственно постепенное увеличение сопротивления породы проникновению инструмента. Разрушение породы происходит несколькими пор­ циями (циклами) — скачкообразное внедрение инструмента. Это в свою очередь определяет ступенчатый характер кривой сопро­ тивления. Каждая последующая ступень располагается на более высоком уровне. После откола основных призм оставшаяся часть энергии удара недостаточна для продолжения эффективного про­ цесса разрушенпя. Этап закапчивается резким возрастанием со­ противления породы внедрению.

На третьем этапе часть энергии ударного импульса затрачи­ вается на разрушение, а часть на упругие деформации инструмента п породы. При этом остаточная энергия упругих деформаций доста­ точно велика. Вследствие упругого восстановления породы и ин­ струмента, последний отскакивает от забоя скважины и, повора­ чиваясь под действием крутящего момента станка, паноснт удар на новом месте забоя скважины.

В процессе бурения скважин, когда бывают предварительные нарушения на ее забое, трещпнообразованне происходит не­ сколько пначе. На развитие радиальных трещин существенное влияние оказывает дополнительная обнаженная поверхность. При расположении лезвпй вблпзн предварительного выкола по­ роды, откол призм происходит под влиянием растягивающих о, образующихся в результате внедрения инструмента п ядра уплот­ нения. Главные трещины, развиваясь от углов лезвия к его сере­ дине, экранируются предыдущим выколом п распространяются чаще всего к внутреннему углу выкола, являющимся концентра­ тором напряжений. Дальнейшие нагружения инструмента при­ водят к уплотнению трещин на забое и более эффективному раз­ рушению породы на втором этапе. Общий механизм разрушенпя крепких горных пород в процессе бурения скважин с нарушенным и ненарушенным забоями остается практически идентичным. Глубина разрушения пропорциональна глубине внедрения инстру­ мента и превышает последнюю в 2—3 раза. За время действия удар­ ного импульса лезвия внедряются в гранит (гладкая поверх­ ность) на глубину (0,3 + 0,6) мм, а в кварцит — (0,2 -у 0,5) мм. Продвижение лезвий определяется величиной и продолжитель­ ностью ударного импульса, которые в свою очередь зависят от конструктивных параметров ударной машины. Вариация послед­ них позволяет влиять на характер разрушения породы и передачи энергии в системе ударник — инструмент — порода.

При повышении крепости буримых пород динамические на­ грузки, возникающие в зоне контакта инструмента с породой при постоянных значениях амплитуды и продолжительности ударного

182

импульса, увеличиваются интенсивнее и достигают больших зна­ чений для равной силы удара. Рост амплитудного значения началь­ ного импульса при t = const способствует пропорциональному увеличению глубины внедрения коронки. Снижение крепости буримой породы способствует уменьшению Ртах.

Скорость внедрения инструмента в начальный момент примерно равна скорости ударника, однако в последующие моменты она очень быстро снижается и достигает 50% от начального значения. В конце внедрения скорость ^ 0 . С увеличением крепости буримой породы интенсивность уменьшения скорости внедрения увеличи­ вается.

Для бурения пород невысокой крепости предпочтительнее при­ менение продолжительного ударного импульса прямоугольной формы, подобные импульсы можно применять и для бурения креп­ ких пород.

Внедрению инструмента в гладкую поверхность породы проти­ водействует ее сопротивление на порядок выше по сравнению с внедрением в забой скважины, так как на забое постоянно имеет место участок породы, раздробленный предыдущими ударами.

В. Д. Андреевым экспериментально установлено. Уменьшение сопротивления породы на порядок приводит примерно к удвоению глубины внедрения. Рост амплитуды ударного пмпульса пропор­ ционально увеличивает глубину внедрения. Максимальные значе­ ния напряжений имеют место в начальный момент внедрения и составляют для шокшинского кварцита при внедрении с глад­ кой поверхности в среднем (60—70) тс/см2, т. е. близкие к вели­ чине контактных напряжений по штампу.

Величина напряжений на пластинах твердого сплава при внед­ рении их в породу по данным К. И. Иванова составляет crK?«

я« — птах. Э то находится в хорош ем соответствии с результатам и

Л

наших исследований, где установлено: стэкВ — Ртах.

и

Материалы экспериментальных исследований, выполненных различными авторами [3, 21, 27, 46], подтверждают результаты расчетов как по величине и форме ударного импульса, так н по величине контактных напряжений и глубины внедрения породоразрушающих лезвий, полученных с использованием изложенных методик аналитического исследования напряженности бурового инструмента.

Изложенный метод позволяет выполнить полный расчет буро­ вого инструмента практически любой конфигурации при различных схемах приложения внешних нагрузок, расчетным путем выбрать более рациональную форму его, высказать некоторые соображения по выбору оптимальных соотношений размеров, характеризующих конструкцию инструмента и др.

Правомерность применения разработанного метода аналити­ ческого исследования напряженного состояния коронок при разно­

183

Г Л А В А 4

ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ПНЕВМОБУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА

В результате выполненных экспериментально-теоретических исследований произведена оценка напряженного состояния раз­ личных конструкций коронок при разнообразных схемах приложе­ ния нагрузок, и на основании этого сформулированы требования на разработку бурового инструмента повышенной стойкости. Реализация рекомендуемых соотношений основных размеров кор­ пусов коронок, пластин твердого сплава и паяного шва позволяет снизить величину действующих напряжений по опасным зонам в 2—3 раза. В связи с чем стойкость бурового инструмента возра­ стает в несколько раз. Опытные коронки с пневмоударниками серийного производства при бурении эксплуатационных скважин показали увеличение скорости бурения в 1,2—1,3 раза, а стой­ кости в 2,0—2,5 раза.

§ 1. ВЫБОР ФОРМЫ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА

При обобщении данных экспериментального исследования различных конструкций бурового инструмента на объемных моде­ лях установлено, что в коронках со шпоночным пазом наиболее нагруженная зона связана с наличием последнего (аа для некото­ рых моделей > 10,0). В зависимости от соотношения конструктив­ ных параметров коронки (D, I, dL, Н, Н г, В г, і?2 и 7?3) максималь­ ные значения опр находятся в зоне Б, либо в зоне В (см. рис. 35). Выравнивание напряжений по зонам концентраций требует одно­ временного изменения нескольких параметров, так как вариация любого из вышеуказанных параметров влечет за собой изменения

враспределении напряженного состояния по конструкции в целом и особенно по тем зонам, к которым относится измененный пара­ метр коронки. Для серийно выпускаемых в настоящее время коронок (К-100В, К-15, К-17, К-28 и П-150) характерно наличие

взоне перехода от хвостовика к головке напряжений разного

185