книги из ГПНТБ / Повышение эффективности термического и механического бурения

тде /Пер — число сколов (пик) в единицу времени; т0в — общее чи­ сло пик; /р — время резания.

Для расчета на прочность твердосплавных пластин породораз­ рушающего инструмента определяли значение максимальной на­ грузки, наблюдаемой в процессе бурения и коэффициент ее нерав­

где Ртах и Рср — максимальная и средняя величина нагрузки на резец, Н.

При обработке и анализе экспериментальных данных по иссле­ дованию процессов разрушения горных пород и усилий, действую­ щих на режущие кромки породоразрушающего инструмента, при­ менены методы математической статистики [7, 42].

Породоразрушающий инструмент. Исследования напряженного состояния призабойной зоны скважины, вызванного одновременным воздействием на забой всестороннего равномерно распределенного давления, вертикальной нагрузки и крутящего момента, показали,

что приложение к забою скважины касательной нагрузки резкоизменяет характер напряженного состояния породы под резцом.. Вместо всестороннего сжатия в горной породе возникает неодно­ родное напряженное состояние, в котором заметную роль начи­ нают играть напряжения растяжения, изгиба и скалывания, (сдвига, среза). Учитывая то, что горные породы обладают зна­ чительно меньшей прочностью при растяжении, изгибе и скалыва­ нии, твердосплавный породоразрушающий инструмент нс вок формы для вращательного бурения пород средней крепости и креп­ ких армировали твердосплавными пластинами, геометрия кото­ рых при минимально возможной площади контакта резца с по­ родой позволяет передавать на забой скважины высокие удельныенагрузки (до 1000 кН/м длины лезвия) и осуществлять объемное разрушение горной породы. Резцы по торцу коронки располагают с учетом получения формы забоя скважины с максимально воз­ можным количеством свободных поверхностей, позволяющих эф­ фективно использовать неоднородное напряженное состояние гор­ ной породы и 40—50% площади забоя скважины разрушать за счет деформаций растяжения, изгиба и скалывания (сдвига, среза).

При разрушении пород средней крепости и крепких резанием; происходит скалывание элементов породы как впереди резца, так и с боков. Ширина борозды развала зависит от глубины внедрения; резца, угла скалывания породы и ширины резца. Поэтому рас­ стояние между режущими кромками и шаг резания должны быть, такими, при которых происходит почти полное отделение от забоя скважины целичков породы. Авторами установлено, что полноеотделение целичков горной породы от забоя скважины по концен­ трическим окружностям происходит при расстоянии между режу­ щими кромками, равном (1,62-*-2,47)А, и шаге резания 1,95—5,75 от глубины внедрения резца в породу.

Кроме того, при разработке конструкции породоразрушающегоинструмента новой формы для вращательного бурения принимали во внимание необходимость проходки скважины с минимальным искривлением и постоянным диаметром по всей глубине. Это обес­ печивается хордообразным расположением твердосплавных пла­ стин специальной формы по торцу коронки, калибрующие грани которых параллельны оси коронки.

Авторами разработаны новые конструкции твердосплавных рез­ цов и коронок Д-2СУ, Д-ЗС и Д-4С для вращательного бурения шпуров и скважин сплошным забоем диаметром (42, 45, 56, 76 и 93)10—3 м.

Резец Д-2СУ предназначен для бурения шпуров и скважин ди­ аметром (42 и 45) 10—3 м в монолитных малотрещиноватых горных породах с коэффициентом крепости до 12. Резец состоит из сталь­

ного корпуса и головки, армированной четырьмя пластинами спе­

Составляющие напряжения задаются следующими уравнениями:

Беря только члены, содержащие гп (п ^ Ѳ о), имеем

ar==2b0-\~2d0Q0 — 2a2cos20o — 2c2sin 2Ѳ0—(—/- (2,bxcos 0o-f-2rf1 sin Ѳ0—

— 6a3cos30o-j-6c3sin30o) — 12r2 (a4cos40o-j-c4sin40o) + • . ( 112 )

аѳ= 2й04- 2й,0Ѳо+2а2cos20 o-|-2c2sin20 o-|-6r (£, cos 0 o+ ^ i sin 0 o-j-

—j—й3cos 30Q—j—c3sin 30o) -j- 12r2(i>2cos 20o—}~d2sin 2Ѳ3-|—

~t-ß4cos4Ѳ0+С 4sin40o) + . . ( 1 1 3 )

тгѲ= —do-j-2a2sin20o —2c2cos20o+ r (2^ sin 0 O—2rf, cos 0 o-j-

-(-6а3sin 30o — 6c3 cos 30o) + r 2 (6b2sin 20o — 6d2cos 20o-j—

Изменив значения напряжений на безразмерные, нормальную яагрузку на единицу площади передней грани резца коронки мо­ жно выразить через сгпо = —1 , а нагрузку трения через то= &тр,

где &тр представляет собой отношение усилия подачи Рп к окруж­ ной нормальной силе резания Р0, приведенных к единице длины режущей кромки. Предполагая равномерное распределение на­ пряжений, все константы, содержащие г, т. е. b\, d x, а3, с3, b2, d2, Ü4 и С4 справа от аг, ав и тгѳ, можно приравнять нулю.

Принимая вершину режущей кромки резца за начало коорди­

где ß3— угол заострения резца.

Сравнивая уравнения (112) и (113) с уравнением (114), по­ ручаем следующие уравнения:

2Ь0-\-2а2= — 1 ;

2b0< -\-2d$3-\-2a2cos 2ß3—(— —{—2с2sin 2ß3= 0;

2c2 do= krp',

— d0Jr 2a2sin 2ß3— 2c2cos 2ß3= 0.

Решение этих уравненini дает следующие значения констант:

Главные безразмерные напряжения а' и о' в твердосплавных пластинах инструмента определяются по формулам:

П О Р О Д О Р А З Р У Ш А Ю Щ Е Г О И Н С Т Р У М Е Н Т А

При вращательном бурении на режущие кромки породоразру­ шающего инструмента постоянно действуют осевая и окружная на­ грузки. Причем, осевая нагрузка в процессе бурения остается практически постоянной, а окружная— периодически изменяется от минимума до максимума. Величина окружной нагрузки и ча­ стота ее изменения зависят от режима бурения, геометрии породо­ разрушающего инструмента и физико-механических свойств бури­ мых пород.

Нагрузки, действующие на режущие кромки породоразрушаю­ щего инструмента (табл. 32), определены по данным осциллографнрования процесса бурения горных пород твердостью по штампу 4000 мН/м2. Для характеристики напряжений, возникающих в твер­ досплавных' пластинках, систему сил, действующих на буровой инструмент, заменяем соответствующей им равнодействующей. Рав­ нодействующая сил резания, которая зависит от величины уси­ лия подачи и частоты вращения коронки, с повышением усилия по­ дачи от 10 до 20 кН увеличивается в 1,6— 1,94 раза (рис. 50, а), а с повышением частоты вращения от 80 до 180 об/мин уменьша­ ется в 1,01—1,12 раза (рис. 50, б).

ние нормальной окружной силы резания Р0 к усилию подачи Рп в зависимости от режима бурения изменяется от 0,4 до 0,94.

высота контакта резца с породой hK по передней режущей грани в процессе бурения крепких пород непостоянна и может быть зна­ чительно меньше толщины срезаемой стружки hc, нормальную на­ грузку на единицу площади передней грани резца стПо определяли для условий hK = h0 и /гк = 0,5/гс, Из табл. 33 видно, что величина нормальной нагрузки од в зависимости от режимов бурения изме­ няется от 425 до 2155 МН/м2.

Безразмерные значения сопротивления твердого сплава сжатию и изгибу (табл. 34) получены делением их на нормальную на­ грузку на единицу площади передней грани резца ол, соответст­ вующую каждому режиму бурения (см. табл. 33). Так, безразмер­ ное значение сопротивления твердого сплава ВК8 сжатию при бу­ рении с усилием подачи 20 кН и частотой вращения коронки 80 об/мин равно 3400 : 427,3 = 7,96.

23. Н А П Р Я Ж Е Н И Я И У С Л О В И Я Р А З Р У Ш Е Н И Я р е ж у щ и х к р о м о к

Т В Е Р Д О С П Л А В Н О Г О П О Р О Д О Р А З Р У Ш А Ю Щ Е Г О И Н С Т Р У М Е Н Т А

Напряжения в режущих кромках твердосплавного породораз­ рушающего инструмента рассчитаны по уравнениям (112), (ИЗ),

(114) и (119) для углов заточки резца 55, 65, 75 и 85° при нагрузке на переднюю его грань ап= —1 и отношении нормальной окруж­ ной силы резания Р0.й к усилию подачи Рп &Тр = 0,4; 0,5; 0,6 и

0,7 (табл. 35). Как видно из табл. 35, характер напряженного со­ стояния твердосплавной пластины породоразрушающего инстру­ мента зависит от угла ее заточки в режимах бурения. При угле заострения твердосплавной пластины 55° и £Тр = 0,4; 0,5 и 0,6 глав­ ные напряжения о' на передней ее грани являются напряжениями

растяжения, а о' — напряжениями сжатия. При угле заточки твер­ досплавной пластины 75 и 85° и коэффициенте krp = 0,4 ч-0,7 сг' и a g являются напряжениями сжатия. Следовательно, с уменьше­

нием угла заострения твердосплавной пластины породоразрушающего инструмента главное напряжение a'L на передней грани

может получить и большие растягивающие значения (см. табл. 35). Это будет оказывать существенное влияние на прочность твердо­ сплавного породоразрушающего инструмента, так как предел проч­ ности твердого сплава на растяжение в 3—4 раза меньше предела прочности на сжатие.

Из табл. 35 и рис. 51 видно, что разность главных напряжений о' — а' имеет большие значения на передней и задней гранях твер­

досплавной пластины породоразрушающего инструмента, чем по ее оси симметрии. При углах заострения твердосплавной плас­ тины меньших 65° напряжения а' — а' на задней грани резца

больше, чем на передней. С увеличением угла заострения твердо­ сплавной пластины породоразрушающего инструмента от 55 до 85° напряжения о' — ст' как на передней, так и на задней гранях