книги из ГПНТБ / Повышение эффективности термического и механического бурения

уменьшаются, изменяясь по гиперболе. Причем интенсивность уменьшения напряжений о' — о' на задней грани значительно

больше, чем на передней. Напряжения о' — а' на передней грани

резца медленно убывают с увеличением угла заострения ß3 в об­ ласти, превышающей 65°, и интенсивнее возрастают в области зна­ чений ß3, меньших 65°.

Рис. 51. Напряжения в режущей кромке резца в зависимости от угла заострения:

Нормальные напряжения (<т' + ст')/2 для данных углов заостре­

ния твердосплавных пластин и режимов бурения как на передней, так и на задней грани резца являются отрицательными (напря­ жения сжатия). На задней грани резца при угле его заострения 65—85° они значительно бодьше, а при угле заострения 55—65° — несколько меньше, чем на передней. С увеличением угла заостре­ ния твердосплавной пластины породоразрушающего инструмента

напряжения (a[ + o'z)/2 на задней грани резца возрастают, а на

передней убывают.

На основании выше рассчитанных напряжений критерий разру­ шения режущих кромок твердосплавной пластины породоразру­ шающего инструмента (а' — а ')/2 в соответствии с теорией макси­

мальных напряжений Мора находится в зависимости от нормаль­ ного напряжения, т. е. (а' — a ')/2 = f (ст/) .

На рис. 52 приведены круги максимального критического на­ пряжения разрушения твердого сплава ВК8, построенные по без­ размерным значениям сопротивления его сжатию и изгибу. За

,®і +- а2 твердосплавной пластины породораз-

°а= 2 рушающего инструмента. Анализ на­

пряжений на передней п задней гранях резца в зависимости от угла его заострения и режимов бу­ рения показал, что при угле заострения 55°, бурении с усилием подачи 2 0 кН и частотой вращения 8 0 , 182 об/мин предполагается разрушение режущей кромки резца, так как. (а '— а') больше ве­

личины 2 0 з С . На рис. 53, а и б приведены критические кривые, соответствующие значениям нормальных напряжений (o[ + o'z)/2 на

передней и задней гранях твердосплавной пластины (резца) и пре­ дела прочности твердого сплава ВК8 на сжатие а'.и и растяжение

а ' . Минимальные значения углов заострения твердосплавных пла­

стин породоразрушающего инструмента, при которых не происхо­ дит их разрушение, соответствуют точкам пересечения критичес­ ких кривых с кривой (сг'— о') (табл. 36). Например, при высоте

контакта резца с породой по передней грани, равной половине глубины его внедрения, критический угол заострения твердосплав­ ных пластин при &тр=0,4 составляет 70—84°, а при /гтр = 0,6 69—85°.

5.Вышеперечисленным требованиям отвечают резцы и коронки Д-2СУ, Д-ЗС и Д-4С, геометрические параметры которых позво­ ляют вести бурение пород средней крепости и крепких с высокими удельными нагрузками (до 10е Н/м длины режущей кромки), вы­ сокой средней скоростью бурения при удовлетворительной их проч­ ности и минимальной объемной работой разрушения породы.

6.Характер и величина напряжений в твердосплавных пласти­ нах породоразрушающего инструмента зависят от режимов буре­ ния и его геометрии. Бурение пород средней крепости и крепких породоразрушающим инструментом с углом заострения твердо­ сплавных пластин 55—65° нецелесообразно, так при этих углах заточки может произойти их разрушение вследствие появления на передней грани пластины (резца) напряжений растяжения.

7.Бурение пород средней крепости и крепких вращательным способом необходимо вести породоразрушающим инструментом, армированным твердосплавными пластинами с углом заострения 79—85°. При этом, при правильно выбранных режимах бурения, на передней й задней гранях резца наблюдаются напряжения сжатия,

анапряжения сдвига и нормальные напряжения с увеличением угла заточки уменьшаются.

М Е Т О Д И К А И С С Л Е Д О В А Н И Я Д И Н А М И К И Р А Б О Т Ы

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

24. О Б О С Н О В А Н И Е М Е Т О Д А И С С Л Е Д О В А Н И Я

Повышению прочностных свойств твердых сплавов и совершен­ ствованию технологии изготовления твердосплавного породоразру­ шающего инструмента в настоящее время уделяется большое вни­ мание исследователями. Изысканию рациональной формы (геомет­ рии) твердосплавных пластин посвящены работы многих советских исследователей. В них обосновывается геометрия твердосплавных пластин породоразрушающего инструмента на основании исследо­ вания его прочности или характера напряжений в нем тем или иным методом при статическом нагружении. Динамика работы инструмента в исследованиях не получила соответствующего раз­ решения. По мнению авторов, наиболее обоснованные данные по выбору рациональной формы твердосплавных пластин породораз­ рушающего инструмента можно получить при знании характера изменения напряжений в нем во времени в реальных условиях, т. е. при знании параметров динамики его работы.

Обычно исследования породоразрушающего инструмента прово­ дятся испытанием на его прочность. При испытаниях на прочность породоразрушающий инструмент нагружается до разрушения или до определенной величины износа при бурении. В этом случае оце­ ниваются лишь результаты взаимодействия породоразрушающего инструмента с породой и испытания характеризуют процесс не по причине, а по следствию и требуют проведения большого числа опытов.

Для решения вопросов, связанных с разработкой твердосплав­ ного породоразрушающего инструмента, необходимо знать меха­ низм и характер изменения напряжений в твердосплавных пласти­ нах во времени, а также параметры динамики его работы (коэф­ фициент неравномерности нагрузки, частоту процесса и амплитуду изменения напряжений) в зависимости от режимов бурения.

Характер изменения напряженного состояния в породоразру­ шающем инструменте можно проследить в динамике оптическим методом с применением скоростной киносъемки в поляризованном свете. Исследовательская киносъемка в поляризованном свете даст возможность сделать зримыми явления и процессы, которые не мо­ жет уловить человеческий глаз при непосредственном наблюдении.

Метод динамической фотоупругости позволяет определить общий характер распределения напряжений и условия, при которых обес­ печивалась бы наиболее высокая прочность породоразрушающего инструмента. Исследования процесса в динамике позволяют рас­ смотреть механизм образования такого критического состояния, которое должно являться причиной разрушения пары резец — по­ рода в зависимости от режимных параметров и геометрии поро­ доразрушающего инструмента.

Экспериментальные данные по динамике работы породораз­ рушающего инструмента, полученные методом скоростной кино­ съемки в поляризованном свете, дают возможность установить ве­ личину и характер напряжений в твердосплавных пластинах бу­ рового инструмента в зависимости от режимных параметров и его геометрии, определить условия, при которых обеспечивается высо­ кая прочность режущих кромок инструмента и научно обосновать технико-эксплуатационные требования на проектирование породо­ разрушающего инструмента и буровых станков.

25. М О Д Е Л И Р О В А Н И Е И У С Л О В И Я П О Д О Б И Я

Использование моделей из оптически активных материалов для моделирования напряженного состояния твердосплавного породо­ разрушающего инструмента для вращательного бурения основано на том, что в условиях плоской задачи при заданных внешних нагрузках напряженное состояние односвязанного (конечного) тела зависит только от его формы и размеров и не зависит от материала, из которого это тело изготовлено [39, 96]. Данные мно­ гих экспериментов и теоретических расчетов показывают [79, 97], что при решении плоской задачи при граничных условиях, задан­ ных в виде нагрузок, влияние коэффициентов Пуассона на распре­ деление напряжений незначительно и в большинстве случаев может не приниматься во внимание. Этим подтверждается возмож­ ность исследования напряжений методом моделирования для мате­ риала, не являющегося вполне однородным и упругим.

Учитывая свойства металлов и специфику бурения [4, 99], а также на основании вышеизложенного, при исследовании напря­ женного состояния породоразрушающего инструмента принимаем, что материал коронок является упругим, однородным и изотроп­ ным. Условия подобия при моделировании упругого поля напряже­ ний получаются из анализа размерностей [83], что дает масштаб для перехода от величии, замеренных на модели (напряжения, де­ формации) к соответствующим величинам в натуре.

Модели инструмента выполняли и нагружали с соблюдением

где lu, ku Ru, RM— соответственно линейные размеры и равнодей­ ствующие нагрузки в натуре и модели.

Зависимость между напряжениями ап и сгм для плоской задачи

где LMи La — толщина детали в натуре и модели, м. Зависимость между напряжениями аи и стм вдоль кромок

Модели породоразрушающего инструмента при исследовании динамики его работы нагружали на специальном стенде вертикаль­ ной нагрузкой Ра и горизонтальной силой Р0 в соответствии с усло­ виями подобия. Условия моделирования действующих нагрузок в процессе резания резцами с углами заточки 75, 80 и 90° приве­ дены в табл. 37.

Для исследования напряжений оптическим методом применя­ ются оптически активные материалы на основе эпоксидных смол марок ЭД-6М, ЭД-5, ЭД-40 и Э-41. Эпоксидные смолы обладают высоким коэффициентом качества, достаточно однородны по меха­ ническим и оптическим характеристикам, прозрачны, имеют высо­ кую оптическую активность и линейную зависимость между на­ пряжениями и деформациями, малый краевой эффект, хорошо