книги из ГПНТБ / Повышение эффективности термического и механического бурения

обрабатываются, отличаются простотой изготовления и малым сро­ ком отверждения. Наибольшее распространение получил материал марки ЭД-6М, основные оптико-механические свойства которого при комнатной температуре следующие.

На основе эпоксидных смол можно получить материалы с ши­ роким диапазоном модуля упругости путем изменения процентного

2 ч.

Полимеризацию и отжиг эпоксимала производили в термостате, оборудованном контактным термометром для регистрации темпе­ ратуры по специальному режиму, выбранному в зависимости от размера плит.

Для плиток толщиной до 10 мм приняты такие режимы: полимеризация — выдержка при температуре 323 К до резино­

образного состояния материала в течение 24 ч; плавный подъем температуры от 323 до 373 К по 5 К в 1 ч; выдержка при темпе­

державки клеем, приготовленным из эпоксидной смолы и отверди-

теля полиэтиленполиамина (на 100 г смолы добавляли 10 г аце­ тона и 6,5 г полиэтиленполиамина). Места склейки очищали ацетоном, склеенные модели породоразрушающего инструмента выдерживали при комнатной температуре 24—36 ч. Для повышения прочности шва склеенные модели пластинки и державку прогре­ вали в термостате при температуре 323 К в течение 2 ч. После доводки и подготовки модели породоразрушающего инструмента,, осуществляемой ручной опиловкой, модель отжигали для снятия внутренних напряжений по вышеизложенному режиму.

Оптико-механические свойства материала, из которого изготав­ ливались модели породоразрушающего инструмента, определяли при комнатной температуре на тарировочных образцах, изготов­ ленных из тех же плиток, что и модели. Модуль продольной упру­ гости Е и коэффициент Пуассона ц материала определяли по фор­ мулам:

где Р ' — сила, приложенная к образцу; F — площадь поперечного сечения образца; в — относительная продольная деформация;

после нагружения при комнатной температуре измеряли на инстру­ ментальном микроскопе УИМ-21 с точностью 0,0001 мм. Образец нагружали с помощью специально изготовленного приспособления. Модуль упругости эпоксимала ЭД-6М, применяемого для модели­ рования породоразрушающего инструмента, равен 2550 мН/м2; ко­ эффициент Пуассона — 0,36 и цена полосы материала o J = 1 1 7 x

Х102Н/м. Модуль упругости применяемого твердого сплава ВК8 равен 5400 МН/м2, а коэффициент Пуассона — 0,28.

27. ТЕХНИКА КИНОСЪЕМКИ

Техника и методика киносъемок представляет собой совокуп­ ность способов и приемов, относящихся к подготовительному, съемочному и послесъемочному периодам и включает выбор час­ тоты съемки и выбор масштаба изображения.

Основой для выбора частоты скоростной киносъемки являются сведения о продолжительности максимальных скоростей движения или изменения изучаемого процесса. Скорость движения резца на опытном стенде составляет 0,061, 0,067 и 0,075 м/с; продолжитель­ ность максимальной скорости движения резца 0,5 с.

Скорость движения изображения объекта на пленке в кино­ съемочной камере зависит от масштаба изображения [54].

тде ѵт п ѵ05 — скорость движения соответственно изображения и

движения объекта; м/с; 1 /тл — линейный масштаб изображения. Приняв, что для рассмотрения большинства процессов исследо­ вателю достаточно приблизительно 3 с, получим следующее выра­

жение частоты съемки:

•где І^пр— частота кинопроекции (для 16 мм пленок частота про­ екции Ц7цр = 24 кадра в секунду); іпал— продолжительность сни­ маемого явления, с.

Материалы скоростной киносъемки предназначены для покад­ ровой расшифровки. Поэтому желательно, чтобы смазка изображе­ ния не превышала величины, определяемой разрешающей способ­ ности системы оптика-пленка. Эта разрешающая способность для камеры СКС-1 при съемке объекта с очень высоким контрастом составляет 30—40 лин/мм. Таким образом, на пленке в камере мо­ жет быть раздельно зафиксирован элемент объекта, изображение которого имеет величину в 1/60— 1/80 мм и отдельно от смежного кадра просветом такого же порядка (размера). Для камеры СКС-1 принимаем величину допускаемой смазки <5СМ= 0,03 мм.

Исходя из этой величины, выдержка при съемке

где ѵ0б— скорость движения объекта, выраженная в мм/с и отне­ сена к плоскости, параллельной плоскости пленки в камере.

Выдержка tcм и частота съемки Wc для киносъемочных камер с оптической компенсацией может быть выражена соотношением

где k0— коэффициент обтюрации, который показывает, какая часть цикла одной кадро-смены используется для экспонирования каж­ дой точки изображения.

У киносъемочной камеры СКС-1 в 16-миллиметровом варианте k0 —0,2 [56].

Теперь можно найти выражение для частоты съемки в зависи­ мости от максимальной скорости движения объекта, снимаемого в определенном масштабе, исходя из принимаемой величины смазки.

с помощью графиков [56]. Для скорости движения объекта, равной

ртутно-кварцевую лампу ПРК-7, техническая характеристика кото­ рой следующая.

Исследование характера напряженного состояния твердосплав­ ной пластины породоразрушающего инструмента в процессе реза-

Рис. 55. Схема стенда для исследования динамики работы породоразру­ шающего инструмента

ния выполнены в лабораторных условиях на специальном стенде (рис. 55). Резание горной породы осуществлялось со скоростью 0,061, 0,067 и 0,075 м/с, частота вращения инструмента 28, 30 и 34 об/мин (при пересчете на коронку диаметром 42-ІО-3 м). Про­ цесс разрушения породы и характер изменения напряжений в мо­ дели породоразрушающего инструмента фотографировали ско­ ростной кинокамерой СКС-1.

Стенд состоит из полярископа 1, собственно стенда с нагру­ зочным устройством 2, державки твердосплавной пластины 3, ме­ ханизма перемещения модели 4, скоростной кинокамеры СКС-1 5 и пульта управления 6.

Напряженное состояние инструмента изучали по картине полос (изохром), заснятых на кинопленку.

Разность главных напряжений определяли методом полос по формулам

Анализ заснятых кинопленок заключался в кинопросмотре и покадровой расшифровке. Кинопросмотр осуществлялся для оценкіг характера изменения напряженного состояния породоразрушаю­ щего инструмента в качественном отношении.

Механизм разрушения горной породы при вращательном буре­ нии носит характер периодического скола с резкими колебаниями напряжений на лезвиях инструмента от максимума до минимума,, величину и характер распределения которых необходимо устано­ вить.

Каждый кадр пленки можно рассматривать как фотографичес­ кую запись напряженного состояния режущей кромки резца в дан-

И С С Л Е Д О В А Н И Е 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

29. Н Е Р А В Н О М Е Р Н О С Т Ь И Ч А С Т О Т А И З М Е Н Е Н И Я Н А Г Р У З К И

НА Р Е Ж У Щ И Х К Р О М К А Х 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

Под режущим инструментом, который передает усилие, отде­ ляющее породу от массива, возникают высокие контактные напря­ жения, сконцентрированные в небольшом объеме и которые по мере удаления от контакта резко падают. При нарастании усилия резания, контактные напряжения достигают предельного значения и на контакте пары резец — порода начинается процесс дробления. Движение резца сопровождается нарастанием напряжений в не­ разрушенном массиве и одновременным развитием сферы контакт­ ного дробления.

Нарастание силы резания происходит не плавно, а отличается случайными спадами до величины, определяемой площадью кон­ такта передней грани резца с разрушаемым массивом. Сила реза­ ния в этом случае не уменьшается до нуля, что подтверждается осциллограммами процесса бурения. В конечном итоге в погра­ ничной с ядром дробления зоне возникают предельные напряже­ ния, вызывающие отделение крупного элемента от массива. После завершения отдельного скола сила резания практически мгновенно падает до определенного минимального значения.

Процесс разрушения породы сопровождается непрерывным уве­ личением площади контакта резца с породой и периодическим ростом сил резания до максимальных значений, зависящих от ре­ жима разрушения, структурной и петрографической особенности строения породы. Поэтому процесс нарастания и спада сил реза­ ния и его продолжительность не стабильны.

Аналогичная картина изменения напряжений наблюдается в бу­ ровом инструменте при бурении крепких горных пород.

Коэффициент неравномерности нагрузки на резцы Д-2СУ и Д-ЗС по мере увеличения усилия подачи уменьшается (рис. 58, табл.38).

Для резцов РП-7Ц, по мере увеличения усилия подачи, коэф­ фициент неравномерности нагрузки увеличивается. Это вызвано, по всей вероятности, изменением направления силы резания на вспомогательной режущей кромке с положительного (сила по пе­ редней грани) на отрицательное (сила по задней грани) за период поворота резца вокруг переменной оси.

Частота процесса нарастания и спада напряжений в режущих кромках бурового инструмента колеблется в широких пределах и изменяется для резцов Д-2СУ и Д-ЗС от 150 до 340 1/с, а для рез­ цов РП-7Ц от 200 до 770 1/с. С ростом осевого усилия число сколов уменьшается, а следовательно, и падает частота изменения напря­ жений в режущих кромках твердосплавных пластин бурового ин­ струмента и деталях буровой машины (рис. 59). Так как жесткость ■системы (буровой инструмент, штанга и привод) достаточно ве-

лика, можно предположить, что частота колебаний нагрузок на бу­ ровом инструменте воспринимается и приводом. Установить зако­ номерность изменения коэффициента неравномерности и частоты нагрузки в твердосплавных пластинках бурового инструмента в за­ висимости от скорости вращения не представилось возможным.

Анализ вышеизложенного показывает, что при бурении в креп­ ких горных породах резцами новой формы в зоне объемного раз­ рушения создаются условия значительного повышения прочности режущих кромок бурового инструмента, так как с увеличением усилия подачи коэффициент неравномерности нагрузки и частота процесса нарастания и спада напряжений в режущих кромках твердосплавных пластин уменьшаются соответственно в 1,5 и 2 раза.

При бурении серийными резцами типа РП, с увеличением уси­ лия подачи, коэффициент неравномерности нагрузки и частота про­

цесса растут и создаются неблагоприятные условия с точки зрения прочности режущих кромок твердосплавных пластин бурового ин­ струмента. Этим подтверждается то, что при осевых усилиях свыше 7000—8000 Н серийными резцами РП бурить невозможно из-за по­ ломки твердосплавных пластин.

На прочность твердосплавных пластин бурового инструмента существенное влияние оказывает характер и величина напряжений по передней и задней граням. Поэтому авторами было уделено осо­ бое внимание изучению напряжений в твердосплавных пластинках инструмента по этим граням в зависимости от параметров режима бурения (в процессе резания).

Контурные нормальные напряжения по задней грани резца (рис. 60, 61, 62) с увеличением усилия подачи возрастают. Макси­ мального значения (3852 мН/м2) они достигают у вершины режу­ щей кромки, а на расстоянии 6—8 мм от вершины имеют мини­ мальное значение (51—46 мН/м2).

По передней режущей грани резца в зависимости от режима бу­ рения контурные нормальные напряжения равны нулю или имеют незначительную величину противоположного знака, по сравнению с напряжениями по задней грани, и максимального значения дости­ гают у вершины резца (см. рис. 61).

Напряжения сжатия и растяжения, возникающие в этой обла­ сти, достигают опасных значений для твердого сплава на режиме бурения Рп = 20 кН и /г Об = 80 об/мин и могут вызвать разрушение

твердосплавной пластинки, что иногда и встречается в практике. Эти напряжения особенно неблагоприятны в случае, когда твердый сплав работает при переменных нагрузках — при работе твердого сплава на усталость. На оптимальных режимах величина нормаль­ ных контурных напряжений в твердосплавной пластинке как по задней, так и по передней граням резца не превышает предела прочности твердого сплава на сжатие и растяжение.

Таким образом, исследования характера напряженного состоя­ ния твердосплавных пластин породоразрушающего инструмента в зависимости от усилия подачи подтверждают возможность повы­ шения эффективности процесса разрушения горных пород за счет увеличения осевого усилия подачи на забой скважины в пределах, близких пределу прочности твердого сплава.

Известно, что при вращательном бурении крепких горных по­ род коронками новой формы скорость бурения при постоянном усилии подачи с з'величением частоты вращения породоразрушаю­ щего инструмента до определенного значения возрастает, а затем начинает падать. Это происходит вследствие того, что при достиже­ нии определенного значения частоты вращения коронки скорость