книги из ГПНТБ / Повышение эффективности термического и механического бурения

приращения проходки становится меньше скорости приращения площадки притупления режущих кромок резца, уменьшается удель­ ное давление, а следовательно, и величина напряжений в твердо­ сплавной пластинке. Это подтверждается исследованиями зависи­ мости напряжений в твердосплавной пластинке от скорости реза­ ния (рис. 63).

С увеличением частоты вращения коронки до 200 об/мин наблю­ дается незначительное уменьшение напряжений как по контуру задней грани, так и по передней.

Максимального значения (3729 мН/м2) контурные напряжения по задней грани резца достигают при бурении коронкой с перед­ ним отрицательным углом ß0 = —5° на режиме Рп = 20 кН и я0б = = 80 об/мин; минимального — на режиме Рп = 20 кН и п0б= = 144 об/мин при бурении резцом с передним отрицательным углом ß0 = —20°.

На прочность породоразрушающего инструмента и эффектив­ ность разрушения крепких горных пород помимо режимов бурения и физико-механических свойств горных пород существенное влия­ ние оказывает геометрия режущих кромок бурового инструмента.

С изменением геометрии режущих кромок твердосплавных пла­ стинок породоразрушающего инструмента существенно изменяются

площадь и силы нормального давления на переднюю грань резца, что не может не влиять на величину контактных напряжений.

Исследованиями динамики работы породоразрушающего ин­ струмента установлено, что с увеличением переднего отрицатель­ ного угла ßo, контурные напряжения по задней режущей кромке уменьшаются (рис. 64).

31. Х А Р А К Т Е Р Н А П Р Я Ж Е Н Н О Г О С О С Т О Я Н И Я Т В Е Р Д О С П Л А В Н О Й П Л А С Т И Н К И Б У Р О В О Г О И Н С Т Р У М Е Н Т А

По данным покадровой расшифровки результатов киносъемки процесса бурения в поляризованном свете определен характер изменения напряжений в твердосплавной пластинке бурового инструмента во времени.

Характер изменения радиальных напряжений в твердосплавной пластинке породоразрушающего инструмента качественно анало­ гичен для всех режимов бурения (рис. 65).

Рис. 65. Картина полос в твердосплавной пластинке при л0=80 об/мнн

иР п = 20 кН:

а—Ро=—5°; б — ßo=—10°; в — ß„=—20°.

Вколичественном отношении с увеличением усилия подачи ра­ диальные напряжения возрастают в направлении от нейтральной оси к задней грани резца.

По абсолютной величине радиальные напряжения в твердо­ сплавной пластинке для радиуса вектора r = 1 мм достигают мак­ симального значения на контуре задней грани. Однако эти напря­ жения не превышают предела прочности твердого сплава на сжатие, за исключением случая, когда бурение осуществляется ко­ ронкой с передним отрицательным углом'ßo=—0—5° на режиме Рп = 20 кН и по= 80 об/мин.

При бурении на неблагоприятных, с точки зрения характера распределения напряжений, режимах наблюдается смещение нейт­ ральной оси к оси симметрии пластинки (клина). В этом случае на

передней грани резца и в области между передней гранью и нейт­ ральной осью возникают напряжения растяжения, что оказывает влияние на прочность бурового инструмента, так как предел проч­ ности твердого сплава на растяжение и изгиб в 3—4 раза меньше предела прочности на сжатие.

В процессе бурения напряжения в твердосплавной пластинке бурового инструмента изменяются от второго до седьмого порядка. Продолжительность изменения напряжения зависит от режимных параметров и физико-механических свойств разрушаемого мате­ риала.

Авторами установлено, что при разрушении эпоксимала, свин­ цовой пластины и песчано-глинистого сланца продолжительность цикла (изменения напряжений от максимума до минимума) колеб­ лется от 0,02 до 0,053 с.

Результаты исследования характера и величины напряжений в твердосплавных пластинах породоразрушающего инструмента новой формы, полученные методом скоростной киносъемки в по­ ляризованном свете, хорошо согласуются с данными осциллографирования процесса бурения натурных горных пород.

Таким образом, на основании анализа динамики работы поро­ доразрушающего инструмента новой формы установлено, что по­ высить прочность и износостойкость режущих кромок твердосплав­ ных пластин коронок можно путем выбора вполне определенного режима работы и его геометрии.

32. Ф А К Т О Р Ы , О К А З Ы В А Ю Щ И Е С У Щ Е С Т В Е Н Н О Е В Л И Я Н И Е Н А П Р О Ч Н О С Т Ь Т В Е Р Д О С П Л А В Н Ы Х П Л А С Т И Н

На прочность твердосплавных пластин породоразрушающего инструмента влияют: характер изменения напряжений во времени; концентрация напряжений; режимы бурения и геометрия пластины (резца). В свою очередь на характер изменения напряжений в твердосплавных пластинах породоразрушающего инструмента влияют режимы бурения и его геометрия.

Для установления основных параметров динамики работы по­ родоразрушающего инструмента по оптической картине полос, по­ лученной с помощью скоростной киносъемки в поляризованном свете, графоаналитическим методом определены составляющие и равнодействующая сил резания для каждого режима бурения (табл. 39).

Величина равнодействующей сил резания с повышением усилия подачи возрастает по линейному закону, а с увеличением частоты вращения — уменьшается; уменьшается и угол отклонения ее от нейтральной оси. Величина равнодействующей и угол ее отклоне­ ния от нейтральной оси твердосплавной пластинки породоразру­ шающего инструмента (клина) с увеличением переднего отрица­ тельного угла также уменьшается (рис. 66). Этим самым созда­ ются благоприятные условия работы твердосплавных пластинок,

в зависимости от режима бурения и геометрии бурового инстру­ мента, можно подобрать такие условия (с точки зрения обеспече­ ния прочности режущих кромок), при которых снижается вероят­ ность хрупкого разрушения.

По данным покадровой расшифровки установлено, что одно­ родное напряженное состояние в режущих кромках твердосплав­ ных пластин породоразрушающего инструмента новой формы воз­ никает при отношении окружной нагрузки к вертикальной равном или меньшем 0,3 (см. табл. 39).

Напряжение в твердосплавной пластинке бурового инструмента (табл. 40, рис. 61—65) изменяются от минимального до максималь­ ного значения.

За критерий оценки изменения напряжений в твердосплавной пластинке бурового инструмента приняты:

амплитуда стц, определяемая по формуле

В количественном отношении напряжения по контуру твердо­

Напряжения растяжения по передней режущей кромке буро­ вого инструмента возникают при бурении коронкой с углом за­ точки 75° (передний отрицательный угол 5°) на режиме Рп= 10 — 20 кН и пОб = 80 и 144 об/мин.

Амплитуда цикла изменения напряжений в твердосплавной пла­ стинке по задней режущей грани бурового инструмента с повыше­ нием усилия подачи для резцов с различными углами заточки уве­

происходит по асимметричному знакопостоянному циклу, при кото­ ром среднее напряжение больше нуля и больше амплитуды коле­ бания. Коэффициент асимметрии цикла в зависимости от геомет­ рии режущей кромки резца и режима бурения изменяется от 0,4 до 0,9 по задней и от 0,1 до 0,8 по передней граням твердосплав­ ной пластинки (см. табл. 40).

Общее число циклов нагружений режущей кромки твердосплав­ ной пластинки породоразрушающего инструмента ѵѴн определяется

и в зависимости от режимных параметров и типа буримых пород изменяется от 3,9- ІО5 до 18,5-10® (табл. 41).

от конструкции инструмента и свойств буримых горных пород ра­ вен 28,8— 1100 мин (табл. 41).

В вершине резца, а также в местах резкого изменения контура твердосплавной пластины происходит перераспределение напря­ жений. В этих местах могут развиваться усталостные трещины и разрушение твердого сплава. Перераспределение напряжений в твердосплавных пластинах в зависимости от их геометрии и ре­ жимных параметров оценивается коэффициентом концентрации на­ пряжений.

Коэффициент концентрации напряжений [96]

F

где /Птах — максимальный порядок полосы; а*— цена полосы мо­

дели, Н/м; Рм— нагрузка на модель, H; F — площадь сечения мо­ дели, м2, вычислен по данным картины полос.

Коэффициент концентрации напряжений (табл. 42) с повыше­ нием усилия подачи от 10 до 20 кН, частоты вращения от 80 до 182 об/мин и угла заточки от 75° до 90° уменьшается от 13,8 до 7,2.

Коэффициент неравномерности нагрузки на режущие кромки бурового инструмента по данным покадровой расшифровки резуль­ татов киносъемки процессов бурения (резания) в поляризованном свете колеблется от 1,05 до 1,4.

Результаты исследований динамики работы породоразрушаю­ щего инструмента новой формы методом скоростной киносъемки в поляризованном свете хорошо согласуются с результатами, по­ лученными аналитическим и оптическим методами исследования напряжений в твердосплавной пластинке бурового инструмента при статической нагрузке. Контурные напряжения, определенные мето­ дом скоростной киносъемки, отличаются от напряжений, рассчи­ танных аналитическим способом, на 19,2—49%. Коэффициенты не­ равномерности нагрузки на режущие кромки твердосплавной пла­ стинки, полученные методом скоростной киносъемки в поляризо­ ванном свете и методом осциллографирования, отличаются друг от друга на 0,9—17,9%. Большая разница в частоте процесса на­ растания и спада напряжений в твердосплавной пластинке объяс­ няется разностью физико-механических свойств натурных горных пород, разрушаемых при осциллографировании процесса бурения (красный и серый гранит), и песчано-глинистого сланца и свинцо­ вой пластины, разрушаемых на стенде при скоростной киносъемке процесса резания в поляризованном свете.

Таким образом, анализ результатов исследования динамики работы породоразрушающего инструмента позволил установить следующее.

1. Основные данные, полученные методами скоростной кино­ съемки в поляризованном свете и тензометрирования, хорошо со­ гласуются с данными, полученными теоретически и оптическим ме­ тодом при статическом нагружении модели твердосплавного поро­ доразрушающего инструмента.