В результате сложного циклического нагружения, тела качения опор шарошечных долот выдерживают определенное количество циклов  нагружения [1]. На наибольшее количество циклов  до разрушения  опоры шарошек конструктивно могут влиять такие особенности, как тип подшипника, его герметизация, наличие козырька, выбор материала тел качения и других элементов [6].

Для тел качения ресурс подшипника с учетом дополнительной циклической нагрузки [7]

Для большей проходки долот при одинаковых режимных параметрах бурового станка важно правильно подобрать вооружение шарошек. К особенностям вооружения относится материал, форма зубьев шарошки, относительное расположение венцов зубьев, их частота расположения в каждом ряду, выступание зубьев из тела шарошки.

В настоящее время существует большое количество методик для определения производительности буровых станков шарошечного бурения. При этом нет достаточно формализованной методики, однозначно показывающей нелинейную зависимость скорости бурения от частоты вращения бурового става. Экспериментальные и опытные данные наглядно показывают, что скорость бурения возрастает до некоторых пор почти линейно, но постепенно она перестает увеличиваться [9]. Это объясняется следующим образом. Шарошечное долото в принципе своей работы имеет механизм циклического воздействия отдельных зубьев на забой скважины. Горная порода характеризуется рядом физико-механических характеристик, которые с точки зрения механики разрушения можно объединить в две группы: структурные и прочностные. Горная порода в конкретной точке массива имеет определенный набор свойств, которые определяют некоторое количество механической работы, которую необходимо совершить буровому станку, посредством очередного зубца шарошки, чтобы разрушить некоторый объем этой породы. При этом исполнительный орган бурового станка имеет определенную мощность, с которой нужно воздействовать на объем горной породы определенный промежуток времени, чтобы ее разрушить, совершив работу:

 

где tраз – время, необходимое для разрушения некоторого объема горной породы посредством одного зубца шарошки; N –   мощность исполнительного органа бурового станка, передаваемая посредством бурового инструмента для разрушения породы:

N = Pос v ,

 

 где Pос – осевое усилие; v – скорость бурения.

Шарошечные долота, как правило, эффективно работают при бурении твердых, но хрупких пород. В случае значительной упругости материала, существенной будет доля потери энергии на деформацию и преобразование ее в тепло. Однако при крепости более 6 по шкале Протодьяконова, породы, в большинстве случаев, не имеют значительной упругости и позволяют работать шарошечному долоту в режиме хрупкого разрушения породы.

При данных условиях, по сведениям Цуприкова А.А. [5] скорость бурения, без учета потерь энергии на деформацию породы и выделение тепла, можно определить из выражения:

где nвр – частота вращения шарошечного долота, с-1; D1 – диаметр шарошечного долота, м; Pос – осевое усилие, Н; kш – коэффициент пропорциональности, равный радиусу шарошек долота, м; kоб.раз – коэффициент объёмного разрушения, характеризующий трещиноватость породы, её способность раздрабливаться на куски, вплоть до порошкообразного состояния;σ пов – поверхностная плотность свободной энергии вещества материала  породы, Н/м2.  Fраз – сила структурного разрушения породы, Н; S – площадь поперечного сечения разрушаемой породы, м2. Физический смысл величины σпов соответствует пределу прочности материала с учетом уже имеющихся повреждений.

По сведениям Подэрни Р.Ю. [3] скорость бурения также можно определить из выражения

где Vраз – объем разрушенной породы одним зубцом в результате одного воздействия, м3. При этом максимальный объем породы ограничивается размером выступающей части одного зубца h в зубчатом ряду шарошки [4], расстоянием между зубцами в одном ряду и расстоянием между рядами зубцов шарошки.

Отсюда промежуток времени, необходимый для совершения работы разрушения породы Aраз одним зубцом шарошки, при мощности N исполнительного органа бурового станка, можно определить из выражения:

С учетом выражения (5) получим

где v – механическая скорость бурения, полученная при установленном усилии подачи и частоте вращения рабочего органа.

Чтобы определить частоту вращения шарошечного долота, при которой время контакта зубцов будет достаточным, для передачи энергии, приводящей к разрушению заданного объема породы, необходимо сравнить время разрушения этого объема с временем контакта зубца с породой при данных кинематических законах движения с учетом диаметра шарошек и количества зубьев в рядах. Таким образом, время контакта зуба определяется следующим образом:

где Dшmax – максимальный диаметр шарошки; k – количество зубцов всех рядов шарошки. Для трехшарошечных долот

 

Максимальная эффективность разрушения соответствует равенству:

tк.з = tраз

Если tк.з > tраз , то неэффективно тратится время работы бурового станка и необходимо увеличить частоту вращения бурового става. Если tк.з < tраз , то неэффективно расходуется ресурс бурового инструмента и необходимо снизить частоту вращения. Таким образом, для эффективной работы шарошечного долота необходимо стремиться к выполнению следующего условия

где kэф.вр  – коэффициент эффективности бурения шарошечным долотом в зависимости от частоты вращения.

Для трехшарошечного долота:

Из условия максимальной эффективности работы шарошечного долота

максимальная частота вращения трехшарошечного долота может быть найдена из выражения:

В случае одного полного оборота шарошки и поражения забоя всеми ее зубцами, максимальную частоту вращения шарошечного долота при бурении массива:

где h – высота зубца, выступающая за профиль зубчатого венца, м (Рисунок 1).

 

При бурении сложноструктурного массива горной породы прохождение долотом различных нарушений сплошности и однородности сопровождается значительными нетехнологическими ударами и вибрацией. В результате этого ресурс долота снижается до двух и более раз [7]. Естественный физический способ снижения реактивных нагрузок на отдельные тела качения подшипников и зубцы заключается в снижении передачи количества энергии в данную точку материала и горной породы. Данный способ эффективен в отношении временных и  циклических нагрузок. Для перекатывающейся с зуба на зуб шарошки очевидная реализация данного способа представляется в виде увеличения частоты вращения шарошечного долота. Таким образом, частота вращения из выражения (13) должна быть увеличена в случае бурения трещиноватой породы на величину, зависящую от степени увеличения нагрузок вследствие ударов при прохождении трещин и других нарушений сплошности и однородности массива.

Напряжение в ролике опор качения шарошечных долот можно найти из выражения [8] 

 

где Fr – радиальное усилие, прилагаемое к подшипнику, Н; z – количество тел качения в подшипнике; Dр – диаметр ролика, мм; Lр – длина ролика, мм; Dш – диаметр шарика, мм; vб – скорость бурения горной породы м/с; vs – скорость опускания зубца шарошки на забой, м/с; Пб – показатель буримости;ΔП б – величина изменения показателя буримости массива горных пород, при изменении прочностных характеристик, нарушении сплошности и однородности; kинд – коэффициент формы индентора.

С учетом выражения (14) частота вращения при бурении сложноструктурного массива горной породы может быть найдена следующим образом

Как видно из выражения (15) частота вращения при бурении массива горных пород зависит от изменения их прочностных характеристик, нарушения сплошности и однородности. При этом с увеличением перепада прочностных характеристик, трещиноватости, слоистости, оптимальная частота вращения увеличивается, снижая общую нагрузку на отдельные тела качения шарошечного долота. Конструктивно оптимальная частота вращения может быть уменьшена путем снижения коэффициента индентора kинд за счет большего заострения зубьев шарошки и увеличения диаметра долота. Породы с более высоким средним значением показателя буримости также необходимо бурить при меньшей частоте вращения по сравнению с менее крепкими породами.

Максимально допустимое усилие подачи рабочего органа бурового станка определяется из допустимых нагрузок на тела качения шарошечных долот. С учетом выражения (14) допустимое максимальное усилие подачи при бурении массивов с различными физико-механическими характеристиками

где [σр.ш] – допустимое напряжение для материала тел качения подшипников шарошечных долот [8].
Из анализа выражения (16) следует, что при бурении массива горных пород усилие подачи зависит от изменения их прочностных характеристик, нарушения сплошности и однородности. При этом с увеличением перепада прочностных характеристик, трещиноватости, слоистости, оптимальное значение усилия уменьшается, снижая общую нагрузку на тела качения шарошечного долота. Конструктивно оптимальное значение усилия может быть увеличено путем повышения количества и размеров тел качения шарошечного долота, а также уменьшения коэффициента индентора kинд за счет большего заострения зубьев шарошки. Кроме того, оптимальное значение усилия подачи рабочего органа может быть увеличено за счет увеличения предела прочности материала тел качения шарошечных долот.

Непосредственно в процессе бурения скважины, свойства пород в горном массиве изменяются. Поэтому максимально допустимое усилие подачи рабочего органа бурового станка становится величиной переменной. Соответственно изменению показателя буримости и структуры массива по мере углубления долота меняется максимально допустимое усилие подачи.  В современных отечественных и зарубежных буровых станках исключить внезапную ударную нагрузку практически невозможно. На изменение свойств породы уже позже реагирует машинист. Поэтому для предотвращения разрушения опор шарошечных долот вследствие единичного удара, машинист заранее устанавливает заниженное усилие подачи. Величина заниженного усилия подачи определяется опытным путем индивидуально машинистом. Эта величина всегда меньше значения, которое можно определить из выражения (16).

Электромагнитный линейный привод подачи [2, 10] сглаживает все гармоники ударной нагрузки длительностью более 0,01 с при прохождении долотом трещин и пограничных зон пород с разной крепостью. В случае применения в качестве адаптивного механизма подачи бурового станка линейного трехфазного электродвигателя с частотой напряжения сети 50 Гц, гармоники ударной нагрузки, длительностью более 0,01 с сглаживаются. При этом амплитуда сглаженной гармоники ударной нагрузки зависит от времени распространения импульса удара от места контакта зуба с породой до поверхности тел качения шарошки [11].

где l – путь, пройденный ударным импульсом, м; E – модуль упругости материала, по которому распространяется ударный импульс,; 

 Пρа–     плотность материала, по которому  распространяется ударный импульс, кг/м3.

Исходя из представленных выражений, ударная составляющая в выражении (14) уменьшится. Напряжение в телах качения

В случае применения адаптивного привода подачи и бурения трехшарошечным долотом с твердосплавными запрессованными зубьями, максимально допустимое усилие подачи может быть увеличено на 30 – 35 %. При бурении долотом с фрезерованными зубьями, максимально допустимое усилие подачи может быть увеличено на 35 –  40 % в связи с большим  вылетом зуба и временем  прохождения ударной волны. Приблизительно на такую же величину может быть увеличена техническая скорость бурения в случае применения адаптивного электрического привода, по отношению к станкам, оснащенным жестким гидравлическим приводом подачи рабочего органа.
Стойкость трехшарошечных долот, с учетом выражения (1), можно определить с помощью выражения

В результате расчетов, можно сделать вывод, что при бурении горных массивов со средней трещиноватостью и слоистостью буровыми станками с адаптивным вращательно-подающим механизмом стойкость трехшарошечных долот увеличивается более чем в 2 раза. При бурении горных массивов с высокой слоистостью буровыми станками с адаптивным вращательно-подающим механизмом стойкость трехшарошечных увеличивается до 65 %. При бурении горных массивов с высокой трещиноватостью буровыми станками с адаптивным вращательно-подающим механизмом стойкость трехшарошечных долот увеличивается более чем в 5 раз.

НИР выполнена в рамках реализации Гранта Президента МК-2531.2014.8

 

Список литературы

1.      Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3 т. Т. 2. 8-е изд., перераб. и доп. / под ред.И. Н. Жестковой. М.: Машиностроение, 2001. 912 с.

2.      Гилев А.В., Шигин А.О. Теория рабочего процесса электромагнитного привода вращательно-подающего механизма бурового станка при бурении сложноструктурных горных массивов // Фундаментальные исследования. № 9-2. 2012. С. 375 – 380.

3.      Подэрни Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых работ: Учебное пособие. – 4-е изд. – М.: изд-во МГГУ. 2001. – 422 с.

4.      Ступина А.А., Шигина А.А., Шигин А.О. Анализ эффективности функционирования многопараметрической системы // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. 2013. № 2 (48). С. 94 – 100.

5.      Цуприков А.А. Анализ процесса разрушения породы долотом при бурении скважин / Научный журнал КубГАУ, № 10, 2011. С. 1 – 10.

6.      Шигин А.О., Гилев А.В., Шигина А.А. Напряжения и стойкость шарошечных долот при бурении сложноструктурных массивов горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень № 4. 2013. С. 325 – 333.

7.      Шигин А.О., Гилев А.В. Методика  расчета усталостной прочности как основного фактора  стойкости шарошечных долот Вестн. Иркутск. гос. техн. ун-та. № 3. 2012. С. 22 – 27.

8.      Шигин А.О., Гилев А. В. К вопросу о нагрузках на породоразрушающий инструмент при бурении сложноструктурных горных пород // Горное оборудование и электромеханика. № 6. 2012. С. 16 – 20.

9.      Шигин А.О., Гилев А.В. Разработка идеализированной модели бурения горных пород с различными физико-механическими свойствами // Фундаментальные исследования. № 3-3. 2012. С. 665 – 667.

10.   Шигин     А.О.      Адаптивный     вращательно-подающий    механизм     бурового     станка    для     снижения непрогнозируемых нагрузок при бурении сложноструктурных пород // Горный журнал. № 7. 2013. С. 84 – 89.

11.   Шелковников И.Г. Использование энергии удара в процессах бурения. Л.: Недра, 1977. 159 с.