Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Методология проектирования адаптивных вращательно-подающих органов буровых станков и технологий их применения в сложноструктурных породных массивах

Шигин А. О., Гилев А. В., Шигина А. А.,

2.3. Исследование нагрузок, действующих на буровой инструмент при бурении сложноструктурных породных массивов

В процессе работы буровой инструмент сталкивается с пластами горной породы, имеющими разные мощность и физико-механические свойства. Так, структура горных пород Черногорского угольного разреза состоит из пластов мощностью от 0,45 до 6 м, имеющих диапазон крепости от 2 до 10 по шкале проф. М.М. Протодьяконова (рис. 2.20).

Крепость по данной шкале находится в прямой зависимости от предела прочности горной породы при одноосном сжатии σсж [2]:

где f – коэффициент крепости по шкале Протодьяконова; σсж – предел прочности горной породы при одноосном сжатии, МПа.

При разрушении горной породы шарошечным долотом кроме одноосного сжатия присутствуют сдвиговые напряжения. Кроме того, на процесс бурения влияет также плотность горной породы. В связи с этим более полно сопротивление горной породы разрушению отражает показатель буримости [46].

Бурение горной породы с чередующимися слоями, имеющими разную крепость, характеризуется возникновением ударной нагрузки. Удар, как правило, вызывает повышение напряжения в зонах контакта бурового инструмента с породой, в подшипниковых узлах и соединительных элементах всего рабочего органа бурового станка. Буровой инструмент выходит из строя при разрушении различных его элементов. Однако в 80 % случаев шарошечный буровой инструмент отказывает в работе по причине разрушения подшипниковых узлов [6].

Средние нагрузки, как показывает практика, с достаточной точностью соответствуют расчетным значениям усилий и мощности машины. Однако для эффективной эксплуатации горных машин необходимо знать зависимость их мгновенной нагрузки от определяющих факторов. Неравномерность мгновенной нагрузки определяется как случайная функция времени. Предугадать колебания нагрузки полностью невозможно даже при наличии подробного анализа структуры породы. Так или иначе, но возникают случайные включения породы разной крепости, которые незначительно влияют на теоретическую скорость проходки. Но на практике данные включения обязательно влияют не только на скорость бурения, но и на напряженное состояние бурового инструмента. В частности, периодическое возникновение ударов создает циклическую нагрузку, что приводит к усталостному разрушению элементов инструмента.

Рис. 2.20. Структура горных пород Черногорского угольного разреза:1 – слоистые алевролиты, песчаники (за счет многочисленных прослоев алевролита тон всего слоя темно-серый), f = 6–8; 2 – песчаник массивный, среднезернистый, f = 8–10; 3 – аргиллит черный, слабоуглистый, f = 2–3; 4 – алевропесчаник невыдержанного состава, на отдельных участках переходящий в песчаник, f = 6–8; 5 – алевролит черный слоистый, с прослоями песчаника, f = 4–6; 6 – песчаник желто-серый, массивный, мелкозернистый, f = 8–10; 7 – аргиллит слабоожелезненный, f = 4–6; 8 – песчаник неоднородный, ожелезненныи, f = 8–10; 9 – пласт двухаршинный, f = 3; 10 – слоистый алевропесчаник, f = 6–8; 11 – пласт-спутник двухаршинный, f = 3; 12 – песчаник неоднородный по составу, переслаивющийся с алевропесчаником, f = 6–8, отдельные слои которого ожелезнены, f = 8–10; 13 – аргиллит темно-серый, плотный, f = 3–4; 14 – песчаник мелкозернистый, массивный, f = 6–10; 15 – слоистый темно-серый алевролит, f = 4–6

Для оценки опасности ударных нагрузок необходимо определить уровень напряжения, возникающего при ударе. Ударная нагрузка, с одной стороны характеризуется уровнем энергии, которая обеспечивает продвижение бурового инструмента через горную породу. С другой стороны, ударная нагрузка характеризуется изменением физико-механических свойств породы. Таким образом, уровень энергии, которая обеспечивает продвижение бурового инструмента через горную породу, характеризуется мощностью, передаваемой от привода подачи к рабочему органу и буровому инструменту,

(2.1)

где N – мощность, передаваемая от привода подачи к буровому инструменту бурового станка с учетом КПД привода подачи, Вт; ΔE – изменение кинетической энергии при продвижении бурового инструмента через породу, Дж; m – эквивалентная масса, характеризующая массу рабочего органа и энергию подающего привода, кг; v1, v2 – скорости равномерного продвижения бурового инструмента при бурении породы 1 и 2 с соответствующими физико-механическими свойствами, м/с (здесь порода 2 имеет показатель буримости больше чем порода 1); t – время переходного процесса, т.е. период, за который скорость подачи бурового инструмента изменяется от значения 1 до значения 2 (рис. 2.21).

Рис. 2.21. Схема бурения трехшарошечным долотом при переходе бурового инструмента на слой горной породы с большим показателем буримости .
Pос – осевое усилие, v1 – скорость бурения породы с показателем буримости

Изменение скорости продвижения бурового инструмента через горную породу при переходе на породу с большим показателем буримости характеризует дополнительное напряжение, возникающее при ударе,

(2.2)

где σуд – напряжение, возникающее в металле при ударе, МПа; S – площадь контактной поверхности в подшипниковых узлах или других элементах, воспринимающих полностью нагрузку удара, мм2.

Выразив эквивалентную массу из уравнений (2.1) и (2.2), приравняем их и определим напряжение, возникающее при переходе бурового инструмента на породу с более высоким показателем буримости:

или

С учетом выражения N = Pос∙v1, предложенного проф. Р.Ю. Подэрни [10], получим

(2.3)

где Pос – осевое усилие, Н; Δv – изменение скорости при переходе бурового инструмента на более крепкую породу, м/мин; v1 – скорость бурения до перехода бурового инструмента на более крепкую породу.

Согласно работе [47] максимальное напряжение в ролике подшипника качения

Максимальное напряжение в шарике подшипника качения

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.

Тогда напряжение в ролике подшипника качения шарошки, возникающее при ударе с учетом выражения (2.3),

(2.4)

Напряжение в шарике подшипника качения шарошки, возникающее при ударе,

(2.5)

Скорость бурения находим из выражения [46]:

м/мин,

где Pос – осевое усилие, МН; nвр – частота вращения бурового става, с–1;  – диаметр долота, м.

где Пб – показатель буримости; σсж – предел прочности горной породы при одноосном сжатии, МПа; σсдв – предел прочности горной породы при сдвиге, МПа; γ – плотность горной породы, т/м3.

Предел прочности горной породы при сдвиге приблизительно определяется из выражения:

МПа,

где σсж – предел прочности горной породы при растяжении, МПа; σр – предел прочности горной породы при растяжении, МПа.

Если необходимо найти скорость бурения до удара v1, то в расчете необходимо использовать показатель буримости породы, расположенной до перехода бурового инструмента на более крепкую породу.

Таблица 2.13

Скорость бурения v1 (м/мин), шарошечным долотом диаметром 215,9 мм в зависимости от осевого усилия и показателя буримости Пб породы

Для дальнейших расчетов, с учетом справочных материалов [2, 41], необходимо найти скорости бурения при различных технологических параметрах и оснащении бурового станка. Для шарошечного долота диаметром 215,9 мм рассчитанные скорости бурения в зависимости от показателя буримости породы и величины осевого усилия, представлены в табл. 2.13.

Для шарошечного долота диаметром 244,5 мм рассчитанные скорости бурения в зависимости от показателя буримости породы и величины осевого усилия представлены в табл. 2.14.

Таблица 2.14

Скорость бурения v1 (м/мин), шарошечным долотом диаметром 244,5 мм в зависимости от осевого усилия и показателя буримости Пб породы

Для шарошечного долота диаметром 269,9 мм рассчитанные скорости бурения в зависимости от показателя буримости породы и величины осевого усилия представлены в табл. 2.15.

Таблица 2.15

Скорость бурения v1 (м/мин), шарошечным долотом диаметром 269,9 мм в зависимости от осевого усилия и показателя буримости Пб породы

По данным табл. 2.13–2.15 наблюдается снижение скорости бурения при увеличении осевого усилия, поскольку в расчетах использовались рекомендуемые средние значения осевого усилия и скорости вращения рабочего органа. Согласно рекомендациям, представленным в работе [48], при увеличении осевого усилия в разрешенном заводом изготовителем интервале частота вращения должна уменьшаться также в допустимом интервале. В расчетах скоростей бурения при увеличении осевого усилия частота вращения уменьшалась.

Затем с учетом полученных выражений (2.4) и (2.5) были построены зависимости напряжения, возникающего в роликах опор качения трехшарошечного долота от удара, вызванного изменением физико-механических свойств породы и характеризуемого разностью скорости бурения соответствующих слоев породы (рис. 2.22).

Рис. 2.22. Напряжение в роликах опор качения шарошек:1 – напряжения, возникающие в опорах шарошечного долота диаметром 215,9 мм при осевом усилии 160 кН; 2 – напряжения, возникающие в опорах шарошечного долота диаметром 244,5 мм при осевом усилии 200 кН; 3 – напряжения, возникающие в опорах шарошечного долота диаметром 269,9 мм при осевом усилии 235 кН (минимальное напряжение соответствует бурению породы без ударов; кривые строились с показателем буримости 7,5; горизонтальные прямые показывают величину предела прочности при сжатии сталей 55СМ5ФА, 55СМА-1, 55СМА)

Выразим напряжение в опорах качения, возникающее при ударе через показатель буримости

для роликовых тел качения

(2.6)

для шариковых тел качения

(2.7)

где Пб – показатель буримости.

С использованием выражения (2.6) построены зависимости напряжения в роликах опор качения трехшарошечного долота, возникающего при ударе от величины изменения показателя буримости (рис. 2.23, 2.24).

Рис. 2.23. Напряжения в роликах опор качения шарошек: кривые 1–3 – напряжения, возникающие в опорах шарошечного долота диаметром 215,9 мм при осевом усилии 140, 160 и 180 кН; 4–6 – напряжения, возникающие в опорах шарошечного долота диаметром 244,5 мм при осевом усилии 180, 200, 220 кН; 7–9 – напряжения, возникающие в опорах шарошечного долота диаметром 269,9 мм при осевом усилии 200, 235, 270 кН

Минимальное напряжение (рис. 2.23) соответствует бурению породы без ударов. Кривые построены с показателем буримости Пб = 5. Горизонтальные прямые показывают величину предела прочности при сжатии сталей 55СМ5ФА, 55СМА-1, 55СМА.

Минимальное напряжение (рис. 2.24) соответствует бурению породы без ударов. Кривые построены с показателем буримости Пб = 7,5.
Горизонтальные прямые показывают величину предела прочности при сжатии сталей 55СМ5ФА, 55СМА-1, 55СМА.

Рис. 2.24. Напряжения в роликах опор качения шарошек: кривые 1–3 – напряжения, возникающие в опорах шарошечного долота диаметром 215,9 мм при осевом усилии 140, 160 и 180 кН; 4–6 – напряжения, возникающие в опорах шарошечного долота диаметром 244,5 мм при осевом усилии 180, 200, 220 кН; 7–9 – напряжения, возникающие в опорах шарошечного долота диаметром 269,9 мм при осевом усилии 200, 235, 270 кН

При нагружении шарошечного долота с тремя шарошками основную нагрузку воспринимают роликовые подшипники. Шариковые подшипники выполняют роль запирающего механизма. Тела качения в шарошечных долотах изготавливают из высокопрочных конструкционных сталей, как правило, содержащих кремний и молибден. Их предел прочности находится в диапазоне 1900–2300 МПа. Механические свойства данных сталей значительно зависят от режимов термической обработки. На рис. 2.22–2.24 показаны пределы прочности сталей, из которых изготавливаются тела качения шарошечных долот.

При условии бурения горной породы с показателем буримости Пб = 5 (рис. 2.23) и среднем подающем усилии максимально допустимая величина изменения показателя буримости породы [ΔПб] для сталей 55СМ5ФА; 55СМА-1; 55СМА будет следующей: для долот диаметром 215,9 мм [ΔПб] = 2,5; 5; 7,5; для долот диаметром 244,5 мм [ΔПб] = 3,3; 6,2; 9,2; для долот диаметром 269,9 мм [ΔПб] = 4,2; 7,5; > 10.

При условии бурения горной породы с показателем буримости Пб = 7,5 (рис. 2.33) и среднем подающем усилии максимально допустимая величина изменения показателя буримости породы [ΔПб для сталей 55СМ5ФА; 55СМА-1; 55СМА будет следующей: для долот диаметром 215,9 мм [ΔПб] = 4; 8; > 10; для долот диаметром 244,5 мм [ΔПб] = 5; 9,2; > 10; для долот диаметром 269,9 мм [ΔПб] = 6,2; > 10; > 10.

В связи с представленными результатами можно сделать следующие выводы:

– при бурении сложноструктурных пород, имеющих слои с разными показателями буримости, напряжение в различных элементах бурового инструмента зависит от первоначального уровня показателя буримости и величины прироста показателя буримости. Увеличение напряжения возникает при переходе на более крепкую породу и доходит до 50 % и более;

– увеличение напряжения зависит от отношения прироста показателя буримости к первоначальному значению показателя буримости. При условии одинакового прироста показателя буримости напряжение будет больше в том случае, если первоначальное значение показателя буримости было меньше;

– предел прочности материала тел качения шарошечных долот при бурении сложноструктурных пород должен быть на 50 % больше напряжения, возникающего в телах качения шарошечных долот при бурении породы с неизменным значением показателя буримости 5–7,5.