Динамика и энергетика разрушения горных пород долотами PDC
Долота PDC по характеру разрушения горной породы следует отнести к режуще-скалывающим инструментам. Но эти долота предназначены для разбуривания не только пластичных, но и пластично-хрупких горных пород. В подразделе 5.6.2 была рассмотрена динамичность режуще-скалывающих породоразрушающих инструментов на примере двухлопастного долота. Для долот PDC этот вопрос имеет особую значимость, так как их элементы вооружения оснащены весьма хрупкими материалами.
В УГНТУ было поведено стендовое изучение динамики и энергетики бурения горной породы средней твердости (мрамора) восьмилопастными долотами диаметром 188,7 мм, оснащенными: одно – резцами с острой режущей кромкой (см. рис. 5.16 а), а второе – резцами с режущей кромкой, притупленной фаской (см. рис. 5.16 б). Опыты проведены при частоте вращения долота 80 об/мин. Переменным параметром режима бурения была нагрузка на долото. В процессе бурения велась запись мгновенных значений нагрузки на долото и крутящего момента. По результатам опыта рассчитывались коэффициент динамичности работы долота, проходка за один оборот долота и энергоемкость разрушения горной породы.
Гидравлической системой стенда задавалась постоянная статическая нагрузка на долото. Фактическая осевая нагрузка колеблется относительно статической с некоторой амплитудой , обусловленной динамичностью работы долота, т.е. представляет собой непрерывно повторяющиеся максимумы и минимумы нагрузки. Отношение измеренной максимальной нагрузки G max к статической нагрузке G ст принято называть коэффициентом динамичности работы долота:
|
|
|
| k д = | Gmax . | (5.13) |
| G ст |
На рисунке 5.20 приведены зависимости коэффициента динамичности от интенсивности нагрузки g i на долото и от интенсивности h o разрушения горной породы (проходки за один оборот долота). Из рисунка 5.20 а видно, что зависимость k д от g i имеет вид гиперболы. При небольшой ин-тенсивности нагрузки коэффициент динамичности весьма велик, а по мере увеличения g i монотонно уменьшается и стремится к единице. П. В. Балицкий показал, что приемлемым для работы породоразрушающих инструментов является k д < 1,30, поэтому логично ограничение g i не только сверху, но и снизу. Наличие фаски на режущей кромке резцов не оказало влияния на зависимость k д от g i.
Рис. 5.20. Зависимости коэффициента динамичности от интенсивности нагрузки на долото (а) и интенсивности разрушения горной породы (б)
Для оценки характера разрушения горной породы были построены зависимости относительной энергоемкости Aо разрушения горной породы от интенсивности разрушения горной породы (рис. 5.21). Здесь
|
|
|
Ао = 
, (5.14)
где Ауд – удельная работа разрушения горной породы долотом;AV – энергоемкость разрушения горной породы при вдавливании штампа.
Из рисунка 5.21 видно, что зависимость A о от h o отражает скачкообразное разрушение горной породы. При малой интенсивности разрушения горной породы скачки следуют один за другим через небольшие интервалы изменения h o. По мере увеличения h o эти интервалы расширяются и при превышении некоторой величины h o зависимость A v от h o стабилизируется. Наличие частых скачков разрушения горной породы острым инструментом при низкой общей интенсивности разрушения обусловливает высокое значение коэффициента динамичности и, соответственно, сильную вибрацию инструмента.
Рис. 5.21. Зависимость относительной энергоемкости разрушения горной породы от интенсивности ее разрушения
Из сопоставления рисунков 5.20 б и 5.21 видно, что моменту стабилизации характера разрушения горной породы соответствует снижение коэффициента динамичности до приемлемой величины.
Наличие фаски на режущей кромке резцов уменьшает амплитуду изменения A v и способствует более ранней стабилизации разрушения горной породы. В начале области стабилизации энергоемкость разрушения при наличии фаски выше, чем при ее отсутствии , но по мере дальнейшего увеличения интенсивности разрушения горной породы величины A v сближаются, и их различие становится несущественным.
|
|
|
Моментоемкость является другой важнейшей характеристикой работы долота:
mo = 
, (5.15)
где М –крутящий момент на долоте,Нм; G –осевая нагрузка на долото,кН; D – диаметр долота, мм. Средние значения mo для рассмотренных в 5-м разделе долот приведены в таблице 5.9.
Таблица 5.9 Моментоемкость долот при разрушении горных пород средней твердости
| Долото | Моментоемкость, т о, Нм/(кН⋅мм) |
| Одношарошечное | 0,090 |
| Алмазное | 0,096 |
| PDC (резцы с острой кромкой) | 0,364 |
| PDC (резцы с фаской) | 0,254 |
Из таблицы 5.9 видно, что моментоемкость долот PDC примерно в четыре раз выше, чем одношарошечных и алмазных, оснащенных зерновыми алмазами. Но долота PDC обеспечивают эффективное разрушение горной породы при осевых нагрузках, кратно меньших, чем на одношарошечные и алмазные долота, что обеспечивает им высокую конкурентоспособность.
В заключение следует подчеркнуть, что повышенная вибрация долот PDC приводит к хрупкому разрушению резцов и к отказу долота в целом. Бурение долотами PDC с приемлемым коэффициентом динамичности возможно, если твердость горной породы и осевая нагрузка на долото позволяют обеспечить интенсивность разрушения горной породы не менее 1 мм за оборот долота.
|
|
|
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 1086; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!