CC BY
27
- © В.С. Секретов, 2014
УДК 622.24.05
В.С. Секретов
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ
БУРОВЫХ КОРОНОК ДЛЯ УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО
И ВРАЩАТЕЛЬНО-УДАРНОГО БУРЕНИЯ
Дан анализ эффективности работы буровых коронок с точки зрения прохождения ударных волн через корпус и зубья различных пространственных форм в породу. Ударные волны в штанге и рабочем инструменте распространяются по принципу Гюйгенса, описывающий закон отражения волн. Оценить эффективность прохождения ударных волн в пространственной форме зуба в породу целесообразно с помощью коэффициента эффективности боковой поверхности. Анализ распространения ударных волн в зубьях различных форм с трапецеидальным профилем сечения свидетельствует о том, что процесс сосредоточивания ударных волн в зону контакта у конусного и клинового зуба происходит высокоэффективно, у пирамидального зуба с четырьмя прямыми гранями - низкоэффективно. Зависимости, выведенные автором статьи, показывают, что эффективность прохождения ударных волн в зубе с уменьшением угла наклона боковой грани резко возрастает в диапазоне от 20° до 10°. В области критических углов (около 10°) происходит высокое сосредоточение ударных нагрузок в зоне контакта, что вызывает напряжения в материале зуба, превышающие предел прочности. При этом происходит выкрашивание участков зуба в зоне контакта с породой. В данном случае необходимо перед началом использования рабочего инструмента создавать зону притупления на зубе не менее 2+3 мм. При уменьшении угла наклона боковой поверхности зуба 5 рекомендуется увеличивать величину зуба. Предложено для увеличения прохождения ударных волн в породу, а следовательно, и повышения эффективности процесса разрушения, применять пластинки (зубья) с углом наклона боковой поверхности зуба 5 = 35°, 30°, 25°, 20°, 15°, 10° (рис. 8). При этом количество ударных волн, отраженных от боковой поверхности в зону контакта возрастает от 0 до 100%. Оптимальные соотношения стойкости и угла наклона боковой поверхности зуба рекомендуется выбирать в ходе практики.
Ключевые слова: рабочий инструмент, ударная волна, зона контакта, трапецеидальный зуб, угол наклона боковой поверхности зуба, круговой зуб, коэффициент прохождения ударной волны, буровая долотчатая коронка, буровая крестовая коронка.
Введение
Эффективность работы рабочего инструмента бурильных установок и перфораторов ударно-вращательного и вращательно-удар-ного типов зависит от характера прохождения ударных волн от бойка через штангу, через корпус инструмента в породу. Форма инструмента играет определяющую роль на эффективность рабочего процесса по разрушению горной породы, в первую очередь влияет форма твердосплавных элементов зубьев. Ударные волны в штанге и
рабочем инструменте распространяются по принципу Гюйгенса, описывающий закон отражения волн. Он свидетельствует о том, что «угол отражения волны равен углу падения по отношению к отражающей поверхности» и «падающий луч, луч отраженный и перпендикуляр, восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости» [1].
Формы зубьев ударного инструмента могут быть разнообразными (рис. 1) [2, 3, 4]. Процесс прохождения ударных волн в зубьях различной
Рис. 1. Основные формы зубьев ударного инструмента: 1 - пирамидальная с четырьмя прямыми гранями, 2 - конусная, 3 - клиновая, 4 - пирамидальная с четырьмя круговыми гранями, 5 - сферическая, 6 - полуцилиндрический, 7 - шиповая, 8 - вогнуто-клиновая, 9 -сферо-коническая, 10 - клиновая скругленная
конфигурации может быть различным по характеру, что оказывает определяющее значение на рабочий процесс и, соответственно, на производительность горных машин ударного действия.
Большое значение на процесс ударного разрушение оказывает форма боковых поверхностей зубьев и корпуса инструмента, которая должна быть подобрана таким образом, чтобы ударные волны могли максимально проходить в зоны контакта зубьев с породой и затем в саму породу. Оценить эффективность прохождения ударных волн в пространственной форме зуба целесообразно с помощью коэффициента эффективности боковой поверхности
к
эфф.бок
ных форм основывается на анализе прохождения ударных волн в сечениях трапецеидального и кругового профиля, который изложен в статье [5].
'бОк , (1)
где 5вх - площадь входных зон на боковой поверхности зуба, характеризующаяся тем, что ударная волна, попавшая в эти зоны, отражаясь один или более раз от стенки в конечном итоге проходит в зону контакта, а затем в породу, мм2; 56ок - площадь проекции боковой поверхности зуба.
Анализ прохождения ударных волн в зубьях различных пространствен-
Рис. 2. Схема зон зуба
Рис. 3. Зависимость коэффициента эффективности боковой поверхности пирамидального с четырьмя прямыми гранями зуба от величины зоны контакта
Рис. 4. Зависимость коэффициента эффективности боковой поверхности пирамидального с четырьмя прямыми гранями зуба от угла наклона боковой поверхности зуба
Рис. 8. Зависимость коэффициента эффективности боковой поверхности клинового зуба от угла наклона боковой поверхности зуба
КОНТ
Рис. 7. Зависимость коэффициента эффективности боковой поверхности клинового зуба от величины зоны контакта
Рис. 6. Зависимость коэффициента эффективности боковой поверхности конусного зуба от угла наклона боковой поверхности зуба
Рис. 5. Зависимость коэффициента эффективности боковой поверхности конусного зуба от величины зоны контакта
эфф
оок
зфф
оок
^КОНТг
ьш
Рис. 9. Зависимость коэффициента эф- Рис. 10. Зависимость коэффициента
фективности боковой поверхности кли- эффективности боковой поверхности
нового зуба от длины боковой поверх- клинового зуба от ширины зуба ности зуба
Анализ распространения ударных волн в зубьях различных форм с трапецеидальным профилем сечения
Схема зуба трапецеидального сечения изображена на рис. 2. Полученные в результате анализа в программе «Трапецеидальный зуб Mathcad» зависимости коэффициента эффективности боковой поверхности k .. „ от величины зоны контакта t
эфф.бок конт
(при угле наклона боковой поверхности зуба 8 = 15°) и угла наклона боковой поверхности зуба 8 (при ширине зоны контакта t = 2 мм) для
конт
пирамидальной с четырьмя прямыми гранями формы зуба (поз. 1 на рис. 1) изображены на рис. 3, 4; для конусной (поз. 2 на рис. 1) - на рис. 5, 6; для клиновой (поз. 3 на рис. 1) - на рис. 7, 8.
Графики k ,,, (t ) на рис. 3, 5 и
1 1 эфф.бок v конт 1
7 свидетельствуют о том, что процесс сосредоточивания ударных волн в зону контакта у конусного и клинового зуба происходит высокоэффективно, у пирамидального зуба с четырьмя
прямыми гранями - низкоэффективно. В начальной стадии притупления инструмента (примерно до 1 мм) ударные волны с высокой эффективностью проходят в зону контакта t
1 ^ конт
у клинового зуба, с меньшей эффективностью - у конусного и низкоэффективно - у пирамидального зуба с четырьмя прямыми гранями. При достижении значения t = 4,3 мм (см.
конт
рис. 5 и 7) все волны, попавшие на боковую поверхность, зуба отражаются в зону контакта и проходят в горную породу.
На графиках к бок (8), изображенных на рис. 4, 6, 8, цифрами с 1 по 8 показаны зоны с максимально возможным отражением ударной волны от боковой поверхности зуба: одному отражению в зоне под цифрой 1 , двум - под цифрой 2 и т.д. В зоне под цифрой 8 максимальное количество отражение может составлять 8, 9, 10 и более раз.
Также графики кэффбок (8) показывают, что эффективность прохождения ударных волн в зубе с уменьше-
нием угла наклона боковой грани резко возрастает (на графиках кэфф бок (8) в диапазоне от 20° до 10°). В области критических углов (на графиках ^эффбок (8) около 10°) происходит высокое сосредоточение ударных нагрузок в зоне контакта, что вызывает напряжения в материале зуба, превышающие предел прочности. При этом происходит выкрашивание участков зуба в зоне контакта с породой. В данном случае необходимо перед началом использования рабочего инструмента создавать зону притупления на зубе не менее 2^3 мм.
При уменьшении угла наклона боковой поверхности зуба 8 рекомендуется увеличивать величину зуба. Величину зуба выразим через длину боковой поверхности зуба Ьбо и через ширину зуба Тзуб "(рис. 2). Графики зависимости кэфф
бок(^бок) и кэфф.бок(Тзуб) при
t = 2 мм и 8 = 15° пред-
конт 1
ставлены на рис. 9 и 10.
Рис. 11. Коронка долотчатая пластинчатая с углом заточки пластины: а) 110°, б) 70°, в) 60°, г) 50°, д) 40°
Модернизация буровых коронок для ударно-вращательного и враща-тельно-ударного бурения
Традиционно для бурения крепких и вязких горных пород применяются буровые долотчатые коронки с прямоугольными пластинками (зубьями), для бурения крепких трещиноватых пород - крестовые пластинчатые [6]. Как правило, угол заточки (равный 28) пластинки (пластинок)
Рис. 12. Коронка крестовая пластинчатая с углом заточки пластины: а) 110°, б) 70°, в) 60°, г) 50°, д) 40°, е) 30°
и коронки одинаков. В большинстве случаев составляет 110°. В соответствии с вышеизложенным материалом прохождение ударных волн в коронках с таким углом заточки будет минимально. В связи с этим целесообразно применять рабочие инструменты, изображенный на рис. 11 и 12 с меньшим углом заточки пластинок (зубьев). На рисунках также показан профиль пластинок (зубьев). В статье предлагается для увеличения прохождения ударных волн в породу, а следовательно, и повышения эффективности процесса разрушения, применять пластинки (зубья) с углом заточки 28 = 70°, 60°, 50°, 40°, 30°, 20° (соответствует углу наклона боковой поверхности зуба 8 = 35°, 30°, 25°, 20°, 15°, 10° на рис. 8). При этом количество ударных волн, отраженных от боковой поверхности в зону контакта возрастает от 0 до 100%. Для различных видов пород можно использовать инструмент с различными углами заточки. Если показатель крепости пород на руднике сильно варьирует, то рекомендуется использовать несколько коронок с различными углами заточки пластины (зуба) 28.
Исходя из написанного, можно сделать вывод о том, что целесообразней применять коронки с углом наклона боковой поверхности зуба 10°-15°, но ограничивающим фактором использования таких углов является прочность инструмента, что уже
было описано выше, и соответственно его стойкость. Оптимальные соотношения стойкости и угла наклона боковой поверхности зуба рекомендуется выбирать в ходе практики.
Оптимальные геометрические параметры зубьев буровых коронок наиболее точно можно подобрать с помощью программы «Трапецеидальный зуб МаШса<^>, разработанной автором.
Выводы
Анализ, проведенный в программе «Трапецеидальный зуб МаШса<^>, выявил, что наилучший угол наклона боковой поверхности трапецеидального сечения зуба буровой коронки с точки зрения прохождения ударных волн составляет 8 = 10°-15° (соответствует углу заточки 28 = 20°-30°). В мелких зубьях буровых коронок угол 8 может составлять бульшие значения. Максимально угол 8 не должен превышать 45°, иначе все волны, попавшие на боковую поверхность зуба, будут полностью отражены обратно в корпус. Автором рекомендуется для горных предприятий, использующих бурильные установки и пефораторы ударно-вращательного или вращательно-удар-ного типа, изготавливать несколько видов буровых коронок с различными углами заточки, приведенными в статье, с целью выявления оптимального применения в тех или иных условиях бурения горных пород.
1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика: Учебник для 10 класса средней школы. - М.: Просвещение, 1987. - 319 с.
2. Гетопанов В.Н., Гудилин Н.С., Чугре-ев Л. И. Горные и транспортные машины и комплексы. - М.: Недра, 1991. - 304 с.
3. Иванов К.И., Латышев В.А., Андреев В.Д. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. - М.: Недра, 1987. - 272 с.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Яцких В.Г., Имас А.Д., Спектор Л.А. Горные машины и комплексы. - М.: Недра, 1974. - 416 с.
5. Секретов М.В. Оптимальные геометрические формы рабочего инструмента для разрушения горных пород ударом // Горное оборудование и электромеханика. - 2011. -№ 3. - С. 40-46.
6. Сайт ЗАО «Бинур»: http://binur.ru/
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ
Секретов Михаил Валентинович - кандидат технических наук, доцент, e-mail: msekr@yandex.ru, МГИ НИТУ «МИСиС».
UDC 622.24.05
THE ANALYSIS OF EFFICIENCY FOR USE DRILL BITS FOR PERCUSSIVE-ROTARY AND ROTARY-PERCUSSIVE DRILLING
Sekretov M.V., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: msekr@yandex.ru, Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS».
The analysis of efficiency of drill bits from the point of view of the passage of the shock waves through the body and teeth various spatial forms in the rock.
Shock waves in a rod and working tool are provided Huygens, describing the law of reflection waves. He suggests that «the angle of wave reflection equals the angle of incidence in relation to the reflective surface and the incident beam, the beam reflected and perpendicular, have been made at the point of falling, lie in one plane» [1].
To evaluate the progress of shock waves in a spatial form of the tooth into the rock appropriate by the coefficient of efficiency of the side surface.
The analysis of the propagation of shock waves in the teeth of various forms with trapezoidal profile suggests that the process of localization shock waves in the contact zone of the cone and collar tooth is highly effective, the pyramid of the tooth with four straight edges discomfiture.
According derived by the author show that the efficient completion of shock waves in the tooth with a decrease in the angle of slope of a lateral side sharply increases in the range from 20 to 10 degrees. In the area of critical angles (about 10 degrees) is a high concentration of impact loads in the contact zone, which causes tension in the material of the tooth that exceeds the tensile strength. Thus there is a chipping areas of the tooth in the contact zone with the breed. In this case it is necessary before the use of the working tool to create a zone of blunting on the teeth for at least 2 to 3 mm.
A decrease in the angle of slope of a lateral surface of the tooth is recommended to increase the size of the tooth.
The article proposes to increase the passage of shock waves in the breed, and thus increase the efficiency of the destruction process, apply plates (teeth) with angle of inclination of the side surface of the tooth 5 = 35°, 30°, 25°, 20°, 15°, 10° (Fig. 8). The number of shock waves reflected from the side of the tooth surface in a zone of contact increases from 0 to 100%.The optimal ratio of resistance and angle of slope of a lateral surface of the tooth is recommended to choose the course of practice.
Key words: the working tool, shock wave, contact zone, trapezoid tooth, corner of an inclination of a lateral surface of a tooth, circular tooth, coefficient of passage of a shock wave, chisel drilling crown, phillips drilling crown.
REFERENCES
1. Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B. Fizika: Uchebnik dlya 10 klassa srednei shkoly (Physics. Textbook for secondary school grade level 10), Moscow, Prosveshchenie, 1987, 319 p.
2. Getopanov V.N., Gudilin N.S., Chugreev L.I. Gornye i transportnye mashiny i kompleksy (Mining and handling machinery), Moscow, Nedra, 1991, 304 p.
3. Ivanov K.I., Latyshev V.A., Andreev V.D. Tekhnika bureniya pri razrabotke mestorozhdenii poleznykh iskopaemykh (Drilling equipment for mineral mining), Moscow, Nedra, 1987, 272 p.
4. Yatskikh V.G., Imas A.D., Spektor L.A. Gornye mashiny i kompleksy (Mining machinery), Moscow, Nedra, 1974, 416 p.
5. Sekretov M.V. Gornoe oborudovanie i elektromekhanika, 2011, no 3, pp. 40-46.
6. URL: http://binur.ru/
