Прогнозируемый ресурс шарошечных долот при бурении сложноструктурных горных массивов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Рис. 8. Общая высота

Существует также связь двух подходов: описанного выше (названного в работе У.А. Тэйлора «process tolerance») [3] и подхода «шесть сигм» [4]. Подход «шесть сигм» требует, чтобы доля бракованной продукции была не больше, чем 3,4 на миллион единиц. Это означает, что подход «шесть сигм» требует спецификаций ±6а.

Отметим, что метод максимума-минимума имеет тенденцию завышать значения выходной (результирующей) величины. Его достоинством является простота, а недостатком - то, что он экономически не оправдан в большинстве случаев. В процессе вероят-

ностно-статистического подхода может недооцениваться изменение выходной величины. Он позволяет расширить поля допусков, составляющих компонентов, не расширяя допуск выходного параметра. Этот подход целесообразен при крупносерийном производстве и требует центрированности технологического процесса.

Подход «process tolerance» обеспечивает решение проблемы нецентрированных процессов и обеспечивает единый подход в анализе допусков.

Статья поступила 20.12.2013 г.

Библиографический список

1. Журавлёв Д.А., Гаер М.А. Пространственная геометрическая характеристика допусков // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2005. № 1. С. 116125.

2. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. 2-е изд. М.: Высшая школа, 2000.

480 c.

3. Taylor W.A. Optimization and variation reduction in quality. Libertyville, IL: Taylor Enterprises Inc, 1991.

4. Harry M.J., Lawson J.R. Six sigma producibility analysis and process characterization. New York: Addison-Wesley, 1992.

УДК 622.233.05:621.3

ПРОГНОЗИРУЕМЫЙ РЕСУРС ШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ ПРИ БУРЕНИИ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ ГОРНЫХ МАССИВОВ

© А.О. Шигин1, А.А. Шигина2

Сибирский федеральный университет, 660041, Россия, г. Красноярск, пр. Свободный, 79.

Ресурс шарошечных долот в большинстве случаев зависит от циклической стойкости опор качения. Для повышения эффективности работы буровых станков необходимо отслеживать прогнозируемый ресурс шарошечных долот в процессе бурения. Прогнозируемый ресурс изменяется в зависимости от физико-механических характеристик горной породы и задаваемых режимных параметров бурового станка. Разработана методика расчета нагрузок на опоры шарошек от осевого усилия при качении шарошки, ударных нагрузок при перекатывании шарошки на зубцах, а также при изменении свойств породы. Разработана методика определения расчетной стойкости долот при существующем комплексе нагрузок, зависящих от свойств породы и режимов бурения. Ил. 1. Библиогр. 6 назв.

1Шигин Андрей Олегович, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и комплексов, тел.: 89131862659, e-mail: shigin27@rambler.ru

Shigin Andrei, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machinery and Complexes, tel.:

89131862659, e-mail: shigin27@rambler.ru

2Шигина Анна Александровна, аспирант, e-mail: shigina_a@mail.ru

Shigina Anna, Postgraduate, e-mail: shigina_a@mail.ru

Ключевые слова: усталостная прочность; опоры качения; шарошечные долота; прогнозируемый ресурс; физико-механические свойства горных пород; ударная нагрузка; режимные параметры.

ROLLER CONE BIT LIFE EXPECTANCY WHEN DRILLING COMPLEX STRUCTURE ROCK MASSIFS A.O. Shigin, A.A. Shigina

Siberian Federal University,

79 Svobodny pr., Krasnoyarsk, 660041, Russia.

Life expectancy of roller cone bits in most cases depends on the cyclic lasting of rolling-contact bearings. To improve the efficiency of drilling rigs it is necessary to monitor the life expectancy of roller cone bits under drilling. The life expectancy changes depending on the physical and mechanical characteristics of the rock and the pre-set mode parameters of the drilling rig. The authors have developed the methods for calculating the axial loads on the drilling bit bearing structures under cutter bit rolling, impact loads under cutter bit rolling on the teeth as well as under the changes in rock properties. They also elaborated the methods for determining the estimated cone bit life expectancy under the existing complex loads, depending on rock properties and drilling modes. 1 figure. 6 sources.

Key words: fatigue strength; rolling-contact bearings; roller cone bits; (tool) life expectancy; physical and mechanical properties of rocks; impact load; operating parameters.

При бурении горных пород буровой инструмент и буровой став испытывают ряд сложных нагрузок. Наиболее сложным механическим узлом бурового става является буровой инструмент. С одной стороны, его детали испытывают сложнейшие по структуре и величине нагрузки, а с другой - он имеет ресурс, в основе которого лежат механические свойства материалов. В 80% случаев шарошечный буровой инструмент - шарошечное долото - отказывает в работе по причине разрушения подшипниковых узлов [4]. Для повышения эффективности работы буровых станков необходимо в процессе бурения отслеживать прогнозируемый ресурс шарошечных долот, который изменяется в зависимости от физико-механических характеристик горной породы и задаваемых режимных параметров бурового станка.

Подшипники качения шарошек испытывают сложные циклические нагрузки, а именно:

1) нагрузку на тело качения подшипника при качении шарошки по забою;

2) нагрузку при перекатывании шарошки с зубка на зубок;

3) нагрузка, характеризующаяся изменением физико-механических свойств горной породы.

На соновании циклической стойкости подшипников качения шарошечных долот типа Р-Ш-Р разработана расчетная методика для определения ресурса с учетом указанных видов нагружения [5].

Напряжение в телах качения опор шарошек с учетом ударных нагрузок, возникающих при перекатывании зубцов шарошки по забою, а также при увеличении показателя буримости породы с учетом формы индентора, находится из следующих выражений [6]:

- напряжение в ролике опор качения:

- напряжение в шарике опор качения:

аь =600•

р.уд.

3

3

F

z • D • L

р р

2 (v6 + vj 2) 2 П + 2 АПб

(1)

2 (V6 + vj2)~ vj 2 2П1 +ДПб

• k

инд

<= 1800

3 3

F

z • D,2

2 П

2ДП

2 (Уб + vj 2)__

'2(v6 + vj2)-vj2' 2П1 +ДПб

(2)

где ^ - коэффициент формы индентора (^„а = 0,79 для индентора, имеющего форму закругленного цилиндра; ^ = 0,47 для индентора, имеющего форму правильного конуса; кинд = 0,7 для индентора, имеющего форму выпуклого конуса).

Представленные выражения для расчета напряжений в телах качения шарошечных долот позволяют определить число циклов до разрушения тел качения при различных условиях нагружения. При этом можно выделить три вида условий нагружения:

Бурение однородной породы без нарушений целостности с приблизительно одинаковыми свойствами или изменением показателя буримости в пределах 4Пб<1. Бурение таких массивов горной породы сопровождается только циклической нагрузкой с максимальными напряжениями в телах качения с учетом коэффициента формы инденторов шарошек ^„^

Бурение слоистой породы характеризуется значительными ударными нагрузками при прохождении шарошечным долотом границ между слоями породы с различными физико-механическими свойствами. Так, по слоистости породы делятся на весьма тонкослоистые, тонкослоистые, среднеслоистые, крупнослоистые и весьма крупнослоистые [1]. При этом толщина слоя изменяется от нескольких сантиметров до метра и более. Чтобы найти количество циклов нагружения при переходе границы между слоями породы с разными физико-механическими свойствами, необходимо учитывать количество слоев породы на один погонный метр. Значение этого показателя варьируется от 0 до 20 и более. Работа шарошечного долота в данных условиях нагружения характеризуется наложением циклических нагрузок от ударов зубцов шарошек о поверхность забоя и ударов при изменении показателя буримости породы. Максимальные напряжения для

данных условий нагружения находятся из выражений (1) и (2).

Бурение трещиноватой породы характеризуется значительными ударными нагрузками при прохождении шарошечным долотом трещин или несплошностей в массиве горной породы. По трещиноватости породы делятся на нетрещиноватые, слаботрещиноватые, среднетрещиноватые, сильнотрещиноватые и весьма сильнотрещиноватые [1]. Расстояние между трещинами варьируется в пределах от нескольких сантиметров до 10 м и более. Таким образом, количество трещин на один погонный метр скважины приблизительно находится в пределах от 0 до 20. Однако в выражении для стойкости долота при бурении слоистых и трещиноватых пород должно учитываться абсолютное значение количества трещин или слоев. В данных условиях нагружения опоры шарошечного долота испытывают суммарную циклическую нагрузку от ударов зубцов шарошек о поверхность забоя и ударов при прохождении трещины. Максимальные напряжения для данных условий нагружения также находятся из выражений (1) и (2), однако в отличие от бурения слоистой породы прохождение трещины сопровождается более значительным ударом. Условно можно принять, что в данный момент показатель буримости снижается до нуля и возрастает до прежнего значения, в то время как прохождение границы между слоями сопровождается скачком показателя буримости, йПб<П6.

Для определения стойкости шарошечного долота, работающего при бурении массива горной породы, характеризующегося всеми тремя условиями нагружения, необходимо определить доли от общего количества циклов нагружения тел качения шарошек [3], приходящиеся на бурение слоистой, трещиноватой и однородной породы:

Лсл =

"сл ■ "об

D

DT

Лтр

"тр ■ "о,

D

,max ш

D

Л од 1 Лол Лтр ,

где псл, птр, Под - доли от общего количества циклов нагружения тел качения шарошек, приходящиеся на бурение однородной, слоистой и трещиноватой породы; псл - количество границ между слоями породы с разными физико-механическими свойствами на один погонный метр, м-1; птр - количество трещин в горной породе на один погонный метр, м-1; побсл - число оборотов долота, необходимое для проходки границы между слоями породы; побтр - число оборотов долота, необходимое для проходки трещины в массиве породы; чб - скорость бурения при имеющихся свойствах горной породы, усилием подачи и скоростью вращения бурового органа, м/мин; пвр - частота вращения

шарошечного долота, об/мин; й1 - диаметр шарошечного долота, м; йштах - максимальный диаметр шарошки, м.

Число оборотов долота, необходимое для проходки границы между слоями или трещинами в массиве породы, определяется из следующих выражений:

сл с> "об = дс.

n„

вр

n

тр _

об

n

тр

v

б

где 5сл - толщина пограничного слоя или его размер вдоль оси бурового става, м; 5тр - толщина трещины или ее размер вдоль оси бурового става, м.

Тогда доли от общего количества циклов нагружения тел качения шарошек, приходящиеся на бурение однородной, слоистой и трещиноватой породы, рассчитываются как:

Лл =-

jyma

Лтр

"тр • По

n

D

max ш

D

Лод =1 ~Лсл — Л

тр .

Таким образом, суммарное количество циклов до разрушения тел качения при различных условиях нагружения найдем из выражения

L =Lcd -Лод + Lсл •Лсл + ^р •Лтр . (3)

Здесь Lod - количество циклов до разрушения тел качения при бурении однородной породы; Lсл - количество циклов до разрушения тел качения при таких условиях бурения, когда каждый цикл нагружения будет характеризоваться нагрузками, соответствующими преодолению границ между слоями породы с различными физико-механическими свойствами; Lmp - количество циклов до разрушения тел качения при таких условиях бурения, когда каждый цикл нагружения будет характеризоваться нагрузками, соответствующими преодолению трещин или несплошностей в массиве горной породы.

Для условий бурения однородной породы выражение для ресурса роликовых опор качения примет вид:

кд = 106 •

V03

_max

О

V р.уд.

О

max max max max

О —О О О + О

р.уд. р | -1 , р.уд. р

(4)

n

вр

n

вр

1

Для условий бурения слоистой породы выражение (4) примет вид:

т

и

2 • п • 1,7

и. = 106

/ X 10/

( V3 о

о

V руд. У

о

_2 _тах _2 , _тах

о —о о о + о

руд. р , —1 руд. р

Поскольку минимальное напряжение цикла отп = 0, для условий бурения трещиноватой породы выражение (4) примет вид:

1 = 106

тр

о„

\10А

о

V р уд- У

о

_2 2 о о о р-уд- | о 1 р-уд-

о

С учетом представленных уравнений определения ресурса опор качения шарошек можно определить расчетную стойкость буровых долот с коническими шарошками:

С использованием предлагаемой методики построено несколько зависимостей для пород, значительно отличающихся по трещиноватости и слоистости (рисунок).

Здесь маркером • обозначена зависимость для однородной породы (кривая 1). Маркером — обозначены зависимости для слоистых пород. Кривая 2 получена для следующих характеристик породы: количество слоев породы на один погонный метр скважины псл = 10 м-1; средняя разница показателя буримости смежных слоев в массиве горной породы ЛП6 = 2. Кривая 3 получена при псл = 10 м-1, ЛП6 = 4; кривая 5 -при псл = 20 м-1, ЛП6 = 2; кривая 7 - при псл = 20 м-1, ЛП6 = 4. Маркером ▲ обозначены зависимости для трещиноватых пород. Кривая 4 получена при количестве трещин на один погонный метр скважины птр = 10 м-1; кривая 9 - при птр = 20 м-1. Маркером ♦ обозначены зависимости для массивов горных пород, которые

Т =

и

2 • п

вр ту тах

ш

•V,

б'

где йштах - максимальный диаметр шарошки.

Для трехшарошечных долот расчетную стойкость можно определить как

Т, м 2200 Ц-__ \

2000

характеризуются и слоистостью , и трещиноватостью.

Кривая 6 построена при птр = 10 м-1, псл = 10 м-1 и

йПб = 2; кривая 8 - при птр = 10 м-1 псл = 10 м-1 и

&П6 = 4; кривая 10 - при птр = 10 м -1 , псл = 20 м -1 и

&П6 = 2; кривая 11 - при птр = 20 м -1 , псл = 10 м -1 и

&П6 = 2; кривая 12 - при птр = 10 м -1 , псл = 20 м -1 и

&П6 = 4; кривая 13 - при птр = 20 м -1 , псл = 10 м -1 и

&П6 = 4; кривая 14 - при птр = 20 м -1 , псл = 20 м -1 и

&П6 = 2; кривая 15 - при птр = 20 м -1 , псл = 20 м -1 и

П =

Стойкость шарошечных долот диаметром 244,5 мм в зависимости от показателя буримости Пб для однородных, слоистых, трещиноватых и слоисто-трещиноватых пород

1

Предлагаемая методика определения стойкости шарошечных долот требует учета усилия подачи, частоты вращения бурового става, механических свойств стали тел качения в опорах шарошек, а также размера трещины и пограничных слоев вдоль оси бурового става. Для примера зависимости, представленные на рисунке, получены при усилии подачи - 200 кН, частоте вращения - 1,5 об/с, размере трещины и пограничных слоев вдоль оси бурового става - 10 мм.

Данная методика предназначена для определения прогнозной стойкости шарошечных долот разных типов и размеров при их работе в условиях бурения пород, характеризующихся различной степенью слоистости и трещиноватости, и является достаточно простой в использовании. Многопараметрический расчет целесообразно производить при помощи специального программного обеспечения. Данное программное обеспечение может показывать остаточный прогнозный ресурс шарошечного долота при том или ином режиме работы бурового станка. При этом машинист должен постоянно отслеживать, насколько эффектив-

но работает машина, и регулировать соотношение усилия подачи, частоты вращения, скорости бурения и остаточного прогнозного ресурса.

Подводя итог, можно отметить необходимость применения данной методики для определения рекомендуемых значений соотношения стойкости шарошечного долота и скорости бурения, соответствующего оптимальной эффективности функционирования технической системы «буровой станок - шарошечное долото - горная порода». В свою очередь значения стойкости долота и скорости бурения должны контролироваться в постоянном режиме с учетом изменяющихся свойств горной породы.

Применение приведенной методики и учет данных рекомендаций позволят повысить эффективность функционирования системы «буровой станок - шарошечное долото - горная порода» и снизить эксплуатационные затраты при оптимальной производительности в условиях непрогнозируемых изменяющихся и ударных нагрузок.

Статья поступила 20.01.2014 г.

Библиографический список

1. Борисов А.А. Механика горных пород и массивов. М.: Недра, 1980. 360 с.

2. Подэрни Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых работ: учеб. пособие. 4-е изд. М.: Изд-во МГГУ. 2001. 422 с.

3. Ступина А.А., Шигина А.А., Шигин А.О. Анализ эффективности функционирования многопараметрической системы // Вестник СибГАУ. 2013. № 2 (48). С. 94-100.

4. Техника, технология и опыт бурения скважин на карьерах / под ред. В.А. Перетолчина. М.: Недра, 1993. 286 с.

5. Шигин А.О., Гилев А.В. Методика расчета усталостной прочности как основного фактора стойкости шарошечных долот // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2012. № 3 (62). С. 22-27.

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