Обоснование рациональных форм твердосплавных вставок (инденторов) для бурения шпуров машинами ударного действия тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Г', ОД

На правах рукописи

Куклин Сергей Александрович

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ФОРМ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ВСТАВОК (ИНДЕНТОРОВ) ДЛЯ БУРЕНИЯ ШПУРОВ МАШИНАМИ УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ

01.02.06 - динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новокузнецк, 1998

Работа выполнена в Сибирском государственном индустриальном университете

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Дворников Л.Т.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Крауиныи П.Я.

кандидат технических наук Басов И.Г.

Ведущая организация:

АО «Кузмашзавод» г.Новокузнецк

Защита состоится « 6 » мя л 1998г. в /£ ч. ¿^мин. на заседании Диссертационного Совета К 063.80.04 при Томском политехническом университете по адресу: 634004, г.Томск пр. Ленина, 30

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета по адресу: г.Томск, ул. Белинского, 53-а

Автореферат разослан « »_1998г

Ученый секретарь Диссертационного Совета доктор технических наук,

профессор

Саруев Л.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИС ТИКА РАБОТЫ

Объект исследования и актуальность темы. Проблема эффективного разрушения горных пород в горнорудной, угольной, химической, нефтегазовой отраслях промышленности является одной из фундаментальных, т.к. затраты энергии на дробление существенно превышают затраты на все другие рабочие операции, требующиеся в процессе добычи полезных ископаемых. Существующие методы разрушения далеки от оптимальных. В связи с этим исключительно актуальными, особенно в последние годы стали задачи отыскания таких способов подвода энергии, которые позволили бы кардинально изменить сложившуюся ситуацию.

Механика разрушения горных пород как наука, как точная техническая дисциплина, базируется на классических задачах теории упругости, на описании физических процессов деформации трещиноватых тел.

Применительно к ударному способу воздействия на горные породы с целью их разрушения основополагающими являются подходы, основанные на теории контактного взаимодействия упругих тел. Разрушающий инструмент машин ударного действия (объект исследования) при этом представляется как индентор, взаимодействующий с разрушаемой средой.

Целыо диссертационной работы является решение актуальной проблемы повышения стойкости и производительности бурового инструмента путем анализа влияния формы твердосплавных вставок (инденторов) на основные характеристики процесса разрушения горных пород.

Метод решения поставленной задачи основан па применении метода граничных элементов в контактных задач теории упругости.

В соответствии с целью исследования - были поставлены конкретные задачи, заключающиеся в том, чтобы при известных свойствах породы (среды) возможно было определить:

1) распределение давлений под индентором в зависимости от его кривизны;

2) напряжения и смещения в любой точке деформируемого тела;

3) характер напряженного состояния среды при совместном действют на нее нескольких вставок;

4) влияние близости жесткозакрепленных точек (стенок шпура) на характер взаимодействия;

5) влияние упругих свойств индентора;

6) энергетические (силовые) характеристики взаимодействия;

7) зону и объем разрушений.

Научная новизна.

1. Впервые создана методика оценки влияния формы твердосплавных вставок на эффект разрушения среды.

2. Разработан метод сравнительного исследования «остроты» ивденторов на напряженное состояние среды.

3. Решены контактные задачи о воздействии на упругое полупространство ивденторов «тороидального» типа (полых, осесимметричных ивденторов) и ивденторов, выполненных по кривой типа «Верзьера Аньези».

Научная и практическая ценность заключается в создании (на базе решения контактных задач теории упругости методом граничных элементов) методики анализа и оценки различных форм твердосплавных вставок.

Использование данной методики позволило проанализировать ряд форм твердосплавных вставок (полых и цельных), создающих как плоскую, так и осесимметричную деформации.

Предложено две новых формы твердосплавных вставок. Предложено два новых способа креплегаш твердосплавных вставок в буровых коронках.

Результаты расчетов показали, что при высоких энергиях удара более эффективными с точки зрения удельной энергоемкости и объемов производимых разрушений являются вставки «тупых» форм, самыми перспективными из которых являются вставки цилиндро-тороидалыюго типа.

Использование твердосплавных вставок таких форм обеспечивает существенный экономический эффект за счет снижения энергоемкости процессов бурения крепких горных пород, меньших расходов твердого сплава и автоматизации сборки буровых коронок.

Основные положения, выдвигаемые для защиты:

• методика оценки форм твердосплавных вставок;

• обоснование наиболее рациональных форм;

• обоснование наиболее рациональных способов крепления твердосплавных вставок.

Обоснованность и достоверность результатов расчетов и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечивается выбором для обоснования хорошо проверенных математических методов решения и совпадением ряда частных результатов с классическими решениями, а также с известными экспериментальными исследованиями.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и были одобрены: на ежегодных научно-практических конференциях Сибирской государственной горно-металлургической академии г.Новокузнецк; в институте угля СО АН СССР г.Кемерово; в Кузбасском государственном техническом университете г.Кемерово.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе, получено 4 положительных решения на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 120 страниц, включает 81 рисунок и 8 таблиц. Список литературы содержит 93 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, описывается объект исследования.

В первой главе проводится анализ теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию взаимодействия инденторов с горной породой. В заключении этого раздела формулируются основные задачи настоящего исследования.

Первые попытки теоретического анализа взаимодействия долотчатого инструмента с породой были предприняты в 1865 году Шпарре и в 1889 году Долежалеком.- --------

Первые работы, посвященные пространственным контактным задачам, принадлежат Я.Буссинеску и Г.Герцу. Общий метод решения контактных задач- теории упругости, использующий функции комплексного переменного, создан главным образом И.И.Мусхелшнвили. Ценные решения были получены Л.А.Галиным, А.И.Лурье, Г.Н.Савгашм, И.Я.Штаерманом, И.Снеддоном, А.Н.Динником, Н.М.Беляевым, М.Л.Леогювым к другими. Некоторые полученные результаты были впоследствии использованы для оценки напряженного состояния породного массива при внедрении инденторов.

Исследования взаимодействия долотчатого инструмента с горной породой методами статической и динамической фотоупругости проводили И.С.Бабенков, К.И.Иванов, Г.Л.Хесин.

Изучите литературы по данному вопросу показало, что в настоящее время недостаточно проработан вотгрос о влиянии на процесс бурения формы твердосплавных вставок. Из всего многообразия форм тщательно изучались только две: долотчатая и цилиндросферическая. Обоснование этих двух форм потребовало огромных интеллектуальных и материальных затрат. В то же время инженеры - практики зачастую имеют слабое представление о глубинных процессах происходящих при бурении. Не выработано подходов по определению оптимальных форм инденторов.

В связи с этим, перед исследованием ставится задача выработать общие научные подходах к оценке каждой новой формы индентора. Разработать доходчивую форму представления результатов исследований. Ответ на эти вопросы не должен требовать значительного

количества материальных: затрат, причем операции сравнения и выбора требуют также повышенной скорости анализа, так как предусматривают наличие как минимум двух форм.

Во второй главе формулируются теоретические основы к решению контактных задач по взаимодействию инденторов с горной породой.

Согласно исследованиям Рэлея если продолжительность контакта между ударником и мишенью очень велика по сравнению с естественными периодами колебаний этих тел, то колебаниями в системе можно пренебречь. Ограничение по напряжениям в волноводе (штанге) на ударную скорость составляет 10м/с, в то время как скорость продольных волн в горных породах выше 5км/с, следовательно, правомерным является переход от динамической задачи к статической.

В' табл. 1 приведен список форм инденторов для которых можно получить аналитическое решение статического взаимодействия инденторов с горной породой.

табл. 1 Этапы развития решения контактных задач

Г.Герц 1881г г - Ах2 + Ву2 Упругие тела, ограниченные поверхностями 2 — порядка

Я.Буссинеск 1885г г ~ С Плоский круглый штамп

А.И.Лурье, И.Я.Штаерман 1939г г = Арх Параболоид со степенью больше двух

М.Я.Лсонов 1939г г = /И Произвольное тело вращения

Л.А.Галин 1953г г = Г(х, у) Круглый штамп с обрезанными краями и произвольным гладким основанием

Приведенные выше соотношения, хотя и охватывают большой круг задач, все же имеют известные ограничения. Опираясь на работы этих ученых, можно разработать численные методы, использование которых, в связи с появлением ЭВМ, практически снимает все ограничения на форму инденторов.

В общем случае, взаимодействие индентора и породы можно рассматривать как краевую задачу математики. Для любой математической модели принадлежащей классу краевых задач характерно наличие некоторой ограниченной области, на которой известно необходимое количество условий. В нашем случае такими известными условиями являются смещения, вызванные внедрением штампа в упругую поверхность.

Численное решение таких задач осуществляется либо методом конечных элементов, либо методом граничных элементов, причем последний позволяет понизить на единицу геометрическую размерность задачи, со всеми вытекающими отсюда последствиями.

В общем случае псе известные формы инденторов можно разделить на две большие категории:

1) с продольной протяженностью (долотчатого типа) - создают плоскую деформацию;

2) осесимметричные - создают осеснмметртную деформацию. Кривизна ударной поверхности инденторов может быть практически любой.

Решение задачи плоской деформации достаточно полно изложено в работе С.Крауча и Л.Старфилда «Методы граничных элементов в механике твердого тела». Здесь сингулярным решением были выбраны уравнения: Фламана.

Решение более сложных осесимметричных контактных задач, в принципе, при известном размере контактной площадки, возможно через решение плоской задачи, поскольку в ходе исследования было выяснено, что графики распределения давления под штампом' для осесимметричной и плоской деформации (при одинаковой кривизне штампов) при нормировании дают абсолютное совпадение.

Для решения осесимметричных контактных задач при заранее неизвестных размерах контакта требуется создание кольцевых граничных элементов, которые были получены на основе решения С.П.Тимошенко, для круга с равномерно распределенным давлением:

• вертикальное смешение точки расположенной вне круга давления определяется по формуле (1);

• смещение точки расположенной внутри круга давления определяется по формуле (2).

где

Е2 и У2- модуль Юнга, и коэффициент Пуассона среды, иг - вертикальное смещение точки, р - равномерно распределенное давление, г - расстояние до точки, а - радиус круга давления,

Е*(т),К*(т),Е*(т2) - полные эллиптические интегралы по модулям т=а/г и т2~г/а

(1)

иг = 4аКирЕ-{т2)

О

(2)

(3)

Вертикальное смещение и1 от кольцевого элемента с внешним радиусом «1 и внутренним радиусом а2 можно найти по формуле (4)

и = и

Ы2_Г Здесь

Щ я - смещение от круга радиусом я1 и и7Г - смещение от круга радиусом я2, где «2<а1. Совместное действие нескольких граничных выражается системой линейных уравнений (5)

(4)

элементов

= ъ

<5 " р 1

(5)

7-1

где

и[ - смещение по среднему радиусу /-го граничного элемента, Ру - давление по среднему радиусу /-го граничного элемента,

- коэффициент влияния «-го. граничного элемента на/"-й граничный элемент, представляющий собой смещение /-го граничного элемента при воздействии на него единичного давления приложенного к /-му граничному элементу.

Коэффициент Су вычисляется но формуле (4), где Д и /<. г определяются в зависимости от расположения граничною элемента по формуле (1) либо (2) с исключением из них р (прир=1).

Решив данную систему уравнешщ из условия заданного произвольного внедрения штампа (известных мы узнаем

распределехше давлений под осесимметричным штампом произвольной формы. На рис.1, рис.2 приведено сравнение с классическими

4000 р, МП» р, МПа

3000 2000 5000 -, _■•* ' * ''

1 соо —У- •7 \ г, мм

« г, мм 0 Т-?-

- 3 0 о По Буссинеску Методом граничных элементов - По Герцу Методом граничных элементов

рис.1 Сравнение с решением Я.Буссинеска рус.2 Сравнение с решением Г.Герца

Учет упругих свойств ицденгора можно произвести введением, в формулы (1) и (2) наряду с упругими свойствами среды его упругих констант Е] и (6).

(1-ф (1-ф (6)

к---ГГ"

Контактная задача считается решенной, когда известно распределение давлений под штампом. Используя методики, изложенные в данной главе, можно просчитывать инденторы всех имеющихся в настоящее время форм, в том числе и с учетом их упругости.

В третьей главе проводится анализ взаимодействия со средой криволинейных индеиторов.

Для ответа иа вопросы по учету различий между различными формами твердосплавных вставок, обоснования рациональных форм, создана компьютерная программа, в основу которой положен метод граничных элементов, изложенный во второй главе.

Для изучения напряженного состояния среды задаются следующие исходные условия:

• среда внедрения, здесь определяющими являются модуль Юнга и коэффициент Пуассона;

• диаметр или ншршга инделтора;

• форма индентора;

• расстояние от оси ивдентора до защемленных точек (для плоской деформации);

• глубина внедрения.

Для плоской деформации возможно задание совместного воздействия на породу двух шденторов.

В результате работы этой программы строится картина напряженного состояния среды, аналогичная картине получаемой поляризациошю-оптическим методом.

Следует заметить, что количественное совпадение с реальными задачами будет наблюдаться только в пределах упругости, то есть при небольших глубинах внедрения. Например, в табл. 2 приведены предельные глубины внедрения для гранита, рассчитанные через контактную прочность (твердость) по Л.А.Шрейнеру, которая определяется как среднее давление под плоским цилиндрическим штампом при нагрузке в момент общего хрупкого разрушения.

табл. 2 Предельные глубины внедрения

Диаметр штампа Площадь штампа, мм2 Глубина внедрения,

<1,мм те, мм

1,13 1 0,041

1,95 3 0,07

3,58 10 0,129

Данные числа рассчитаны по формуле (7), полученной из формулы Буссинеска при свойствах среды (гранита), представленных в табл. 3.

/Г (1-У2) (7)

V-

IV -

-Р^

4 Е

табл. 3 Механические свойства среды внедрения

Порода Модуль Юнга Е, МПа Коэффициент Пуассона V Контактная прочность рш, МПа

Мрамор 80000 0,28 -

Гранит 65000 0,23 3140

Как было показано ранее решение, полученное методом граничных элементов, практически полностью совпадает с решением Буссинеска.

Из формулы (7) видно, что при больших диаметрах и менее жестких породах можно получить глубины внедрения (в пределах упругости) до 1-1,5мм.

В дальнейшем для лучшей проработки формы было проведено внедрение в запредельные зоны, но поскольку характер напряженного состояния (распределение характеристик) целиком определяется формой искривления поверхности, то внедрение на большие глубины можно рассматривать как качественную картину. Для учета этого обстоятельства в работе производится только сравнительный анализ форм инденторов.

Здесь же можно отметить, что некоторые исследователи рассматривают кривую деформация-напряжение как кусочно-линейную зависимость. Хотя данное предположение в отношении взаимодействия индентора с горной породой может иметь только локальный характер и возможно только в зоне близкой к индентору, учет переменности модуля Юнга при расчетах позволяет рассмотреть некое подобие упруго -пластического взаимодействия. О возможности применения кусочно-линейной аппроксимации говорит также наблюдение Шрейнера: «величина деформации, как в упругой, так и в пластической области приближенно пропорциональна диаметру штампа», что соответствует формуле Буссинеска.

Поскольку зависимость усилия Р от глубины внедрения и' почти для всех форм имеет характер близкий к линейному, работу А, затрачиваемую па преодолеть упругих деформаций при вдавливании штампа можно находить по формуле (8).

, РIV (8)

А =-

2

Для форм, в которых лилейной зависимости не наблюдается, для нахождения работы необходимо применять численное нитрирование.

Сравнение инденторов в работе производилось без учета трещиноватости горных пород, поскольку неизвестно заранее где и как они располагаются, хотя принципиальная возможность такого учета существует. Например, в книге С.Крауча и А.Старфилда описывается метод разрывных смещений, в котором грашгчные элементы рассматриваются как части трещины.

Оценка основных гипотез прочности при выборе критерия разрушения показала, что если по какой либо из гипотез прочности индентор разрушает больше горной породы, то и по остальным гипотезам соотношение будет в пользу данной формы шгдентора.

Поскольку большинство исследователей в своих работах указывают, что разрушение начинается при превышении определенного значения максимальными касательными напряжениями, в дальнейшем ош1 были приняты за критерий, определяющий зону разрушения.

Важной характеристикой, влияющей на выбор индентора, является его заостренность. Показателем «остроты» индентора можно считать величину обратную скорости изменения контактной площадки по мере внедрения индентора: чем медленнее меняется размер площадки, тем острей данный индентор.

Для анализа «остроты» возьмем семейство кривых у=хк при х; меняющемся от 0 до 1. Для исследования взяты формы инденторов со степенями к=1, 2 и 10, создающие плоскую и осесимметричную деформации.

£9

К анализу "остроты". Сравниваемые формы инденторов

Плоеная деформация

600 400

11 '""У«,™.

"Щи

> а V « " . '1 »'

200 гЗ- Г •

Ь 1 ■■ ->•

к.

0,4

• г

33_ I | 104 I 141 180 47 Г 100 I 157 Т 218 282

10 107 227 ! 352 483 617

Глубина, мы

Осе симметричная деформация

ИХ) 600 400 -1 '

200

0 ' 3 <

0.2 0 4 0,6 0,8 I 1

;-»~1 | 2 9 21 38 : 59 ■

: . 2 ; 16 50 216 93. 143 200

! 101 100 337 463 ; 591

Глубина, мм

рис.3 Зависимость силы погружения от глубины внедрения

5

г з

и

I»

»о О

Плоская деформация

4000

■3000 V 2000 ^ 4 1000 Ч-

_ г

0

Г?

:

.■ч

? г

— I

2 I

10 0

0.2 ^0.4 8 1 35 12

Г 72 ' 186

0.6 83

_0.8 157

1

258

862 1718 , 2900 ; Глубина, мм

Осесиммегричная деформация

• , ?

е 0> А ю О

500

• _

* *

0,2 02 5,6

0,4 ; 0,6

ю:

1,5

___21

0 ! 212

4,7 49

0,8 ! 1 11 3 21 89 ! 140

368 ■ 573 1 829

Глубина, мм

рис.4. Зависимость объема разрушения от глубины внедрения

С точки зрения "остроты" инденторов, при достижении соответствующей мощности перфораторов (рис.3', рис.4) и прочности бурового оборудования, более эффективными являются "тупые" формы. Применение плоских инденторов с закругленными краями может дать 56 кратный эффект по производительности бурения и 2 кратный эффект по удельным затратам энергии по сравнению с применяющимися в настоящее время инденторами сферического типа.

Еще одной поверхностью альтернативной сферической и лезвийной, является поверхность, описываемая уравнением

х2у = 4а2 (2а- у) ^

Это так называемое уравнение "Верзьеры Аньези".

(

1. Лш^и (0.2)

2. Аш.е£и (О,!)

3. Сфера (Цилнндр)

4. Конус (Клин) Глубина внедрения

Как видно. . из данного рисунка индентор, описываемый по «Верзьере Аньези», имеет переходные свойства. По мере заглубления на первом этапе он проявляет себя как острый индентор, затем становится «тупым». В то же время как острый индентор он не имеет острой кромки, т.е. является более прочным по сравнению с лезвийным инструментом.

Визуальные наблюдения подтвердились численным экспериментом. (Патент Ли 2039192 С1 б Е21В 10/16. Твердосплавная вставка для буровых коронок. Соавтор Дворников'Л.Т., Береснев А.Н.).

В четвертой главе приводятся некоторые конструктивные решения, и проводится анализ этих решений при помощи изложенной методики.

Одним из вариантов инденгоров безлезвийного типа может служить вставка трубчатой формы с тороидальной контактирующей поверхностью (рис. 5), которую в последующем будем называть вставка - «Тороид». (А.с.1778265 (СССР) Твердосплавная вставка для буровых коронок. Соавтор Дворников Л.Т.)__

¡>иг 3

рис. 5 Твердосплавная вставка «Тороид»

рис. 6 Буровая коронка, армированная твердосплавными вставками типа «Тороид»

На фиг.1 представлена вставка (фронтальный разрез и вид сверху), на фиг.2 - эффект воздействия вставки на породу (пунктиром обозначено

распространение действия удара), на фиг.З - эффект совместного действия вставок (изображена ударная поверхность коронки, пунктиром показаны ударные волны).

Вставка содержит цилиндрический корпус 1, ударную рабочую поверхность 2, выполненную в виде полутора, сопряженного с наружной и внутренней поверхностями и осевой канал 3.

Во время бурения шпуров вставка своей рабочей поверхностью 2 взаимодействует с породой. От поверхности вставки начинают исходить ударные волны, которые, складываясь с волнами от других вставок, производят дополнительное разрушение породы. Таким образом, действие вставки распространяется не только на зону контакта, но и вне её (на фиг.2 и 3 - точки пересечения пунктирных линий). При этом по каналу' 3 подастся промывочная жидкость, которая в момент отрыва вставки от породы очищает зону контакта для следующего удара.

Вставки предложенной конструкции запаиваются или запрессовываются в коронку типа КТШ (ГОСТ 17196-77).

Внешний вид таких коронок при сборке их методом запрессовки твердосплавных вставок представлен на рис. 6. Твердосплавные вставки 2 запрессовываются в корпус коронки 1. Во время работы промывочная жидкость подается через каналы 4, а отработанный шлам удаляется через пазы 3.

Далее был проведен численный эксперимент по внедрению в гранит индентора - «Тороида» ( рис.8) в сравнении с внедрением индентора цилиндросферического типа того же диаметра ( рис. 9), размеры исследуемых форм показаны на рис. 7.__

. Связь силовых характеристик взаимодействия с полезной работой (разрушением породы) показана на рис. 10.

В сравнении со сферой тороидальный индентор требует больших _ энергетических затрат, но и объем разрушенной породы после удара «Тороидом» много больше.

«Тороид» Цшшндросферичсский __индентор_

рис. 7 Исследуемые формы

По удельным затратам энергии в зависимости от глубины проника!Шя «Тороид» постепенно приближается к сфере и при глубине равной 1мм (для заданных условий) затраты энергии на разрушение единицы объема породы у этих двух инденторов одинаковы.

Таким образом, твердосплавная вставка типа «Тороид», обладая достоинствами цилиндросферических вставок, песет в себе целый ряд дополнительных преимуществ:

• экономия твердого сплава;

• легкость захвата (возможность автоматизации сборки);

• больший объем разрушения горной породы (2,6 - 3,2 раза);

• улучшение очистки забоя;

« дополнительная прочность за счет трубчатой формы.

рис.8 Характеристики напряженного состояния среды при внедрении «Тороида»

ч | < у , ч,.-;. * ; .*- '

I II 1 "Ч1 • 1 « ( 2 /м - * « иб- и' >- » •

¡■■♦»г* •>«-»•*-» >» <. 1 !~> гу и Пг Ой У>4Х^У» И!*.Г<лИ«V'

! -• ;

Нлсл т . няп; - I- Ьи-,? V |И *" 1 . ' I .< • '

рмс. 9. Характеристики напряженного состояния среды при внедрении сферы

Усите&ед»ки

1000

Тф ! 152! 312 | 473 \ 635 I 798 I Гл.биаш

<Хгшл разрушэтя

1000 600

0-)

'I г,

! ■ 0.4 1 0.6 ! I

0,2 | 0.4 I 0.6 ! 0.8 | 1.0 ;

-ОЗЙ^.В^ЗйЗ]®^ ;Ж,2, 223 ; ) Тф ]~26_ ¡101,9; 209 |462,6.660,9 | Глубина, мм <

Удельная работа разрушения

1,00 -

Соотношение Тор/Сфера

10,00 1 »»» | ^ *<г>

5,00

0,00

-Сиге

• Объем

0.2 |^0.4 | 0.6 | 0.8 I 1.0 ] |

6.31 ! 4,57|379 Гз.31 ; 2,98 ; :

2,74 ; 2,81

Уд. работа \ 2,31 ; 1,63

2,60 ! 3,21 ! 2,96 I !

1,46; 1,0311,01 I;

Глубина, мм

I

рис. 10 Сравнительное внедрение сферы и тора

Еще одной проблемой затронутой в данной работе является вопрос крепления твердосплавных вставок. В настоящее время известно два способа креплетм - это запаивание твердосплавных вставок и их запрессовка. Причем в нашей стране преобладающим способ ом является первый, за рубежом второй. Оба этих способа имеют свои достоинства и недостатки.

К недостаткам способа пайки можно отнести:

1) экологическую вредность производства;

2) большие затраты электроэнергии;

3) затраты дорогостоящей латуни;

4) трудоемкость извлечения, отработанных твердосплавных вставок. К недостаткам способа запрессовки относятся:

1) необходимость высокоточного производства;

2) трудоемкость извлечения, отработанных твердосплавных вставок.

Практически неразработанным является третий механический способ крепления твердосплавных вставок, вариант которого представлен на рис. 11. (Патент Яи 2039195 С1 6 Е21В 10/36. Буровая коронка. Соавтор Дворников Л.Т.) •

Задачей данной конструкции является достижение:

1) возможности легкой замены твердосплавных вставок,

2) хорошей очистки обрабатываемой поверхности,

3) возможности регулирования удельного давления коронки на обрабатываемую поверхность,

4) технологичность изготовления буровой коронки.

Указанная задача достигается тем, что для крепления вставок применяется полый крепежный винт (рис. 11, фиг.З). Вшгг с отверстием под ключ, имеет две части: цилиндрическую, с резьбой и самотормозящую коническую. Цилиндрической частью винт ввинчивается в резьбовое отверстие, просверленное в корпусе коронки, а коническая часть выполняет две функции:

• прижимает соприкасающиеся с ней твердосплавные вставки к корпусу коронки;

• удерживает винт от самовывиичивагаш за счет сил трения между винтом и корпусом коронки (заклинивается в конусной части отверстия).

Во время работы коронки первыми в контакт с породой вступают наиболее близкие к цеггтру коронки участки вставок, что облегчает процесс забуривания. В зависимости от наклона осей вставок меняется площадь контакта вставок с породой. Это влияет на удельное давление коронки на породу и позволяет связать между собой энергетические характеристики бурильной машины и механические свойства горной породы. Промывочная жидкость во время работы подается через каналы

во вставках и в крепежном винте как раз в те места, где производится наибольшее разрушение породы (по центру вставок и между ними).

Еще одним вариантом механического крепления является крепление сепаратором рис.12 (Патент 27П37! от 30.03.95 Буровая коронка. Соавтор Дворников Л.Т.).

Данный вариант крепления обладает большей надежностью и технологичностью, чем предыдущий, но предполагает несколько большие размеры коронок.

Сам сепаратор отличается простотой изготовления. Гнезда под твердосплавные вставки мо!ут создаваться простой операцией штамповки, отдельного крепления вставок не требуется, все это, а также гладкая опорная, поверхность. верхней части корпуса обеспечивают высокую технологичность изготовления коронки.__

В обоих вариантах конструкций крепежные винты защищены от непосредственного удара выступающими твердосплавными вставками.

Таким образом, механическое крепление твердосплавных вставок является более целесообразным, чем существующее в настоящее время крепление методом запаивания или запрессовки.

В заключении приводятся итоги работы,- и намечается план дальнейших исследований.

Дальнейшими исследованиями необходимо проведение анализа взаимодействия буровых коронок с горной породой с учетом реальных условий: произвольного расположения твердосплавных вставок; характера силового импульса, подводимого к буровому инструменту; неоднородности горной породы, ее трещиноватости и др.

рис, 11 Механическое крепление крепежным винтом

рис.12 Механическое крепление сепаратором

ПУБЛИКАЦИИ . _____

1. Влияние конструкторско-текнологических факторов на надежность бурового инструмента. Научно-практическая конференция, посвященная 60-летию института. Новокузнецк, 1990г. (Соавтор Зайцев В.И.)

2. Твердосплавная вставка для буровых коронок. Кемеровский межотраслевой территориальный центр научно-технической информации, 1991г.

3. Влияние кривизны штампа на сопротивление внедрению. Второй семинар по угольному машиностроению Кузбасса. Тезисы докладов (Кемерово, 22-23 октября 1991г.) - Кемерово, Институт угля СО АН СССР. (Соавтор Дворников JI.T.) -

4. Аналитические основы решения контактных задач, применительно к ( взаимодействию инденторов с разрушаемой средой. Материалы третьей научно-практической конференции. Новокузнецк, 1993г. (Соавтор Дворников Л.Т.)

5. Буровая коронка с сепаратором. Механизация горных работ. Кузбасский государственный технический университет. Кемерово. 1997г. (Соавтор Дворников Л.Т.)

6. Обоснование кривой «Верзьеры Аньези» в качестве образующей рациональной поверхности инденторов. Материалы шестой научно-практической конференция по проблемам машиностроения металлургических и горных машин. Под редакцией профессора Дворникова Л.Т.. Новокузнецк, 1997г.

7. Исследование осесимметричных задач на базе их решения в плоской постановке. Материалы седьмой научно-практической конференции по проблемам машиностроения металлургических и горных машин. Под редакцией профессора Дворникова Л.Т.. Новокузнецк, 1997г.

8. A.c. 1778265 (СССР) Твердосплавная вставка для буровых коронок. (Соавтор Дворников Л.Т.)

9. Патент Ru 2039192 С1 6 Е21В 10/16. Твердосплавная вставка для буровых коронок. (Соавторы: Дворников Л.Т., Береснев А.Н.) ■

10. Патент Ru 2039195 С1 б Е21В 10/36. Буровая коронка. (Соавтор Дворников Л.Т.)

11. Патент 27П371 от 30.03.95 Буровая коронка. (Соавтор Дворников Л.Т.)

Изд. Лад. №020353 от 27.12.96 г, Подписано в печать 26.03.98г. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага писчая, Печать офсетная. Усл.печл. 1. Уч.-год.л. 1.

Тираж 100 экз. Заказ № (7)_

654007, г.Новокушецк, ул. Кирова, 42. Издательский центр СибГИУ.

/ ;

/

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Сибирский государственный индустриальный

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ФОРМ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ВСТАВОК (ИНДЕНТОРОВ) ДЛЯ БУРЕНИЯ ШПУРОВ МАШИНАМИ УДАРНОГО

ДЕЙСТВИЯ

Специальность 01.02.06 - Динамика, прочность машин,

приборов и аппаратуры

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Академик Международной Академии Наук Высшей Школы, доктор технических наук, профессор

Дворников Леонид Трофимович

Новокузнецк, 1998

университет

На правах рукописи

Куклин Сергей Александрович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................4

1. СВЕДЕНИЯ О МЕХАНИЗМЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛЕЗВИЙНОГО И БЕЗЛЕЗВИЙНОГО ИНСТРУМЕНТА НА ХРУПКИЕ СРЕДЫ............................................... 6

1.1 Известные теоретические исследования.................6

1.2 Физическое моделирование взаимодействия лезвия и породы (метод фотоупругости).................................10

1.3 Экспериментальные исследования........................19

1.4 Постановка задачи................................................31

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ К РЕШЕНИЮ КОНТАКТНЫХ ЗАДАЧ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИНДЕНТОРОВ С ГОРНОЙ ПОРОДОЙ.....................32

2.1 Аналитические методы решения контактных задач применительно к взаимодействию инденторов с разрушаемой средой....................................................32

2.2 Взаимодействие инденторов и породы как краевая задача в смещениях.....................................................45

2.2.1 Исследование плоской деформации методом граничных элементов .................................................45

2.2.2 Исследование объемных осесимметричных задач на базе их решения в плоской постановке...................49

2.2.3 Решение осесимметричных контактных задач. Круговые, кольцевые граничные элементы..................55

2.2.4 Учет упругих свойств индентора........................64

3. АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СО СРЕДОЙ КРИВОЛИНЕЙНЫХ ИНДЕНТОРОВ.........................67

3.1 Вводные замечания................................................67

3.2 Выбор критериев разрушения..................................72

3.3 "Острота" индентора, как критерий рациональности форм.............................................................................78

3.4 Обоснование кривой «Верзьеры Аньези» в качестве образующей рациональной поверхности.....................87

4. РЕАЛИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ.............................94

4.1 Вставка «ТОРОИД»................................................94

4.2 Взаимодействие сплошных сред с инденторами

тороидальных форм, поиск рациональных

соотношений........................................................98

4.3 Крепление твердосплавных вставок....................107

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................112

ЛИТЕРАТУРА...............................................................113

ПУБЛИКАЦИИ.............................................................120

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что в горнорудной промышленности страны при проведении горных выработок преобладающим, а для крепких пород единственным является буровзрывной способ. Причем, значительные объемы шпуров и скважин бурятся машинами ударного действия. Ежегодно на рудниках и шахтах страны пробуривается свыше 200 млн. м шпуров, при этом расходуется около 5 млн. буровых коронок [1].

Буровая коронка, оснащенная твердым сплавом, представляет собой основной элемент бура, разрушающего горную породу. Состоит она из корпуса и твердосплавной вставки или нескольких вставок, соединенных с корпусом паяным швом.

Корпус выполняет функцию матрицы для твердосплавной вставки и обеспечивает соединение коронки с буровой штангой. Часть корпуса с пазами под твердосплавные вставки принято называть головкой, головной частью, а часть с посадочным гнездом под штангу называют основанием корпуса.

Основную полезную функцию разрушения породы выполняет головная часть коронки, которая, начиная с конца 1940-х годов, армируется твердосплавными вставками и, кроме того, содержит промывочные или продувочные каналы и пазы для отвода шлама.

В зависимости от формы, числа, расположения вставок и связанного с этим расположения каналов и пазов существует большое количество вариантов головной части буровых коронок.

Геометрия головной части и конструкция всей бурильной машины в преобладающей степени определяется физико-механическими свойствами горной породы и твердосплавных вставок, в связи с этим исследователи постоянно изучают вопрос о механизме взаимодействия вставок различной формы с горной породой. В данном направлении проведено значительное количество работ учеными всего мира, тем не менее, принципы конструирования породоразрушающей части коронок не сложились пока в единую теорию, а потому часто являются случайными. Данная работа является продолжением изыскания в этом направлении, задачей ее является поиск

некоторых оптимальных условий взаимодействия инструмента с горной породой путем варьирования форм инденторов, силовых воздействий, условий очистки забоя и т. п.

1. СВЕДЕНИЯ О МЕХАНИЗМЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

ЛЕЗВИЙНОГО И БЕЗЛЕЗВИЙНОГО ИНСТРУМЕНТА НА ХРУПКИЕ СРЕДЫ

1.1. Известные теоретические исследования

Прежде чем рассматривать работы, проведенные различными исследователями, необходимо указать, что под лезвием по предложению проф. Л.Т.Дворникова мы будем понимать твердосплавную вставку, рабочая поверхность которой до износа имеет острую кромку. Соответственно, лезвийный инструмент - инструмент, содержащий такие твердосплавные вставки. Существуют твердосплавные вставки не имеющие острых кромок такие вставки относятся к безлезвийному инструменту. Долотчатый инструмент содержит одну вставку и является частным случаем лезвийного инструмента. Известным в настоящее время безлезвийным инструментом являются буровые коронки армированные цилиндросферическими

твердосплавными вставками. Некоторые исследователи, начиная с Л.А.Шрейнера, называют твердосплавную вставку "индентором".

Первые попытки теоретического анализа взаимодействия долотчатого инструмента с породой были предприняты в 1865 году Шпарре [2] и в 1889 году Долежалеком [3]. Основной вывод авторов заключался в том, что деформация породного массива полностью соответствует форме внедряющейся части долота вплоть до моментов выкола.

В 1908 году Н.С.Успенский разработал более полное математическое описание внедрения клина [4], согласно которому разрушение породы происходит в два этапа:

1) объем породы, находящийся непосредственно под лезвием, разрушается от напряжений сжатия;

2) в дальнейшем лезвие действует, как клин и скалывает объем породы в сторону лунки.

Согласно этой теории процесс разрушения породы протекает по схеме, допускающей постоянство удельного давления, лезвие бура при этом не деформируется.

Теорию Н.С.Успенского использовали и развивали в своих трудах многие авторы А.Ф.Суханов [5], А.И.Медведко [6], Н.А.Федоров [7] и другие. В частности,

А.И.Медведко, более подробно описывая первый и второй этапы, считал, что на первом этапе, после того как пройден предел упругости, дальнейшее продвижение инструмента обеспечивается в основном за счет имеющихся в породе микро- и макропор. Одновременно с нарушением межкристаллических связей породы формирование зоны разрушения сопровождается весьма интенсивным измельчением материала.

В начальной стадии второго периода происходит трещинообразование. В первую очередь трещины появляются в плоскостях наиболее ослабленных ударом. Дальнейшее развитие процесса сопровождается местным выкалыванием элементов породы; при этом образовавшийся излишний объем отколотой породы по мере продвижения лезвия вытесняется его боковыми поверхностями. Вытеснению породных излишков кроме боковых поверхностей, в известной мере, способствует и предельно уплотненная зона под лезвием бурового инструмента.

рис. 1.1 Линии равного напряжения сжатия (Медведко А.И.)

Основные формулы для расчета: величины внедрения лезвия в породу; работы, расходуемой буровой коронкой при внедрении; силы, необходимой для преодоления сопротивления породы основаны на предположении, что местные перенапряжения при ударе распределяются по кругам, проходящим через точку приложения силы (рис. 1.1), при этом напряжение сжатия одинаково по периметру круга и определяется по формуле:

2Р

(1.1)

7С(1

где Р - прикладываемое усилие; с! - диаметр круга с одинаковым напряжением сгг.

И зона разрушения:

а = — (1.2)

тгЯ,

где На - временное сопротивление сжатия по данным испытаний.

И.С.Покровский [8] исходит из того, что лезвие практически всегда имеет площадку притупления. При ударе под этой площадкой образуется треугольная призма, действующая на прилегающие участки породы как клин.

С вопросом о взаимодействии индентора с породой тесно связаны разделы теории упругости, касающиеся контактных задач.

Первые работы, посвященные пространственным контактным задачам, принадлежат Я.Буссинеску [9] и Г.Герцу [10]. В 1928 году М.Садовским [И] было решено несколько частных задач о давлении твердого тела на упругую плоскость в случае, когда силы трения отсутствуют. Общий метод решения контактных задач теории упругости, использующий функции комплексного переменного, создан главным образом Н.И.Мусхелишвили [12,13]. Ценные решения были нолучены Л.А.Галиным [14], А.И.Лурье [15], Г.Н.Савиным [16], И.Я.Штаерманом [17,18], И.Снеддоном [19], А.Н.Динником [20], Н.М.Беляевым [21], М.Я.Леоновым [22] и другими. Некоторые полученные результаты были впоследствии использованы для оценки напряженного состояния породного массива при внедрении инденторов.

В.В.Царицын [23], рассматривая механизм разрушения горных пород притуплённым лезвием и основываясь на теории пластичности, использует в своих математических выкладках уравнения Буссинеска. Он считает, что при внедрении лезвия в породу поверхность последней втягивается, приближаясь к его граням.

Л.А.Шрейнер [24,25], основываясь на известной задаче Буссинеска о действии сосредоточенной силы на плоскость в области упругих деформаций и, приняв давление по плоскости контакта штампа с телом равномерно распределенным, выводит расчетные формулы для определения нормальных и касательных напряжений по оси симметрии. Главным выводом Л.А.Шрейнера является вывод о том, что для решения вопросов, связанных с

процессами разрушения пород при бурении основные характеристики пород следует определять методами, по своей физической сути наиболее близкими к процессам разрушения поверхностного слоя породы. Для этой цели им предложено определять прочностные характеристики пород методом внедрения штампов, а сама характеристика получила наименование агрегатная твердость.

Из теории упругости известно [15,18,26], что -при вдавливании штампа в упругое полупространство возможно достижение предельного напряжения в двух экстремальных зонах: на контуре, где имеют место условия чистого сдвига, и на оси симметрии, на некоторой глубине от основания штампа. Именно эти два момента лежат в основе механизмов разрушения горных пород, предложенных Р.М.Эйгелесом [27,28,29].

Б.Н.Кутузовым и Г.М.Крюковым разработана [30,31] и развита в последующих работах [32,33,34] теория разрушения горных пород ударом, описывающая процесс внедрения инструмента с помощью основных уравнений гидродинамики. Из теоретических и экспериментальных исследований, посвященных взаимодействию с породой клиновых инденторов и штампов, можно отметить работы [35,36], а также целый ряд работ зарубежных ученых [37,38,39,40,41,42,43].

1.2. Физическое моделирование взаимодействия

лезвия и породы (метод фотоупругости)

Исследования взаимодействия долотчатого

инструмента с горной породой методами статической и динамической фотоупругости проводили И.С.Бабенков, К.И.Иванов, Г.Л.Хесин [44].

На первом этапе исследований для ударного бурения оценивалось, на упрощенных конструкциях, распределение напряжений в лезвиях коронок при различных углах заточки - 75°,90°,110°,120° и различных радиусах затупления (здесь радиусом затупления

аппроксимировалась площадка притупления). Для лезвий с углом приострения 110° изучалось, кроме того, напряженное состояние при заглублении в породу на 1,3 и 5мм, при расположении лезвия на поверхности и в заглублении, рядом с предварительным выколом. Далее, было рассмотрено влияние диаметра коронки на распределение напряжений при диаметрах 10, 20 и 40мм. Следует отметить, что лезвие по всей длине было плоским, в отличие от выпускаемых промышленностью (К=120мм), не учитывались также остаточные температурные напряжения от впайки пластинок. Исследования, проведенные на плоских моделях, по выбору оптимального угла заточки лезвий коронок показали, что при уменьшении угла приострения на 68% (со 120° до 75°) напряжения в вершине угла заточки увеличиваются на 70%, а при уменьшении угла на 8% (со 120° до 110°) напряжения возрастают на 12%.

Изучение распределения напряжений в зависимости от диаметра коронки на плоских моделях показало, что в средних частях при увеличении диаметра вдвое напряжение уменьшится примерно в 3 раза. С увеличением диаметра бурения минимально нагруженная часть (рис.1.2) лезвия АБ увеличивается, при 0=40мм недогруженными оказывается около 80 % рабочей длины лезвия.

Изучение влияния радиуса закругления режущей кромки показало существенное влияние на величину напряжений вблизи контактной зоны. Так, при испытании моделей с радиусом затупления 0,2 и 0,9мм напряжения вблизи контактной зоны для второй коронки были меньше, хотя нагрузка на эту коронку была в 2 раза больше.

Влияние радиуса на максимальные напряжения по проведенным экспериментам можно оценить соотношением

сг

Im ах _ / Im ах

'II

0,7

Ч )

(1.3)

где

• сг1тах и Стцтах - максимальные контурные напряжения в крайних точках лезвия коронки для вариантов 1 и 2;

• 1*! и Гц - радиусы закруглений.

Напряженное состояние коронки в микрозонах контакта лезвия (в зонах очень близко прилегающих к точке касания) с породой свидетельствует о работе острия лезвия не как клина, а как цилиндрической поверхности, находящейся в контакте с полупространством.

Распределение напряжений в изучаемых срезах близко к напряженному состоянию, типичному для задачи Герца: максимальные касательные напряжения располагаются на некотором расстоянии от поверхности контакта (рис.1.3 а,б). |Д D/D

0.8 0.6 0.4

о,г

г:

10

20

30

D,mm

AD-минимально загруженная часть лезвия

рис. 1.2 График изменения минимально нагруженной части лезвия в зависимости от его ширины.

рис. 1.3 Эпюра напряжений и картина полос в срезе

а) tcp- 1мм; б) tcp- 0,35мм; (tcp-толщина среза;)

Напряжения, возникающие в крепкой породе, при заданной нагрузке зависят от четырех основных геометрических факторов: угла приострения инструмента; затупления лезвия; диаметра буримого шпура и удаленности контактной зоны от свободной поверхности, образованной предварительным выколом.

т тах 9ПП0П '1 ^ 9 ™

10000 5000 V

\ р

V \ А h.mm У//

i 3 '-f i. г

рис. 1.4 Эпюра касательных напряжений в породе по сечению 1-1, и картина изолиний

рис. 1.5 График изменения

напряжений в породе в точках 1,2,3 при внедрении лезвия на глубину к

Ттах (при О = 20мм) (рн =1кН/мм)

Величина напряжений под инструментом существенно зависит от угла заточки лезвия и от радиуса скругления. В зоне, непосредственно примыкающей к контактной линии инструмента и породы, при увеличении угла приострения от 75° до 120° максимальные напряжения снижаются на 32% ; при нагрузке в натуре 500Н/мм величина напряжения равна соответственно 1420МПа и 970МПа. Напряжения в обоих случаях превосходят предел прочности крепкой породы, поэтому будет происходить процесс внедрения лезвия в породу. Если у лезвия с углом приострения 75° образуется радиус закругления (в результате затупления), то уже при г=0,Ш напряжения уменьшаются на 30%. При г=0,250 напряжения в породе составляют половину от напряжений, возникающих при практически незатопленном лезвии.

При увеличении диаметра бурения и одинаковой величине усилия напряжения изменяются обратно пропорционально. В породе под средней частью лезвия по мере удаления от линии контакта (рис. 1.4) напряжения

вначале увеличиваются, а затем уменьшаются. Наибольшее значение ттах находится на расстоянии половины диаметра.

Линия лезвия бура

16.2

9.1

2 / Направление

321

просвечивания

о)

785

23,0

ЛЬ

0.7! 5

Эпюра

(Зх(ху) и Ттах (ху) по линии контакта с лезвием

рис. 1.6 Эпюра напряжений в сечениях 1,2,3 объемной модели

при просвечивании

а) в направлении С;;

б) в направлении С2

Если долото углубить в породу, то напряжения в породе резко падают вследствие увеличения площади контакта, причем наибольшее значение возникает в середине заглубленной полости (рис. 1.5).

Так как внедрение лезвия инструмента обычно не превышает 2мм, то напряжения в средней части заглубления составляют приблизительно половину первоначальных напряжений. Острие лезвия разгружается, а верхняя часть и середина (см. рис.1.5) имеют большие нагрузки. Таким образом, по мере внедрения лезвия в породу происходит перераспределение напряжений.

Следующий этап исследований состоял в анализе напряжений в объемной модели породы. Коронка располагалась на пов