Режуще-скалывающего типа

Разрушение горных пород при бурении долотами

При бурении в породах, не обладающих большой твердостью, применяются долота, режущая часть которых представляет собой односторонний клин.

Геометрическая форма режущей части у таких долот характерна углом заострения (b) и углом резания (a). Оптимальная величина угла b = 20⁰, а угла a порядка 70⁰ - для легкобуримых, мягких; b = 22⁰, a = 75⁰ - для мягких и средних пород; b = 25⁰, a = 85⁰ - для средних пород.

Долота режущего типа под стати ческой нагрузкой, действующей вдоль оси, погружается в породу, а при вращении скалывает ее по всей длине забоя. Таким образом, каждая точка, лежащая на режущей кромке долота, совершает одновременно два вида движения: вращение по кругу радиува (а) (расстояния от центра оси вращения) и поступательное - в направлении, перпендикулярным к плоскости этого круга, т. е. каждая точка при бурении описывает в пространстве винтовую линию.

Для простоты рассмотрения движения долота можно заменить движением по наклонной плоскости с углом наклона, равным углу подъема винтовой линии в данной точке долота, тогда картина

забоя будет выглядеть так (рис.49): в - толщина стружки; g - угол наклона плоскости.

Рис.49

После поворота двухлопастного долота на 180⁰ забой будет представлять вид двух наклонных плоскостей. Перед каждой лопастью долота образуется уступ с той максимальной высотой, которая соответствует суммарной глубине погружения за 1/2 оборота долота и называется толщиной стружки (в).

Если глубину разрушения за один оборот долота обозначим через h, то толщина стружки для двухлопастных долот будет h/2, а для трехлопастных - h/3 и т. д.

Рассмотрим силы, действующие на долото в процессе бурения.

b - угол заострения;

a - угол резания;

Р₁ - усилие резания (окружное усилие;

Рис.50

R - величина сопротивления породы вдавливанию. Сила R раскладывается на две силы: - нормальная сила к поверхности резания и сила Т. Под действием нормальной силы N на поверхности резания возникают силы трения fN, где f - коэффициент трения.

Горизонтальному перемещению долота будет противодействовать сила Q, нормальная к передней грани долота, а сила трения fQ (на ней возникающая) будет действовать в том же направлении, что и сила R.

Рис.51

Теперь рассмотрим силы, действующие на элемент стружки (рис.51): a - угол резания; b - угол между передней гранью долота и плоскостью скалывания; b/ - дополнительный угол к углу b. Сумма углов a + b = Const = 155-1600 - называется углом скалывания.

Силы: Р₁ = R + Qf

R₂ = Q + fNCosg (1)

Заменяя N через, получим:

Р₂ = Q + fRCos²g (2)

Величина силы в момент скалывания элемента стружки определяется сопротивлением, возникающим по плоскости скалывания.

Так как на отдельный элемент стружки действуют только две силы Q и fQ, то их можно заменить силами А и В (А -нормальное сопротивление скалыванию, В - сила, прижимающая стружку к плоскости скалывания, которая вызывает увеличение сопротивления скалывания на коэффициент внутреннего трения f^/.

Если площадь сечения стружки на единицу длины режущей кромки долота обозначить через F, то то площадь скалывания будет , а усилие скалывания , где К_s - сопротивление скалыванию. Можно записать:

.

Силы А и В определяются из следующих уравнений:

А = Qsinb - fcosb

В = fQsinb + Qcosb (4)

Подставляя значения А и В в уравнение 3, получим:

(5)

или

(6)

откуда

Напряжение сжатия в плоскости скалывания обычно мало, поэтому f можно принять равным нулю, тогда

После обозначения получим:

Так как F пропорциональна толщине стружки (в), то на единицу длины режущей кромки долота противодействия сила будет равна:

(7)

Исходя из уравнений 1, 2, и 7 усилия подачи и давление резания будут равны:

(8)

(9)

Силу R можно заменить выражением рS, где

р - сопротивление вдавливанию, т. е. твердость;

S - площадь контакта.

Угол g для долот большого диаметра очень мало отличается от нуля, поэтому cosg = 1.

Внося эти изменения в уравнения 8 и 9, получим в окончательном виде:

(10)

(11)

Таким образом, при бурении долотами скалывающе-режущего типа, приходится преодолевать сопротивление вдавливанию и сопротивление чистому скалыванию (сдвигу).

Сила Р₂ (усилие резания) обычно меньше силы Р₁ (усилие подачи - нагрузка). При этом виде бурения исключительно большое значение имеют силы трения (fpS), которые очень велики и распределяются на небольшой площади.

Соприкосновение между передней гранью долота и породой происходит по всей толщине стружки.. В начальный момент после скалывания очередного элемента стружки соприкосновение незначительно, а затем, по мере вращения долота и разрушения породы под его передней кромкой, площадь соприкосновения увеличивается до тех пор, пока возникающее при этом усилие не превзойдет

предела прочности породы по плоскости скалывания, и в этот момент происходит образование нового элемента стружки, можно назвать шагом долота, величину которого обозначают через а (рис.52). Шаг долота можно считать прямо пропорциональным, что вытекает из чисто геометрических соображений.

Рис.52