Теория рабочего процесса буровых машин ударного и ударно-вращательного действия

Ударное разрушение прочных горных пород, происходящее в результате внедрения лезвия инструмента. Под действием силы удара Р_у (Н) лезвие заостренного под углом а бурового инструмента (рис.) диаметром d (м) внедряется в породу на глубину h (м). В массиве создается сложное напряженное состояние: под действием сжимающих напряжений под разрушающей гранью инструмента образуется уплотненное ядро из

раздробленной породы, а под действием сдвигающих напряжений, появляющихся от сил N., происходит скол частиц породы под углом 90º в сторону открытой плоскости.

Внедрение инструмента прекращается, как только силы со противления становятся равными действующей силе

где F_t —сила трения лезвия коронки о породу, Н; N — нормальная сила воздействия боковой поверхности лезвия коронки на породу, Н; К ₃ = 1,2…1,3 — коэффициент, учитывающий затупление лезвия коронки.

где μ ₁ — коэффициент трения бурового инструмента о породу; σ_м.б.=0,5(σ_сж.+ σ_ск)— предел прочности породы при механическом способе бурения, МПа.

После подстановки значений F_T и N. получим

Отсюда можно определить глубину погружения лезвия коронки

При ударе по забою однодолотчатая (двух-перьевая) коронка скалывает один сектор (aba'b'), при этом за один удар по периметру скважины скалываются два участка (ab) и (а' b') суммарной длиной

После каждого удара коронка должна поворачиваться на некоторый угол, величина которого должна быть такой, чтобы

скалывались целики между следами соседних ударов. Следующий удар долото наносит по сектору (bса'е') и т. д.

Угол поворота долота после удара определяет частоту ударов за один его оборот, при котором будет отделен слой породы со всей поверхности скважины равный суммарной глубине nh погружения коронки, так как каждое перо долота за полный его оборот скалывает слой породы h со всей площади скважины.

Таким образом, потребную частоту ударов долота по забою за один его оборот можно определить из соотношения

где п — число перьев на коронке долота (n = 2 — для однодолотчатой и п = 4 — для крестовой).

Частота ударов за один оборот Z _o у современных станков, использующих пневмоударники, составляет 8…15. Чем крепче порода, тем большее число ударов должно приходиться на один оборот долота. При частоте ударов пневмоударника в секунду Z необходимая частота вращения бурового инструмента n (мин-¹) определяется из выражения

Теоретическая скорость бурения V _б (м/мин)) определяется из выражения

Из данной формулы следует, что эффективность бурения возрастает с увеличением силы Р_у и частоты ударов в секунду Z и с уменьшением угла заострения бура а, а уменьшается с увеличением диаметра инструмента d.

Под действием возрастающей от нуля силы Р _у энергия единичного удара А (Дж) составит

Таким образом, эффективность разрушения породы при ударном бурении определяется следующими основными пара метрами процесса: энергией единичного удара, частотой ударов и углом поворота инструмента после каждого удара.