Теория рабочего процесса буровых машин с шарошечными долотами

Разрушение породы при шарошечном бурении происходит в результате перекатывания зубьев шарошек по забою (рис.). В момент касания зуба осевое усилие передается на породу соседними зубьями и частично конусом шарошки диаметром D_ш через продукты разрушения. По мере перехода зуба А в вертикальное положение на него будет действовать почти линейно возрастающая сила Pi (MH), направленная вертикально вверх и находящаяся на расстоянии xот оси вращения шарошки. Сила воздействия на остальные зубья, например В, будет соответственно уменьшаться, и они прекратят разрушение породы.

Поэтому воспользуемся упрощенной моделью процесса.

Зубья шарошки периодически соприкасаются с породой, и под действием осевого усилия подачи Р_ос (МН) каждый из них внедряется на глубину h₃ (м). Если долото имеет Z_ш шарошек, каждая из которых контактирует с забоем на длине L (м), то общая длина линий одновременного контакта зубьев долота с породой будет Z_шL.

Вследствие вторичного дробления уже отделенной от массива породы общая линия контакта зубьев шарошки еще более увеличится и приближенно может быть принята равной половине диаметра долота Di (м). Глубину внедрения зубьев шарошки hз (м) можно определить так:

где α — угол заострения зуба; К₃=1,2…1,3 — коэффициент за тупления зуба.

Из формулы видно, что глубина внедрения зуба, а следовательно, и скорость бурения при прочих равных условиях возрастают с увеличением усилия подачи. Станки шарошечного бурения работают с осевыми усилиями подачи до 0,6 МН, выбираемыми в зависимости от диаметра скважины и крепости породы.

Отношение P_ос/Di (МН/м) является удельной силой подачи, приходящейся на 1 м диаметра скважины. Опытом установлено, что производительное бурение обеспечивается при удельной силе подачи 0,7 МН/м и более. Как правило, максимальные осевые давления на 1 м диаметра долота не превышает 1,8 МН/м.

Предположим, что за один оборот буровой штанги шарошечное долото разрушит всю поверхность зуба на глубину h₃. Тогда скорость шарошечного бурения (подачи) V_б.т (м/мин) при частоте вращения долота п_вр (с^-1) определится из выражения

где К_ск≈0,5 — коэффициент, учитывающий уменьшение скоро сти бурения из-за неполного скалывания породы между зубьями.

Частота вращения долота п_вр в зависимости от крепости по роды принимается равной 1,2—2,5 с^-1.С увеличением частоты вращения повышается скорость бурения, но резко возрастает износ долота.

Потребное осевое усилие подачи Р_ос (МН) с достаточной для инженерных расчетов точностью может быть определено по эмпирической зависимости

где f — коэффициент крепости породы по шкале проф. М. М. Протодьяконова; σ_сж — прочность породы при одноосном сжатии, МПа.

Мощность двигателя вращателя N_BP (кВт) определяется по формуле

где ω_вр и n_вр — соответственно угловая частота и частота вращения штанги, рад/с и с^-1; η_вр = 0,65…0,7 — к. п. д. передачи трансмиссии вращателя.

Момент на вращателе М_вр (кН·м) ориентировочно может быть выбран также из соотношения 0,02…0,04 кН·м на 1 кН осевого усилия на долото, однако верхний предел редко используется.