Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 11
1.1. Формирование нагрузок при вращательном способе бурения шпуров, конструктивные особенности инструмента 11
1.2. Анализ исследований процесса разрушения горной породы при вращательном бурении 19
1.4. Анализ методов исследования напряжено-деформационного состояния (НДС) буровых резцов и массива горных пород при бурении 30
1.5. Общие сведения о методе конечных элементов (МКЭ).
Математическое моделирование процесса разрушения горных пород режущим инструментом 33
1.6. Выводы по первой главе и задачи исследований 38
Глава 2. Разработка математической модели напряженного состояния породного массива и элементов резца при бурении 41
2.1. Основные положения математического моделирования напряженно-деформированного состояния твердых тел методом конечных элементов 41
2.2 Выбор критерия прочности горной породы при решении задачи ее разрушения численным моделированием 47
2.3. Систематизация физико-механических параметров горных пород по контактной прочности (по проф. Л.И. Барону) для использования их в численном моделировании процесса бурения 52
2.4. Конечно-элементная модель для исследования процесса разрушения горных пород при резании 56
2.5. Конечно-элементная модель для исследования напряженно деформированного состояния режущей части бурового резца 59
2.6. Выводы по второй главе 61
Глава 3. Исследования по выбору рациональных конструктивных параметров буровых резцов численным моделированием 63
3.1. Исследование влияния угла заострения пластины на прочность буровых резцов 65
3.2. Определение рациональных углов заострения буровых резцов по значениям контактной прочности горных пород 67
3.3. Исследование влияния размеров пластины на прочность буровых резцов 73
3.3.1. Исследование влияния толщины пластины на напряжения,
возникающие в режущем клине 73
3.3.2. Исследование влияния длины пластины на прочность паяного соединения 76
3.4. Выводы по третьей главе 79
Глава 4. Разработка имитационной модели функционирования и надежности бурового резца 81
4.1. Разработка метода расчета усилия подачи и крутящего момента на резце численным моделированием бурения шпуров 81
4.2. Разработка метода расчета на прочность элементов бурового резца 88
4.3. Разработка метода расчета параметров износа бурового резца 91
4.4. Определение максимально возможной скорости бурения шпуров 95
4.4.1. Расчет ограничения подачи по максимальному осевому усилию и
максимальному крутящему моменту 98
4.4.2. Расчет ограничений подачи по прочности бурового резца 100
4.5. Определение показателей эффективности функционирования и надежности резцов для бурения шпуров 106
4.6. Выводы по четвертой главе 114
Глава 5. Применение разработанных методов при выборе рациональных конструктивных параметров бурового резца, армированного алмазно твердосплавными пластинами (АТП) 117
5.1. Обоснование структуры и выбор основных конструктивных параметров бурового резца, армированного АТП 117
5.2. Расчет геометрических параметров бурового резца, армированного АТП с учетом его движения 121
5.3. Конструктивные особенности разработанных буровых резцов 126
5.4. Пример применения разработанной методики для оценки качества модернизованного бурового резца, армированного АТП РШ-140М(2-2) 131
5.5. Выводы по пятой главе 138
Заключение 140
Список литературы
- Анализ исследований процесса разрушения горной породы при вращательном бурении
- Выбор критерия прочности горной породы при решении задачи ее разрушения численным моделированием
- Определение рациональных углов заострения буровых резцов по значениям контактной прочности горных пород
- Разработка метода расчета на прочность элементов бурового резца
Введение к работе
Актуальность работы. В соответствии с энергетической стратегией России на период до 2030 года горная промышленность должна достигнуть принципиально нового уровня развития. В угольной промышленности наблюдается недостаточный инновационный потенциал, слабое развитие российского угольного машиностроения и вызванная этим усиливающаяся зависимость отрасли от импорта технологий и оборудования.
К 2030 году добычу угля на шахтах Восточного Донбасса планируется увеличить до 13 млн. тонн/год. Однако здесь пласты угля имеют незначительную мощность, что обуславливает повышенный удельный объем проходческих работ в основном по крепкой породе с применением буровзрывной технологии проведения горных выработок.
Повышение эффективности бурения шпуров в массивах горных пород,
увеличение производительности труда во многом зависят от показателей
функционирования и надежности резцов, применяемых для оснащения бурильных
установок. Увеличение их ресурса сокращает затраты времени на
непроизводительные операции, повышает непрерывность рабочего процесса, снижает энергетические и материальные затраты проведения горных выработок. Однако повышение его сдерживается недостаточной теоретической и экспериментальной проработкой вопросов создания новых перспективных образцов бурового инструмента.
Созданием буровых резцов и повышением их ресурса занимались многие исследователи, но не все задачи еще решены настолько полно, чтобы при проектировании можно было-бы определять рациональные параметры. С использованием современных методов математического моделирования на стадии проектирования могут быть более точно решаться задачи определения действующих нагрузок, прочности режущих кромок, их стойкости и выбора на этой основе рациональных структур и конструктивных параметров инструмента. Для этого необходимо разработать соответствующие методы и алгоритмы.
Цель работы. Разработка метода расчета показателей эффективности функционирования и надежности резцов для бурения шпуров обеспечивающего возможность повышения их уровня качества при создании.
Идея работы. Создание эффективных и надежных резцов для бурения шпуров
достигается применением численного метода моделирования контактного
взаимодействия бурового инструмента режущего типа с породным массивом и прогнозирования на этой основе возможности его разрушения при обеспечении прочности резца и заданных режимах бурения.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы
использовались: теория упругости; теория пластичности; анализ теорий прочности и
физики разрушения горных пород, численный метод на основе метода конечных
элементов (МКЭ), математическая статистика, системный анализ и моделирование с
использованием информационных технологий, теория автоматизированного
проектирования.
Задачи исследования:
-
Систематизировать физико-механические параметры горных пород по значениям контактной прочности, с целью обеспечения возможности осуществления прямого доступа к их определению для математического моделирования методом конечных элементов процесса разрушения горных пород при вращательном бурении шпуров.
-
Разработать математическую модель на основе метода конечных элементов для исследования процесса разрушения горных пород и определения напряженно-деформированного состояния бурового резца.
-
Установить закономерности влияния основных конструктивных параметров на напряженно-деформированное состояние бурового резца.
-
Разработать метод и алгоритм определения максимально возможной скорости бурения шпуров численным моделированием.
-
Разработать алгоритм для расчета показателей эффективности функционирования и надежности резцов при бурении шпуров c применением численного моделирования.
-
Обосновать структуру и выбор конструктивных параметров бурового резца, армированного алмазно-твердосплавными пластинами с использованием разработанного метода.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Значение максимально возможной подачи резца и, как следствие, скорости
бурения шпура устанавливается по предельным напряжениям в элементах резца и
разрушаемом породном массиве численным моделированием в зависимости от
высоты контакта передней грани резца с массивом и заданных режимов бурения.
-
Имитационная модель функционирования и надежности бурового резца, впервые позволяющая с применением численного моделирования и критерия оптимальности в виде затрат, приходящихся на бурение одного метра шпура, определяемого с учетом скорости и энергоемкости процесса бурения, стойкости, материалоемкости и технологичности изготовления инструмента оценивать его качество на стадии создания.
-
Повышение показателей эффективности функционирования и надежности бурового резца, армированного алмазно-твердосплавными пластинами, возможно
осуществить путем подбора диаметров внутренних и наружных пластин, углов их наклона и поворота относительно оси, а также расположения вдоль нее, находя оптимальное их сочетание по критерию минимальных удельных затрат, приходящихся на бурение одного метра шпура.
Научная новизна работы:
-
Предложен метод и алгоритм определения максимально возможной скорости бурения шпуров, в котором по сравнению с известным введено пошаговое увеличение подачи на оборот и при этом производятся расчеты осевого усилия, крутящего момента и соответствующих напряжений в элементах резца и разрушаемого породного массива с применением метода конечных элементов до достижения ближайшего ограничения, позволяющие для буровых резцов различных конструкций и условий их применения определять теоретическую производительность бурения не прибегая к экспериментальным исследованиям.
-
Разработан алгоритм расчета показателей эффективности функционирования и надежности резцов при бурении шпуров с применением критерия оптимальности в виде затрат, приходящихся на бурение одного метра шпура и с учетом накладываемых на режимные и прочностные параметры ограничений, определяемых методом конечных элементов, позволяющий на стадии создания резцов решать задачи по выбору их рациональных конструктивных параметров.
-
Установлены рациональные параметры расположения алмазно-твердосплавных пластин на перьях бурового резца, которые обеспечивают повышение скорости бурения в 1,2 раза и стойкости резца в 6,3 раза в сравнении с серийным резцом РШ-140. Это достигается при условии, когда во всех точках по линиям контакта пластин с забоем рабочие передние и задние углы находятся в пределах рациональных значений.
Практическая ценность. Результаты, полученные в работе, предполагается использовать в проектно-конструкторских организациях горной и нефтегазовой отрасли, а также в учебном процессе вузов при подготовке горных инженеров-механиков в виде методик расчета показателей эффективности функционирования буровых резцов и рекомендаций по их конструированию. В ходе выполнения диссертационной работы получены практически значимые результаты:
методика определения конструктивных параметров буровых резцов с применением метода конечных элементов;
инженерная методика расчета показателей эффективности функционирования и надежности резцов для бурения;
рекомендации по совершенствованию конструкции бурового резца, армированного алмазно-твердосплавными пластинами, обеспечивающие повышение эффективности бурения и снижение стоимости резца.
Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнена в рамках плана научно-исследовательских работ ЮРГПУ (НПИ) и инициативной научно-исследовательской работы по теме № ПЗ-892 «Создание высокоэффективных породоразрушающих инструментов горных машин и буровых установок, техническая диагностика и мониторинг машин и оборудования горной и нефтегазовой отраслей».
Результаты исследований в виде инженерной методики расчета показателей эффективности функционирования и надежности резцов для бурения шпуров нашли практическое применение в ООО «Шахтинский научно-исследовательский и проектно-конструкторский угольный институт».
Материалы диссертационной работы внедрены в учебные курсы для студентов, обучающихся по специальности «Горное дело» (специализация «Горные машины и оборудование») и направления магистерской подготовки по направлению «Технологические машины и оборудование».
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью постановки задач исследований, базирующихся на современных научных методах исследований и фундаментальных положениях: - механики деформируемого твердого тела; - математического моделирования на основе метода конечных элементов и системного анализа процесса взаимодействия резца с массивом разрушаемых горных пород. Результаты сравнения величин скоростей бурения полученных численным моделированием и бурением реальным резцом показали, что расхождение расчетных параметров относительно экспериментальных не превышает 20%.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и получили одобрение: на научно-технических конференциях ЮРГПУ (НПИ) (2014-2016 гг.); на международных научных симпозиумах «Неделя горняка» в Горном институте НИТУ «МИСиС» (2015 и 2016 гг.); на XIV международной научно-технической конференции «Чтения памяти В.Р. Кубачека» в Уральском государственном горном университете (г. Екатеринбург).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 статей в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России и 3 статьи в других изданиях.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 97 наименований и 3 приложений. Текст изложен на 155 страницах и включает 71 рисунок и 30 таблиц.
Автор выражает глубокую благодарность д-ру техн. наук, проф. Н.И. Сысоеву, к.т.н., доц. Н.Н. Буренкову и к.т.н., доц. С.Г. Мирному, а также всему коллективу кафедры «Нефтегазовые техника и технологии» ЮРГПУ(НПИ) за оказанную поддержку и методические советы на различных этапах исследований и оформления работы.
Анализ исследований процесса разрушения горной породы при вращательном бурении
Моделирование процесса бурения возможно на основе четкого представления о механизме разрушения горной породы, ограничений, накладываемых на режимные параметры и возможности применяемого инструмента.
Первые представления о резании горной породы основывались на описании процесса резания хрупких металлов, сделанного в 80-х годах XIX века профессором Петербургского института корпуса горных инженеров Тиме Иваном Августовичем. Этот процесс представлялся как периодически повторяющиеся дробление и скалывание породы перед резцом и частично в стороны. Как первое приближение описания механизма разрушения горных пород при резании-строгании и при вращательном бурении были сделаны Гуськовым В.А. в начале XX века. Лишь спустя пол века профессором (ныне Тульского государственного университета) М.И. Слободкиным [17] были выполнены крупные исследования аналитического описания процесса резания угля. Разрушаемый массив угля был принят как изотропное тело, соответственно подчинявшееся законам упругости, тем самым были идеализированы исходные положения, что вызвало в среде ученых-горняков бурную дискуссию и привело к развитию теории резания угля и пород на основе эмпирических знаний.
Изучению процессов, протекающих при вращательном бурении (сверлении) горных пород, и создании соответствующего инструмента внесли научные школы, руководимые профессорами: В.Г. Михайловым, О.Д. Алимовым, Л.Т. Дворниковым, Н.Г. Петровым, М.Г. Крапивиным, Н.И. Сысоевым, а также работы Н.Г. Покровского, И.А. Остроушко, В.В. Царицына, Л.А. Шрейнера, Е.Ф. Эпштейна, Э.В. Рылева, В.И. Павленко, В.В. Ленченко, Н.Н. Буренкова, С.Г. Мирного, Д.А. Гринько и др.
По описанию процесса сверления породы представленной Е.Ф. Эпштейном [18] к буровому резцу прикладывается сила резания Pz, обеспечивающая создание крутящего момента Мкр и осевая нагрузка, обеспечивающая усилие подачи Ру, при этом порода оказывает сопротивление разрушению. Для оценки сопротивляемости породы разрушению были введены специальные параметры Rz и Ry, называемые критическими напряжениями при внедрении и скалывании соответственно. Значения этих параметров предлагалось определять экспериментально с учетом конструктивных параметров инструмента. Значение угла скола породы принимали постоянной величиной, равной 20, не зависимо от параметров Rz и Ry. Значение сил, необходимых для разрушения предлагалось рассчитывать по зависимостям: Py = hrtgd-( r - rp) Rz; Pz = 2,75 ( r - rp ) h-Ry + Py- ju, где h - толщина срезаемой стружки; 3 - угол заострения режущей кромки; г и гр - радиус резца и рассечки; ju - коэффициент трения резца о породу.
Л.А. Шрейнер [19] заменил предложенные Е.Ф. Эпштейном значения Rz и Ry на более универсальный параметр рш - тврдость породы на вдавливание штампа, и представил процесс разрушения горной породы в виде многократного скачкообразного углубление режущей кромки инструмента в породу с совпадающим по фазе скачкообразным изменением нагрузки. Параметр рш является более универсальным так как для его определение не связано с необходимостью учитывать геометрические параметры инструмента. Л.А. Шрейнер ввел понятие шага скалывания, а угол скола породы предложил считать равным 30-35. Г.Н. Покровский [20] считал, что основные закономерности бурения должны быть описаны эмпирическими зависимостями. Им были сделаны следующие выводы: - элементы скалывания стабильно повторяются в направлении, как вдоль линии резания, так и по радиусу шпура; - образование элементов скалывания иногда происходит одновременно по всей длине режущей кромки; - отдельные элементы могут скалываться ниже плоскости резания; - угол скалывания составляет 18-25.
Значительный вклад в исследование работы резцов при вращательном бурении внесли ученные под руководством профессора В.Г. Михайлова. Так в работе [21] был рассмотрен процесс разрушения породы резцом с учетом влияния неравномерности износа лезвия по длине и переднего угла. Было принято, что скалывание породы происходит одновременно по всей длине кромки резца и угол скалывания составляет 25. Все указанные параметры были учтены в расчтных зависимостях по определению осевого усилия и крутящего момента.
Исследования О.Д. Алимова и А.Т. Дворникова [7] были направлены на изучение динамических процессов, обусловленных периодичностью внедрения резца в породу и сколообразованием породы передней гранью. Ими сформулированы основные положения динамической модели разрушения горной породы при бурении вращательным способом: - важным элементом в изучении процесса разрушения породы при вращательном бурении является представление о начале каждого разрушения как о классическом деформировании и уплотнении породы перед резцом; - периодичность скола породы приводит к колебанию величины крутящих моментов и осевых усилий, причм амплитуда колебаний момента тем больше, чем больше толщина стружки и выше крепость породы; - скалывание породы происходит не одновременно и не всегда по всей длине режущей кромки; - неодновременность скалывания на разных лезвиях приводит к миграции мгновенной оси вращения резца, что приводит к нарушению цилиндрической формы шпура.
М.Г. Крапивин [9] сделал вывод, что при удельных подачах 2...3 мм/об пылевидное ядро не образуется вообще или его роль в процессе разрушения не существенна. В расчтных зависимостях по определению значений усилия подачи и крутящего момента на резце данный вывод не нашел отражения, так же как и влияние величины угла наклона линии резания, а свойства горных пород оценивались экспериментально определяемой характеристикой - сопротивление породы дроблению.
В.В. Ленченко [4] предложил схему разрушения породы при резании, позволяющую, по мнению автора, определить основные параметры процесса разрушения - объм породы, дробимой резцом по известным характеристикам породы и заданной толщине стружки, высоту контакта резца с породой, размеры и количество стружек скола. Автором так же было отмечено, что динамичность процесса разрушения при резании более высокая, чем при бурении. Для объяснения этого явления им была рассмотрена детерминированная схема процесса разрушения породы режущей кромкой при бурении. На основании сделанных допущений: скалывание элементов происходит по концентрическим траекториям с шириной равной ширине скола крупного элемента, в пределах этой полосы процесс разрушения происходит циклически с определенной длиной пути цикла. Им получены детерминированные уравнения динамики процесса бурения, в результате анализа которых был сделан вывод о том, что при бурении существенное влияние на величину средних значений силовых параметров оказывает величина площадки затупления Fзат. Амплитуды мгновенных значений нагрузки зависят: от геометрии режущей кромки, изменяющейся в процессе затупления, числа оборотов резца и величины подачи на оборот, характер последней определяется способом подачи.
Н.Н. Буренков [22] отмечает, что на процесс разрушения забоя режущей кромкой резца существенно влияют динамические параметры бурильной машины и буровой штанги - продольные и крутильные колебания. Поэтому толщина стружки, срезаемая режущей кромкой, есть величина переменная, определяемая как разность между текущим положением точек забоя и предшествующим. В установившемся режиме точки поверхности забоя как бы колеблются относительно условной средней поверхности резания с различной частотой и амплитудой. Участки дробления и скола формируются согласно [4], а толщина стружки, влияющая на их размеры, определяется только в момент скола крупного элемента.
Выбор критерия прочности горной породы при решении задачи ее разрушения численным моделированием
Выбор критерия прочности при решении задач при численном моделировании процесса разрушения горных пород режущими инструментами является важной задачей.
При разрушении горных пород под режущей частью бурового резца возникает сложное напряженное состояние, которое в моменты сколов элементов стружки невозможно описать, используя какой-либо предел прочности при сжатии, растяжении или сдвиге. Поэтому необходимо обоснованно выбрать теорию прочности и соответствующий ей критерий [65].
Критерий прочности, описывающий условия предельного напряженного состояния, указывает, что там, где в некоторый момент времени напряженное состояние ему удовлетворяет, происходят рост скорости деформации и разрушение, ограниченной только условиями совместности с соседними областями. Там же, где напряженное состояние не удовлетворяет предельному условию, скорость необратимых деформации и разупрочнения (накопления повреждений, трактуемого как снижение прочности) зависит от «близости» напряженного состояния к этому условию. Поэтому роль критерия прочности не ограничивается только формулировкой условия предельного состояния, но и позволяет определить нагруженность подрезцовой зоны породы, отражающую интенсивность необратимых процессов пластических деформаций и разрушения [34].
Различными авторами было предложено большое количество критериев прочности, анализ которых приведен в работах [66-71]. Они отличаются принципами, положенными в их основу, способом обобщения многообразия напряженных состояний и числом констант, позволяющих учитывать свойства конкретных материалов. Большинство критериев учитывают напряжения, действующие только в плоскости максимальных и минимальных главных напряжений, а влияние промежуточного главного напряжения часто производится путем механического обобщения при замене максимальных касательных напряжений на октаэдрические.
Критерий прочности при изменении входящих в него параметров должен позволять предельный переход от идеального сплошного физического тела к реальному горному массиву, имеющему дефекты различных уровней. Кроме того, критерий должен содержать минимальное количество параметров при максимально точном описании экспериментальных данных, по возможности, имеющих физический смысл, и учитывать особенности разных типов пород.
Критерий прочности должен удовлетворять следующим требованиям: - определять условия хрупкого разрушения или пластического течения тела, находящегося в произвольном напряженно-деформированном состоянии; - включать в свое аналитическое выражение наряду с тензором напряжений скалярные или векторные величины, характеризующие пространственную анизотропию прочностных свойств; - учитывать различие пределов прочности при растяжении, сжатии и сдвиге, зависимость пределов прочности от комбинации главных напряжений; -иметь форму функционального инварианта (например, интенсивность напряжений, деформаций), образованного из компонент тензора напряжений; - учитывать время действия нагрузки, температуру масштабный эффект и их влияние на условия разрушения или текучести при различных напряженных состояниях.
Самое широкое распространение получил критерий Кулона - Мора, согласно которому разрушение наступает тогда, когда значение сдвигающих напряжений достигает критического, зависящего от нормального напряжения на площадке сдвига. По мнению некоторых исследователей [70], введение этого критерия, возможно, принесло вред. С таким суждением, вызванным желанием привлечь внимание к деформационным критериям, нельзя согласиться, поскольку почти все критерии в напряжениях, в том числе прошедшие широкую проверку в научной и инженерной практике, так или иначе могут быть представлены в форме критерия Кулона - Мора. Достаточно убедительных деформационных критериев, применимых для горных пород, за последние десятилетия не предложено. В пользу критерия прочности в напряжениях говорит то, что с его помощью можно описывать напряженное состояние материала, прогнозируя характер и скорости деформаций в текущий момент времени при математическом моделировании. Деформационный критерий такой возможности не дает, поскольку деформации могут определять состояние материала по отношению к предельному состоянию лишь в конкретных условиях нагружения. Деформационный критерий, отражающий возможное поведение материала при произвольном нагружении, должен учитывать не только деформации, но и их скорости. Трудностями разработки такого критерия, видимо, и объясняется их отсутствие.
При аналитических исследованиях параметров упругопластического состояния чаще всего используется критерий прочности Мора с прямолинейной огибающей предельных кругов главных напряжений [72, 73]. Характеристиками этого критерия являются угол внутреннего трения и сцепление С, либо пределы прочности на одноосное сжатие асж и растяжение ор, входящими в условие прочности, основанное на прямолинейной огибающей предельных кругов главных напряжений. При оценке предельного состояния широко используется линейное соотношение Кулона-Мора, имеющее вид: Т = С + аtan(р (2.19) где г - напряжение сдвига, а - нормальное напряжение. С известным допущением условие прочности Кулона может применяться и в том случае, когда речь идет о грунтах или сыпучих породах. Критерий Кулона-Мора также может быть выражен в основных напряжениях, как: — = + (2.20) аъ cr3(l-sin p) 1-sinp или 1 + Sin =а +а Т (221) осж - прочность при одноосном сжатии; о1 и а3 - максимальные и минимальные напряжения. Несмотря на его широкое применение, критерий Мора-Кулона не учитывает влияние главного промежуточного напряжения 2, что противоречит результатам экспериментов, а наличие углов на поверхности текучести усложняет численное решение задач пространственного характера.
Определение рациональных углов заострения буровых резцов по значениям контактной прочности горных пород
Исследования влияния угла заострения пластины на прочность буровых резцов проводились при толщине стружки h = 2, заднем угле а = 25 с варьированием угла заострения 5 = 50…95 с шагом 5. По формуле (2.31) были вычислены значения максимальной высоты контакта и сведены в таблице 3.1. Таблица 3.1 - Значения максимальной высоты контакта, соответствующие углам заострения 5, град 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 Кои, ММ 0,80 0,84 0,88 0,92 0,97 1,03 1,09 1,17 1,26 1,38 Результаты расчетов значений сил, действующих на режущий клин резца, приведены в таблице 3.2. Используя эти значения, был выполнен расчет напряжений, возникающих в армирующей пластине. При этом на передней грани имеют место максимальные нормальные напряжения атах, результаты расчета которых приведены в таблице 3.3 и на графике (рис. 3.3).
Из графика видно, что при углах заострения S 90 максимальные нормальные напряжения не значительно снижаются, но при этом силы резания (как видно из таблицы 3.2) сильно возрастают. Следовательно, использовать буровые резцы с углами заострения больше 90 градусов, нецелесообразно, как не обеспечивающие высокую эффективность работы. Используя подобные зависимости, можно подобрать минимально допустимый угол заострения режущей части бурового резца для заданных условий применения, характеризуемых контактной прочностью горных пород месторождения, при которых будет обеспечена ее прочность и высокая скорость бурения [88].
При буровзрывном способе проведения подготовительных выработок в угольных шахтах и рудниках в настоящее время широко применяется вращательное бурение шпуров. При этом в зависимости от крепости горных пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова применяют резцы трех типов (рис. 3.4), условно названные угольными, углепородными и породными [10]. Резцы этих типов различаются в основном радиусом раствора и углами заострения (табл. 3.4).
Выпускаемые промышленностью буровые резцы этих типов адаптированы для указанных условий применения соответствующими конструктивными параметрами (рис. 3.2), главными из которых являются угол резания , влияющий на эффективность процесса разрушения забоя шпура, и угол заострения , обеспечивающий прочность режущей части. Эти параметры связаны между собой посредством заднего угла , который устанавливается из условия устранения контакта задней поверхности режущей части с поверхностью забоя, т.е. у = S + а.
Известно [10, 24], что с уменьшением углов резания скорость бурения шпуров возрастает, но при этом уменьшаются углы заострения, вызывая потерю прочности режущей части. Анализируя известные конструкции буровых резцов, установлено, что вышеуказанные параметры были выбраны опытным путем для конкретных условий применения. При этом буримые горные породы были условного разделены на три группы, а также выявлены границы варьирования этих параметров внутри групп (табл. 3.4).
Для определения углов заострения необходимо разработать метод расчета, так как именно этот параметр в наибольшей мере определяет режущие свойства резца и прочность его режущей части.
В основу метода расчета положена зависимость критического значения угла заострения 3 по условию прочности режущей части, характеризуемой допускаемым напряжением, от контактной прочности Рк в момент выкола крупного элемента при заданных h и (рис. 3.2). Показателем прочности горной породы при расчетах нагрузок принята контактная прочность Рк, как показатель, который имеет более тесную корреляционную связь с величинами нагрузок [10]. При этом значение угла а и толщины стружки h принимаются постоянными.
Метод расчета рациональных углов заострения предполагает решение следующих задач [83]: -расчет сил, действующих на режущий клин бурового резца в момент выкола крупного элемента стружки при варьировании контактной прочности Рк и угла заострения 3; - расчет максимальных напряжений, возникающих в режущем клине от действующих на нее сил; - установление зависимости минимальных углов заострения 3 от контактной прочности Рк, при условии равенства максимальных действующих напряжений принятым допускаемым напряжениям; -выбор угла заострения 3 бурового резца в зависимости от контактной прочности Рк буримой породы при обеспечении максимально возможной скорости бурения и прочности режущей части.
Разработка метода расчета на прочность элементов бурового резца
Многообразие областей применения и технических решений в создании буровых резцов порождает необходимость решения задач на стадиях проектирования и эксплуатации, связанных с оптимизацией конструктивных и режимных параметров резцов. Критерием оптимальности может служить максимум скорости бурения, то есть максимально возможной подачи резца при технических и технологических ограничениях процесса бурения.
Известные методы определения скорости бурения (подачи) основаны на использовании эмпирических зависимостей [3, 7, 10, 23], которые не являются универсальными и ограничено могут быть использованы при решении указанных задач. В настоящее время все большее применение находят численные методы. Применением численного моделирования на основе метода конечных элементов можно решить эту задачу, не прибегая к длительным и дорогостоящим экспериментам. В частности, решение задачи по выбору рациональных параметров режущей части буровых резцов с помощью метода конечных элементов нами уже осуществлено и представлено в работе [83]. Для определения максимально возможной скорости бурения методом математического моделирования должны учитываться взаимосвязи параметров, характеризующие процесс бурения (осевое усилие, крутящий момент, толщина срезаемой стружки, прочностные свойства породы и резца).В самом общем виде скорость бурения - сложная функция многих независимых переменных [7]: V = f(T1,T2,...,T„,P1,P2,...,Pm,S1,S2,...,Sk,Q1,Q2,...,Qq), (4.9) где т1,т2,...,ти - физико-механические константы горных пород; Р ,... -энергетические параметры процесса бурения; S S ... - геометрические параметры бурового резца; Q13Q2,...,Q - дополнительные факторы, определяющие процесс бурения. Преобразование данной функции в реальную формулу представляет значительные трудности. До настоящего времени решение этой задачи осуществлялось экспериментальными методами, что характеризовалось высокой степенью трудоемкости, длительностью и дороговизной. Скорость бурения в самом простом виде определяется по формуле: V = sxn, (4.10) где s - подача резца за оборот (мм/об); п - частота вращения (об/мин). Для достижения максимальной скорости бурения частота вращения должна также быть максимально возможной для конкретных условий. Это самостоятельная задача, решению которой посвящено много работ и в частности, работы, выполненные в ЮРГПУ(НПИ) [3, 23]. В нашу задачу входит определение только максимально возможной подачи.
Максимально возможная подача smax бурового резца должна быть определена как минимальная величина из ряда значений подачи ограниченных: максимальным осевым усилием; максимальным крутящим моментом; прочностью бурового резца; условиями очистки шпура от продуктов разрушения (штыба).
Таким образом, для определения максимальной подачи необходимо выполнить действия по алгоритму, блок-схема которого представлена на рисунке 4.16. Ввод исходных данных, характеризующих свойства горных пород Ввод исходных данных, характеризующих геометрические и прочностные параметры бурового резца Расчет ограничения подачи по максимальному осевому усилию, s[Py] Расчет ограничения подачи по максимальному крутящему моменту, s[M] Ввод ограничений на допустимые значения подачи [s] по выдаче штыба из шпура, максимальных значений осевого усилия Рутах и крутящего момента Мтах Расчет ограничения подачи по прочности бурового резца, s[o3„x] и s[crlmax] Определение максимально возможной подачи по допустимым ограничениям, min(s[Py ], s[M], s[экв,max ], s[1,max ], [s])
Блок- схема алгоритма определения максимальной подачи Ограничение подачи [s] по условию заклинивания крупных элементов скола в зазоре между стенкой шпура и штангой определяется по методике, представленной в работе [4]. Для резцов типа РП-42 величина предельной подачи принимается равной [s] = 10 мм/об. Ограничение осевого усилия для таких резцов определяется возможностями механизма подачи бурильной машины, а ограничение крутящего момента мощностью двигателя.
В данном разделе рассматриваются ограничения подачи по максимальному осевому усилию, максимальному крутящему моменту и прочности бурового резца с помощью численного моделирования на основе метода конечных элементов. Расчеты выполнялись для конкретного бурового резца РП-42, основные геометрические параметры которого приведены на рисунке 4.7.
Для установления ограничений подачи по максимальному осевому усилию и максимальному крутящему моменту необходимо разработать метод определения данных силовых параметров, достаточных для осуществления снятия стружки при заданной подаче резца с учетом степени затупления режущей части, нарастающей в процессе бурения. При этом необходимо решать задачу контактного взаимодействия армирующей пластины и породного массива. Для численного моделирования процесса бурения был применен метод конечных элементов, реализованный с помощью программы ANSYS/LS-DYNA.
Конечно-элементная модель контакта между пластиной и горной породой показана на рисунке 4.17. При бурении инструмент совершает вращение вокруг оси и перемещение вдоль оси. Скорость вращения была принята равной — рад/мс, а скорость перемещения соответствовала 99 толщинам стружки (h = 0,5; 1,0; 1,5; 2 мм) и устанавливалась равной мм/мс. Нижняя и боковая поверхности породного массива закреплены. При выполнении расчетов на основе метода конечных элементов рассматривалось напряженное состояние породного массива в момент перехода в пластическое состояние. При этом сопротивление породного массива на инструмент практически не изменяется. Такое состояние горных пород соответствует их разрушению. Именно для такого состояния необходимо вычислять силовые параметры, то есть усилия подачи Py0 и резания Pz0, а также крутящий момент M0 на остром резце. Результаты расчетов приведены в таблице 4.6.