Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время в России подземным способом добывается около 10 % железных руд и около 40 % руд цветных металлов. Наиболее распространенным и эффективным способом разрушения горных пород средней и высокой крепости являются буровзрывные работы, этим способом отбивается около 50 % руды, из них скважинами малого диаметра - 15 %, которые, однако, требуют больших энергозатрат и затрат труда на бурение шпуров и скважин. Трудоемкость буровзрывных работ составляет 15-30 % общей трудоемкости очистной выемки руды. С увеличением крепости пород в первую очередь возрастает трудоемкость буровых работ при разработке подземных руд. Сокращение сроков их проведения и увеличение производительности труда требуют непрерывного совершенствования буровой техники.
При вращательно-ударном бурении скважин малого диаметра (40-70 мм) используются буровые установки с ударным узлом вне скважины. В этом случае энергия удара в виде волны деформации сжатия передается от машины по составному буровому инструменту к забою. С целью повышения скорости бурения скважин в крепких горных породах созданы конструкции мощных ударных узлов. Технический переворот в области производства подземных скважин связан с внедрением в горной промышленности гидроударных буровых машин (ГБМ) вращательно-ударного действия, что позволило увеличить энергию удара с 200-250 Дж (у ПБМ) до 500-800 Дж. Однако повышение энергии удара ограничивается прочностью бурового инструмента, так как диаметр скважин не изменился, то большую ударную мощность и крутящий момент передают через штангу и соединение прежних размеров. Именно эти детали стали сдерживать дальнейшее развитие буровой техники. В связи с этим весьма актуальным становится вопрос модернизации бурового инструмента, которая позволила бы увеличить его работоспособность и повысить производительность труда при бурении скважин.
Диссертационная работа связана с выполнением научно-исследовательской работы по гранту «Разработка средств интенсификации бурения скважин малых диаметров в подземных условиях», выделенному Томским политехническим университетом в 2008 г. и НИОКР «Исследование динамики и разработка гидроимпульсной системы подачи инструмента бурового станка для повышения безопасности работы угольных шахт бурением дегазационных скважин малого диаметра из подземных горных выработок» по конкурсу «УМНИК» Фонда содействия развитию малого предпринимательства в научно-технической сфере, поддержанной также в 2008 г.
Цель работы заключается в совершенствовании резьбовых соединений буровых штанг.
Идея работы заключается в использовании шпилек, как соединительных элементов става штанг, имеющих преимущество перед муфтами тем, что энергия импульса передается через соединение штанг без значительного рассеивания.
Задачи работы.
Провести анализ изменения напряжений сжатия-растяжения в элементах соединительных узлов при довинчивании их в процессе нанесения ударов и действия крутящего момента, а также провести анализ изменения касательных и нормальных напряжений в резьбовых соединениях штанг.
Обосновать параметры новой конструкции резьбового соединения става штанг для бурения скважин малых диаметров.
3. Определить коэффициенты передачи энергии и амплитуды ударных импуль
сов при вращательно-ударном нагружении ставов штанг малых диаметров муф
тового и шпилечного типа соединений.
4. Разработать методику расчета напряжений в элементах резьбовых соединений
буровых штанг.
Методы выполнения исследований. В процессе выполнения работы использовались как общенаучные, так и специальные методы исследований, включая научное обобщение, методы теории упругости, волновую теорию удара Сен-Венана, преобразование Лапласа для волнового уравнения. Для исследования волн деформаций в буровом ставе и резьбовых соединениях использовался метод тензометрирования с применением теории математической статистики для обработки опытных данных.
Научные положения, выносимые на защиту:
при прохождении ударного импульса через резьбовое соединение штанг шпилькой энергия импульса передается через соединение без значительного рассеиваЕшя в соединительном элементе;
довинчивание резьбовых соединений шпилечного типа при вращательно-ударном нагружении сопровождается снижением величины максимальных касательных напряжений в соединительном элементе от прохождения ударного импульса;
параметры ударного импульса при вращательно-ударном бурении скважин определяются типом соединения буровых штаиг и конструктивными параметрами бурового става и ударника.
Научная новизна:
впервые установлены закономерности перераспределения напряжений в резьбовых соединениях штанг шпилькой;
впервые установлено, что в результате процесса довинчивания буровых штанг величина остаточных напряжений, возникающих от прохождения ударного импульса через соединения штанг шпилькой, ниже, чем в муфтовом соединении, в 2-2,5 раза, а величина касательных напряжений снижается в 3,5 раза;
впервые установлено, что с уменьшением массы бойка потери в соединениях штанг шпилькой также уменьшаются, а в соединениях муфтой - увеличиваются.
Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций и полученных результатов подтверждается применением апробированных методов теории упругости, волновой теории удара с экспериментальной проверкой на натуральных
образцах различных конструкций бурового инструмента; расчетом погрешностей измерений (не более 5% при 95% доверительной вероятности) и проверкой полученных результатов, применением апробированного комплекса измерительной и регистрирующей аппаратуры на основе методики УИПУ-4М ООО «Удар-МАШ», разработанной ИГД им. А. А. Скочинского, соответствующей стандарту ISO 2787.
Личный вклад. Автором проведены теоретические исследования распространения силовых импульсов по ставам штанг, а также исследования по анализу потерь энергии силовых импульсов в резьбовых соединениях, обработано более 500 осциллограмм силовых импульсов, формируемых шестью различными бойками, при распространении их по трем буровым ставам в искусственных скважинах. По результатам исследований получены зависимости изменения энергии, амплитуды силы, длительности силовых импульсов при их формировании и распространении по буровым ставам по длине до 39 м. Проведен сравнительный анализ характера динамических напряжений при прохождении силовых импульсов через муфтовое и шпилечное соединения буровых штанг, принятых к исследованиям. Разработана методика расчета напряжений в резьбовых соединениях штанг при вращательно-ударном бурении скважин.
Практическая ценность работы.
В результате работы предложены научно обоснованные рекомендации по выбору параметров соединений буровых штанг для эффективной передачи энергии удара к породоразрушаемому инструменту, а также методика расчета напряжений в резьбовых соединениях штанг при вращательно-ударном бурении скважин малых диаметров, которая позволит проводить выбор и расчет параметров резьбовых соединений буровых штанг на стадии их проектирования.
Предложенный новый альтернативный тип соединения буровых штанг - шпилькой, позволит существенно увеличить долю передаваемой энергии импульса, направленную на разрушение горных пород.
Использование гидроипмульсного силового механизма в узлах бурильных головок вместо ударных узлов буровых машин в качестве источника волн деформаций сжатия позволит увеличить энергию силового импульса за счет увеличения его длительности до 5000 мкс и интенсифицировать процесс бурения.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Результаты работы использованы ООО «Томская горнодобывающая компания» (г. Томск) в проекте «Промышленная эксплуатация Борусского месторождения жадеитов» в следующем виде:
Экспериментальных данных по передаче энергии ударных импульсов по буровым ставам с муфтовым и шпилечным типом резьбовых соединений.
Методики расчета максимальных напряжений в резьбовых соединениях буровых штанг для проектирования и проведения прочностных расчетов соединений штанг для вращательно-ударного бурения скважин.
Результаты работы использованы в учебном процессе при изучении техники вращательно-ударного бурения скважин по учебной дисциплине «Горные машины и оборудование. Введение в специальность».
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных симпозиумах студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2004-2008), международных научно-практических конференциях «Современные техника и технологии» (Томск, 2004, 2007-2008), университетских конференциях «Знания, умения, навыки - путь к созданию новых инженерных решений» (Томск, 2007) и «Проблемы совершенствования горных машин и оборудования» (Кемерово, 2006), Всероссийских конференциях «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» (Юрга, 2005, 2007-2008), а также на научных семинарах в Юргинском технологическом институте (филиале) Томского политехнического университета.
Публикации.
По теме диссертации всего опубликована 31 научная работа, в том числе монография, 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК России и 10 патентов РФ на полезную модель.
Структура и объем работы.
Диссертация выполнена на 152 страницах текста. Она состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 149 наименований, и содержит 55 рисунков, 8 таблиц и 2 приложения.
