автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Исследование и создание твердосплавных буровых коронок для мощных перфораторов

В в е д е н и е

Глава I. Анализ работ в области твердосплавного инструмента для бурения шпуров и скважин машинами ударного действия

1.1. Обзор исследований механизма разрушения горных пород при вдавливании

1.2. Методы оценки силовых параметров нагружения бурового инструмента . 1<

1.3. Характеристика машин и закономерности разрушения горных пород при бурении

1.4. Конструктивные особенности и материалы, применяемые для изготовления коронок

1.5. Эксплуатационные показатели коронок с неперекрываемой лезвиями центральной зоной, методы оценки прочности и износостойкости

Выводы по главе

Глава 2. Методика проведения исследований

2.1. Задачи и общая методика исследований

2.2. Порядок проведения исследований

2.3. Оборудование и аппаратура для прове-. дения исследований.

2.4. Планирование экспериментов и обработка результатов исследований

Глава 3. Исследование закономерностей разрушения породного забоя инструментом с неперекрываемой лезвиями центральной зоной

3.1. Исследование процесса разрушения породного забоя

3.2. Исследование напряжений в породе при взаимодействии с твердосплавными пластинами

3.3. Выбор рациональной схемы разрушения породного забоя.

3.4. Эффективность разрушения горной породы в зависимости от" конструктивных параметров породоразрушающей. головки

Выводы по главе

Глава 4. Исследование работоспособности коронок с асимметричным керноразрушающим отверстием и разработка методики расчета их основных конструктивных параметров

4.1. Зависимость скорости'бурения от количества породоразрушающих лезвий

4.2. Зависимость эффективности разрушения породы от ширины свободного пространства

4.3. Методика расчета высоты и длины пластин • твердого сплава крестовых коронок с асимметричным отверстием

4.4. Разработка методики расчета основных конструктивных параметров породоразрушакщей головки

Выводы по главе

Глава 5. Разработка и внедрение твердосплавных коронок

5.1. Расчет конструктивных параметров коронок

5.2. Разработка конструкции и технологии изготовления буровых коронок.

5.3. Разработка технической документации, изготовление и испытание коронок .iiD

5.4. Расчет экономической эффективности от применения коронок

Выводы по главе

Решениями ШТ съезда КПСС дальнейший рост добычи черных и цветных металлов, угля, химического и минерального сырья предусмотрен главным образом за счет повышения производительности труда.

В настоящее время и на ближайшую пятилетку основным способом при добыче и разведке полезных ископаемых, строительстве тоннелей и гидросооружений является буро-взрывной, причем наибольшие объемы бурения производятся машинами ударного действия.

За последние годы значительно усовершенствовано бурение шпуров и скважин машинами ударного действия - создан ряд высокопроизводительных буровых установок, оснащенных мощными перфораторами с энергией единичного удара 120-200 дж. Дальнейшее повышение мощности перфораторов достигнуто за счет использования в качестве энергоносителя жидкости высокого давления. Энергия единичного удара гидроперфораторов повысилась до 350-400 дж.

Для буровых машин с мощными перфораторами разработан специальный инструмент, состоящий из твердосплавных коронок, штанг, соединительных муфт и хвостовиков.

Наиболее ответственным элементом в этой системе является твердосплавная коронка, от формы головки которой в основном за^ висит эффективность разрушения горной породы.

В период использования буровых машин с . небольшой энергией удара (до 100 дж) при конструировании коронок основное внимание уделялось форме породоразрушающей головки. Коронки с многоступенчатым, Т-образным, хордовым расположением лезвий, с неполностью перекрываемым забоем и другие обеспечивали повышение скорости бурения. Вместе с тем они отличались большой сложностью в изготовлении и требовали значительных затрат времени при переточке в процессе эксплуатации.

С повышением ударной мощности буровых машин не только увеличивалась скорость бурения, но и резко возрасли требования к прочности и надежности инструмента. Конструирование инструмента, начиная с 70-х годов, развивалось по пути упрощения его формы, увеличения опасных сечений и применение более качественных материалов. Такой путь решения проблемы позволил повысить производительность бурения и эксплуатационную стойкость инструмента.

Однако достигнутые технико-экономические показатели не являются предельными. Расход бурового инструмента, особенно по остродефицитному вольфрамеодержащему твердому сплаву, все ещё остается высоким. Поэтому работы, направленные на повышение производительности бурения и сокращение расхода твердого сплава, являются весьма актуальными.

На основании анализа исследований в области бурового инструмента установлено, что повышение технико-экономических показателей буровых работ может быть достигнуто за счет совершенствования твердосплавных коронок, позволяющих повысить машинную скорость и их эксплуатационную стойкость.

Для совершенствования инструмента необходимо проведение специальных исследований процесса разрушения породного забоя, в результате которых могут быть выбраны рациональные схемы размещения породоразрушающих лезвий и выявлены оптимальные конструктивные параметры твердосплавных изделий.

Целью диссертационной работы является создание твердосплавных коронок для мощных перфораторов, обеспечивающих повышение производительности бурения и снижение расхода инструмента за счет использования наименее энергоемких схем разрушения горной породы.

В диссертационной работе защищаются:

Принцип разрушения центральной зоны забоя за счет сдвигающих усилий, действующих в процессе бурения на керн, конструктивная схема твердосплавных коронок, методика расчета основных конструктивных параметров и конструкция новых коронок. ь

Новизна результатов исследований заключается в рационалной схеме разрушения забоя, обеспечивающая снижение энергозатрат за счет сдвигающих усилий, полученной зависимости для расчета оптимального диаметра породного керна с учетом его прочностных характеристик, установленной закономерности изменения профиля по-родоразрушающего лезвия при износе, разработанной методике расчета основных конструктивных параметров коронок с асимметричным керноразрушающим отверстием.

В работе приведены результаты исследований процесса разрушения породы инструментом с неперекрываемой твердосплавными лезвиями центральной зоной, напряженного состояния взаимодействующих элементов коронки и забоя, а также износ твердосплавных лезвий. Предложена менее энергоемкая схема разрушения забоя и разработана методика расчета основных конструктивных параметров коронок. Созданы новые коронки для бурения шпуров и скважин мощными перфораторами в хрупких и пластично-хрупких высокоабразивных породах.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РА БОЕ

Анализ и обобщение материалов по выполненной диссертационной работе позволяет сделать следующие выводы:

1. Одним из направлений повышения эффективности процесса бурения шпуров и скважин является рациональное использование ударной мощности перфораторов за счет применения малоэнергоемких схем разрушения горной породы.

2. Снижение энергоемкости при бурении шпуров и скважин может быть достигнуто размещением твердосплавных лезвий в коронках по схеме неперекрываемой.центральной зоны, при которой обеспечи вается крупный скол образующегося керна.

3. Высота образующегося в процессе бурения керна зависит от ширины неперекрываемой зоны и пластических свойств горных пород. В хрупких породах керн начинает образовываться при диаметре неперекрываемой зоны 12 мм, в пластично-хрупких - при диаметре 8мм.

4. Предложенная конструкция породоразрушающей головки коронки с асимметричным конусным отверстием обеспечивает уменьшение энергозатрат на разрушение керна в результате приложения к нему сдвигающих усилий и смещения в свободное пространство, об/ разующееся за счет эксцентриситета отверстие.

5. Наиболее рациональной конструкцией породоразрушающей головки с асимметричным отверстием является четырехперая коронка с Двумя длинными и двумя короткими пластинами твердого сплава, обеспечивающая повышение машинной скорости бурения до 25% при высокой эксплуатационной стойкости.

6. Машинная скорость бурения коронками с асимметричным кер-норазрушающим отверстием зависит от ширины свободного пространства между поверхностью керна и конусной поверхностью противоположной контактирующей о керном поверхностью отверстия. Интенсивный рост скорости бурения наблюдается с увеличением ширины свободного пространства до 2,5-3 мм и достигает при этом 26%.

7. Отличительной особенностью износа коронок БКР-А является наличие на "линии износа" прямолинейного участка, параллельного оси ординат.

8. Основным критерием для расчета конструктивных размеров керноразрушающего отверстия является разрушение керна максимально допустимого диаметра, величина которого зависит от значения ударной нагрузки, прочностных характеристик породы и угла наклона конусной поверхности.

9. Предложенная методика позволяет произвести расчет основных конструктивных параметров коронок с асимметричным отверстием при рациональной схеме разрушения забоя с учетом износа и заточки твердосплавных пластин, а также выноса преобладающих по крупности частиц бурового шлама.

10. Разработанная конструкция коронки типа БКР-А обеспечивает повышение эксплуатационной стойкости в 1,4-1,5 раза и машинной скорости бурения на 20-25% по сравнению с серийно выпускаемыми коронками. Экономический эффект составляет 20-25 руб на одну коронку. Промышленное производство коронок организовано на Самаркандском опытном заводе по разработке и производству бурового твердосплавного инструмента.

1. 3. von Sftatre. Be те z кjj en и &е г с/ас, fl/ес/ег

2. Hziflje/) iiejei. Ло/>г£осАеь jzossen Dames?si о пеп, „ fcezj ипс/ /-/iM4enmasc/>tne/? Zei /<с//у 1ЯЗ-5. яу£з , S 2а-22

3. ЭоёегаРеЬ . Dez ТиппеёЗаи. Bd I, J869, S. J7 30

4. Успенский H.C. К вопросу о сопротивлении горных пород при ударном бурении. Зап.Петербург горного института, 1909, т.П, вып. I, с. 20-32.

5. Успенский Н.С. Курс глубокого бурения ударным способом. М, Л. изд. Совета нефтяной промышленности, 1924, 319 с.

6. Медведко А.И. 0 механизме разрушения горных пород при бурении. "Горный журнал", 1947, № 12, с. 21-26.

7. Покровский И.С. Теория ударного бурения. "Горный журнал", 1949, № 12, с. 17-26.

8. Остроушко И.А. Разрушение горных пород при бурении. М, Гос- . геолиздат, 1952, с. 254.

9. Остроушко И.А. Забойные процессы и инструменты при бурении горных пород. М.Госгортехиздат, 1962, 272 с.

10. Царицын В.В. Бурение горных пород. Киев. Гос. изд.мехн. литературы УССР, 1959, 358 с.

11. Шрейнер Л.А. Физические основы механики горных пород. М.-Л. Гостоптехиздат, 1950.

12. Шрейнер и др. Механические и абразивные свойства горных пород. М, Гостоптехиздат. 1958.

13. Эдельштейн A.M., Эйгелес P.M. О разрушении горных пород давлением. В кн.: Исследование упругости и пластичности. Л. изд. ЛГУ, 1963, с. 42-56.

14. Разрушение горных пород. Под ред. Эйгелеса P.M. М, "Недра", 1968, 179 с.

15. Механические свойства горных пород при вдавливании и их практическое использование. М, ВНИИ ОЭНГ, 1966, с. 15-30.

16. Алимов О.Д. Исследование процесса разрушения горных пород при бурении шпуров. Изд-во Томского университета, I960.

17. Мостков В.М. Основы теории пневматического бурения. Учлетех-издат, 1952.

18. Исследование процесса ударного взаимодействия горной породы и инструмента. Краткий научный отчет. Научн.руководитель -к.т.н.Александров Е.В., ответственный исполнитель к.т.н. Соколинский В.Б., М, 1967.

19. Исследование взаимодействия инструмента и горной породы при ударном разрушении. Краткий научный отчет. Научн.руководители к.т.н. Александров Е.В., к.т.н. Соколинский В.Б., М, 1967.

20. Арцимович Г.В., Поладко Е.П., Свешников И.А. Исследование и разработка породоразрушающего инструмента для бурения. Изд. "Наука", Новосибирск, 1978, с. 178.

21. Андреев В.Д. Виторт Г.К. и др. Исследование механизма разрушения горных пород при ударном бурении. В сб. "Горный породо-разрушающий инструмент", Киев, "Техника", 1970.

22. Кудря Н.А., Чувилин A.M., Песков Б.А. Исследование и разработка конструкции долотчатых перфораторных коронок, оснащенных твердым сплавом. В сб. трудов ВНИИТС "Твердые сплавы и тугоплавкие металлы", № II, с. 137-158. М. "Металлургия", 1971.

23. Кильчевский Н.А. Теория соударения твердых тел. ОГИЗ.Гос.изд. технико-теоретической литературы, Л.,М. 1949.

24. Риппергер и Абрамсон. Отражение и передача упругих импульсов в местах изменения поперечного сечения стержня. (Ргос. 3.

25. Mic/zires'fen Сап. So£i с/. /iec/>. i/nib-. о/ //tcAэ957.)

26. Абрамсон, Плесс, Риппергер. Распространение волн в стержняхи балках. ( /1с/. Vances in /?рр&ес/ //ееAnnies , №58, vo£. У, /\Zeio--Jotk.)п / Ah

27. Клозинг. Соударение цилиндров различных сечений ( Ргос . А — //ic/u-es+ej7 Сол/. So£ic/. fi/ecA., fexcrs. №59.)

28. Ферхурст С. Волновая теория в ударном бурении. ( /}i/atzy ffigt/ieeiing /д£/ / А^

29. Иванов К.И., Андреев З.Д. и др. Исследование эффективности применения поршней различной конструкции для разрушения горных пород. "Горный журнал", № 12, 1965.

30. Иванов К.И. и др. Влияние формы поршня на скорость бурения. В сб. "Взрывное дело", 66/23, М, "Недра", 1969.

31. Андреев В.Д., Иванов К.И. Исследование эффективности разрушения горных пород в зависимости от продолжительности и амплитуды прямоугольного ударного импульса.

32. Андреев В.Д. Методика комплексных исследований ударного взаимодействия инструмента с породой. В сб. "Горный породоразруша-ющий инструмент", Киев, "Техника", 1970.

33. Определение импульсов напряжений при продольном соударении упругих тел. Краткий научный отчет лаборатории удара и вибрации бурильных машин ИГД им.А.А.Скочинского, М, 1964.

34. Иванов КИ и др. Исследование эффективности применения стержней различной конструкции для разрушения горных пород. Горный журнал. 1965.№ 12.

35. Андреев В.Д. Формирование импульсов напряжений в ударных узлах буровых машин. Взрывное дело. Сб. 58/15. Новая буровая техника при добыче полезных ископаемых. М, "Недра", 1966.

36. Сире И.Е. Ошродольном ударе металлических стержней с заруг-леиными торцами. (On ihe loncjc/vc/ina£ Jmpc/cih of //>e Me.io№ PoocJs Ш/ Я one/ее/ Snc/s Ey J. Seans^ .

37. Johns соседе , Co/nfoicfye/

38. Хесин Г.JI., Бабенков И.С., Иванов К.И. Распределение напряжений в буровом инструменте и породе. ЦНИИТЭИугля.М,1963.

39. Александов Е.В., Соколинский В.Б. Прикладная теория соударения стержней с торцами произвольной формы. Научный доклад. М., 1964.

40. Арндт К.Ф. Ударные процессы в поршнях и штангах при ударном бурении." Criticbu/, 96(1960), 22, S. 15, 16/24.

41. Бержерон Л. От гидравлического удара в трубах до разряда в электрической цепи. Машгиз. 1962.40. 0/> Jmpoci: /?/>p£ied Scien tific fiesaazc/) , V 8 /? , У2-4 , /459.

42. Кутузов Б.Н. и др. Процесс динамического взаимодействия инструмента с породой. М., изд. МГИ, 1969, 280 с.

43. Алимов О.Д., Дворников Л.Т. Бурильные машины. М, "Машиностроение", 1976.

44. H.Hezz. Jouzs?., /. ММ т.92, 1981.

45. Theozie с/е e^cs/ici/е. c/es, cozps. so^c/es с/е

46. PPcSsi , Тгас/с/г/^ раъ M. M. с/е. Sa//?^- l/ena/?*/

47. Штаерман И.Я. К теории Герца местных деформаций при сжатии упругих тел. ДАН СССР, т. ХХУ, № 5, 1939.

48. Штаерман И.Я. Обобщение теории Герца местных деформаций при сжатии упругих тел. ДАН СССР, т. XXIX, № 3, 1940.

49. Штаерман И.Я. К вопросу о местных деформациях при сжатии упругих тел. ДАН СССР, т. XXXI, № 8, 1941.

50. Саймон Р. Расчет на вычислительных машинах волн напряжения от удара бойка в бурильных машинах. В сб. Механика горных пород". "Недра", 1966.

51. Иванов К.И. и др. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. Изд. 2, М, "Недра", 1974, с. 408.

52. Исследование процесса ударного взаимодействия горной породы и инструмента. Краткий научный отчет ИГД им. А.А.Скочинскогс^ М., 1965.

53. Блохин B.C. Буровой инструмент для машин ударного действия. М., "Недра", 1974, с. 200.

54. Чувилин A.M. Исследование напряжений и разработка основных принципов конструирования твердосплавного бурового инструмента машин ударного действия. Диссертационная работа. М., ВНИИТС, 1968.

55. Коняшин Ю.Г. Расчетные зависимости для определения эффективности разрушения пород ударом, в кн. Взрывное дело, № 66/23, "Недра", 1969, с. 83-85.

56. Кутузов Б.Н. Взрывное и механическое разрушение горных пород. М, "Недра", 1973. 312 с.

57. Миндели Э.О. Буровзрывные работы при подземной добыче полезных ископаемых. М, "Недра", 1966, 556 с.

58. Туманов В.И. Свойства сплавов системы карбид вольфрама кобальт. М, "Металлургия", 197I, 95 м.

59. Креймер Г.С. Прочность твердых сплавов. М, "Металлургия". 197I, 247 с.

60. Кудря Н.А. и др. Спеченные твердые сплавы для горного инструмента. ЦНИИЦветмет экономики и информации, М, 1981.

61. Чувилин A.M. и др. К методике измерения напряжений в твердо-сплавом буровом инструменте машин ударного действия. Б сб. трудов ВНИИТС, № 8, с. 83, М, "Металлургия", 1969.

62. Михайлов В.Г., Крапивин М.Г. Горные инструменты. М, "Недра" 1970, 216 с.

63. Гаращенко П.А., Крапивин М.Г., Шиповский И.А. Исследование нагрузок, характеризующих прочность резцов проходческих комбайнов. Тр. НПИ, т. 158, Новочеркасск, 1964.

64. Кудря Н.А., Чувилин A.M., Песков Б.А. Исследование и разра-* ботка конструкций долотчатых перфораторных коронок, оснащенных твердым сплавом. В сб. трудов ВНИИТС 1 II, М."Металлургия", 1971.

65. Алимов О.Д., Дворников Л.Т., Манжосов В.К. Конусное соединение ударного инструмента и методы их расчета. Фрунзе, "Илим", 1974.

66. Филоненко-Бородич М.М. Механические теории прочности. Изд. МГУ, 196I.

67. Расчеты на прочность в машиностроении. Под ред. С.Д.Пономарева, М."Машиностроение", 1959.

68. Блохин B.C. Буровой инструмент для машин ударного действия. М., "Недра", 1974, 200 с.

69. Гнусарев В.Ф. Исследование технологии восстановления твердосплавных коронок перфораторного бурения. Диссертация, М., ВНИИТС, 1972.

70. Домарацкий Б.П., Чувилин A.M., Гаврилин В.М., Махмудов С.Х, Шепелев А.А. Стенд для моделирования процесса ударного бурения. Авторское свидетельство № 861574, Приоритет от 18.12.79.

71. Спивак А.И., Попов А.Н. Разрушение горных пород при бурении скважин. М, "Недра", 1979, 239 с.