Обоснование рациональных форм твердосплавных вставок (инденторов) для бурения шпуров машинами ударного действия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Куклин, Сергей Александрович

• Куклин, Сергей Александрович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Куклин, Сергей Александрович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СВЕДЕНИЯ О МЕХАНИЗМЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛЕЗВИЙНОГО И БЕЗЛЕЗВИЙНОГО ИНСТРУМЕНТА НА ХРУПКИЕ СРЕДЫ

1.1 Известные теоретические исследования

1.2 Физическое моделирование взаимодействия лезвия и породы (метод фотоупругости)

1.3 Экспериментальные исследования

1.4 Постановка задачи

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ К РЕШЕНИЮ КОНТАКТНЫХ ЗАДАЧ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИНДЕНТОРОВ С ГОРНОЙ ПОРОДОЙ

2.1 Аналитические методы решения контактных задач применительно к взаимодействию инденторов с разрушаемой средой

2.2 Взаимодействие инденторов и породы как краевая задача в смещениях

2.2.1 Исследование плоской деформации методом граничных элементов

2.2.2 Исследование объемных осесимметричных задач на базе их решения в плоской постановке

2.2.3 Решение осесимметричных контактных задач. Круговые, кольцевые граничные элементы

2.2.4 Учет упругих свойств индентора

3. АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СО СРЕДОЙ КРИВОЛИНЕЙНЫХ ИНДЕНТОРОВ

3.1 Вводные замечания

3.2 Выбор критериев разрушения

3.3 "Острота" индентора, как критерий рациональности форм

3.4 Обоснование кривой «Верзьеры Аньези» в качестве образующей рациональной поверхности

4. РЕАЛИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ

4.1 Вставка «ТОРОИД»

4.2 Взаимодействие сплошных сред с инденторами

тороидальных форм, поиск рациональных

соотношений

4.3 Крепление твердосплавных вставок

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПУБЛИКАЦИИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование рациональных форм твердосплавных вставок (инденторов) для бурения шпуров машинами ударного действия»

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что в горнорудной промышленности страны при проведении горных выработок преобладающим, а для крепких пород единственным является буровзрывной способ. Причем, значительные объемы шпуров и скважин бурятся машинами ударного действия. Ежегодно на рудниках и шахтах страны пробуривается свыше 200 млн. м шпуров, при этом расходуется около 5 млн. буровых коронок [1].

Буровая коронка, оснащенная твердым сплавом, представляет собой основной элемент бура, разрушающего горную породу. Состоит она из корпуса и твердосплавной вставки или нескольких вставок, соединенных с корпусом паяным швом.

Корпус выполняет функцию матрицы для твердосплавной вставки и обеспечивает соединение коронки с буровой штангой. Часть корпуса с пазами под твердосплавные вставки принято называть головкой, головной частью, а часть с посадочным гнездом под штангу называют основанием корпуса.

Основную полезную функцию разрушения породы выполняет головная часть коронки, которая, начиная с конца 1940-х годов, армируется твердосплавными вставками и, кроме того, содержит промывочные или продувочные каналы и пазы для отвода шлама.

В зависимости от формы, числа, расположения вставок и связанного с этим расположения каналов и пазов существует большое количество вариантов головной части буровых коронок.

Геометрия головной части и конструкция всей бурильной машины в преобладающей степени определяется физико-механическими свойствами горной породы и твердосплавных вставок, в связи с этим исследователи постоянно изучают вопрос о механизме взаимодействия вставок различной формы с горной породой. В данном направлении проведено значительное количество работ учеными всего мира, тем не менее, принципы конструирования породоразрушающей части коронок не сложились пока в единую теорию, а потому часто являются случайными. Данная работа является продолжением изыскания в этом направлении, задачей ее является поиск

некоторых оптимальных условий взаимодействия инструмента с горной породой путем варьирования форм инденторов, силовых воздействий, условий очистки забоя и т. п.

1. СВЕДЕНИЯ О МЕХАНИЗМЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

ЛЕЗВИЙНОГО И БЕЗЛЕЗВИЙНОГО ИНСТРУМЕНТА НА ХРУПКИЕ СРЕДЫ

1.1. Известные теоретические исследования

Прежде чем рассматривать работы, проведенные различными исследователями, необходимо указать, что под лезвием по предложению проф. Л.Т.Дворникова мы будем понимать твердосплавную вставку, рабочая поверхность которой до износа имеет острую кромку. Соответственно, лезвийный инструмент - инструмент, содержащий такие твердосплавные вставки. Существуют твердосплавные вставки не имеющие острых кромок такие вставки относятся к безлезвийному инструменту. Долотчатый инструмент содержит одну вставку и является частным случаем лезвийного инструмента. Известным в настоящее время безлезвийным инструментом являются буровые коронки армированные цилиндросферическими

твердосплавными вставками. Некоторые исследователи, начиная с Л.А.Шрейнера, называют твердосплавную вставку "индентором".

Первые попытки теоретического анализа взаимодействия долотчатого инструмента с породой были предприняты в 1865 году Шпарре [2] и в 1889 году Долежалеком [3]. Основной вывод авторов заключался в том, что деформация породного массива полностью соответствует форме внедряющейся части долота вплоть до моментов выкола.

В 1908 году Н.С.Успенский разработал более полное математическое описание внедрения клина [4], согласно которому разрушение породы происходит в два этапа:

1) объем породы, находящийся непосредственно под лезвием, разрушается от напряжений сжатия;

2) в дальнейшем лезвие действует, как клин и скалывает объем породы в сторону лунки.

Согласно этой теории процесс разрушения породы протекает по схеме, допускающей постоянство удельного давления, лезвие бура при этом не деформируется.

Теорию Н.С.Успенского использовали и развивали в своих трудах многие авторы А.Ф.Суханов [5], А.И.Медведко [6], Н.А.Федоров [7] и другие. В частности,

А.И.Медведко, более подробно описывая первый и второй этапы, считал, что на первом этапе, после того как пройден предел упругости, дальнейшее продвижение инструмента обеспечивается в основном за счет имеющихся в породе микро- и макропор. Одновременно с нарушением межкристаллических связей породы формирование зоны разрушения сопровождается весьма интенсивным измельчением материала.

В начальной стадии второго периода происходит трещинообразование. В первую очередь трещины появляются в плоскостях наиболее ослабленных ударом. Дальнейшее развитие процесса сопровождается местным выкалыванием элементов породы; при этом образовавшийся излишний объем отколотой породы по мере продвижения лезвия вытесняется его боковыми поверхностями. Вытеснению породных излишков кроме боковых поверхностей, в известной мере, способствует и предельно уплотненная зона под лезвием бурового инструмента.

рис. 1.1 Линии равного напряжения сжатия (Медведко А.И.)

Основные формулы для расчета: величины внедрения лезвия в породу; работы, расходуемой буровой коронкой при внедрении; силы, необходимой для преодоления сопротивления породы основаны на предположении, что местные перенапряжения при ударе распределяются по кругам, проходящим через точку приложения силы (рис. 1.1), при этом напряжение сжатия одинаково по периметру круга и определяется по формуле:

2Р

(1.1)

7С(1

где Р - прикладываемое усилие; с! - диаметр круга с одинаковым напряжением сгг.

И зона разрушения:

а = — (1.2)

тгЯ,

где На - временное сопротивление сжатия по данным испытаний.

И.С.Покровский [8] исходит из того, что лезвие практически всегда имеет площадку притупления. При ударе под этой площадкой образуется треугольная призма, действующая на прилегающие участки породы как клин.

С вопросом о взаимодействии индентора с породой тесно связаны разделы теории упругости, касающиеся контактных задач.

Первые работы, посвященные пространственным контактным задачам, принадлежат Я.Буссинеску [9] и Г.Герцу [10]. В 1928 году М.Садовским [И] было решено несколько частных задач о давлении твердого тела на упругую плоскость в случае, когда силы трения отсутствуют. Общий метод решения контактных задач теории упругости, использующий функции комплексного переменного, создан главным образом Н.И.Мусхелишвили [12,13]. Ценные решения были нолучены Л.А.Галиным [14], А.И.Лурье [15], Г.Н.Савиным [16], И.Я.Штаерманом [17,18], И.Снеддоном [19], А.Н.Динником [20], Н.М.Беляевым [21], М.Я.Леоновым [22] и другими. Некоторые полученные результаты были впоследствии использованы для оценки напряженного состояния породного массива при внедрении инденторов.

В.В.Царицын [23], рассматривая механизм разрушения горных пород притуплённым лезвием и основываясь на теории пластичности, использует в своих математических выкладках уравнения Буссинеска. Он считает, что при внедрении лезвия в породу поверхность последней втягивается, приближаясь к его граням.

Л.А.Шрейнер [24,25], основываясь на известной задаче Буссинеска о действии сосредоточенной силы на плоскость в области упругих деформаций и, приняв давление по плоскости контакта штампа с телом равномерно распределенным, выводит расчетные формулы для определения нормальных и касательных напряжений по оси симметрии. Главным выводом Л.А.Шрейнера является вывод о том, что для решения вопросов, связанных с

процессами разрушения пород при бурении основные характеристики пород следует определять методами, по своей физической сути наиболее близкими к процессам разрушения поверхностного слоя породы. Для этой цели им предложено определять прочностные характеристики пород методом внедрения штампов, а сама характеристика получила наименование агрегатная твердость.

Из теории упругости известно [15,18,26], что -при вдавливании штампа в упругое полупространство возможно достижение предельного напряжения в двух экстремальных зонах: на контуре, где имеют место условия чистого сдвига, и на оси симметрии, на некоторой глубине от основания штампа. Именно эти два момента лежат в основе механизмов разрушения горных пород, предложенных Р.М.Эйгелесом [27,28,29].

Б.Н.Кутузовым и Г.М.Крюковым разработана [30,31] и развита в последующих работах [32,33,34] теория разрушения горных пород ударом, описывающая процесс внедрения инструмента с помощью основных уравнений гидродинамики. Из теоретических и экспериментальных исследований, посвященных взаимодействию с породой клиновых инденторов и штампов, можно отметить работы [35,36], а также целый ряд работ зарубежных ученых [37,38,39,40,41,42,43].

1.2. Физическое моделирование взаимодействия

лезвия и породы (метод фотоупругости)

Исследования взаимодействия долотчатого

инструмента с горной породой методами статической и динамической фотоупругости проводили И.С.Бабенков, К.И.Иванов, Г.Л.Хесин [44].

На первом этапе исследований для ударного бурения оценивалось, на упрощенных конструкциях, распределение напряжений в лезвиях коронок при различных углах заточки - 75°,90°,110°,120° и различных радиусах затупления (здесь радиусом затупления

аппроксимировалась площадка притупления). Для лезвий с углом приострения 110° изучалось, кроме того, напряженное состояние при заглублении в породу на 1,3 и 5мм, при расположении лезвия на поверхности и в заглублении, рядом с предварительным выколом. Далее, было рассмотрено влияние диаметра коронки на распределение напряжений при диаметрах 10, 20 и 40мм. Следует отметить, что лезвие по всей длине было плоским, в отличие от выпускаемых промышленностью (К=120мм), не учитывались также остаточные температурные напряжения от впайки пластинок. Исследования, проведенные на плоских моделях, по выбору оптимального угла заточки лезвий коронок показали, что при уменьшении угла приострения на 68% (со 120° до 75°) напряжения в вершине угла заточки увеличиваются на 70%, а при уменьшении угла на 8% (со 120° до 110°) напряжения возрастают на 12%.

Изучение распределения напряжений в зависимости от диаметра коронки на плоских моделях показало, что в средних частях при увеличении диаметра вдвое напряжение уменьшится примерно в 3 раза. С увеличением диаметра бурения минимально нагруженная часть (рис.1.2) лезвия АБ увеличивается, при 0=40мм недогруженными оказывается около 80 % рабочей длины лезвия.

Изучение влияния радиуса закругления режущей кромки показало существенное влияние на величину напряжений вблизи контактной зоны. Так, при испытании моделей с радиусом затупления 0,2 и 0,9мм напряжения вблизи контактной зоны для второй коронки были меньше, хотя нагрузка на эту коронку была в 2 раза больше.

Влияние радиуса на максимальные напряжения по проведенным экспериментам можно оценить соотношением

сг

Im ах _ / Im ах

'II

0,7

Ч )

(1.3)

где

• сг1тах и Стцтах - максимальные контурные напряжения в крайних точках лезвия коронки для вариантов 1 и 2;

• 1*! и Гц - радиусы закруглений.

Напряженное состояние коронки в микрозонах контакта лезвия (в зонах очень близко прилегающих к точке касания) с породой свидетельствует о работе острия лезвия не как клина, а как цилиндрической поверхности, находящейся в контакте с полупространством.

Распределение напряжений в изучаемых срезах близко к напряженному состоянию, типичному для задачи Герца: максимальные касательные напряжения располагаются на некотором расстоянии от поверхности контакта (рис.1.3 а,б). |Д D/D

0.8 0.6 0.4

о,г

г:

10

20

30

D,mm

AD-минимально загруженная часть лезвия

рис. 1.2 График изменения минимально нагруженной части лезвия в зависимости от его ширины.

рис. 1.3 Эпюра напряжений и картина полос в срезе

а) tcp- 1мм; б) tcp- 0,35мм; (tcp-толщина среза;)

Напряжения, возникающие в крепкой породе, при заданной нагрузке зависят от четырех основных геометрических факторов: угла приострения инструмента; затупления лезвия; диаметра буримого шпура и удаленности контактной зоны от свободной поверхности, образованной предварительным выколом.

т тах 9ПП0П '1 ^ 9 ™

10000 5000 V

\ р

V \ А h.mm У//

i 3 '-f i. г

рис. 1.4 Эпюра касательных напряжений в породе по сечению 1-1, и картина изолиний

рис. 1.5 График изменения

напряжений в породе в точках 1,2,3 при внедрении лезвия на глубину к

Ттах (при О = 20мм) (рн =1кН/мм)

Величина напряжений под инструментом существенно зависит от угла заточки лезвия и от радиуса скругления. В зоне, непосредственно примыкающей к контактной линии инструмента и породы, при увеличении угла приострения от 75° до 120° максимальные напряжения снижаются на 32% ; при нагрузке в натуре 500Н/мм величина напряжения равна соответственно 1420МПа и 970МПа. Напряжения в обоих случаях превосходят предел прочности крепкой породы, поэтому будет происходить процесс внедрения лезвия в породу. Если у лезвия с углом приострения 75° образуется радиус закругления (в результате затупления), то уже при г=0,Ш напряжения уменьшаются на 30%. При г=0,250 напряжения в породе составляют половину от напряжений, возникающих при практически незатопленном лезвии.

При увеличении диаметра бурения и одинаковой величине усилия напряжения изменяются обратно пропорционально. В породе под средней частью лезвия по мере удаления от линии контакта (рис. 1.4) напряжения

вначале увеличиваются, а затем уменьшаются. Наибольшее значение ттах находится на расстоянии половины диаметра.

Линия лезвия бура

16.2

9.1

2 / Направление

321

просвечивания

о)

785

23,0

ЛЬ

0.7! 5

Эпюра

(Зх(ху) и Ттах (ху) по линии контакта с лезвием

рис. 1.6 Эпюра напряжений в сечениях 1,2,3 объемной модели

при просвечивании

а) в направлении С;;

б) в направлении С2

Если долото углубить в породу, то напряжения в породе резко падают вследствие увеличения площади контакта, причем наибольшее значение возникает в середине заглубленной полости (рис. 1.5).

Так как внедрение лезвия инструмента обычно не превышает 2мм, то напряжения в средней части заглубления составляют приблизительно половину первоначальных напряжений. Острие лезвия разгружается, а верхняя часть и середина (см. рис.1.5) имеют большие нагрузки. Таким образом, по мере внедрения лезвия в породу происходит перераспределение напряжений.

Следующий этап исследований состоял в анализе напряжений в объемной модели породы. Коронка располагалась на поверхности блока породы, который после замораживания разрезался на ряд срезов (рис. 1.6).

Напряжения в срезах 1, 2 и 3 имеют пиковый характер в зоне контакта, а затем резко убывают на поверхности до нуля (рис. 1.6).

Напряжения в плоскости контакта лезвия с породой изменяются по зависимости, характерной для штампа на полуплоскости.

Рассмотрим теперь поведение напряжений в случае нахождения инструмента в шпуре. Для этого были

рис. 1. 7 Исследование

действия долота, находящегося в шпуре

исследованы два варианта: без предварительного выкола в

рис. 1.8 Эпюра напряжений в породе при бурении в гипуре с

предварительным выколом

При бурении в шпуре напряжения меняют знак на некотором расстоянии от линии контакта. Угол между стенкой и дном шпура является концентратором напряжений, весьма незначительных по величине (рис.1.7а). На рис.1.7Ь представлена эпюра контурных и касательных напряжений по линии контакта с лезвием.

Особую роль при ударном бурении играет предварительный выкол, вызывающий перераспределение напряжений в породе благодаря образованию дополнительной свободной поверхности и концентратора во внутреннем угле выкола. При нагружении шпура с предварительным выколом в плоскости, проходящей через линию контакта с породой, образуются два концентратора напряжений: в углах между стенкой и дном шпура и на границе выкола.

Если инструментом совершается удар после поворота на некоторый угол (в опытах 30°) относительно предыдущего удара, то картина напряжений в породе иллюстрируется рис. 1.8. Характерным здесь является то, что поворот бура вызывает резкое увеличение скалывающих напряжений по краям инструмента. Для коронки диаметром 34мм напряжения возрастают почти в 2 раза.

Динамические испытания методом фотоупругости показали, что возникающее при ударе напряженное состояние лезвия аналогично напряженному состоянию,

имеющему место при статическом нагружении подобных моделей.

В натурном буровом инструменте для увеличения прочности и износостойкости коронок применяется запаивание пластинки твердого сплава, модуль упругости которой примерно в 1,5-2 раза превышает модуль упругости буровой стали. Эксперименты, проведенные при статическом нагружении, с учетом совместной работы твердого сплава и материала бура подтвердили возможность изготовления моделей бура с пластинкой твердого сплава из одного материала. Однако в динамическом испытании происходит процесс отражения ударных волн от горизонтальной площадки пластинки. В случае натурных материалов (буровая сталь и твердый сплав ВК-45В) отражается 25 % амплитуды, падающей на горизонтальную площадку.

Амплитуду отраженной волны А2 можно рассчитать по формуле

(1.4)

А 2 ~ А 1

р а + р.а_ и п п Лб б

где А: - амплитуда падающей волны; рб, рп -плотности материала бура и пластинки ; ад, ап- скорости волн расширения в буре и пластинке.

Отраженная волна имеет знак сжатия, складывается с продолжающим двигаться к лезвию импульсом и вызывает повышение напряжений в углах впайки пластинки.

На основании серии специальных экспериментов при съемке с частотой 1,5 млн. кадров в сек. в клиновой части бура были зафиксированы три стадии напряженного состояния. Первая стадия - прохождение импульса через начало сужения и по граням лезвия бура. Вторая стадия -процесс передачи импульса в породу, сопровождающийся распределением напряжений в лезвие, аналогичных процессу, имеющему место при статическом нагружении. Третья стадия-интерференция волн хвостовой части импульса и отраженных волн от граней лезвия с волнами, образующимися в результате передачи импульса напряжений в породу. Эта стадия сопровождается повторной передачей напряжений в породу и образованием областей всестороннего сжатия в лезвии бура. Исследования разрушения под действием динамических нагрузок показало три основных случая разрушения.

1 случай. Энергия удара имеет небольшую величину. Вначале порода работает в упругой стадии, внедрения лезвия не происходит, зона максимальных касательных напряжений находится на некоторой глубине. Траектории действия максимальных касательных напряжений образуют непосредственно под лезвием клинообразную зону. При достижении сдвиговыми напряжениями предельного значения разрушение под лезвием происходит по площадкам, касательным к логарифмическим спиралям, образующим клинообразную зону. Так как под лезвием напряжения достигают большой величины, материал породы дополнительно дробится, сминается и уплотняется, вследствие чего образуется так называемое ядро уплотнения (рис.1.9а). Ядро уплотнения является механическим продолжением породоразрушающего рабочего органа. Однако ввиду небольшой величины энергии удара для 1-го случая дальнейший процесс разрушения приостанавливается, последующие отраженные импульсы имеют невысокую интенсивность и, следовательно, процесс разрушения в этом случае малоэффективен, так как энергия расходуется на измельчение породы в микрозоне.

2

5

6 ■3

Ь)

Траектория Ттах

1- зона максимальных скалывающих напряжений;

2- ядро уплотнения;

3- зона упругих напряжений;

4- зона напряжений Ттах —> 0;

5- выкалываемые призмы породы

6- зона остаточных напряжений

шах

рис. 1.9 Схема взаимодействия лезвия бура с породой

2 случай. Энергия удара имеет среднюю величину. Процесс образования ядра уплотнения в этом случае аналогичен предыдущему. Но после образования ядра запас энергии импульса достаточно велик, в результате чего усилие начинает передаваться через ядро уплотнения от лезвия к не разрушенной породе, вызывая в ней напряженное состояние. При отсутствии предварительного выкола в породе под лезвием возникает сложное напряженное состояние. Процесс разрушения можно представить как результат выкалывания боковых призм по траекториям максимальных касательных напряжений вследствие передачи давления от ядра уплотнения в стороны. Трещины в этом случае должны распространяться примерно от уровня расположения острия клина к свободной поверхности по спиралям (в случае однородного изотропного материала). При нагружении хрупких кристаллических материалов, к которым относятся многие крепкие горные породы, характер линий скола зависит, очевидно, от дислокаций кристаллов и наличия микротрещин на поверхности забоя. Такие трещины всегда имеют место, и вызваны либо предыдущими ударами, либо физико-механическими особенностями строения данной породы. Поэтому в горных породах плоскости скола не являются траекториями максимальных касательных напряжений, но достаточно близки к ним (рис.1.9Ь).

После откола боковых призм оставшейся энергии удара оказывается недостаточно для продолжения процесса разрушения. Часть энергии, затраченная на упругие деформации, возвращается на восстановление формы, а часть отраженной волной растяжения перемещается к хвостовику буровой штанги и вновь отражается как волна сжатия. Однако в данном варианте остаточная энергия упругих деформаций достаточно велика (в силу деформирования больших объемов породы), что может привести к отскоку бура от породы.

3 случай. Энергия удара имеет большую величину. В этом случае процесс аналогичен предыдущим до стадии образования откольных призм. После откола энергия удара остается достаточно большой, и процесс внедрения продолжается. Вначале образуется ядро уплотнения, являющееся продолжением первичного ядра, затем происходит откол призм. Объем этих призм меньше, чем у

отколотых в результате первой стадии внедрения. Ввиду изменения направления плоскостей, в которых располагаются траектории максимальных касательных напряжений, происходит изменение общей конфигурации разрушенной полости породы (рис.1.9с).

При бурении с предварительным выколом трещино-образование происходит по-иному, так как в этом случае появляется дополнительная свободная поверхность. Однако влияние этой поверхности сказывается лишь при расположении лезвия от края выкола на расстоянии, не превышающем 1/3 глубины выкола. Тогда, в процессе откола участвуют растягивающие напряжения, образующиеся в результате расклинивающего действия образованного ядра уплотнения. Трещина, являющаяся концентратором напряжений, распространяется чаще всего к внутреннему углу выкола, являющемуся также концентратором напряжений. В конечной стадии откола появляются дополнительные напряжения от изгиба скалываемого элемента породы. В случае расположения лезвия на большом расстоянии влияние дополнительной свободной поверхности практически не сказывается, и механизм разрушения подобен случаю, рассмотренному для схемы воздействия на сплошной забой. Меняется лишь геометрическое положение плоскости скола, которая выходит на контур дополнительной свободной поверхности.

Таким образом, применяя методы статической и динамической фотоупругости исследователи смогли установить картину распределения напряжений и частично раскрыть механизм протекания процесса разрушения горных пород при воздействии на него лезвийного инструмента.

1.3. Экспериментальные исследования

Экспериментальным изучением процесса разрушения занимались многие ученые. Перед исследователями стояли в основном следующие задачи: порядок протекания процесса; установление связи между объемом разрушенной породы и такими характеристиками, как энергия, скорость и частота ударов; сопоставление динамического и статического способа разрушения. Результаты экспериментирования можно проследить по работе Гартмана (H.L.Hartman) [45].

Гартман исследовал действие затупленного долотчатого бура, используя скоростную киносъемку и датчики напряжений, установленные около режущих кромок коронок. Результаты съемок показали следующие этапы действия долота:

1) разрушение поверхности в процессе первичного контактирования коронки с породой;

2) упругая деформация породы, а затем образование в ней трещин, которые распространяются от линий концентрации напряжений у границ режущей кромки, причем две главные трещины, продвигаясь в глубь породы, соединяются и образуют замкнутый породный клин;

3) дробление породного клина на мелкие части;

4) выкалывание относительно крупных частиц в зоне, примыкающей к раздробленному клину;

5) выдавливание раздробленной зоны по мере внедрения коронки.

При ударе не затупленного долотчатого бура имели место те же явления, но происходили они не последовательно, а одновременно.

Отмечается, что элементарные акты дробления и скалывания происходят при ударном воздействии многократно и почти непрерывно до тех пор, пока энергия удара не рассеется. На основании анализа экспериментов Гартман приходит к выводу, что эффективность ударного разрушения связана с числом и величиной трещин в породе, а так же с их геометрическим распределением в ней. По мере внедрения коронки в раздробленную зону в прилегающем массиве породы возникают напряжения, трещина распространяется от одной из точек концентрации

напряжений и происходит выкол породы. Гартман присоединяется к точке зрения Гриффитса, считающего, что при воздействии сжимающей нагрузки разрушение хрупких материалов, в частности большинства горных пород, происходит от растяжения вдоль трещин или плоскостей ослабления, ориентированных под углом 45° к направлению действия нагрузки. При этом предполагается, что напряжение имеет тенденцию концентрироваться у вершины трещины, вызывая ее распространение и разрушение материала при нагрузках, составляющих лишь некоторую часть долговременного сопротивления материала сжатию,

ф-11 i ф ф

60 - j- . j. -j-

3 90 А. .1.4- 4- 4- -I- 4-

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Куклин, Сергей Александрович

Заключение

В результате работы были разработаны общие научные подходы к оценке и обоснованию новых форм криволинейных инденторов. Для лучшей визуализации анализ исследований напряженного состояния среды представляется в форме аналогичной поляризационно-оптическому методу. Численный эксперимент в зависимости от условий задачи и компьютерного обеспечения требует от нескольких секунд, для исследования состояния плоской деформации, до 1-2 часов работы для многокадрового анализа осесимметричной деформации.

В результате эксперимента определяется:

1) распределение давлений под индентором;

2) напряжения и смещения в среде;

3) энергетические (силовые) характеристики взаимодействия;

4) зона и объем разрушений.

Для состояния плоской деформации возможно изучение влияния близости жесткозакрепленных точек (стенок шпура) на характер взаимодействия и задание совместного действия нескольких вставок.

Возможен учет влияния упругих свойств индентора.

Сопутствующим результатом явилось изобретение двух принципиально новых форм твердосплавных вставок и двух новых способов крепления твердосплавных вставок.

Дальнейшими исследованиями необходимо проведение анализа взаимодействия буровых коронок с горной породой с учетом реальных условий: произвольного расположения твердосплавных вставок; характера силового импульса, подводимого к буровому инструменту; неоднородности горной породы, ее трещиноватости и др.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Куклин, Сергей Александрович, 1998 год

Литература

1. Алимов О.Д., Дворников JI.T. Бурильные машины.-М.: Машиностроение, 1976.-296с.

2. Sparre J. Bemerhungen über das Dimensionen, nie fer Bohrlocher-Berg und Huttenmashinen Zeitung,1865, №3,s.20-22.

3. Dolezalek Der Tunnebau, 1869, Bd I, s.17-30.

4. Успенский H.C. К вопросу о сопротивлении горных пород при ударном бурении.-Зап. Петербург, горного института, 1909, т.11, вып. 1, с.20-32.

5. Суханов А.Ф. Буримость горных пород.-М.: Недра, 1972-240с.

6. Медведко А.И. Буровзрывные работы.-М.: Госгортехиздат, 1963.-335с.

7. Федоров H.A. К теории бурения шпуров. Изв.АН Каз.ССР, 1954, № 133.

8. Покровский И.С. Теория ударного бурения. - Горный журнал, 1949, №12, с.10-14.

9. Boussinesg J. Application des potentieles a l'etude de l'equilibre et du mouvements de solides elastiques - Paris, 1885.

10. Hertz H. Uber die Beruhrung fester elastischer Korper-Gesammelte Werke, Leipzig, 1895, Bd I,s. 179-195.

11. Sadowsky M.A. Zweidimensionale Probleme Elastizitas -theorie- Zeitsch für angew Mathung Mech, 1928, № 8, s5 15-518.

12. Мусхелишвили Н.И. Решение основной смешанной задачи теории упругости для полуплоскости. ДАН СССР, 1935, т.8, №2, с.51-52.

13. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости.-М.: Наука, 1966.

14. Галин JI.A. Контактные задачи теории упругости.-М.: Госгортехиздат, 1953.-264с.

15. Лурье А.И. Теория упругости.-М.: Наука, 1970.-340с.

16. Савин Г.И. О некоторых контактных задачах теории упругости.-Тр. Тбилисск.матем. ин-та, 1946, т.XIV.

17. Штаерман И.Я. Обобщение теории Герца местных деформаций при сжатии упругих тел. ДАН СССР, т.XXIX, 1940, №3, с.179-181.

18. Штаерман И.Я. Контактная задача теории упругости.-М.: Госгортехиздат, 1949.-270с.

19. Snedden J.N. Boussinesq's problem for a flamendet cylinder- Proccecdings of the Cambridge Philosophical Society,1946, v42, Part 1, p.29-39.

20. Динник A.H. Удар и сжатие упругих тел.-Избр.тр. Киев: АН УССР, 1952, т.1-152с.

21. Беляев Н.М. Местные напряжения при сжатии упругих тел. -В кн.: Инженерные сооружения и строительная механика. Л.: Путь, 1924, с.27-109.

22. Леонов М.Я. К теории расчета упругих оснований. -Прикладная математика и механика., 1939, т.З, вып.2.

23. Царицын В.В. Теория и расчет ударного бурения. -Горный журнал, 1948, №8.

24. Шрейнер Л.А. Твердость хрупких тел.-Изд. АН СССР, 1949.-144с.

25. Шрейнер Л.А. Физические основы механики горных пород.-М.: Гостоптехиздат, 1950.-210с.

26. Ляв А. Математическая теория упругости.-М.-Л.: Глав.ред. обществ, лит., 1935.-674с.

27. Эйгелес P.M. К вопросу о напряжениях в забое от действия зубьев долота.-Тр. ВНИИБТ,-М.: Недра, 1964, вып.13, с.13-15.

28. Эйгелес P.M. Разрушение горных пород при бурении. М.: Недра, 1971.-163с.

29. Разрушение горных пород. Под ред. Эйгелеса Р.М.,-М.: Недра, 1968.-178с.

30. Кутузов Б.Н., Крюков Г.М. Гидродинамический метод определения зон разрушения при ударном бурении. Тр. физ. Моск. горн, ин-т, 1968, вып. 4, с.87-93.

31. Кутузов Б.Н. и др. Процесс динамического взаимодействия инструмента с породой:. /Кутузов Б.Н., Крюков Г.М., Тарасенко В.П.-М.: Изд. МГИ, 1969.-280с.

32. Крюков Г.М. Определение объема разрушения при одиночном ударе. -Изв. вузов. Горн, журнал, 1969, №3, с.75-79.

33. Крюков Г.М. Сопротивление горных пород средней и выше средней крепости внедрению в них твердых инструментов. -Изв. вузов. Горн, журнал, 1975, №8, с.44-51.

34. Крюков Г.М. Закономерности силового взаимодействия внедряющихся инструментов с породой. -Изв. вузов. Горн, журнал, 1978, №3, с.68-75.

35. Смирнов В.В. Исследование механизма разрушения пород при ударе. -Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1968, №4, с.39-46.

36. Филимонов Н.М. и др. Механизм разрушения и псевдопластичные свойства горных пород при статическом вдавливании штампа /Филимонов Н.М., Вдовин К.И., Мавлютов М.Р. -Изв. вузов. Горн, журнал, 1969, №1, с.9-11.

37. Brady В.Т. Astatistical theory of brittle fracture for rock material. Part I. Int. J Rock Mech and Mining Sci and Geomech Abstrs., 1969,6, №1, p.21-42.

38. Brady B.T. The nonrlinear mechanical behavior of brittle rock. Part II. Int. J Rock Mech and Mining Sci and Geomech Abstrs., 1969,6, №2, p.21 1-225.

39. Currun DL, Seaman L., Rosenberg J.Т., Peterson C.F. Fragmentation of rock under dynamic loads, rock. Part II. Int. J Rock Mech and Mining Sci and Geomech Abstrs., 1974,11, №8, p.303.

40. Grady D.E., Kipp M.E. The micromechanics of impact fracture of rock. Int. J Rock Mech and Mining Sci and Geomech Abstrs., 1979,16, №5, p.293-302.

41. Ladanyi B.Rock failure under concentrated loading.-Basic and Rock Mech Proc. 10th bymp Rock Mech, Austin, Tex., 1968, New Jork, 1972, p.363-387.

42. Singh D.P., Brettle fracture of rocks-I. Inst Eng (India), Mining and Met Div., 1970, 51, №3, Part I,p 41-45.

43. Swaing M.V., Lawn B.R., Indentation fracture in brittle rock and glasses. Int. J, Rock Mech and Mining Sci and Geomech Abstrs., 1976,13, №11, p.311-319.

44. Бабенков И.С., Иванов К.И., Хесин Г.Л. Исследование взаимодействия бурового инструмента и породы методом фотоупругости. - М.: Недра, 1969.

45. Hartman HL. Basic studies of percussion drilling.- Vining Engineering, 1959, 11, 1.

46. Эйгелес P.M. Ж. Новости нефтяной техники, 1956, №6, с.10-15.

47. Adams J.Т., Johnson J.F., Piret E.L. Energy- New surface relations in the crushing of solids. Application of Permeability Measurement to an investigation into the crushing of halite (rock crystals) Chem Enging Progr, 45 (11), p.655-660, 1949.

48. Алимов О.Д. Исследование процессов разрушения горных пород при бурении шпуров. Изд-во Томского университета, 1960.

49. Ратников Е.Ф. Энергетические закономерности при ударном бурении шпуров. -Изв. вузов. Горн, журнал, 1958, №11.

50. Charles R.J. High velocity impact in communition Min Enging, 1956, 8(10), 1028-1032.

51. Геронтьев В.И., Кальницкий Я.Б., Берсенев B.C. Некоторые итоги исследований разрушения углей в массиве ударной нагрузкой. Сб. Вопросы разрушения и давления горных пород. Углетехиздат, 1955.

52. Коршунов А.Н. К вопросу разрушения подмосковных углей динамическим воздействием горной машины. Канд. дисс., МГИ, 1968.

53. Хантеев В.Г., Радченко Н.С. Метод определения твердости горных пород вдавливанием сферических инденторов и его практическое применение. -В кн.: Физика горных пород и процессов. -М.: 1971, с.53-54.

54. Медведев И.Ф., Пуляев А.И. Вращательно-ударное бурение шпуров и скважин. -М. Госгортехиздат, 1962,-208с.

55. Борисович В.Т., Чуносов В.В. Исследование процесса динамического разрушения породы инденторами со сферической головкой. Тр. Произв. и НИИ по инж. изысканиям в строительстве Госстроя СССР, 1974, Вып.28, с.127-138.

56. Барон Л.И. и др. Об эффекте совместности при разрушении горных пород групповым инструментом. /Барон Л.И., Глатман Л.Б., Козлов Ю.Н. -кн.: Физика горных пород и процессов. -М.: Недра, 1971, с.215-216.

57. Мавлютов М.Р. и др. Исследование процесса разрушения горных пород при одновременном динамическом вдавливании нескольких штампов /Мавлютов М.Р., Сакаев P.M., Уразаев Р.Ш. и др.-В кн. Разрушение горных пород при бурении скважин. 1973, с.202-205.

58. Арциммович Г.В. Механофизические основы создания породоразрушающего инструмента. Новосибирск: Наука, 1985.-268с.

59. Геронтьев В.И., Кальницкий Я.П., Берсенев B.C. Некоторые итоги исследований разрушения углей в

массиве ударной нагрузкой. Сб. Вопросы разрушения и давления горных пород. Углетехиздат, 1955.

60. Борисов A.A. Разрушение углей и горных пород ударной нагрузкой. Сб. 2. Расчеты, конструирование и испытание горных машин. Углетехиздат, 1955.

61. Геронтьев В.И., Борисов A.A. и др. Обобщение материалов по изучению физико-механических свойств горных пород и изучение их с точки зрения процесса разрушения ударом. Отчет Ленингр. горн, ин-та, 1952.

62. Геронтьев В.И. Предварительные результаты и основные направления теоретических и экспериментальных исследований разрушения углей ударной нагрузкой. Тр. Совещания по координации исследований в области отделения от массива углей и пород. Изд-во АН СССР, 1954.

63. Черепанов Г.П. Механика разрушения горных пород в процессе бурения.-М.: Недра, 1987, 308с.

64. Hertz H. Uber die Beruhrung fester elastisher Korper (On the contact of elastic solids).-J. reine und ungewandte Mathematik, 1882.

65. Джонас А. Зукас, Теодор Николас, Хэллок Ф. Свифт, Лонгин Б. Грещук, Дональд Р. Курран. Динамика удара. -М.: Мир, 1985.

66. Lord Rayleigh, Phil. Mag., 1 1, 283 (1906).

67. Беляев H. M. Труды по теории упругости и пластичности. -М.: Гостехиздат, 1957.

68. Boussinesq J. Application des Potentials a l'Etude l'Equilibre et du Mouvement des Solides Elasticues, Gauthier-Villars, Paris, 1885.

69. Лурье A.И. Некоторые контактные задачи теории упругости - ПММ, 1941, т.5, вып. 3.

70. Штаерман А.Я. Контактная задача теории упругости.-М.-Л.: ОНТИ, 1949.

71. Леонов М.Я. Основы механики упругого тела. Фрунзе: Изд-во АН Киргизской ССР, 1963.

72. Галин Л.А. Контактные задачи упругости и вязкоупругости. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980.

73. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия: Пер. с англ.-М.: Мир, 1989.

74. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - М.: Наука, 1984.

75. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости: Пер. с англ./Под ред. Г.С.Шапиро.-2-е изд.-М.: Наука, 1979, 560с.

76. Крауч С., Старфилд А. Методы граничных элементов в механике твердого тела: Пер. с англ.-М.: Мир, 1987.

77. Файнбурд В.М. Контактные задачи теории упругости. (Решение и моделирование на основе электростатической аналогии). -М.: Наука, 1975.

78. Конструкционные материалы: Справочник /Б.Н.Арзамасов, В.А.Брострем, Н.А.Буше и др.; Под общей редакцией Б.Н.Арзамасова.-М.: Машиностроение, 1990,-688с.

79. Шрейнер JI.A. и др. Механические и абразивные свойства горных пород. -М.: Гостоптехиздат, 1958, 201с.

80. Распределение и корреляция показателей физических свойств горных пород: Справочное пособие /М.М.Протодьяконов, Р.И.Тедер, Е.И.Ильницкая и др. М., Недра, 1981. 192с.

81. Лисовский А.Ф., Дворников Л.Т. К вопросу о сопротивлении горных пород динамическому внедрению инструмента. В кн.: Совершенствование буровых машин. Фрунзе: Илим, 1970. с.104-106.

82. Соколинский В.Б. Методы аналитического расчета параметров неупругого удара в волновых системах. - М.: ИГД им. A.A. Скочинского, 1970, 60с.

83. Дворников Л.Т. К вопросу о рациональном проектировании ударных систем горно-технологического назначения. В кн.: Материалы четвертой научно-практической конференции по секции машиностроения и горных машин. Под редакцией проф. Дворникова Л.Т., Новокузнецк, 1995, с.70-82.

84. Степин П.А. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа, 1987.

85. Куликов И.В. и др. Пневмоударное бурение разведочных скважин. /Куликов И.В., Воронов В.Н., Николаев И.И.-М.: Недра, 1972,-196с.

86. Спивак А.И. Механика горных пород. -М.: Недра, 1965,-192с.

87. Александров Е.В. и др. Исследование взаимодействия инструмента и горной породы при ударном разрушении. /Александров Е.В., Соколинский В.Б., Захариков Г.М. и др.ЛИГД им. A.A. Скочинского, 1967, 62с.

88. Хантеев В.Г., Радченко Н.С. Метод определения твердости горных пород вдавливанием сферических инденторов и его практическое применение. -В кн.: Физика горных пород и процессов. -М.: 1971, с.53-54.

89. Эйгелес P.M. и др. Разрушение породы при взаимодействии цилиндрических породоразрушающих элементов с плоским и сферическим основанием / Эйгелес P.M., Стрекалова В.В., Мустафина H.H.-В кн.: Разрушение горных пород при бурении скважин, Уфа, 1973, с.127-134.

90. Эйгелес P.M. и др. Напряженное состояние массива породы при одновременном воздействии на него двух инденторов. Там же с.135-141.

91. Барон Л.И. и др. Экспериментальное исследование эффекта совместности на образцах различных горных пород. / Барон Л.И., Глатман Л.Б., Козлов Ю.Н. -кн.: Разрушение горных пород проходческими комбайнами. -М.: Наука, 1977, с.29-41.

92. Мавлютов М.Р. Разрушение горных пород при бурении скважин. -М.: Недра, 1976,-215 с.

93. Дворников Л.Т., Прядко Ю.А., Гудимов С.Н. Бурение шпуров без вращения инструмента с рациональным размещением твердосплавных вставок.-Изв.вузов. Горный журнал, 1987, №11, с.65-68.

Публикации

1. Влияние конструкторско-технологических факторов на надежность бурового инструмента. Научно-практическая конференция, посвященная 60-летию института. Новокузнецк, 1990г. (Соавтор Зайцев В.И.)

2. Твердосплавная вставка для буровых коронок. Кемеровский межотраслевой территориальный центр научно-технической информации, 1991г.

3. Влияние кривизны штампа на сопротивление внедрению. Второй семинар по угольному машиностроению Кузбасса. Тезисы докладов (Кемерово, 22-23 октября 1991г.) -Кемерово, Институт угля СО АН СССР. (Соавтор Дворников Л.Т.)

4. Аналитические основы решения контактных задач, применительно к взаимодействию инденторов с разрушаемой средой. Материалы третьей научно-практической конференции. Новокузнецк, 1993г. (Соавтор Дворников Л.Т.)

5. Буровая коронка с сепаратором. Механизация горных работ. Кузбасский государственный технический университет. Кемерово. 1997г. (Соавтор Дворников Л.Т.)

6. Обоснование кривой «Верзьеры Аньези» в качестве образующей рациональной поверхности инденторов. Материалы шестой научно-практической конференции по проблемам машиностроения металлургических и горных машин. Под редакцией профессора Дворникова Л.Т.. Новокузнецк, 1997г.

7. Исследование осесимметричных задач на базе их решения в плоской постановке. Материалы седьмой научно-практической конференции по проблемам машиностроения металлургических и горных машин. Под редакцией профессора Дворникова Л.Т.. Новокузнецк, 1997г.

8. А.с.1778265 (СССР) Твердосплавная вставка для буровых коронок. (Соавтор Дворников Л.Т.)

9. Патент Яи 2039192 С1 6 Е21В 10/16. Твердосплавная вставка для буровых коронок. (Соавтор Дворников Л.Т., Береснев А.Н.)

10. Патент Ыи 2039195 С1 6 Е21В 10/36. Буровая коронка. (Соавтор Дворников Л.Т.)

11. Патент 27П371 от 30.03.95 Буровая коронка. (Соавтор Дворников Л.Т.)