Известно, что на скорость бурения шпуров оказывают значительное влияние такие параметры, как физико-механические свойства разбуриваемой породы (прочность и абразивность), конструкция и степень затупления применяемого породоразрушающего инструмента, а также выбранные режимные параметры бурения (частота вращения инструмента, величина осевого усилия, параметры накладываемых на инструмент импульсов) [1–3]. Перечисленные параметры условно можно разделить на управляемые и неуправляемые, т.е. параметры, значениями которых можно или нельзя управлять в процессе бурения шпура. Если физико-механические свойства разбуриваемых пород и конструкция породоразрушающего инструмента относятся к неуправляемым параметрам, то режимные параметры бурения в процессе работы могут варьироваться в достаточно широких пределах, что относит их к управляемым. Установление рациональных соотношений между управляемыми (режимными) параметрами позволит существенно повысить скорость бурения шпуров [4–6]. Однако из-за сложности процесса взаимодействия резца с забоем аналитические исследования процесса разрушения породы инструментом всегда сложны, а иногда и вовсе невозможны, поэтому в большинстве случаев исследования подобных процессов проводят с помощью физического эксперимента [7].
Цель исследования
Целью данного исследования является экспериментальное установление количественных и качественных закономерностей, отображающих влияние импульсов осевого усилия и крутящего момента, накладываемых на вращающийся буровой резец, на скорость бурения шпура. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
- разработана и изготовлена конструкция экспериментального стенда, позволяющая исследовать режимы бурения шпуров с дополнительным наложением импульсов осевого усилия и крутящего момента на вращающийся инструмент;
- разработана методика проведения экспериментальных исследований.
Материалы и методы исследования
Для проведения экспериментальных исследований режимов бурения с наложением дополнительных импульсов на инструмент была разработана оригинальная конструкция бурового стенда [8] (рис. 1), так как известные ранее стенды для исследования режимов бурения позволяли проводить исследования либо только во вращательном режиме бурения, либо во вращательном или вращательно-ударном [1, 7].
Рис. 1. Стенд для исследования режимов бурения горных пород: 1 – рама; 2 – податчик; 3 – вращатель; 4 – образец породы; 5, 6 – опоры; 7 – отрезок штанги; 8 – макет бурового инструмента; 9, 10 – подставки; 11, 12 – механизмы – возбудители импульсов осевого усилия и крутящего момента соответственно; 13, 14 – тензометрические звенья
Многочисленные исследования режимов бурения свидетельствуют о нелинейной зависимости скорости бурения от таких режимных параметров, как частота вращения [9, 10], частота и энергия осевых импульсов. По этой причине при разработке методики проведения экспериментальных исследований и выборе плана эксперимента был выбран план второго порядка. К тому же планирование экспериментальных исследований с использованием известных методов теории планирования эксперимента позволяет при минимуме затрат и времени получить максимум необходимой информации.
Экспериментальные исследования режимов бурения горных пород проводились с использованием методики рототабельного центрально-композиционного планирования (РЦКП), позволяющей предсказывать значения функции отклика с одинаковой точностью во всех направлениях на одинаковом расстоянии от центра плана эксперимента. Получение регрессионной модели, проверку значимости ее коэффициентов, проверку на адекватность и дальнейшее исследование модели проводили в соответствии с методикой РЦКП, изложенной в источнике [11].
Экспериментальные исследования режимов бурения проводились на цементно-песчаных образцах диаметром 70 мм. Контактная прочность образцов породы определялась по методу Л.И. Барона и Л.Б. Глатмана на гидравлическом прессе ПСУ-10. Бурение шпура проводилось моделью углепородного резца БИ-741 с масштабным коэффициентом равным 4 на режимах, соответствующих данному масштабному коэффициенту [7].
Данные с тензометрических звеньев стенда фиксировались и записывались при помощи крейтовой системы LTR L-Card (специализированного модуля АЦП для тензоизмерений LTR212) и пакета прикладного программного обеспечения для ЭВМ.
Результаты исследования и их обсуждение
Исследования влияния импульсов осевого усилия и крутящего момента, накладываемых на вращающийся буровой резец, проводились по методике РЦКП в диапазоне частот вращения 200–360 мин-1 и частоте импульсов осевого усилия и крутящего момента в диапазонах 2200–4000 ипм/мин. Указанные диапазоны значений были выбраны исходя из известных рекомендаций по частоте вращения и рационального угла поворота инструмента между осевыми импульсами. Для проведения эксперимента были отобраны 3 группы пород с контактной прочностью Pk1 = 500 МПа, Pk2 = 600 МПа и Pk3 = 700 МПа.
В результате проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных по методике РЦКП были получены регрессионные модели, отображающие влияние импульсов крутящего момента, накладываемых на вращающийся буровой резец, на скорость бурения шпура:
– для пород с контактной прочностью Pk1 = 500 Мпа
– для пород с контактной прочностью Pk2 = 600 МПа
– для пород с контактной прочностью Pk3 = 700 МПа
где nв – частота вращения инструмента, мин-1; nm – частота импульсов крутящего момента, имп/мин.
Оценка статистической значимости коэффициентов и адекватности уравнений регрессии проводилась по критерию Стьюдента и Фишера соответственно. В результате проведенной проверки уравнений регрессии на уровне значимости α = 0,05 было определено, что полученные регрессионные модели с вероятностью не менее 95 % адекватно описывают изучаемое явление. Для уравнения регрессии, полученного при бурении пород с крепостью Pk3 = 700 МПа и дополнительным наложением импульсов крутящего момента, построены графические зависимости (рис. 2).
а
б
Рис. 2. Поверхность отклика регрессионной модели (а) для образцов пород с контактной прочностью Pk3 = 700 МПа и срезы этой поверхности (б) при частотах импульса: 1 – 2200; 2 – 3100; 4000 – имп/мин
В результате сравнительного анализа полученных зависимостей с известными результатами исследований для вращательного бурения [7] было установлено, что наложение импульсов крутящего момента на буровой резец повышает скорость бурения шпуров. При бурении пород в диапазоне контактных прочностей Pk = 500–700 МПа в диапазонах частот вращения инструмента 200–360 об/мин и импульсов крутящего момента в диапазоне 2200–4000 имп/мин позволяет повысить скорость бурения в 1,02–1,41 раза по сравнению с вращательным способом бурения. Причем при увеличении количества импульсов крутящего момента и частоты вращения наблюдается уменьшение интенсивности прироста скорости бурения. Это связано с превышением рекомендуемого рационального числа импульсов на один оборот и снижением удельной подачи инструмента соответственно.
При исследовании совместного влияния импульсов осевого усилия и крутящего момента на скорость бурения была также использована методика РЦКП. Диапазоны варьирования факторов модели и образцы пород были приняты такими же, как и в предыдущем опыте.
В результате проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных были получены регрессионные модели, отображающие влияние совместного наложения на буровой резец импульсов осевого усилия и крутящего момента, на скорость бурения шпура:
– для пород с контактной прочностью Pk1 = 500 МПа
;
– для пород с контактной прочностью Pk2 = 600 МПа
;
– для пород с контактной прочностью Pk3 = 700 МПа
,
где nв – частота вращения инструмента, мин-1; nm – частота импульсов крутящего момента, имп/мин; nо – частота импульсов осевого усилия, имп/мин.
Оценка статистической значимости коэффициентов и адекватности уравнений регрессии проводилась по критерию Стьюдента и Фишера соответственно на том же уровне значимости (α = 0,05), что и в предыдущем опыте. Для уравнения регрессии, полученного при бурении пород с крепостью Pk3 = 700 МПа дополнительным наложением импульсов осевого усилия и крутящего момента, построены графические зависимости (рис. 3).
а
б
Рис. 3. Поверхности отклика регрессионной модели для образцов пород с контактной прочностью Pk1 = 700 МПа при частотах вращения инструмента: а – 200 об/мин; 2 – 360 об/мин
Сравнительная характеристика вращательного способа бурения со способом с дополнительными воздействиями на буровой резец в виде импульсов осевого усилия и импульсов крутящего момента представлена на рис. 4.
Анализ полученных зависимостей показал, что совместное наложение на вращающийся буровой резец импульсов осевого усилия и импульсов крутящего момента позволяет в большей степени повысить скорость бурения в сравнении с вращательным способом, так как за счет импульса осевого усилия обеспечивается дополнительное внедрение инструмента в породу, а за счет импульса крутящего момента обеспечивается создание дополнительных напряжений сдвига.
Так, при совместном наложении на буровой резец импульсов осевого усилия и крутящего момента при частоте вращения 200 мин-1 с частотами импульсов в диапазоне 2200–4000 имп/мин скорость бурения увеличивается в 2,46–3,14 раза, а при частоте вращения инструмента 360 мин-1 с той же частотой импульсов осевого усилия и крутящего момента скорость бурения повышается в 1,78–2,36 раза.
Рис. 4. Сравнительная характеристика вращательного способа бурения со способом с дополнительными воздействиями на буровой резец: 1 – вращательное бурение; 2, 3, 4 – бурение с дополнительным наложением импульсов крутящего момента с частотой 2200, 3100, 4000 имп/мин соответственно; 5, 6, 7 – бурение с дополнительным совместным наложением импульсов осевого усилия и импульсов крутящего момента с частотой 2200/2200, 3100/3100, 4000/4000 имп/мин соответственно
Заключение
1. Экспериментальные исследования режимных параметров бурения с дополнительным воздействием на буровой резец импульсов осевого усилия и крутящего момента с использованием разработанной методики РЦКП позволяют сократить количество опытов в эксперименте без снижения достоверности получаемых результатов и оценить совместное влияние нескольких факторов на скорость бурения.
2. Результаты экспериментальных исследований влияния дополнительно накладываемых на буровой резец импульсов осевого усилия и крутящего момента показывают, что совместное наложение импульсов осевого усилия и крутящего момента в диапазонах частот вращения 200–360 мин-1 и частот импульсов 2200–4000 имп/мин позволяют повысить скорость бурения в 1,78–3,14 раза в зависимости от выбранных режимов.
Работа выполнена в рамках гранта РФФИ по проекту № 16-35-00406\17.
Библиографическая ссылка
Гринько Д.А. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ БУРЕНИЯ ШПУРОВ С НАЛОЖЕНИЕМ ИМПУЛЬСОВ ОСЕВОГО УСИЛИЯ И КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА НА ИНСТРУМЕНТ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2018. – № 3. – С. 20-25;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=12142 (дата обращения: 20.04.2024).