DisCollection.ru

Авторефераты и темы диссертаций


Теоретические основы разрушения грунта при фрезеровании и бурении рабочими органами строительных машин

Хайбуллин Рашид Равильевич, 17.08.2008

 

Забой профильтрован на величину hф, толщина снимаемой стружки равна h, толщина стружки среза – hp и смятия hсм. На заднюю грань резца действует гидростатическое и гидродинамическое давление.

Площадка скола наклонена относительно касательной к траектории резания на угол ?. Резец имеет ширину b, угол резания ?, задний угол ?, ширину площадки износа а. Траектория движения резца наклонена к горизонтали на

Рисунок 3 – Схема сил, действующих на элемент срезаемой стружки

Определив силы, действующие на элемент срезаемой стружки и соотнеся их с силами, возникающими при прямолинейном резании по сухому, получены коэффициенты условий работы:

где К?, Кс, К?, Кр, Кц – коэффициенты, соответственно учитывающие увеличение силы резания по глубине проходки (К?), при работе в жидкой среде (Кс), в зависимости от радиуса РО (К?), веса стружки (Кр) и центробежной силы (Кц).

Как показали расчеты и данные эксперимента, величины коэффициентов Кр и Кц близки к единице и в дальнейшем не учитываются. Проведя ряд преобразований получили:

- суммарная сила резания, Н;

?z – общий коэффициент условий работы, 1/м.

При этом угол скола должен вычисляться по зависимости:

Функция коэффициента условий работы ?z впервые позволяет разделить и описать составляющие силы резания при бурении и фрезеровании грунтов детерминировано. Первое слагаемое (19) учитывает прирост силы резания за счет геостатического давления, второе и третье за счет гидростатического гидравлического давлений.

3. Разработка и исследование теоретической модели бурения грунтов

Особенностями бурения грунта, в сравнении с его прямолинейным резанием, являются: замкнутый объем призабойной зоны и наличие в скважине грунтовой массы, оказывающей давление на забой; различный по длине путь, проходимый каждым резцом и, как следствие этого, различная ширина площадок износа на резцах; невписываемость резцов в прорезаемую канавку при малых радиусах вращения; непостоянство, в зависимости от расстояния до оси вращения, угла наклона траектории движения резцов к горизонтали; наличие центробежной силы, действующий на скалываемый элемент; влияние транспортируемой массы грунта на режим и нагруженность РО; при наличии в скважине жидкости, воздействие её на физический процесс разрушения грунта, за счет давления на забой и фильтрации раствора в грунт; возникновении при бурении, как резания, так и отрыва грунта; наличие у бурильного долота опорной поверхности (перо, пазуха, пика, конус), служащей для его центрирования.

На резец бурильного долота действует сила резания Np со стороны скалываемого элемента стружки (рис. 4). Отклонение силы Np от нормали к поверхности резца на угол ? учитывает силу трения грунта о резец. В случае работы в водонасыщенных грунтах, учитывается величина угла трения ?*, зависящая от адгезии грунта. На площадке износа резца возникает сила сопротивления Nизн пропорциональная его ширине. По боковым граням резца действует сила сопротивления срезу боковыми гранями резца. При малых радиусах вращения резца ближайшие к оси вращения грани не вписываются в прорезаемую канавку, в результате чего возникает дополнительная сила Рдоп.?, действующая по одной грани резца (рис. 5) .

На забой действует гидростатическое давление жидкости . Вращение РО создает гидродинамическую составляющую давления, пропорциональную квадрату окружной скорости. Грунт фильтруется на глубину hф. На элемент скалываемой стружки действует сила тяжести и центробежная сила. На задней грани резца возникает гидравлическое давление.

Уменьшение радиуса долота увеличивает отношение зон смятия и резания

Так как резцы долота находятся на разном расстоянии от оси вращения, принят метод усреднения сил на гипотетическом резце. Этот резец, называемый усредненным, нагружен силами средними в зависимости от геометрических параметров долота. Такой метод позволяет переходить к реальному долоту, учитывая соотношение фактического и принятого для усредненного резца параметра, в случае линейной функции силы. В случае нелинейности необходим учет градиента от фактора, вызывающего нелинейность.

Усредненный, по действующим на него силам, резец описывается следующими геометрическими параметрами: углом резания ?, задним углом ?, углом наклона площадки износа к касательной траектории движения ?, шириной резца в, шириной площадки износа резца а. Движение происходит по винтовой линии с углом наклона ? к горизонтали.

а – резец; б – опорная поверхность.

Рисунок 4 – Обобщенная графическая модель бурильного долота

где lp – толщина резца, м; ? – ширина площадки смятия, м.

Рисунок 5 – Схема сил (в плане), действующих на боковую грань резца бурильного долота

Усредненный, по силам резания ,резец дополняется опорной площадкой в виде конуса с углом конусности ?к. К опорной поверхности приложена сила сопротивления вдавливанию Рвд. Сила сопротивления вдавливанию отклонена от нормали к опорной поверхности на угол внешнего трения грунта с целью учета силы трения.

При резании, с учетом всех перечисленных особенностей, сопротивление разрушению грунта бурильным РО определено по зависимостям:

Угол скола ? вычисляется по зависимости (20).

4. Установление сил сопротивления грунта фрезерованию и бурению

Общая нагруженность фрезерного или бурильного РО определяется усилием подачи Q и крутящим моментом М, действующим на рабочий орган. Автором предложено определять их через удельные силы сопротивления подаче (А) и вращению (В) долота, а также через толщину срезаемой стружки. Однако эти удельные силы не учитывали условий работы исследуемых РО. В связи с необходимостью их уточнения и основываясь на полученных результатах, справедливо:

Полученные зависимости впервые позволяют учесть влияние глубины проходки, фильтрационной способности грунтов, кинематики движения РО на сопротивление разрушению грунта и характеристики режима работы.

Удельные силы сопротивления подаче и вращению фрезы или долота зависят от физико-механических свойств грунтов, конструкции инструмента и определяются через удельное сопротивление срезу лобовой гранью резца mсв и боковой гранью mбок.ср., предложенных профессором Ветровым Ю.А.:

- фрезерование

где i – число резцов РО;

? – коэффициент, учитывающий отклонение угла резания от 450;

?/ - коэффициент, учитывающий отклонение силы резания острым резцом от изношенного с площадкой износа а;

Рвд – сопротивление вдавливанию опорной поверхности долота в грунт при деформации ?см ,Н ;

R1 – расстояние от оси вращения до ближайшего резца долота, м,

?ср– средний угол поворота фрезы.

Величина коэффициента К? введена в уравнение удельных сил подаче вращению РО.

Экспериментальное подтверждение и дополнение проводилось на полноразмерных стендах. На стенде СР-1 с помощью тензометрического резца (рис. 6) определялась величина К? и значения удельных сил сопротивления подаче и вращению долота. Конструкция стенда позволяла менять радиус бурения или фрезерования и скорость резания. Работа осуществлялась в реальных грунтах.

Для сравнения полученных данных измерений стенд дополнялся грунтовым лотком для прямолинейного резания.

Удельные силы сопротивления подаче и вращению долота определялись на полноразмерном стенде СПУ-2. Стенд состоит из колонны 1, платформы 2, раскосов 3, направляющих 4, штанги 5, гидроцилиндров 6. На штанге смонтирован привод РО (электродвигатель 7, коробка передач 8, тензовал 9) (рис. 7, 8).

Моделирование разрушения грунта в жидкой среде проводилось на стенде СМФ-1 (рис. 9, 10), который состоит из герметичного корпуса 1, в котором размещен грунтовый контейнер 4 и две горизонтальные фрезы 3. Грунтовый контейнер заполнялся вырезанными штыбами связного грунта 9 или засыпался песком. Песок утрамбовывался ручной трамбовкой до природной плотности. Контейнер передвигался вертикально гидроцилиндром 10. В корпус стенда, грунтовым насосом заливался глинистый раствор. Конструкция корпуса позволяла выдерживать давление до 25 МПа; причем утечки компенсировались включением грунтового насоса. Привод фрез осуществлялся снаружи двумя гидромоторами 8 ,через редукторы и два тензометрических вала 6, 7. Стенд оснащен окнами 2 и 5.