УДК 624.154

ИЗЫСКАНИЕ КОНСТРУКЦИИ БУРОВОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА СТАТИКО-ДИНАМИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

К.т.н., доцент Магавин С.Ш., Аймурзинов Ж.К.

Казахский Агротехнический

университет им.С.Сейфуллина,

Астана, Казахстан

Технологический процесс образования скважин под буронабивные сваи и опоры мостов в строительном производстве включает в себя механическое разрушение грунта забоя буровым инструментом режущего типа. Для расширения области применения и повышения скорости бурения в мерзлых и прочных грунтах включая скальные, предлагается подвод к забою скважины дополнительной энергии в виде динамических нагрузок.[1,2]

Процесс бурения при рассматриваемом способе Выглядит следующим образом. Разрушение забоя предполагает совместное воздействие на забой крутящего момента, усилия осевой подачи и ударных нагрузок. Со стороны забоя на инструмент при этом действуют силы сопротивления грунта вдавливанию, резанию, динамическому разрушению и силы сопротивления разрушенной массы волочению и транспортированию. Механизм разрушения грунта забоя скважин представляется Состоящим из последовательных периодов. (рис. 1)

В начальный период бурения (период заглубления) (рис, 1а) инструмент под действием крутящего момента, усилия осевой подачи и усилия статического поджатия инструмента производит стастическое резание грунта. При этом со стороны забоя продвижению инструмента препятствует сила сопротивления грунта резанию, значение которой растет с увеличением срезаемой стружки. С увеличением сопротивления со стороны забоя инструмент вдвигается в направляющую буксу и воздействует на автомат запуска ударного устройства , происходит включение последного в работу. Толщина стружки h_cm (рис, 1а), срезаемой до включения ударного устройства в работу, является толщиной стружки статического резания. В период динамического разрушения под действием ударного импульса просходит скол с поверхности забоя некоторого объема грунта (рис, 1б). В результате ослабления забоя динамическим разрушением толщина стружки возрастает до величины h_ab.

При дальнейшим вращении бурового рабочего органа происходит статическое резание грунта (рис, 1в) с одновременным вдвижением инструмента в направляющую букcу и нанесением следующих ударов.

За время одного оборота рабочего органа с поверхности забоя отделяется cтружка грунта, величина которой h_ab превышает толщину стружки стастического резания h_cm. Cредняя траектория движения инструмента при этом представляет собой винтовую линию с шагом h_ab и углом наклона ϴ к горизонтали (рис. 1в, г) . Инструменты распалагаются на различных радиусах и при вращени разрушают забой по концентрическим окружностям.

Рис. 1 Механизм разрушения грунта инструментом: а – период врезания; б – динамическое внедрение инструмента; в – возврат инструмента; г – траектория перемещения рабочего инструмента.

Для проходки лидирующей скважины используются бурильные машины, предназначенные для бурения скважин на карьерах или предлагаемый буровой рабочий орган с дополнительным лидирующим буром.[3,4]

В процессе проходки скважины буровой рабочий органдолжен выполнять следующие операции: разрушать забой под действием крутящего момента, усилия подачи и ударных нагрузок; перемещать разрушенную породу по забою и по поверхности транспортирующего или накапливающего органа. В соответствии с технологией проходки скважины и анализом технически реализуемых вариантов исполнения разработана конструктивная схема бурового рабочего органа статико-динамического действия БСД (рис. 2) которая включает следующие элементы: корпус с ударными устройствами; породоразрушающую коронку с подвижно установленными на ней инструментами, лемехами и окнами для забора разрушенного грунта; накопитель или транспортер грунта; устройства для подвода энергоносителя к ударным устройствам.

Рис. 2 Конструктивная схема: 1 – корпус; 2 – накопитель грунта; 3 – лемех; 4 – ударный инструмент; 5 – забурник.

Диаметр скважины ограничивает возможность наклонного размещения мощных ударных устройств на породоразрушающей коронке. Наименьший диаметр скважины, при котором можно устанавливать мощные ударные устройства под оптимальным углом атаки к забою, составляет около 3,0 м. Разработано ударное устройство с механизмом изменения направления ударного импульса, использование которого в значительной мере облегчает компоновку бурильного рабочего органа и позволяет реализовать способ послойного динамического разрушение грунта.[5] Механизм изменения направления ударного импульса представляет собой изогнутую полость с жидкостью, поршнем-приемником и поршнем-ударником.

Ударный импульс от ударного устройства воспринимается поршнем-приемником и через жидкость, поршень-ударник передается на инструмент, что позволяет наиболее полно удовлетворить требования конструктивной компоновки и выбора рациональной схемы размещения инструментов в забое.

Процесс бурения скважины буровым рабочим органом БСД включает в себя сочетание статического резания и динамического разрушения забоя. При статическом резании грунта со стороны привода на БСД действуют крутящий момент М_кр и усилие осевой подачи Q (рис 3).

Рис. 3 Схема сил, действующих на инструмент при статическом резании

При статическом резании на инструмент со стороны бурового рабочего органа действуют: нормальные составляющие от усилия осевой подачи N_Q и окружной силы N_OKP (окружная сила P_OKP является резальтатом действия крутящего момента); усилие статического поджатия P_CM и сила трения инструмента о поверхность направляющей буксы F_MP.

Со стороны забоя продвижению инструмента препятствует сила сопротивления грунта резанию P.

Уравнения сил, действующих на инструмент при статическом резании имеют вид:

(1)

где: - нормальная сила, действующая на инструмент со стороны направляющей буксы, N_Q=Q_n*cosα; N_OKP=P_OKP*sinα.

M_N, M_CM, M_MP, M_P - соответственно моменты от сил N, P_CM, F_MP, P;

α - угол атаки инструмента.

Во время динамического внедрения инструмента (рис. 4) на него и боек ударного устройства действуют: сила, создаваемая сжатыми газом Р_дв, сила трения манжет о поверхность направляющих F_mp.m, силы тяжести бойка, штока и инструмента Р_б, Р_ш и Р_u, сила сопротивления грунта F_заб.

Рис. 4 Силы, действующие на инструмент при динамическом разрушении грунта

Так как величина средней скорости ударного внедрения инструмента на один-два порядка выше линейной скорости вращения рабочего органа, то статические усилия в период динамического внедрения можно не учитывать.

В соответствии с указанной схемой сил получаем следующее дифференциальное уравнение движения инструмента в период динамического внедрения относительно оси х:

- mẍ - F_заб – F_mp.m + P_m + P_дв = 0, (2)

где m = m_б + m_ш + m_ж + m_u – суммарная масса бойка, штока жидкости и инструмента.

P_m = (P_б + Р_ш + Р_u) .

Литература

1. Магавин С.Ш., Ошанов Е.З., Утебаев Н.С. Расширение области применения и определения режимных параметров бурильных установок с винтовыми рабочими органами. Сборник научных трудов. Моделирование профессиональной деятельности в условиях информационной инфраструктуры. Караганда, 2005. С.122-125.

2. Харченко В.В., Терехин Е.П., Магавин С.Ш., Кох. В.А. Испытания буровых рабочих органов для проходки скважин большого диаметра в прочных и мерзлых грунтах. Сборник трудов. Совершенствование свайных фундаментов в сложных условиях. Красноярск, 1981. С.42-45.

3. Определение режимных параметров буровых установок со шнековыми рабочими органами. Передовая наука: Материалы 12 – й международной научно – практической конференции. Шеффилд, 2016. – С 68-72.

4. Комбинированный способ бурения скважин большого диаметра. – Эффективные инструменты современных наук – 2016: Материалы 12-й международной нучно - практической конференции. Прага, 2016. –С. 30-32.

5. Авторское свидетельство 590439(СССР) Устройство ударного действия А.И. Федулов, В.В. Харченко, М.С. Овчаров, С.Ш. Магавин и др. – Б.Н. 1977. №20.