Введение к работе
Актуальность работы. Подтверждается увеличением объема добычи полезных ископаемых открытым способом и, следовательно, ростом объема буровзрывных работ, а также развитием технологий инъекционного укрепления грунтов и фундаментов зданий и сооружений. Наличие сложноструктурированных горных пород с различными физико-механическими свойствами в частности перемежающихся по крепости, обусловливает сложность выбора бурового инструмента. При неправильном выборе бурового долота происходит снижение производительности, прекращение процесса бурения, увеличение стоимости производства работ. В последние годы при бурении сложноструктурных пород наряду с применяемым комбинированным инструментом, сочетающим в себе два породоразрушающих органа, «режущий и шарошечный» предлагаются адаптивные инструменты, приспосабливающиеся в автоматическом режиме к горно-геологическим условиям и применяемые при бурении слоистых пород. При этом вопросы создания рациональной формы долота, механизмы адаптации режущего инструмента продолжают изучаться и совершенствоваться.
В этой связи разработка комплекса научно-технических мероприятий, направленных на обоснование структуры и рациональных параметров адаптивного режущего долота для бурения перемежающихся по крепости пород, является актуальной научной задачей.
Цель работы. Повышение эффективности процесса бурения скважин в перемежающихся по крепости горных породах за счет использования адаптивного режущего долота с переменной структурой.
Идея работы. Адаптивное режущее долото в процессе бурения изменяет свою структуру в зависимости от физико-механических свойств перемежающихся по крепости горных пород, обеспечивая за счет этого повышение механической скорости бурения скважин.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались: теория разрушения горных пород резанием; теория механики грунтов; структурно-параметрический анализ и синтез на базе морфологического подхода; системный анализ и моделирование, методы математической статистики. Экспериментальные исследования проводились по общепринятым методикам с использованием метрологически аттестованных приборов, а оценка результатов выполнялась известными методами статистического анализа.
Задачи исследования:
-
Проанализировать существующее состояние исследований в области совершенствования конструкций буровых режущих инструментов для перемежающихся по крепости пород, в том числе, адаптирующихся к меняющимся физико-механическим свойствам окружающей среды и обосновать перспективность структурной адаптации для создания режущих долот.
-
Обосновать на основе анализа системы «долото – забой» модель формирования адаптируемых функций и параметров, разработать методику и алгоритм структурно-параметрического синтеза адаптивных режущих буровых долот.
-
Экспериментально исследовать и обосновать выбор упругого элемента для адаптивного режущего двухлопастного долота, обеспечивающего заданное перемещение выдвижной лопасти в установленном диапазоне нагрузок.
-
Разработать математическую модель процесса бурения адаптивным режущем долотом и обосновать его конструктивные и режимные параметры, обеспечивающие максимальную скорость бурения по породам с коэффициентом крепости от f = 2 до f = 6 по шкале проф. М.М. Протодьяконова.
-
Провести сравнительные испытания экспериментального образца адаптивного долота в производственных условиях.
-
Обосновать алгоритм и методику выбора рациональных параметров адаптивного режущего долота с подвижной лопастью для бурения перемежающихся по крепости пород.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Разработанные методика и алгоритм структурно-параметрического синтеза адаптивных режущих буровых долот на базе морфологического подхода позволяет формировать структурные и принципиальные схемы адаптивных режущих буровых долот, приспосабливающихся к изменяющимся физико-механическим свойствам буримых пород.
-
Изменение структуры адаптивного долота, а именно переход от одноло-пастной асимметричной структуры к двухлопастной симметричной и возврат в исходное положение, в зависимости от изменения крепости буримой породы достигается за счет применения составного упругого элемента и упора, обеспечивающих осевое перемещение подвижной (адаптирующейся) лопасти в пределах максимально возможной толщины стружки и установленного диапазона нагрузок.
-
Математическая модель процесса бурения перемежающихся по крепости горных пород, учитывающая изменения структуры режущего долота от изменения крепости пород и свойств упругого элемента адаптирующейся лопасти позволяет определить рациональные конструктивные и режимные параметры адаптивного долота, обеспечивающие повышение механической скорости бурения скважины.
Научная новизна работы:
-
Разработаны и обоснованы методика и алгоритм структурно-параметрического синтеза адаптивных режущих буровых долот на базе морфологического подхода, позволившие получить новые технические решения (патент на полезную модель №162328 по заявке 2016101337/03 от 18.01.2016), обеспечивающие адаптацию бурового инструмента в зависимости от изменяющихся физико-механических свойств забоя.
-
Установлены впервые рациональные конструктивные и кинематические параметры упругого элемента, обеспечивающего изменение структуры долота в соответствии с физико-механическими свойствами буримых пород, а именно, обеспечивающего переход от однолопастной асимметричной структуры к двухлопастной симметричной, что достигается заданным перемещением выдвижной лопасти в пределах максимально возможной толщины стружки и установленного диапазона нагрузок.
-
Разработана математическая модель процесса бурения, впервые учитывающая адаптацию режущего долота, т.е. изменение его структуры в процессе бурения, позволяющая обосновать выбор рациональных конструктивных и режимных параметров долота с подвижной лопастью для перемежающихся по крепости пород, что обеспечивает повышение механической скорости бурения в слоях средней крепости в 1,3...1,5 раза в сравнении с неадаптивным долотом.
Практическая ценность. Результаты, полученные в работе, предполагается использовать в проектно-конструкторской деятельности горной отрасли, а также в учебном процессе при подготовке горных инженеров в виде методик структурно-параметрического синтеза и выбора рациональных параметров адаптивных режущих долот для бурения перемежающихся по крепости пород. В ходе выполнения диссертационной работы получены практически значимые результаты:
методика структурно-параметрического синтеза адаптивных режущих буровых долот;
математическая модель, алгоритм и прикладная программа расчета «Doloto»;
инженерная методика выбора рациональных параметров адаптивного режущего долота для бурения перемежающихся по крепости пород;
экспериментальный образец адаптивного режущего бурового долота (патент на полезную модель №162328 по заявке 2016101337/03 от 18.01.2016), прошедший апробацию.
Реализация результатов работы. Диссертационное исследование выполнено в соответствии с планом инициативной НИР ПЗ-916 (приказ № 2-33 от 31.07.17) «Теория и методология создания энергосберегающих и энергонакопительных исполнительных органов и систем строительных, подъемно-транспортных, сельскохозяйственных, горных машин и оборудования».
Результаты исследований внедрены на ООО «Технопрок» в виде методики выбора рациональных параметров адаптивного режущего долота для бурения перемежающихся по крепости пород.
Материалы научных исследований внедрены в учебной процесс для студентов направления подготовки 210504 - Горное дело, направленности «Горные машины и оборудование» в курсовом и дипломном проектировании, при выполнении практических занятий по дисциплинам «Конструирование горных машин и оборудования», «Механическое оборудование карьеров», а также для студентов и магистрантов направлений подготовки 230501 - Наземные транспортные и транспортно-технологические средства, направленности «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» и 230402 - «Наземные транспортно-технологические комплексы» в дипломном проектировании, при выполнении магистерских диссертаций, при выполнении практических занятий по дисциплинам «Математическое моделирование технологических процессов и машин», «Методология инновационного проектирования в области ПТСДМ».
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на корректном использовании фундаментальных законов физики, механики, теории механики грунтов и разрушения горных пород, методологии структурно-параметрического анализа и синтеза, аппарата математической статистики и подтверждается корректностью допущений принятых при разработке принципиальных схем, математической модели и сходимостью экспериментальных и теоретических исследований адаптивного и неадаптивного бурового долота. Расхождение результатов математического моделирования и проведенных экспериментальных исследований не превышает 10%.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международная
научно-практическая конференция «Наземные транспортно-технологические комплексы и средства» в Тюменском индустриальном университете (г. Тюмень, 2016 г.); Региональная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области «Студенческая научная весна». (г. Новочеркасск, ЮРГПУ(НПИ), 25–26 мая 2017 г.); Международная научно-практическая конференция «Перспективы развития науки в современном мире» (г. Уфа, 9 марта 2018 г.); XV Международная научно-практическая конференция «Российская наука в современном мире» (г. Москва, 15 апреля 2018 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 в научных изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, 5 статей в других изданиях. Получен патент на полезную модель.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 180 наименований, 6 приложений. Текст изложен на 160 страницах и включает 41 рисунок и 14 таблиц.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д-ру техн. наук, проф. В.С. Исакову, д-ру техн. наук, проф. Н.И. Сысоеву, к.т.н., доц. Н.Н. Бу-ренкову и доц. Н.П. Чухряеву, а также всему коллективу кафедры «Автомобили и транспортно-технологические комплексы» ЮРГПУ(НПИ) за всестороннюю поддержку и методические советы на различных этапах исследований и оформления работы.