ТИПИ. Динамика процессов при вращательном бурении шпуров. Тема 7

ТЕМА 7 – ДИНАМИКА ПРОЦЕССОВ ПРИ ВРАЩАТЕЛЬНОМ БУРЕНИИ ШПУРОВ.
- Влияние частоты вращения инструмента на процесс бурения.

Как известно, математические модели динамики машин базируются на преобразованиях уравнения Лагранжа. Применительно к бурильной установке БУЭ-1М принятые эквивалентные схемы систем подачи и вращателя согласно ранее выполненным исследованиям можно представить двухмассовыми системами
Рисунок 7.1 – Эквивалентные схемы:
а – системы подачи; б – системы вращателя.

которые без учета диссипативных потерь описываются следующими уравнениями:
где T, П — кинетическая и потенциальная энергия системы; Yб.м, Yи, φш, φи — обобщенные координаты линейных и угловых перемещений масс; РП — усилие подачи; RИ — усилие сопротивления резца внедрению; Мш — момент, развиваемый двигателем вращателя, приведенный к шпинделю; Ми — момент сопротивления на резце.

Выражения для определения кинетической (Т) и потенциальной (П) энергий системы:
где mб.м, mи, Jш, Jи — приведенные к шпинделю и к инструменту массы и моменты инерции; Сп, Ск — приведенные к штанге продольная и крутильная жесткость.

Значения параметров, входящих в уравнения (7.4), приведены в табл. 7.1 для бурильной установки БУЭ-1М.
Таблица 7.1- Значение параметров для уравнения (7.4) для бурильной установки БУЭ-1М.

Момент, развиваемый электродвигателем вращателя:
— критический момент, Н·м.
где

Критическое скольжение
где Sном = 0,02662 — номинальное скольжение; α=1 - для двигателей нормального исполнения.

Таблица 7.2 - Значения рассчитанных параметров буровых штанг.

Остальные значения параметров: согласно методу Рэлея, позволяющего массу штанги представить как распределенную, к массе (моменту инерции) шпинделя и к массе (моменту инерции) инструмента необходимо прибавить 1/з массы (момента инерции) штанги.
Тогда, при Lш = 3,5 м, J = 1,271 кг·м2; Jи = 9,5·10-4 кг·м2; mб.м = 216,8 кг; mи = 6,8 кг.

Использование этого метода весьма трудоемко, так как связано с разработкой сложных алгоритмов и большими затратами машинного времени. Кроме того, аналитические описания последовательности формирования сколов на забое и миграции мгновенной оси вращения резца пока еще не обладают достаточной для адекватного воспроизведения точностью.
Поэтому в расчетной схеме авторами был принят другой подход, основанный на установлении закономерностей процесса формирования нагрузок в целом на резце без влияния на него динамики системы. Суть подхода заключается в том, что для заданной конструкции бурового резца находят зависимости усилия Rи и момента сопротивления Ми от угла поворота φи и описывают их посредством средних, и коэффициентов, учитывающих только динамику процесса разрушения пород буровым резцом:

7.1. Влияние частоты вращения инструмента на процесс бурения
Экспериментальные исследования были выполнены при бурении мрамора, песчаника, мелкозернистого песчаника, известняка с принудительной и свободной подачами практически острыми и затупленными резцами РП-42, БИ-741А, РУ-13М и РПД-42 на токарном и сверлильном стендах, колонковом сверле ЭБГП-1, которые показали, что при любых условиях при изменениях частоты вращения от 22 до 900 об/мин наблюдался значительный рост усилия подачи при принудительной подаче или значительное снижение подачи на оборот при свободной подаче. Интенсивность изменения крутящего момента от частоты была невысокой, а в ряде случаев отсутствовала.
На следующем слайде приведены типичные графики зависимости частоты вращения инструмента от его подачи при бурении мелкозернистого песчаника и известняка с контактной прочностью Рк = 1500 и 1130 МПа и абразивностью соответственно а = 27 и 1,4 мг.

Рисунок 7.2 – Зависимости подачи на оборот от частоты вращения инструмента со свободной подачей:

Результаты обработки экспериментальных данных при бурении песчаника с контактной прочностью Рк= 1776 МПа и абразивностью 15,3 мг резцами БИ-741А при усилии подачи, равном 8; 12; 16; 20; 24; 28 кН, представлены на слайде:
Рисунок 7.3 – Зависимость подачи инструмента от усилия подачи Р и частоты вращения n:
1 – n = 90 об/мин.; 2 - n = 155 об/мин.; 3 - n = 280 об/мин.; 4 - n = 435 об/мин.

Увеличение усилия подачи и крутящего момента с увеличением частоты вращения является следствием влияния на физико-механические свойства породы скорости ее разрушения, проведены замеры усилия подачи и силы резания при резании известняка (того же блока породы, что и при бурении на сверлильном стенде) острым стержневым резцом с шириной режущей кромки 8 мм на карусельном станке с толщиной стружки 1 мм. Из построенных по результатам этого эксперимента графиков (рис. 7.4) видно, что при изменении скорости резания в довольно широком диапазоне — от 0,7 до 3 м/с усилие подачи и сила резания остаются практически неизменными.
Рисунок 7.4 – Зависимость усилия резания Рz и усилия подачи Ру от скорости резания νр (известняк Рк = 1130 Мпа, а = 1,4 мг)

Усилия подачи (Н) при бурении шпуров в зависимости от частоты вращения (об/мин) следующие: