В горных комбайнах распространены дисковые шарошки. Дисковой шарошкой называют породоразрушающий шарошечный инструмент, выполненный в виде свободно вращающегося на оси диска (или нескольких дисков) с непрерывным клиновидным ободом. Терминология в этой области до настоящего времени окончательно не установилась. Особенно это касается шарошек с дисковой формой тела, но имеющих прерывистый обод или оснащенных штырями или пластинами твердого сплава. Последние иногда называют «ромашковидными» или «звездообразными» вращающимися резцами [30]. К таким шарошкам не вполне подходят термины «одновенцовая шарошка», «шарошка с поперечными зубьями» и др.
Шарошки с дисковой формой тела, но оснащенные штырями или зубьями различной формы, целесообразнее называть зубчато-дисковыми шарошками, что более точно отражает их особенность: возможность более значительного погружения в некрепкую горную породу по сравнению с одновенцовой цилиндрической шарошкой, у которой внедрение в породу ограничено телом (цилиндром) шарошки. На рис. 2.2 представлены дисковые и зубчато-дисковые шарошки, разработанные в НИИОГР для буровых долот.
Взаимозаменяемые шарошки с различной формой режущей части испытывались в породах с f = 2 - 10 при усилии подачи 70 – 100 кН и скорости вращения 55 – 65 оборотов в минуту (зубчатые) и 70 – 140 оборотов в минуту (дисковые). Испытания показали, что зубчатые резцы по скорости бурения превосходят дисковые, поэтому последние применять не всегда рационально. В наиболее трудных условиях эксплуатации шарошки с цельнопаяными резцами недостаточно эффективны (по использованию и расходу твердого сплава). Зубчатые резцы с комбинированным и механическим креплением вооружения являются перспективными, так как позволяют более эффективно (по сравнению с паяными) использовать твердый сплав и снизить его удельный расход.
а) б)
Рис. 2. 2. Зубчато-дисковые (косозубые с цельно-паяными зубьями) и дисковые (с цельнопаяным ободом) шарошки к буровым долотам
В дальнейшем, как будет показано далее, были разработаны более эффективные зубчато-дисковые шарошки, армированные твердосплавными штырями.
2.2. Буровые долота с дисковыми шарошками
Сведений о буровых долотах с дисковыми (безвыступными) шарошками крайне мало. Первое упоминание о них, насколько нам известно, содержится в книгах В.В. Царицына [23, 24]. Отмечается, что диски, армированные твердым сплавом, могут расширить диапазон по крепости горных пород при вращательном бурении. Приведена конструкция дискового долота (рис. 2.3) и рассмотрена работа диска долота (рис. 2.4).
Рис. 2.3. Дисковое долото
Работа дискового долота состоит в том, что при вращении его относительно продольной оси осуществляется перекатывание диска по забою с одновременным резанием горной породы [24].
Под действием реактивного усилия R забоя (рис. 2.4) составляющая этого усилия N´, направленная на середину сечения стружки (штриховки), вызывает поворот диска относительно оси О1. Под действием силы N возникает усилие трения Nf0, а также вследствие вращения диска на лезвии его под действием части осевого усилия Po/m возникает сила трения Pofo/m, поэтому с достаточной точностью, пренебрегая глубиной стружки, нормальная работа долота будет:
, (2.2)
где m – количество дисков у долота; К ≈ 1,5 - 1,2 – коэффициент, учитывающий дополнительное сопротивление в опоре диска.
Рис. 2.4. Схема к определению сил, действующих на диск
Таким образом, вследствие вращения диска долота и замены режущей кромки его износостойкость долота увеличивается примерно в два раза по сравнению с неподвижным резцом такой же геометрии.
Заметим, что оснащение обода диска зубьями существенно изменит картину работы диска на забое за счет регулярного (гарантированного) взаимодействия (зацепления) зубьев со стенками углубляющейся скважины. При этом скорость вращения диска будет пропорциональна скорости бурения даже при небольшой силе трения Pofo/m. При отсутствии зубьев возможно проскальзывание дисков относительно стенок скважины, особенно при большом сопротивлении в опорах. В этом случае вращение дисков может прекращаться, и будет происходить быстрый износ ограниченной части обода диска. Вероятно, по этой причине дисковые долота рассмотренной конструкции не нашли применения.
К дисковым долотам отнесены трехшарошечные долота с конусными шарошками, вооружение которых выполнено в виде сплошных венцов клиновидного профиля (Рис. 2.5).
Рис. 2.5. Схема работы бурового долота типа БД
Сначала такие долота называли шарошечными долотами безударного действия, а затем – долотами типа БД (буровые дисковые). Различные конструкции долот типа БД предложены и исследованы сотрудниками МИНХ и ГП им. Губкина (ныне «Национальный институт нефти и газа»). Исследования обобщены в работе [24].
При работе долота БД сплошные клиновидные венцы, играющие роль закругленных зубцов, при перекатывании по забою непрерывно раздавливают и скалывают породу по траектории своего движения в отличие от обычных зубчатых венцов, которые вырабатывают на забое рейку, состоящую из отдельных лунок. Вследствие этого процесс взаимодействия вооружения долота типа БД с забоем сводится к местному разрушению породы непосредственно под венцами в результате их непрерывного внедрения и боковому скалыванию обломков породы под влиянием сил внедрения и сдвигающих сил, вызванным скольжением венцов.
Схематично механизм разрушения породы долотом типа БД и соответствующая ему картина забоя показаны на рис. 2.5, иллюстрирующем процесс образования обломков породы, которые отличаются значительно большими размерами, чем при работе серийных зубчатых шарошечных долот в одинаковых условиях. В результате разрушения забоя крупным сколом увеличивается механическая скорость бурения (рис. 2.6) и уменьшается энергоемкость процесса разрушения горных пород.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.