Рабочий процесс шарошечного долота основан на сложном движении его режущих элементов. Каждая шарошка совершает три одновременных движения: вращается вместе с корпусом долота, вращается вокруг собственной наклонной оси и перемещается вниз под действием осевой нагрузки (подачи). Эта комбинация движений и обеспечивает эффективное разрушение породы.
Механизм разрушения породы
Разрушение горной породы при шарошечном бурении происходит не непрерывно, а в виде серии отдельных актов. Каждый зуб (рабочий элемент) шарошки вдавливается в породу, образуя на её поверхности углубление — так называемую лунку выкола. Из-за прерывистого контакта зубьев с забоем силовое воздействие носит импульсный, ударный характер. Именно это позволяет эффективно бурить даже очень крепкие скальные породы. Сила каждого импульса зависит от двух ключевых факторов: прочности самой породы и геометрических размеров рабочих элементов долота.Важным преимуществом шарошечного бурения является то, что внедрение зубьев в породу происходит за очень короткое время в момент перекатывания. Это значительно сокращает работу сил трения и, как следствие, уменьшает износ инструмента по сравнению с классическим режущим бурением.
Моделирование рабочего процесса
Создать точное математическое описание реального процесса перекатывания шарошки — задача чрезвычайно сложная. На неё влияют упругие деформации как породы, так и самих зубьев, а физическая картина разрушения отличается высокой степенью неопределённости. Поэтому в теории для упрощения используется модель контактного взаимодействия, которая рассматривает разрушение породы в момент соприкосновения с ней рабочих элементов шарошки.В этой модели зубья периодически контактируют с породой и под действием осевой силы подачи внедряются в неё на определённую глубину (h). Если долото оснащено, например, тремя шарошками (Zm = 3), и каждая из них контактирует с забоем на длине L, то общая длина одновременного контакта всех зубьев с породой составит L * Zm. С учётом вторичного дробления уже отделённой породы эта длина контакта увеличивается и на практике может приближаться к половине диаметра самого долота.
Ключевые задачи теории и энергоэффективность
Основная цель теоретического анализа работы шарошечного долота — определение глубины внедрения его зубьев и, в конечном счёте, расчёт скорости бурения как главного показателя производительности машины.Необходимая для этого осевая сила подачи может быть определена из условия баланса работы: работа силы подачи должна быть равна энергии, затрачиваемой на деформацию и разрушение породы. Это описывается эмпирическими зависимостями, полученными в результате исследований.
Экспериментальные и теоретические исследования выявили важную закономерность: существует оптимальный режим бурения, при котором энергоёмкость процесса минимальна, а скорость бурения — максимальна. Этот оптимум зависит от прочности породы, величины осевой нагрузки и конструктивных особенностей долота.
При слишком малой силе подачи глубина внедрения зубьев становится недостаточной, что снижает скорость бурения и увеличивает удельные энергозатраты. С другой стороны, чрезмерное увеличение нагрузки приводит к резкому росту сопротивления перекатыванию шарошек, что также вызывает рост энергопотребления и снижает общую эффективность процесса.
Преимущества шарошечного бурения
Шарошечные долота обладают рядом существенных преимуществ:- Высокая передаваемая мощность: Ударный характер взаимодействия с породой позволяет эффективно передавать и использовать значительные мощности.
- Повышенная стойкость: Благодаря большой рабочей поверхности зубьев и сниженному трению инструмент демонстрирует увеличенный ресурс.
- Высокая эффективность: Данная технология бурения доказала свою высокую производительность и экономичность при проходке полускальных и особенно крепких скальных пород.