Движение шарошек представляет собой комбинацию трех одновременно происходящих движений (рис. 2.2.2): вращения юд совместно с корпусом долота; вращения сош шарошки вокруг наклонной оси; движения подачи.
Процесс разрушения при шарошечном бурении состоит из последовательных единичных актов вдавливания рабочих элементов в горную породу. В результате вдавливания на поверхности породы образуется углубление — лунка выкола. Ввиду прерывистого контакта рабочих элементов с забоем силовое воздействие имеет импульсивный характер, что обеспечивает возможность бурения в крепких скальных породах. Величина силового импульса определяется, с одной стороны, крепостью породы, а с другой — размерами рабочих элементов.
Внедрение рабочих элементов при перекатывании шарошки происходит кратковременно, поэтому работа сил трения и износ элементов существенно снижаются по сравнению с режущим инструментом.
Математическое описание действительного процесса перекатывания шарошки по породе, сопровождающегося разрушением последней, с учетом упругих деформаций породы и зубьев шарошки в силу значительной степени неопределенности протекания физических явлений весьма затруднительно. Поэтому в качестве упрошенной модели рабочего процесса принимается схема разрушения породы при контактном взаимодействии рабочих элементов шарошки с породой.
Зубья шарошки периодически соприкасаются с породой, и под действием силы подачи каждый из них внедряется на глубину h. Если долото имеет ZIU шарошек (обычно 3), каждая из которых контактирует с забоем на длине L, то общая длина линий одновременного контакта зубьев долота с породой будет LZm.
Вследствие вторичного дробления уже отделенной от массива породы общая линия контакта зубьев шарошки еще более увеличится и приближенно может быть принята равной половине диаметра долота.
Основными задачами теории работы шарошечного долота являются определение глубины внедрения рабочих элементов и, в конечном счете, скорости бурения (производительности машины).
Из условия равенства работы силы подачи и энергии, затрачиваемой на деформацию породы, необходимая сила подачи определяется из эмпирического выражения [14]
В результате экспериментальных и теоретических исследований [10, 14] установлено наличие минимума энергоемкости шарошечного бурения (и, соответственно, максимума скорости бурения), которое зависит от крепости горных пород, силы подачи и конструктивных особенностей инструмента. Так, при малой величине силы подачи глубина внедрения рабочих элементов долота уменьшается, что приводит к снижению скорости бурения и, соответственно, к росту энергоемкости рабочего процесса. При чрезмерном увеличении силы подачи резко возрастает сопротивление перекатыванию шарошек, что обусловливает рост энергозатрат и в целом энергоемкости процесса.
Шарошечные долота характеризуются способностью передавать значительные мощности ввиду ударного характера взаимодействия с породой, а также повышенной стойкостью инструмента благодаря увеличенной рабочей поверхности элементов.
Шарошечное бурение отличается высокой эффективностью рабочего процесса при бурении полускальных и скальных пород.