Для исследования закономерностей вращательного бурения удобно использовать модель процесса бурения, в которой известные уравнения дополнены зависимостями, характерными для адаптивных структур адаптивных машин [1]. Эта модель представляет собой совокупность взаимосвязанных зависимостей показателей процесса от режимов и параметров бурильной машины и режущего инструмента, с одной стороны, а с другой – зависимостями, связывающими изменение режимов и параметров бурения от условий бурения.
Для представления таких связей можно привести аналогию привода бурильной машины с асинхронным электродвигателем. Для такой бурильной машины, например, с увеличением крепости буримой породы, увеличивается момент сопротивления вращению на валу асинхронного двигателя (для условия постоянной удельной подачи). Согласно известным характеристикам асинхронного привода частота вращения вала электродвигателя при этом уменьшится. В соответствии с теорией вращательного бурения [2] для приближений процесса бурения к оптимальным показателям и требуется с увеличением крепости буримой породы уменьшать частоту вращения. Таким образом, автоматически изменяется режим работы бурильной машины в зависимости от условий процесса бурения. Однако уменьшение частоты вращения вала при увеличении момента сопротивления вращению асинхронного двигателя определяется конструкцией и мощностью самого электродвигателя, а требуемое уменьшение частоты вращения бурильной штаги зависит от крепости буримой породы, от затупления режущего инструмента и от величины усилия подачи. Поэтому в практике управления процессом вращательного бурения используют другие методы и алгоритмы [3].
Для моделирования, в качестве базовой, использована адаптивная бурильная машина [4], выполненная на базе промышленной бурильной машины типа «УБГ-00-000» Людиновского агрегатного завода.
Гидравлическая схема адаптивной бурильной машины приведена на рисунке 1.
Рис.1. Гидросхема адаптивной бурильной машины
ГН – гидронасос; ГМ – гидромотор; ГР – гидрораспределитель; ДР1, ДР2, ДР3 – подстроечные дроссели; ГД – гидродвигатель; Ш – бурильная штанга
Устройство и принцип работы бурильной машины, имеющей приведенную схему, относительно подробно изложены в работе [5].
При составлении модели использованы реальные характеристики гидроцилиндра, гидродвигателя и коммутирующей аппаратуры. На разработанной модели выполнены следующие исследования:
1. Изучено влияние крепости буримой породы на показатели процесса бурения.
2. Изучено влияние степени износа режущей кромки режущего инструмента на рабочие характеристики и показатели процесса бурения.
В качестве базовых уравнений, позволяющих связать условия бурения с показателями процесса, используются эмпирические выражения, разработанные в ЮРГТУ (НПИ) [6].
К ним относятся:
Выражение для определения усилия подачи буровой штанги на буримый материал, Н:
(1)
Выражение для определения крутящего момента на штанге бурильной машины вращательного типа, Н*м:
; (2)
где Рк – контактная прочность буримой породы, МПа (
);
n – частота вращения буровой штанги, рад/ с;
r – радиус резца, мм;
kД – коэффициент, характеризующий сопротивления породы дроблению (0,2…0,4);
F зат – суммарная площадка затупления, мм2;
kсх – коэффициент, характеризующий разрушение скалыванием (0,05…0,1);
S - удельная подача, мм/оборот;
КПИ 1, КПИ 2 – коэффициенты, учитывающие конструктивные параметры режущего инструмента:
Коэффициенты, учитывающие конструктивные параметры режущего инструмента, определяются по формулам:
где:
для резцов типа РП 4
Радиус резца, мм: r=21
Радиус раствора перьев резца, мм rp=4
Угол скалывания 250: 
Угол резания 1100: 
Среднее значение концевого угла пера 300: 
Коэффициент трения 
Число перьев буровой коронки, шт 
Условная толщина режущей кромки, мм: С0=0.1
Сумма проекций площадок износа всех, мм2 
=7.537 ;
=24.783
В среде MathCad разработана программа, которая позволяет моделировать процесс бурения адаптивной бурильной машины при изменении основных факторов, определяющий процесс резания.
Варьируя значение крепости буримой породы или степень затупления режущего инструмента, можно визуализировать качественный и количественный характер изменения момента сопротивления вращению, удельной подачи и необходимого усилия подачи. Эти исследования можно выполнять при различных частотах вращения буровой штанги, при различной степени затупления режущего инструмента. При этом в приделах ограничений конструктивных и силовых параметров [7] модель обеспечивает определять любые парные или групповые связи между условиями бурения и показателями или характеристиками взаимодействия бурильной машины с буримым материалом. Например, удельную подачу (производительность при постоянной частоте вращения) можно исследовать по зависимости, полученной из выражения (1). Удельная подача определяется следующей зависимостью:
(3)
При моделировании процесса работы адаптивной бурильной машины исследованы следующие зависимости:
- влияние крепости буримого материала на момент сопротивления вращению, удельную подачу, необходимое усилие подачи, при заданной и постоянной частоте вращения бурильной штанги;
- влияние степени затупления резца на момент сопротивления вращению при различной крепости буримой породы;
- влияние степени затупления на удельную подачу при различной степени затупления резца. Некоторые результаты этих исследований приведены на рисунках 2,3,4.
Рис. 2. Зависимость крутящего момента и удельной
подачи от крепости буримой породы
Рис.3. Зависимость крутящего момента (Мр) от площадки затупления резца (Fз) при различной крепости буримой породы
(1 - Рк=44 МПа, 2 - Рк=250 МПа, 3 - Рк=1188 МПа)
Рис. 4. Зависимость удельной подачи от площадки затупления резца при различной крепости буримой породы
Исследованы также и другие зависимости показателей бурения от условий процесса, таких как геометрия буровой коронки, метод управления бурением (FП = const, n = var; FП = var, n= const; n = f(Pк ), FП = f(Pк )).
Выводы:
1. Полученные в результате моделирования зависимости показателей вращательного бурения от условий бурения, для рассматриваемой бурильной машины, близки к зависимостям, полученным экспериментальным путем и изложенным в работе [8]. Таким образом, подтверждается адекватность применяемой модели физическим результатам измерений.
2. Метод моделирования, предложенный в работе, позволяет виртуально выполнять исследования различных способов управления вращательным бурением и может стать основой для разработки микропроцессорного управления этим процессом.
Рецензенты:
Евстратов В.А., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Машины и оборудование предприятий стройиндустрии» Шахтинского института (филиала) Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) им. М.И. Платова, г. Шахты;
Адигамов К.А., д.т.н., профессор кафедры «Технические системы ЖКХ и сферы услуг» Института сферы обслуживания и предпринимательства (филиала) «Донского государственного технического университета», г. Шахты.