Теория рабочего процесса машин ударно-вращательного и вращательно-ударного бурения

Ударно-вращательный способ бурения можно рассматривать как ударный с непрерывным вращением разрушающего инструмента с моментом Мкр, забойный двигатель которого обеспечивает ударную нагрузку Руд, при осевом усилии Poc, в целом действующим на буровой став. Осевое давление по величине не больше 250-400 кг.
Вращательно-ударное бурение представляет процесс, объединяющий элементы вращательного и ударного способов, когда при независимом вращении бурового става по нему наносятся непрерывные осевые удары со стороны противоположной породоразрушающему инструменту.
В обоих этих способах разрушения устраняются известные недостатки ударного и вращательного бурения. Сам процесс становится непрерывным с явным повышением скорости.
Теория рабочего процесса может быть представлена в виде оптимизации соотношения между энергией и частотой ударов, при котором скорость бурения будет максимальной.
Известно, что ударная мощность при бурении равна произведению энергии единичного удара Ауд на частоту ударов Z1, и для данной ударной мощности соотношение между ними может быть различным.
Скорость бурения связана с частотой вращения бура и величиной подачи бурового става уравнением:

где Vв - величина подачи за один оборот долота при вращательном бурении при отсутствии ударов, мм/об.;
Vуд - подача за один оборот долота за счет ударов, мм/об;
n - скорость вращения бура, об/мин.
Для крепких пород vв->0 даже при большом осевом усилии, с учетом же того, что присутствует ударная нагрузка, величина vв отличается от 0. При бурении крепких пород подача за один оборот практически обеспечивается разрушением от ударов, т.е.:

Если бы при этом использовалась полная глубина внедрения лезвия бура в породу hуд, то:

Фотограммы процесса перемещения бурового инструмента по поверхности забоя показывают, что hуд используется не полно (рис. 2.8) при каждом ударе и является результатом отражения (отскок) и отпора лезвия от породы, а также деформации штанги.

Фактическая величина подачи будет снижаться за счет коэффициента использования ударного внедрения kи:

С увеличением Z1 коэффициент kи уменьшается, что обусловлено ростом разрушенной зоны. Связь между kи и Z1 выражается как:

где а, в, с - коэффициенты, характеризующие интенсивность снижения kи с ростом Z1.
С учетом kи - скорость бурения в крепких породах будет выражаться:

Лезвие долота может внедряться в породу, если энергия удара достигнет некоторой критической для породы величины:

Если учесть, что соотношение между ударной мощностью Nyд и энергией единичного удара равно:

Тогда скорость бурения составит:

или

Исследуя последнее соотношение на экстремум, установим, что скорость бурения окажется максимальной при величине энергии удара:

Например, Б.З. Израелит для гранита крепостью f=14-16 при диаметре коронки 46 мм получил:

Анализ последнего соотношения свидетельствует о том, что чем больше ударная мощность, тем выше энергия удара, когда скорость достигает максимума. Здесь видно, что чем больше скорость вращения коронки, тем ниже может быть энергия удара при данной ударной мощности, но число ударов должно быть максимальным Уровень же энергии удара не должен быть ниже некоторого критического значения, при котором возможно разрушение породы.

---