авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Научный метод оценки эффективности динамических процессов разрушения горных пород при бурении скважин современными инструментами режуще-скалывающего действия

-- [ Страница 2 ] --

- представительным объемом исследований, достоверность которых подтверждена общепринятыми методами планирования экспериментов, статистической обработки материалов, а также компьютерными технологиями и пакетами прикладных программ для работы с экспериментальным материалом и организации расчетов;

- экспериментальным подтверждением научных выводов работы на разработанной установке УМР для натурного исследования процессов резания-скалывания горных пород, имеющей необходимые технико-технологические решения и поверенную точность результатов измерений.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ:

Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение:

- на заседании научного семинара кафедры бурения скважин национального исследовательского Томского политехнического университета (г. Томск – 2002, 2004, 2008, 2011 гг.);

- на заседании научного семинара кафедры техники разведки МПИ Московского геологоразведочного института (г. Москва - 1981,1982гг.);

- на заседании Ученого Совета Московского геологоразведочного института по защите кандидатской диссертации (г. Москва – ноябрь 1982 г.);

- на международных научно-технических конференциях «Разрушение горных пород при бурении скважин» (г. Уфа - 1982,1985, 1989 гг.);

- на научно-технических конференциях «Механика горных пород при бурении» (г. Грозный – п. Агой – 1986 г.);

- на научно-практических конференциях по проблемам бурения скважин, развития минерально-сырьевой базы Сибири и нефтегазового образования Сибири (г. Томск – 2002, 2004, 2009 гг.);

- на научно-техническом Совете Тульского филиала ВИТР (г.Тула – сентябрь 2011 г.).

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА заключается в постановке научной проблемы, разработке программ и методик экспериментальных и аналитических исследований и непосредственном участии в проведении всех исследований, результаты которых приведены в диссертации.

ПУБЛИКАЦИИ:

Основные результаты работы изложены в 24 печатных работах, в том числе:

- в изданиях перечня ВАК Минобразования России для публикации материалов докторских диссертаций – 9 публикаций;

- в изданиях, не включенных в перечень ВАК – 15 публикаций.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ:

Диссертация состоит из введения, 7 глав, основных выводов, и библиографического списка. Работа изложена на 181 странице машинописного текста, содержит 28 рисунков, 6 таблиц, библиографический список из 150 наименований и 1 Приложение.

Во введении показана актуальность работы, цели и задачи исследований, их научная новизна и практическая ценность.

В главе 1 выполнен детальный обзор современного состояния теории динамических процессов разрушения горных пород инструментами режуще-скалывающего действия при бурении скважин; выявлены актуальные проблемы достоверной характеристики процессов взаимодействия резцов долот режуще-скалывающего действия с горными породами; поставлены актуальные задачи исследований.

В главе 2 представлены все аспекты использования в работе методических средств и способов для аналитических и экспериментальных исследований; материалы предназначены для понимания научно-технического уровня выполненных исследований, а также для оценки достоверности полученных результатов.

В главе 3 представлены материалы аналитических исследований динамического процесса резания-скалывания горных пород, предназначенные для математического описания переходных и установившихся периодов работы единичных режущих элементов инструментов режуще-скалывающего действия; разработаны научные требования к новой методике оценки динамической твердости горных пород для условий работы инструментов режуще-скалывающего действия.

В главе 4 рассмотрены результаты экспериментальных исследований процессов резания горных пород разрушающими элементами инструментов режуще-скалывающего действия, показавшие достоверность разработанных математических моделей работы единичных резцов в переходном и стационарном режимах резания; установлены важнейшие закономерности количественного взаимодействия сил резания при различных режимах разрушения пород резанием-скалыванием.

В главе 5 выполнен комплекс исследовательских работ по разработке и экспериментальной реализации нового способа количественной оценки динамической твердости горных пород для условий работы инструментов режуще-скалывающего действия, предназначенного для массового определения показателя. Методика отвечает научным требованиям к способам определения механических свойств горных пород, характеризующих их поведение при работе инструментов режуще-скалывающего действия.

В главе 6 выполнены исследования закономерностей поведения единичных режущих элементов, работающих в едином инструментальном комплексе долота режуще-скалывающего действия, построенных на научных результатах изучения процессов резания горных пород; сформулированы необходимые рекомендации и требования к совершенствованию современных инструментов режуще-скалывающего действия.

В главе 7 представлены материалы практического использования результатов аналитического и экспериментального исследования динамических процессов работы инструментов режуще-скалывающего действия класса PDC для целей развития методик проектирования характеристик современных гидравлических забойных машин в условиях Западной Сибири, а также направления дальнейших исследований.

В разделе 8 сформулированы основные выводы представленной диссертационной работы по сформированному научному направлению.

АВТОРСКАЯ БЛАГОДАРНОСТЬ И ПРИЗНАТЕЛЬНОСТЬ:

Экспериментальные и аналитические исследования проводились на кафедре бурения скважин национального исследовательского Томского политехнического университета.

Значительная часть работы выполнена при участии и научных консультациях профессоров кафедры С.С.Сулакшина и С.Я. Рябчикова.

Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры: доцентам В.Г. Храменкову, И.А.Нейштетеру, В.И.Рязанову, В.А.Дельва, Брылину В.И., Самохвалову М.А., профессорам Ю.Л.Боярко, В.Д.Евсееву, Н.Г. Квеско за помощь и исключительно ценные рекомендации при выполнении настоящей работы. Автор благодарен профессору Рожкову В.П. за ценные советы и рекомендации.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ:

I защищаемое научное положение. Методология решения технико-технологических задач при бурении скважин инструментами режуще-скалывающего действия должна адекватно отражать сложные реальные динамические процессы разрушения горных пород, включающие переходные и установившиеся режимы резания-скалывания.

В работах Байдюка Б.В., Зварыгина В.И, Остроушко, И.А., Попова А.Н., Мавлютова М.Р., Рожкова В.П., Спивака А.И, Сулакшина С.С., Федорова А.С., Шрейнера Л.А, Эйгелеса Р.М., Эпштейна Е.Ф. и других приводится достаточно полная качественная и количественная оценка процессов разрушения горных пород при бурении скважин, раскрывается их физический механизм.

Однако подавляющее большинство этих и других научных работ, выполненных по тематике исследования разрушения горных пород, полно раскрывают качественную картину, физический механизм, и количественные результаты в основном вдавливания породоразрушающего элемента в горную породу – важного, но не единственного процесса при их разрушении резанием-скалыванием.

Специалистами широко используется методики оценки прочностных свойств горных пород, основанные на реализации статического внедрения индентора (штампа) в исследуемую горную породу. Однако, на наш взгляд, динамический процесс разрушения горных пород при использовании инструментов режуще-скалывающего действия не может моделироваться только «статическим вдавливанием». Реальная физическая картина «резания-скалывания горных пород» долотами режуще-скалывающего действия, включающая переходные и установившиеся процессы, процессы истирания породы, одновременного внедрения и перемещения резца со снятием «стружки», значительно сложнее.

В конечном счете, поведение целого класса горных пород при их деформации и разрушении, достаточно широко представленного при бурении скважин на все виды полезных ископаемых – высокопластичных и пластичных мягких горных пород, – не описывается действующими методиками.

Таким образом, принципиальная научная важность комплекса работ по аналитическому изучению и описанию динамики и кинематики резания горных пород определяется отсутствием научной модели, с помощью которой можно было бы оценить результаты разрушения горных пород современными инструментами режуще-скалывающего действия.

В настоящей работе на новой научной методологической базе анализа динамического процесса резания горных пород единичными резцами сформированы объективно связанные математические модели динамической системы «резец - горная порода»:

- в переходном процессе от «статического вдавливания» к «динамическому процессу резания» единичными породоразрушающими элементами инструментов режуще-скалывающего действия;

- в установившемся (стационарном) процессе резания-скалывания горной породы единичным элементом долота, формирующимся после окончания переходных процессов взаимодействия пары «резец-горная порода» при резании.

Доказано [1, 4, 6], что размер «установившейся» стружки (слоя) горной породы, срезаемого отдельными режущими элементами долота режуще-скалывающего действия за оборот его вращения, хорошо прогнозируется предложенной математической моделью. Другие распространенные математические модели, основанные на изучении только статического внедрения резцов в горную породу, не позволяют получить объективную картину сложных динамических процессов резания-скалывания горных пород инструментами режуще-скалывающего действия.

Экспериментально с необходимой степенью достоверности нами показано, что разработанные аналитические модели объективно существующих режимов резания-скалывания горных пород целесообразны для практического использования, как при проектировании современных инструментов режуще-скалывающего действия, в том числе и класса PDC, так и при разработке технологических режимов их эксплуатации [5, 10, 11].

II защищаемое научное положение. Формирование новых математических моделей динамических процессов резания-скалывания горных пород для описания эффективности реальных процессов работы современных инструментов режуще-скалывающего действия необходимо проводить с учетом действия на режущие элементы «реактивной» силы Rx.

В настоящей диссертационной работе детально изучена и показана качественная и количественная значимость характеристики Rх при анализе силовой картины динамического процесса резания-скалывания горных пород.

В частности, установлено, что dRх – элементарная реакция породы, возникает при деформации ее под элементом торца dx за счет действия передней грани на слой горной породы при резании (рис.1).

Детальный аналитический анализ показал, что указанная силовая характеристика динамического процесса резания-скалывания горных пород единичным резцом является важной составляющей математической модели переходного процесса:

(1)

где hу - переменная величина внедрения резца в горную породу в переходном периоде резания (вдоль оси У), м; G – осевая нагрузка, Н; Hвд – динамическая твердость горной породы, Н/м2; b – ширина резца, м; k – коэффициент пропорциональности; Rх – сила реакции породы на торец резца, возникающая за счёт воздействия его передней грани на разрушаемую горную породу при перемещении вдоль оси x, Н; - коэффициент трения; С– постоянная интегрирования.

При условии математически значимого перемещения резца вдоль плоскости резания, т.е. при x, процесс работы резца выходит на стационарную стадию динамического процесса резания, а выражение (1) преобразуется в следующую формулу:

. (2)

Важным аналитическим выводом, полученным автором, является то, что завершение переходного периода внедрения единичного породоразрушающего элемента инструмента режуще-скалывающего действия, не только указывает на то, что динамический процесс резания-скалывания горных пород вышел на новую стационарную стадию, но и определяет величину установившейся стружки, снимаемой каждым резцом породоразрушающего инструмента с разрушаемой горной породы.

Именно размер данной стружки (слоя) горной породы согласно выражения (2), формируемой резцом под действием на него постоянной осевой силы G, определяет фактическую траекторию внедрения инструмента в целом при его вращении.

 Схема нарушения силового равновесия при нагружении резца силами резания при-2

Рис.1. Схема нарушения силового равновесия при нагружении резца силами резания при его перемещения вдоль плоскости резания на элементарную величину dx.

Количественно величину Rx в формуле (2) автор предложил определить на основе известного аналитического решения Фламана-Буссинеска:

, (3)

где h - напряжения, возникающие от силового воздействии передней грани резца на уступ твердого тела, и действующие на торец этого резца (рис.2). F = hb – сила, с которой резец воздействует на твердое тело передней гранью. – угол, характеризующий положение точки, для которой определяются напряжения h; r – величина, характеризующая положение точки приложения силы F.

 Схема силового взаимодействия резца с горной породой к решению-5

Рис. 2. Схема силового взаимодействия резца с горной породой к решению Фламана-Буссинеска

На основе известных положений кинетической теории разрушения твердых тел экспериментально установлена жесткая количественная взаимосвязь в динамической системе: «величина внешней разрушающей нагрузки скорость распространения процесса разрушения конкретной горной породы скорость перемещения резца вдоль плоскости резания» в процессе резания горных пород инструментами режуще-скалывающего действия при неизменной температуре процесса.

Доказано, что сила реакции горной породы Rxi на режущий элемент при резании стружки установленного размера h= const нелинейно возрастает с увеличением скорости перемещения резцов по буримой горной породе: Rxi = Rxо ekVл (рис.3).

 Влияние линейной скорости перемещения резца Vл на осевую реакцию горной породы-6

Рис. 3. Влияние линейной скорости перемещения резца Vл на осевую реакцию горной породы на торец резца при резании Rxi.

Окончательно математическая модель для установившегося режима процесса резания-скалывания с учетом использования решения (3) сформирована в виде:

(4)

где G – осевая нагрузка, Н; Hвд – динамическая твердость горной породы, Н/м2; b – ширина резца, м; K1- коэффициент, характеризующий положение точки приложения горизонтальной силы резания, 1/кв.м.; К1 = 1/r2; Sк – площадь торцевого контакта ПРЭ (резца) с горной породой; Vл – линейная скорость перемещения резца вдоль плоскости резания; К – эмпирический коэффициент.

В более ранних работах ряда других авторов значимость и даже существование важнейшего силового параметра Rх для физического понимания динамических процессов в системе «резец–горная порода» отрицалась. Предполагалось, что после завершения переходных процессов в работе режущих элементов инструментов режуще-скалывающего действия параметр Rх становится ничтожно мал. Автором показан физический смысл, количественная значимость и закономерности изменения, а также технология расчета данного силового параметра динамического процесса резания-скалывания горных пород.

III защищаемое научное положение. Аналитический вывод о стабилизации значения комплексного коэффициента сопротивления резанию Kр при наступлении объемного режима динамического процесса резания-скалывания горных пород, экспериментально подтвержденный в работе, необходимо использовать:

- в качестве количественного критерия достижения оптимальных режимов резания горных пород инструментами режуще-скалывающего действия;

- в качестве количественного показателя для проектирования характеристик высокомоментных забойных машин для механического вращательного бурения скважин с инструментом режуще-скалывающего действия;

- в качестве объективной базы для формирования нового метода оценки динамической твердости горных пород при резании инструментами режуще-скалывающего действия.

Методологический подход, использованный автором в процессе изучения взаимодействия силовых характеристик динамической системы «резец-порода», заключался в следующем: контактные давления при резании-скалывании горных пород, меньшие, чем необходимые для отделения объемных частиц породы от разрушаемого массива, – так называемого «объемного разрушения» – вызывают только абразивное (контактное) истирание пород.

При этом взаимосвязь силы резания Fр и осевой нагрузки Go определяется в общем случае значением коэффициента трения физической пары «резец – порода» в конкретной среде .

Более высокие контактные нагрузки и давления, вызывающие процессы реальных объемных нарушений в горной породе и отделение ее частиц от массива при движении единичного породоразрушающего элемента, фундаментально изменяют силовую картину процесса резания: количественное взаимоотношение между силой резания и осевой нагрузкой переходит на другой уровень.

Их взаимосвязь становится существенно сложнее, и определяется не только процессами трения, через соответствующие коэффициенты трения, но и нарастающими процессами нарушений и разрушения элементов горной породы через, условно названный нами, «коэффициент сопротивления разрушению» рi:

, (5)

В физике горных пород для характеристики этой переходной стадии разрушения и формы дезинтеграции твердого тела (горных пород) используется условный термин «усталостное» разрушение.

Предложенный нами коэффициент рi устанавливает новую тенденцию количественного взаимоотношения между действующими силами процесса резания-скалывания горных пород в качественно новой стадии их разрушения – усталостном разрушении:

(6)

где – текущее сопротивление горной породы разрушению при снятии стружки глубиной резцом, имеющим ширину b.

Предложено суммарную величину двух выше указанных характеристик рассматривать как коэффициент, названный нами «комплексным коэффициентом сопротивления резанию «Kрi»:

Kрi = + рi (7)

Приложение к резцу на очередном этапе процесса резания-скалывания более высоких осевых разрушающих нагрузок на горную породу будет приводить к закономерному росту абсолютных значений силы резания, коэффициента рi, а следовательно, и комплексного коэффициента Kрi.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.