А.С. Кадыров, д.т.н., профессор

Карагандинский государственный технический университет

Расчет основных параметров винтовых рабочих органов большого диаметра

Исходные данные для расчета: радиус бурения R; угол трения грунта о сталь ψ (tg ψ = f₁ – коэффициент внешнего трения); угол внутреннего трения μ (tgμ=f_с – коэффициент внутреннего трения); удельное сопротивление грунта срезу лобовой гранью резца т_св; плотность грунта γ_у; глубина бурения х_к и удельное сопротивление грунта вдавливанию σ_вд = 10^7.f, Н/м², где f – безразмерный коэффициент крепости буримого грунта.

На первом этапе расчета устанавливаются конструктивные параметры винтового рабочего органа (рисунок 1). Шаг транспортера [1]

Н= 2(0,5÷0,75)R_в, м,

где R_в - радиус винта, определяется радиусом бурения R_тр и конструктивно задаваемым зазором Δ: R_в = R_тр - Δ, м, причем Δ =0,02-0,06 м для R=0,4-1,2 м. Меньшие значения шага Н_в соответствуют слабым, липким и влажным грунтам, а большие – сухим и прочным.

Таблица 1 – Радиуса разбуриваемых скважин для различных категорий грунтов

Категория грунта	Радиус скважины, м
	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6
I	1,86	1,85	1,87	1,87	1,87
II	1,57	1,57	1,58	1,58	1,58
III	1,06	1,07	1,08	1,09	1,09
IV	0,96	0,96	0,97	0,98	0,96

Рисунок 1 – Конструктивные параметры винтового рабочего органа

В связи с единством физической сущности работы винтовых транспортирующих органов при любом диаметре установление их конструктивных параметров может быть произведено с использованием зависимостей, полученных для рабочих органов малого диаметра [1]. Однако при этом общность расчетных формул можно относить только к транспортирующему органу. По этим зависимостям определяются: минимальный угол наклона винтовой линии рабочего органа α; частота вращения ω₁, определяемая из третьего условия работы винтового транспортера; радиус вала – штанги винта r; максимальный угол наклона винтовой линии α_r; частота вращения ω₂ и угол γ, характеризующий направление движения перемещаемой частицы:

град; с^-1;

м,

град, с^-1,

, град,

где g – ускорение свободного падения, м/с²; E – безразмерная величина;

Для упрощения расчета транспортеров большого диаметра можно принимать r =(0,28-0,35)^.R_в, м; γ=3-5 град.

Значения частот вращения ω₁ и ω₂ определены из условия превышения центробежных сил над силами трения о лопасть транспортирующего органа соответственно на расстояниях R и r от оси вращения. Большее из значений ω₁ и ω₂ является расчетной частотой вращения рабочего органа ω.

Далее устанавливаются максимально возможные из условий транспортирования выбуренного грунта скорость бурения (подачи) V_mаx и толщина стружки h_max:

м/с,

, м,

где ψ₃ – коэффициент заполнения межвиткового пространства транспортирующего органа; К_р – коэффициент разрыхления грунта при бурении; его значения изменяются в диапазоне 1,1-1,35 в зависимости от грунтовых условии. Величина ψ₃ для винтового рабочего органа большого диаметра составляет в среднем 0,15-0,25.

Определяется вес грунта Р на одном метре длины транспортирующего органа и коэффициент нагружения d:

Н/м,

м^.с²,

где l - толщина лопасти винта, м. Она задается из конструктивных соображений в пределах 0,01-0,05 м. При этом приходится учитывать, что с увеличением l возрастает срок службы винта и масса рабочего органа в целом.

С учетом полученных величин крутящий момент М_в и мощность N_B, на рабочем органе равны:

Н^.м,

Вт,

где х – текущая глубина бурения, м.

При расчете конструктивных параметров долота определяется минимально возможное расстояние от оси вращения до ближайшего резца R₁ (рисунок 1, а), суммарная ширина режущей кромки b, угол наклона площадки износа резца и горизонтали δ₁ и средний радиус R_с. Минимальное значение величины R₁ устанавливается из условия отсутствия трения задней грани первого от оси вращения резца о грунт. Параметры b, δ₁, R_c определены для идеального усредненного резца долота, на который действуют усредненные по величине силы [1]:

м, м;

рад, м,

где v – задний угол резца, равен 16-12° для буровых долот; 0,1228 – значение тангенса максимального угла наклона траектории движения резца; к_п – коэффициент перекрытия забоя, равен 0,75-1,5 дли различных грунтов, причем с увеличением прочности грунта значение к_п уменьшается; при работе трехлопастным долотом k_n=1,5.

Пользуясь данными о радиусе бурении и категории грунта, определяют по таблице значения коэффициента взаимосвязи с, а затем угол резания резцов но формуле δ=arctgy c.

По известным зависимостям [2] вычисляют удельные силы сопротивления А и В:

Н/м.

При вычислениях ширину площадки износа на крайнем резце а_k принимают равной толщине напайки твердым сплавом. Значения коэффициентов φ и принимают по таблицам 13 и 17 [3] с учетом величин угла δ и толщины стружки h_max. Поcле этого устанавливают значения режимных параметров:

Н,

Н,

Н^.м,

Вт,

где Q_o – усилие подачи при глубине бурения х=0 в дальнейшем усилие подачи уменьшается за счет увеличения веса грунта на транспортирующем органе; М – крутящий момент на рабочем органе; N – общая мощность, затрачиваемая на бурение.

Величины М и N получены из условия минимизации удельной энергоемкости процесса. Значения мощности и крутящего момента перераспределяются в процессе бурения. Весомость затрат энергии на разрушение грунта уменьшается, а на транспортирование увеличивается. Общий крутящий момент должен быть постоянным во времени, при этом справедливо

Н^.м,

где h – толщина срезаемой стружки в метрах, значения которой максимальны в начале бурения.

При изменении усилия подачи будет меняться и толщина стружки:

м.

Воспользовавшись кинематическим уравнением

м/с,

и заменяя текущую координату х на среднюю глубину бурения x_k/2 скважины, получим среднюю скорость бурения

, м/с.

К особенностям изложенной методики расчета винтовых рабочих органов большого диаметра следует отнести: учет специфических условий работы долота и транспортера большого диаметра; учет взаимовлияния операций транспортирования и разрушения грунта; оптимизацию основных режимных параметров (скорость бурения и усилие подачи по условиям минимизации удельной энергоемкости процесса).

В предлагаемой методике в отличие от существующих учтено изменение режимных параметров по глубине бурения. Установленные зависимости усилия подачи и скорости могут служить передаточными функциями при разработке системы автоматического регулирования процесса бурения.

Список использованных источников

1. Кадыров А. С. Исследование винтовых рабочих органов большого диаметра (применительно к устройству буронабивных cвай). - Автореф. дис. – М, 1979.

2. Вайнсон А. А., Кадыров А. С. Исследование винтовых рабочих органов большого диаметра бурильных машин. - Изв. вузов. Строительство и архитектура, 1986, № 8,. с. 107-111.

3. Ветров Ю. А. Резание грунтов землеройными машинами. – М.: Машиностроение. 1971. — 359 с.