Выбор рациональной частоты вращения.

В отличие от твердого сплава алмаз обладает хорошей теплопроводностью и поэтому алмазные резцы в коронке успевают охлаждаться потоком очистного агента (жидкость или пена) даже при весьма высоких скоростях вращения. Известны примеры, когда бурение в гранитном блоке успешно проводилось алмазной коронкой при частоте вращения 12.000 об/мин, и экспериментальное бурение (на токарном станке) с частотой 40.000 об/мин.

Из выражения V_м. = h_об. ·nследует, что при неизменной величине hоб. механическая скорость бурения прямо пропорциональна частоте вращения – отсюда общий вывод – чем больше частота вращения, тем больше скорость бурения. Однако, в реальных условиях бурения необходимо учитывать влияние и на забойные процессы и на работу бурового снаряда различных дополнительных обстоятельств. На забойные процессы, то есть на характер разрушения резцами породы, оказывает влияние скорость движения резцов, в результате чего величина углубки за оборот при больших скоростях вращения может уменьшаться. Существуют две гипотезы, объясняющие эту зависимость:

1. Лыжный эффект - при движении резца со стороны сдвигаемой породы действует сила реакции под углом к горизонтали, которая раскладывается на горизонтальную и на вертикальную составляющие. (Рис. 42 а). При увеличении скорости движения вертикальная составляющая возрастает, и резец как бы наезжает на породу, напоминая движение на водных лыжах. Чем быстрее движется резец, тем больше поднимающая сила и тем меньше глубина внедрения резца в породу (такая зависимость была подтверждена опытным путем). Зная это явление, можно сохранить оптимальную скорость углубки, если по мере увеличения частоты вращения соответственно увеличивать осевую нагрузку, компенсируя выталкивающую силу, (но это не всегда возможно из-за негативных последствий излишнего увеличения осевой нагрузки).

2. Скорость деформации. Под действием осевой нагрузки резец не только внедряется в породу, но сжимает слой породы под резцом. В результате сжатия под действием тангенциальных напряжений и деформаций в породе под резцом образуются трещины, ослабляющие слой породы и облегчающие последующим резцам разрушать породу, то есть происходит предразрушение породы на забое (рис. 42 а). Однако для того, чтобы образовались трещины предразрушения надо время, а если коронка вращается слишком быстро, трещины могут не успевать возникать, предразрушения не будет и следующему резцу будет труднее внедряться в породу, уменьшится глубина резанья и, следовательно, углубка за оборот (рис. 42б).

А. б

Рис. 42

В некоторых случаях при бурении с большими скоростями углубки в слабых породах при слишком больших частотах вращения очистной агент может не успевать очищать забой от частиц разрушенной породы и это тоже может послужить причиной уменьшения углубки за оборот.

Ряд исследований подтверждает убывающую зависимость углубки за оборот при росте частоты вращения. Рис. 43.

Рис. 43

Обычно в справочной и учебной литературе выбирать частоту вращения рекомендуют в зависимости от буримости, трещиноватости и абразивности пород и от диаметра коронки - от 300 до 2000 об/мин. Или по окружной скорости вращения коронки от 0,6 до3,5 и даже до5,0 м/с. В трещиноватых породах рекомендуется снижать частоту вращения на 30 – 50% по сравнению с бурением в монолитных породах.

Кроме забойных факторов при выборе частоты вращения приходится учитывать внешние факторы, главными из которых являются возникновение вибрации,недостаточная мощностьдвигателя бурового станка, возможность обрыва бурильных труб. При бурении по трещиноватым перемежающимся и слабым породам повышенная частота вращения может привести к разрушению керна.

Максимальный эффект будет получен при максимально возможной частоте вращения коронки.