Определение параметров нагружения буровых установок со

шнековыми рабочими органами

доцент Казахского Агротехнического университета им. С.Сейфуллина

В технологическом комплексе работ современного строительного производства, например, при устройстве свайных фундаментов промышленных и гражданских зданий и сооружений, строительстве путепроводов других объектов все большее распространение получает технология строительства с применением бурения скважин. Параметры строительных скважин в зависимости от назначения изменяются в широких пределах: по глубине от 2 до 30 м и по диаметру от 0,3 до 1,2 м. Этим обусловлено появление большого разнообразия конструкций бурильных, бурильно-крановых машин и оборудования, создаваемых и выпускаемых серийно специализированными машиностроительными предприятиями, а также в ограниченном количестве различными организациями для собственных нужд. Дальнейшее развитие технологий строительного производства с применением буровых работ определяет необходимость создания строительной бурильной техники соответствующего типоразмера и значительного расширения масштабов ее производства.

При строительстве путепроводов, мостов и свайных фундаментов различного назначения, широко используются буровые установки буровой компаний «Дельта» (Республика Беларусь) со шнековым рабочим органом. Буровые установки оснащены различным дополнительным оборудованием и позволяют устраивать буронабивные сваи в различных грунтовых условиях с применением передовых технологий. 

Известны также буровые установки со шнековыми рабочими органами типа БУК-600 и СО-2, предназначеные для бурения скважин в связных грунтах диаметром 0,4-0,6 метров и глубиной до 15 метров с непрерывной выдачей грунта на поверхность. Такого рода скважины применяется для устройства набивных свайных фундаментов. Простота в технологии и экономичность в капитальных затратах в свое время явились основанием для широкого использования набивных свайных фундаментов в строительстве, а буровая установка БУК-600 серийно выпускалась Павлодарским ремонтно-механическим заводом/2/.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Навесное оборудование БУК-600 легко монтируется на кранах-экскаваторах типаЭ-1252Б, РДК-25, Э-10011, сваебойных копрах, С-878 и др. и состоит из трубчатой колонны, вращателя, распорной балки, шнекового рабочего органа и грунтоотборщика. Колонна шарнирно крепится к верхнему концу стрелы крана-экскаватора. Нижняя часть колонны соединена распорной балкой с платформой. Для установки вертикальности колонны на распорной балке имеются винтовые домкраты. По направляющим колонны перемещается вращатель представляющий собой каретку с мотор-редуктором МР2-1600, выходной вал которого через шарнирную муфту соединен со шнековым рабочим органом. Вращатель через обводные блоки колонны полиспастной системой соединен с грузовой лебедкой крана-экскаватора.

Средняя эксплуатационная скорость бурения скважин буровыми установками со шнековым и рабочими органами в устойчивых глинистых и песчаных грунтах составляет 35-50 м/ч. При бурении скважин в мерзлом грунте скорость бурения снижается в 2,5-3 раза.

Принцип работы шнекового рабочего органа при образовании скважины заключается в следующем. Под воздействием осевого усилия, создаваемого шнеком и приводом подачи, а также крутящего момента от вращателя происходит разрушения грунта забоя. Разрушенный грунт перемещается на винтовую поверхность шнека и по мере наполнения подается на поверхность.

В соответствии с процессом образования скважины определяются параметры бурения. Соответственно силы сопротивления разрушению подразделяются на силы сопротивления резанию, вдавливанию и трению. В исследованиях посвященных разработке бурильных рабочих органов большого диаметра для устройств набивных свай процесс разрушения грунта забоя рассматривается на основе теории резания грунтов [2,3].

Разрушение при бурении скважин большого диаметра характеризуется рядом особенностей ;  основными из которых являются : движение резцов по окружности; различный по длине путь, проходимый каждым резцом, и, как следствие этого, различная ширина площадок износа; кроме того в зависимости от расстояния до оси вращения, переменный угол наклона траектории движения резцов к горизонтали; наличие в призабойной постоянной по величине массы волочения грунта. Однако сущность резания остается той же, что и при работе рабочих органов всех землеройных машин и заключается в отделении стружки от поверхности забоя. Исходя из этого и используя выводы теорий грунтов, с учетом перечисленных особенностей работы вращающегося бурового шнекового рабочего органа были определены зависимости для описания процесса разрушения грунта забоя.

Основными режимными параметрами, которые необходимо определить при конструировании предлагаемого винтового рабочего органа являются: крутящий момент необходимый для вращения долота и шнекового транспортера, осевое усилие действующее на долото

Крутящий момент Мб, прилагаемый к шнековому рабочему органу можно определить, как сумму моментов

(1) 

где М1 – величина крутящего момента, затрачиваемого на разрушение грунта забоя;

М2 – крутящий момент, затрачиваемый напреодоление сил трения между торцом долота и грунтом забоя; М3 – величина крутящего момента, затрачиваемого на преодоление сил сопротивления, вызванных перемещением разрушенного грунта по шнеку и  на преодоление сил сопротивления, вызванных увеличением осевой нагрузки за счет поступления разрушенного грунта на шнек;

  М4 – величина крутящего момента, затрачиваемого на преодоление сил сопротивления, вызванных силами трения между разрушенным грунтом и стенками скважины.

Значение первой составляющей суммарного крутящего момента в исследовании[2]  предлаться  определять по следующей зависимости

М1= B∙h∙R,  (2)

где: B – удельная сила сопротивления вращению долота при разрушении забоя, зависящая от физико-механических свойств грунта, конструкции долота, определяющая величину момента, необходимую для разрушения единичного слоя толщины стружки;

h – толщина единичного слоя стружки;

R - расстояние от оси вращения до центра усредненного по силам сопротивления долота.

Величина второй составляющей крутящего момента зависит от осевой нагрузки на долото и коэффицента трения/4/.

М2=м∙∙∙R,  (3)

где: м – коэффициент трения;

– величина осевой нагрузки [H];

R – радиус шнека [м].

Значение третьей составляющей суммарного крутящего момента определяется в виде:

  М2k1

где: k1- опытный коэффициент, учитывающий увеличение крутящего момента, затрачиваемого на разрушение целика горной породы (k1=1,1-1,2);d-диаметр шнека [м];h-толщина срезаемого за оборот слоя горной породы [м]; - удельный вес горной породы [Н/мІ]; n-число оборотов бурильного вала [об/мин]; ө угол наклона оси режущего элемента к горизонту [град]; -угол трения [град].

  Анализ зависимости показывает, что данная составляющая суммарного крутящего момента, определяемая как величиной начальной осевой нагрузки, так и величиной нагрузки от увеличивающейся массы, разрушенной горной породы, не постоянна во времени и напрямую зависит от продолжительности рейса.

  Рассмотрим четвертую составляющую суммарного крутящего момента, расходуемую на преодоление сил сопротивления вызванных увеличением осевой нагрузки за счет поступления разрушенной горной породы на реборду. Данная составляющая также оказывает свое влияние в момент формирования режущим элементом породной стружки, постепенно надвигающейся на реборду. Но в отличие от второй составляющей, учитывает усилия, возникающие под торцом между породой и режущим элементом.

  Составляющая крутящего момента может быть представлена зависимостью:

  М3

Анализируя зависимость можно сделать вывод о том, что данная составляющая затрат крутящего момента напрямую зависит от продолжительности рейса и определяется весом массы породы, поступающей на реборду шнека и течение рейса.

Осевая нагрузка действующая на долото состоит из следующих слагаемых:

=++,  (4)

где: - вес шнека;

- вес грунта на шнеке;

- усилие подачи.

Осевое усилие подачи регулирует толщину стружки hсрезаемой долотом за один оборот. В начальный момент бурения =0 или имеет положительное значение. По мере увеличения глубины бурения Х в следствие возрастания веса грунта на шнеке возникает необходимость уменьшения значения усилия подачи или же изменения его направления, потому что возрастает крутящий момент, ограниченный установленной мощностью вращателя.

Зависимость толщины стружки h срезаемой долотом за один оборот и величины осевой нагрузки на долото рекомендована в исследованиях [2]:

= A∙h,  (5)

где: А – удельная сила сопротивления подаче долота, зависящая от физико-механических свойств грунта и конструктивных параметров долота и определяющая величину усилия, необходимого для подачи рабочего органа на единицу толщины стружки.

Зависимость (5) предложена с учетом особенностей разрушения грунта забоя при бурении скважин большого диаметра и анализа выводов теории резания грунтов рабочими органами землеройных машин [3].

С учетом зависимости (5)крутящий момент Мб, прилагаемый к шнековому рабочему органу можно выразить тогда в следующем виде:

Мб

Анализ зависимости показывает, что крутящий момент, затрачиваемый при бурении скважины является функцией переменных: осевой нагрузки Qи текущей глубины бурения, т. е. можно записать как:

Мб( )

Таким образом, достижение максимальной нагрузки по крутящему моменту, а значит и получение наибольшей скорости бурения скважины возможно

посредством изменения текущего значения осевой нагрузки Q.

1. Разработка бурильных рабочих органов большого диаметра для устройства набивных свай. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Караганда, 1990 г.

2. Перспективы создания бурильного оборудования для устройства набивных свай. В сб. Строительство зданий и сооружений в сложных грунтовых условиях / , , и др, Под ред. . – М.: Стройиэдат, 1986.-104с. – (Курсом ускорения науч.-техн. прогресса). 

3.Технология, организация и комплекснаям механизация свайных работ /, , Под общ. ред. . – М. Стройиздат, 1985-303с.

4. Резание грунтов зеслеройными машинами. – М.: Машиностроение, 1971.-367с.

5. « Обоснование оптимальных параметров процесса бурения скважин большого диаметра в осадочных породах шнеком накопительного типа»  Специальность 25.00.14-Технология и техника геологоразведочных работ.  Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. МОСКВА 2003г. 

  6. Исследование нагружения винтовых рабочих органов большого диаметра (применительно к устройству буронабивных свай).-Дисс. канд. техн. наук. М.1979.-166 с.

  7.,Расширение области применения и определение режимных параметров бурильных установок с винтовым рабочим органом. Сборник научных трудов. Моделирование провессиональной деятельностив условиях информационной инфраструктуры. Караганда.2005.С.122-125.