Моделирование процесса внедрения клиньев разной формы в породный массив при осевой и винтовой схемах ударного нагружения

Представлены результаты математического и физического моделирования процесса внедрения клиньев симметричной и асимметричной форм по осевой и винтовой траекториям вектора ударной нагрузки в породный массив при ударном нагружении. Сравнительный анализ контактных напряжений по Мизесу, возникающих в породном массиве при моделировании методом конечных элементов, показал, что при ударном нагружении клиньев (особенно ассиметричных) по винтовой траектории наблюдается увеличение значений сдвиговых напряжений в породе. С помощью физического моделирования на специально изготовленном стенде было подтверждено повышение эффективности сколообразования при использовании инструмента в виде клина асимметричной формы, внедряемого по винтовой траектории вектора ударной нагрузки в породный массив. Сравнение числовых значений энергоемкости разрушения показало, что энергоемкость разрушения при винтовой траектории вектора ударной нагрузки асимметричным клином в среднем в 1,15 раз меньше, чем клином симметричной формы, и в 1,45 раза меньше, чем при осевом нагружении этих клиньев. Это дает основание к созданию соответствующих ударно-поворотных механизмов и буровых инструментов, обеспечивающих бурение шпуров и скважин машинами ударного способа бурения.

Сысоев Н. И., Гринько А. А., Гринько Д. А. Моделирование процесса внедрения клиньев разной формы в породный массив при осевой и винтовой схемах ударного нагружения // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2021. – № 6. – С. 120–132. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_6_0_120.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-35-90079.

Сысоев Николай Иванович¹ — д-р техн. наук, профессор, e-mail: sysoevngmo@gmail.com,
Гринько Антон Александрович¹ — аспирант, e-mail: nextdingo@mail.ru,
Гринько Дмитрий Александрович¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: dingo17@mail.ru,
¹ Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова.

Гринько А.А., e-mail: nextdingo@mail.ru.

1. Алимов О. Д., Дворников Л. Т. Бурильные машины. — М.: Машиностроение, 1976. — С. 295.

2. Юнгмейстер Д. А., Уразбахтин Р. Ю., Мельников Д. А. Горные машины с модернизированными конструкциями ударных исполнительных органов / Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сборник научных статей XV Международной научно-технической конференции. — 2017. — С. 124—128.

3. Крапивин М. Г., Раков И. Я., Сысоев Н. И. Горные инструменты. 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Недра, 1990. — 256 с.

4. Лукьянов В. Г., Крец В. Г. Горные машины и проведение горно-разведочных выработок: учебник для СПО. — М.: Изд-во Юрайт, 2016. — 342 с.

5. Хазанович Г. Ш. Актуальные направления научных исследований горнопроходческого оборудования // Горное оборудование и электромеханика. — 2018. — № 2(136). — С. 41—45.

6. Додис Я. М., Нифадьев В. И. Разрушение горных пород при бурении и взрывании. Учебное пособие. — Бишкек: КРСУ, 2006. — 374 с.

7. Чу Ким Хунг Метод расчета показателей эффективности функционирования и надежности резцов для бурения шпуров: дис. канд. техн. наук: 05.05.06. — ЮРГПУ(НПИ), Новочеркасск, 2016. — 155 с.

8. Сысоев Н. И., Чу Ким Хунг Численное моделирование процесса бурения шпура горных пород с применением упруго-пластической модели // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 3. — С. 142—152.

9. Сысоев Н. И., Чу Ким Хунг Применение метода конечных элементов для определения конструктивных параметров буровых резцов // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. — 2015. — № 4. — С. 73—80.

10. Сысоев Н. И., Буренков Н. Н., Чу Ким Хунг Обоснование структуры и выбор рациональных конструктивных параметров бурового резца, армированного алмазно-твердосплавными пластинами // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. — 2016. — № 2. — С. 77—83.

11. Гринько А. А., Сысоев Н. И., Гринько Д. А. Повышение эффективности процесса сколообразования при ударно-поворотном воздействии долота на горную породу // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 9. — С. 102–115. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-9-0-102-115.

12. Pryhorovska T. O., Chaplinskiy S. S., Kudriavtsev I. O. Finite element modelling of rock mass cutting by cutters for PDC drill bits // Petroleum exploration and development. 2015, vol. 42, no. 6, pp. 888—892.

13. Guohui Lia, Wenjin Wanga, Zhijuan Jinga, Leibin Zuoa, Fubin Wangb, Zhen Weia Mechanism and numerical analysis of cutting rock and soil by TBM cutting tools // Tunnelling and Underground Space Technology. 2018, vol. 81, pp. 428–437.

14. Nina Yari, Marcin Kapitaniak, Vahid Vaziri, Lifeng Ma, Marian Wiercigroch Calibrated FEM modelling of rock cutting with PDC cutter // MATEC Web of Conferences. 2018, vol. 148, article 16006.

15. Helmons R. L. J., Miedema S. A., van Rhee C. Modeling the effect of water depth on rock cutting processes with the use of discrete element method // Terra et Aqua. 2016, vol. 142, no. 17.

16. Che D., Zhu W.-L., Ehmann K. F. Chipping and crushing mechanisms in orthogonal rock cutting // International Journal of Mechanical Sciences. 2016, vol. 119, pp. 224—236.

17. Cheng Z., Sheng M., Li G. Cracks imaging in linear cutting tests with a PDC cutter: Characteristics and development sequence of cracks in the rock // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2019, vol. 179, no. 6.