2.5. Влияние касательной нагрузки на напряженное состояние горной породы при осевом внедрении инденторов
При вращательном бурении наряду с действием осевого усилия реализуется вращение бурового инструмента, поэтому крайне важно оценить напряженное состояние горной породы не только при осевом внедрении инденторов, но и при их перемещении в плоскости забоя.
В работах [1, 30] представлены результаты исследований по внедрению в твердую горную породу плоского индентора с учетом не только нормального (Р), но и тангенциального усилия (Т), равного, в данном случае, произведению усилия Р и коэффициента трения μ : Т = Р × μ.
Данные исследования позволили установить следующее:
- при совместном действии нормальной Р и тангенциальной Т нагрузок под индентором наряду с ядром сжатия наблюдается зона растяжения породы, которая преимущественно развивается в области задней (по направлению движения) части торца индентора (рис. 2.24, а, б);
-
с ростом тангенциального усилия размеры
зоны растяжения в области задней части
резца увеличиваются, а область максимальных
растягивающих напряжений смещается
под заднюю часть торца индентора;
- рост тангенциального усилия вызывает увеличение смещения области сжатия породы на переднюю, по отношению к направлению перемещения, сторону индентора и одновременно к поверхности образца;
- при снижении коэффициента трения, происходит снижение и тангенциального усилия, уменьшаются как растягивающие, так и сжимающие напряжения в породе.
В сопоставлении с представленными на рис. 2.24 данными, интересны результаты экспериментов по исследованию характера изменения тангенциального усилия и глубины борозды разрушения при перемещении нагруженного осевой силой резца [14].
Вначале движения резец, находившийся в покое, внедряется достаточно резко по наклонной линии, глубина резания растет, увеличивается и горизонтальное усилие резания (зона I, рис. 2.25).
В
зоне II глубина внедрения
резца в породу и горизонтальное усилие
резания достигают максималь-ных значений.
В зоне III резец, испытывая возрастающее сопро-тивление породы, «отжимается» вверх по направлению действия осевой нагрузки, а глубина борозды и усилие резания уменьшаются.
В зоне IV устанав-ливаются постоянные глубина борозды и тангенциальное усилие, которые соответствуют установившейся скорости пере-мещения резца.
Причина «отжатия» резца и связанного с этим уменьшения глубины борозды разрушения, является результатом усиливаю-щегося сопротивления резанию-скалыванию породы при возрастающей скорости резания, что сопровождается перемещением ядра уплотнения (области максимальных напряжений сжатия на рис. 2.24) на переднюю режущую грань резца и уменьшением действия ядра на глубину зоны резания.
В этом случае на резец в противоположном осевому усилию направлении будет направлена сила противодействия, которую определим из схемы на рис. 2.26:
,
где Fp – сопротивление породы перемещению резца, даН;
γп –
передний угол резца, град.
Из полученной зависимости следует, что усилие Рп растет с повышением усилия сопротивления породы и переднего отрицательного угла резца. Усилие Рп снижает величину осевой нагрузки Р, что отражается на снижении глубины борозды разрушения породы.
Таким образом, представленные результаты позволяют утверждать, что роль тангенциального усилия в разрушении породы, её величина, а также скорость приложения играют очень значительную роль в процессе разрушения горных пород.
Важным итогом проведенного исследования и анализа напряженного состояния горной породы под действием нормальной и тангенциальной нагрузок является подтверждение того обстоятельства, что тангенциальная нагрузка усиливает разрушающие напряжения в породе. Это позволяет снизить необходимые осевые усилия вдавливания резцов в породу для достижения предельного состояния на начальном этапе внедрения резца.
В то же время перемещение экстремальной зоны к поверхности образца указывает на возможное снижение глубины разрушения породы при повышении тангенциального усилия, если при этом не будет обеспечен адекватный рост осевого усилия.
Рост скорости приложения тангенциального усилия при резании-скалывании породы приводит к снижению глубины борозды разрушения вследствие возрастающего сопротивления породы.
Снижение коэффициента трения на контакте резец – порода позволяет повысить возможные предельные значения осевого усилия и эффективность разрушения твердых горных пород за счет повышения возможной скорости приложения тангенциального усилия.
В то же время снижение коэффициента трения, как показывают эксперименты, снижает напряжения и глубину формируемой борозды разрушения в породе. Данный вывод подтверждает эксперимент, выполненный В.Е. Копыловым [13] при резании-скалывании пластинки кварца алмазным резцом со скоростью его перемещения от 2 до 10 м/c. Опыты показали, что при смачивании пластинки кварца водой глубина борозды разрушения, при прочих равных условиях в сравнении с сухим резанием-скалыванием породы, снижается.
При проведении опытов с фиксированием процесса разрушения киносъемкой отмечен веер вылетающего из под резца разрушенного кварца (риc. 2.26), что можно объяснить, рассмотрев схему на рис. 2.24, резким переходом чрезвычайно упругого кварца из области сжатия в область растяжения при перемещении резца.
При разрушении менее упругих горных пород или минералов веер разрушенной породы на задней грани резца будет не столь заметен.