Термодинамика системы «инструмент–горная порода» при генерировании теплоты трения на контакте
The results of experimental investigation of the thermal conditions of drilling instrument are 
 presenting. The experiments are carried out with thermalvision camera.
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Datum: | 2009 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2009
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20947 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Термодинамика системы «инструмент–горная порода» при генерировании теплоты трения на контакте / А.А. Кожевников, А.Ю. Дреус, С.В. Гошовский, И.И. Мартыненко // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 108-112. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860235612487942144 |
|---|---|
| author | Кожевников, А.А. Дреус, А.Ю. Гошовский, С.В. Мартыненко, И.И. |
| author_facet | Кожевников, А.А. Дреус, А.Ю. Гошовский, С.В. Мартыненко, И.И. |
| citation_txt | Термодинамика системы «инструмент–горная порода» при генерировании теплоты трения на контакте / А.А. Кожевников, А.Ю. Дреус, С.В. Гошовский, И.И. Мартыненко // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 108-112. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description | The results of experimental investigation of the thermal conditions of drilling instrument are 
presenting. The experiments are carried out with thermalvision camera.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:23:31Z |
| format | Article |
| fulltext |
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
108
Анализ данных табл. 1 показывает, что меньшие значения отношения диаметра бу-
рильных труб к диаметру рабочей камеры и коэффициента соединения обеспечивают уско-
ренный рост амплитуды гидродинамического давления в рабочей камере и, как следствие,
обеспечивать рациональную гидродинамическую нагрузку на породоразрушающий инстру-
мент.
Литература
1. Тарко Л.М. Волновые процессы в трубопроводах гидромеханизмов. – М.: Машгиз,
1963. – 162 с.
2. Пат. України № 200003266505 Гідродінамічний вібробур. 11.05.2000. Бюл. № 3
О.М.Давиденко, В.С. сСліпенький, Ю.Д. Безсонолв, В.Ф. Сірик.
3. Сліпенький В.С. Визначення енергетичних характеристик гідродинамічного
вібробура. Нафтова і газова промисловість. – 2002. – № 6 – 22 с.
4. Справочник инженера побурению геологоразведочных скважин: В 2 т., Под ред.
проф. Е.А.Козловского.– М.: Недра. 1984. – Том 1. – 512 с.
5. Палашкин Е.А. Справочник механика по глубокому бурению. 2-е изд. перераб. и доп.
– М.: Недра. 1981. – 510 с.
Поступила 16.06.09
УДК 622.243:536.24
А. А. Кожевников1, д-р. техн. наук, А. Ю. Дреус2, канд. техн. наук,
С. В. Гошовский3, д-р. техн. наук, И. И. Мартыненко4, канд. техн. наук
1 Национальный горный университет, г. Днепропетровск, Украина
2 Днепропетровский национальный университет, Украина
3 Украинский государственный геологоразведочный институт, г. Киев
4 Государственная геологическая служба, г. Киев, Украина
ТЕРМОДИНАМИКА СИСТЕМЫ «ИНСТРУМЕНТ–ГОРНАЯ ПОРОДА»
ПРИ ГЕНЕРИРОВАНИИ ТЕПЛОТЫ ТРЕНИЯ НА КОНТАКТЕ
The results of experimental investigation of the thermal conditions of drilling instrument are
presenting. The experiments are carried out with thermalvision camera.
Введение
Ресурсосберегающие режимы работы технологического инструмента (бурового, свер-
лильного, металлообрабатывающего и др.) во многом определяются теплофизическими про-
цессами, протекающими в зоне контакта инструмента с рабочей поверхностью. Роль темпе-
ратуры в обеспечении рациональных режимов работы такого инструмента детально проана-
лизирована в [1]. Следует отметить, что единого представления о термодинамическом со-
стоянии на забое и температуре при генерировании теплоты трения не существует. В этой
связи с этим возникают трудности при определении контактных температур с помощью рас-
четных методик. Неопределенность некого важного параметра теплообмена, как коэффици-
ент теплоотдачи, требует дополнительных исследований, в том числе с использованием ме-
тодов экспериментального моделирования и новейших измерительных методик.
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
109
Постановка проблемы. Механическая энергия породоразрушающего инструмента,
реализуемая на рабочей поверхности, расходуется на полезную работу разрушения и тепло-
образование вследствие трения. По оценкам разных исследователей [1] доля механической
энергии инструмента, переходящей в тепловую, не превышает 98%. Тепловые потоки, кото-
рые генерируются на контакте, распределяются между горной породой и инструментом в
соответствии с теплофизическими характеристиками последних. Вопрос распределения
принципиально важен [2]. Поскольку теплопроводность инструмента в 2 раза выше, чем
горной породы, основная генерируемая теплота будет направлена именно в инструмент, что
приведет к его повышенному износу. Для предотвращения перегревания инструмента и под-
держания нормальных условий работы необходимо обеспечить теплоотвод с боковой по-
верхности инструмента, которая омывается холодным теплоносителем (промывочной жид-
костью, воздухом, буровым раствором и др.). Эта задача связана с необходимостью опреде-
ления параметров процесса теплообмена: контактной температуры, коэффициента теплоот-
дачи, тепловых потоков, коэффициента распределения теплоты и др.
Подготовка и проведение экспериментов по измерению температуры довольно трудо-
емки и требуют значительных затрат времени и материальных. Трудности связанны так же с
точностью и надежностью методик измерений, установлением датчиков и их защитой от
внешних механических и электромагнитных воздействий, высокой стоимостью необходимо-
го оборудования (в том числе алмазных коронок). Таким образом, выполнить измерения не-
посредственно в условиях бурения скважины чаще всего не возможно. Большинство опытов
по измерению температуры породоразрушающего инструмента при его работе выполнены в
стендовых условиях [1]. При этом одним из эффективных подходов к исследованию термо-
динамики бурения является имитация технологического процесса с использованием моделей
породоразрушающего инструмента [4]. Однако и в этом случае постановка эксперимента
требует тщательной подготовки и не позволяет получить целостную картину о термодина-
мическом состоянии, только данные о температуре в отдельных точках.
Одним из современных измерительных высокоточных устройств, который позволяет
получить полную картину о тепловом режиме тела, находящегося в поле визуального кон-
такта, является инфракрасная камера – тепловизор. Принцип действия тепловизора основан
на восприятии через оптическую систему чувствительным элементом камеры (матрицей де-
текторов) теплового излучения от исследуемого объекта. Далее полученный видеосигнал
посредством электронного блока измерения, регистрации и математической обработки
оцифровывается и отображается на экране компьютера или на дисплее тепловизора.
Цель настоящей работы – исследовать теплофизические процессы, в системе «горная
порода – инструмент», полученные с использованием инфракрасной камеры.
Описание экспериментальных исследований.
Для экспериментальных исследований использовали тепловизионную инфракрасную
камеру AGEMA 570 производства компании FLIR Systems, прошедшую метрологическую
сертификацию. Стандартный диапазон измерения для этой камеры – -20 – +550 оС. Чувстви-
тельность камеры – 0,1 оС при точности измерения 2 % диапазона.
Серию экспериментов по имитации процесса бурения проводили с использованием
сверлильного станка. Породоразрушающий инструмент моделировали с помощью полого
стержня (цилиндра) из титанового сплава. Коэффициент теплопроводности материала соот-
ветствует теплопроводности конструкционных сталей. Внешний и внутренний диаметры
стержня соответственно – 12 и 9 мм. В качестве горной породы использовали цилиндриче-
ский образец гранита диаметром 58 мм. Стержень закрепили в сверлильном станке и при
вращении осуществляли его трение по поверхности закрепленного на весах образца горной
породы.
Осевую нагрузку P (даН) фиксировали предварительно тарированными электронными
весами, частоту вращения n (об./мин) – тахометром. Погрешность измерения нагрузки со-
ставляла 2,5 – 5 %, частоты вращения – 1 %.
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
110
Через определённые промежутки фиксировали температурное состояние инструмента
и горной породы с помощью тепловизионной съемки. После экспериментов полученные
термограммы обработали на компьютере.
Результаты. Термограммы, полученные в результате тепловизионной съемки при
трении стержня о гранит и соответствующие моментам, когда температура стержня достигла
установившегося режима, показаны на рис. 1.
line:avg 71.0
area:max 246.4
10.9
203.1 °C
50
100
150
200
FLIR Systems
area:max 473.3
line:avg 119.1
10.9
394.6 °C
100
200
300
FLIR Systems
area 1:max 311.0
area 2:max 380.2
10.4
323.7 °C
100
200
300
FLIR Systems
а б в
Рис 1. Термограммы полученные через определенное время после начала процесса:
а – через 80 с (Р =20 даН, n =750 об./мин); б – через 90 с (Р =40 даН, n =750 об./мин);
в – через 120 с (Р =40 даН, n =750 об./мин)
Результаты экспериментов свидетельствуют, что область высоких температур локали-
зована на рабочей поверхности. Далее температура снижается по экспоненциальной зависи-
мости. Теплосъем обеспечивается за счет вращения инструмента, в результате чего получа-
ются необходимые коэффициенты теплообмена и контакт с холодным окружающим возду-
хом.
Увеличение осевой нагрузки в два раза (рис. 1 а, б) приводит к увеличению средней
по высоте контактной температуры стержня менее чем в два раза.
Термограмма, показанная на рис. 1в, соответствует моменту отрыва инструмента от
поверхности породы и позволяет оценить степень прогревания горной породы. Несмотря на
низкую теплопроводность гранита, температура на периферии рабочей поверхности породы
достигает 85 оС.
Графики изменения температуры, изображенные на рис. 2, получены в результате об-
работки термограмм. Они подтверждают экспоненциальный характер изменения температу-
ры по высоте инструмента. При этом для более высокой нагрузки область прогревания (где
наблюдаются высокие градиенты температуры) расширена.
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
t, oC
x, м
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
0
100
200
300
400
500
t, oC
x, м
а б
Рис 2. Графики изменения температуры по высоте инструмента:
а – Р = 20 даН; n = 750 об./мин; б – Р = 40 даН; n = 750 об./мин
Определение теплоотдачи инструмента. Одной из основных проблем при расчете
теплоэнергетических характеристик бурения является определение параметров теплоотдачи
инструмента, в частности коэффициента конвективной теплоотдачи от инструмента к охла-
ждающей жидкости или газу. Критериальные уравнения для расчета такого коэффициента,
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
111
наиболее часто использующиеся в расчете тепловых режимов бурения приведены в [1]. Од-
нако рассмотренные соотношения получены для установившегося потока жидкости в кана-
лах с постоянной температурой стенки и без учета вращения инструмента. Соотношения для
расчета теплоотдачи вращающихся тел [4] также ограничены случаем горизонтально распо-
ложенных и равномерно нагретых цилиндров.
Как было показано, для работающего на забое инструмента характерно крайне неод-
нородное по высоте температурное поле. Очевидно, локальные коэффициенты теплообмена
также будут изменяться по высоте. Выполненные экспериментальные исследования позво-
ляют определить параметры конвективной теплоотдачи от инструмента воздуху.
Для того чтоб определить локальные значения коэффициента конвективной теплоот-
дачи, составим уравнение теплового баланса для элементарного участка стержня. Для уста-
новившегося теплового режима кондуктивный тепловой поток в теле инструмента, дейст-
вующий от поверхности трения, будет отводиться с боковой поверхности посредством кон-
векции. Поток q(x), подводимый к элементарному объему тела инструмента длиной х в се-
чении х по высоте, равен сумме кондуктивного теплового потока q(x+x), отводимого из
объема в сечении х+х, и конвективного теплового потока qs, отводимого с поверхности
элементарного объема
sqxxqxq )()( .
Выражая два кондуктивных тепловых потока с помощью закона Фурье, а конвектив-
ный – с помощью закона охлаждения Ньютона, получаем
))((
txtx
dx
dtF
dx
dtF x
xxx
,
где – коэффициент теплопроводности инструмента, Вт/(мград); F – площадь попе-
речного сечения элементарного объема, м2; – коэффициент конвективной теплоотдачи,
Вт/(м2град); – периметр элементарного объема (м); x – высота элементарного объема, м;
t – температура охлаждающей жидкости, С.
Отсюда, зная распределение температуры по высоте стержня из эксперимента и об-
щее количество теплоты трения, генерируемой на контакте, можно вычислить значения ло-
кальных коэффициентов теплообмена. Мощность тепловыделения на контакте определяется
по формуле
nPDQ ,
где – коэффициент трения пары «инструмент – горная порода»; D – диаметр инструмента,
м; осевая нагрузка выражается в ньютонах, частота вращения – в оборотах в секунду.
Поскольку при моделировании разрушения горной породы не наблюдается, будем
считать, что почти вся мощность, реализуемая на забое, переходит в теплоту трения. Удель-
ный тепловой поток, поступающий на рабочий торец инструмента, определяется по формуле
F
Qkq p0 ,
где pk – коэффициент распределения тепловых потоков на контакте [1]. Результаты расчета
коэффициентов конвективной теплоотдачи для случаев, которые описываются термограм-
мами на рис. 1 а и б, показаны на рис. 3.
Характер поведения графиков объясняется сложной картиной теплообмена, для кото-
рой характерны резкое снижение температуры поверхности инструмента по высоте наложе-
нием свободной конвекции на вынужденную и высокая плотность теплового потока на на-
чальном участке. Кроме того, локальные коэффициенты теплоотдачи существенно зависят от
многих трудно учитываемых и изменяющихся по высоте факторов, например от чистоты
обработки материала.
Как следует из приведенных данных, значения локальных коэффициентов отличаются
для рассматриваемых вариантов. В то же время значения среднего коэффициента конвектив-
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
112
ной теплоотдачи, которая используется наиболее часто, различаются несущественно (на 6 %)
и составляют 166 – 177 Вт/(м2град).
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
0
500
1000
1500
2000
2500
x
, Вт/(м2 K)
x, м
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
0
200
400
600
800
1000
x
, Вт/(м2 K)
x, м
а б
Рис 3. Кривые распределения коэффициентов теплоотдачи по высоте инструмента:
а – Р = 20 даН, n = 750 об./мин; б – Р= 40 даН, n= 750 об./мин
Для перехода от результатов, полученных на моделях, к реальным объектам следует
использовать критерии подобия. В случае теплоотдачи такими критериями являются среднее
число Нуссельта
DNu ,
где – коэффициент теплопроводности окружающей среды и число Рейнольдса
DweR ,
где – коэффициент кинематической вязкости окружающей среды, м2/с, w – линейная ско-
рость вращения инструмента, м/с.
Для рассмотренных случаев критерии 76Nu ; 390eR .
Выводы
1. В работе впервые приведены результаты экспериментального исследования процесса
нагревания породоразрушающего инструмента, полученные с помощью инфракрасной каме-
ры.
2. Впервые определены локальные и средние коэффициенты теплоотдачи от вращающе-
гося инструмента окружающему воздуху в условиях генерировании теплоты трения на кон-
такте.
3. Результаты роботы можно использовать для верификации расчетных методик по оп-
ределению теплового состояния технологического инструмента.
Литература
1. Тепловой фактор при бурении скважин А. А. Кожевников, С. В. Гошовский, А. Ю.
Дреус, и др. – К., 2008. – 166 с.
2. Алексеев Л. А., Ишбаев Г. Г. Об энергии на долоте и ее реализации. Породоразру-
шающий и металообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготов-
ления и применения. Сб. науч. тр. ИСМ НАН Украины. Вып.11.– 2008. – С. 56 – 58
3. Зимин А.И., Маликов Н.В. Исследование термодинамики породоразрушающего инст-
румента. // Горный журн.– 2006. – №2С. 111 – 116.
4. Дорфман Л. А. Гидродинамическое сопротивление и теплоотдача вращающихся тел. –
М.: Физматгиз, 1960. – 260 с.
Поступила 12.06.09
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-20947 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0065 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:23:31Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Кожевников, А.А. Дреус, А.Ю. Гошовский, С.В. Мартыненко, И.И. 2011-06-13T06:06:20Z 2011-06-13T06:06:20Z 2009 Термодинамика системы «инструмент–горная порода» при генерировании теплоты трения на контакте / А.А. Кожевников, А.Ю. Дреус, С.В. Гошовский, И.И. Мартыненко // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 108-112. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. XXXX-0065 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20947 622.243:536.24 The results of experimental investigation of the thermal conditions of drilling instrument are 
 presenting. The experiments are carried out with thermalvision camera. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения Термодинамика системы «инструмент–горная порода» при генерировании теплоты трения на контакте Article published earlier |
| spellingShingle | Термодинамика системы «инструмент–горная порода» при генерировании теплоты трения на контакте Кожевников, А.А. Дреус, А.Ю. Гошовский, С.В. Мартыненко, И.И. Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| title | Термодинамика системы «инструмент–горная порода» при генерировании теплоты трения на контакте |
| title_full | Термодинамика системы «инструмент–горная порода» при генерировании теплоты трения на контакте |
| title_fullStr | Термодинамика системы «инструмент–горная порода» при генерировании теплоты трения на контакте |
| title_full_unstemmed | Термодинамика системы «инструмент–горная порода» при генерировании теплоты трения на контакте |
| title_short | Термодинамика системы «инструмент–горная порода» при генерировании теплоты трения на контакте |
| title_sort | термодинамика системы «инструмент–горная порода» при генерировании теплоты трения на контакте |
| topic | Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| topic_facet | Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20947 |
| work_keys_str_mv | AT koževnikovaa termodinamikasistemyinstrumentgornaâporodaprigenerirovaniiteplotytreniânakontakte AT dreusaû termodinamikasistemyinstrumentgornaâporodaprigenerirovaniiteplotytreniânakontakte AT gošovskiisv termodinamikasistemyinstrumentgornaâporodaprigenerirovaniiteplotytreniânakontakte AT martynenkoii termodinamikasistemyinstrumentgornaâporodaprigenerirovaniiteplotytreniânakontakte |