Динамика и прочность. Динамика и прочность бурового оборудования карьеров. Часть 1

ДИНАМИКА  И  ПРОЧНОСТЬ

В ДВУХ ЧАСТЯХ

ЧАСТЬ 1

ДИНАМИКА  И  ПРОЧНОСТЬ 
БУРОВОГО  ОБОРУДОВАНИЯ
КАРЬЕРОВ

Учебник состоит из двух частей. В первой части представле
ны основные сведения о физике процесса разрушения, описано 

влияние физико-механических характеристик горных массивов 

и режимных параметров на эффективность бурения, рассмотре
ны особенности эксплуатации бурового инструмента, изучены 

принципы разработки технологии бурения и расчета производи
тельности буровых станков. 

 
ДИНАМИКА  И  ПРОЧНОСТЬ

В ДВУХ ЧАСТЯХ

ЧАСТЬ 1

ДИНАМИКА  И  ПРОЧНОСТЬ 
БУРОВОГО  ОБОРУДОВАНИЯ
КАРЬЕРОВ

ДИНАМИКА  И  ПРОЧНОСТЬ

ЧАСТЬ 1

Введение 

1 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
ДИНАМИКА  И  ПРОЧНОСТЬ 
 
Допущено учебно-методическим советом Сибирского 
федерального университета в качестве учебника для 
студентов, обучающихся по направлению подготовки 
21.05.04 «Горное дело», протокол № 17 от 18.05.2020 г. 
 
 
В двух частях 
 
ЧАСТЬ 1 
 
ДИНАМИКА  И  ПРОЧНОСТЬ  
БУРОВОГО  ОБОРУДОВАНИЯ 
КАРЬЕРОВ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2020 

Введение 
 

2 

УДК 622.242.2(07)+622.271.32(07) 
ББК 33.131-5я73 
        Д466 
 
 
 
К о л л е к т и в   а в т о р о в: А. О. Шигин, К. А. Бовин,    
И. С. Плотников, А. А. Шигина, А. В. Гилёв, Т. А. Герасимова 

 
Р е ц е н з е н т ы:  
И. Д. Ибатуллин, доктор технических наук, профессор кафедры 
«Технологии машиностроения», Самарский государственный технический университет; 
А. Г. Михайлов, доктор технических наук, старший научный сотрудник, зав. лабораторией «Проблемы освоения недр», Институт химии 
и химической технологии Сибирского отделения РАН 
 
 
 
 
 
 
Д466                Динамика и прочность : учебник : в 2 ч. Ч. 1. Динамика 
и прочность бурового оборудования карьеров / А. О. Шигин,  К. А. Бовин, И. С. Плотников [и др.]. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2020. – 
320 с. 
ISBN 978-5-7638-4160-2 (ч. 1) 
ISBN 978-5-7638-4193-0 
 
Учебник состоит из двух частей. В первой части представлены основные 
сведения о физике процесса разрушения, описано влияние физико-механических 
характеристик горных массивов и режимных параметров на эффективность бурения, 
рассмотрены особенности эксплуатации бурового инструмента, изучены принципы 
разработки технологии бурения и расчета производительности буровых станков.   
Предназначен для студентов специальности «Горные машины и оборудование» направления подготовки 21.05.04 «Горное дело», изучающих дисциплины «Динамика и прочность», «Эксплуатация горных машин и оборудования», «Надежность 
горнотранспортных машин», может быть полезен инженерно-техническим работникам карьеров.  
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 622.242.2(07)+622.271.32(07)  
ББК 33.131-5я73 
 
ISBN 978-5-7638-4160-2 (ч. 1)                                                  © Сибирский федеральный  
ISBN 978-5-7638-4193-0                                                                университет, 2020 

Введение 

3 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Учебник «Динамика и прочность» состоит из двух частей и рассчитан на широкий круг читателей. В первой части подробно изучена динамика и прочность бурового оборудования, во второй – выемочнодоставочного комплекса на открытых горных работах. Буровое оборудование относят к типу машин, работающих в экстремальных режимах ввиду сложных технических и горно-геологических условий эксплуатации. 
Рабочие элементы оборудования подвержены высоким нагрузкам, и для 
создания высокоэффективных буровых машин необходимо определить эти 
нагрузки, характер и величину сопротивлений, которые могут возникать 
при разрушении горных пород, что требует точных прочностных расчетов. 
Помимо этого необходимо учитывать условия работы бурового оборудования, резкие изменения внешних нагрузок, широкий диапазон изменения 
температуры окружающей среды (от –45 до +40 оС) и т. п.     
В первой главе данной части рассмотрены сведения о физике процесса разрушения, виды и классификации разрушений, различные методы 
теории упругости для решения задач возможных конфигураций твердого 
тела, трещин и условий нагружения. Показана связь силового, деформированного и энергетического критериев механик разрушения. 
Во второй главе описано влияние физико-механических характеристик горных массивов и режимных параметров на эффективность буровых станков. Проанализированы проблемы разрушения и низкого ресурса 
рабочего инструмента при бурении скважин, а также представлена методика расчета усталостной прочности.  
В третьей главе изучены особенности эксплуатации и область 
применения бурового инструмента, а также напряженно-деформированное 
состояние шарошек и буровых долот.  
В четвертой главе рассмотрены принципы управления режимами 
бурения скважин станками, принципы разработки технологии бурения, 
способы получения непрерывного сигнала о статических и динамических 
нагрузках. Представлена характеристика режима бурения в зависимости 
от осевого усилия и частоты вращения долота.  
Надежность, безопасность и качество бурового оборудования 
карьеров в значительной мере зависят от совершенства расчетов на динамическую прочность. Эффективная работа бурового оборудования во 
многом зависит от уровня теоретической и практической подготовки ин

Введение 
 

4 

женерно-технического персонала предприятия. Горный инженер должен 
хорошо знать основы механизации и автоматизации горного предприятия, 
технические и эксплуатационные характеристики буровых станков, принцип действия и технические возможности элементов их конструкций, 
уметь рассчитывать динамические нагрузки, определять напряженнодеформированное состояние, статическую и динамическую устойчивость 
буровых станков.  

1.1. Основные сведения о процессе разрушения 

5 

 
1. СУЩНОСТЬ   
СОВРЕМЕННЫХ  ПРЕДСТАВЛЕНИЙ  
О  ФИЗИКЕ  ПРОЦЕССА  РАЗРУШЕНИЯ 
 
 
1.1. Основные сведения о процессе разрушения 
 
Все основные физико-механические характеристики материалов, 
такие как сопротивление различным видам пластической деформации 
и разрушению, развитие трещин, сопротивление усталости, относят 
к структурно-чувствительным характеристикам. Структура материала определяет уровень перечисленных свойств, но в разных областях нагружения по-разному. 
В области упругих деформаций, когда нагрузки не превышают 
предела пропорциональности материала (область действия закона Гука), 
структура материала в меньшей степени влияет на свойства металлов. 
В области пластических деформаций это влияние более существенное. 
Условно различают макро-, микро- и субмикроструктуру металлов [1]. 
Макроструктура –  это то, что можно наблюдать на отшлифованных и протравленных образцах металла невооруженным глазом или при 
25-кратном увеличении. В большинстве случаев макроструктура представляет собой направленные волокна, образующиеся после отливки или 
проката металла. Поверхности изломов также могут характеризоваться 
макроструктурными признаками. Даже длительное воздействие рабочих 
нагрузок не оказывает заметного влияния на макроструктуру металлов. 
Она может видоизменяться лишь при интенсивном силовом воздействии, 
заметно превышающем характеристики устойчивости, податливости, 
ударной стойкости и т. д. 
Основным элементом микроструктуры металлов является зерно 
(кристаллит), состоящее из блоков монокристаллов. Размеры этих блоков 
колеблются от 10–5 до 10–1 см. К мелкозернистым материалам относятся 
высокопрочные конструкционные стали, а наибольший размер зерен имеют литые жаропрочные сплавы. К элементам микроструктуры, влияющим 
на большинство характеристик прочности, относятся также межзеренные 
границы металла. 
Зерна, блоки монокристаллов, межзеренные границы большинства 
материалов способны постепенно видоизменяться в процессе работы. Эти 
изменения можно наблюдать при микроскопических исследованиях 

1. Сущность современных представлений о физике процесса разрушения 
 

6 

структуры (увеличение 100–400 крат). Например, если металл испытывает 
длительное время постоянно приложенную растягивающую нагрузку 
в пределах деформаций, близких к пределу пропорциональности, то можно 
наблюдать постепенное увеличение размеров зерен, их ориентацию в направлении главного вектора напряжений, а также некоторое расширение 
межзеренных границ [2]. 
Длительное воздействие повторно-переменных нагрузок в упругой 
области может приводить к уменьшению размеров зерен (к увеличению 
плотности упаковки). Повышение температуры интенсифицирует отмеченные процессы. В определенных условиях можно наблюдать рост новых 
«субзерен», проявление линий скольжения в кристаллите (особенно          
типично для жаропрочных сплавов). Отмеченные процессы могут существенным образом влиять на физико-механические характеристики. 
Причем, как будет показано ниже, это влияние неоднозначно. 
Наблюдать структуру моноблока можно лишь при сравнительно 
больших увеличениях (500–1000 крат). Эту задачу решают с помощью 
специальных металлографических или электронных микроскопов. При 
упомянутых увеличениях структура монокристалла имеет вид твердого 
раствора (основной металл) с вкраплением различной формы упрочняющих и разупрочняющих компонент (фаз). Число и соотношение этих фаз 
в твердом растворе определяет склонность металла к повреждению рабочими нагрузками [3]. 
Вид нагружения и морфологические признаки элементов микроструктуры на электроннограммах взаимосвязаны. 
Число и соотношение упрочняющих и разупрочняющих фаз в работающем материале не остаются постоянными. При расчетном уровне 
нагружения эти фазы, имеющие, как правило, довольно сложный химический состав, претерпевают изменения. Непрерывно идут процессы роста, а также коагуляции и растворения фаз в твердом растворе, что отражается на прочностных свойствах материала конструкций. 
Особенно интенсивно фазовые трансформации происходят в металлах при воздействии нерасчетных нагрузок. 
На рис. 1.1 схематически изображена электроннограмма микроструктуры жаропрочного сплава ХН77ТЮР, из которого изготавливают 
лопатки турбин ГТД, до и после воздействия повышенных температур. 
Видно (рис. 1.1, б), что произошла коагуляция и частичное растворение 
в основном металле интерметаллидной упрочняющей фазы Ni3 (Al, Ti) или 
так называемой -фазы, что существенно снизило жаропрочность сплава. 
В то же время надо отметить, что фазовые превращения в металлах 
могут иметь обратимый характер. Например, первоначальную структуру 
(рис. 1.1, а) можно получить последующим воздействием на повреж

1.1. Основные сведения о процессе разрушения 

7 

денный материал расчетных рабочих температур, что восстановит сплав 
практически до уровня исходных свойств [4]. 
 

 

                  а                                                                                          б 

Рис. 1.1. Схематическое изображение микроструктуры (×750)  
жаропрочного сплава в исходном состоянии (а) и в состоянии перегрева (б): 
1 – твердый раствор; 2 – -фаза 
 
При увеличении свыше 103 крат проявляются фрагменты субмикроструктуры. Субмикроструктура отражает вид и форму кристаллических 
решеток металла. 
Непосредственно наблюдать кристаллические решетки металла 
еще не приходилось. Это и неудивительно, ведь кристаллическая решетка 
в известной мере схематична (рис. 1.2). Межузловые связи в том виде, как 
их отображают на рисунках, в природе отсутствуют. Линии, соединяющие 
атомы, лишь символизируют наличие сил межатомного взаимодействия. 
С помощью современных технических средств можно оценивать параметры кристаллических решеток, а также степень их деформации. Эти 
измерения выполняют методом просвечивающей электронной микроскопии [5].  
Существенное влияние на повреждаемость оказывают несовершенства кристаллических решеток, называемые дислокациями. Показано, 
что форма, число и плотность дислокации могут стать не менее важными 
в механизме повреждаемости конструкций, чем макро- и микроструктура. 
Для оценки особенностей трансформации субмикроструктур необходимо знать, что такое дефект кристаллической решетки. Примером         
дефекта решетки является вакансия (рис. 1.3, а), незанятое место решетки, 
или межузельный (внедренный) атом (рис. 1.3, б). Различают точечные, 
линейные, поверхностные и объемные дефекты кристаллических решеток [6]. 

1. Сущность современных представлений о физике процесса разрушения 
 

8 

 
 
Рис. 1.2. Единичные ячейки 14 типов пространственных решеток: 1 – триклинная простая; 2 – моноклинная простая; 3 – моноклинная базоцентрированная; 4 – ромбическая простая; 5 – ромбическая базоцентрированная;          
6 – ромбическая объемноцентрированная; 7 – ромбическая гранецентрированная; 8 – гексагональная; 9 – ромбоэдрическая; 10 – тетрагональная простая; 
11 – тетрагональная объемноцентрированная; 12 – кубическая простая; 13 – 
кубическая  объемноцентрированная;  14 – кубическая гранецентрированная 

1.1. Основные сведения о процессе разрушения 

9 

Пространственное расположение атомов в узлах кристаллической 
решетки определяется следующим свойством: если О – некоторый узел 
решетки, то вектор ОО1, связывающий О с произвольным узлом, определяется соотношением 

1
1
1
2
2
3
3
OO
n a
n a
n a



, 

где 
ia – векторы трансляции, т. е. смещения, соединяющие узел О с ближайшими атомами по трем осям; ni – целые числа.  
 

 

а 
б 

Рис. 1.3. Дефекты кристаллической решетки материала: 
а – вакансия; б – межузловой атом в кристалле 
 
Дислокация – это специфический линейный дефект кристаллической решетки, нарушающий правильное чередование атомных плоскостей 
(рис. 1.4, а). Если одна из плоскостей обрывается (рис. 1.4, б), то ее край 
образует линейный дефект, называемый краевой дислокацией. В природе 
существуют также винтовые дислокации и всевозможные комбинации 
краевых и винтовых дислокации [7]. 
 

 
 

а 
б 

Рис. 1.4. Конфигурация атомных плоскостей: а – идеальный кристалл;   
б – краевая дислокация 
 
Важной характеристикой дислокации является контур Бюргерса, 
косвенно определяющий размеры и ориентировку дислокации в кристалле