MOMENTUL REZISTENT INTAMPINAT DE CAPUL DE FORAJ, LA FORAREA ORIZONTALA CU BURGHIU INTR-UN PAMANT NECOEZIV

Transcriere

1 OENTUL REZISTENT INTAPINAT DE CAPUL DE FORAJ, LA FORAREA ORIZONTALA INTR-UN PAANT NECOEZIV Şoimuşn Vlentin, prof.univ.r.ing. Fcultte e Utilj Tehnologic UTCB vlentinsoimusn@yhoo.com Abstrct This pper presents metho for clculting the resistnce encountere when rilling he horizontl rill bit in n erth necoeziv.. INTRODUCERE L forjul orizontl cu burghiu, msin utilizt re c orgn e lucru un burghiu cre prin rotire simultn cu împingere lui în pământ relizeză operţi e islocre şi evcure pământului, respectiv operţi e forre. În generl un burghiu este compus (figur ) intr-un cp e forj şi corpul burghiului. Cpul e forj re rolul e isloc pământul, ir corpul burghiului, formt in mi multe tronsone funcţie e lungime forjului, re rolul e -l trnsport. Pentru -si îneplini funcţi e islocre cpul e forj este prevăzut cu un vârf e pătrunere în pământ şi cuţite pentru tăiere pământului. Form vârfului şi cuţitelor este iferită funcţie e ntur terenului în cre se foreză. Fig.. cp e forj;.. vârf;. cuţite; tronson burghiu;.. spiră;.. - rbore

2 Astfel, vârfurile pot fi: cilinrice, tip ltă, tip burghiu cilinric su conic, tip coă e peşte etc. Cuţitele cel mi es întâlnite pot fi: tip lmă (cu tăiş rept), cuţite inţte (tip fierăstrău) su cuţite cu tăiş iscontinuu tip ltă. In timpul procesului e lucru supr cpului e forj pr ou rezistente : rezistent l ptrunere cpului e forj in pmnt si rezistent l rotire burghiului ( momentul rezistent l rotire ). rime cestor rezistente epine e propriettile fizico-mecnice le pmntului si e form constructiv burghiului, in specil cpului e forj. In prctic, torit vntjelor pe cre le reprezintă, se intlneste reltiv es burghiul ott cu cp e forj prevzut cu vrf cilinric si ou cutite cu tis rept (fig.). Iniferent e form constructiv cpului e forj mrime momentului e forj epine si e moul e lucru, respctiv : cutitele cpului e forj se l celsi nivel cu mrgine tubului in cre este introus burghiul, cpul e forj este retrs in interiorul tubului, su cutitele cpului e forj sunt scose in ft tubului. Prezent lucrre nlizeză momentul rezistent intmpint e un cp e forj prevzut cu vrf cilinric si cutite cu tis rept tip lmă.flt in interiorul unui tub vn cutitele l mrgine tubului ( fig. ), ir vrful iesit in ft tubului si cre lucrez intr-un pământ necoezive su slb coezive. In ceste conitii ( fig. ) momentul rezistent intmpint burghiu este t e relti : ( ) 3 reprezint momentul tort rezistentei ce pre l esprinere prticulelor e pmnt in msiv; momentul rezistent t e fortele e frecre intre cpul e forj si pmnt; 3 momentul rezistent tort rezistentelor ce pr l trnsportul pmntului fort. In prezent lucrre se stuiz numi momentul intmpint e cpul e forj. Stuiul supr momentului rezistent tort trnsportului pmntului v fce obiectul unei lucrri viitore. omentul intmpint e cpule forj v fi: cf = + ( ). OENTUL DATORAT REZISTENTEI CE APARE LA DESPRINDEREA PARTICULELOR DE PAANT DIN ASIV Pentru eterminre momentului cf, tort rezistentei ce pre l esprinere prticulelor e pmnt se nlizez procesul e lucru unei portiuni elementre e cutit ce ptrune in pmnt pe ncime h. L ptrunere intr-un pmnt necoeziv su slb coeziv unui segment e cutit e lungime r, ispus l istnt r ft e x burghiului ( fig. ), supr lui ctionez fortele in figur b: N fort elementr pe suprft e sezre; N fort elementr pe suprft e sezre; F, F frtele elementre e frecre ce pr pe cele ou suprfete. L rotire burghiului cutitul elementr intmpin rezistent elementr tngentil Rto. Dispus l istnt r ft e x burghiului, cest fort v momentul rezistent elementr ce se opune rotirii burghiului: = r Rto ( 3 )

3 Proiectn fortele ce ctionez supr cutitului elementr pe x Oy, perpeniculr pe x burghiului, rezult fort elementr tngentil Rto: Rto Ff cos N sin Ff cos( ) N sin( ) ( 4 ) - unghiul e sezre cutitului; - unghiul e scutire cutitului. Fortele e frecre scrise sub form: F f F f Fig. tg N ( 5 ) tgn ( 6 ) une este unghiul e frecre intre cutit si pmnt, se înlocuiesc în relţi ( 4 ) şi efectuân clculele trigonometrice, rezultă: sin( ) sin( ) R to N N ( 7 ) cos cos Forţele elementre normle u vlore [ ] : N pop h ( ctg ) r ( 8 ) N k h r ( 9 ) pop reprezintă presiune orizontlă psivă pământului; h - âncime elementră e pătrunere cuţitului; k - rezistenţ specifică e esprinere brzei e pământ. Inlocuin forţele normle în relţi ( 7 ) se obţine:

4 p sin( ) ctg k sin( h r Rto op ) ( ) cos ir momentul rezistent elementr este: o pop sin( ) ctg k sin( ) h rr ( ) cos Tinân cont e limitele e integrre rezultă momentul rezistent opus e un cutit l esprinere pmntului: h pop sin( ) ctg k sin( h rr o ) cos Clculân integrlele rezult: ( ) o h cos p op sin( ) ctg k D sin( ) c 8 ( 3 ) Avân în veere numărul e cuţite m se obţine momentul rezistent intmpint e cpul e forj l esprinere pmntului. mh cos p op sin( ) ctg k D sin( ) c 8 ( 4 ) este imetrul cuţitelor (fig.,); imetrul rborelui burghiului (fig.,); h âncime e pătrunere unui cuţit l o rotţie; m numărul e cuţite. Notân: k f pop sin( ) ctg k sin( ) ( 5 ) cos se obţine o relţie e clcul momentului, mult mi simplă: mh k f (6 ) 8 Coeficientul kf reprezintă rezistenţ specifică l l forre.se observă că mrime coeficientului kf este o mărime vribilă ce epine tt e proprietăţile fizico-mecnice le pământului prin prmetrii pop, φ şi k ct şi e prmetrii cuţitului prin unghiurile e scuţire β şi e sezre ε.este o functie e form : k f p,,, k ) ( 7 ) f ( op Vlore exctă coeficientului kf se etermină experimentl. 3. OENTUL REZISTENT DAT DE FORTELE DE FRECARE DINTRE CAPUL DE FORAJ SI PAANT C urmre contctului intre cpul e forj si pmnt, l rotire burghiului, pr forte e frecre ce u nstere unui moment rezistent ce se opune rotirii cestui.. Pentru cpul e forj prevzut cu vrf cilinric si cutite cu tis rept ispuse ril, intr-un pln perpeniculr pe x burghiului, momentul rezistent este: = fc + lc + + ( 8 )

5 fc reprezint momentul tort fortelor e frecre ce pr pe suprft frontl cutitelor; lc momentul tort fortelor e frecre ce pr pe suprft lterl cutitelor; - momentul tort fortelor e frecre ce pr l rotire vrfului; momentul tort fortelor e frecre ce pr pe suprft frontl cpului e forj, l contctul intre spir si pmnt. 3.. OENTUL DATORAT FORTELOR DE FRECARE CE APAR PE SUPRAFATA FRONTALA A CUTITELOR In timpul lucrului, supr unui cutit elementr e lungime r, ispus l istnt r ft e x cpuluie forj, ctionez fort elementr e frecre Ffo ( fig.3 ). C efect ctiunii cestei forte pre momentul elementr fo, ce se opune rotirii cutitului: fco = r Ffo= rrco ( 9 ) Rco este rezistent elementr opus e pmnt l ptrunere unui cutit; - coeficientul e frecre otel-pmnt. Fig. 3 Pmnturi necoezive vlore rezistentei elementre Rco este t e relti [ ] Rco pop cos ctg k cos h r : ( ) cos Inlocuin pe Rco in relti ( 9 ) rezult: fco pop cos ctg k h rr cos cos ( ) Avn in veere numrul e cutie m si tinn sem e limitele e integrre rezult relti e clcul momentului rezistent fc : fc h pop cos ctg k h cos rr ( ) cos Clculn integrlele cest evine: fc m pop cos ctg k cos h ( 4 ) cos 8 D c

6 Cum : pop cos ctg k cos Rc mh ( 5 ) cos momentul rezistent tort fortelor e frecre e pe suprft frontl cutitelor fc evine: fc R ( 6 ) c 4 in cre Rc reprezint rezistent l ptrunere cutitelor in pmnt. 3. OENTUL DATORAT FORTELOR DE FRECARE CE APAR PE SUPRAFATA LATERALA A CUTITELOR Dtorit rectiunii FR t e pmntul in tub supr cutitelor intre cutite si pmnt, pe prte lterl cutitelor, pr fortele e frecre Ffl ( fig.4) ce provoc un moment rezistent lc cre se opune rotirii burghiului. Fig.4 omentul rezistent tort fortelor e frecre exercitte pe suprft lterl cutitelor este t e relti : lc Ffl ( 7 ) Cum: Ffl = FR ( 8 ) relti e clcul momentului evine: lc FR ( 9 ) une reprezint imetrul burghiului. Intruct mrime rectiunii FR este ificil e stbilit, momentul rezistent lc nu v fi clcult in mo explicit. Pentru clcule prctice mrime cestui moment v fi inclus in vlore momentului 3 tort invingerii rezistentelor ce pr l trnsportul pmntului isloct e burghiu.

7 3.3 OENTUL DATORAT FORTELOR DE FRECARE CE APAR LA ROTIREA VARFULUI CAPULUI DE FORAJ L un vrf cilinric cu cp scutit ( fig. ) momentul rezistent tort fortelor e frecre este:: ( 3 ) reprezint momentul rezistent tort fortelor e frecre ce ctionez pe prte conic vrfului; - momentul rezistent tort fortelor e frecre ce ctionez pe prte cilinric vrfului. Clculul momentul rezistent L rotire cpului e forj, supr unei suprfete elementre s in prte conic vrfului, ispus l istnt r ft e x longituinl vrfului si l unghiul ft e x s verticl (fig. 6 ) pre momentul rezistentelementr : une : F r ( 3 ) F N ( 3 ) In cre F este fort e frecre intre vrf si pmnt pe suprft s ; N fort norml elementr ce ctionez pe suprft s. Cum fort norml este [ ] : N pop p ctg ) rr ( 33 ) ( momentul rezistent elementr une : evine : ( p p ctg r r ( 34 ) op ) este coeficientul e frecre intre vrf si pmnt; p - presiune orizontl psiv ce ctionez supr vrfului; op p p v cos po sin ( 35 ) in cre: pv - presiune unitr verticl ce ctionez supr vrfului; po - presiune unitr orizontl ce ctionez supr vrfului. Tinn sem e limitele e integrre se obtine momentul rezistent ( pop ctg p ) une este imetrul vrfului. Clculn integrlele rezult; 3 pv p pop o ctg r r : ( 36 ) ( 37 )

8 Fig. 5 Clculul momentul rezistent L rotire cpului e forj, supr unei suprfete elementre s e lungime l siltime, ispus pe suprft unui cilinru e imetru l un unghi ft e x s vertcl ( fig. 5 ), pre momentul rezistent elementr : F ( 38 ) une fort elementr e frecre intre vrf si pmnt pe suprft e contct s este: F pl ( 39 ) Inlocui vlore fortei e frecre elementre t e relti ( 39 ) in relti ( 38 ) momentul rezistent elementr evine: l p ( 4 ) 4 Tinn cont e limitele e integrre se obtine momentul rezistent intmpint e prte cilinric vrfului: l p 4 ( 4 ) Clculn integrl rezult: pv po l ( 4 ) 4 Inlocuin vlorile momentelor si in relti ( 3 ) se obtine vlore momentului rezistent tort fortelor e frecre ce ctionez supr vrfului cpului e forj: pv po pop ctg l( pv po ) 4 ( 43 ) OENTUL DATORAT FORTELOR DE FRECARE CE APAR PE SUPRAFATA FRONTALA A CAPULUI DE FORAJ L forre in pmnturi necoezive ms e pmnt ps supr suprfetei frontle formt e spirele cpului e forj. C urmre presiunii orizontle psive pop exercitt e pmnt supr cpului e forj pre o fort norml pe spirele cestui ( fig.6 ). L rotire cpului e forj

9 torit fortei normle ce ps pe suprft s frontl pr forte e frecre ce u nstere momentului rezistent ce se opune rotirii. Fig. 6 In timpul lucrului, pe suprft elementr spirei A, ispus l o istnt r ft e centru si l unghiul ft e x verticl, ctionez fort elementr e frecre F si c urmre pre momentul rezistent elementr : rf ( 44 ) Cum : F p rr ( 45 ) op momentul rezistent elementr evine: p r r ( 46 ) op Tinn sem e limitele e integrre se obtine moentulrezistent tort fortel e frecre e pe suprft frontl cpuli e forj: Db p r r ( 47 ) op Clculn integrlele rezult: 3 3 Db pop ( 48 ) Avn in veere c vlore momentului rezistent lc tort fortelor e frecre e pe suprft lterl cutitelor este inclus in mrime momentului 3 tort trnsportului pmntului e spirele burgiului, momentul rezistent t e fortele e frecre intre cpul e forj si pmnt, l forre in pmnturi necoezive este: 3 3 pv po Db Rc pop ctg lpv po pop ( 49 ) 4. CONCLUZII Anliz relţiilor obtinute ce u mrime momentului rezistent intmpint e cpul e forj l forre intr-un pmnt necoeziv conuce l esprinere unor concluzii importnte privin construcţi cpului e forj, proiectre cuţitelor şi utilizre lui in explotre. Anlizân relţiile ( 4 ) si ( 49 ) se constt c mărime momentului rezistent intmpint e cpul e forj este influentt e mi multi fctori : ntur pmntului, prin propriettile fizicomecnice, prmetrii constructivi i cutitelor, numrul e cutite si regimul e lucru.

10 Propriettile fizico-mecnice le pmntului u o influent hotrtore supr celor ou componente ce formez momentul rezistent ( momentul rezistent l esprinere pmntului si momentul rezistent t e fortele e frecre intre cpul e forj si pmnt ) prin vlorile presiunii pop, reziztent specific l esprinere brzei e pmnt k si prin coeficientul e frecre ` respectiv unghiul e frecre intre pmnt si cpul e forj. Vlore celor ou momente este influentt in substntil si e prmetrii constructivi i cutitelor Anliz influentei cestor prmetrisupr mrimii momentelor si re oimportnt prctic intruct pe bz concluziilor trse se pot stbili prmetri optimi i cutitelor stfel inct momentul rezistent intmpint e cpul e forj s fie minim. Anlizn reltiile ( 4 ) ( 4 ),si ( 49 ) se constt c o crestere unghiului e tiere conuce l crestere momentellor rezistente si fc eorece creste rezistent l ptrunere cutitelor Rc. Din cest motiv este inict c unghiul e tiere s ib vlori ct mi mici.a cest micsorre se pote fce prin micsorre ungiului e scutire si unghiului e sezre. icsorre unghiului este limitt e micsorre unghiului cre nu pote epsi o vlore minim misibil, prin cre s se sigure rezistent si urbilitte cutitului (se recomn ).Pentru o vlore t unghiului si micsorre unghiului e sezre este limtt eorece micsorre lui uce l crestere rezistent. Acest lucru se explic prin fptul c micsorre ughilui uce l crestere suprfetei e e contct intre ft e sezre cutitelor si pmnt, cee ce conuce l crestere rezistentei Rc l ptrunere cutitelor in pmnt si implicit l crestere momentelor e frecre fc si.. Pentru legere unui unghi ct mi mic se fce o corelre l legere celor ou unghiuri : se lege unghi e scutire mic in limitele recomnte e rezistent si uzur urmn c poi s se leg convenbil unghiul, stfel inct s obtinem un unghi e tiere ct mi mic. Este recomnbil c vlorile optime le unghiului e şezre să fie eterminte experimentl. Lungime cutitelor l c re o influent irect supr momentului rezistent, cre este mult mi mre comprtiv cu influent pe cre o re ceesi lungime.( in clculul momentului intr imetrul cutitelor l ptrt ). Cum imetrul cutitelor este impus e imetrul lucrrii, supr cestui imetru nu se pote interveni. Trebuie retinut totusi consttre pentru situtii in cre este necesr legere imetrului unei lucrri, cn tinnu-se sem e cerintele procesului tehnologic se v ve in veere c o crestere usor imetrului lucrrii conuce lo crestere mre momentului rezistent si eci l o crestere consumului e energie. Numrul cutitelor influentez in mo irect proportionl mrime momentului rezistent si in mo inirect momentul rezistent fc.se constt c mrire numrului e cutite conuce l crestere momentului rezistent. Deci, tât in punct e veere constructiv, cât şi l consumului energetic este recomnbil c numărul cuţitelor să fie cât mi mic. Avân în veere că utilizre unui singur cuţit, torită montării sle excentrice, introuce solicitări suplimentre în cpul e forj (cu tote urmările negtive ce ecurg e ici), pre c vntjosă construire cpetelor e forj cu ouă cuţite. Tinn cont e cest lucru si vn in veere concluziile privin influent numrului e cutite supr rezistentei l ptrunere cutitelor in pmnt se impune soluti construirii cpetelor e forj cu ou cutite. Regimul e lucru influenţeză supr rezistenţei l pătrunere cuţitelor Rc prin âncime e pătrunere cuţitelor l o rotţie, h (vnsul l o rotţie). Din relţiile ( 4 ) si ( 49 ) se consttă că momentele rezistente si fc l forre in pmnturi necoezive crec proporţionl cu âncime e vns cuţitelor. In cest cz, funcţie e ntur terenului în cre se foreză, pentru fiecre ctegorie e pământ se v lege, pe bze experimentle, vitez optimă e vns. Aâncime e vns unui cuţit se etermină cu relţi:

11 V h m n ( 5 ) V reprezintă vitez e vns burghiului; m numărul e cuţite; n turţi burghiului Din cele prezentte, se esprine concluzi că pentru executre unui proces e forre cu moment rezistent minim şi eci cu o reucere consumului energetic, iel r fi c pentru fiecre ctegorie e pământ să fie proiectte cpete e forj prevăzute cu cuţite vân prmetrii stbiliţi în concornţă cu ntur pământului fort. Din punct e veere prctic cest lucru este ificil e relizt, r vn în veere importnţ reucerii consumului energetic, în timpul forării, este recomnbil c fiecre mşină e fort să fie ottă cu un set e cpete e forj prevăzute cu cuţite ecvte, cel puţin pentru ctegoriile e pământ întâlnite mi es. Observtie Din relti e clcul (8 ) se observ c momentul t e fortele e frecre epine e form vrfului utilizt.reltiile e clcul obtinute in lucrre sunt stbilite pentru un cp e forj cu vrf cilinric cre in punct e veere momentului rezistent intmpint re un in cele mi mici vlori, motiv pentru cre se recomn utilizre unui stfel e vrf. Vlorile obtinute in prezent lucrre s-u obtinut pentru un cp e forj ott cu cutite neuzte.pentru un stuiu comlet si mi prope e relitte este necesr nliz momentului rezistenr l forre cu cutite uzte.acest stuiu urmez s fie fcut intr-o lt lucrre. Bibliogrfie [] Vlentin Soimusn Forre orizontl cu burghiu. Bze teoretice. Eitur CONSPRESS, Bucuresti, 998. [] Şoimuşn Vlentin - Stuiul supr rezistentei l ptrunere cutitelor unui burghiu, l forjul orizontl cu burghiu. Comunicre l l XIV- le Simpozion Ntionl e Utilje pentru Constructii, SINUC 8, , Bucureşti