sibadiНаучный рецензируемый журнал "Вестник СибАДИ"The Russian Automobile and Highway Industry Journal2071-72962658-5626The Siberian State Automobile and Highway University10.26518/2071-7296-2020-17-2-162-171sibadi-1061Research ArticleТРАНСПОРТНОЕ, ГОРНОЕ И СТРОИТЕЛЬНОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕTRANSPORT, MINING AND BUILDING MACHINERY ENGINEERINGВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВИНТОВОЙ ЛОПАСТИ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА С МЕРЗЛЫМ ГРУНТОМINTERACTION OF A HELICAL BLADE OF A DRILLING TOOL WITH FROZEN GROUNDМартюченкоИ. Г.MartiuchenkoI. G.

Мартюченко Игорь Гаврилович (г. Саратов) – д-р техн. наук, проф., проф. кафедры «Транспортное строительство»

410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77

Igor G. Martiuchenko (Saratov, Russia) – Dr. of Tech. Sci., Professor, the Department of Transport Construction

410054, Saratov, Polytechnicheskaia Street, 77

sdm-sstu@rambler.ruЗенинМ. И.ZeninM. I.

Зенин Максим Иванович (г. Саратов) – ассистент кафедры «Транспортное строительство»

410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77

Maksim I. Zenin (Saratov, Russia) – Assistant, the Department of Transport Construction

410054, Saratov, Polytechnic, 77

sdm-sstu@rambler.ruФГБОУ ВО «СГТУ имени Ю.А. Гагарина»РоссияFederal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Saratov State Technical university named after Y.A. Gagarin»Russian Federation202024052020172162171Copyright © Мартюченко И.Г., Зенин М.И., 20202020Мартюченко И.Г., Зенин М.И.Martiuchenko I.G., Zenin M.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibadi.org/jour/article/view/1061Введение

Введение. Бурение мерзлых и вечномерзлых грунтов является одним из сложных и энергоемких процессов производства земляных работ. Существующие буровые инструменты недостаточно эффективны в использовании, т.к. реализуют энергоемкие процессы бурения и не всегда пригодны для различных типов грунтов. Перспективным является применение винтовых рабочих органов, реализующих процесс разрушения грунта менее энергоемкими видами деформаций. Целью проведенных экспериментальных исследований являлось изучение процесса взаимодействия винтовой лопасти бурового инструмента с мерзлым.

Материалы и методы

Материалы и методы. В статье описана методика проведения экспериментальных исследований изучения процесса взаимодействия винтовой лопасти бурового инструмента с мерзлым грунтом и исследуемые модели бурового инструмента. Изучено влияние геометрических параметров винтового бура на процесс образования скважины.

Результаты

Результаты. В результате экспериментальных исследований доказана гипотеза о возможности осуществления процесса бурения деформацией отрыва и получения скважины диаметром больше диаметра разрушающего участка винтовой лопасти. Установлена зависимость объема разрушаемого грунта и отношения диаметра полученной скважины к диаметру разрушающей части винтовой лопасти от угла поворота радиуса винтовой лопасти, при котором происходит его приращение.

Заключение

Заключение. Установлено, что винтовой буровой инструмент осуществляет бурение скважины за счет реализации деформации отрыва, что позволяет достигать более эффективного бурения и получать диаметр скважины большего размера, чем диаметр разрушающего участка винтовой лопасти.

Прозрачность финансовой деятельности: авторы не имеют финансовой заинтересованности в представленных материалах или методах. Конфликт интересов отсутствует.

Introduction

Introduction. Drilling of frozen and permafrost soils is one of the most complicated and energy-intensive processes of earthworks. The current drilling tools are not efficient enough to use since they implement energy-intensive drilling processes and are not always suitable for various types of soil. The use of helical working elements that implement the process of soil destruction with less energy-intensive types of deformations is advanced. The purpose of the research is to study the interaction of a helical blade of a drilling tool with frozen soil.

Materials and methods

Materials and methods. The article covers a method for conducting experimental studies of the interaction of a helical blade of a drilling tool with frozen ground and the tested models of the drilling tool. The influence of geometric parameters of a helical drill on a borehole formation process is studied.

Results

Results. The experimental research proved the hypothesis about the possibility of implementing a drilling process with tearing strain and obtaining a borehole diameter larger than a diameter of a destructive section of a helical blade. The dependence of the destroyed soil volume and the relation of an obtained borehole diameter to a diameter of a destroying section of a helical blade according to the angle of bend of a helical blade radius at which its increment occurs is determined.

Discussions and conclusion. It is established that a helical drilling tool performs a borehole drilling due to the tearing strain implementation, which makes it possible to achieve more efficient drilling and obtain a borehole diameter larger than a diameter of the destroying section of a helical blade.

Financial transparency

Financial transparency: the authors have no financial interest in the presented materials or methods. There is no conflict of interest.

винтовой рабочий органмерзлый грунтбурение мерзлого грунтавинтовая лопастьоткол грунтавнедрение лопастиразрушающая частьбуровой инструментhelical working elementfrozen groundfrozen ground drillinghelical bladesoil spallingblade punchingdestroying sectiondrilling toolReferencesLev V.E., Lev V.E, Izzy M.K. Well drilling in permafrost regions: dynamics of the thawed zone. Polar Research. 2019. vol. 38.Lev V.E., Lev V.E, Izzy M.K. Well drilling in permafrost regions: dynamics of the thawed zone. Polar Research. 2019; vol. 38: 1–9.Shan W. et al. Resistivity Model of Frozen Soil and High-Density Resistivity Method for Exploration Discontinuous Permafrost. Electrical Resistivity and Conductivity. 2017. pp. 23–52.Shan W. et al. Resistivity Model of Frozen Soil and High-Density Resistivity Method for Exploration Discontinuous Permafrost. Electrical Resistivity and Conductivity. 2017: 23–52.Cao P. et al. Experimental study of the drilling process in debris-rich ice. Cold Regions Science and Technology. 2015. vol. 120. pp. 138–144.Cao P. et al. Experimental study of the drilling process in debris-rich ice. Cold Regions Science and Technology. 2015; 120: 138–144.Zubrzycki S. Drilling frozen soils in Siberia. Polarforschung. 2012. vol. 81, no. 2. pp. 151–153.Zubrzycki S. Drilling frozen soils in Siberia. Polarforschung. 2012; 81, no. 2: 151–153.Arenson L.U., Springman S.M. Mathematical descriptions for the behaviour of ice-rich frozen soils at temperatures close to 0 C //Canadian Geotechnical Journal. 2005. Т. 42. №. 2. pp. 431–442.Arenson L.U., Springman S.M. Mathematical descriptions for the behaviour of ice-rich frozen soils at temperatures close to 0 C. Canadian Geotechnical Journal. 2005; 42, no. 2: 431–442.Герасимов Д.С. и др. О влиянии режима нагружения на механические свойства мерзлых грунтов // Наземные транспортно-технологические комплексы и средства. 2016. С. 73–77.Gerasimov D.S. O vlijanii rezhima nagruzhenija na mehanicheskie svojstva merzlyh gruntov [About the influence of the loading regime on the mechanical properties of frozen soils]. Nazemnye transportnotehnologicheskie kompleksy i sredstva. 2016: 73–77. (in Russian).Yang Z.J., Still B., Ge X. Mechanical properties of seasonally frozen and permafrost soils at high strain rate. Cold regions science and technology. 2015. vol. 113. pp. 12–19.Yang Z.J., Still B., Ge X. Mechanical properties of seasonally frozen and permafrost soils at high strain rate. Cold regions science and technology. 2015; 113: 12–19.Aksenov V.I., Kal’bergenov R.G., Leonov A.R. Strength characteristics of Frozen Saline Soils. Soil Me chanics and Foundation Engineering. 2003; 40: 55–59.Aksenov V.I., Kal’bergenov R.G., Leonov A.R. Strength characteristics of Frozen Saline Soils. Soil Me chanics and Foundation Engineering. 2003; 40: 55–59.Yang Y., Lai Y., Chang X. Laboratory and theoretical investigations on the deformation and strength behaviors of artificial frozen soil // Cold regions science and technology. 2010. Т. 64. №. 1. pp. 39–45.Yang Y., Lai Y., Chang X. Laboratory and theoretical investigations on the deformation and strength behaviors of artificial frozen soil. Cold regions science and technology. 2010; 64, no. 1: 39–45.Zhou G. et al. Laboratory investigation on tensile strength characteristics of warm frozen soils // Cold Regions Science and Technology. 2015. Т. 113. pp. 81–90.Zhou G. et al. Laboratory investigation on tensile strength characteristics of warm frozen soils. Cold regions science and technology. 2015; 113: 81– 90.Тимофеев Н.Г., Жирков А.Н. Концепция разработки инновационного породоразрушающего инструмента для бурения скважин в условиях криолитозоны // Евразийский союз ученых. 2015. №4. С. 151 –154.Timofeev N.G., Zhirkov A.N. Koncepcija razrabotki innovacionnogo porodorazrushajushhego instrumenta dlja burenija skvazhin v uslovijah kriolitozony [The concept of developing an innovative rock cutting tool for borehole drilling in cryolithozone conditions]. Evrazijskij sojuz uchenyh. 2015; 4: 15 –154. (in Russian).Talalay P.G. Introduction to Ice Drilling Technology. Mechanical Ice Drilling Technology. Springer, Singapore. 2016. pp. 1-8.Talalay P.G. Introduction to Ice Drilling Technology. Mechanical Ice Drilling Technology. Springer, Singapore. 2016: 1–8.Ивкин В.С., Алашеев М.О. Влияние физико-механических свойств грунтов на работу машин для земляных работ // Вестник УлГТУ. 2015. №3. С.62 –67.Ivkin V.S., Alasheev M.O. Vlijanie fizikomehanicheskih svojstv gruntov na rabotu mashin dlja zemljanyh rabot [The influence of physical and mechanical properties of soils on the work of machines for earthworks]. Vestnik UlGTU. 2015; 3: 62–67. (in Russian).Ивкин В.С., Вунберова Н.П. Малообъёмные, рассредоточенные зимние земляные работы в стеснённых условиях строительства // Вестник Ульяновского государственного технического университета. 2018. №2. С. 52–55.Ivkin V.S., Vunberova N.P. Maloob’jomnye, rassredotochennye zimnie zemljanye raboty v stesnjonnyh uslovijah stroitel’stva [Low volumed dispersed winter earthworks in cramped construction conditions]. Vestnik Ul’janovskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2018; 2: 52–55. (in Russian).Валигура Н.С. Способы бурения неглубоких скважин // Разведка и охрана недр. 2014. №2. С. 27–30.Valigura N.S. Sposoby burenija neglubokih skvazhin [Methods of drilling shallow wells]. Razvedka i ohrana nedr. 2014; no. 2: 27–30.Du H. Strength properties of icy frozen silt sands under uniaxial compression for a wide range of strain rates and moisture content. Science and technology of cold regions. 2016. no. 123. pp. 107–113.Du H. Strength properties of icy frozen silt sands under uniaxial compression for a wide range of strain rates and moisture content. Science and technology of cold regions. 2016; 123: 107–113.Черкасов В.И. Области применения и проблемы бурения неглубоких скважин // Разведка и охрана недр. 2014. №2. С. 24–27.Cherkasov V.I. Oblasti primenenija i problemy burenija neglubokih skvazhin [Fields of application and issues of drilling shallow wells]. Razvedka i ohrana nedr. 2014; 2: 24–27. (in Russian).Валигура Н.С. Породоразрушающие инструменты для вращательного бурения неглубоких скважин и их основные конструктивные особенности // Разведка и охрана недр. 2014. №2. С. 30–33.Valigura N. S. Porodorazrushajushhie instrumenty dlja vrashhatel’nogo burenija neglubokih skvazhin i ih osnovnye konstruktivnye osobennosti [Rock-Breaking tools for rotational drilling of shallow wells and their main design features]. Razvedka i ohrana nedr. 2014; 2: 30–33. (in Russian).Саленко А.Ф., Федотьев А.Н., Федотьев Н.А. Перспективы использования регенерированного твердого сплава для производства буровых долот // Вісник СевНТУ. Серія: Машиноприладобудування та транспорт. 2014. №150. С. 139–145.Salenko A.F., Fedotiev A.N., Fedotiev N.A. Perspektivy ispol’zovanie regenerirovannogo tverdogo splava dlja proizvodstva burovyh dolot [The prospects for the use of regenerated hard alloy for the production of drill bits]. Vіsnik SevNTU. Serіja: Mashinopriladobuduvannja ta transport. 2014; 150: 139–145. (in Russian).Гилев А.В., Бовик К.А., Шигин А.О., Белозеров И.Р. Анализ проходки шарошечных долот в условиях Олимпиадинского ГОКа ЗАО «ПОЛЮС» // Современные проблемы науки и образования. 2015. №2. С. 153–153.Gilev A.V., Bovik K.A., Shigin A.O., Belozerov I.R. Analysis of rolling cone chisels in the conditions of the Olympiadinsky GOK CJSC POLYUS. Modern problems of science and education. 2015; 2: 153–153.Zhiqiang H., Qin L., Yi Z., Shuang J., Yachao M., Wengang H., Yongtao F. Experimental research on the surface strengthening technology of roller cone bit bearing based on the failure analysis. Engineering Failure Analysis. 2013. no.12. pp. 12–26.Zhiqiang H., Qin L., Yi Z., Shuang J., Yachao M., Wengang H., Yongtao F. Experimental research on the surface strengthening technology of roller cone bit bearing based on the failure analysis. Engineering Failure Analysis. 2013; 12: 12–26.Бугаев В.Г., Ереско С.П., Бугаев И.В. Выбор и обоснование конструктивных параметров бурового режущего инструмента для проходки скважин в мерзлых грунтах // Горное оборудование и электромеханика. 2013. №2. С. 6–13.Bugaev V.G., Eresko S.P., Bugaev I.V. Vybor i obosnovanie konstruktivnyh parametrov burovogo rezhushhego instrumenta dlja prohodki skvazhin v merzlyh gruntah [The selection and substantiation of design parameters of a drilling cutting tool for drilling holes in frozen soils]. Gornoe oborudovanie i jelektromehanika. 2013; 2: 6–13. (in Russian).Мартюченко И.Г. Винтовые рабочие органы машин для разработки мерзлых грунтов / И.Г. Мартюченко.: монография. М.: Научная мысль. ИНФА-М, 2014. 200 с.Martyuchenko I.G. Vintovye rabochie organy mashin dlya razrabotki merzlyh gruntov [The helical working elements of machines for the frozen soils ecavation]. Moscow. INFA-M, 2014: 200p.Мартюченко И.Г., Зенин М.И. Перспективы развития бурового инструмента для вечномерзлых грунтов // Строительные и дорожные машины. 2019. №9. С.47–48.Martyuchenko I.G., Zenin M.I. Perspektivy razvitija burovogo instrumenta dlja vechnomerzlyh gruntov [The perspectives for the development of drilling tools for permafrost soils]. Stroitel’nye i dorozhnye mashiny. 2019; 9: 47–48. (in Russian).Мартюченко И.Г., Зенин М.И. Состояние и перспективы развития бурового инструмента для мерзлых грунтов // Техническое регулирование в транспортном строительстве. 2019. № 1(34).Martyuchenko I.G., Zenin M.I. Sostojanie i perspektivy razvitija burovogo instrumenta dlja merzlyh gruntov [Conditions and perspectives of development of drilling tools for frozen soils]. Tehnicheskoe regulirovanie v transportnom stroitel’stve. 2019; 34. (in Russian).Баловнев В.И. и др. Определение оптимальных параметров транспортно-технологических машин методами теории подобных преобразований // Строительные и дорожные машины. 2019. №12. С. 3–11.Balovnev V.I. Opredelenie optimal’nyh parametrov transportno-tehnologicheskih mashin metodami teorii podobnyh preobrazovanij [Determination of optimal parameters of transport and technological machines by methods of the theory of similar transformations]. Stroitel’nye i dorozhnye mashiny. 2019; 12: 3–11. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.