автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Исследование и выбор технологических методов повышения надежности опор шарошечных долот

На правах рукоти

СИМИСИНОВ Денис Иванович

ИССЛЕДОВАНИЕ И ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ОПОР ШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ

Специальность 05.05.06- «Горныемашины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 2004

Работа выполнена на кафедре «Эксплуатация горного оборудования» ГОУ ВГ7О «Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

БоярскихГеннадий Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Ошкордин Олег Владимирович

кандидат технических наук Эпштейн Валерий Ефимович Ведущая организация - Институт горного дела УрО РАН,

Защита диссертации состоится 21 декабря 2004 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.03 при Уральском государственном горном университете в зале заседаний Ученого совета по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного горного университета.

Автореферат разослан 19 ноября 2004 г.

г. Екатеринбург

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Отечественные долота по степени внедрения новейших конструкторских и технологических разработок и качеству изготовления продолжают значительно уступать долотам, выпускаемым ведущими зарубежными производителями. Такие фирмы, как «Хьюз Кристенсен», «Секьюрити ДБС», «Смит», «Рид» и др., являются ведущими в инновации технических решений, направленных на повышение надежности долот.

Отечественному долотостроению удается конкурировать с инструментом, производимым западными фирмами за счет сравнительно низких цен на буровой инструмент. Достижение качества изготовления долот на уровне ведущих мировых производителей невозможно без полного перевооружения производства. Отсюда вытекает задача повышения долговечности отечественных долот с минимальными производственными затратами.

Многолетняя практика применения трехшарошечных буровых долот при бурении на рудные полезные ископаемые и анализ их состояния после отработки приводят к заключению, что долговечность долот в большинстве случаев лимитируется износостойкостью опоры. Опора долота работает в тяжелых условиях и подвергается абразивному, окислительному, тепловому, ос-повидному, усталостному износу и пластическому деформированию.

Несмотря на то, что предлагается множество различных способов повышения долговечности долот, широкого применения в долотостроении они не находят. Как правило, это связано с их низкой эффективностью или недостаточной подтвержденностью эффективности, отсутствием учета специфики технологии изготовления и высокой стоимостью их реализации.

При объемах бурения свыше 7 млн. м в год и высокой стоимости долот предоставляется возможность получения существенного экономического эффекта.

Связь темы диссертации с государственными программами. Данная работа выполнена в рамках г/б тем: «Развитие теории прогноза технического состояния и надежности сложных механических систем горного оборудования», 1999-2001 гг., № гос. peг. 01990010840 и «Развитие теории мониторинга надежности и эффективности сложных электромеханических систем горного производства», 2002-2004 гг., № гос. peг. 1.8.02.

Объектом работы является опора шарошечного долота.

Целью работы является повышение надежности опоры шарошечного долота технологическим упрочнением.

Идея работы заключается в проверке положения о феноменологии упрочнения поверхностного слоя вибрационной обработкой в сочетании с традиционной обработкой, путем определения предельных состояний опоры при изменении схем взаимодействия поверхностей трибологического сопряжения для различных технологических вариантов упрочнения моделированием напряженно-деформированного состояния элементов опоры, проведением стендового эксперимента и

I БИБЛИОТЕКА I

1- ¿гзвИ

Задачи исследований:

1. Анализ влияния объемной вибрационной обработки на качество поверхностного слоя при обработке опоры долота.

2. Разработка модели предельного состояния опоры долота на основе математического моделирования напряженно-деформированного состояния рассматриваемой зоны изменения трибологического состояния опоры для различных вариантов технологического упрочнения.

3. Формулировка критериев предельного состояния опоры.

4. Определение предельного состояния опоры на основе разработанной модели.

5. Выбор технологических режимов вибрационной обработки опор шарошечных долот.

6. Экспериментальная проверка гипотезы о феноменологии упрочнения поверхностного слоя вибрационной обработкой на этапе приработки и установившегося износа с определением эффекта.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Применяемая технологическая схема формирования трибологических свойств поверхностного слоя деталей подшипниковой опоры шарошечных долот химико-термической (ХТО) и последующей механической обработкой не обеспечивает заданных свойств поверхностей трения в ранний период эксплуатации долот и требует специальной их приработки.

2. Упрочнение поверхностного слоя деталей опоры вибрационной обработкой приводит к снижению доли приработочных отказов по сравнению с применяемой технологической схемой за счет формирования напряжений сжатия, благоприятного микрорельефа поверхностей и устранения концентраций остаточных напряжений.

3. Разработанная модель предельного состояния опоры долота на основе математического моделирования напряженно-деформированного состояния рассматриваемой зоны изменения трибологического состояния опоры для различных вариантов технологического упрочнения позволяет адекватно идентифицировать предельное состояние и граничные условия нагружения и износа.

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы гарантирована анализом представительного объема условий эксплуатации буровых долот, вложенного в технико-экономические модели с использованием методов планирования экспериментов, метрологической проверкой точности используемых средств измерений, выбором наиболее приемлемых способов измерения параметров, применением известных методов исследований и адекватностью моделей.

Научная новизна.

1. Дан критический анализ феноменологии процесса формирования поверхностного слоя элементов опоры в период приработки при действующей технологии обработки.

2. Сформулирована гипотеза о модели изнашивания и изменения напряженно- поверхностного слоя при упрочнении

вибрационной обработкой, в сочетании с ХТО и механической обработкой, являющейся альтернативным технологическим методом, предполагающим возможность сокращения периода приработки и увеличения ресурса долота.

3. Разработана модель предельного состояния опоры долота на основе математического моделирования напряженно-деформированного состояния элементов опоры для различных кинематических состояний опор и вариантов их упрочнения.

4. Проведены экспериментальные исследования закономерностей протекания изнашивания виброупрочненного поверхностного слоя в период переходных процессов изнашивания.

Практическая ценность. Разработана методика, позволяющая выявить опасное сечение элементов опоры долота и определить их предельное состояние при изменении схем взаимодействия поверхностей трибологического сопряжения для различных технологических вариантов упрочнения.

Предложена технология упрочнения опоры долота вибрационной обработкой, которая в стендовых испытаниях обеспечила повышение износостойкости пар трения в 2 раза по сравнению с серийной.

Реализация результатов работы. По данным рекомендациям в лаборатории разработки буровых долот и инструментов ДФГУП ЗапСибБурНИПИ при ОАО «Уралбурмаш» изготовлена опытная партия бурголовок с виброу-прочненной опорой, проведены промысловые испытания опытных бурголо-вок, показавшие повышение проходки и стойкости соответственно на 182 и 256 % в сравнении с серийными, экономический эффект повышения надежности на одну бурголовку составил 821 6 руб.

Проведена модернизация стенда для моделирования абразивного изнашивания опор шарошечных долот и разработана методическая база для его использования в учебном процессе Уральского государственного горного университета.

Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались на научно-технической конференции «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности»: Чтения памяти В.Р. Кубачека (г. Екатеринбург 2001 г.), на Международной научно-технической конференции «Научные основы и практика разведки и переработки руд и техногенного сырья» (г. Екатеринбург, 2003 г.), Молодежной научно-практической конференции, проводимой в рамках Уральской горнопромышленной декады (г. Екатеринбург, 2003 г.), Международной научно-технической конференции «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности»: Чтения памяти В.Р. Кубачека (г. Екатеринбург, 2004 г.).

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 11 печатных работах и отчете НИР, прошедшем госрегистрацию № 01990010840.

Структура и объем. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 88 наименований и приложений. Материал диссертации изложен на 110 стр. машинописного текста, содержит 46 рис., 11 табл.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и обоснована ее цель.

В первой главе проведен анализ исследований по износу и повышению работоспособности опор шарошечных долот. Показано, что работоспособность долота и эффективность всего процесса бурения существенно зависят от работоспособности и долговечности опорных узлов шарошечных долот.

Вопросу повышения надежности работы опор шарошечных долот посвящены теоретические и экспериментальные исследования СТ. Бабаева,

B.Н. Виноградова, НА. Жидовцева, М.Н. Кутузова, С.А. Посташа, Р.Н. Сей-фи и других авторов. Общие вопросы механики прочности и износа при трении фундаментально изложены в трудах Д.Н. Гаркунова, И.В. Крагельского,

C. Мэнсона, М.М. Хрущева и др.

Исследованиями вышеназванных авторов установлено, что до 70 % общего количества выпускаемых в России и странах СНГ шарошечных долот выходят из строя по причине износа опор, т. е. стойкость шарошечных долот в настоящее время определяется стойкостью их опор.

Основными особенностями работы подшипников долот являются: высокие удельные нагрузки, наличие осевых нагрузок вследствие наклона оси цапфы, отсутствие сепараторов, относительно большие зазоры между телами качения, абразивная среда, односторонний износ беговых дорожек и т.д. Все это приводит к тому, что стойкость подшипниковых узлов долот в десятки, а иногда и в сотни раз ниже, чем у подшипников той же серии из общего машиностроения.

Опора долота работает в тяжелых условиях и подвергается абразивному, окислительному, тепловому, осповидному, усталостному износу и пластическому деформированию. Для опор открытого типа основными видами изнашивания являются абразивное и усталостное. Традиционно выделяются три периода процесса изнашивания - приработка, установившийся и катастрофический износ.

В технологической документации регламентируется проведение приработки, но при существующих посадочных зазорах в опоре, нарушающих кинематическую жесткость подшипников, формирование оптимальных параметров трибологических сопряжений не обеспечивается.

Долговечность и надежность подшипников определяется в первую очередь величиной нагрузки, действующей на них, и частотой вращения долота.

В значительной мере на долговечность подшипникового узла опоры долота влияет точность изготовления опоры. Наличие посадочных зазоров (до 1 мм уже в новой опоре) вызывает перекос осей цапфы и шарошки и неравномерное нагружение подшипников. При краевом эффекте процесс старения характеризуется усталостным и контактным изнашиванием. В работе сформулированы основные требования к точности подшипникового узла опоры долота, обеспечивающие максимальную долговечность.

Исходная шероховатость контактирующих элементов трибонапряжений определяет протекание процессов контактной усталости. Технологический

микрорельеф определяет площадь контакта и величину контактных напряжений в начальный период приработки. В существующих отечественных долотах шероховатости беговых дорожек колеблются в пределах Ra = 1,25 - 0,8 мкм. В результате комплексных исследований Н. А. Жидовцева и М. А. Ам-дура установлено, что рациональные значения шероховатости поверхностей шариков, роликов и беговых дорожек шарошки - соответственно 0,08; 0,32; 1,25 мкм

Качество химико-термической обработки лап является одним из основных факторов, определяющих стойкость опоры. Необходимость сочетания высокой вязкости сердцевины с повышенной износостойкостью и контактной выносливостью поверхностных слоев предопределяет проведение цементации деталей долот. Однако повышенная твердость цапфы приводит к усталостному выкрашиванию. Вероятность выкрашиваний и сколов можно существенно снизить, надежно защитив бурты беговых дорожек от науглероживания.

Остаточные напряжения в поверхностном слое рабочих поверхностей подшипниковых узлов, возникающие в результате механической и термической обработки, влияют на усталостную выносливость материала, однако они не регламентируются в технической документации долота. Создание благоприятных напряжений сжатия в тонком поверхностном слое несущих поверхностей элементов опор может повысить ресурс долота в 1,2 - 1,5 раза.

Стойкость подшипников опоры зависит от работы трения, которая идет на структурную перестройку контактных поверхностей, а также превращается в тепло. Температура влияет на изменение величин зазоров, величину и характер распределения контактных напряжений, схватывание поверхностей и разрушение смазки. По результатам исследований известно, что при установившемся режиме теплоотдачи нагрев поверхности подшипников составляет 180-200оС.

В итоге исследования надежности опор наиболее распространенных долот производства ОАО «Уралбурмаш» по результатам проходки на горнорудных предприятиях Урала получена модель надежности, соответствующая нормальному закону распределения.

Средняя наработка до отказа не дает полную оценку надежности долота, так как не учитывает разброс наработок и не гарантирует безотказную работу на ранних этапах работы долота.

Более полную информацию о надежности представляет гамма-процентная наработка до отказа при заданной вероятности безотказной работы 90 % (7^=90%). Для долот 269,90К-ПВ и 244,5ТКЗ-ПВ \¥2 Ту^щ составляет сравнительно низкие значения по отношению к что говорит, прежде всего, о недостаточной стабильности технологического процесса изготовления опор долот.

Для долота как невосстанавливаемого изделия показателем, определяющим долговечность, будет являться предельное состояние.

А(1), 1/н

0.04

0,02

0,01

0,03

0,05

0

Рис. 1. Идентификация предельного состояния долота 244.5ТКЗ-ПВ по функции интенсивности отказов

150 200 250 300 350 400 450 и

Функция интенсивности отказов Х(() имеет характерную область возрастания значений, связанную с увеличением доли постепенных отказов. Это является следствием накопления в деталях необратимых изменений в результате процесса старения. Данную область можно аппроксимировать точкой , координаты которой будут соответствовать наработке до предельно-

го состояния (рис. 1). Для этого общая совокупность статистической оценки интенсивностей отказов разбивается на две совокупности, и составляются два линейных уравнения, абсцисса точки пересечения этих функций будет являться наработкой до предельного состояния.

Для увеличения надежности опор предлагается использовать технологические методы упрочнения, обеспечивающие резервирование надежности технологического процесса. Наиболее перспективным является развитие комбинированных методов упрочнения, обеспечивающих увеличение твердости и глубины упрочненного слоя, создание напряжений сжатия в тонком поверхностном слое, благоприятного микрорельефа поверхностей и устранения концентраций остаточных напряжений. К таким способам следует отнести сочетание ХТО, шлифования и вибрационной обработки, как наиболее апробированных в производстве породоразрушающего инструмента и не требующих больших капитальных затрат на их освоение.

Исходя из вышеизложенного сформулированы основные задачи, решаемые в данной диссертации, о которых говорилось выше.

Во второй главе приводятся феноменологические аспекты упрочнения объемной вибрационной обработкой элементов подшипниковых опор.

Сущность наклепа при вибрационной обработке состоит в нанесении многочисленных микроударов элементами рабочей среды по обрабатываемой поверхности, в результате чего возникают дислокационные перестройки структур, повышающих сопротивляемость поверхностных слоев сдвиговым деформациям. Под действием деформирующей силы происходит аккумулирование энергии деформации поверхностными слоями и совершается работа, эквивалентная теплоте плавления данного материала. Возрастает энергетический уровень деформированного поверхностного слоя металла и его выносливость. Зарождение и развитие усталостных трещин происходит медленнее, при этом всевозможные геометрические и структурные концентраторы напряжений становятся менее опасными, происходит заращивание микротре-

щин и возрастает площадь несущей поверхности.

Эффективность вибрационной обработки определяется составом рабочей среды, расположением деталей относительно подвижной системы виброустановки и режимами виброобработки.

На основе анализа априорных и экспериментальных зависимостей, определяющих качественное состояние поверхности от технологических режимов вибрационной обработки, приняты режимы вибрационной обработки опор шарошечных долот.

В третьей главе проведена идентификация предельного состояния опоры на основе математической модели напряженно-деформированного состояния, построенной на решении известного уравнения Лагранжа и адаптированной для рассматриваемой зоны изменения трибологического состояния опоры для различных вариантов технологического упрочнения.

На основании изучения закономерностей изнашивания опор шарошечных долот и факторов, влияющих на их долговечность, критериями предельного состояния опоры долота приняты следующие показатели.

1. Величина износа опорной поверхности цапфы /= 0,8 мм для долота 244,5 мм на сторону, определяемая износом цементованного слоя на 80% и увеличением суммарного зазора в подшипниках до 2 мм.

2. Превышение временного сопротивления разрыву материала цапфы при действующей нагрузке.

3. Превышение циклической долговечности материала цапфы при действующих пластических деформациях за цикл.

4. Температура на контактных поверхностях более 250 °С. При таких температурах в поверхностях элементов опоры происходят фазовые превращения, приводящие к резкому снижению механических свойств материала, потере свойств смазки (при ее применении).

Для расчета был выбран большой роликовый подшипник, испытывающий наибольшие контактные напряжения и, следовательно, имеющий наименьший ресурс (рис. 2).

Систему ролик подшипника - цапфа рассмотрим в виде динамической модели типа:

W0c.fi,и,0, (1)

при этом у - прочностные свойства цапфы; К, () - геометрические, физико-механические характеристики системы соответственно; -внешнее воздействие, - время;

О = Г2(сГеат е, к а, а); (2)

где R - радиус цапфы; / • - радиус ролика;

Рис. 2. Схема нагружения

большого роликового подшипника

- длина контакта; - перекос осей цапфы и шарошки; - число тел качения; - временное сопротивление разрыву; - предел текучести; - величина действующей деформации; - глубина упрочненного слоя; - коэффициент термического расширения; а - коэффициент температуропроводности; Т -температурное воздействие; Ж - силовое воздействие; а> - частота приложения нагрузки.

Наибольшую нагрузку испытывает участок беговой дорожки, обращенный к забою, поэтому в качестве расчетной схемы принимаем четверть сечения цилиндрической цапфы на данном участке.

В рассматриваемой модели ролик заменяем соответствующей нагрузкой, действующей на цапфу и распределенной по внешнему контуру цапфы.

При аналитическом решении задачи определения усилий, действующих на подшипники шарошки, невозможно учесть все варианты взаимодействия вооружения долота с забоем, а именно: форму забоя и связанное с ней число одновременно взаимодействующих с забоем зубьев, глубину внедрения зубьев в породу, влияющую на распределение усилий между подшипниками, динамичность нагрузки, проскальзывание шарошек и тел качения подшипников и пр.

Поэтому принято решение для расчетов использовать значения усилий на наиболее нагруженном ролике, полученные на измерительном стенде СевКавНИПИ в работе С.А Посташа.

Для учета температурного режима работы опоры использованы экспериментальные данные, полученные замером температуры с помощью установки термоиндикаторов в элементы опоры. По результатам исследований известно, что при установившемся режиме теплоотдачи нагрев поверхности подшипников составляет 180-200 °С.

Определение напряженно-деформированного состояния опоры проводится для фиксированных моментов времени при соответствующих значениях нагружения. При этом напряженное и деформационное состояния в каждой точке системы характеризовали компонентами тензоров напряжений сг~, <Ут (Гц, деформаций £-., Еп-, Е1Ь &ги перемещениями и и Для решения задачи воспользовались вариационным уравнением Лагранжа, которое для рассматриваемого случая нагружения принимает вид:

где Э - потенциальная энергия тела;

Я- модуль объемной упругости;

- средняя деформация и чисто тепловая деформация соответственно;

функция пластичности, определяемая соотношением где и Г- интенсивности напряжений и деформаций соответственно.

(3)

Данное уравнение выражает принцип минимума потенциальной энергии Э тела, что эквивалентно уравнениям равновесия и статическим граничным условиям. Функция пластичности (4) нелинейно зависит от интенсивности деформаций (Г), поэтому уравнение (3) нелинейное. Полагаем, что скалярные свойства напряжений, определяемые выражением

зависят от вида напряженного состояния элементов опоры и определяются экспериментально по кривым растяжения образцов при постоянной температуре. Зависимость интенсивности напряжений (5) от времени определяется величинами внешней нагрузки и температуры, а также продолжительностью работы опоры. Минимум выражения (3) находим методом конечных элементов, для чего разбиваем область сечения узловыми окружностями на М кольцевых элементов треугольного поперечного сечения. При этом разбиение системы на элементы осуществляли таким образом, чтобы каждый элемент состоял из слоя материала, имеющего одинаковые физико-механические свойства. Из условия минимума (3) получаем систему 2И алгебраических уравнений для каждого значения перемещений в узловых точках, из решения которой определяются компоненты тензоров напряжений, деформаций и узловых перемещений:

а) б)

Рис. 3. Распределение максимальныхдеформаций по глубине цапфы в опасном сечении при различных значенияхугла перекоса образующих подшипника 9. а) при применяемойтехноло-

гии, б) при дополнительной виброобработке

45 90 135 180 22S 270 315 360 405 450

Рис. 4. Графики функций усталостного износа: сплошная линия - серийная технология; пунктирная -технология с виброупрочнением; 1 - при начальном радиальном зазоре 0,18 мм; 2-

при начальном зазоре 0,09 мм

В результате моделирования установлено, что максимальные значения температуры находятся в малой области поверхностного слоя и не превышают значения, соответствующего предельному состоянию.

Определено месторасположение опасного сечения А-А (см. рис. 2). Распределение деформаций по опасному сечению цапфы приведено на рис. 3.

Циклическая долговечность N связана с пластической деформацией за цикл £ц степенным законом Мэнсона в форме

(7)

где М и Z— постоянные материала.

Графики функций износа, полученные регрессионным анализом результатов моделирования с минимальным значением достоверности аппроксимации Л2 = 0,96, после преобразования циклической долговечности в единицы проходки долота для условий и режимов бурения, соответствующих отработке долот, исследование надежности которых проводилось в первой главе, представлены на рис. 4.

Полученные данные свидетельствуют о том, что уменьшение радиального зазора с 0,2 до 0,1 мм повышает наработку до предельного состояния в 1,2-1,25 раза.

В итоге наработка до предельного состояния большого роликового подшипника составит ГЦ" =322,7 м при серийной технологии упрочнения и ГЦ" =388,3 м при дополнительном виброупрочнении.

Оценка адекватности модели предельного состояния проводилась по эксплуатационным данным, полученным в результате исследования надежности опор шарошечных долот (см. выше). Наработке до предельного состояния опоры долота 244,5ТКЗ-ПВ Гпе.— 261 м соответствует вероятность безотказной работы опоры долота /,(ГП.С.) = 0,55.

Согласно структурной схеме надежности опоры долота (рис. 5), вероятность безотказной работы опоры долота может быть определена по выражению

Р(0={1-[1-П„(0](1-/',„п(/))}{1-[1-/,з„(0](1-Лп«)}х х{[-[1-?"(!п(0](1-/>"мп(/))}{1-[1-Л„(0](1-Лп(0)}х х{1-[1-я1||бп(0К1-/>шМп(/))}{1-[1-Лп.(0](1^"1уП«)}

(8)

С допущением, что подшипники опоры равнонадежны, а значение их

/,,с большого роликового подшипника, имеющего наименьшую наработку до отказа, получим вероятность его безотказной работы при наработ-

ке до предельного состояния ^биС^с" )=0,69. Для нормаль-

ного закона справедливо

распределения

где Фо - функция Лапласа,

откуда наработка до предельного состояния большого тбп _

роликового подшипника 310,4 м.

Сравнение результатов Т1" = 322,7 м и данных

моделирования

Рис. 5. Структурная схема надежности опоры трехшарошечного долота 244.5ТКЗ-ПВ

эксплуатационных ( К = 310,4 м) показывает адекватность результатов (расхождение 4 %) с вероятностью 0,9 при дисперсии = 23 м2.

В четвертой главе проведена экспериментальная проверка гипотезы о феноменологии упрочнения поверхностного слоя вибрационной обработкой на этапе приработки и установившегося износа, определен эффект различных вариантов упрочняющей обработки материалов. Испытания проводились на стенде абразивного изнашивания кафедры эксплуатации горного оборудования, обеспечивающем одновременную установку до 6 образцов, в процессе испытаний находящихся в идентичных условиях, тем самым обладающим высокой репрезентативностью результатов эксперимента.

Эксперимент проводился в два этапа. На первом этапе оценивалась износостойкость образцов из стали 22ХНЗМА, применяемой при изготовлении опорных поверхностей подшипников качения цапфы долота. На втором этапе оценивалась износостойкость твердосплавных покрытий, получаемых наплавкой стеллитом марки Пр-3В14К-В на опорные поверхности подшипников скольжения цапфы. Изнашивание в обоих случаях проходило по стали

16ХНЗНМА, из которой изготавливаются шарошки долота.

Испытуемые образцы были разбиты на две группы. Первая группа -кольца, изготовленные по серийной технологии, являлась базовым вариантом. Вторая группа колец после цементации и шлифования была подвергнута вибрационному упрочнению.

Режим проведения испытаний: частота вращения шпинделя - 500 об/мин, что соответствует частоте вращения долота диаметром 244,5 мм, равной 100 об/мин. Усилие, прижимающее колодку к кольцу - 40 Н, создающее удельную нагрузку 130 МПа. Охлаждение осуществляется капельной подачей воды с содержанием в ней абразива 100 г/дм3. Абразив - электрокорунд, размер частиц 0,1-0,2 мм. Длина пути истирания принята равной 50 и 60 тыс. оборотов шпинделя для первого и второго этапа соответственно, интервал между контрольными взвешиваниями 10 тыс. оборотов шпинделя. Для определения значения износа образцов был принят метод оценки величины потери их массы в зависимости от пройденного пути. Проведено по 9 опытов для каждого варианта технологической обработки, что обеспечивает погрешность эксперимента не более 0,1 % при доверительной вероятности 0,9.

Полученные гистограммы абсолютного износа и графики интенсивности изнашивания образцов приведены на рис. 6,7.

Относительная износостойкость (упрочненных образцов к базовому варианту) составляет на первом этапе 210, на втором - 216 %. Отмечается также уменьшение интенсивности изнашивания в период приработки (см. рис. 7), что позволяет сократить неэффективную работу долота во время приработки и уменьшить число отказов в этот период.

Рис. 6. Гистограммы абсолютного износа образцов

Рис. 7. Интенсивность изнашивания образцов: ■ - применяемая технология; • - применение виброобработки; сплошная линия - тв сплав ЗВ14КБ/сталь 16ХНЗНМА; пунктирная линия - сталь 20ХНЗА/ сталь 16ХНЗНМА

Установлен эффект упрочнения подшипников из твердосплавного материала. Повышение износостойкости в 2 раза по сравнению с серийной технологией обработки опор для твердосплавных материалов и стали, применяемых для изготовления опор долот, подтверждает высокую эффективность вибрационной обработки.

Статистическая обработка результатов эксперимента показывает уменьшение разброса значений износа после вибрационного упрочнения более чем в 3 раза, что подтверждает перспективность его применения для повышения стабильности качества обработки опоры шарошечных долот.

В пятой главе приведены результаты промысловых испытаний, проводившихся в условиях сверхглубокой скважины СГ-4 УГРЭ СГБ. Объект промысловых испытаний - бурголовка КС 295,3/60 ТКЗ Д7 Э с упрочненными беговыми дорожками подшипников опор методом вибрационной объемной обработки. Выбор данного типа бурового инструмента был обусловлен представившейся возможностью внедрения упрочняющей обработки в рамках модернизации бурголовки КС 295,3/60 ТКЗ Д7.

Опора бурголовки работает в значительно более неблагоприятных условиях, чем опоры долот горнорудного сортамента. Отличия между рассматриваемыми видами инструмента и условиями их работы приведены в таблице.

Основные отличия шарошечного долота244,5ТКЗ-ПВ и бурголовки КС 295,3/60 ТКЗ Показатель 244.5ТКЗ-ПВ КС 295,3/60 ТКЗ~~

Нагрузка на инструмент, кН__25__50-55_

Частота вращения инструмента, об/мин__100__70_

Способ очистки и охлаждения__продувка__промывка

Число шарошек 3 4

Размерами подшипников опоры отличаются незначительно, применяемые материалы и технология изготовления одинаковы. Исходя из этого следует предположить, что работоспособность виброупрочненной опоры в данных условиях может быть выявлена с достаточной адекватностью.

При бурении интервала 5577,6 - 5784,25 м с категорией буримости 9-10 по шкале М.М. Протодьяконова были отработаны с наработкой базы сравнения бурильных головок КС 295,3/60 ТКЗ Д7 - 3 шт и КС 295,3/60 ТКЗ Д7-Э -

3 шт.

Показатели работы бурголовок с виброупрочненной опорой по стойкости и проходке на 256,8 и 182,7 % выше серийных. Анализ отработанных бурголовок показал, что причина отказа - интенсивный износ опор. Стойкость опор не соответствует стойкости вооружения, но применение вибрационной обработки снижает степень равностойкости опор и вооружения шарошек.

Экономический эффект повышения надежности на одну бурголовку составил 821,6 р. в ценах 2003 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе анализа закономерностей изнашивания, факторов, влияющих на долговечность опор шарошечных долот и технологических методов повышения их надежности, предложен альтернативный метод упрочнения вибрационной обработкой, решена важная научно-техническая задача определения предельного состояния элементов опоры при проектировании, изготовлении и эксплуатации шарошечных долот.

Проведенные исследования позволили сформулировать следующие основные результаты, выводы и рекомендации:

1. Применяемая технологическая схема формирования трибологических свойств поверхностного слоя деталей подшипниковой опоры шарошечных долот химико-термической (ХТО) и последующей механической обработкой не обеспечивает заданных свойств поверхностей трения в ранний период эксплуатации долот и требует специальной их приработки.

2. Сформулирована гипотеза о феноменологии упрочнения поверхностного слоя вибрационной обработкой, в сочетании с ХТО и механической обработкой являющейся альтернативным технологическим методом, предполагающим возможность сокращения или исключения периода приработки, увеличивая ресурс долота.

3. Математическая модель напряженно-деформированного состояния, построенная на решении известного уравнения Лагранжа, адаптированная для рассматриваемой зоны изменения трибологического состояния опоры для различных вариантов технологического упрочнения, позволяет адекватно идентифицировать предельное состояние и граничные условия нагружения и износа. Распределение полей напряжений и температур по сечению цапфы имеет максимум у нагруженного края беговой дорожки большого роликового подшипника, причем максимальные значения температуры не превышают критерия предельного состояния.

По результатам моделирования пол/чено значение наработки до предельного состояния большого роликового подшипника 322,7 м при серийной технологии упрочнения и 388,3 м при дополнительном виброупрочнении. Сравнение результатов моделирования и эксплуатационных данных показывает адекватность результатов (расхождение 4 %) с вероятностью 0,9 при дисперсии $"=23 м .

4. Осуществлен выбор технологических режимов вибрационной обработки опор шарошечных долот на основе априорной и экспериментальной информации.

5. Проведена экспериментальная проверка гипотезы о феноменологии упрочнения поверхностного слоя вибрационной обработкой на этапе приработки и установившегося износа. Установлено повышение износостойкости при виброупрочнении стали 20ХН3А на 210 %, наплавки твердым сплавом 3В14КБ на 216 % по сравнению с применяемой технологией, сопровождаемое уменьшением интенсивности изнашивания в период приработки, что позволит сократить неэффективную работу долота во время приработки и

уменьшить число отказов в этот период. Статистическая обработка результатов эксперимента показывает уменьшение разброса значений износа после вибрационного упрочнения более чем в 3 раза, что подтверждает перспективность его применения для повышения стабильности качества обработки опоры шарошечных долот.

6. По данным рекомендациям Лабораторией разработки буровых долот и инструментов ДФГУП ЗапСибБурНИПИ при ОАО «Уралбурмаш» проведено вибрационное упрочнение деталей опор бурголовок КС 295,3/60 ТКЗ Д7-Э. Промысловые испытания подтвердили эффективность применения виброупрочнения, показатели работы бурголовок с виброупрочненной опорой по стойкости и проходке на 256,8 и 182,7 % выше серийных. Экономический эффект повышения надежности на одну бурголовку составил 821 6 руб.

7. Проведена модернизация стенда для моделирования абразивного изнашивания элементов опор шарошечных долот.

Основные положения и результаты исследований содержатся в следующих работах:

1. Боярских Г.А., Симисинов Д.И. Предпосылки прогнозирования и формирования надежности элементов системы шарошечного бурения//Изв. вузов. Горный журнал. 2000, №2. С.164-173.

2. Боярских Г.А., Симисинов Д.И. Прогнозирование предельного состояния по техническим показателям и уровню энергозатрат горно-шахтного оборудования// Вестник энергосбережения. 2000, №11. С. 32-36.

3. Симисинов И.Л., Симисинов Д.И. Пути повышения технико-технологических показателей шарошечных бурильных головок диаметром 295,3 мм//Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.

2001, №11. С. 15-17.

4. Боярских Г.А., Симисинов Д.И. Оценка надежности и эффективности работы горно-шахтного оборудования по критерию энергосбережения//Изв. Уральской гос. горно-геолог. академии. Вып. 12. Сер.: Горная электромеханика. 2001. С. 114-116.

5. Боярских Г.А., Симисинов Д.И. Сравнительная оценка эффективности упрочнения элементов опоры шарошечных долот//Изв. вузов. Горный журнал.

2002, №5. С. 65-72.

6. Симисинов И.Л., Симисинов Д.И. Одношарошечные долота новой серии и перспективы их применения//Изв. вузов. Горный журнал. 2002, №5. С. 62-64.

7. Симисинов Д.И., Боярских Г.А., Хазин М.Л. Методология моделирования напряженно-деформированного состояния элементов опоры шарошечного долота//Известия Уральской гос. горно-геолог. академии. Вып. 16. Сер.: Горная электромеханика. 2003, С. 15-18.

8. Симисинов Д.И., КурбановЯ.М., СимисиновИ.Л., и др. Повышение технологических показателей шарошечных бурильных головок для бурения Уральской СГ-4//Разведка и охрана недр. 2003, №6. С. 8-10.

9. Симисинов Д.И. Идентификация предельного состояния опоры долота по критерию предельных контактных напряжений для различных вариантов

технологической обработки//Известия Уральской гос. горно-геолог. академии. Вып. 17. Материалы Уральской горнопромышленной декады. Екатеринбург. 2003. С. 323-326.

10.Симисинов Д.И. Моделирование напряженно-деформированного предельного состояния опоры долота//Материалы междунар. науч.-техн. конф. «Науч. основы и практика разведки и переработки руд и техногенного сырья». Екатеринбург, 2003. С. 437-440.

11.СИМИСИНОВ Д.И., БоярскихГЛ., Сухов Р.И. Вероятностная оценка надежности опор шарошечных долот//Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: Сб. докладов II междунар. науч. техн. конф. Чтения памяти В.Р. Кубачека. Екатеринбург: Уральская гос. горно-геолог. академия, 2004. С. 163-167.

Личный вклад в работах, опубликованных в соавторстве: [1, 2, 4] -

разработка модели определения предельного состояния; [3, 6, 8] - выбор режимов вибрационного упрочнения, обработка результатов испытаний; [5] -обзор применяемых методов упрочнения опор шарошечных долот; [7] - адаптация модели напряженно-деформированного состояния для элементов опоры шарошечного долота; [11]- определение закона распределения, выбор показателей надежности.

Подписано в печать 17.11.04 г. Бумага писчая. Формат 60x84 1/16. Печать на ризографе. Печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ №2"?

Издательство УГГУ

620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30

32 62 2 2

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Закономерности изнашивания опор шарошечных долот.

1.2. Факторы, влияющие на долговечность опор долот.

1.3. Температурный режим работы шарошечного долота.

1.4. Исследование надежности опор шарошечных долот по эксплуатационным данным.

1.5. Технологические методы повышения надежности долот.

Цели и задачи диссертационной работы.

2. ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ УПРОЧНЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКОЙ ЭЛЕМЕНТОВ ПОДШИПНИКОВЫХ ОПОР.

2.1. Сущность объемной вибрационной обработки.

2.2. Влияние объемной вибрационной обработки на качество поверхностного слоя обрабатываемых деталей.

2.3. Выбор оптимальных технологических режимов вибрационной обработки опор шарошечных долот.

Выводы по разделу.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ОПОРЫ ДОЛОТА.

3.1. Формулировка и задание внешних факторов.

3.2. Методика определения контактных напряжений в опоре долота.

3.3. Интерпретация результатов моделирования.

3.4. Оценка адекватности модели предельного состояния по эксплуатационным данным.

Выводы по разделу.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА УПРОЧНЕНИЯ ОПОРЫ НА ЭТАПЕ ПРИРАБОТКИ И УСТАНОВИВШЕГОСЯ

ИЗНОСА.

4.1. Цель и объект эксперимента.

4.2. Описание конструкции стенда для абразивного изнашивания.

4.3. Подготовка образцов к эксперименту.

4.4. Методика проведения и обработки результатов проведения экспериментальных исследований.

Выводы по разделу.

5. ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРОМЫСЛОВЫМИ ИСПЫТАНИЯМИ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА.

Актуальность работы. Отечественные долота по степени внедрения новейших конструкторских и технологических разработок и качеству изготовления продолжают значительно уступать долотам, выпускаемым ведущими зарубежными производителями. Такие фирмы, как «Хьюз Кристен-сен», «Секьюрити ДБС», «Смит», «Рид» и др., являются ведущими в инновации технических решений, направленных на повышение надежности долот.

Отечественному долотостроению удается конкурировать с инструментом, производимым западными фирмами за счет сравнительно низких цен на буровой инструмент. Достижение качества изготовления долот на уровне ведущих мировых производителей невозможно без полного перевооружения производства. Отсюда вытекает задача повышения долговечности отечественных долот с минимальными производственными затратами.

Многолетняя практика применения трехшарошечных буровых долот при бурении на рудные полезные ископаемые и анализ их состояния после отработки приводят к заключению, что долговечность долот в большинстве случаев лимитируется износостойкостью опоры. Опора долота работает в тяжелых условиях и подвергается абразивному, окислительному, тепловому, осповидному, усталостному износу и пластическому деформированию.

Несмотря на то, что предлагается множество различных способов повышения долговечности долот, широкого применения в долотостроении они не находят. Как правило, это связано с их низкой эффективностью или недостаточной подтвержденностью эффективности, отсутствием учета специфики технологии изготовления и высокой стоимостью их реализации.

При объемах бурения свыше 7 млн. м в год и высокой стоимости долот предоставляется возможность получения существенного экономического эффекта.

Связь темы диссертации с государственными программами. Данная работа выполнена в рамках г/б тем: «Развитие теории прогноза технического состояния и надежности сложных механических систем горного оборудования», 1999-2001 гг., № гос. per. 01990010840 и «Развитие теории мониторинга надежности и эффективности сложных электромеханических систем горного производства», 2002-2004 гг., № гос. per. 1.8.02.

Объектом работы является опора шарошечного долота.

Целью работы является повышение надежности опоры шарошечного долота технологическим упрочнением.

Идея работы заключается в проверке положения о феноменологии упрочнения поверхностного слоя вибрационной обработкой в сочетании с традиционной обработкой, путем определения предельных состояний опоры при изменении схем взаимодействия поверхностей трибологического сопряжения для различных технологических вариантов упрочнения моделированием напряженно-деформированного состояния элементов опоры, проведением стендового эксперимента и промысловых испытаний.

Задачи исследований:

1. Анализ влияния объемной вибрационной обработки на качество поверхностного слоя при обработке опоры долота.

2. Разработка модели предельного состояния опоры долота на основе математического моделирования напряженно-деформированного состояния рассматриваемой зоны изменения трибологического состояния опоры для различных вариантов технологического упрочнения.

3. Формулировка критериев предельного состояния опоры.

4. Определение предельного состояния опоры на основе разработанной модели.

5. Выбор технологических режимов вибрационной обработки опор шарошечных долот.

6. Экспериментальная проверка гипотезы о феноменологии упрочнения поверхностного слоя вибрационной обработкой на этапе приработки и установившегося износа с определением эффекта.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Применяемая технологическая схема формирования трибологиче-ских свойств поверхностного слоя деталей подшипниковой опоры шарошечных долот химико-термической (ХТО) и последующей механической обработкой не обеспечивает заданных свойств поверхностей трения в ранний период эксплуатации долот и требует специальной их приработки.

2. Упрочнение поверхностного слоя деталей опоры вибрационной обработкой приводит к снижению доли приработочных отказов по сравнению с применяемой технологической схемой за счет формирования напряжений сжатия, благоприятного микрорельефа поверхностей и устранения концентраций остаточных напряжений.

3. Разработанная модель предельного состояния опоры долота на основе математического моделирования напряженно-деформированного состояния рассматриваемой зоны изменения трибологического состояния опоры для различных вариантов технологического упрочнения позволяет адекватно идентифицировать предельное состояние и граничные условия нагружения и износа.

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы гарантирована анализом представительного объема условий эксплуатации буровых долот, вложенного в технико-экономические модели с использованием методов планирования экспериментов, метрологической проверкой точности используемых средств измерений, выбором наиболее приемлемых способов измерения параметров, применением известных методов исследований и адекватностью моделей.

Научная новизна.

1. Дан критический анализ феноменологии процесса формирования поверхностного слоя элементов опоры в период приработки при действующей технологии обработки.

2. Сформулирована гипотеза о модели изнашивания и изменения напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя при упрочнении вибрационной обработкой, в сочетании с ХТО и механической обработкой, являющейся альтернативным технологическим методом, предполагающим возможность сокращения периода приработки и увеличения ресурса долота.

3. Разработана модель предельного состояния опоры долота на основе математического моделирования напряженно-деформированного состояния элементов опоры для различных кинематических состояний опор и вариантов их упрочнения.

4. Проведены экспериментальные исследования закономерностей протекания изнашивания виброупрочненного поверхностного слоя в период переходных процессов изнашивания.

Практическая ценность. Разработана методика, позволяющая выявить опасное сечение элементов опоры долота и определить их предельное состояние при изменении схем взаимодействия поверхностей триболо-гического сопряжения для различных технологических вариантов упрочнения.

Предложена технология упрочнения опоры долота вибрационной обработкой, которая в стендовых испытаниях обеспечила повышение износостойкости пар трения в 2 раза по сравнению с серийной.

Реализация результатов работы. По данным рекомендациям в лаборатории разработки буровых долот и инструментов ДФГУП ЗапСибБур-НИПИ при ОАО «Уралбурмаш» изготовлена опытная партия бурголовок с виброупрочненной опорой, проведены промысловые испытания опытных бурголовок, показавшие повышение проходки и стойкости соответственно на 182 и 256 % в сравнении с серийными, экономический эффект повышения надежности на одну бурголовку составил 8216 руб.

Проведена модернизация стенда для моделирования абразивного изнашивания опор шарошечных долот и разработана методическая база для его использования в учебном процессе Уральского государственного горного университета.

Апробация работы. Основные результаты диссертационного иссле7 дования докладывались на научно-технической конференции «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности»: Чтения памяти В.Р. Кубачека (г. Екатеринбург 2001 г.), на Международной научно-технической конференции «Научные основы и практика разведки и переработки руд и техногенного сырья» (г. Екатеринбург, 2003 г.), Молодежной научно-практической конференции, проводимой в рамках Уральской горнопромышленной декады (г. Екатеринбург, 2003 г.), Международной научно-технической конференции «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности»: Чтения памяти В.Р. Куба-чека (г. Екатеринбург, 2004 г.).

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 11 печатных работах и отчете НИР, прошедшем госрегистрацию № 01990010840.

Структура и объем. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 88 наименований и приложений. Материал диссертации изложен на 110 стр. машинописного текста, содержит 46 рис., 11 табл.

Выводы по разделу

Установлено повышение износостойкости при виброупрочненнии стали 20ХНЗА на 210 %, наплавки твердого сплава ЗВ14КБ на 216 % по сравнению с применяемой технологией, сопровождаемое уменьшение интенсивности изнашивания в период приработки, что позволит сократить неэффективную работу долота во время приработки и уменьшить число отказов в этот период.

Статистическая обработка результатов эксперимента показывает уменьшение разброса значений износа после вибрационного упрочнения более чем в 3 раза, что подтверждает перспективность его применения для повышения стабильности качества обработки опоры шарошечных долот.

Установлено значение предельного состояния подшипника скольжения по ранее сформулированным критериям. При традиционной обработке — 55 ч, при внедрении дополнительной вибрационной обработки - 66 ч, т.е. 469 и 563 м проходки соответственно (при средней скорости бурения 9 м/ч).

Результаты эксперимента дают основания для проведения промысловых испытаний бурового инструмента с упрочнением опор вибрационной обработкой.

5. ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРОМЫСЛОВЫМИ ИСПЫТАНИЯМИ БУРОВОГО

ИНСТРУМЕНТА

Промысловые испытания проводились в условиях сверхглубокой скважины СГ-4 УГРЭ СГБ. Объект промысловых испытаний - бурголовка КС 295,3/60 ТКЗ Д7 Э с виброупрочненной опорой (рис. 5.1).

Выбор данного типа бурового инструмента бы обусловлен представившейся возможностью внедрения вибрационной упрочняющей обработки в рамках модернизации бурголовки КС 295,3/60 ТКЗ Д7 для замены серийной КС 295,3/60 ТКЗ.

Технологические условия проводки сверхглубокой скважины СГ — 4 с достижением глубины свыше 5000 м сопровождались проявлениями осложнений в нижних интервалах ствола скважины, выражающимися в прихватах бурильной колонны, обвалах стенок скважины после выполнения спускоподъемных операций, результатом которых является скопление обломков обваливающейся породы на забое. Забой скважины представлен осадочными, твердыми кристаллическими породами 9-10 категорией бу-римости. Указанные факторы в значительной мере усложняют бурение скважины, средняя проходка составляла 6,9 м на бурголовку, причины отказов - преждевременный износ опоры.

Таким образом, опора бурголовки работает в значительно более неблагоприятных условиях, чем опоры долот горнорудного сортамента. Режимы бурения (табл. П5) характеризуются более высокой нагрузкой (50 кН для бурголовки и 25 кН для долота при одинаковой частоте вращения инструмента), различны способы очистки и охлаждения. Конструктивно отличается от опор долот типа ПВ (схема опоры Р-Ш-Р или Р-Ш-Р-Упс) схемой подшипникового узла Р-Ш-Ш-Упс, числом шарошек - 4 вместо 3, размерами подшипников опоры отличаются незначительно. Применяемые материалы и технология изготовления одинаковы. Исходя из этого, следует предположить, что работоспособность виброупрочненной опоры в дан

98 ных условиях может быть выявлена с большей эффективностью.

Рис. 5.1. Бурголовка КС 295,3/60 ТКЗ Д7

Бурильная головка КС 295,3/60 ТКЗ Д7 - это базовая серийная бурголовка КС 295,3/60 ТКЗ конструкции ОАО «Уралбурмаш» модернизированная Лабораторией разработки буровых долот и инструментов ДФГУП ЗапСибБурНИПИ при ОАО «Уралбурмаш» в следующем объеме [87]:

- пересмотрены и уточнены величины зазоров в подшипниках скольжения и качения, тем самым произведено перераспределение нагрузок для сведения их к оптимальным;

- усилено вооружение шарошек по тыльному конусу, основным венцам, и кернообразующим конусам.

Бурильная головка КС 295,3/60 ТКЗ Д7-Э - та же конструкция, но с упрочнением беговых дорожек подшипников методом вибрационной объемной обработки.

В конструкции вооружения основных рядов шарошек применено чередование зубков формы Г25 с зубками формы К для повышения механической скорости бурения.

Испытания инструмента производилось согласно инструкции [38] и утвержденной программе испытаний, по которой был определен порядок отработки бурголовок, включающий: отработка не менее 3 штук бурильных головок КС 295,3/60 ТКЗ Д7 с наработкой базы сравнения и испытание бурильных головок КС 295,3/60 ТКЗ Д7-Э в количестве 3 штук.

Условия проведения испытаний:

- интервал бурения представлен доцитами неравномерно метаморфи-зорованными до серицид-кварцевых метосамотитов, категория буримости 9-10 по шкале М.М. Протодьяконова;

- применяемое оборудование: буровая установка «Уралмаш-15000», насосы УНБ 1180. Серийные и бурголовки и опытная бурголовка КС 295,3/60 ТКЗ Д7 № 16479 были отработаны по технологии турбинного бурения с применением гидравлического забойного двигателя А9Ш в сочетании с редуктором РШ 240, другие бурголовки отрабатывались по технологии роторного бурения с приводом от ротора Р-950 [88].

Технологические режимы и результаты испытаний приведены в таблице П2 и на рисунке 5.2. Следует отметить, что данные показатели достигнуты при:

- ориентировочной оценке отработанного ресурса бурголовок на 60% по причине преждевременного поднятия с забоя;

- незначительном износе вооружения шарошек (3-14%);

- использовании от 25 до 40% времени работы бурголовки под нагрузкой на проработку ствола скважины, разбуривании цементного моста и работе по шламовой «подушке».

Проведенные испытания позволяют сделать следующие выводы:

- Применение виброупрочнения опор бурголовок КС 295,3/60 ТКЗ Д7 Э повышает стойкость опор и ресурс бурголовок в целом по проходке - в 1,8 раз; по стойкости - в 2,5 раза;

- Отмечен неравномерный износ опор шарошек, стойкость опор не соответствует стойкости вооружения, но применение вибрационной обра

100 ботки снижает степень равностойкости опор и вооружения шарошек.

- Экономический эффект повышения надежности на одну бурголовку составил 8216 руб.

28,5

П проходка, м стойкость, ч

17

9,3 11.1 256,8%

100% 100% 182,7%

КС 295,3/60 ТКЗ Д7 КС 295.3/60 ТКЗ Д7 Э

Рис. 5.2. Сравнительные показатели отработки опытных бурголовок

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе анализа закономерностей изнашивания, факторов, влияющих на долговечность опор шарошечных долот и технологических методов повышения их надежности, предложен альтернативный метод упрочнения вибрационной обработкой, решена важная научно-техническая задача определения предельного состояния элементов опоры при проектировании, изготовлении и эксплуатации шарошечных долот.

Проведенные исследования позволили сформулировать следующие основные результаты, выводы и рекомендации:

1. Применяемая технологическая схема формирования трибологиче-ских свойств поверхностного слоя деталей подшипниковой опоры шарошечных долот химико-термической (ХТО) и последующей механической обработкой не обеспечивает заданных свойств поверхностей трения в ранний период эксплуатации долот и требует специальной их приработки.

2. Сформулирована гипотеза о феноменологии упрочнения поверхностного слоя вибрационной обработкой, в сочетании с ХТО и механической обработкой являющейся альтернативным технологическим методом, предполагающим возможность сокращения или исключения периода приработки, увеличивая ресурс долота.

3. Математическая модель напряженно-деформированного состояния, построенная на решении известного уравнения Лагранжа, адаптированная для рассматриваемой зоны изменения трибологического состояния опоры для различных вариантов технологического упрочнения, позволяет адекватно идентифицировать предельное состояние и граничные условия на-гружения и износа. Распределение полей напряжений и температур по сечению цапфы имеет максимум у нагруженного края беговой дорожки большого роликового подшипника, причем максимальные значения температуры не превышают критерия предельного состояния.

По результатам моделирования получено значение наработки до предельного состояния большого роликового подшипника 322,7 м при серийной технологии упрочнения и 388,3 м при дополнительном виброупрочнении. Сравнение результатов моделирования и эксплуатационных данных показывает адекватность результатов (расхождение 4 %) с вероятностью 0,9 при дисперсии ^2=23 м2.

4. Осуществлен выбор технологических режимов вибрационной обработки опор шарошечных долот на основе априорной и экспериментальной информации.

5. Проведена экспериментальная проверка гипотезы о феноменологии упрочнения поверхностного слоя вибрационной обработкой на этапе приработки и установившегося износа. Установлено повышение износостойкости при виброупрочнении стали 20ХНЗА на 210 %, наплавки твердым сплавом ЗВ14КБ на 216 % по сравнению с применяемой технологией, сопровождаемое уменьшением интенсивности изнашивания в период приработки, что позволит сократить неэффективную работу долота во время приработки и уменьшить число отказов в этот период. Статистическая обработка результатов эксперимента показывает уменьшение разброса значений износа после вибрационного упрочнения более чем в 3 раза, что подтверждает перспективность его применения для повышения стабильности качества обработки опоры шарошечных долот.

6. По данным рекомендациям Лабораторией разработки буровых долот и инструментов ДФГУП ЗапСибБурНИПИ при ОАО «Уралбурмаш» проведено вибрационное упрочнение деталей опор бурголовок КС 295,3/60 ТКЗ Д7-Э. Промысловые испытания подтвердили эффективность применения виброупрочнения, показатели работы бурголовок с виброупрочнен-ной опорой по стойкости и проходке на 256,8 и 182,7 % выше серийных. Экономический эффект повышения надежности на одну бурголовку составил 8216 руб.

7. Проведена модернизация стенда для моделирования абразивного изнашивания элементов опор шарошечных долот.

1. Кутузов Б.Н. Теория, техника и технология буровых работ. М., «Недра», 1972. 312 с.

2. Посташ С.А. Повышение надежности и работоспособности шарошечных долот. М.: Машиностроение, 1982. 120 с.

3. Жидовцев Н.А., и др. Долговечность шарошечных долот. М.: Недра, 1992. 266 с.

4. Железняков Ф.И. Оценка стойкости опор шарошечных долот// Нефтяное хозяйство, №5, 1977. С. 11-15.

5. Бабаев С. Г., Сеидов Э.Н. Пути повышения долговечности штыревых долот. Баку, 1977. 46 с.

6. Брагин А.Ф. Пяльченков В.А. Износ и разрушение деталей буровых долот с твердосплавным вооружением//Машины и оборудование для горных работ. М.: изд. ЦНИИТЭИТЯЖМАШ, 1981, вып. 2-81-16. С. 12-14.

7. Комм Э.Л. Исследование влияния конструктивных и технологических факторов на работоспособность, износ и нагруженность опор шарошечных долот. Автореферат дис. на соискание учен. степ. канд. техн. наук. М.: МИНиГ, 1978.28 с.

8. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Пашков А.Н., Рубарх В.М. Долговечность буровых долот. М.: Недра, 1977. 256с.

9. Жидовцев Н.А., Кацов КБ. и др. Стойкость буровых долот. Киев: Наук, думка, 1979. 242 с.

10. Травкин B.C. Породоразрушающий инструмент для вращательного бурения скважин.-М.: Недра, 1982. 180 с.

11. Еременко В.Ф. Исследование проскальзывания и разворота роликов в опорах и их влияние на работоспособность долот. Автореферат дис. на соискание учен. степ. канд. техн. наук, М.: МИНиГ, 1978, 22 с.

12. Лопатин Ю. С., Остов Г. М, Перегудов А. А. Бурение взрывных скважин на карьерах. М.: Недра, 1979. 288 с.

13. Перетолчин В.А. Вращательное и шарошечное бурение скважин на карьерах. -М.: Недра, 1983. 198 с.

14. Еременко В. Ф., Фарафонов И. И., Марухняк Н. К. Исследование работы шарошечных долот с подшипниками скольжения//РНТС Бурение, № 1,1980. С. 3-4.

15. Шамшев Ф.А., Тараканов С.Н., Кудряшов Б.Б. и др. Технология и техника разведочного бурения. 3-е изд. перераб и доп. М.: Недра, 1983. 321 с.

16. Крылов К.А., Стрельцова О.А. Повышение долговечности и эффективности буровых долот. М.: Недра, 1983. 342 с.

17. Масленников И.К Усовершенствование бурового инструмента для нефтяных скважин. М.: Недра, 1981. 236 с.

18. Масленников И.К. Тенденции развития шарошечных долот. М.: изд. ЦИНТИхимнефтемаш, 1987. 84 с.

19. Бейзелъман Р. Д., Цыпкин Б. В., Перель Л. Я. Подшипники качения. Справочник. М.: «Машиностроение», 1975, 572 с.

20. Посташ С.А., Касинцев А.А. Распределение усилий в подшипниках опоры трехшарошечного долота. В кн.: Технология бурения нефтяных и газовых скважин. Уфа: УНИ, вып.З. 1976. С. 42-48.

21. Левченко А.Т., Жидовцев Н.А., Еременко В.Ф. Влияние размерных соотношений роликов на долговечность опор шарошечных долот//Бурение нефтяных и газовых скважин: Сб. науч. тр. УкрГМПРОНИИнефть, М.: Недра, 1976. Вып. 20. С. 52-58.

22. Посташ С. А., Касинцев А. А. О влиянии точности изготовления долот на режим работы подшипников//РНТС Машины и нефтяное оборудование. М.: изд. ВНИИОЭНГ, 1976, № 7. С. 22-25.

23. Пялъченков В.А. Повышение работоспособности шарошечных долот путем рационального распределения нагрузок по элементам вооружения. Автореферат дис. на соискание учен. степ. канд. техн. наук, М. МИНХиГП. 1983.24 с.

24. Долгушин В.В. Исследование влияния конструктивных параметров на105на нагруженность и работоспособность элементов шарошечного долота. -Автореферат дис. на соискание учен. степ. канд. техн. наук JL, 1980. 16 с.

25. Ахадов Г.Г., Гатамов С.Б., Аллахвердов Э.Р. Повышение точности сборки секционных буровых шарошечных долот//Химическое и нефтяное машиностроение, №8, 1980. С. 24-27.

26. Хебды М., Чичинадзе А.В. Справочник по триботехнике: В 3 т. Т. 2: Смазочные материалы, техника смазки, опоры скольжения и качения. М.: Машиностроение, 1990. -416 с.

27. Гаркунов Д. Н. Триботехника. М.: Машиностроение, 1988. 424 с.

28. Масленников И.К. Буровой инструмент. М.: Недра, 1989. 320 с.

29. Абрамсон М.Г., Поздняков В.И., Позднякова А.А. Влияние точности изготовления трехшарошечных долот с опорами на подшипниках качения и скольжения на показатели их работы//Машины и нефтяное оборудование. М.: изд. ВНИИОЭНГ, №4, 1978. С. 11-14.

30. Жидовг{ев Н. А., Байдюк Б. В., Крицук А. А. и др. Пути практического использования показателей механических свойств горных пород в бурении//Сб. науч. тр. БелНИГРИ. Минск, 1982. С. 3-11.

31. ОСТ 26-02-1315-84. Долота шарошечные. Технические условия. С изменениями №№ 1, 2, 3, 4, 5. 6, 7, 8, 9, 10. Гр. Г43 ОКП.З66440. Торгашов А.В., Акчурин А.А., Коротаев В.А., Логинов А.А. и др. С. 1-23.

32. Кудряшов Б.Б., Кирсанов А.И. Бурение разведочных скважин с применением воздуха. М.: Недра, 1990. 263 с.

33. Катаное Б.А., М.М. Сафронов. Инструмент для бурения взрывных скважин на карьерах. -М.: Недра, 1989. 176 с.

34. Кудряшов Б. Б., Зорэ О. В., Бронзов А. С., Филатов Б. С. Температурный режим шарошечного долота при бурении с продувкой//Нефтяное хозяйство, 1969, №1. С. 1-5.

35. Мавлютов М.Р., Попенов А.И., Алексеев JI.A. О температурных вспышках и их влияние на изнашивание опоры шарошечных долот//Нефть и газ, 1980, № 8. С. 19-23.

36. Есьман Б.И., Габузов Г.Г. Термогидравлические процессы при бу106бурении скважин. М.: Недра, 1991. 216 с.

37. ГОСТ 20692-75. Долота шарошечные. Типы и основные размеры. Технические требования. Переиздание (октябрь 1996 г.) с изменениями №№ 1, 2, 3, 4, 5. Изд. стандартов. С. 1-8.

38. РД 39-0148052-525-86. Инструкция по эксплуатации буровых шарошечных долот при бурении эксплуатационных, разведочных и других скважин на углеводородное сырье. М.: изд. ВНИИБТ, 1987. 204 с.

39. Торгашов А.В., Барвинок В.А., Гладких В.Н. Проблемы качества бурового породоразрушающего инструмента в условиях рыночной экономики//Надежность и сертификация оборудования для нефти и газа, №4, М., 1997. С. 25-26.

40. Боярских Г.А., Хазин M.JI. Надежность технических систем. Екатеринбург: изд. Уральской гос. горно-геол. академии, 2002. -180 с.

41. Боярских Г.А., Симисинов Д.И. Предпосылки прогнозирования и формирования надежности элементов системы шарошечного бурения. //Изв. вузов. Горный журнал. 2001. -№2. 36-42 с.

42. Бабаев С.Г. Надежность нефтепромыслового оборудования. -М.: Недра, 1987. 262 с.

43. Боярских Г.А., Симисинов Д.И. Сравнительная оценка эффективности упрочнения элементов опоры шарошечных долот//Изв. вузов. Горный журнал. 2002. №5. С. 65-72.

44. Торгашов А.В. Повышение надежности бурового породоразрушающего инструмента конструкторско-технологическими методами//Проблемы машиностроения и автоматизации. Международный журнал, №3, М., 1997. С. 83-88.

45. Халилов А. А., Халилов У. А. Технология изготовления нефтепромыслового инструмента. М.: Машиностроение, 1982. 168 с.107

46. Костецкий Б. И. Износостойкость металлов. М.: Машиносроение, 1980. 146 с.

47. William P. Gast. Well-casing protection a study of interference//Oil and Gas, 1983, vol. 71, № 17. P.p. 78-87.

48. Виноградов В. Н., Жидовцев Н. А., Буняк Б. Т. и др. Криогенная обработка долот резерв повышения эффективности их работы//Нефтяное хозяйство, 1986. № 10. С. 12-13.

49. Буняк Б. Т., Жидовцев Н. А., Бородинна Е.Н. Обработка долот глубоким холодом//Нефтяная и газовая промышленность, 1985, № 3. С. 1015.

50. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированим. Справочник. М.: Машиностроение, 1987. 326 с.

51. ВиноградовВ.Н., ЖидовцевН.А., Гинсбург Э.С. Криогенная обработка долот резерв повышения их работы//Нефтянное хозяйство. №10 1986. С. 18202.

52. Отчет о НИР. Разработка технологии упрочнения деталей долот для высокооборотного бурения с целью повышения стойкости. Рук. работы Боярских Г.А. -№ ГР 01 880004156. Свердловск, СГИ. 1989. 126 с.

53. Рябцева В.Н. Исследование микромеханических характеристик поверхности трения после лазерной обработки//Тезисы доклада на Всесоюзной конференции «Проблемы развития нефтегазового комплекса страны». ГАНГ108им. И.М.Губкина, М„ 1991. С. 37-39.

54. Baker Hughes Mining Tools. // Blasthole Bit Handbook, 1988, №5.

55. Торгашов A.B. и др. Современные шарошечные долота, проблемы их совершенствования и повышения надежности. Самара: Самарский научный центр РАН, 2000. 190 с.

56. Лошак М.Г. Прочность и долговечность твердых сплавов. Киев: Наук, думка, 1984. 328 с.

57. Хрущов М.М. и др. Износостойкость и структура твердых наплавок. М.: Машиностроение, 1971. 128 с.

58. Хрущов М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. М.: Наука, 1970. 252 с.

59. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Колоколъников М.Г. Абразивное изнашивание. -М.: Машиностроение, 1990. 224 с.

60. Картышев Б.И. Технологические возможности объемной вибрационной обработки//Вестник машиностроения, 1969, № 5. с. 52-55.

61. Карташов И.Н. и др. Обработка деталей свободными абразивами в вибрирующих резервуарах. Издательское объединение «Вища школа», 1975, 188 с.

62. Димов Ю.В., Кольцов В.П. Точность и качество поверхности при виброабразивной обработке легких сплавов//Вестник машиностроения, 1974, № 8. С. 49-53

63. Ящерицын П.И., Цокур А.К, Колощук Э.М. Исследование процесса виброабразивной обработки на полуторовых вибромашинах//В сб. Материалы 1-й Всес. науч.-техн. конф. «Соверш. процессов финиш, обработки в машиностр.» Минск: Вышэйш. школа, 1975. С. 136-138.

64. Боярских Г.А. Обоснование, выбор параметров и создание буровых коронок для машин ударного действия. Автореферат дис. на соискание учен, степ. докт. техн. наук, Екатеринбург: Уральская гос. горно-геол. академия, 1997. 36 с.

65. Браженцев В.П., Мокшин А.С. Экспериментальные исследования рациональных отношений размеров элементов подшипников в опорах шарошечных долот//Труды ВНИИБТ, 1971, №28. С. 275-287.

66. Беликов В. Г., Посташ С. А. Рациональная отработка и износостойкость шарошечных долот. -М.: Недра, 1972. 122 с.

67. Посташ С.А., Касинцев А. А. Измерение усилий в подшипниках опоры долота//РИТС Машины и нефтяное оборудование, М.: изд. ВНИИОЭНГ, 1975, № 7. С. 29-31.

68. Комм Э.Л., Перлов Г.Ф., Мокшин А.С. Исследование нагруженности секций шарошечного долота//Труды ВНИИБТ, вып. 36. М., 1976. С. 27-36.

69. Лыков А.В. Теплообмен: Справочник. —2е изд., перераб и доп. М.: Энергия, 1978. 479 с.

70. Шевченко Ю.Н., Бабешко М.Е. и др. Решение осесимметричной задачи термопластичности для тонкостенных и толстостенных тел вращения на ЕС ЭВМ, Киев: Наукова думка, 1980.196 с.

71. Оден Дэю. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. -Пер с англ. М.: Мир, 1976. 487 с.

72. Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднородных сред. М.: Наука, 1977. 399 с.

73. Полухин П.И., Тюрин В.А. и др. Обработка металлов давлением в машиностроении. М.: Машиностроение; София: Техника, 1983. 320 с.

74. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. -2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1975. 399с.110

75. Крагелъский И. В., Михин Н. М. Узлы трения машин. Машиностроение, М., 1985,

76. Сгшисинов Д.И., Боярских Г.А., Хазин M.JI. Методология моделирования напряженно-деформированного состояния элементов опоры шарошечного долота//Известия Уральской гос. горно-геол. академии. Сер.: Горная электромеханика. 2003, вып. 16. С. 15-18.

77. Мэнсон С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость. Перевод с англ. М.: «Машиностроение», 1974. 344 с.

78. Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали: Справочник. -4-е изд., перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1992. 480 с.

79. Зажигаев Л.С., Кишъян А.А., Романиков Ю.И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента. М.: Атомиздат, 1975. 230 с.

80. Шор Я.Б., Кузьмин Ф.И. Таблицы для анализа и контроля надежности. М.: Советское радио, 1968.

81. Симисинов И.Л., Сгшисинов Д.И. Пути повышения технико-технологических показателей шарошечных бурильных головок диаметром 295,3 мм//Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 11.2001. С. 15-17.

82. Симисинов Д.И., Курбанов Я.М., Симисинов И.Л., и др. Повышение технологических показателей шарошечных бурильных головок для бурения Уральской СГ-4//Разведка и охрана недр. 6.2003. С. 8-10.