Підвищення ефективності технологічного процесу відцентрового армування породоруйнівних елементів бурових доліт

Abstract

Робота присвячена підвищенню ефективності відцентрового армування породоруйнівних елементів бурових доліт. Обгрунтовано заміну суцільного твердосплавного зубця комбінованим із робочою армованою твердим сплавом зоною та сталевим хвостовиком і визначено натяги у дво- і трикомпонентному з’єднаннях з корпусом долота. Уточнено закон розподілу армуючих частинок у перехідній зоні зубця, обґрунтувано величину залишкового шару робочої час-тини для запобігання провалювання під дією експлуатаційного навантаження. Розроблено математичну модель процесу відцентрового армування з дво-ма взаємно перпендикулярними осями обертання ливарної форми. Здійснено модернізацію обладнання і розроблено систему автоматизованого керування технологічним процесом. За результатами досліджень, проведених з викори-станням планування експерименту, отримано моделі другого порядку для кон-центрації та зносу, оптимізовано параметри технологічного процесу. Удосконалено конструкції з’єднань зубця з корпусом. Розроблено техно-логію відцентрового армування з використанням легкоплавких контейнерів та інженерну методику визначення параметрів технологічного процесу відцентро-вого армування. Розроблено програму та методику стендових випробовувань комбінованих зубців і проведено їх порівняльні із суцільними твердосплавними випробовування на знос.

Работа посвящена повышению эффективности технологического процес-са центробежного армирования породоразрушающих элементов буровых долот с двумя взаимно перпендикулярными осями вращения литейной формы. Теоре-тически обоснована замена сплошного твердосплавного зубка на комбиниро-ванный с армированной рабочей зоной и стальным хвостовиком. На моделях плоского напряженного состояния и антиплоской деформации исследовано на-пряженно-деформированное состояние двух- и трехкомпонентного соединений комбинированного зубка с корпусом долота, решены задачи оптимизации вы-бора натягов, обеспечивающие наибольшее значение допустимой нагрузки при выполнении условий прочности компонентов и требований непроскальзывання и нераскрытия стыков. Для комбинированного зубка обоснован нелинейный со спадающим градиентом закон распределения армирующих частиц в переход-ной зоне от рабочей армированной зоны к хвостовой части, а также толщина остаточного рабочего армированного слоя для предотвращения его продавли-вания под действием контактных нагрузок при достижении породоразрушаю-щим элементом допустимого и предотвращения катастрофического износа. Разработана математическая модель процесса центробежного армирова-ния при вращении литейной формы вокруг двух взаимно перпендикулярных осей с использованием нелинейных дифференциальных уравнений, в которой учтено изменение коэффициента сопротивления движению твердосплавных частиц в расплавленной стали в зависимости от их относительной скорости. По полученной модели исследованы траектории движения твердосплавных частиц с целью обеспечения формирования рабочей зоны заготовки детали с заданным распределением в ней армирующих частиц, а также для определения и оптими-зации технологических параметров процесса центробежного армирования. Предложена схема введения армирующих частиц в литейную форму. Осущест-влена модернизация оборудования и разработана система автоматизированного управления технологическим процессом центробежного армирования. По ре-зультатам исследований, проведенных с использованием планирования экспе-римента, получены регрессионные модели второго порядка для описания кон-центрации армирующих частиц в рабочей зоне, а также износа рабочей зоны в зависимости от частот вращения литейной формы вокруг горизонтальной и вертикальной осей, температур нагрева формы и армирующих частиц соответ-ственно и определены оптимальные параметры технологического процесса центробежного армирования породоразрушающих элементов буровых долот. По результатам микроэлектрохимических измерений установлен эффект самозатачивания рабочей центробежно-армированной части породоразрушаю- щих элементов за счет растворения стальной матрицы. Усовершенствованы конструкции соединений с натягом зубка с корпусом путем использования зубка с конической поверхностью, которая сопрягается с цилиндрической, а также с введением промежуточной конической втулки, ко-торая развальцовывается при ее запрессовке в корпус долота. Разработана тех-нология центробежного армирования с использованием легкоплавких контей-неров, наполненных частицами твердого сплава, устанавливаемых в зоне поро-доразрушающих элементов бурового долота, которые расплавляются при за-ливке в форму жидкой стали. Предложена инженерная методика определения параметров технологического процесса центробежного армирования. Разрабо-тана программа и методика стендовых испытаний, проведены сравнительные испытания на износ комбинированных и сплошных твердосплавных зубков, а также промышленные испытания буровых долот. Результаты исследований внедрены в производство и учебный процесс.

The paper deals with the efficient improvement of the centrifugal reinforce-ment process of the cutters of drilling bits. The replacement of solid carbide spurs by steel-shank combined ones is explained. The tightening observed in two-and three-element connection with bits is stated. The distribution of reinforcing particles in the transition zone of the spur is specified. The diameter of the residual working layer, which prevents dangerous wearing, is explained. The mathematical model of the centrifugal reinforcement with two mutually perpendicular axes of the mold is set out. The equipment scheme is redeveloped. The automated control system of centrifugal reinforcement is designed. In the framework of the research studies carried out with the use of experimental design the models of the second order are presented, and the parameters of the technological process are optimized. The spur connection is improved. The technology of using fusible container centrifugal reinforcement is introduced. The engineering technique of parameters es-timating of the technological process of centrifugal reinforcement is presented. Both the programme and technique of bench tests of combined spurs are developed. Com-parative trials are held within the context of wearing with solid carbide spurs.