авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Повышение долговечности буровых шарошечных долот на основе совершенствования технологии сборки и упрочне­ния шарошек с твердосплавными зубками

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

КРЕМЛЁВ Виталий Игоревич

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ БУРОВЫХ ШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ СБОРКИ И

УПРОЧНЕ­НИЯ ШАРОШЕК С ТВЕРДОСПЛАВНЫМИ ЗУБКАМИ

Специальность: 05.02.08 -Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Самара - 2009 г.

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Носов Николай Васильевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Дёмин Феликс Ильич

кандидат технических наук, доцент

Головкин Валерий Викторович

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество

«Уралбурмаш»

Защита состоится « 11 » декабря 2009 г. в 16.00 на заседании
диссертационного совета Д 212.217.02 при государственном образовательном
учреждении высшего профессионального образования «Самарский
государственный технический университет» по адресу: 443010, г.Самара,
ул. Галактионовская, 141 (учебный корпус № 6), ауд.28

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

Автореферат разослан «10» ноября 2009 г.

Прошу Вас принять участие в обсуждении работы и направить свой отзыв, заверенный гербовой печатью, по адресу:

443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус СамГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.02

Ученый секретарь

диссертационного совета

Д 212.217.02

доктор технических наук, профессор

А.Ф. Денисенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Буровые шарошечные долота - основной инструмент, с помощью которого осуществляется разрушение породы и ведется строительство глубоких скважин в нефтяной и газовой промышленности, а также бурение скважин в угольной про­мышленности и в геологоразведке.

Буровые долота работают в очень тяжелых условиях - при нагрузках, исчисляемых десятками тонн, давлении до 500 атмосфер, при частоте вращения шарошек до 1000 об/мин., в высокоабразивной среде, в которой быстро изнашиваются даже твердо­сплавные зубки, армированные алмазами.

За два последних десятилетия показатели работы буровых долот многократно возросли. Средняя проходка на долото уже исчисляется сотнями метров. Однако, зарубежные и отечественные потребители, получая все более мощные буровые ус­тановки, настоятельно требуют дальнейшего повышения показателей работы до­лот, поскольку стоимость каждого пробуренного метра исчисляется тысячами рублей и любое увеличение долговечности долот в эксплуатационном бурении по­зволяет экономить многие миллионы рублей.

При бурении пород от средних до очень крепких абразивных до 70% отказов долот происходит из за выхода из строя части породоразрушающих зубков и разрушения корпусов шарошек. Это связанно с развитием при бурении высоких внутренних напряжений, возникающих в шарошках при холодной запрессовке с натягом множества твердосплавных зубков в отверстия на их конусах. При этом снижение установленной величины минимального натяга способствует вылету зубков из отверстий при работе долота, а повышение величины натяга способствует резкому росту напряжений, развитию трещин вокруг зубков и разрушению корпусов шарошек.





Кроме того, при применяемых форсированных режимах бурения происходит абразивный износ тела шарошек вокруг зубков, приводящий к росту их выступания над телом шарошки, а значит увеличению интенсивности нагружения. Износ тела шарошки при этом уменьшает длину запрессованного хвостовика, а значит снижает величину сил трения покоя, удерживающих зубки. Износ поверхностей шарошек на 23мм, как правило, выводит долото из строя.

Повышение долговечности твердосплавных зубков буровых до­лот зависит от целого комплекса конструктивных и технологических факторов, влияющих на стойкость и надежность работы зубков и шарошек в целом. Улучшение какого-то од­ного фактора способно лишь частично повышать ресурс работы долота, поэтому повышение эффективности его работы возможно только с одновременным проведением комплекса взаимосвязанных исследований, и в том числе касающих­ся снижения напряжений, возникающих при запрессовке большого числа зубков в отверстия на венцах шарошки.

Решение указанных недостаточно изученных проблем повышения долговечности шарошечных долот на основе совершенствования технологий сборки и упрочнения шарошек с твердосплавными зубками вызвано острой производственной необходимостью, актуально для отечественного и зарубежного долотостроения.

Цель работы

Повышение эффективности и конкурентоспособности работы буровых шаро­шечных долот за счет совершенствования технологий сборки и упрочнения шарошек с твердосплавными зубками.

Методы исследования

В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследований НДС зубка и шарошки при запрессовке и в процессе эксплуатации, использована методология системного подхода к изучению основ­ных факторов, влияющих на долговечность твердосплавных зубков.

Экспериментальные исследования проводились на основе разработанных ори­гинальных методик, основных положений технологии машиностроения, методов математической статистики. Исследования НДС зубков и шарошек выполнялись на конечно-элементных моделях с помощью программного пакета ANSYS.

Конечная оценка эффективности полученных результатов исследований выпол­нялась при проведении промысловых испытаний буровых шарошечных долот.

Достоверность и объективность полученных результатов исследований, стендовых и промысловых испытаний подтверждены корректным совпадением теоретических и экспериментальных данных, а также применением компьютерны­х систем сбора и обработки данных.

Основные задачи исследования

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

  1. Разработать компьютерную модель процесса запрессовки твердосплавных зубков в зависимости от конструктивных и технологических факторов.
  2. Разработать критерий трещиностойкости материала шарошки в зависимости от величины напряжений, возникающих от запрессовки зубков и от величины нагружения зубков на забое.
  3. Сформировать селективную сборку по группам, обеспечивающую снижение предельных напряжений.
  4. Исследовать влияние на НДС параметров запрессовки зубков с применением ультразвуковых колебаний.
  5. Разработать методику неразрушающегося контроля напряжений в корпусе шарошки в зависимости от технологии сборки.
  6. Разработать технологию упрочнения за счет нанесения износостойких покрытий на наружные поверхности шарошек.
  7. Разработать научно обоснованные рекомендации и внедрить предложенную технологию сборки и упрочнения шарошек в производство.

Основные положения, выносимые на защиту:

  • результаты аналитических и экспериментальных исследований влияния технологических факторов на НДС корпуса шарошки при запрессовке твердосплавных зубков;
  • методики конечно-элементного моделирования процесса запрессовки «зубок - корпус шарошки» с учетом дополнительного нагружения зубков во время эксплуатации.
  • методики, устройства и результаты процесса ультразвуковой техноло­гии запрессовки твердосплавных зубков в отверстия на шарошке;
  • способ и технологический процесс холодного нанесения твердосплавного покрытия на поверхности шарошки;
  • способ неразрушающего контроля напряжений в корпусе шарошек.

Научная новизна

В работе сформулированы и научно обоснованы новые принципы и направле­ния совершенствования технологии сборки буровых шарошечных долот:



1. Разработана методика расчета напряжений, возникающих при запрессовке твердосплав­ных зубков на венцах шарошек при сборке с учетом дополнительной величины нагрузок зубков на забое.

  1. Предложены критерий трещиностойкости [тр]доп, определяемый по диаграмме растяжения реального образца каждой плавки стали и расчетный коэффициент трещинообразования тр, определяемый с учетом расчетных максимальных пластических деформаций, возникающих от совместного влияния напряжений от запрессовки зубков и нагружения их при работе на забое. Выполнение соотношения [ тр]доп тр позволяет контролировать трещиностойкость каждой плавки стали перед запуском её в производство.
  2. Аналитическими и экспериментальными исследованиями процесса запрессовки зубков с применением ультразвуковых колеба­ний (УЗК) установлено, что в сравнении с показателями обычной запрессовки с тем же натягом, максимальные напряжения в зубке снижаются на 13,4%, интенсивность напряжений в стенке отверстия - на 29%, контактное давление - на 16% (с погрешностью не более 1520%).
  3. Предложена новая для долотостроения методика исследования допустимых напряжений в корпу­се шарошки вокруг запрессованных зубков с помощью неразрушающего контроля на основе использования эффекта Баркгаузена.
  4. Исследования технологии низкотемпературного (до 60°С) высокоскоростного детонационного напыления поверхности шарошек мелкодисперсным твердым сплавом позволило в 2,5 раза повысить твердость корпуса поверхности шарошек, а значит и стойкость долот при бурении.

Практическая ценность и реализация работы

1. Разработаны научно-обоснованные рекомендации по сборке прессового соединения твердосплавных зубков и корпуса шарошки.

  1. Предложена технология сборки твердосплавных зубков с использованием шести групп селекции зубков перед запрессовкой, гарантирующая отсутствие выпадения зубков из гнезд при одновременном снижении возможности трещинообразования.
  2. Предложена новая установка и технологическая оснастка для запрессов­ки твердосплавных зубков с применением ультразвуковых колебаний (патент РФ № 2 357 848 от 10.06.2009 г.).

4. Разработаны технология, оборудование, материалы и оснастка для низкотемпературного ( до 60°С) нанесения мелкодисперсного твердо­сплавного покрытия на поверхности шарошки высокоскоростным детонационным методом, что позволило в 2,5 раза повысить твердость поверхности корпуса шарошки и увеличить долговечность вооружения в часах на 4090%.

5. Проведены эксплуатационные испытания двух наиболее распространенных представителей буровых долот 124,0AUL-LS51XF-R866 и 215,9VU-NLS43ZF-R206A, изготовленных в соответствии с рекомендация­ми. По сравнению с базовыми долотами они увеличили проходку в метрах на 2041% и стойкость в часах на 1821,8%. За счет этого получен экономический эффект соответственно 130 тыс. руб. и 45 тыс. руб. на долото.

6.По материалам диссертации получено 2 патента РФ на изобретения.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на:

  • международных интернет - конференциях молодых ученых и студентов «Микмус-2005» ИМАШ РАН (Москва, 2005 г.), «Микмус-2008» ИМАШ РАН (Мо­сква, 2008 г.);
  • международной конференции «Актуальные проблемы современной науки», Поволжское отделение Российской инженерной академии (г. Самара, 2005г.);
  • международной конференции «Физика прочности и пластичности материа­лов», Самарский научный центр РАН (г. Самара, 2006 г.);
  • международной научно-практической школе - конференции, Федеральное агентство по науке и инновациям РАН (Москва, 2006 г.);
  • научно-практической интернет - конференции с международным участием «Высокие технологии в машиностроении» СамГТУ (г. Самара, 2006 г.);

-международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы трибологии», изд. «Машиностроение» (Москва, 2007 г.);

  • на научно-технических и ученых советах СамГТУ, ОАО «Волгабурмаш», ОАО «Самаранефтегаз», ОАО «Уралбурмаш».

Публикации

Основное содержание диссертационной работы изложено в опубликованных 2-х статьях в рецензируемых журналах и сборниках, входящих в перечень ВАК, 7-и других публикациях, а также в 2-х описаниях к патентам РФ на технические решения, разработанные в про­цессе исследований и признанные изобретениями.

Объём и структура диссертации

Работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, библиографического списка литературы из 111 наименований. Общий объём работы 169 стр. текста, включающего 93 рисунка и 19 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование решаемых в диссертации задач и рассмотрена ситуация, сложившаяся при изготовлении буровых шарошечных долот в РФ и за рубежом. Показано, что важной задачей является повышение долговечности твердосплавных зубков, закрепленных в корпусе шарошек. Для обеспечения всё возрастающих требований к качеству буровых шарошечных долот необходимы комплексные исследования технологии сборки зубков и упрочнения корпусов шарошек.

В первой главе представлен литературный обзор современного состояния технологии изготовления буровых долот. Рассмотрены конструкторские и технологические факторы, влияющие на работоспособность и стойкость твердосплавных зубков.

К конструкторским факторам сборки относятся: величина натяга при запрессовке, диаметр зубков, шаг между зубками, величина выступания зубков над кор­пусом шарошки, величина хвостовой запрессованной части зубка, удерживающей его в шарошке во время бурения.

К технологическим факторам сборки относятся: точность выполнения заданной фор­мы и размеров зубка и отверстия, усилие запрессовки, скорость прессования, точность изготовления и жесткость приспособлений для установки шарошек, точность и жесткость прессового оборудования и др.

Исследованиями и решениями проблем, связанных с конструкторскими и технологическими факторами, влияющими на технологию сборки, занимались ученые Балакшин Б.С., Базров Б.М., Богомолов P.M., Гусев А.А., Дёмин Ф.И., Дальский А.М., Рыльцев И.К., Соколовский А.П. и др.

В создание теоретических основ ультразвуковой технологии сборки большой вклад внесли отечественные ученые: О.В. Абрамов, Б.А. Агранат, В.К. Асташев, В.А. Вероман, А.И.Исаев, Е.С. Киселев, В.В. Клубович, Б.А. Кравченко, М.С. Нерубай, В.И. Подураев, Г.И. Прокопенко, Г.А.Родимов, В.П. Северденко, У.Р.Хан, Б.Л. Штриков, В.Г. Шуваев и др., а также зарубежные исследователи Л. Баламуз, Ф. Блаха, Л. Колуэлл, Д. Кумабэ, Б. Лангенекер, У. Мезон и др.

Анализ показал, что наибольшие резервы в повышении долговечности твердосплавных зубков содержатся в дальнейших исследованиях вопросов оценки НДС при запрессовке зубков и определении путей их снижения.

Особое внимание необходимо уделить исследованиям по снижению силовых параметров запрессовки зубков в корпус шарошки, в том числе с применением ультразвуковых колебаний.

Во второй главе представлена разработка модели шарошки бурового долота для выполнения анализа НДС методом конечных элементов при исследовании влияния на НДС основных конструкторско-технологических факторов выполнения шарошки. С помощью метода КЭ проведен компьютерный анализ сложной пространственной конструкции шарошки с запрессованными твердосплавными зубками методом построения её математической модели. Сформулированы критерии оптимального размещения зубков на шарошке, приняты допущения о нелинейных свойствах материала стали, упругопластическая модель материала, отработаны приёмы создания КЭ-сеток, выбор способа задания свойств материала, типов КЭ-элементов, подробности КЭ-модели при решении задачи натяга для прямоугольного бруска, выбор сетки с гексагональными элементами.

В качестве исследуемых конструкторско-технологических факторов, влияющих на НДС шарошки были выбраны четыре основных: 1-расстояние «а» между соседними зубками; 2-величина радиусов rз запрессовываемых зубков; 3-величина натяга при запрессовке зубков; 4-совместное влияние натяга при запрессовке и усилия от реакции Р взаимодействия зубка с забоем.

Физико-механические характеристики материалов определялись по диаграмме -, полученной в ЦЗЛ ОАО «Волгабурмаш» при растяжении круглого образца долотной стали 14ХНЗМА. Для исследования НДС при запрессовке зубка рассматривались следующие условия: диаметр зубка d=12 мм, бесконечный брусок высотой Н=12 мм, равной средней глубине запрессовки зубков в тело шарошки и шириной В=24 мм, шагом между зубками а=8 мм, при натяге при запрессовке =0,1 мм. Эти величины наиболее характерны для соединения «зубок - шарошка». Геометрия бруска с зубком в центре (четвертая часть полной модели) разбивалась на конечные элементы в FЕМАРе. При исследованиях НДС зубков при запрессовке рассматривались эквивалентные напряжения экв по Мизесу, эквивалентные пластические деформации экв, давление р со стороны зубка на стенку отверстия.

При исследовании влияния первого фактора- расстояния «а» между соседними зубками рассматривались следующие геометрические параметры соединения: радиус зубка rз = 7 мм, натяг = 0,1 мм, изменение расстояния между зубками от а= 2 мм до а= 8 мм. Расчеты максимальных пластических деформаций пл в зоне между зубками в зависимости от величины а показали, что увеличение расстояния от 2 до 8 мм приводит к уменьшению пластической деформации на 32, 6 %.

При исследовании влияния второго фактора-величины радиусов rз зубков рассматривались те же параметры соединения, а сами радиусы изменялись от 5 до 9мм.

Расчеты максимальных пластических деформаций пл при таком увеличении диаметров показали их уменьшение на 20,2%.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.