Исследование и выбор технологических методов повышения надежности опор шарошечных долот

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. 1 990 010 840 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 № 1 990 010 840.

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-15 000», насосы УНБ 1180. Серийные и бурголовки и опытная бурголовка КС 295,3/60 ТКЗ Д7 № 16 479 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 разпо 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.

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.