RU220881U1 - Шарошка бурового долота - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к буровому оборудованию и может быть использована при разработке конструкций шарошек и их изготовлении. Технический результат достигается тем, что шарошка бурового долота, состоящая из корпуса, промежуточных элементов и зубьев, при этом в корпусе шарошки выполнены глухие отверстия, по форме соответствующие усеченному конусу, расположенному обратной конусностью с большим основанием на дне отверстия и меньшим на рабочей поверхности корпуса, при этом на основаниях глухих отверстий выполнены призматические пазы, места стыков граней ребер которых выполнены с радиусом скругления, в которые установлены промежуточные элементы в виде стакана, выполненного по наружной поверхности в виде ответного усеченного конуса глухому отверстию и имеющего на наружной поверхности большего основания призматический выступ ответной формы призматическому пазу, с выполненными с радиусом скругления местами стыков граней ребер, при этом внутренняя поверхность промежуточных элементов выполнена в форме усеченной пирамиды, места стыков граней ребер которых выполнены с радиусом скругления, расположенной обратной конусностью с большим основанием на дне промежуточного элемента и меньшим на рабочей поверхности, в которую установлены зубья, состоящие из основания и рабочей части, при этом основание выполнено в форме усеченной пирамиды ответной формы внутренней поверхности стакана, также с выполненными с радиусом скругления местами стыков граней ребер, при этом промежуточные элементы изготовлены из материала с эффектом памяти формы. Техническим результатом является повышение надежности фиксации зубьев в шарошку, упрощение процесса монтажа и демонтажа зубьев в шарошку с возможностью обеспечения многократного процесса их монтажа и демонтажа, а также повышение износоусталостной стойкости, в частности стойкости к абразивному износу.

Description

Полезная модель относится к буровому оборудованию и может быть использована при разработке конструкций шарошек и их изготовлении.

Аналогом полезной модели является шарошка буровых долот (пат. на изобретение № 2091558, опубл. 27.09.1997 г.), содержащая корпус с углублениями и зубки из износостойкого материала, которые расположены в углублениях корпуса на рабочей поверхности, отличающаяся тем, что зубки выполнены конусными по наружной поверхности с расширением конуса к нерабочей поверхности и полыми, при этом корпус выполнен из сплава на основе железа, а полости зубков заполнены металлом корпуса под давлением, при этом зубки выполнены из нитрида бора.

Недостатком данного изобретения является быстрый выход из строя шарошки из-за растрескивания корпуса в местах фиксации зубьев, а также из-за их вылета при бурении. Это обусловлено наличием дефектов и остаточных напряжений, возникающих в результате изготовления шарошки данным способом. Так, в процессе получения отливки в результате подачи расплавленного металла в форму с установленными зубьями происходит температурное воздействие на зубья, равное температуре плавления подаваемого сплава. С учетом температурных коэффициентов линейного и объемного расширения и невозможности обеспечения литейных требований заполняемости формы в связи с вязкостью расплавленного металла, а именно, требований к наличию острых углов, размеров, переходов, радиусов, скруглений и др., связанных с особенностями конструкций и требований к эксплуатации, так как в конструкции шарошки появятся такие дефекты как поры (раковины), недоливы, ужимы и др. Также недостатком данного способа является преждевременный скол и надлом зубьев, что обусловлено наличием концентратора напряжения у зубьев, так как они выполнены полыми. При эксплуатации зубья воспринимают нагрузку не только на сжатие, но и на изгиб, сдвиг/срез, скручивание, а все прикладываемые нагрузки являются динамическими, в том числе, ударными и знакопеременными. Также зубья работают на усталостное разрушение (выносливость) и на контактно-усталостный вид нагрузки. Таким образом, наличие концентратора напряжения в виде полости значительно сокращает срок службы зубьев, так как являются местом зарождения и распространения трещины. При этом зубья, изготовленные из керамики, чувствительны к термоциклическому нагружению, что также ускоряет разрушение зубьев, имеющих полость, являющуюся концентратором напряжений. Данная совокупность недостатков значительно снижает срок службы шарошки бурового долота, а также является причиной ускоренного износоусталостного разрушения. При этом в случае скола зубьев отсутствует возможность замены за счет демонтажа и монтажа нового.

Аналогом полезной модели также является шарошка бурового долота (пат. на полезную модель № 188490, опубл. 16.04.2019, Бюл. №11), содержащая корпус с породоразрушающими элементами, выполненный с покрытием на его внешней поверхности в виде напыленного высокоскоростным газопламенным методом слоя из порошкового материала, отличающаяся тем, что покрытие на внешней поверхности корпуса представляет собой адгезионный слой, выполненный из механически активированной смеси порошков вес. %: с эффектом памяти формы TiNi 60-70 и Ni 30-40, на который дополнительно нанесено износостойкое покрытие, выполненное из механически активированной смеси порошков cNB-Co-Ni, вес.%: cNB 50-70, Со 10-20, Ni 20-30, при этом корпус шарошки выполняют из материала с эффектом памяти формы TiNi, при этом толщина адгезионного слоя составляет 150-200 мкм, толщина износостойкого слоя - 1500-2000 мкм, а напыление адгезионного слоя и износостойкого слоя методом высокоскоростного газопламенного напыления осуществляют в защитной атмосфере аргона.

Недостатком данной полезной модели является низкий срок эксплуатации, связанный с выпадением/вырыванием зубьев из шарошки, что обусловлено недостаточной фиксацией в ней зубьев, устанавливаемых с использованием посадки с гарантированным натягом. Также на низкий срок эксплуатации влияет отслоение покрытий по линии раздела (границе) покрытия-подложки и между слоями в результате контактно-ударного воздействия разрушаемой породы, действующего на поверхность шарошки. В результате такого воздействия возникающие в глубине контактные напряжения превышают по значению величину адгезии покрытия с подложкой или межслойную адгезию покрытия, что приводит к отслоению, в результате чего также ускоряется процесс износоусталостного разрушения шарошки бурового долота.

Прототипом полезной модели является породоразрушающий инструмент (пат. на изобретение № 2635669, опубл. 15.11.2017 Бюл. № 32), содержащий корпус с отверстиями, в которых посредством промежуточных втулок закреплены вставки с коническими хвостовиками и рабочей головкой, при этом хвостовики и промежуточные втулки выполнены с ответными коническими поверхностями, внутренний диаметр промежуточных втулок уменьшается от хвостовиков вставок к их рабочей головке, а на конической поверхности промежуточных втулок со стороны, обращенной в направлении хвостовика, выполнены продольные сквозные пазы, имеющие во фронтальной плоскости коническую форму, причем длина продольных сквозных пазов меньше длины промежуточных втулок, при этом отверстия в корпусе выполнены с кольцевой расточкой, а промежуточные втулки - с ответными выступами на наружной поверхности, причем кольцевые расточки выполнены на дне отверстий, а выступы промежуточных втулок - на их концевых участках.

Недостатком данного изобретения является быстрый износ шарошки долота. Во-первых, это происходит в результате распространения трещин в местах изменения сечения втулки (в местах выступов на наружной поверхности втулки и в местах вершин продольных сквозных пазов, выполненных на конической поверхности промежуточных втулок) и корпуса шарошки в посадочных отверстиях под втулки (кольцевая расточка), являющихся концентраторами напряжения и приводящих к скалыванию втулки и корпуса в местах изменения сечения и разрушению целостности конструкции, сопровождающемуся вылетом зубьев. Во-вторых, в результате прокручивания зубьев вокруг своей оси во втулке и прокручивания втулки вокруг своей оси в посадочном отверстии шарошки, вызванных тем, что при бурении зубья также воспринимают крутящий момент при заклинивании и заедании зубьев в породе, а также при перекатывании с проскальзыванием, что приводит к износу и образованию люфтов по поверхностям сопряжения зубьев с втулками и втулок с посадочными местами корпуса, что, в конечном итоге, приводит к излому и вылету зубьев в процессе бурения.

Задачей полезной модели является усовершенствование конструкции шарошки бурового долота, обеспечивающей повышение ее эксплуатационных характеристик и срока эксплуатации.

Техническим результатом является повышение надежности фиксации зубьев в шарошку, упрощение процесса монтажа и демонтажа зубьев в шарошку с возможностью обеспечения многократного процесса их монтажа и демонтажа, а также повышение износоусталостной стойкости, в частности, стойкости к абразивному износу.

Технический результат достигается тем, что шарошка бурового долота, состоящая из корпуса, промежуточных элементов и зубьев, при этом в корпусе шарошки выполнены глухие отверстия, по форме соответствующие усеченному конусу, расположенному обратной конусностью с большим основанием на дне отверстия и меньшим на рабочей поверхности корпуса, при этом на основаниях глухих отверстий выполнены призматические пазы, места стыков граней ребер которых выполнены с радиусом скругления, в которые установлены промежуточные элементы в виде стакана, выполненного по наружной поверхности в виде ответного усеченного конуса глухому отверстию и имеющего на наружной поверхности большего основания призматический выступ ответной формы призматическому пазу, с выполненными с радиусом скругления местами стыков граней ребер, при этом внутренняя поверхность промежуточных элементов выполнена в форме усеченной пирамиды, места стыков граней ребер которых выполнены с радиусом скругления, расположенной обратной конусностью с большим основанием на дне промежуточного элемента и меньшим на рабочей поверхности, в которую установлены зубья, состоящие из основания и рабочей части, при этом основание выполнено в форме усеченной пирамиды ответной формы внутренней поверхности стакана, также с выполненными с радиусом скругления местами стыков граней ребер, при этом промежуточные элементы изготовлены из материала с эффектом памяти формы.

Выпадение зубьев в процессе бурения является частым и неприятным явлением. Выпавшие зубья, попадая под зубья вращающихся шарошек, приводят к их сколу, уменьшая тем самым породоразрушающую способность долота. Для эффективной и безаварийной работы последующих долот необходима тщательная очистка забоя. Поэтому любые затраты, связанные с повышением надежности фиксации зубьев на корпусе шарошки, не идут ни в какое сравнение с теми потерями, которые имеют место при выпадении зубьев. Посадка с натягом или гарантированным натягом не обеспечивает необходимое усилие, обеспечивающее удержание зубьев в корпусе долота, а значительное увеличение значения разницы линейного размера посадочного места корпуса и основания зуба, обеспечивающее повышение значения посадки с натягом с увеличением удерживающего усилия при обжатии посадочного отверстия зуба, способствует возникновению напряжений, которые могут привести к разрушению как зубьев, так и самого корпуса шарошки, а также стать причиной преждевременного зарождения и быстрого раскрытия (перемещения) трещин от места сопряжения как в корпусе шарошки, так и в зубе. Повышение надежности фиксации зубьев в корпусе шарошки может быть обеспечено за счет особенностей формы посадочного места (отверстия) в корпусе шарошки и за счет формы основания зубьев. Так, создавая конусную форму (усеченный конус), возможно обеспечение фиксации геометрией, а выпадение зубьев делается невозможным, так как удержание зубьев обеспечивается не силой трения покоя (посадка с натягом), а самой геометрией, поэтому потеря зубьев возможна лишь при разрушении самого зуба, либо от нагрузок, возникающих на излом, отрыв или срез, значение усилия которых значительно превышает значение усилия, необходимого для вырывания зубьев при посадке с гарантированным натягом. Стоит отметить, что при натяге возникают напряжения по поверхности сопряжения как в зубьях, так и в корпусе шарошки из-за чего зубья и корпус работают в сложнонапряженном состоянии, что также снижает прочностные характеристики как зубьев, так и корпуса в местах посадочных отверстий под зубья.

Обеспечение возможности соединения зубьев и корпуса шарошки с обратной конусностью возможно лишь на момент изготовления за счет литья или за счет использования материала с эффектом памяти формы. В случае литья получаемое изделие имеет дефекты, которые являются причиной преждевременного выхода из строя шарошечного долота. Такие дефекты связанны с особенностью требований к конструкции шарошки (корпуса и зубьев в сборе), что делает невозможным применение литейных скруглений в местах сопряжения зубьев с корпусом шарошки долота. При этом обеспечение литейных размеров, радиусов, переходов и т.д., а также дополнительных припусков требует изменения конструкции шарошки и не обеспечивает соответствие получаемой шарошки требованиям к ее эксплуатации. При этом невозможно обеспечить бездефектную структуру получаемого литья в местах сопряжения зубьев и корпуса шарошки, что приводит к его разрушению в месте сопряжения с зубьями и, как следствие, выпадению зубьев и выкрашиванию корпуса шарошки. Также наличие резких переходов в литейной форме приводят к возникновению раковин, ужимов и недоливов в местах сопряжения зубьев и корпуса шарошки долота, высокотемпературное воздействие при взаимодействии литейного сплава корпуса шарошки на зубья приводит к изменению структуры материала, из которого изготовлены зубья, что также приводит к снижению физико-механических характеристик зубьев.

Наиболее оптимальным решением является применение сплавов с эффектом памяти формы, которые позволяют проводить процесс монтажа за счет термоупругого фазового превращения, обеспечивающего форму для легкого монтажа в мартенситном фазовом состоянии (низкотемпературном) и жесткую фиксацию зубьев формой, соответствующей аустенитному фазовому состоянию (высокотемпературному). При этом изготовление корпуса шарошки из данного материала требует защиты от интенсивного воздействия породы (абразивных частиц), для чего на поверхность шарошки наносится защитное покрытие из износостойких материалов, однако в результате воздействия породы на поверхность покрытия происходит контактное выкрашивание и отслоение покрытия от подложки, что снижает физико-механические характеристики и, как следствие, эксплуатационные характеристики такого типа шарошки, следствием чего является снижения срока службы. Также одним из недостатков является возможность прокручивания зубьев в посадочных отверстиях корпуса или втулок вокруг своей оси, что приводит к изнашиванию либо зубьев, либо посадочных отверстий корпуса, либо втулок по поверхностям сопряжения. При этом фиксация геометрией не должна иметь резких изменений сечений, являющихся местами концентрации напряжений, а также должны отсутствовать все виды концентраторов напряжений или они должны быть заменены на те, которые не приводят к экстремальному росту напряжений, превышающих по значению предела упругости или пропорциональности материала.

Таким образом, с учетом вышеперечисленного решением может быть применение промежуточного элемента (стакана) из материалов с эффектом памяти формы (с термоупругими фазовыми превращениями), которые обеспечат возможность фиксации зубьев в корпус шарошки посредством геометрической особенности исполнения наружной и внутренней поверхностей стакана. Фиксация стакана от выпадения и вырывания из посадочного отверстия корпуса шарошки обеспечивается за счет выполнения глухого отверстия корпуса шарошки, по форме соответствующего усеченному конусу, расположенному обратной конусностью с большим основанием на дне отверстия и меньшим на рабочей поверхности корпуса и за счет исполнения наружной поверхности в виде ответного усеченного конуса глухому отверстию корпуса. Фиксация стакана от проворота вокруг своей оси в посадочном отверстии корпуса шарошки обеспечивается выполнением на основании глухого отверстия призматического паза, у которого места стыков граней ребер выполнены с радиусом скругления, и выполнением на наружной поверхности большего основания стакана призматического выступа ответной формы призматическому пазу, с выполненными с радиусом скругления местами стыков граней ребер. Выполнение ребер по радиусу позволяет уменьшить значение напряжений в местах ребер от критического до не превышающего по значению предела упругости материалов. При этом призматические паз и выступ, выполненные в отверстии корпуса и на внешней поверхности основания стакана, соответственно, воспринимают только нагрузку, возникающую при бурении на прокручивание (крутящий момент) вокруг оси. Данная нагрузка является побочной, а не основной. При бурении ее величина незначительна в сравнении с основной нагрузкой, воспринимаемой элементами конструкции стакана и корпуса шарошки, не имеющих по направлению возникновения больших величин напряжений и имеющих достаточную площадь сечения, при которой возникающие напряжения не превышают предела пропорциональности материалов, из которых они изготовлены.

Фиксация зубьев от осевого смещения и проворота вокруг своей оси в стакане, установленном в корпус шарошки, обеспечивается изготовлением внутренней поверхности промежуточных элементов в форме усеченной пирамиды, места стыков граней ребер которых выполнены с радиусом скругления, расположенной обратной конусностью с большим основанием на дне промежуточного элемента и меньшим на рабочей поверхности, в которые установлены зубья, состоящие из основания и рабочей части, при этом основание выполнено в форме усеченной пирамиды ответной формы внутренней поверхности стакана, также с выполненными по радиусу ребрами местами стыков граней. Таким образом, форма пирамиды обеспечивает одновременно фиксацию от осевого смещения и проворота вокруг оси зубьев установленных в стакан, а выполнение мест стыковок граней (ребра) по радиусу также обеспечивает изменение формы концентратора напряжения ребра из углового четко выраженного в скругленный, уменьшая значения возникающих напряжений с критического значения на значение меньшее по величине и не превышающее предела упругости или предела пропорциональности в местах стыка граней пирамиды.

При этом толщина стенки конических втулок и их расположение уменьшает вероятность частого взаимодействия с элементами породы, что делает такой конструкторский прием возможным, а срок службы втулок в таком исполнении конструкции шарошки долота с учетом особенностей расположения и толщины стенки втулки превышает срок службы корпуса шарошки, что не влияет на общий эксплуатационный ресурс конструкции.

Использование фиксации геометрией зубьев в корпусе шарошки гарантирует полное решение проблемы выпадения зубьев с посадочного места, а разрушения зубьев возможны лишь в случаях превышения нагрузки во время эксплуатации предела прочности зубьев как на отрыв, так и на срез, изгиб и скручивание. При этом использование стакана с эффектом памяти формы позволяет сохранить эксплуатационный ресурс шарошки при возможности увеличения эксплуатационных характеристик (режимов бурения), что делает данное решение оптимальным, сохраняя срок эксплуатации существующих конструкций шарошечных долот, повышая надежность долота за счет решения проблемы выпадения зубьев при бурении.

Таким образом, предлагаемая конструкция шарошки бурового долота имеет повышенный эксплуатационный срок и характеристики, а также обеспечивает надежную фиксацию зубьев в корпусе шарошки, обеспечивая гарантированную защиту от выпадения зубьев из посадочного места в корпусе шарошки долота.

На фиг. 1 показана конструкция корпуса шарошки бурового долота. На фиг. 2 представлена конструкция конической втулки. На фиг. 3 представлена конструкция зуба. На фиг. 4 представлена принципиальная схема исполнения предлагаемой конструкции шарошки бурового долота.

Шарошка бурового долота состоит из корпуса 1 с глухими отверстиями 2, имеющими форму усеченного конуса с обратной конусностью и с выполненными на основании призматическими пазами 3, места стыков граней ребер которых выполнены с радиусом скругления. В глухие отверстия 2 установлены промежуточные элементы 4 в виде стаканов, имеющих форму ответного усеченного конуса глухому отверстию 2, а также призматический выступ 5 ответной формы призматическому пазу 3 на наружной поверхности большего основания. Места стыков граней призматического выступа 5 также выполнены по радиусу. Внутренняя поверхность промежуточных элементов 4 выполнена в форме усеченной пирамиды, места стыков граней ребер которых выполнены с радиусом скругления, расположенной обратной конусностью с большим основанием на дне промежуточного элемента и меньшим на рабочей поверхности. Во внутреннюю часть промежуточных элементов 4 установлены зубья 6, состоящие из основания 7 и рабочей части 8, при этом, основание 7 выполнено в форме усеченной пирамиды ответной формы внутренней поверхности промежуточного элемента 4 в виде стакана, также с выполненными по радиусу ребрами местами стыков граней, при этом промежуточные элементы 4 изготовлены из материала с эффектом памяти формы.

Монтаж шарошки бурового долота предлагаемой конструкции осуществляется следующим образом: промежуточные элементы 4 в форме стакана, изготовленные из материала с эффектом памяти формы, охлаждают до температуры соответствующей низкотемпературному фазовому состоянию материала (мартенсит), после чего задают форму, обеспечивающую свободную установку промежуточного элемента 4 в глухие конические посадочные отверстия 2 корпуса 1, обеспечивая сопряжение призматического выступа 5 промежуточных элементов 4 с призматическим пазом 3 отверстия 2 корпуса 1. Далее промежуточные элементы 4 нагревают до температуры соответствующей высокотемпературному фазовому состоянию материала (аустенит), благодаря чему они приобретают первоначальную форму, самоцентрируются и самофиксируются в глухие конические посадочные отверстия 2 корпуса 1, обеспечивая плотное сопряжение по всем внешним поверхностям промежуточных элементов 4 с внутренними поверхностями глухого конического посадочного отверстия 2 корпуса 1. После чего охлаждают промежуточные элементы 4, установленные в глухие конические посадочные отверстия 2 корпуса 1 до температуры, соответствующей низкотемпературному фазовому состоянию материала (мартенсит), и задают форму, обеспечивающую свободную установку оснований 7 зубьев 6 в промежуточные элементы 4, установленные в глухие конические посадочные отверстия 2 корпуса 1. Затем промежуточные элементы 4, установленные в глухие конические посадочные отверстия 2 корпуса 1, нагревают до температуры, соответствующей высокотемпературному фазовому состоянию материала (аустенит), благодаря чему промежуточные элементы 4 приобретают первоначальную форму, обеспечивая самоцентрирование и самофиксирование оснований 7 зубьев 6 в промежуточные элементы 4, установленные в глухие конические посадочные отверстия 2 корпуса 1, обеспечивая плотное сопряжение внешних боковых поверхностей призматического основания 7 зуба 6 с внутренними боковыми поверхностями промежуточных элементов 4, установленных в глухие конические посадочные отверстия 2 корпуса 1.

Демонтаж или замена зубьев 6 проводятся в обратной последовательности монтажу.

Claims (1)

1. Шарошка бурового долота, состоящая из корпуса, промежуточных элементов и зубьев, отличающаяся тем, что в корпусе шарошки выполнены глухие отверстия, по форме соответствующие усеченному конусу, расположенному обратной конусностью с большим основанием на дне отверстия и меньшим на рабочей поверхности корпуса, при этом на основаниях глухих отверстий выполнены призматические пазы, места стыков граней ребер которых выполнены с радиусом скругления, в которые установлены промежуточные элементы в виде стакана, выполненного по наружной поверхности в виде ответного усеченного конуса глухому отверстию и имеющего на наружной поверхности большего основания призматический выступ ответной формы призматическому пазу, с выполненными с радиусом скругления местами стыков граней ребер, при этом внутренняя поверхность промежуточных элементов выполнена в форме усеченной пирамиды, места стыков граней ребер которых выполнены с радиусом скругления, расположенной обратной конусностью с большим основанием на дне промежуточного элемента и меньшим на рабочей поверхности, в которую установлены зубья, состоящие из основания и рабочей части, при этом основание выполнено в форме усеченной пирамиды ответной формы внутренней поверхности стакана, также с выполненными с радиусом скругления местами стыков граней ребер, при этом промежуточные элементы изготовлены из материала с эффектом памяти формы.