Содержание к диссертации
Введение
Анализ конструкторско-технологических факторов повышения работоспособности буровых долот 9
1.1 Выбор эффективных элементов вооружения шарошек 9
1.2 Размещение элементов вооружения на шарошках с учетом перекрытия поверхности забоя и предотвращения рейко-образования на нём 14
1.3 Обеспечение технологии оптимального крепления твердосплавных зубков, исключающей трещинообразование 16
1.4 Обеспечение эффективной очистки забоя от шлама 17
1.5 Распределение нагрузки на подшипники, выбор соотношения размеров цапфы и шарошки, выбор габаритов тел качения и скольжения, минимальной толщины корпуса шарошки, параметров ХТО, схемы выполнения многорядных подшипников и герметизирующих устройств опоры ... 19
1.6 Обеспечение постоянства смазочного клина в зонах трения при работе опор 23
1.7 Влияние зазоров, точности сборки секций, сборки секций в корпус долота на его стойкость и работоспособность 25
1.8 Выбор оптимальных параметров для испытаний вновь проектируемых долот в стендовых и промысловых условиях 27
Выводы 27
Цель работы 28
Основные задачи исследований 29
Моделирование элементов конструкций буровых долот 30
2.1 Разработка конечно-элементной модели долота в сборе, позволяющей оценивать нагруженность его отдельных узлов и деталей 30
2.2 Исследования по разработке модели шарошки с учетом физико-механических характеристик её материала при запрессовке зубков 44
2.3 Исследование влияния на НДС расстояния между зубками при постоянстве натяга и диаметра зубка 54
2.4 Исследование влияния на НДС шарошки изменения диаметра зубка 63
2.5 Исследование влияния величины натяга на НДС шарошки 67
2.6 Определение нагрузок на зубки шарошек 68
2.7 Анализ НДС шарошек долот 144,0C3-rAY-R203 и 155,3C3-rAY-R238 от совместного воздействия натяга при запрессовке зубков и внешней нагрузки 72
2.7.1 Исследование зависимости НДС шарошек от взамимовлияния величины натяга при запрессовке, числа и диаметра зубков 81
2.8 Исследование влияния упруго-пластических характеристик материала шарошек с твердосплавным вооружением на их трещиностойкость 92
2.9 Решение задачи определения напряжений во втулках скольжения 99
2.10 Анализ НДС втулок скольжения в опоре долота 311ДОК- ГАУ-И299 110
Выводы и технологические рекомендации 117
Разработка селективной компьютерной сборки элементов буровых долот 119
3.1 Методика селективной компьютерной сборки (СКС) шарошечных долот 119
3.2 Критерии качества сборки секций и сборки секций в корпус шарошечного долота 121
3.3 Математическая постановка задачи и разработка программы для ЭВМ 123
3.4 Исследование влияния качества селективной компьютерной сборки на работоспособность опор 131
3.5 Стендовая проверка влияния качества сборки на работоспособность шарошечных долот 134
3.6 Внедрение методики СКС в серийное производство 135
Выводы и технологические рекомендации 138
Исследования по повышению эффективности действия смазок опор буровых долот 139
4.1 О природе трения и в опорах качения и скольжения шарошечных долот 139
4.2 Обоснование выбора ПАВ для обработки поверхностей подшипников качения и скольжения в опорах шарошечных долот 141
4.3 Разработка технологии эпиламирования элементов опоры шарошечных долот 142
4.3.1 Обоснование выбора составов для мойки, очистки и обезжиривания поверхностей деталей опоры 143
4.3.2 Обоснование метода контроля качества очистки поверхности деталей долота перед эпиламированием 148
4.3.3 Обоснование выбора состава и концентрации эпилама для обработки элементов буровых шарошечных долот 151
4.4 Стендовая проверка влияния эпиламирования на работо способность шарошечных долот 153
Внедрение технологии эпиламирования в серийное производство долот в ОАО «Волгабурмаш» 156
Выводы и технолгические рекомендации 157
Опытно-промышленная проверка результатов выполненных исследований и внедрение их в производство буровых долот 159
1 Промысловые испытания долот 124,0СМЗ-ЦАУ-Ы204М 159
2 Промысловые испытания долот 215,9T3-TH-R15 161
3 Промысловые испытания долот 215,9СЗ-ГАУ-Я53-4 162
4 Промысловые испытания долот 215,9МЗ-ГАУ-Я23ЗМ-1 164
5 Промысловые испытания долот 295,ЗСЗ-ГАУ-К419; 143,9СЗ-ГАУ-Я290; 215,9СЗ-ГАУ-Б1269; 215,9 ТЗ-ГАУ- R270; 124,0СЗ-ГАУ-Я280 165
Расчет экономического эффекта от применения буровых долот, изготовленных по рекомендациям, сделанным в результате проведенных исследований 168
1 Расчет экономической эффективности долот 124,0СЗ-ЦАУ-К204М 169
2 Расчет экономической эффективности долот 215,9ТЗ-ГАУ-Я270 170
Общие выводы 172
Список литературы 175
- Распределение нагрузки на подшипники, выбор соотношения размеров цапфы и шарошки, выбор габаритов тел качения и скольжения, минимальной толщины корпуса шарошки, параметров ХТО, схемы выполнения многорядных подшипников и герметизирующих устройств опоры
- Исследование влияния на НДС расстояния между зубками при постоянстве натяга и диаметра зубка
- Обоснование выбора составов для мойки, очистки и обезжиривания поверхностей деталей опоры
- Стендовая проверка влияния эпиламирования на работо способность шарошечных долот
Введение к работе
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, бурение взрывных скважин на карьерах цветной и черной металлургии, при добыче золота и алмазов. Буровые долота широко применяются также при строительстве сложных инженерных сооружений - мостов, тоннелей, шахт, морских молов и других объектов.
В мире вряд ли найдется другое инженерное устройство, работающее в столь суровых условиях, как буровое долото - при нагрузках, исчисляемых десятками тонн, давлении - до 200 атмосфер, при частоте вращения шарошек долота - до 1000 об/мин., в высокоабразивной среде, в которой быстро изнашиваются даже твердосплавные породоразру-шающие зубки, армированные алмазами.
Достижение необходимой точности взаимного пространственного расположения большого количества сопрягаемых деталей буровых долот, подверженных поводкам при химико-термической обработке и сварке, требует применения сотен единиц высокоточного уникального механо-обрабатывающего и химико-термического оборудования, надежных средств контроля, специальной сборки опор секций, сборки корпусов долот. Тяжелые условия работы долот на забое требуют использования в их конструкциях самых высококачественных и высокостойких материалов. Чтобы изготовить современное буровое долото, необходимы более 300 наименований высокосортных сталей, твердых сплавов, основных и вспомогательных материалов, а также комплектующих. Поэтому технология производства долот отнесена к особо сложной.
В свою очередь, особо сложная технология изготовления, применяемые оборудование и материалы обусловливают высокую стоимость буровых долот, которая при относительно малых габаритах изделий вполне сопоставима со стоимостью современных автомобилей (от 2 до 12 тыс. долларов США).
Без долот немыслима добыча сотен миллионов тонн нефти, миллиардов кубометров газа и других полезных ископаемых, жизненно важных для любого государства, в том числе и для Российской Федерации. Поэтому производство буровых долот отнесено к особо важному, стратегическому.
В течение последних десятилетий за рубежом и у нас в стране непрерывно проводилась сложная и трудоёмкая работа по улучшению конструкций долот, их отдельных узлов, технологии производства, совершенствованию материалов, химико-термической обработки, армирования и др.
Сложность и трудоёмкость этой работы, проводимой всеми долот-ными фирмами мира, наглядно характеризуется выдачей патентов на изобретения, касающихся проектирования и технологии производства буровых долот. Таких патентов в ведущих странах - США, России, Великобритании, Франции, Германии и др. выдано уже более 5500 шт.
Буровыми шарошечными долотами осуществляется около 98% всего объёма разведочного и эксплуатационного бурения у нас в стране, и именно они являются компонентом буровой системы, который способен реально и значительно повышать эффективность всего процесса бурения. В последние годы, по мере совершенствования проектирования, создания новых материалов и технологий, все больше внимания проектировщики уделяют оптимизации конструкций и технологичности долот.
Отечественные и зарубежные буровые предприятия требуют всемерного сокращения сроков модернизации серийных или разработки новых типоразмеров буровых долот с нескольких месяцев до нескольких недель. Это дополнительно требует ускорения и улучшения научного подхода к оптимизации проектирования и технологичности долот, способствующих повышению показателей бурения и выходу их на более высокий технический уровень.
Хотя первое работоспособное буровое шарошечное долото было изобретено в США почти 100 лет тому назад, значительное влияние показателей его работы на стоимость одного метра бурения продолжает сказываться все эти годы, включая последние десятилетия.
Так, средняя проходка долота 0215,9 мм, основного диаметра для эксплуатационного бурения в условиях Западной Сибири, в ОАО "Сургутнефтегаз", несмотря на значительное увеличение глубин и усложнение технологии бурения скважин, выросла с 3 8,4 м в 1965 году до 310 м в 2002 году или более, чем в 8 раз. Средняя механическая скорость бурения за этот период времени выросла соответственно с 6,42 м/час до 27,22 м/час или в 4,2 раза.
Это позволило многократно снизить стоимость 1 м бурения, сэкономить многие миллиарды рублей и за счет этого успешно пробурить дополнительно миллионы метров разведочных и эксплуатационных скважин, добыть сотни миллионов тонн нефти и миллиарды кубометров газа.
Однако, темп роста показателей отечественных и зарубежных долот в последние годы непрерывно снижается, проходка и механическая скорость бурения растут всё медленнее.
Это отчасти связано с тем, что потенциальные возможности применения существующих серийных конструкций долот в определенной степени исчерпаны. Такое положение дел в долотостроении привело к необходимости изыскания новых путей в создании высококачественного породоразрушающего инструмента, к более тщательному подходу к анализу проблем и принятию целого комплекса решений, необходимых для
повышения прочности и работоспособности основных его элементов -корпусов шарошек и цапф лап, вооружения долота, системы очистки забоя, всех типов опор качения и скольжения, а также улучшения технологии изготовления и сборки элементов долот.
В опубликованных работах имеются рекомендации десятков различных форм породоразрушающей поверхности твердосплавных зубков, используемых для оснащения шарошечных долот, со множеством разновидностей, отличающихся отдельными параметрами. Есть обоснования по выбору оптимальной формы рабочей головки зубков, способной к эффективному породоразрушению и одновременно к высокой стойкости при динамических нагрузках применительно к конкретным условиям бурения. Имеются также теоретические и экспериментальные исследования напряженного состояния внутри самих твердосплавных зубков.
В предшествующих исследовательских работах рекомендовано параметры породоразрушающих элементов выбирать из условия соотношения габаритов зубьев и опоры, с учетом предполагаемой механической скорости бурения, количества и характера образуемого при бурении шлама, выбора соответствующей схемы очистки забоя и гидравлических особенностей корпуса долота, оказывающих большое влияние на сам характер породоразрушения.
Опубликовано также большое количество работ с рекомендациями по конструированию схем опор долот с различными типами подшипников качения и скольжения, систем охлаждения и смазки таких опор.
Однако, жизнь не стоит на месте. С решением одних проблем на передний план выходят другие проблемы, на которые в предыдущих работах не имеется ответа.
Буровые долота выходят из строя по наиболее слабому звену. Например, поломки отдельных венцов вооружения шарошек или трещины на их корпусах одной из секций вынуждают прекратить бурение при вполне работоспособных подшипниковых и смазочных узлах остальных секций. Или наоборот, выход из строя только одного из подшипников одной секции ведет к заклинке шарошки и быстротечному аварийному её истиранию и подъёму долота с забоя при почти полной работоспособности остальных секций. Повышение ресурса только какого-то отдельного элемента - корпусов шарошек и лап, вооружения шарошек, системы очистки забоя, различных типов опор качения и скольжения, систем их непрерывной смазки, улучшение технологии изготовления и сборки элементов - способно лишь частично повысить ресурс работы всего долота. Максимальное же повышение ресурса возможно только с проведением взаимосвязанных комплексных исследований по повышению работоспособности всех упомянутых узлов.
Эта проблема комплексных исследований очень сложна и многогранна. Её решение возможно только на основе теоретического, экспериментального и практического изучения большого числа аспектов - от силового воздействия на рабочие элементы с определением их предельно допустимого напряженно-деформируемого состояния, оптимальности формы, научно обоснованного выбора пар трения (качения и скольжения), с выбором жидких и твердых смазок, определением оптимальных зазоров в подшипниках и их соосности, параметоров сборки секций и самого долота.
Нерешенность этих фундаментальных проблем определила цели и задачи настоящей работы.
Распределение нагрузки на подшипники, выбор соотношения размеров цапфы и шарошки, выбор габаритов тел качения и скольжения, минимальной толщины корпуса шарошки, параметров ХТО, схемы выполнения многорядных подшипников и герметизирующих устройств опоры
Среда, в которой работает буровое долото - промывочная жидкость со значительным содержанием абразивных частиц. Опора долота работает при исключительно высоких нагрузках ударного характера. Подшипники опоры долота и, особенно, подшипники скольжения работают в условиях высоких температур. Требования к опорам долот очень жесткие и их необходимо неукоснительно выдерживать в процессе производства. Для обеспечения стабильных показателей в бурении механическая и термическая обработки должны быть точными и никакие отклонения от их требований не допускаются.
Вертикальная нагрузка на долота обеспечивается весом бурильной колонны, состоящей из обычных и утяжеленных бурильных труб, находящихся в буровом растворе.
Вращающемуся на забое долоту передаются колебания бурильной колонны, поскольку нейтральная точка между растянутой и сжатой частями колонны перемещается вверх и вниз по колонне. Опытами установлено, что нагрузка на долото может изменяться от нуля до трехкратного значения нагрузки по индикатору.
Вертикальная нагрузка на долото передается на опору в виде радиальной и осевой нагрузок. Радиальная нагрузка на любую опору может быть условно принята равной V3 вертикальной нагрузки, помноженной на косинус угла наклона цапфы. Осевая нагрузка на опору может также условно равняться !/з вертикальной нагрузки, умноженной на синус угла наклона цапфы, минус отрицательная осевая нагрузка от реакции стенки скважины. Конструкция опоры предусматривает восприятие радиальной нагрузки большими и малыми подшипниками. Желательно, чтобы конструкция шарикового замкового подшипника исключала какое-либо нагружение её радиальной нагрузкой в новом долоте. В долотах с роликовой опорой (как герметизированной, так и негерметизированной) шариковой дорожке предназначена часть осевой нагрузки. Только при появлении некоторого износа крайних - большого и малого подшипников - шариковый подшипник воспринял бы некоторую часть радиальной нагрузки, поскольку, в первую очередь, шариковый подшипник предназначен для восприятия обратной осевой нагрузки и удержания шарошки на цапфе лапы. В долотах с большой опорой скольжения шариковая дорожка полностью разгружена и таким образом не несет ни радиальной, ни осевой нагрузки. Опора проектируется так, чтобы осевая нагрузка воспринималась упорной пятой цапфы, а в долотах с герметизированной опорой также и дополнительно упорным буртом. Негерметизиро-ванная опора не может воспринимать осевую нагрузку упорным буртом, так как должна быть обеспечена свободная циркуляция бурового раствора в полости опоры, в частности в зоне малого подшипника качения.
Все попытки применить для негерметизированной опоры схему подшипников "скольжение - шарик - скольжение" с тем, чтобы опорные поверхности смазывались буровым раствором, кончались неудачей, срок службы такого долота был очень небольшим. Абразивные частицы породы изнашивали опорную поверхность подобно шлифовальному кругу.
При конструировании опор "ролик-шарик-скольжение" или "ролик-шарик-ролик" необходимо учитывать соотношение размеров роликов, диаметра цапфы, количества роликов, сечения тела шарошки и параметров химико-термической обработки.
Износ роликовой беговой дорожки происходит в основном на цапфе лапы. Между диаметром ролика, длиной ролика, количеством роликов и диаметром цапфы должно быть установлено оптимальное соотношение. Роликовые подшипники в буровом долоте работают без сепаратора, поэтому высота буртов должна быть равной ъ12 диаметра ролика. Если бурты перекрывают диаметр ролика, то появляется возможность перекоса роликов и разрушения от сосредоточения нагрузки при их остановке. Многочисленными опытами, в том числе и проведенными автором, установлено, что оптимальное отношение длины ролика к диаметру должно быть в пределах 1,Зч-2,0, что обеспечивает удовлетворительную стойкость опоры.
Чтобы получить цапфу нужного размера и предохранить её от раннего усталостного разрушения или слома, необходимо подобрать размер и количество тел качения. Бровер А.Л. [8] считает, что если диаметр ролика слишком большой, то цапфа будет маленькой, а нагрузка на цапфу слишком большой, что приведет к её раннему усталостному разрушению. Диаметр роликов должен быть достаточно велик, чтобы ролики не разрушались от перекашивания при односторонней сосредоточенной нагрузке. При уменьшении диаметра ролика диаметр цапфы увеличивается; количество роликов, несущих нагрузку, увеличивается, что уменьшает нагрузку на ролик. При меньшей нагрузке на цапфу увеличивается её усталостная прочность.
Толщина тела шарошки должна быть достаточной, чтобы исключить образование трещин. Тело шарошки также должно быть достаточно большим, чтобы шарошка не деформировалась. Шарошки долот и с твердосплавным, и с фрезерованным вооружением подвергаются цементации как по внутренней, так и по наружной поверхности. По данным Палия П.А. и Корнеева К.Е. [69] содержание углерода в цементованном слое должно составлять 0,63- -0,82% на поверхности и 0,20 -0,30% на глубине, равной примерно 1,6ч-1,8 мм. При этом тело шарошки толщиной 4,5 мм будет цементоваться практически полностью по сечению. Материал в сечении такой шарошки становится хрупким, и шарошка может моментально разрушиться. Твердость поверхностей шарошки после закалки не должна снижаться ниже 58 НСЯэ. Опасное сечение шарошки должно иметь в основе ненауглероженную минимальную сердцевину толщиной 2,4 мм между науглероженными слоями. Цапфы лап долот с опорой качения цементируются на глубину до 2,3 мм с твердостью после закалки не менее 60 HCR3.
Вершина шарошки у долот малых диаметров не позволяет устанавливать роликовую опору на этом участке из-за недостатка места. Роликовая опора должна быть очень маленькой, чтобы сечение тела шарошки было достаточным. Опора скольжения используется в вершине из-за недостатка места. Цапфа опоры скольжения наплавляется твердым сплавом, что обеспечивает хорошую твердость и износостойкость при высоких температурах. Наплавленная твердым сплавом поверхность имеет твердость НЯСэ 54, и не должна снижаться менее HRC3 45 при 260С.
Исследованиями автора установлено, что в оптимальной схеме опоры скольжения упорный подшипник должен иметь твердосплавную наплавку на торце малой опоры скольжения лапы и запрессовываемый в шарошку подпятник из инструментальной стали.
Упорный торец цапфы, имеющий наплавку твердым сплавом, должен работать в паре с цементованной поверхностью шарошки, покрываемой серебросодержащим сплавом. Шариковый подшипник герметизированной опоры долота не должен нести осевой нагрузки до появления износа упорного торца или торца малой опоры скольжения лапы.
Большой вклад в изучение работоспособности и разработку новых схем опор, оптимальных соотношений их размеров, новых пар трения и уплотнений внесли ученые ВНИИБТ Палий П.А. и Корнеев К.Е.[69] , Мокшин А.С. и Владиславлев Ю.Е. [61], Агошашвили Т.Г.[1,2], Эйгелес Р.М.[104-111], Позднышев В.Щ71], Гусман А.М.[30], Зайцев В.И.[34], Кораблев Г.А. Уфимского государственного нефтяного технического университета (УГНТУ) Матвеев Ю.Г.[36,47,96], Попов А.Н.[47,73,74], Конесев Г.В.[40], Могучев А.И. [48], Исмаков Р.А.[36], Трушкин Б.Н. [96], МИНХ и ГП им. акад. И.М.Губкина (ныне РГУ нефти и газа им. акад. И.М.Губкина) Симонов В.В.[89,90], Палащенко Ю.А.[67,68], Жидовцев Н.А. и Кершенбаум В.Я. [33], ОАО "Волгабур-маш" Богомолов P.M. [19], Неупокоев В.Г [63], Торгашов А.В.[95], Рем-нев В.В.[81], а также Посташ С.А.[75,76], Стеклянов Б.Л.[88], Воскресенский В.А. и Дьяков В.Щ28], Головкин С.А.[29], Еременко В.Ф.[31], Пяльченков В.А.[78], Рымар A.M.[83], Сизова О.В.[86] и др.
Исследование влияния на НДС расстояния между зубками при постоянстве натяга и диаметра зубка
Выше уже было отмечено, что выход долот из строя может происходить из-за износа и поломок вооружения, растрескивания и поломок корпусов шарошек при еще работоспособной опоре. Исследованию и решению этих проблем посвящена 2 глава настоящей диссертации. Однако, в бурении нередки случаи, когда причиной выхода долот из строя является недостаточно высокая стойкость элементов опоры. Повышенная стойкость опор и долот в целом особенно важна в глубоком и сверхглубоком бурении, где преждевременная замена долота увеличивает стоимость бурения только одной скважины на десятки тысяч долларов. Поскольку в ныне применяемых для глубокого бурения долотах используются в основном различные схемы опор типа ГАУ, включающие подшипники скольжения, в настоящей главе исследуются пути повышения работоспособности именно подшипников скольжения. Эти исследования включают изучение напряженно-деформированного состояния втулок скольжения, нагруженности подшипниковых пар, технологии сборки опор шарошечных долот этого типа с целью повышения ресурса подшипников, опор и долот в целом.
Задача определения напряжений во втулках решается в три этапа с использованием различных конечно-элементных моделей. 1. Для полной КЭ-модели долота проводится конденсация его матрицы жесткости к узлам в вершинах зубков. 2. Проводится расчет долота при последовательных вариантах контакта с помощью полученной на предыдущем шаге конденсированой матрицы жесткости. Определяются нагрузки на зубки венцов долота при условии, что они уравновешивают внешнюю вертикальную нагрузку. 3. К изолированной КЭ-модели каждой из секций долота прикладываются реакции на зубках, полученные на предыдущем шаге, и вычисляется напряженно-деформированное состояние (НДС) в шарошке, опоре и втулках. Такой прием основывается на допущении, что на НДС основное влияние оказывают реакции на зубки, а влияние других секций мало. Отсюда следует, что напряжения в секции симметричны относительно вертикальной плоскости, и это позволяет рассматривать половину конструкции, что значительно снижает вычислительные затраты (примерно в 10 раз). Для решения поставленных задач была разработана модель секции долота 124,0C3-UAy-R204, включающая упрощенные модели шарошки и опоры, но значительно более подробную модель втулки с реальной геометрией. Кроме того, в модель было введено контактное взаимодействие между втулкой и лапой с одной стороны, и втулкой и шарошкой - с другой, выполненное с помощью Slide_line элементов. Следствием введения этих элементов в КЭ-модель является необходимость итерационного решения задачи. На рис. 2.97 и 2.98 показана модель 3-й секции долота 124,0СЗ-ЦАУ-R204 с подробно разбитой на КЭ втулкой. В данном анализе модель материала втулки принята линейной, поскольку в предварительных расчетах было определено, что при точке пластичности 140 МПа - это заведомо ниже, чем у бериллиевой бронзы, максимальные пластические деформации не превышают 1%. Это означает, что расчеты могут вестись без учета пластичности. 1 Сравнительные расчеты были выполнены для варианта контакта зубков, при котором были получены максимальные напряжения (вариант 5, рис 2.99). Сравнение результатов на упрощенной и подробной сетке (рис 2.100, 2.101) показывает, что если не считать локальных зон вблизи концентраторов напряжений, уровень напряжений, полученный на различных моделях, практически одинаков. Для того, чтобы определить влияние на НДС радиусов скруглення на втулке, было получено решение на модифицированной модели с увеличенным радиусом со стороны выхода втулки (рис. 2.102). Распределение напряжений стало более равномерным, но напряжения практически не изменились. Для этого же варианта исполнения втулки выполнен расчет для секции №2, вариант контакта зубков №29. В этом варианте контакта зубков были получены максимальные напряжения на упрощенной модели (рис. 2.103, 2.104). Из рис. 2.105 видно, что уровни напряжений для упрощенной и подробной моделей также соизмеримы.
Обоснование выбора составов для мойки, очистки и обезжиривания поверхностей деталей опоры
В отличие от подшипников, применяемых в изделиях общего машиностроения, опоры буровых шарошечных долот многорядные и работают в экстремальных условиях, сочетающих высокие удельные нагрузки и температуры. Кроме того, в отличие от обычных подшипниках, в опорах долот отсутствуют сепараторы, и во время работы происходит контактирование тел качения друг с другом.
Вектор внешней нагрузки на шарошку долота изменяется во времени как по величине, по направлению и точке приложения, вследствие чего в процессе работы долота имеют место угловые колебания оси шарошки относительно оси цапфы. Это приводит к неравномерному распределению нагрузки по подшипникам опоры каждой секции, преждевременному износу одного из подшипников и выходу из строя всей опоры и долота в целом по слабому звену.
В применяемом в настоящее время способе сборки шарошечных долот в условиях взаимозаменяемости размеры лап и шарошек не подбираются, поскольку все они лежат в пределах поля допуска. Это неизбежно приводит к значительным отличиям величин зазоров как в радиальных, так и в упорных подшипниках опор, создающим возможность перекоса шарошки относительно оси цапфы и тем самым обусловливающим неодновременное вступление в контакт соответствующих рабочих поверхностей.
В опорах скольжения из-за разных величин зазоров происходит неравномерный износ цилиндрических втулов и упорных шайб, а в опорах качения из-за перекоса происходит перераспределение нагрузок и изворот роликов от изменения контакта от линии по образующей цапфы до точечного контакта, значительное местное увеличение удельных нагрузок и, как следствие, заклинка и преждевременный выход опоры из строя. Кроме того, случайная компоновка секций, имеющих различные зазоры в опорах, приводит к ограничению ресурса всего долота из-за минимальной стойкости наихудшей из подобранных секций. В данном разделе исследуются проблемы повышения стойкости опоры долота, увеличения его проходки за счет снижения максимальных контактных нагрузок на основе обеспечения равномерного распределения нагрузок по подшипникам как в пределах опоры отдельной секции, так и по всем трем секциям долота.
Для разработки методики селективной компьютерной сборки необходимо решение следующих задач: 1) обоснование критериев качества сборки опор и долот из секций; 2) математическая постановка задачи для всех применяемых в настоящее время вариантов опор; 3) разработка программного обеспечения методики; 4) лабораторные и промысловые испытания долот, собранных в соответствии с предлагаемой методикой; 4) внедрение методики в серийное производство. При разработке методики были приняты следующие допущения: 1) влияние конусности на зазоры в опоре пренебрежимо мало; 2) концентричность (соосность) радиальных подшипников не влияет на величину зазоров. Обоснованность этих допущений вытекает из того, что в настоящее время при изготовлении опор долот для токарной и финишной обработки применяются высокоточные станки, обеспечивающие величины конусности и концентричности на два порядка меньше, чем зазоры, получаемые в соответствии с действующими допусками на диаметральные размеры деталей. При этом все дорожки обрабатываются за одну установку, чем обеспечивается их идеальная соосность. На рис. 3.1 показана схема опоры лапы, на рис. 3.2 - схема опоры шарошки долота с двумя подшипниками скольжения. Один из возможных вариантов распределения зазоров в опоре под действием внешней нагрузки G представлен на рис. 3.3. В зависимости от соотношения радиальных зазоров по действием внешней нагрузки G происходит перемещение шарошки до вступления в контакт поверхностей радиальных опор скольжения: 1) большой опоры скольжения, 2) малой опоры скольжения, 3) одновременно большой и малой опор скольжения. Наилучшим с точки зрения равномерности распределения нагрузки по подшипникам является вариант (3), затем следует вариант (1) и, наконец, самым неблагоприятным является вариант (2), когда вся радиальная составляющая нагрузки G первоначально приходится на самый слабый подшипник при ненагруженном большом. Аналогичная картина по неравномерному распределению нагрузок имеет место для упорных подшипников скольжения. Оптимальным является соотношение зазоров, при котором равны радиальные зазоры в большом и малом подшипниках скольжения, а также линейные - по упорному бурту и упорному торцу. Следовательно, в процессе сборки опор нужно стремиться к тому, чтобы минимизировать разности радиальных и линейных зазоров AR и АН (рис. 3.3). В качестве критериев принимаются:
Стендовая проверка влияния эпиламирования на работо способность шарошечных долот
Одним из основных направлений в повышении стойкости опор и долот в целом является разработка и применение эффективных смазок.
В технической литературе имеются публикации Еременко В.Ф. [31], Жидовцева Н.А. [33], Конесева Г.В. [40], показывающие эффективность применения тех или иных составов промывочной жидкости со смазочными компонентами, улучшающими триботехнические свойства и повышающими долговечность опор.
В главе 1 уже отмечались сверхтяжелые условия работы буровых долот. В природе не существует другого инженерного устройства, работающего, при малых габаритах, в самых суровых условиях - при многотонном нагружении, перепадах давления до 100 атмосфер, со скоростью вращения до 1000 об/мин, температурах до 200С в агрессивной абразивной среде.
Для долот с открытой опорой типов ГВ и ГН весьма актуальными являются вопросы взаимосвязи триботехнических свойств промывочных жидкостей с абразивностью горных пород, с энергетической загрузкой пар трения. Эти вопросы остаются недостаточно изученными. В значительной мере это касается и опор долот с герметизацией.
Постоянное увеличение глубин скважин, а вместе с ними и абразивности горных пород, переход на бурение с форсированными режимами прежде всего за счет роста осевых нагрузок на долото, привели к тому, что несущая способность смазочных слоев стала недостаточной для эффективной защиты поверхностей трения от износа. Защитные функции смазочных слоев с ростом теплонагруженности трения снижаются, поэтому необходимо искать пути улучшения отвода тепла из зоны трения, предотвращающие перегрев повышением охлаждающей и смазывающей способности промывочных и смазывающих материалов. Эти вопросы также изучены недостаточно.
Зарубежные и российские фирмы, выпускающие буровые долота, используют для опор самые различные составы смазок. В РФ для этой цели используются консистентные смазки "Долотол-Н", "Долотол-НУ", "Долотол-АУ", содержащие различные присадки, основной из которых является дисульфид молибдена (до 18%) с чешуйчатой структурой, позволяющей очень резко снижать коэффициент трения в опоре. Патенты РФ, которыми защищены все три вида смазок, не публикуются.
Зарубежные фирмы состав своих смазок не патентуют, чтобы не раскрывать его содержание. Проблема трения, износа и смазки отличается сложностью и многогранностью проявлений, требует знаний в различных областях науки и использования новейших достижений многих отраслей техники.
Трудности решения проблемы связаны с отсутствием прямого наблюдения за контактирующими участками поверхностей трения в процессе их взаимодействия, одновременным течением в контактных зонах целого ряда термодинамических и физических процессов.
Длительный период эволюции представлений о природе трения и накопление экспериментальных данных о характере и видах изнашивания различных пар, узлов и систем трения позволили установить общие для них закономерности и создать теории трения.
При решении прикладных задач трения, износа и смазки основными считаются методы экспериментального изучения контактных взаимодействий в моделях или реальных узлах трения, базирующихся на тех или иных теориях трения. Фундаментальными разработками известна школа Б.И. Костецкого и развиваеваемая ею теория структурно-энергетической приспосабливаемости материалов при трении [40]. Эта теория предполагает наличие для всех материалов и рабочих сред диапазонов нагрузок и скоростей перемещения, в которых показатели трения и изнашивания устойчивы и минимальны. Существование таких диапазонов обуславливается универсальным явлением структурно-энергетической приспосабливаемости материалов при трении, в результате которой в зоне контакта образуются так называемые устойчивые диссипативные структуры, обладающие свойством минимального производства энтропии [40].
В машиностроении все шире применяются методы повышения износостойкости подшипников созданием на поверхностях трения пленок, представляющих собой химические соединения атомов различных элементов, их твердые растворы. Они особенно часто применяются в качестве присадок для масел и пластичных смазок. На основе серы, фосфора, хлора и других элементов созданы присадки противоизносные, моющие, антифрикционные, депрессорные для различных областей применения.
В качестве активных компонентов смазок относительно давно применяются ПАВ: алифатические кислоты, спирты, эфиры и др. При использовании ПАВ разделение поверхностей трения обеспечивается ориентированными слоями ПАВ. В тяжело нагруженных узлах трения необходимый уровень противоизносных свойств трансмиссионных смазочных масел может быть достигнут только при добавлении к ним специальных противоизносных присадок (органических соединений, содержащих хлор, серу, фосфор, азот или их комбинации), способных химически взаимодействовать с трущимися металлическими поверхностями с образованием хлоридов, сульфидов, фосфатов и других неорганических веществ, которые разделяют контактирующие поверхности. Такими присадками являются полисульфиды, диалкил (диарил) дитилофосфаты, трихлорметил фосфаты и др. Первой стадией действия этих присадок, способных снижать коэффициент трения и износ в условиях граничного трения, является их адсорбция (хемосорбция), которая играет существенную роль и в процессах химического модифицирования. Второй стадией действия противоизносных присадок является взаимодействие продуктов их термического разложения с металлическими поверхностями трения. Обычно эти процессы протекают при тяжелых режимах трения, в результате чего происходит эффективное разделение трущихся поверхностей. Необходимо иметь в виду, что при определенных условиях не только материал пары трения, но и масло обладает свойствами структурной приспосабливаемости, образуя формирование с противоизносным и антифрикционным действием. При реализации механизма граничного трения адсорбированные на металле под действием силового поля молекулы масла, включая молекулы присадок, образуют слои, поведение которых отличается от поведения масла в объеме. Эти слои отождествляют с квазитвердыми телами. В свою очередь свойства поверхностных слоев металла под слоем масла также изменяются. Пленка смазочного масла, находящаяся под действием силового поля металла, и поверхностные слои металла, модифицированного контактирующей с ним средой, образуют "третье тело", играющее защитную роль при трении. Наряду с модификацией поверхностей трения многие присадки к маслам за счет своей ориентации на металле увеличивают способность смазочных материалов удерживаться на поверхности и тем самым обеспечивать более благоприятные условия эксплуатации узлов и механизмов.
