CC BY
71
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ MAŒINE BUILDING AND THEORETICAL ENGINEERING
УДК 622.242.082:004.89 DOI: 10.17213/0321-2653-2016-2-77-83
ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ БУРОВОГО РЕЗЦА, АРМИРОВАННОГО АЛМАЗНО-ТВЕРДОСПЛАВНЫМИ ПЛАСТИНАМИ
JUSTIFICATION OF THE STRUCTURE AND SELECTION OF RATIONAL DESIGN PARAMETERS OF DRILLING BIT, REINFORCED POLYCRYSTALLINE DIAMOND CUTTERS
© 2016 г. Н.И. Сысоев, Н.Н. Буренков, Чу Ким Хунг
Сысоев Николай Иванович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Нефтегазовые техника и технологии», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]
Буренков Николай Николаевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Нефтегазовые техника и технологии», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]
Чу Ким Хунг - аспирант, кафедра «Нефтегазовые техника и технологии», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]
Sysoev Nikolaj Ivanovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Oil-Gas engineering and technologies», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]
Burenkov Nikolaj Nikolaevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Oil-Gas engineering and technologies», Platov South-Russia State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]
Chu Kim Hung - post-graduate student, department «Oil-Gas engineering and technologies», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]
Обоснована целесообразность модернизации существующих конструкций буровых резцов, армированных алмазно-твердосплавными пластинами (АТП), путем рационального расположения их на перьях режущей части. Проведены исследования влияния угла наклона АТП на износостойкость и нагружен-ность бурового резца. С помощью метода расчета геометрических параметров буровых резцов и соответствующей программы для ПЭВМ определены рабочие угловые параметры бурового резца, армированного АТП. Предложены конкретные конструкции буровых резцов, армированных АТП с одинаковыми по диаметру пластинами (13,5 мм) и разными (13,5 мм наружные и 10,0 мм внутренние) с целью повышения эффективности бурения шпуров и снижения стоимости бурового резца.
Ключевые слова: буровой резец; алмазно-твердосплавная пластина; конструктивные параметры резца; углы наклона и поворота АТП; метод расчета; повышение эффективности бурения.
The article substantiated expediency of upgrading of existing structures drilling bits, reinforced polycrys-talline diamond cutters (PDC), by their rational location on the feathers of the cutting part. Investigations of the influence of the slope angle of PDC to wear-resistance and loading of drilling cutter were conducted. Applying the calculation method the geometric parameters of the drilling bits and the corresponding program for PC, defined the working angular parameters of the drilling bit, reinforced PDC. Concrete construction drilling bits reinforced PDC with the same plates in diameter (13.5 mm) and different (13.5 mm outer and 10.0 mm inner) were proposed to improve the efficiency of blast-holes drilling and reduce the cost of drilling bit. The article substantiated expediency of upgrading of existing structures drilling bits, reinforced polycrystalline diamond cutters (PDC), by their rational location on the feathers of the cutting part. Investigations of the influ-
ence of the slope angle of PDC to wear-resistance and loading of drilling cutter were conducted. Applying the calculation method the geometric parameters of the drilling bits and the corresponding program for PC, defined the working angular parameters of the drilling bit, reinforced PDC. Concrete construction drilling bits reinforced PDC with the same plates in diameter (13.5 mm) and different (13.5 mm outer and 10.0 mm inner) were proposed to improve the efficiency of blast-holes drilling and reduce the cost of drilling bit.
Keywords: drilling bit; polycrystalline diamond cutters (PDC); design parameter of bit; slope angle and turn angle of PDC; calculation method; improvement of the effectiveness of drilling.
Для бурения шпуров по породам разной крепости и абразивности создано большое разнообразие резцов, отличающихся конструктивными параметрами и характеристиками материалов, что вызвано стремлением повысить их эксплуатационную стойкость, скорость бурения, а также снизить затраты на их изготовление [1]. Создание буровых резцов с применением алмазно-твердосплавных пластин (АТП) для армирования режущей части позволило повысить их стойкость в сравнении с резцами, армированными твердосплавными пластинами, в 30 - 50 раз. Например, при использовании резцов типа РШ-140 (рис. 1 а) для бурения шпуров в условиях забоя штрека ВПШ-500 (запад) шахты ОАО «Шахтоуправление "Обуховская"», представленного породами с коэффициентом крепости 9 по шкале проф. М.М. Протодьяконова, средняя скорость бурения составила 0,6 м/мин и стойкость 20 м/резец [2]. Однако анализ характера износа резца РШ-140 (рис. 1 б) показывает, что в процессе бурения происходит касание части пера резца о забой, что приводит к существенному снижению скорости бурения и увеличению удельных затрат энергии.
а б
Рис. 1. Буровой резец РШ-140 (а) и характер износа его корпуса (б) (1-зона износа)
При конструировании буровых резцов, армированных АТП, необходимо чтобы рабочие углы резания по всей линии контакта режущей кромки с забоем были бы рациональными, а задние углы имели бы величины, исключающие касание задней поверхности АТП с забоем. При
этом должны учитываться конкретные значения режимных параметров современных бурильных установок, характеризуемых осевой нагрузкой и частотой вращения штанги. В настоящее время АТП изготавливаются в виде цилиндров и крепятся на перьях бурового резца в пазы методом пайки с применением установки токов высокой частоты, с использованием специальной шихты и припоя. Поэтому при конструировании необходимо учитывать технологические ограничения, связанные с выполнением операций фрезерования пазов под заданными углами в пространстве режущей части. Следует отметить, что углы заострения АТП равны 90 ° Это ограничивает варьирование конструктивными параметрами режущей части. Тем не менее возможны различные компоновочные схемы режущей части, обусловленные взаимным расположением пластин на корпусе резца относительно продольной оси в плоскости, перпендикулярной этой оси. Для создания резца симметричной конструкции под диаметр шпура 42 мм необходимо иметь минимум 4 пластины, размещенные на двух или четырех перьях. Применяемые на буровом резце пластины АТП могут иметь диаметр 13,5 или 10,0 мм.
В модернизируемой конструкции резца нами принята схема размещения пластин на четырех перьях (рис. 2). При этом внутренняя пара пластин должна располагаться в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения внешних пластин (рис. 2 а) и выступать над внешней на I = 1,0... 1,5 мм (рис. 2 б). Это обеспечивает лучшую забуриваемость резца в горный массив и направленность шпура.
Одним из важных параметров, оказывающих большое влияние на работоспособность буровых резцов, является угол наклона в АТП (рис. 3). Учитывая, что угол наклона бурового резца РШ-140 в = -20° и принимая его за прототип, найдем предельный износ по высоте ¡ь соответствующий износу слоя поликристаллического алмаза на всю его толщину /АТП = 1,5 мм по следующему выражению
¡1 = ?атп х (-Рр ).
Параметр Значение
Передний рабочий угол вр, град -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40
Предельный износ /ь мм 0,347 0,517 0,684 0,845 1,000 1,147 1,286
Относительный предельный износ, % 41,3 75,6 100,0 123,5 146,2 167,7 188,0
Рис. 2. Схема размещения АТП на буровом резце типа РШ-140: а - схема расположения АТП относительно оси вращения; б - схема расположения АТП по высоте. Обозначения пластин и параметров: АТП1, АТП2, АТП3, АТП4 -алмазно-твердосплавные пластины; Rш - радиус шпура; г - радиус раствора; dШI - диаметр АТП; I - превышение по высоте пластин, разрушающих внутреннюю часть шпура (АТП1, АТП3), над пластинами, разрушающими наружную часть (АТП2, АТП4)
Условно принимаем, что задний угол ар =|Рр|, так как угол заострения АТП равен 90 а схема износа по высоте 1Х поликристаллического алмазоносного слоя в произвольной точке М (рис. 3) представлена площадью сечения АВМ в рабочей секущей плоскости, образованной вектором абсолютной скорости Ур точки М и вектором нормали к поверхности забоя N [3]. При этом образуются рабочие передний вР и задний ар углы.
Рис. 3. Схема износа пластины АТП по высоте и по задней грани (1 - поликристаллический алмаз; 2 - твердосплавная основа)
Результаты расчетов предельного износа в зависимости от значения переднего рабочего угла приведены в табл. 1.
Таблица 1
Зависимость предельного износа от значения переднего рабочего угла при ¿АТП = 1,5 мм
Параметр
Передний рабочий угол вр, град
Предельный износ lt, мм
Относительный
предельный износ. %
Значение
■10
0,347
0,517
41,3
■15
75,6
-20
0,6840,845
-25
100,0123,5
-30
1,000
146,2
-35
1,147
167,7
-40
1,286
188,0
Учитывая, что износ по высоте Ъ зависит только от пути резания, то увеличением угла наклона АТП его значение можно увеличивать. Например, при вр = -30° путь резания до предельного затупления увеличится в 1,46 раза, что позволит увеличить наработку бурового резца примерно на такую же величину. Однако увеличение переднего угла ведет к повышению нагрузки на переднюю грань. Для установления рационального угла наклона в были проведены исследования влияния угла наклона АТП на силы резания численным моделированием с использованием метода конечных элементов [4, 5]. Конечно-элементная модель для исследований показана на рис. 4. Результаты расчетов приведены в табл. 2.
Рис. 4. Конечно-элементная модель для исследования влияния угла наклона в на результирующие силы резания
Таблица 2
Зависимость результирующей силы резания от угла наклона АТП
Угол наклона в: град
Результирующая сила резания, Н
В относительных единицах, %
-10'
1026
93,4
-15
1050
95,6
-20°
1098
100
-25°
1177
107,2
-30°
1274
116,0
-35°
1450
132,1
-40
1687
153,6
Из табл. 2 следует, что с изменением угла наклона в от -20 до -40 ° результирующая сила резания увеличивается в 1,5 раза, а при в = -30 ° эта сила увеличится в 1,16 раза, однако относительный предельный износ при этом составит 146,2 %. Поэтому для бурения шпуров в абразивных породах угол наклона АТП в может быть принят в пределах от -25 до -35 что повысит стойкость буровых резцов, а в малоабразивных в = -20°... -30 что увеличит скорость бурения.
Поскольку износ режущей части увеличивается пропорционально пути резания, то наружные пластины быстрее изнашиваются, чем внутренние. Поэтому АТП внутренних перьев следует устанавливать под меньшим углом наклона, чем АТП наружных перьев. Это обеспечит более равномерный износ внутренних и наружных пластин.
Кроме того, необходимо подобрать не только углы наклона АТП, но и их углы поворота относительно продольной оси. Указанные параметры можно определить, воспользовавшись методом расчета геометрических параметров буровых резцов [6, 7] и разработанной нами на его основе программы KOR-PDC для ПЭВМ, позволяющей определять рабочие углы бурового резца, армированного АТП.
Согласно расчетной схеме (рис. 5), режущая кромка АТП, совершая вращательное с угловой скоростью ю и поступательное со скоростью подачи Vб движения относительно системы координат XXX, формирует поверхность резания. Рассмотрим в произвольно взятой на режущей кромке точки М углы, образованные пересечением рабочей секущей плоскости (РСП) тела АТП.
РСП образована вектором абсолютной скорости точки М V и вектором-нормалью N к плоскости резания (касательной к поверхности резания в точке М). Ориентация РСП определяется вектором W в направляющих косинусах углов к осям системы координат XXX, получаемым как векторное произведение Ж = V N . На пересечениях РСП с передней и задней гранями образуются векторы Q и и .
Углы в РСП определяются следующим образом. Рабочий угол заострения
5р = агс^[(ёхй)/(0р\)] ,
где
Q XU = QUx+QyUy + QZUZ;
ё=[ёх ,ёу, ]; й=[йх ,йу й2 ].
Рабочий передний угол
Р р = агс^ [(ё х¥) / (| ёЩ )]-2,
где ёXV = ёхЩх + ё/у + ёЩ; V = \ухууЩ].
Для определения рациональных параметров взаимодействия лезвия АТП с забоем шпура рассмотрим изменение рабочих переднего и заднего углов бурового резца при бурении. Для обеспечения прочности и эффективности разрушения режущей части АТП и исключения контакта ее задней поверхности с забоем шпура рабочий передний угол должен находиться в диапазоне от -10 до -30 а рабочий задний угол - от 10 до 30
Рис. 5. Система координат и обозначения для расчета геометрических параметров АТП
На рис. 6 показано изменение рабочих передних углов бурового резца РШ-140, выбранного нами в качестве прототипа, при бурении со следующими режимными параметрами: частота вращения - 150 об/мин; скорость подачи -0,6 м/мин. На рисунке видно, что с внутренней стороны режущей кромки АТП1 и с наружной стороны режущей кромки АТП2 рабочие углы выходят за указанные пределы.
Рис. 6. Зоны разрушения забоя шпура опережающей и отстающей пластинами и зависимости изменения рабочих передних вр и задних углов ар бурового резца РШ-140
С целью исключения этих недостатков, варьируя углами наклона АТП, углами их поворота и разновысотностью центров АТП, измеряемых вдоль оси резца, найдем их рациональные значения, при которых во всех точках по линии контакта режущей кромки резца с забоем рабочие передние и задние углы будут находиться в указанных выше допустимых пределах.
По результатам расчетов было установлено, что АТП внутренних перьев следует располагать под углом наклона в = -25° и с углом поворота у = -5°, а АТП наружных перьев - с в = -30° и у = 20°. На рисунке 7 а показаны зоны разрушения забоя шпура опережающей и отстающей пластинами и зависимости рабочих передних вр и задних углов ар бурового резца РШ-140М(4) с принятыми углами в и у. Видно, что передние вр и задние ар углы находятся в допустимых пределах. Однако зоны разрушения забоя шпура опережающей и отстающей пластинами существен-
но различаются по длине контакта. Это может быть исправлено только применением пластин разного диаметра. Если наружные АТП будут иметь диаметр 13,5 мм, а внутренние 10,0 мм, то, как видно из рис. 7 б, относительная длина контакта у таких пластин будет практически одинаковой.
У
б
Рис. 7. Зоны разрушения забоя шпура опережающей и отстающей пластинами и зависимости рабочих передних вр и задних углов ар бурового резца РШ-140М(4) (а) и резца РШ-140М(2-2) (б)
а
Учитывая разность в диаметрах пластин внутренних и наружных перьев, их следует устанавливать под другими углами, чем в предыдущем варианте. Угол наклона внутренней пластины должен быть в = -25 а угол поворота у = = -7 Соответственно, для АТП наружных перьев в = -30 ° и у =15 При этом, зависимости рабочих передних вр и задних углов ар бурового резца РШ-140М(2-2), приведенные на рис. 7 б, свидетельствуют о правильности ориентации всех АТП.
С учетом обоснования структуры и результатов по выбору конструктивных параметров бурового резца авторами предлагаются два варианта модернизации буровых резцов, армированных АТП (приведены на рис. 8), а именно с одинаковыми по диаметру пластинами - РШ-140М(4) и разными - РШ-140М(2-2).
С целью проверки условий прочности бурового резца были проведены соответствующие расчеты методом конечных элементов, реализо-
ванным программой ANSYS/Workbench. Методика реализации расчетов прочности бурового резца этим методом представлена в работах [8 - 10]. На основании результатов расчетов показано, что при замене АТП диаметром 13,5 мм на пластины диаметром 10,0 мм на внутренних перьях максимальные напряжения, возникающие в опасных сечениях бурового резца, практически не изменяются. Это объясняется перераспределением нагрузок на внешних и внутренних пластинах и свидетельствует о достаточной прочности рассматриваемого бурового резца. Применение внутренних АТП диаметром 10 мм обеспечивает снижение материалоемкости и, как следствие, стоимости резца.
Предлагаемые решения по совершенствованию буровых резцов, армированных АТП, а именно с рациональным расположением пластин на перьях режущей части, обеспечивают повышение эффективности бурения шпуров.
б
Рис. 8. Конструктивные параметры буровых резцов с одинаковыми по диаметру пластинами РШ-140М(4) (а)
и разными РШ-140М(2-2) (б)
а
Литература
1. Крапивин М.Г., Раков И.Я., Сысоев Н.И. Горные инструменты: 3-е изд. переработ. и доп. М., 1990. 250 с.
2. Гринько Д.М. Метод расчета и поддержания рациональных режимных параметров бурильной машины меха-тронного класса: дис. ... канд. техн. наук. Новочеркасск: НПИ, 2015. 158 с.
3. Буренков Н.Н., Третьяк А.А. Чихоткин А.В. Режущая часть долота PDC: оптимизация геометрических параметров // Oil & Gas Journal Russia. 2013. № 5. С. 66 - 69.
4. Сысоев Н.И., Буренков Н.Н., Чу Ким Хунг. Выбор рациональных параметров режущей части буровых резцов с помощью метода конечных элементов // Горное оборудование и электромеханика. 2015. № 6. С. 34 - 39.
5. Сысоев Н.И., Чу Ким Хунг. Численное моделирование процесса бурения шпура горных пород с применением упруго-пластической модели // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 3. С. 142 - 152.
6. Буренков Н.Н. Совершенствование инструмента и разработка устройства по его замене с целью повышения производительности самоходных бурильных установок: дис. ... канд. техн. наук. Новочеркасск: НПИ, 1986. 289 с.
7. Буренков Н.Н. Метод расчета геометрических параметров буровых резцов со сложной формой режущей части // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 1995. № 1-2. С. 86 - 89.
8. Сысоев Н.И., Чу Ким Хунг. Применение метода конечных элементов для определения конструктивных параметров буровых резцов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2015. № 4. С. 73 - 80.
9. Сысоев Н.И., Чу Ким Хунг. Определение максимально возможной скорости бурения шпуров численным моделированием // Горное оборудование и электромеханика. 2016. № 2. С. 20 - 26.
10. Басов К.А. АМБУБ в примерах и задачах / под общ. ред. Д.Г. Красковского. М.: Компьютер пресс, 2002. 224 с.
References
1. Krapivin M.G, Rakov I.YA, Sysoev N.I Gornye instrumenty [Mining tools]. Moscow, Nedra Publ., 1990, 256 p.
2. Grin'ko D.M. Metod rascheta i podderzhanija racional'nyh rezhimnyh parametrov buril'noj mashiny mehatronnogo klassa. Diss. kand. tehn. nauk [The method of calculating and maintaining a rational operating parameters of mechatronic class drilling machine. Cand. Diss.] Novocherkassk, NPI Publ., 2015, 158 p.
3. Burenkov N.N., Tret'jak A.A. Chihotkin A. Rezhushhaja chast' dolota PDC: optimizacija geometricheskih parametrov [Optimizing the geometrical parameters of cutting point of PDC drill bits]. Oil & Gas Journal Russia, 2013, no. 5, pp. 66-69.
4. Sysoev N.I., Burenkov N. N., Chu Kim Hung. Vybor racional'nyh parametrov rezhushhej chasti burovyh rezcov s pomoshh'ju metoda konechnyh jelementov [Choice of the Rational Parameters of Cutting Part Drilling Tools with Using the Finite Element Method]. Gornoe oborudovanie i elektromekhanika, 2015, no. 6, pp. 34-39. [In Russ.]
5. Sysoev N.I., Chu Kim Hung. Chislennoe modelirovanie processa burenija shpura gornyh porod s primeneniem uprugo-plasticheskoj modeli [Numerical simulation of the blast-hole drilling rocks with elastic-plastic model]. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten', 2016, no. 3, pp. 142 - 152. [In Russ.]
6. Burenkov N.N. Sovershenstvovanie instrumenta i razrabotka ustrojstva po ego zamene s celju povyshenija proizvoditel'nosti samohodnyh buril'nyh ustanovok. Dis. kand. tehn. nauk. [Improvement of tools and development of device for its replacement to improve the performance of power-fed drilling machine. Cand. Diss.]. Novocherkassk, NPI Publ., 1986, 289 p.
7. Burenkov N.N. Metod rascheta geometricheskih parametrov burovyh rezcov so slozhnoj formoj rezhushhej chasti [The method of calculating the geometric parameters of the drill cutters with a complex shape of the cutting part]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 1995, no. 1-2, pp. 86-89. [In Russ.]
8. Sysoev N.I., Chu Kim Hung. Primenenie metoda konechnyh jelementov dlja opredelenija konstruktivnyh parametrov burovyh rezcov [Applications of finite element method to determine design parameters of drilling cutters]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2015, no. 4, pp. 73-80. [In Russ.]
9. Sysoev N.I, Chu Kim Hung. Opredelenie maksimal'no vozmozhnoj skorosti burenija shpurov chislennym modelirovaniem [Determination of the Maximum Possible Speed Hole Drilling by Numerical Simulation]. Gornoe oborudovanie i elektromek-hanika, 2016, no. 2, pp. 20-26. [In Russ.]
10. Basov K.A. ANSYS v primerah i zadachah. [ANSYS examples and problems]. Moscow, Computer press, 2002, 224 p.
Поступила в редакцию 29 марта 2016 г.
