Выбор типа и параметров резцов для режущих буровых долот Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

СЕМИНАР 8

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99" МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99

А.Е. Беляев, к.т.н.,

ИрГТУ

В.А. Перетолчин, проф., д.т.н., ИрГТУ

Выбор типа и параметров резцов для режущих буровых долот

На карьерах нашли применение станки шарошечного и вращательного бурения. При этом в качестве бурового инструмента используются шарошечные и режущие долота. В породах крепостью до 6 по М.М. Протодьяконо-ву режущие долота обеспечивают наиболее высокие техникоэкономические показатели бурения. Объясняется это характером разрушения породы при резании. При воздействии режущего долота на породу преобладает эффект скола, что обуславливает снижение

1.9 раза. Расход долот сокращается в 10-15 раз.

Режущий буровой инструмент имеет специфические условия работы: стесненность призабойного пространства, динамичность приложения нагрузок, неравномерный износ режущей кромки по диаметру. Серийно выпускаемый режущий буровой инструмент применяется на станках вращательного бурения типа СВБ и СБР, предназначенных для бурения скважин диаметром 160 мм. Долота работают в сочетании со шнековой

Геометрические параметры резцов

Это достигается за счет уменьшения линии контакта и площади контакта инструмента с породой. Линия контакта сокращается при уменьшении степени дублирования резцов, а площадь контакта - при бурении острым инструментом.

Стремление расширить область применения режущего бурового инструмента привело к идее создания нового поколения режущих долот, оснащаемых сменными резцами. Такие долота сложнее по конструкции и дороже. Однако они обеспечивают значительные

Таблица 1

Параметры Тип резца

И-90В РК-8Б ШБМ2С-1-1-04 РБ-1Э

Передний угол а° Задний угол у° Угол заострения 5° Угол резания р=5+у Твердый сплав Материал державки +10 5 85 90 ВК-8В Сталь 35ХГСА -10 20 80 100 ВК-6В Сталь 35ХГСА 0 10 90 100 ВК-8В Сталь 35ХГСА 0 15 85 100 ВК-8В Сталь 35ХГСА

энергоемкости процесса и увеличение крупности буровой мелочи. При воздействии же шарошечного долота преобладает смятие и раздавливание породы, которые отличаются повышенной энергоемкостью. Эффективность разрушения особенно снижается при наличии вязких, глиносодержащих пород. Сказанное подтверждается опытом отработки режущих долот на шарошечных станках [1]. При замене в соответствующих условиях шарошечных долот режущими обеспечивается повышение скорости бурения не менее чем в 1.5 раза и снижение энергоемкости процесса в 2-2.5 раза. При этом выход мелких фракций (-2 мм) уменьшается в 1.5 раза, а крупных (+3 мм) увеличивается в

очисткой скважин и обычно имеют двухперую конструкцию со сплошной режущей кромкой лезвия. Исследованиями ИрГТУ [1] убедительно доказана возможность и высокая эффективность работы режущего бурового инструмента в сочетании с продувкой скважин воздухом. Создание режущих долот с продувкой связано с необходимостью увеличения диаметров бурения (215.5, 244.5 и

269.9 мм) и пересмотра их конструкций с учетом требований пневмотранспортирования продуктов разрушения. Для расширения области применения режущего бурового инструмента на породы крепостью до 7 по М.М. Прото-дьяконову, необходимо увеличение удельных нагрузок на режущей кромке долота до 70-80 МПа.

конструкторские и технологические преимущества:

♦ при конструировании создаются благоприятные условия для выбора параметров долота, поскольку расширяются возможности варьирования различных схем и сочетаний;

♦ значительно увеличивается срок службы долота. Режущая кромка долота изнашивается неравномерно и поэтому обычное долото становится непригодным для использования при предельном износе периферийных кромок. В долотах со сменными резцами выборочной замене подвергаются только изношенные резцы;

♦ обеспечивается возможность бурения острым инструментом, что сокращает площадь контакта с

забоем и расширяет диапазон буримых пород;

♦ просто достигается сокращение линии контакта инструмен-

♦ та с забоем за счет уменьшения степени дублирования резцов. Это обеспечивает расширение области применения режущего бурового инструмента;

♦ легко достигается расположение резцов в линиях резания с последовательным повышением их друг над другом, с целью образования ступенчатой формы забоя. Это обеспечивает снижение сопротивляемости породы разрушению за счет разрыва сплошности забоя и образования дополнительных обнаженных поверхностей.

Резцы буровых долот имеют весьма специфические условия работы:

♦ наличие больших пиковых нагрузок обуславливает необходимость в повышении прочности резцов;

♦ малые радиусы вращения резцов затрудняют обеспечение их вписываемости;

♦ стесненность рабочего пространства ограничивает размеры резцов;

♦ нагрузки на резцы и интенсивность их износа зависят от радиуса вращения и изменяются.

Специфические условия работы буровых долот требуют создания для них и специальных конструкций резцов. Однако на первом этапе применения режущих долот со сменными резцами можно использовать и стандартные, серийно выпускаемые резцы для горных машин. Конструкции таких резцов отработаны, они имеют высокое качество изготовления и сравнительно невысокую стоимость.

121

Анализ известных конструкций резцов для горных машин [2] показал, что по своим параметрам и размерам в режущих долотах могут использоваться резцы с коническими и прямоугольными державками. При создании первых режущих долот для бурения с продувкой были использованы резцы И-90В (рис. 1,г), имеющие прямоугольную державку размером 18x32 мм и мощную головку. Резцы армированы пластинами твердого сплава ВК-8В. Геометрические параметры резцов приведены в таблице. Режущие долота с продувкой на базе резцов И-90В создавались кафедрой горных машин ИрГТУ в течении 1965-1970 гг. Они испытывались и отрабатыва-

уголь» и «Красноярскуголь». Последний вариант таких долот 1РД-190

отрабатывался в 1970 г. на станках БСШ-2м [2]. Буримые породы были представлены глинами, песчаниками, аргиллитами и алевролитами крепостью от 4 до 7 по М.М. Протодьяконову. Сравнение производилось с шарошечными долотами 1В-190ТП. При этом механическая скорость бурения

возросла в среднем в 1.7 раза, расход долот сократился в 1.5 раз, а энергоемкость процесса снизилась в 2.7 раза. Расход резцов составил 0.01 шт/м.

В процессе создания и отработки режущих долот с резцами И-90В были установлены технологические и конструктивные недостатки таких резцов:

♦ прямоугольная форма и размеры державок затрудняют размещение резцов в корпусе. Для обработки всей поверхности забоя с учетом дублирования крайних внешних резцов, необходимо при диаметре скважины 190 мм разместить в корпусе долота не менее 8 резцов. При размере державки 18x32 мм этого можно достичь только при совмещении в каждом кармане корпуса по 2-3 резца;

♦ парное размещение резцов сокращает возможность варьирования сетки резания и образования ступенчатого забоя;

♦ затруднительно обеспечение вписы-ваемости резцов в прорезываемые канавки, поскольку для этого требуется разворот карманов в корпусе;

♦ прямоугольная форма державок обусловливает нетехно-логичность корпуса долота и способа крепления резцов в карманах.

С созданием шарошечных буровых станков второго поколения увеличились диаметры буримых скважин и при разработке конструкций режущих долот возникли затруднения с размещением в корпусе резцов типа И-90В. Проведенный сравнительный анализ показал, что по форме и размерам режущей грани, а также по защищенности тела резца от износа более перспективными являются резцы с коническими державками типа

ГИАБ

РК-8Б и ШБМ2С-1-1-04 (см. рис.

1, а, б). Резцы изготовлены из хромомарганцевой стали 35ХГСА и армированы пластинами вольфрамокобальтового твердого сплава ВК с крупнозернистой структурой (в марке индекс В). Размер зерен карбида вольфрама до 5 мкм. При одинаковом химическом составе крупнозернистый сплав имеет повышенную прочность, пластичность и ударную вязкость. Цифра в марке сплава- процентное содержание кобальта. С уменьшением содержания кобальта прочность и износоустойчивость сплава повышается, однако растет его хрупкость.

Резцы РК-8Б армированы пластинами твердого сплава ВК-6В (ГОСТ 3882-84) с формой пластины Г-22 (ГОСТ 880-75). Принципиальная особенность резцов- отрицательный передний угол. Это сделано с целью снижения растягивающих усилий на твердом сплаве и преобладания сил сжатия. Благодаря наличию отрицательного переднего угла, закругленной режущей кромки и применению низкокобальтовой марки твердого сплава резцы РК-8Б могут использоваться при бурении пород повышенной прочности и абразивности.

Резцы ШБМ2С-1-1-04 (см. рис. 1,б) армированы пластинами твердого сплава ВК-8В с формой пластины Г-64. Увеличение содержания кобальта в сплаве снизило его хрупкость и позволило использовать резцы при бурении скважин в неоднородных и хрупких породах при наличии повышенной динамичности процесса. Резцы РК-8Б и ШБМ2С были использованы в режущих буровых долотах второго поколения. Наблюдения за их отработкой позволили отдать предпочтение резцам ШБМ2С. Их конструктивные особенности обеспечивают по сравнению с резцами РК-8Б увеличение механической скорости бурения на 5-8 % при примерно равном расходе резцов.

Специфика условий работы сменных резцов в буровом долоте

вытекает из малых радиусов вращения и необходимости наклона резцов к оси скважины. Стесненность призабойного пространства ограничивает размеры корпуса долота и вынуждает устанавливать резцы под различными углами у наклона к оси (рис. 2). Нормальный профиль режущей кромки резца определяется сечением А-А вдоль оси резца, перпендикулярным линии режущей кромки. При этом конструктивный задний угол резца равняется у. При наклоне резца к оси скважины под углом у плоскость резания по отношению к резцу занимает положение Г -Г, а фактический профиль режущей кромки перемещается в сечение Б-Б, параллельное оси вращения. В результате задний угол искажается и становится равным у'.

Режущая кромка резца имеет вылет р относительно оси (см. рис. 2, сечение Г-Г). В применяемых резцах (см. рис. 1) вылет р составляет 14 мм. При вращении резца на радиусе г из-за наличия вылета р происходит смещение режущей

кромки на угол р с увеличением среднего радиуса вращения до г' . При этом скорость резания ир также отклоняется на угол р и оказывается не перпендикулярной к передней грани. Угол р отклонения направления скорости резания определяет положение сечения ВВ, в котором лежит рабочий задний угол у (см. рис. 2, сечение ВВ).

Конструктивный задний угол

(сечение А-А) tgy = шс.

Р'

Ис-

каженный наклоном резца задний угол (сечение Б-Б) tgy ’ = ПС^/р ■

Связь между по ' и шс ' определяется углом у наклона резца:

тс’ = пс / . Поэтому соот-

/cosщ ^

ношение задних углов

tgyr _ пс' _ 1

tgy тс' собщ

Отсюда tgy' = ^У/ .

/собщ

Рабочий задний угол (сечение

В-В) tgy" = М^М[С' Он совпадает с плоскостью скоростей резания ир и подачи ип. Поскольку ММ остается равным пс' (сечение Б-Б), а пс' = р• tgy', то

MN = ptgy' = р

tgr

cosw

Из треугольников ОіСМ и ОСОї (сечение Г -Г)

р- Г р r 2 + р2

MC = -

р cos ß

В результате рабочий задний угол

r • tgy

tgy =

V2 2

r +p

(і)

При бурении скорость им на режущей кромке резца (см. рис. 2, сечения В-В, Г -Г) складывается из скорости резания

2ш 'n = 2m^r2 + р2

скорости подачи долота на забой ип. Угол внедрения резца в породу

°п °п (2)

&У1 = — =------------------------1 „ „ (2)

°р 2пп^г + р

Из сечения В-В видно, что для обеспечения нормальной работы резца необходимо, чтобы рабочий задний угол у ' ' был больше угла

внедрения уь В противном случае резец по задней грани придет в контакт с забоем. Угол у: внедрения резца в породу зависит от радиуса вращения резца. С уменьшением радиуса вращения г снижается скорость резания ир и угол внедрения у! возрастает. Поэтому

при расчете заднего угла и резца необходимо исходить из минимального радиуса вращения гтш и для него принимать tgy' Подставляя значения из (1) и (2), имеем:

• tgy

г > -

C0s Wrmrn + P2 2Wrmm + P"

tgy >

Vn •cos W

• rmin

Переходя от радиуса к диаметру, окончательно получаем: vn • cos^

tgy >

(3)

mm n

Накопленный опыт отработки различных резцов в режущих долотах, анализ их конструкций и разработанные теоретические принципы выбора параметров, позволили определить требования к специальному резцу для бурения и на основании их создать конструкцию резца РБ-1э (см. рис. 1,в; Р- резец, Б- буровой, 1- первая модификация, э- экспериментальный). В резце РБ-1э сохранены общие габаритные размеры с ранее применявшимися резцами, с целью обеспечения взаимозаменяемости. Принципиальная особенность резца- принятая специальная форма пластины твердого сплава (см. рис. 1,в, сечение А-А). С целью повышения эффективности воздействия на забой передняя грань выполнена в виде двух по-луграней с углом приострения 1000. Резцы РБ-1э прошли успешные промышленные испытания.

На разрезе «Азейский» АООТ «Востсибуголь» скважины глубиной 12 м бурились станками 3СБШ-200-60 по вскрышным породам, представленным песчаниками полимиктовыми, крепкими на глинистом цементе. В качестве бурового инструмента использовались режущие долота 3РД-244.5 конструкции ИрГТУ. Сравнение резцов РБ-1э производилось с применяемыми на разрезе резцами ШБМ2С-1-1-04. В результате установлено, что при применении резцов РБ-1э механическая скорость бурения возрастает на 15 %, загрузка двигателя вращателя снижается в 1.4 раза.

На карьере «Юбилейный» АК «Алмазы России- Саха» скважины бурились станками СБШ-250мн по кимберлитовой руде, а также по многолетнемерзлым вскрышным породам, представленным песчаниками, алевролитами и суглинками. За период испытаний пробурено 5400 м и израсходовано 70 экспериментальных резцов РБ-1э. При этом сменная производительность станков возросла с 160 до 190 м, а удельный расход резцов снизился с 0.0136 до 0.0129 шт/м. Отработка резцов РБ-1э продолжается.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Перетолчин В.А. Вращательное и шарошечное бурение скважин на карьерах. -М.: Недра, 1983.-178 с.

2. Перетолчин В.А. Вращательное бурение скважин на карьерах. -М.: Недра, 1975.-128 с.

© А.Е. Беляев, В.А. Перетолчин

r

r

и