Дослідження покращеного з’єднання «зубок-шарошка» шляхом введення додаткового елемента для бурових доліт

Abstract

Розроблено нову конструкцію породоруйнівної вставки, що дала змогу підвищити надійність з’єднання зубка з тілом шарошки долота. Це дозволило забезпечити сприятливі умови для раціонального розподілу контактних напружень у спряжених поверхнях «твердосплавний зубок – втулка – тіло шарошки долота». Поставлене завдання вирішувалось за рахунок вдосконалення обґрунтованого вибраного прототипу, яким є конструкція породоруйнівної вставки бурового долота. Конструкція включає твердосплавний зубок, який виконаний із двоступеневим хвостовиком із рівними по висоті ступенями. Розроблена конструкція породоруйнівної вставки створює можливості для підвищення міцності з’єднання «породоруйнівний зубок – тіло шарошки долота» завдяки надійному приляганню спряжених контактуючих поверхонь та унеможливлює випадання твердосплавного зубка з втулки, підвищення опірності крихкому руйнуванню твердосплавного зубка в небезпечному перерізі. Запропоноване з’єднання дозволяє покращити щільність прилягання спряжених поверхонь «хвостовик зубка – втулка» при технологічних операціях складання породоруйнівної вставки. Отримані результати моделювання напруженого стану свідчать про те, що як і очікувалось при однакових зусиллях, які діють на зубок від 50кН до 68кН, найбільш напруженим місцем на шарошці буде «комірець» біля зубка. Напруження у цьому місці для шарошок з серійним породоруйнівним оснащенням буде складати до 1070МПа. У той час для шарошок із розробленим породоруйнівним оснащенням таке напруження буде складати до 912МПа, що є менше на 17%. Отже, розроблена конструкція породоруйнівної вставки відкриває нові можливості не тільки для підвищення міцності з’єднання з тілом шарошки, а й забезпечення умов протидії розтріскуванню твердосплавних зубків при різкому зростанні напружень в пресовому з’єднанні при перевантаженні під час руйнування гірських порід підвищеної міцності. Встановлено, що параметри конструкції породоруйнівної вставки, за рахунок балансу в спряженнях і застосуванні проміжної втулки, дають змогу якісно змінити жорсткість кріплення твердосплавного зубка, що забезпечує запобіганню руйнуванню твердосплавного зубка при перевантаженні під час руйнування гірських порід підвищеної міцності. Також створюються можливості для застосування твердих сплавів з вищими показниками міцності та запобіганню утворень тріщин в тілі шарошки під час пресування вставок та в процесі руйнування породи. Розроблена конструкція породоруйнівної вставки дає змогу не тільки організовувати селективне складання, а й успішно усувати брак допущений при формоутворенні отворів.

A new design of the rock-destroying insert has been developed, which has made it possible to increase the reliability of the connection between the tungsten carbide inset cutter and the body of the cone. This allows providing favorable conditions for the rational distribution of contact stresses in the conjugate surfaces "tungsten carbide inset cutter – bush – a body of the cone". The task was solved by improving the well-founded selected prototype, which is the design of the rock-destroying insert of the drill bit. The construction includes a carbide inset cutter, which is made with a two-stage shank with equal steps in height. The developed design of the rock-destructive insert creates opportunities to increase the strength of the connection "inset cutter – the body of the cone". This is realized because a reliable fit of the conjugate contact surfaces is obtained and prevents the tungsten carbide inset cutter from falling out of the bush. Resistance increases to the brittle fracture of the carbide inset cutter in a dangerous section. The proposed joint allows to improve the tightness of the conjugate surfaces of the "shank of the inset cutter –bush" in the technological operations of assembling the rock-destructive insert. The obtained results of stress state modelingindicate that, as expected, with the same forces acting on the inset cutter from 50 kN to 68 kN, the most intense place on the cone will be the "flange" near the inset cutter. The stress will be up to 1070MPa in this place for cones with serial rock-destroying equipment. Therefore, the developed construction of the destructive insert provides new opportunities not only to increase the strength of the connection with the body of the cone. Conditions secure the cracking of tungsten carbide insert cutter with surge stresses in the press connection when we have an overload during the destruction of high-strength rocks. At that time, this stress will be up to 912MPa, which is 17% less for cones with developed rock-destroying equipment. It is established that the structural parameters of the rock-destroying insert allow to qualitatively changing the rigidity of the carbide insert cutter. This effect is due because the balance created in the conjugations and the intermediate sleeve is applied. Therefore, the developed construction of the destructive insert provides new opportunities not only to increase the strength of the connection with the body of the cone. There are also opportunities for the use of hard alloys with higher strength and prevent the formation of cracks in the body of the cone during the pressing of the inserts and in the process of rock’s destruction. The developed design of the rock-destroying insert not only makes it possible to organize selective assembly but also successfully eliminates the allowed defect during the formation of holes.