Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тернопільський державний технічний університет

імені Івана Пулюя

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Технологічне забезпечення віброармування зубків бурового інструменту

Спеціальність 05.02.08 - технологія машинобудування

Пітулей Лоліта Дмитрівна

Тернопіль - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Петрина Юрій Дмитрович,

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу,

завідувач кафедрою „Технологія нафтогазового машинобудування”, м. Івано-Франківськ.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Пилипець Михайло Ількович,

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя,

завідувач кафедри „Комп'ютерні технології в машинобудуванні”, м. Тернопіль;

доктор технічних наук, професор

Гладкий Ярослав Миколайович,

Хмельницький національний університет,

професор кафедри „Технологія машинобудування”,

Заслужений працівник освіти України м. Хмельницький.

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Основний об'єм буріння свердловин різного призначення в нафтогазовидобувній промисловості України здійснюється шарошковими буровими долотами (ШБД). Промислові ШБД, спорядженні твердосплавними зубками (ВК4-В, ВК8-В, ВК8-ВК, ВК11-В), мають ряд конструктивних недоліків. В процесі руйнування гірської породи бере участь лише виступаюча над корпусом шарошки частина зубка, а більша його частина, яка запресована в корпус шарошки, виконує функцію державки. Внаслідок високої твердості та жорсткості твердосплавних матеріалів заготовок зубків їх запресування в корпус шарошки є недостатньо якісним, що приводить до передчасного сколювання, розхитування та випадання (близько 25%). За існуючої на виробництві технології виготовлення монолітних твердосплавних зубків твердий сплав використовується нераціонально. Виконання державки зубка з хромонікелевої чи хромонікельмолібденової сталі дозволить урізноманітнити конструктивне виконання з'єднання „зубок-корпус шарошки”, а також підвищити його надійність, оскільки завдяки високим показникам пластичності сталі стає можливим якісне з'єднання з меншою точністю виконання розмірів спряження.

Зменшити використання дефіцитних твердих сплавів на основі вольфраму та кобальту можна завдяки локальному об'ємному армуванню лише робочої, виступаючої над тілом шарошки, частини вставного зубка твердим сплавом. Скупчення твердого сплаву в об'ємі робочої частини і практично його відсутність у державці дозволить майже на 70% зменшити витрати дефіцитного та дорогого матеріалу вставного зубка. Окрім того, на даний час відомі методи проектування та виготовлення заготовок зубків не задовольняють вимог до довговічності бурового інструменту (БІ). Перспективним напрямком технологічного забезпечення довговічності БІ є використання зносостійких композиційних матеріалів (КМ) на стальній металозв'язці. Тому, актуальним питанням є підвищення довговічності БІ завдяки застосуванню технологічного процесу (ТП) віброармування заготовок зубків ШБД.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно до тематики Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу (ІФНТУНГ) та ВАТ „Дрогобицький долотний завод” і є частиною загальної тематики Д-9/04-П „Розробка наукових технологій подовження ресурсу та підвищення ефективності роботи нафтогазового обладнання” (№ державної реєстрації 0104U004087), а також в рамках Національної програми «Нафта і газ України до 2010 року» та Державної науково-технічної програми «Ресурс» (постанова Кабінету Міністрів від 08.10.04 р. №1331).

Мета і задачі досліджень. Мета - технологічне забезпечення процесу віброармування зубків на основі композиційного матеріалу „стальна металозв'язка-реліт” для підвищення довговічності бурового інструменту.

Для досягнення поставленої мети розв'язувались такі задачі:

- провести аналіз конструкцій і технологій виготовлення заготовок зубків з точки зору забезпечення довговічності БІ та на цій основі обґрунтувати доцільність використання технології віброармування заготовок зубків;

- розробити комплексну методику проведення досліджень технології віброармування заготовок зубків для оптимізації технологічних режимів на стадії формоутворення та методику випробувань зразків на стійкість до характерних видів зношування;

- розробити математичну модель седиментаційно-вібраційної рівноваги армованого об'єму розплаву заготовок зубків, визначити технологічні параметри рівноваги армованого об'єму та змоделювати процес у лабораторних умовах;

- теоретично обґрунтувати і вивести аналітичні залежності оптимальних розмірно-структурних умов міцності та пластичності віброармованого композиційного матеріалу зубків БІ;

- дослідити вплив вібрації ливарної форми на швидкість зародження і росту кристалів в розплаві виливка та розробити динамічні моделі отримання дрібнозернистої структури композиційного матеріалу заготовок зубків;

- дослідити умови дегазації армованого та неармованого об'ємів розплаву заготовок зубків БІ з метою уникнення дефектів на стадії формоутворення;

- розробити технологічний процес віброармування заготовок зубків, використавши алгоритм управління процесом кристалізації армованого розплаву;

- спроектувати та виготовити необхідне функціонально здатне технологічне оснащення з метою отримання зразків для проведення експериментальних досліджень згідно розробленої методики;

- провести комплекс експериментальних досліджень мікро- та макроструктури композиційного матеріалу заготовок зубків та випробувань віброармованих зубків БІ на стійкість до характерних видів зношування.

Об'єкт досліджень -технологічний процес віброармування заготовки зубка шарошки бурового долота.

Предмет досліджень - методи і засоби технологічного забезпечення процесу виготовлення віброармованих заготовок зубків БІ.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження базуються на фундаментальних засадах технології машинобудування, законах теоретичної і аналітичної механіки, ливарної гідравліки. Експериментальні дослідження проводились за допомогою комплексної програми та методики, що полягають у сумісному використанні фізичного, математичного та комп'ютерного моделювання об'єкту досліджень для підтвердження адекватності отриманих результатів за допомогою діючого технологічного обладнання, розробленого та виготовленого технологічного оснащення на основі сучасних стандартних методик металографії та рентгеноспектрального аналізу, а також існуючих методів випробувань на стійкість з характерними видами зношування БІ. Оброблення результатів теоретичних досліджень здійснювалось з використанням програмних засобів Маple.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше розроблено математичну модель процесу об'ємного віброармування заготовок зубків, що дало можливість визначити умови седиментаційно-вібраційної рівноваги армованого об'єму розплаву;

- теоретично обґрунтовано та виведено аналітичні залежності оптимальних розмірно-структурних умов міцності й пластичності віброармованого композиційного матеріалу зубків;

- вперше створено динамічні моделі отримання дрібнозернистої структури металозв'язки композиційного матеріалу заготовок віброармованих зубків на основі диференціальних рівнянь вимушених коливань рухомих і нерухомих арміторів в об'ємі композиційного розплаву, що дозволило визначити вихідні дані для технологічних режимів віброоармування заготовок зубків БІ;

- вперше розроблено схему автоматизованого управління технологічним процесом віброармування заготовок зубків БІ з метою постійного контролю якості структуроутворення композиційного матеріалу на всіх етапах формоутворення.

Практичне значення одержаних результатів.

Теоретичні та експериментальні дослідження використано для розроблення технологічного процесу віброармування заготовок зубків ШБД. Завдяки віброармуванню заготовок зубків економія твердого сплаву становить 70% на один композиційний зубок порівняно з твердосплавним зубком промислового виготовлення. З метою визначення зносостійкості віброармованих зубків розроблено програму та методику порівняльних стендових випробувань композиційних зубків шарошок для дослідної станції бурових доліт ВАТ „Дрогобицький долотний завод”.

Випробування експериментальних партій віброармованих композиційних зубків на стійкість до характерних видів зношування показали, що зносостійкість віброармованих зубків на 20-30% вища, ніж промислових. На основі цього технологію віброармування заготовок зубків ШБД рекомендовано до впровадження у виробництво на ВАТ “Дрогобицький долотний завод”.

Результати теоретичних та експериментальних досліджень застосовуються в навчальному процесі підготовки фахівців освітньо-кваліфікаційного рівня спеціаліст спеціальності 7.090202 „Технологія машинобудування”для викладання дисципліни „Технологічні методи виробництва заготовок” та спеціальності 7.090217 „Обладнання нафтових і газових промислів” для дисципліни „Обладнання паливно-енергетичного комплексу і технологія його виготовлення” у ІФНТУНГ.

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати роботи отримано автором самостійно[1-3]. В наукових працях, що написані у співавторстві, автору належить: [4] - розрахункова схема з'єднання зубок-шарошка; [5-6] - визначення технологічних параметрів стабілізованого положення арміторів в розплаві матриці при віброармуванні та координат арміторів у розплаві в залежності від їх геометричних параметрів; [7-8] - динамічні моделі отримання дрібнозернистої структури КМ заготовки зубка; [9] - визначення часу кристалізації матриці КМ; [10] - структурна схема системи автоматичного керування параметрами вібратора; [11] - технологічне забезпечення отримання КМ; [12] - методика фізичного моделювання процесу армування; [13,15] - виведення аналітичних залежностей частоти вібрації ливарної форми від фізико-механічних властивостей матриці та арміторів, динамічної в'язкості армованого розплаву; [14] - аналіз температурних кривих кристалізації виливок з вібрацією та без вібрації; [16] - технологія введення в розплав матриці карбідів вольфраму методом замішування; [17] - оптимізація робочої частини зубка ШБД; [18] - схема контактної взаємодії зубка ШБД з вибоєм.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: 1-й науково-технічній конференції „Композиционные материалы в породоразрушающих инструментах” (м.Івано-Франківськ, 1987), Першій міжнародній конференції „Конструкційні та функціональні матеріали” (м.Львів, 1993), 1-му міжнародному симпозіумі українських інженерів механіків у Львові (стендова доповідь, 1993), 1-й міжнародній конференції „Міцність і надійність конструкцій нафтогазового обладнання” (стендова доповідь, м.Івано-Франківськ, 1994); науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ІФНТУНГ (1995-1997); науково-методичній конференції “Вплив наукових досліджень на підвищення якості підготовки фахівців” (м.Івано-Франківськ, 1998); розширених наукових семінарах кафедр технології нафтогазового машинобудування та нафтогазового обладнання ІФНТУНГ (2007-2008); IV міжнародній науково-практичній конференції „Ефективні інструменти сучасної науки” (м. Прага, 2008). У повному обсязі робота доповідалась на розширеному науково-технічному семінарі Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (м.Тернопіль, 2008).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 18 робіт, з яких 10 статей у фахових виданнях ВАК України, а 8 -- у матеріалах праць і тез конференцій.

Структура та обсяг дисертаційної роботи.

Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, 6 додатків, списку використаних джерел із 110 назв. Основний обсяг роботи становить 214 сторінок, в тому числі 65 рисунків та 8 таблиць. Загальний обсяг роботи - 237 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність розроблення наукових засад ТП вібро-армування заготовок зубків ШБД. Сформульовано мету, об'єкт, предмет, методи та задачі досліджень, аргументовано наукову новизну, практичну цінність роботи та наведено її апробацію.

Перший розділ присвячений аналізу умов експлуатації ШБД із вставними зубками; визначено основні фактори, які впливають на зношування та руйнування твердосплавних зубків; наведено аналіз сучасного стану та перспектив розвитку виробництва ШБД із вставними зубками; подано характеристику конструктивних особливостей серійно виготовлених зубків; розглянуто можливості вибору матеріалів для виготовлення БІ та обґрунтовано використання нових зносостійких КМ.

Вітчизняні та зарубіжні дослідники вдосконалення БІ вважають, що вагомим фактором, який суттєво впливає на показники надійності та довговічності БІ, є підвищення фізико-механічних властивостей матеріалу інструменту. Довговічність зубків БІ залежить перш за все від відповідності властивостей матеріалу робочим навантаженням. Такими властивостями володіють КМ, отримані об'ємним армуванням, оскільки мають значні резерви підвищення ударної та втомної стійкості за рахунок оптимізації структурного вдосконалення матриці, додаткового її легування та використання оптимальних арміторів. Найпоширеніше використання для створення зносостійкого БІ отримали литі КМ на стальній металозв'язці, переваги яких детально проаналізовані в роботах В.М. Виноградова, К.О.Крилова, О.О.Стрільцової, Є.М.Кузмака, К.П.Єфремової, О.І.Кудріна, Г.М.Сорокіна, Р.Р.Зейналова, Ю.М.Бугая, В.Я.Бєлоусова, Ю.Д.Петрини, В.Я.Найдека, С.С.Затуловського, Дональда, Хемменда, Фітса, Ванга та інших.

На основі проведеного аналізу існуючих конструкцій та технологій виготовлення заготовок зубків з метою забезпечення довговічності БІ визначено наукові підходи та напрямки досліджень для вирішення поставлених в роботі задач.

В другому розділі розроблено комплексну програму та методику проведення теоретичних та експериментальних досліджень ТП віброармування заготовок зубків БІ, обгрунтовано необхідність вивчення показників якості матеріалу зразків для встановлення залежностей їх стійкості до характерних видів зношування від якості КМ заготовок зубків. У зв'язку з тим, що композити, як правило, не існують окремо від конкретних конструкцій та ТП виготовлення, їх фізико-механічні властивості розглядаються в комплексі з питаннями конструювання для певних умов експлуатації. Обов'язковими умовами проектування технології віброармування заготовок зубків БІ є: проведення фізичного моделювання процесу віброармування з метою скорочення кількості лабораторних досліджень для визначення режимів армування; параметрична оптимізація ТП з використанням теоретичних основ віброармування; раціональне поєднання прийнятих рішень на всіх етапах формоутворення з метою уникнення ливарних дефектів, отримання КМ з необхідною об'ємною концентрацією арміторів і прогнозованими фізико-механічними властивостями.

Для фізичного моделювання досліджуваних процесів віброармування створено лабораторну установку, яка складається з електродинамічного вібратора ESE типу 11076 фірми Robotron (частотний діапазон віброзбудника 15-5000 Гц, максимально допустиме віброзміщення 2^.10^-3 м), низькочастотного генератора, комплекту змінних форм із оргскла та електронного вимірювального комплексу.

Особливість методики досліджень полягає в послідовному визначенні властивостей КМ заготовки зубка та довговічності конструкції БІ в цілому. Віброармований зубок БІ складається із основи (сталь 18ХН2МФЛ), що відіграє роль державки та запресовується в тіло шарошки, і робочої породоруйнівної армованої частини, виконаної з КМ „стальна металозв'язка-реліт”. Показниками якості КМ заготовки зубка є макро- та мікроструктура, мікротвердість, фізико-механічні властивості. Дослідження макроструктури КМ заготовки зубка з метою визначення концентрації зерен реліту проводиться на макрошліфах зразків за допомогою мікроскопа МПБ-2; мікроструктури - на оптичному мікроскопі МИМ-8 після травлення шліфів реактивом Муракамі та 2% розчином азотної кислоти у спирті за методикою В.С.Коваленка. Концентрація основних хімічних елементів в площах сканування повздовжнього шліфа зразка визначається за допомогою мікроаналізатора „Camscan” при діаметрі зони збудження 1,0 - 1,5 мкм. Мікротвердість структурних складових армованої зони в поперечному та повздовжньому перерізах віброармованої заготовки зубка вимірюється на приладі ПМТ-3 шляхом подряпування за методикою Ю.М.Бугая. Дослідження механічних властивостей КМ на розтяг проводять на машині ГСМ-50 згідно ГОСТ 1497-84; на ударну вязкість згідно ГОСТ 9454-78 маятниковим копром.

Стійкість віброармованих зубків БІ до абразивного зношування досліджується на машині моделі СМЦ-2; до ударно-абразивного - на У-1-АС; до ударно-втомного - на лабораторній установці ІФНТУНГ для випробувань БІ на ударно-втомне зношування з проковзуванням за відомими методиками. У зв'язку з відсутністю даних про кількісну залежність довговічності БІ, спорядженого віброармованими зубками, від параметрів режимів буріння та фізико-механічних властивостей гірських порід розроблено програму та методику порівняльних стендових випробувань вставних композиційних зубків ШБД в умовах, наближених до реальних, для дослідної станції бурових доліт ВАТ „Дрогобицький долотний завод”.

В третьому розділі теоретично обгрунтовано, що одним з ефективних методів керування структуроутворенням металів і сплавів в процесі кристалізації є вібрація, яка має здатність покращувати фізичну та хімічну однорідність матеріалу. За допомогою механічних коливань можливо забезпечити седиментаційно-вібраційну рівновагу арміторів - першу основну умову однорідності армованого об'єму заготовки зубка. До накладання пружних коливань на розплав армітори в зоні двофазного стану застигаючого розплаву матриці знаходяться в хаотичному стані, рухаючись до дна ливарної форми під дією сили тяжіння. Для керування хаотичним накопиченням арміторів, визначення технологічних параметрів седиментаційно-вібраційної рівноваги побудовано математичну модель армованого розплаву. Армований об'єм заготовки зубка представлено псевдо-твердим тілом, в якому армітори рухаються відносно армованого об'єму. Схема віброармування розплаву заготовки зубка ШБД представлена на рис. 1.

Для дослідження динаміки армування заготовки зубка БІ застосовано рівняння Лагранжа ІІ роду відносно координати y_r:

, (1)

де E - кінетична енергія армованого та неармованого об'ємів заготовки, Дж; , - відповідно відносні швидкість, м/с і координата армованого об'єму заготовки зубка, м; - узагальнена сила, яка відповідає відносній координаті, Н.

Розписавши рівняння Лагранжа другого роду (1) з врахуванням виразу кінетичної енергії досліджуваної системи і визначивши узагальнену силу , отримано:

, (2)

де та - відповідно відносне та переносне пришвидчення армованого об'єму, м/с²; n - коефіцієнт затухання; - частота власних коливань всієї системи, Гц; g - пришвидчення земного тяжіння, м/с²; ; - густина армітора, кг/м³; - ширина зазору, м; R - радіус армованого об'єму, м; Р_а - атмосферний тиск, Па; - густина хромо-нікелевої сталі, кг/м³; h - висота армованого об'єму, м; - об'ємна концентрація арміторів у розплаві, %; H - висота заготовки зубка, м; - коефіцієнт, який враховує вплив дна ливарної форми на рух арміторів; F_в - вібраційна сила, яка діє на армітор, Н; m i m_пр - відповідно маса і коефіцієнт приєднаних мас твердої частинки, кг.

Визначено вібраційну силу, яка діє на один армітор:

, (3)

де А - амплітуда коливання розплаву, м; щ - частота коливання розплаву, Гц; V_a- об'єм армітора, м³;; r_a - радіус армітора, м.

Прирівнявши в рівнянні (2) всі активні сили до нуля і виразивши вібраційну силу F_в згідно рівняння (3), визначено частоту стабілізації армованого об'єму:

. (4)

Рекомендована частота стабілізації армованого об'єму розплаву заготовки знаходиться в межах 160-400 Гц. Регулюючи частоту та амплітуду коливання розплаву сталі, можливо досягти седиментаційну рівновагу армованого розплаву арміторами будь-яких розмірів і в будь-якому їх положенні, тим самим уникнувши в подальшому прилипання арміторів до дна ливарної форми.

Графіки вимушених коливань для певних режимів процесу віброармування подані на рис. 2.

Механічні властивості КМ залежать від розмірів кожного структурного елементу: радіуса арміторів r_a, середньої віддалі між ними l₀, об'ємної концентрації арміторів у розплаві та фізико-механічних властивостей матриці (рис.3).

Визначено середню віддаль між арміторами із рівняння . Потенційна можливість покращення однорідності структури та міцності КМ тим вища, чим більша об'ємна концентрація арміторів у розплаві заготовки. Критерій оптимальної міцності КМ забезпечується при об'ємній концентрації . При забезпеченні критерію міцності також справедливе співвідношення .

Встановлено, що у КМ з хаотичним розподілом арміторів незалежно від властивостей матриці спостерігаються максимальні значення пластичності, коли середня вільна відстань між арміторами l приблизно рівна середньому розміру зерна матриці: , тобто виконується структурна умова . Графічні залежності границі міцності на розтяг від об'ємної концентрації арміторів у розплаві представлено на рис.4.

Як показали теоретичні та експериментальні дослідження, основним технологічним параметром віброармування заготовок зубків ШБД є частота вібрації розплаву. Значення амплітуди коливання розплаву обмежується амплітудою коливання арміторів і віддалями між ними. Частоту вібрації ливарної форми виражено залежністю (5):

, (5)

де - поверхневий натяг розплаву, Па.

Визначивши зв'язок між швидкістю утворення центрів кристалізації в розплаві заготовки без вібрації та з вібрацією, отримано залежність для визначення частоти коливання ливарної форми від амплітуди коливання, параметрів термічного циклу ливарного процесу, кількості центрів і швидкості зародження центрів кристалізації металозв'язки:

, (6)

де а - параметр, наближено рівний періоду кристалічної решітки, Е; К_Б - постійна Больцмана; Т - абсолютна температура, К; z_K - кількість центрів кристалізації; v_K - швидкість зародження центрів кристалізації, м/с.

Дослідження динаміки процесу утворення дрібнозернистої структури металозв'язки віброармованого КЗ проводились за допомогою динамічних моделей руйнування рухомих та нерухомих кристалів відносно ливарної форми які дали можливість визначити необхідні частоти коливань системи =393-679Гц.

Дегазація розплаву матриці можлива в результаті видалення газу у вигляді пухирців через поверхню неармованого розплаву. Пухирцева дегазація протікає протягом всього часу існування розплаву матриці. Повнота дегазації залежить в основному від тривалості процесу кристалізації і часу, необхідного пухирцеві для піднімання з об'єму розплаву до його поверхні. Від співвідношення цих параметрів залежить ймовірність появи газових пор в закристалізованому металі. Для ефективної дегазації локального скупчення газових пухирців необхідно, щоб частота коливань ливарної форми була більшою частоти власних коливань газової подушки (Гц).

В четвертому розділі представлено ТП віброармування заготовок зубків БІ, який реалізовано за допомогою комплексу технологічного обладнання: печі електрошлакового переплаву ЕШП- 1,25 (2,5); установки електрошлакового литва ЕШЛ - 1,25; шлаковловлювача та розробленої віброустановки (рис.6). Для технологічного забезпечення ТП віброармування заготовок зубків спроектовано та виготовлено технологічне оснащення: прес-форми для легкоплавких моделей; керамічні ливарні форми; опока; дозатор для твердого сплаву. вібраційний кристал зубок дрібнозернистий

Систему автоматичного керування реалізовано на базі мікропроцесорного контролера (МПК), який керує роботою вібратора за двома технологічними параметрами: температурою розплаву Т і дисперсністю D шляхом формування вихідного сигналу U=f(T,D). Канал керування температурою передбачає її вимірювання первинним перетворювачем температури (ППТ) на базі термопари, формування за допомогою нормуючого перетворювача температури (НПТ) стандартного електричного сигналу для подачі на вхід МПК. Останній виробляє керуючий вплив у вигляді сигналу напруги для регулювання частотою коливань виконавчого механізму (ВМ) вібратора. Невід'ємними складовими цього каналу керування є задавач алгоритму - регулювання температури (ЗАРТ), за допомогою якого здійснюють програмування МПК згідно алгоритму та блоку узгодження (БУ), який забезпечує можливість керування ВМ за вихідним сигналом МПК.

Враховуючи, що дисперсність розплаву залежить від амплітуди коливань вібратора, канал управління дисперсністю розплаву передбачає застосування задавача алгоритму керування дисперсності (ЗАКД), за допомогою якого на базі експериментально отриманих даних здійснюється програмування МПК на формування вихідного сигналу МПК керування амплітудою ВМ вібратора. При цьому контроль за якістю розплаву здійснюється аналізатором дисперсності розплаву (АДР) або шляхом дослідження структури матеріалу заготовки зубка за якісними показниками КМ після його кристалізації. Цей контур керування є розімкненим електрично, так як формування сигналу ЗАКД здійснюється за наявності людського фактору та результатів експериментальних досліджень матеріалу зразків.Тому згідно цих параметрів передбачено лише корегування (попереднє задання на вхід МПК) інформації, якою формують вихідний сигнал. МПК здійснює керування частотою і амплітудою коливань виконавчого механізму вібратора, які практично забезпечують можливість впливу на якісні показники КМ заготовки зубка бурового долота. Виготовлено дослідні партії заготовок віброармованих композиційних зубків КМ55, КМ60, КМ70 при частотах віброзбудника 75; 150; 225; 300; 375 Гц (рис.8).

В п'ятому розділі проведено металографічний аналіз макро- та мікроструктури КМ віброармованих зразків. В результаті макроскопічних досліджень матеріалу шліфів у їх повздовжніх і поперечних перерізах визначився рівномірний характер розподілу реліту (рис.9).

Мікроструктуру матеріалу віброармованої зони заготовки досліджено на основі аналізу хімічного складу елементів шліфа за висотою зуба. На всій площі шліфа рівномірно по висоті армованої зони вибрано десять елементарних площ, які представляють собою площі сканування 1мм х 4 мм, де проведено кількісний рентгеноспектральний аналіз. Концентрацію основних хімічних елементів в площах сканування шліфа представлено в табл.1.

Таблиця 1

Концентрація основних хімічних елементів в площах сканування шліфа зубка

Вміст елемента, % (мас)
Елементи	с1	с2	с3	с4	с5	с6	с7	с8	с9	с10
W	1,826	3,534	4,463	12,07	18,450	36,427	31,369	32,393	34,564	2,446
Fe	92,206	91,583	89,536	84,536	79,510	60,304	65,195	64,262	60,876	83,811
Si	0,750	0,494	0,645	-	-	0,193	0,456	0,146	-	9,296
Mo	0,514	0,036	0,443	0,438	0,112	0,285	-	0,428	1,368	0,323
Cr	0,897	0,744	0,872	0,694	0,203	0,469	0,530	0,472	0,559	0,683
Mn	1,034	1,071	0,996	0,664	0,563	0,590	0,724	0,650	0,766	0,801
Ni	2,774	2,538	3,046	1,694	1,160	1,733	1,727	1,645	1,866	2,645

За об'ємною долею карбідів вольфраму визначено такі структурні зони: послаблена, слабо армована, армована, слабо армована та слабо легована зона основного металу (рис.10). Розподіл карбіду вольфраму WC у відповідних зонах та середні значення мікротвердості шліфа поперечного перерізу зубка представлено в табл. 2. Отже, об'ємне віброармування заготовок виключає наявність неармованих об'ємів робочої зони зубка БІ.

Середню віддаль між арміторами в матриці визначено за допомогою програмних математичних засобів Maple. За коефіцієнтом варіації та гістограмами розподілу арміторів у матриці можна зробити висновок про оптимальну рівномірність розподілу арміторів у віброармованій зоні заготовки зубка з об'ємною концентрацією =0,66.

Відсутність спільного критерію вибору і створення нових КМ, зносостійких до статичного й динамічного руйнування, обумовлена відсутністю однозначного зв'язку між фізико-механічними характеристиками КМ і їх стійкістю до руйнування. Тому на етапі проектування і виготовлення зубків БІ досліджена динаміка ударної взаємодії зубка ШБД з породою з метою отримання спільного критерію створення КМ, які забезпечать його довговічність.

Віброармовані зразки досліджені на абразивне, ударно-абразивне та ударно-втомне зношування.

Таблиця 2

Середні значення мікротвердості

Назва зон	Мікротвердість, МПа 102
	металозв'язка	реліт
послаблена	22 - 23,06
слабоармована	40-90,6	110,0-180,0
армована	74,75-107,25	180,0-220,0
основного металу	57,6-67,2

Отримані результати свідчать, що лінійний знос в одиницю часу зменшується в середньому в 1,8-2 рази із збільшенням об'ємної концентрації арміторів у розплаві з 35 до 66%. З точки зору досягнення оптимальної стійкості зубків вимоги до якості армування зубків різних вінців ШБД повинні бути різними.

Крім того, в долотах типу МЗ і СЗ необхідна більша концентрація зерен реліту армованої зони зубка і більша інтенсивність його розчинності в металозв'язці, ніж у долотах типу ТКЗ і ТЗ.

Розраховано навантаження, які діють на вінці шарошок долота ІІІ 215,9 С3-ГАУ (рис.11). Запропонований метод визначення навантажень рекомендовано для визначення раціонального розміщення зубків на вінцях ШБД. Стендові випробування проводились на дослідній станції бурових доліт ВАТ „Дрогобицький долотний завод” згідно розроблених програми та методики. На рис. 12 представлено буровий стенд дослідної станції. Стендові випробування дослідних партій віброармованих зубків в умовах, наближених до реальних, показали, що стійкість до характерних видів зношування композиційних зубків на 20-30 % вища, ніж твердосплавних

Характер появи втомних процесів руйнування зубків БІ залежить від ударної взаємодії БІ з породою, геометрії, фізико-механічних властивостей матеріалу зубків та породи і від питомої енергії удару. Тому довговічність вставних зубків шарошок долота залежить перш за все від відповідності властивостей матеріалу зубків робочим навантаженням. Такими властивостями володіють композиційні матеріали, отримані об'ємним віброармуванням, оскільки мають значні резерви підвищення ударної та втомної стійкості за рахунок оптимізації структурного вдосконалення матриці, додаткового її легування та використання оптимальних арміторів.

На рис.13 показано характер зносу твердосплавних та віброармованих зубків ШБД. Знаходження розрахункових залежностей між величинами структурних компонентів КМ та характером зношування зубків дозволяє оцінити їх вплив на значення величин зносу і визначити оптимальну зернистість реліту та його об'ємну концентрацію для конкретних умов експлуатації з метою підвищення довговічності БІ в цілому.

ВИСНОВКИ

1. В дисертаційній роботі на основі проведеного аналізу існуючих конструкцій і технологій виготовлення заготовок зубків БІ, враховуючи умови його експлуатації, науково обґрунтовано доцільність і перспективність локального об'ємного армування робочої частини зубка твердим сплавом реліт. Виконано теоретичне узагальнення та розв'язано наукову задачу технологічного забезпечення процесу віброармування зубків БІ, що дає можливість на 70% зменшити витрати твердого сплаву. Ефективність процесу віброармування особливо зростає при дотриманні оптимальних технологічних режимів формоутворення.

2. Розроблено комплексну методику проведення теоретичних та експериментальних досліджень технології віброармування виготовлення заготовок зубків БІ, які базуються на фундаментальних засадах технології машинобудування, законах теоретичної та аналітичної механіки, ливарної гідравліки, результати яких закладені в проектування технологічного забезпечення віброармування зубків ШБД з метою підвищення довговічності БІ. Програма та методика порівняльних стендових випробувань композиційних зубків застосовується на дослідній станції бурових доліт ВАТ “Дрогобицький долотний завод”.

3. Вперше розроблено математичну модель седиментаційно-вібраційної рівноваги армованого об'єму розплаву заготовок, що дало можливість визначити технологічні параметри рівноваги арміторів у композиційному розплаві. Завдяки розробленій математичній моделі седиментаційно-вібраційна рівновага арміторів для композиційних зубків типорозмірів КМ25-КМ70 (аналог твердосплавних зубків Г2525-Г2570) досягається в діапазоні частот коливання ливарної форми 160-400 Гц при амплітуді віброзбудника 0,1 10^-3 м в процесі армування релітом 3-6; 3-9; 3-16 сталі 18ХН2МФЛ. Дотримання технологічних умов седиментаційно-вібраційної рівноваги у розплаві матриці сприяє уникненню осадження реліту та прилипання до дна ливарної форми.

4. Вперше теоретично обґрунтовано оптимальні співвідношення розмірно-структурних параметрів литих віброармованих композиційних матеріалів для зубків БІ. Критерій оптимальної міцності забезпечується співвідношенням середньої вільної віддалі між арміторами l?0,55r_a при об'ємній концентрації ц?0,66. Максимальне значення пластичності композиційного віброармованого матеріалу досягається за виконання аналітичної залежності - середня вільна віддаль між арміторами у металозв'язці дорівнює середньому розміру зерна матриці, тобто коли виконується структурна умова l ?d₃.

5. Вперше з метою підвищення зносостійкості матеріалу заготовки зубка створено динамічні моделі отримання дрібнозернистої структури металозв'язки на основі диференціальних рівнянь вимушених коливань рухомих і нерухомих арміторів в об'ємі композиційного розплаву. Швидкістю зародження центрів кристалізації розплаву заготовки можна керувати шляхом підбору частоти та амплітуди коливань розплаву. Значення амплітуди коливання розплаву обмежується амплітудою коливання арміторів і віддалями між ними. На основі теоретичних досліджень визначено діапазон частот коливань розплаву, що забезпечує необхідну зернистість матричної сталі для надійного закріплення арміторів у металозв'язці (=306 - 440 Гц).

6. Побудовано модифіковану модель утворення газової подушки в розплаві заготовки віброармованого зубка, завдяки якій досліджено умови дегазації армованого та неармованого об'ємів зубка БІ, що сприяє усуненню дефектів на стадії формоутворення заготовки. Для підняття газової подушки до вільної поверхні розплаву частота вібрації ливарної форми повинна бути більшою за частоту власних коливань подушки (Гц).

7. Науково обґрунтовано та підтверджено експериментальними дослідженнями параметри термічного циклу віброармування. Для зубків КМ25 - КМ70 рекомендується температура розплаву матричної сталі (1953-2003) К, температура нагрівання керамічної ливарної форми (573-623) К, кількість реліту на 1 заготовку - 4,7-19,5 г, швидкість подачі сталі - 35 г/с, швидкість подачі реліту - 5 г/с. Термічний цикл віброармування дозволяє забезпечити розчинність реліту в зоні армування в межах 14-20%, що є достатньою для оптимального легування дрібнозернистої металозв'язки.

8. Розроблено груповий технологічний процес віброармування заготовок композиційних зубків КМ25-КМ70, спроектовано та виготовлено функціонально здатне технологічне оснащення для його реалізації. Виготовлено дослідні партії заготовок віброармованих композиційних зубків КМ55, КМ60, КМ70 з частотою віброзбудника 75; 150; 225; 300; 375 Гц, використавши систему автоматичного керування процесом кристалізації армованого розплаву заготовки.

9. Проведено лабораторні та стендові дослідження партії заготовок віброармованих зубків згідно розробленої комплексної програми, що дозволяє стверджувати про доцільність використання запропонованої технології. Випробування дослідних партій зубків в умовах, наближених до реальних, показали, що стійкість до характерних видів зношування віброармованих зубків на 20-30% вища, ніж промислових, що забезпечить підвищення довговічності бурового інструменту в цілому. Технологія виготовлення заготовок віброармованих зубків ШБД рекомендується до впровадження на ВАТ «Дрогобицький долотний завод».

Перелік опублікованих праць

1. Пітулей Л.Д. Регулювання розмірно-структурних умов максимальної міцності і пластичності армованого об'єму зубка бурового долота з допомогою вібрації /Л.Д. Пітулей //Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. - 1999. - Т.8, №36. - С.329 - 337.

2. Пітулей Л.Д. Інтенсифікація процесу ущільнення в перехідних шарах (капілярах) армованого об'єму вставного зубка шарошки бурового долота з допомогою вібрації / Л.Д.Пітулей //Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2005. - №2(15). - С.63 - 66.

3. Пітулей Л.Д. Розробка алгоритму управління технологічними параметрами - амплітудою і частотою об'ємного віброармування озброєння бурового долота /Л.Д.Пітулей //Вісник Донбаської державної машинобудівної академії. - 2008. - №1(11). - С.136-140.

4. Григоренко С.І. Теоретичні передумови підвищення міцності з'єднання зубок-шарошка /С.І.Григоренко, О.С. Кодак, Л.Д. Пітулей //Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ.- 1997. - №34. - С.83 - 85.

5. Бугай Ю.М. Математична модель седиментаційно-вібраційної рівноваги арміторів композиційного зубка шарошкового долота / Ю.М.Бугай, Л.Д.Пітулей, Д.І.Феденчук //Методи та прилади контролю якості. - 2000. - №6. - С.100 - 102.

6. Пітулей Л.Д. Оптимізація за допомогою вібрації структуроутворення на початковій стадії кристалізації армованого об'єму зубка бурового долота /Л.Д. Пітулей, Д.І. Феденчук //Науковий вісник Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу. - 2002. -№2(3). - С.34 - 37.

7. Крижанівський Є.І. Вплив вібрації на кристалічну структуру долотної сталі /Є.І.Крижанівський, Л.Д.Пітулей, Д.І.Феденчук //Науковий вісник Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу. - 2005. - №3(12).- С.26-30.

8. Петрина Ю.Д. Вплив вібрації армованого розплаву на кристалічну структуру матричної долотної сталі / Ю.Д. Петрина, Л.Д.Пітулей, Д.І.Феденчук // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ.- 2005. - №3(16). - С.14 - 18.

9. Петрина Ю.Д. Дослідження розчинності зерен твердого сплаву в армованій зоні розплаву зразків під дією вібрації / Ю.Д.Петрина, Л.Д.Пітулей, Д.І. Феденчук //Науковий вісник Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу. - 2006. - №2(14). - С.102 - 104.

10. Петрина Ю.Д. Інтенсифікація виникнення зародків газових пухирців і дегазації армованого розплаву зубка шарошки бурового долота за допомогою вібрації / Ю.Д. Петрина, Л.Д.Пітулей, Д.І. Феденчук //Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2008. - Т.13, №3. - С.19-24.

11. Карпик Р.Т. Породоразрушающий инструмент, оснащенный композиционным вооружением на стальной металлосвязке /Р.Т. Карпик, Д.И. Хома, Л.Д.Феденчук // Композиционные материалы в породоразрушающих инструментах: тезисы докладов I Всесоюзной научно-технической конф., 22-24 сентября 1987 г., Ивано-Франковск. - Ивано-Франковск: ИФИНГ, 1987. - С.79-80.

12. Борущак Б.О. Лабораторный стенд и методика моделирования процесса виброцентробежного армирования / Б.О.Борущак, Л.Д.Питулей // Композиционные материалы в породоразрушающих инструментах: тезисы докладов I Всесоюзной научно-технической конф., 22-24 сентября 1987 г., Ивано-Франковск. - Ивано-Франковск: ИФИНГ, 1987. - С.63-64.

13. Вібраційне армування зубців шарошок бурового долота /Ю.М.Бугай, С.І.Григоренко, Л.Д.Пітулей, Д.І.Феденчук //Конструкційні та функціональні матеріали. Теорія, експеримент, взаємодія: тези доповідей Першої міжнародної конф. КМФ'93, 20 - 23 вересня 1993 р., Львів. - Львів: „Львівська політехніка”, 1993. - С.168-169.

14. Вплив вібрації на затверднення виливок /Ю.М.Бугай, Р.Т.Карпик, Л.Д.Пітулей, Д.І.Феденчук //Тези наук.-техн. конф. проф.-викл. складу ун-ту, 1995р., Івано-Франківськ. 2 частина. - Івано-Франківськ: Факел, 1995. -- С.16.

15. Пітулей Л.Д. Віброармування кінцевого упорного підшипника шарошкових доліт /Л.Д.Пітулей, Я.М. Дрогомирецький, Д.І. Феденчук //Тези наук.-техн. конф. проф.-викл. складу ун-ту, 1996р., Івано-Франківськ. ІІ частина. - Івано-Франківськ: Факел, 1996. -- С.21.

16. Бугай Ю.М. Віброармування деталей та вузлів бурового озброєння /Ю.М.Бугай, Л.Д.Пітулей, Д.І. Феденчук //Тези наук.-техн. конф. проф.-викл. складу ун-ту, 1997р., Івано-Франківськ. І частина. - Івано-Франківськ: Факел, 1997. -- С.129.

17. Векерик В. Роль теоретичної механіки як фундаментальної науки в поєднанні навчального і наукового процесів /В.Векерик, Л.Пітулей, Д.Феденчук //Вплив наукових досліджень на підвищення якості підготовки фахівців: матеріали наук.-метод. конф., 20-21 травня 1998р., Івано-Франківськ. - Івано-Франківськ: Факел, 1998. - С.39-40.

18. Гаврилів Ю.Л. Дослідження контактних напружень при взаємодії озброєння бурового долота з породою /Ю.Л.Гаврилів, Л.Д.Пітулей, Д.І. Феденчук //Ефективні інструменти сучасної науки: матеріали IV Міжнародної наук.-практ. конф., 3 - 15 квітня 2008р., Прага. - Прага: „Education and Sciense”, 2008. - С.78-82.

Анотація

Пітулей Л.Д. Технологічне забезпечення віброармування зубків бурового інструменту. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 - технологія машинобудування. - Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя. - Тернопіль, 2008.

Робота присвячена питанням проектування технологічного процесу та виготовлення конкурентноздатного бурового інструменту віброармуванням заготовок зубків з метою підвищення їх довговічності шляхом отримання зносостійких литих композиційних матеріалів на стальній металозв'язці.

Теоретичні та експериментальні дослідження проведено згідно розроблених комплексної програми та методики, що полягають у сумісному використанні фізичного, математичного та комп'ютерного моделювання об'єкту досліджень для підтвердження адекватності отриманих результатів за допомогою діючого технологічного обладнання, розробленого та виготовленого технологічного оснащення на основі сучасних стандартних методик металографії та рентгеноспектрального аналізу, а також існуючих методів випробувань бурового інструменту на стійкість з характерними видами зношування в умовах, наближених до реальних. Розроблений метод визначення навантажень, які діють на різні вінці шарошок бурового долота, може використовуватись для раціонального розміщення зубків на вінцях шарошки.

Наведено результати промислових випробувань зношування виготовлених композиційних віброармованих зубків бурового інструменту. Результати випробувань порівнюються з аналогічними показниками твердосплавних зубків, що випускаються серійно.

Ключові слова: зубок, заготовка, віброармування, армітор, технологічний процес, композиційний матеріал.

Питулей Л.Д. Технологическое обеспечение виброармирования зубков бурового инструмента. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 - технология машиностроения. - Тернопольский государственный технический университет имени Ивана Пулюя. - Тернополь, 2008.

Работа посвящена вопросам проектирования технологического процесса и изготовлению конкурентоспособного бурового инструмента виброармированием заготовок зубков с целью повышения их долговечности путем получения износостойких литых композиционных материалов на стальной металлосвязке.

Теоретические и экспериментальные исследования проводились согласно разработанных комплексной программы и методики, которые базируются на использовании физического, математического и компьютерного моделирования объекта исследований для подтверждения адекватности полученных результатов с помощью действующего лабораторного и промышленного технологического оборудования, спроектированных и изготовленных необходимых установок и приспособлений, на основании современных стандартных методик металлографии и рентгеноспектрального анализа, а также существующих методов испытаний на стойкость бурового инструмента при характерных видах изнашивания в условиях, приближенных к реальным. Разработанный метод определения нагрузок, действующих на разные венцы шарошек бурового долота, может использоваться для рационального размещения зубков на поверхностях шарошки.

Научно обоснована необходимость и перспективность локального объемного виброармирования рабочей части зубка твердым сплавом релит. Отсутствие релита в основании заготовки зубка способствует качественному конструктивному выполнению и повышает прочность соединения «зубок-корпус шарошки». Благодаря разработке и использованию технологического процесса виброармирования повышается долговечность бурового инструмента в целом.

С целью определения оптимальных технологических режимов виброармирования во избежание литейных дефектов разработана математическая модель седиментационно-вибрационного равновесия армированного объема расплава заготовок зубков.

Теоретически обоснованы оптимальные соотношения размерно-структурных параметров литых виброармированных композиционных материалов.

С целью получения износостойкого материала заготовки зубка созданы динамические модели обеспечения получения мелкозернистой структуры металлосвязки на основании дифференциальных уравнений вынужденных колебаний подвижных и неподвижных армиторов в объеме композиционного расплава.

Определен диапазон частот колебаний расплава, обеспечивающий необходимую зернистость матрицы для надежного закрепления армиторов в металлосвязке.

Построена модифицированная модель создания газовой подушки в виброармированном расплаве заготовки для исследования условий дегазации расплава.

Приведены результаты стендовых испытаний износостойкости виброармированных зубков бурового инструмента. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса виброармирования заготовок зубков бурового инструмента нашли промышленное внедрение.

Ключевые слова: зубок, заготовка, виброармирование, армитор, технологический процесс, композиционный материал.

Pituley L. D. The technological process of drilling tool vibra armoring. - Manuscript.

The thesis for acquiring the scientific degree of the candidate of technological sciences in specialty 05. 02.08 - The Technology of Machine Building. - Ternopil State Technical University by the Name of Ivan Puluy. - Ternopil, 2008.

The research work deals with the problems of engineering the technological process and producing the competitive samples of the drilling tool teeth by vibra armoring with the aim of increasing its life by getting casten materials, resistant to wearing out, located on steel linking.

Theoretical and experimental research were conducted with the help of worked - out complex programs and methods, which are connected with the complex use of physical, mathematical and computer modeling of the research object in order to confirm the adequacy of the obtained results with the help of existing technological equipment, worked - out and produced technological provision on the basis of modern standard methods of metallographics and X - ray spectral analysis, and the use of existing testing methods for testing its durability by certain kinds of the drilling tool's wearing out under conditions, approximate to real ones. The method for determining the load which affect different cone drill bit rings and which can be used for determining the rational position of the teeth on the surface of the cone drill bit was worked out.

The results of industrial testing the wearing out of the produced compositional vibra armoring teeth of the drilling tool are provided in the thesis. The results of testing are compared with the correspondent indexes of the teeth's hardness, which are produced in series.

The key words: a tooth, a sample, vibra armoring, armoring device, technological process, a compositional material.

Размещено на Allbest.ru