Долота дробяще-скалывающего действия (шарошечные)
Устройство долота и материалы для его изготовления
Долота дробяще-скалывающего действия — универсальные породоразрушающие инструменты. Они изготавливаются для обоих классов и для всех групп горных пород (см. табл. 5.2). Шарошечные долота выполняются как с обычной, так и с гидромониторной системами промывки, а также для промывки скважины промывочными жидкостями и продувки скважины газообразными агентами. Шарошечные долота выпускают главным образом в секционном исполнении (диаметрами от 76 до 393,7), но возможно их выполнение в корпусном исполнении (диаметром свыше 393,7 мм).
Основные элементы шарошечного долота рассмотрим на конкретныхпримерах. На рисунке 5.29 а показано устройство трехшарошечного долота 2-го класса для бурения крепких горных пород при продувке скважины воздухом. Долото состоит из трех секций. Каждая секция включает лапу 1, на цапфе 2 которой с помощью подшипников 3 установлена шарошка 4, имеющая вооружение в виде зубчатых или сплошных венцов 5. Секции соединены между собой сваркой. На верхнем конце сваренных секций (долота) выполняется конус и нарезается присоединительная замковая резьба. Двухрядный шариковый подшипник собран через отверстие, которое закрывается пальцем 6.
Шарошечные долота выполняются с обычной и гидромониторной системами промывки. Система промывки (продувки) долота, показанная
на рисунке 5.29 а, является обычной центральной и включает внутреннюю полость долота 7, сужающийся подводящий канал 8 и цилиндрическое промывочное (продувочное) отверстие 9. В долотах для бурения с продувкой воздухом в лапах и цапфе сверлят отверстия 10 и 11 для охлаждения подшипников и защиты их от засорения шламом.
|
|
|
Рис. 5.29. Секционное (а) и корпусное (б) шарошечные долота
Таблица 5.11
Стали, применяемые ОАО «Волгабурмаш» для изготовления деталей долот
| Наименование детали | Диаметры долот, мм | Марка стали | ГОСТ, ТУ |
| Шарошки 1-го класса | Все размеры | 15Н3МА | ТУ 3-102-80 |
| Шарошки 2-го класса | Все размеры | 14ХН3МА | ТУ 3-102-80 |
| Лапы | До 244,5 | 15Н3МА | ТУ 3-102-80 |
| Лапы | 244,5 и более | 19ХГНМА | ТУ 3-102-80 |
| Втулки малые | Все размеры | 14Х17Н2 | ГОСТ 5949-75 |
| Подпятники | Все размеры | Р6М5 | ГОСТ 19265-73 |
| Шарики, ролики | Все размеры | 55СМ5ФА-ШД | ТУ 14-1-2666-79 |
На рисунке 5.29 б показано устройство долота 1-го класса в корпусном исполнении с обычной центральной системой промывки. Такие конструкции используются для долот диаметром более 394 мм. Долото имеет литой корпус 1 с внутренней замковой присоединительной резьбой. К корпусу сваркой прикреплены лапы 2, нижняя часть которых заканчивается цапфой 3. На цапфе на подшипниках 4, 5 и 6 установлена шарошка 7.
|
|
|
сновные марки стали для изготовления долот приведены в таблице 5.11. Из таблицы видно, что основные детали долота изготавливают из никель-молибденовых, хромо-никель-молибденовых и хромо-марганец-никель-молибденовых сталей, а тела качения – из кремний-молибденванадиевой стали.
Лапы и шарошки для повышения износостойкости подвергаются цементации на глубину 0,6…2,4 мм с последующей двойной закалкой и отпуском.
Принцип работы долота. Дробящая способность шарошек
Принцип работы элементов вооружения дробяще-скалывающего долота показан на рисунке 5.30. Качение шарошек по забою обеспечивается установкой их на цапфах с возможностью вращения, трением элементов вооружения о забой и сопротивлением горной породы скалыванию внедрившимися в нее элементами вооружения.
При перекатывании шарошки с одного элемента вооружения на другой создается дробящий эффект, а при проскальзывании вооружения относительно плоскости забоя создается скалывающий эффект.
Обеспечение и регулирование дробящей способности долота рассмотрим в соответствии со схемой на рисунке 5.30. При перекатывании шарошек с зуба на зуб происходит вертикальное перемещение корпуса долота и связанного с ним бурильного инструмента. Потенциальная энергия перемещающегося и сжатого в вертикальном направлении низа бурильного инструмента является источником динамического воздействия долота на забой скважины. Теоретическое решение задачи о динамике работы долота возможно только с большими допущениями и дает лишь качественную картину. А поэтому для практических целей используются прямые измерения.
|
|
|
Рис. 5.30. Схема взаимодействия вооружения долота с забоем:
1, 2, 3 – номера венцов шарошки
Принимаем, что названная потенциальная энергия инструмента Uи прямо пропорциональна вертикальному перемещению долота z:
| Uи = Аиz, | (5.16) |
где Аи – коэффициент пропорциональности; z – вертикальное перемещение долота.
Для определения величины z рассмотрена условная шарошка с зубьями в венцах, выполненными на одной образующей конуса шарошки. Поскольку долото жесткое, то вертикальные перемещения точки Оi, лежащей на оси шарошки (цапфы) и долота, совпадут. При опирании на два зуба в точках А и В ось шарошки находится в нижнем крайнем положении Оi ′ . По мере перекатывания шарошки зуб в точке В принимает вертикальное положение Оi. Тогда вертикальное перемещение оси шарошки, а вместе с ней и долота
|
|
|
| zmax= zОi – zОi ′ = ri sinα(1 – cos(ψ/2)), | (5.17) |
где ri – радиус венца;α – угол наклона оси шарошки к оси долота;ψ – угловой шаг зубьев в венце.
Из формулы (5.16) видно, что вертикальное перемещение долота растет с увеличением углового шага венца.
Для упрощения считаем, что горная порода деформируется на глубину δ по линейному закону. Тогда баланс энергий
U П = U и +12 Gст δ, (5.18)
где UП – потенциальная энергия деформирования горной породы, но
U П =12 Gmax δ; (5.19)
Gст. – статическая нагрузка на долото, задаваемая бурильщиком;
Gmax –максимальная осевая нагрузка на долото.
Подставив в уравнение (5.18) значения Uи из выражения (5.16) и UП из выражения (5.19) и сделав необходимые преобразования, получим
(5.20)
Величина 2Аиz /δ = Gд представляет собой динамическую составляющую нагрузки на долото. Из формулы (5.20) видно, что динамическая составляющая нагрузки прямо пропорциональна вертикальному перемещению долота и обратно пропорциональна глубине деформирования горной породы.
При размещении зубьев всех венцов на шарошке по одной ее образующей вертикальные перемещения корпуса долота будут обусловлены параметрами периферийных венцов. Например, для долот типа Т диаметром 190,5 мм величина z составила бы 0,92 мм, а динамическая нагрузка была бы чрезмерно большой и опасной как для долота, так и для бурильного инструмента. Поэтому используется размещение зубьев одних венцов «в свету» других (рис. 5.31).
Рис. 5.31. Относительное расположение зубьев в венцах («в свету»)
Из рисунка 5.31 видно, что шаг "в свету" (S c) существенно меньше шага (S ) в венце. В этом случае перекатывание шарошки происходит с зуба одного венца на ближайший зуб другого венца с шагом S c, поэтому соответственно уменьшается амплитуда колебаний нагрузки
и инструмента и увеличивается частота колебаний.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 1421; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!