Технічні науки/ 10. Гірнича справа

К.т.н. Борущак Л.О., к.т.н. Врюкало В.В., к.т.н. Войтенко П.І.,
к.т.н. Онисько О.Р.

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, Україна

Комп’ютерне моделювання впливу армуючих елементів на ступінь деформування робочої зони бурових інструментів

Високі темпи інтенсифікації бурових робіт потребують значного підвищення якості інструментів для ліквідації аварій в процесі буріння і капітального ремонту свердловин. Типовими представниками таких інструментів є торцьові різально-стираючі фрезери, призначені для фрезерування металічних предметів в свердловинах з метою їх очищення по всьому перерізу (рис. 1). Робоча зона (оснащення) інструментів армується пластинками з твердого сплаву і подрібненим карбідом вольфраму, а пластичною зв’язкою служать припої на основі латуні. В основі технології оснащення інструментів різально-стираючими елементами закладено процес пічної пайки.

Рисунок 1 – Будова фрезера вибійного торцьового ФЗ-308

Умови роботи фрезерів на вибої характеризуються значними динамічними і ударними навантаженнями та абразивністю середовища. Вказані фактори спричинюють нерівномірність спрацювання торця інструменту, а невисока механічна міцність металевої зв’язки зумовлює її деформації і зсуви, що в кінцевому результаті призводить до розтріскування, вивертання та випадання як пластинок, так і зерен та шматків твердого сплаву.

З метою підвищення стійкості робочої зони, а отже і ефективності роботи фрезерів, нами було запропоновано введення у її об’єм сталевих спіралеподібних каркасів. Останні розміщують за спеціальною схемою таким чином, щоб зменшити пластичні деформації зв’язки і тим самим знизити ступінь руйнування твердосплавних елементів.

Щоб скоротити об’єм лабораторних та промислових експериментів було використано сучасні комп’ютерні технології моделювання процесів навантаження окремих деталей та конструкцій у машинобудуванні та дослідження напруженого стану, деформацій і переміщень їх елементів.

В нашому випадку було використано програму CosmosWorks для SolidWorks. Для цього створюємо параметричну тривимірну модель ділянки робочої зони на основі припою (рис. 2). Максимальні напруження за критерієм Мізеса-Губера спостерігаються в місці закріплення припою і становлять 1,48*10⁷ Н/м^2, а мінімальні - 4,05*10⁷ Н/м² (рис.3).

Рисунок 2 - Конфігурація зразка Рисунок 3– Епюра напружень

Дані напруження вдвічі перевищують межу текучості матеріалу 2,4*10⁶Н/м², що може стати причиною відриву частини припою від ріжучої кромки фрезера і втрати його працездатності

Як видно з епюри, найбільші переміщення виникають в навантаженій зоні і сягають 5,138*10^-6 м, або 5,14 мкм. Найбільша величина відносної деформації спостерігається біля основи, закріпленої нерухомо і сягає 1,032*10^-4 м.

Таким чином можна зробити висновок, що елемент є недостатньо міцний для умов, в яких працює фрезер.

Для покращення міцнісних характеристик припою фрезера було використано стальні спіралеподібні елементи. Було створено моделі спіралей різного перерізу: 2мм², 3мм², 4мм², 6мм², 8мм², 10мм², 12мм² і 15мм². Їх вставлено в дослідну модель зразка припою і повторено дослідження, аналогічні попередньому, тобто закріплено по торцю, і навантажено по протилежному торцю, зразок працює на стиск. В результаті було отримано дані напруженого стану і переміщень при стиску (рис. 4):

Рисунок 4 – Графіки залежності напружень і переміщень в дослідній моделі зразка від площі поперечного перерізу спіралей

Як видно з отриманих результатів, негативний вплив статичного навантаження знижується із збільшенням площі поперечного перерізу спіралей - найбільші напруження сягають 13,8*10⁶Н/м² і не перевищують межу текучості матеріалу 24*10⁶Н/м².

Для більш повного визначення, в якій мірі впливає армуюча спіраль на стійкість припою проти деформацій, було проведено досліди на моделі вищезгаданого зразка як при чистому припої, так і з використанням різних видів армуючих спіралей.

Результати дослідів по випробуванні виділеного елементу робочої зони при нерухомому закріпленні на торці і прикладенні статичного навантаження на протилежний торець таким чином, щоб зразок працював на зсув (рис.5):

1 Зменшення напружень в дослідному зразку з 2,07*10⁸ Н/м² до 1,77*10⁸ Н/м².

2 Зменшення переміщень в дослідному зразку з 2,18*10^-4 м до 1,61*10^-4 м.

3 Зменшення відносної деформації в дослідному зразку з 1,54*10^-3 одиниць до 1,16*10^-3 одиниць.

Рисунок 5 – Залежність напружень і переміщень в дослідній моделі зразка від площі поперечного перерізу армуючої спіралі (зсув – торець)

Результати дослідів, при випробуванні зразка припою при дії статичного навантаження величиною 3000Н при нерухомому закріпленні на довшій стороні і прикладенні навантаження на протилежну сторону таким чином, щоб , зразок працював на зсув (рис. 6):

1 Зменшення напружень в дослідному зразку з 22,7*10⁶ Н/м² до 20,3*10⁶ Н/м².

2 Зменшення переміщень в дослідному зразку з 4,10*10^-6 м до 3,63*10^-6 м.

3 Зменшення відносної деформації в дослідному зразку з 1,66*10^-4 одиниць до 1,43*10^-4 одиниць.

Рисунок 6 – Залежність напруженого стану та переміщень в дослідній моделі зразка від площі поперечного перерізу армуючої спіралі (зсув – бік )

Таким чином, нами обґрунтовано введення армуючих елементів спіралеподібної форми у пластичну металозвязку. Використання технологій комп’ютерного моделювання, а саме програми CosmosWorks® для SolidWorks®, дозволило спрогнозувати величини напружень і деформацій в робочій армованій зоні торцьових фрезерів і, таким чином, звести до мінімуму об’єм натурних експериментів. В результаті було підібрано оптимальні перерізи армуючих елементів, що були використані при виготовленні дослідних зразків фрезерів.

Література

1. Бабаев О.К. и др. Объемное армирование забойного инструмента. Справочное производство. – 1980. -№4 – с.17-18.

2. Баженов М.Ф., Байчман С.Г., Карпачев Д.Г. Твердые сплавы. Справочник. – М.: Металлургия, 1978. – 184 с.

3. Solid Works. Девид Мюррей. Пер. с англ. – М.: Лори, 2001. – 458с.

4. О. Зенкевич. Метод конечных элементов в технике. Пер. с англ. – М.: Мир, 1975. – 543 с., ил.

5. Сегерлинд. Применение метода конечных элементов. Пер. с англ. 393 – М.: Мир, 1979. – 392 с., ил.