СПОСОБ ЗАПРЕССОВКИ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ЗУБКОВ В КОРПУС ШАРОШКИ БУРОВОГО ДОЛОТА
METHOD OF HARD-ALLOY TEETH PRESSING INTO ROLLER CONE

Изобретение относится к вооружению породоразрушающего инструмента, а именно к закреплению методом запрессовки в корпус шарошки твердосплавных зубков, предназначенных для разрушения горной породы.
Известен способ закрепления зубков в отверстиях корпуса шарошки путем запрессовки с натягом, принятый за аналог [1]. Для его осуществления на круговых венцах в корпусе шарошки выполняются чистовым сверлением отверстия. Каждое отверстие замеряется по диаметру с помощью манометрической шкалы измерений, работающей по принципу изменения давления, возникающего при прохождении сжатого воздуха между стенкой измеряемого отверстия и наружной стенкой штуцера, помещаемого в это отверстие. Если разница в диаметрах стенки отверстия и штуцера уменьшается, давление сжатого воздуха, поступающего из пневмосети, возрастает. Величину давления фиксируют по остановившейся стрелке манометра. При этом оператор наносит кисточкой на площадке рядом с границей отверстия ту же цветовую маркировку, соответствующую цвету, указанному стрелкой манометра на его разноцветном ободке. Каждому цвету на ободке манометра соответствует определенный диаметр замеряемого отверстия с малым допуском, например
1
1
2
3
4
+0,03
+0,03
+0,03
+0,03
d=12,2. Количество цветов на ободке, например 4, позволяет разбить весь интервал измерений на 4 группы: первая группа - упомянутый d и еще 3 группы: диаметры d=12,23; d=12,26и d=12,29. Затем подсчитывают количество отверстий с маркировкой каждого из цветов, по которым в металлургическом цехе заказывают определенное количество зубков, также разбитых на 4 группы по размерам и замаркированным в те же 4 цвета, как и отверстия. Таким образом селективируют и отверстие и зубок, чтобы обеспечить оптимальную величину натяга в их соединении, равную 0,11 мм. Именно такая величина натяга обеспечивает полное (на 100%) удержание зубка в корпусе шарошки при ее работе на забое буримой скважины. С другой стороны, любое повышение натяга, например до 0,14÷0,20 мм, способствует резкому накоплению напряжений на стенках отверстий при запрессовке. Поскольку отверстия и зубки на венцах шарошек устанавливаются возможно чаще, чтобы полнее использовать ограниченные габариты бурового долота, напряжения на стенках соседних отверстий дополнительно увеличивают общее напряженное состояние шарошек. При перекатывании их по забою каждый зубок испытывает сотни тысяч циклических нагрузок от максимума до нуля и опять до максимума. Микротрещины и задиры на стенках отверстий при усталостных нагрузках, даже при полном соблюдении технологии запрессовки, переходят в макротрещины, при соединении которых может произойти разрушение корпусов шарошек и оставление их на забое. Опасность такого разрушения усугубляется еще и тем, что цветовая маркировка ведется вручную, и возможны отклонения размеров из-за человеческого фактора. Подобные аварии приводят к материальным и финансовым потерям, исчисляемым сотнями тысяч рублей. Фирма-потребитель бурового инструмента, имеющая в настоящее время широкий выбор буровых долот от различных мировых долотных фирм, может вообще отказаться от закупки недостаточно надежных долот у той или иной фирмы. Поэтому над улучшением операции напряженно работают все ведущие долотные фирмы мира.
Известен другой способ запрессовки деталей, также принятый за аналог [2], при котором к одной из деталей прикладывают постоянное статическое давление, а в другой детали возбуждают упругие колебания. Однако этот способ широкого распространения не получил из-за возникающих в процессе запрессовки перекосов и деформаций стенок отверстий.
Известен также способ запрессовки деталей, принятый за прототип [3]. Сущность этого изобретения состоит в том, что к одной из сопрягаемых деталей прикладывают постоянную статическую нагрузку, а в другой детали возбуждают упругие колебания и в процессе запрессовки изменяют частоту этих колебаний, обеспечивая резонанс. Запрессовку ведут с преобразованием механических колебаний в электрический сигнал; измеряют коэффициент динамичности каждого соединения и по результатам сравнения с эталонным значением коэффициента динамичности судят о качестве запрессовки каждого соединения, что приводит к сужению разброса значений их динамических характеристик. Однако и этот способ, хотя и снижает напряженно-деформированное состояние в сопрягаемых деталях, но не обеспечивает качественной их запрессовки.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение качества формируемых прессовых соединений породоразрушающих элементов бурового долота за счет повышения их прочности.
Технический результат достигается тем, что к соединяемым деталям (зубок-шарошка) прикладывают сборочное усилие и возбуждают в них упругие колебания, частоту которых изменяют в процессе запрессовки, обеспечивая резонанс и контролируя при этом качество формируемого соединения путем определения коэффициента динамичности. До начала запрессовки в зону контактирования вводят смазку, затем прикладывают к соединяемым деталям сборочное усилие и одновременно возбуждают в них упругие колебания, в процессе запрессовки непрерывно измеряют осевое относительное положение соединяемых деталей, при достижении заданного осевого относительного положения фиксируют его усилием, не допускающим осевого обратного относительного смещения деталей, повышают амплитуду упругих колебаний, одновременно осуществляют вибрационный контроль качества для определения окончания процесса запрессовки.
Снижение усилия запрессовки резко снижает боковые силы трения, возникающие при вдавливании твердосплавного зубка в отверстие, тем самым снижая общее напряженно-деформированное состояние в корпусе шарошки бурового долота. Этого можно добиться снижением величины натяга зубка в отверстии, увеличив при этом возможность его выпадения из шарошки во время работы долота на забое.
Поэтому в предлагаемом изобретении решен вопрос снижения боковых усилий трения при запрессовке зубка без уменьшения величины натяга. Это стало возможным благодаря введению различных видов смазочных веществ в зону трения. При этом необходимо было решить проблему параллельно возникающего фактора - уменьшения усилия распрессовки, снижающего прочность соединения. Эта проблема решена в предлагаемом способе тем, что на смазанную поверхность воздействуют упругие ультразвуковые колебания, введение которых дополнительно уменьшает трение, способствует возникновению кавитационных процессов, интенсивному испарению смазки и образованию тонкого равномерного смазочного облака. Кроме того, ультразвуковые колебания и возникающая кавитация ведут к быстрому и интенсивному очищению поверхностей контактирования и образованию ювенильных зон (участков чистого металла). В этих зонах и происходит химическое схватывание материалов соединяемых деталей, а в условиях ультразвуковых колебаний - и микросварка, что значительно повышает прочность соединения.
Момент окончания воздействия упругих колебаний, как было отмечено выше, определяют по изменению коэффициента динамичности следующим образом.
В процессе запрессовки измеряют вибрации колебательной механической системы, образованной корпусом шарошки и твердосплавными зубками. Вибрационный сигнал фильтруют с помощью фильтра низкой частоты и анализируют его амплитудно-частотную характеристику. Когда частота вынуждающей силы приближается к частоте свободных колебаний системы, происходит быстрое увеличение коэффициента динамичности системы µ, показывающего во сколько раз амплитуда установившихся вынужденных колебаний больше перемещения, вызываемого статически приложенной силой.
в
где ω- частота вынужденных колебаний;
с
ω- частота собственных колебаний механической системы.
в
с
в
с
Резонансная кривая системы строится, как зависимость коэффициента динамичности µ от отношения частот ω/ω. Значение коэффициента динамичности в зоне резонанса (при ω=ω.) носит название добротности Q колебательной механической системы
где с - обобщенный коэффициент жесткости системы;
m - приведенная масса системы;
k - обобщенный коэффициент демпфирования.
На фиг.1 изображена структурная схема установки для осуществления запрессовки зубков в корпус шарошки.
Установка содержит силоизмерительный датчик 1 резистивного типа, соединяемые детали - зубок 2 и шарошку 3,концентратор колебательной энергии 4, пьезокерамический вибровозбудитель 5, противовес 6, шток гидроцилиндра 7, датчики вибрации (типа KB 10) 8 и 9, генератор (типа ГЗ-109) 10, датчик перемещения резистивного типа 11, аналого-цифровые преобразователи (типа ПA2USB) 12, 13, 14 и 15.
Способ запрессовки зубков в корпус шарошки осуществляют следующим образом. Соединяемые детали 2 и 3 устанавливают на сборочной позиции до совпадения их осей. Это положение жестко фиксируется шарошкой 3. Далее в зону контактирования деталей вводят смазку. Варианты нанесения, состав, консистенция смазки могут быть различными (например, нанесение пульверизатором машинного масла (типа СУ). С помощью штока гидроцилиндра 7 через концентратор колебательной энергии 4 к соединяемым деталям 2 и 3 прикладывают сборочное усилие и одновременно с помощью генератора 10 и пьезокерамического возбудителя 5 в собираемых деталях возбуждают упругие ультразвуковые колебания. В процессе запрессовки непрерывно с помощью силоизмерительного датчика 1 и датчика перемещения 11, через датчики 12 и 13 в компьютер ПК поступает информация о сборочном усилии и относительном осевом перемещении зубка 2. Одновременно, на протяжении всего сборочного процесса с помощью датчиков 8 и 9, через датчики 14 и 15 в ПК поступает информация о частотных характеристиках формируемого соединения. С помощью специальных программ ПК непрерывно осуществляется расчет и контроль коэффициента динамичности µ формируемого соединения. При достижении собираемыми деталями требуемого осевого относительного положения они фиксируются усилием, не допускающим относительного осевого обратного смещения, и с помощью генератора 10 на детали осуществляют ультразвуковое воздействие повышенной амплитуды до момента достижения коэффициентом динамичности µ заданного значения. После этого сборочный процесс завершается.
Проведены экспериментальные исследования воздействия резонансных колебаний на качество сборки с натягом деталей (зубок-шарошка) по прессовым посадкам. При этом в качестве шарошек использовались плоские диски, прошедшие механическую и химико-термическую обработку, аналогичные серийной технологии обработки шарошек буровых долот. В каждом диске выполняли по 20 сквозных отверстий, позволявших сначала запрессовать зубки в отверстия сверху вниз, а затем выпрессовывать их снизу вверх. В каждом диске половина зубков запрессовывалась с воздействием резонансных колебаний и с использованием смазки, а другая половина без воздействия колебаний и без смазки.
Полученные результаты, в зависимости от диаметров запрессовываемых зубков, показывают, что при запрессовке зубков с применением резонансных колебаний и смазки среднее усилие запрессовки снизилось на 11÷42% с одновременным повышением прочности соединений до 12÷20%.
Источники информации
1. К.Е.Корнеев, П.А.Палий «Буровые долота» (справочник), изд. «Недра», М. 1965, стр.326-328.
2. Авторское свидетельство №935251, МПК В23Р 19/02, 1982 г.
3. Авторское свидетельство №1731572, МПК В23Р 19/02, 1992 г.