УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ ПАРЫ "МЕТАЛЛ-ГОРНАЯ ПОРОДА"
DEVICE FOR MEASURING THE COEFFICIENT OF FRICTION OF THE PAIR "METAL-ROCK"

Изобретение относится к устройствам для измерения коэффициента трения пары «металл-горная порода» и может найти свое применение в нефтегазовой отрасли. Техническим результатом изобретения является расширения функциональных возможностей установки АИ-3 и повышение точности определения коэффициента трения.
Известно устройство «Экспресс-1» предназначеное для ускоренного предварительного изучения противоизносных свойств смазочных материалов или буровых растворов [Колонских С.В., Жуйков Е.П., Николаева Л.В. Метод экспрессной оценки противоизносных свойств среды // Технология бурения нефтяных и газовых скважин. - Уфа: УНИ, 1985. - С. 32-35]. Узел трения представляет пару «диск-стержень», помещенную в камеру с исследуемой жидкостью.
Недостатком указанного технического решения является отсутствие возможности измерения коэффициента трения, данная установка лишь частично моделирует изнашивание бурильного инструмента.
Известна установка ИС-1 [Крагельский И.В. Трение и износ. - М.: Машиностроение, 1968. - 480 с., 97]. Испытательный узел представлен парой трения «диск-ролик». Пара трения установок ИС-1 обеспечивает воспроизводство характера и механизма изнашивания пары «ролик-цапфа» шарошечного долота. Однако установка не позволяет моделировать изнашивание долот по схеме «металл-горная порода».
Недостатком указанного технического решения является отсутствие возможности создания необходимой нагрузки на пару трения, низкая точность результатов измерений коэффициента трения.
Известна установка АИ-3 [Конесев Г.В. Смазочное действие сред в буровой технологии / Конесев Г.В., Мавлютов М.Р., Спивак А.И., Мулюков Р.А. - М.: Недра, 1993. - 272 с.], реализующая схему трения «диск-горная порода». Машина трения АИ-3М - позволяет моделировать изнашивание замка легкосплавной бурильной трубы о стенку необсаженной части скважины. Данная установка является модификацией старой установки АИ-3, которая включает систему: подачи диска, подачи керна, подачи осевой нагрузки и подачи промывочной жидкости, состоит из электродвигателя, силового редуктора для изменения частоты вращения шпинделя, карданного вала; маховика, исследуемого на износ диска, центробежного насоса, приемной емкости, специальной камеры, керна горной породы, стола установки, электродвигателя, коробки передач для изменения скорости протяжки, съемного груза, рычага, шток, ползуна для передачи осевой нагрузки и измерительной системы.
Одно из отличий этих машин трения - возможность поступательного движения закрепленного образца горной породы. По энергетической загрузке взаимодействующих элементов АИ-3 охватывает область работы вооружения долот, замковых соединений бурильных труб, как при высокооборотном, так и при низкооборотном режимах бурения.
Недостатком указанного технического решения является система регистрации показаний крутящего момента, по значению которого в дальнейшем рассчитывалась сила трения в паре «диск-горная порода». Датчики измерения момента находятся в силовом редукторе, что накладывает погрешности в показаниях из-за дополнительных потерь мощности на трение в подшипниках редуктора и шпинделя установки.
Задачей изобретения является разработка устройства для измерения коэффициента трения пары «металл-горная порода», позволяющего проводить исследования в условиях повышенных осевых нагрузок с максимальной точностью измерений.
Указанная задача решается тем, что устройство для измерения коэффициента трения пары «металл-горная порода» содержит нижнюю и верхнюю плиты, тензодатчик и направляющие, при этом тензодатчик соединен с нижней и верхней плитой через ось и крепежные уголки, а между верхними и нижними направляющими размещены опорные шарики.
На фиг 1. представлено устройство для измерения коэффициента трения пары «металл-горная порода» (со снятой верхней плитой), на фиг. 2 представлено устройство для измерения коэффициента трения пары «металл-горная порода» с верхней плитой.
Устройство для измерения коффициента трения «металл-горная порода» состоит из нижней плиты 1 и верхней плиты 2, тензодатчика 3, закрепленного к основанию верхней плиты 2 крепежным уголоком 4 и соединенного с нижней плитой через ось 5 и крепежный уголок, верхних направляющих 6 и нижних направляющих 7, опорных шариков 8. Ось соединяется с тензодатчиком 3 и крепежным уголком штифтами 9.
Устройство работает следующим образом.
Устройство для измерения коэффициента трения пары «металл-горная порода» монтируется на стол, на верхней плите устройства размещается пара трения «металл-горная порода». Она представляет собой образец керна в виде бруска, жестко закрепленного к верхней плите устройства, и металлический диск, подающийся сверху на образец горной породы с заданной осевой нагрузкой и частотой вращения. В ходе проведения эксперимента по изнашиванию диска о горную породу устройство фиксирует силу трения скольжения диска за счет движения верхней плиты 2, соединенной с тензодатчиком 3 через крепежный уголок 4. Плита движется по направляющим шарикам 8, за счет чего воспринимаемая осевая нагрузка распределяется равномерно.
В ходе проведения опыта, в режиме реального времени, фиксируются показания с тензодатчика 3 в виде зависимости величины сигнала от времени, которые передаются на компьютер через аналого-цифровой преобразователь (на фигуре не показаны).
Таким образом, получаем значение силы трения скольжения.
Коэффициент трения испытуемого образца вычисляют исходя из регистрируемой в процессе опыта силы трения по формуле:
тр
где F - сила трения скольжения, Н; G - осевая нагрузка, Н/мм.
В таблице приведены примеры измерения коэффициентов трения пары «сталь 40ХН - песчаник» в среде различных безглинистых буровых растворах (ББР) при различной осевой нагрузке.
Устройство обеспечивает измерение коэффициента трения пары трения «металл-горная порода» с погрешностью до 2% за счет применения новой схемы снятия показаний силы трения скольжения. Также устройство позволяет измерять коэффициент трения в условиях повышенных осевых нагрузок за счет возможности разгрузки на подшипники. Это позволяет более эффективно определять триботехнические характеристики добавок при разработке новых смазочных композиций.