Методика определения координат силового центра алмазного долота
The procedure of definition of coordinates of the power center of a diamond bit is developed. Calculations are executed and the actual arrangement of the power centers in used bits and drill heads is shown. New tools with the minimal deviation of the power center are created.
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Дата: | 2008 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2008
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/137939 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Методика определения координат силового центра алмазного долота / А.М. Бочковский // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2008. — Вип. 11. — С. 52-55. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860089487207432192 |
|---|---|
| author | Бочковский, А.М. |
| author_facet | Бочковский, А.М. |
| citation_txt | Методика определения координат силового центра алмазного долота / А.М. Бочковский // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2008. — Вип. 11. — С. 52-55. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description | The procedure of definition of coordinates of the power center of a diamond bit is developed. Calculations are executed and the actual arrangement of the power centers in used bits and drill heads is shown. New tools with the minimal deviation of the power center are created.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:22:11Z |
| format | Article |
| fulltext |
Выпуск 11. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
52
УДК 622.24.051
А.М. Бочковский, канд. техн. наук
Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ
СИЛОВОГО ЦЕНТРА АЛМАЗНОГО ДОЛОТА
The procedure of definition of coordinates of the power center of a diamond bit is devel-
oped. Calculations are executed and the actual arrangement of the power centers in used bits and
drill heads is shown. New tools with the minimal deviation of the power center are created.
При бурении скважины к алмазному долоту (рис. 1) прикладывают осевую нагрузку и
вращают его с определенной скоростью, вследствие чего вставки долота, преодолевая сопро-
тивление горной породы, формируют общий крутящий момент долота, состоящий из крутя-
щих моментов отдельных вставок.
Крутящие моменты от алмазных вставок, как правило, не
уравновешены относительно геометрической оси долота и оп-
ределяют собственную ось, которая называется главной цен-
тральной осью инерции, или силовой осью. Силовая ось может
совпадать с геометрической осью или не совпадать и находить-
ся от нее на определенном расстоянии. Задачей нашего исследо-
вания является определение этого расстояния.
Не скомпенсированные относительно геометрической
оси крутящие моменты образуют силовую ось, смещенную от
оси вращения. При этом алмазное долото работает неустойчиво,
с повышенными вибрациями, процесс разрушения породы не-
стабильный, наблюдается повышенный износ рабочей и калиб-
рующей поверхностей, снижаются технико-экономические по-
казатели бурения. Чтобы исключить такие условия эксплуата-
ции, необходимо разработать новые конструкции долот и ре-
жимы бурения, обеспечивающие уравновешивание крутящих
моментов относительно геометрической оси – оси вращения. В
свою очередь это предусматривает разработку методики для
определения координат силового центра алмазного долота.
В подобных вращающихся инструментах или частях ма-
шин при несовпадении главной центральной оси инерции с осью вращения производится
балансировка, приводящая в итоге к совмещению осей. Для алмазных долот процесс балан-
сировки в заводских условиях не возможен, поскольку не известны крутящие моменты для
алмазных вставок, формирующиеся только при разрушении породы на забое скважины.
В этой связи необходимо разработать расчетные методы определения крутящих мо-
ментов и координат главной центральной оси инерции (силового центра) на рабочей
поверхности долота.
Исходными данными для разработки являются алмазное долото, оснащенное опреде-
ленным количеством вставок, его геометрические размеры, координаты вставок на рабочей
поверхности, физико-механические свойства породы и режим бурения.
Рис. 1. Общий вид ал-
мазного долота ИСМ
214,3 Т
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
53
Для решения задачи поместим горизонтальную проекцию рабочей поверхности долота
в координатные оси X, Y на произвольном расстоянии X0, Y0 от геометрического центра доло-
та (рис. 2).
Определим крутящий момент для каждой і-й вставки:
Mi = Nвi Kpi Rвi , (1)
где Nв – нормальная нагрузка на вставку; Kp – коэффициент
сопротивления резанию; Rв – радиус от геометрической оси
долота до центра вставки.
Общий крутящий момент долота представляет собой
сумму крутящих моментов всех вставок:
m
i
вipiві RKNM
1
0 , (2)
где m – количество вставок на рабочей поверхности долота.
Нормальную нагрузку на вставку алмазного долота нахо-
дим как сумму нагрузок по кольцевым участкам этой вставки:
l
i
iiв SPN
1
, (3)
где l – количество кольцевых участков на рабочей поверхности
вставки, зависящее от принятого шага расчета; Р – контактное
давление в кольцевом участке; ΔS – площадь кольцевого участ-
ка вставки.
Контактное давление по рабочей поверхности вставок
алмазного долота – величина переменная, обусловленная энер-
гоемкостью разрушения, коэффициентом сопротивления реза-
нию, уровнем оснащенности и другими факторами.
Контактное давление для і-го элемента j-го кольца буро-
вого инструмента составляет [1]:
n
j
j
pj
j
j
pj
j,зij
oc
j,i
cos
K
E
E
K
KRR
F
P
1
2
, (4)
где Foc – осевая нагрузка на долото; R, ΔR – радиус и ширина
кольцевого участка;
jз
i
зi cos
K
– коэффициент оснащенности зоны; αi – угол рабочего
элемента по окружности радиуса Rj ; αз – радиальный угол между исследуемой вставкой и
предыдущей по ходу вращения (угол зоны); Кр – коэффициент сопротивления резанию; Е –
энергоемкость разрушения; n – количество расчетных колец на рабочей поверхности долота;
φ – угол наклона поверхности долота к оси абсцисс.
При расчете по формуле (4) энергоемкость разрушения породы для отдельных усло-
вий может быть принята постоянной [1] или определена с учетом режимных параметров и
свойств породы [2]:
1
2
n
зp cos
R
ZK
E
, (5)
где Z , n – экспериментальные коэффициенты, характеризующие процесс разрушения поро-
ды, (числовые значения для разных пород приведены в [2; 3]); – скорость бурения; ω –
скорость вращения долота.
Нагрузку на вставку долота можно определить также по упрощенной формуле [4]:
Рис. 2. Схема рабочей
поверхности алмазного
долота для расчета ко-
ординат силового цен-
тра
Выпуск 11. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
54
n
з
в
cos
ZN
2
. (6)
Таким образом, определив по формулам (3) или (6) нормальные нагрузки на вставки,
и подставив их значения в (1) и (2), находим крутящие моменты для каждой из них и долота
в целом.
Будем оперировать крутящими моментами для вставок как массами и по законам ме-
ханики [5] рассчитаем координаты силовой оси – силовой центр долота. Для этого опреде-
лим статические моменты относительно координатных осей X, Y :
m
i
iix YMS
1
; (7)
m
i
iiy XMS
1
; (8)
Находим координаты силового центра алмазного долота:
0M
S
X y
c ; (9)
0M
S
Y x
c . (10)
Пересечение линий Xс, Yс определяет силовой центр долота С в отличие от геометри-
ческого центра О. Расстояние между центрами называется эксцентриситетом е или отклоне-
нием силовой оси долота.
На основе разработанной методики составлены программы и выполнены расчеты.
Фактические значения эксцентриситета для разных конструкций алмазного бурового инст-
румента и условий бурения приведены в таблице.
Эксцентриситеты для алмазного бурового инструмента при разрушении горных пород
разной твердости
Эксцентриситет е, ммНаименование
породы
Твердость,
Рш, кгс/мм2
ИСМ
214,З Т
ИСМ
214,З СТ
ИСМ АП
214,3 МС
ИСМ 212,7/80
СТ
Аргиллит 45 9,33 6,65 1,02 0,17
Алевролит 60 6,92 4,10 1,07 0,09
Песчаник 66 8,34 5,43 0,96 0,13
Песчаник 80 7,58 4,67 0,91 0,11
Песчаник 99 8,41 5,51 0,77 0,14
Песчаник 136 8,57 5,68 0,81 0,14
Известняк 162 8,59 5,70 0,79 0,14
Песчаник 230 8,20 5,28 0,77 0,13
Песчаник 290 5,26 2,91 0,66 0,06
Габбро 298 7,25 4,38 1,31 0,10
Созданные до разработки методики алмазные долота ИСМ 214,3 Т и ИСМ 214,3 СТ
со спиральными схемами расположения вставок имеют значительные отклонения силовой
оси. Это явилось одной из причин частого образования кольцевых канавок на рабочей по-
верхности этих долот. В последних конструкциях алмазного бурового инструмента смеще-
ние осей сведено к минимуму, особенно в бурильных головках ИСМ 212,7/80 СТ (рис. 3).
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
55
Такое улучшение достигнуто благодаря размещению
вставок по методу эквивалентных лезвий, что обеспечило высо-
кое качество инструмента. Долота ИСМ АП 214,3 МС и бу-
рильные головки
ИСМ 212,7/80 СТ успешно применяются при бурении глубоких
скважин.
Выводы
1. Сформулированы аналитические зависимости для рас-
чета координат силового центра алмазного долота.
2. Выполнены расчеты и показано фактическое располо-
жение силовых центров в применяемых долотах и бурильных
головках.
3. Величина эксцентриситета в большей мере зависит от
конструкции инструмента, чем от режима бурения и твердости
горных пород.
4. Перспективным направлением является разработка кон-
струкций и режимов бурения, обеспечивающих уравновешива-
ние усилий и крутящих моментов относительно геометрической
оси бурового инструмента.
Литература
1. Бочковский А.М., Крангач В.Т. Расчет нагрузок в буровом инструменте // Сверхтвер-
дые материалы. – 1986. – № 6. – С. 36 – 40.
2. Бочковський О.М. Аналітичне дослідження енергоємності руйнування породи під час
обертового буріння // Нафтова і газова пром-сть. – 1999. – № 6. – С. 14 – 17.
3. Бочковский А.М. Разрушение горных пород вставками бурового инструмента // По-
родоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология
его изготовления и применения. – К.: Изд-во ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины,
2006. – С. 107 – 113.
4. Бочковский А.М. Разработка и внедрение калибраторов с прерывистыми лопастями //
Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология
его изготовления и применения. – К.: Изд-во ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины,
2007. – С. 19 – 24.
5. Подольский И. С. Строительная механика. Ч. I. Сопротивление материалов. – М.:
Изд-во ГТИ, 1930. – 1030 с.
Поступила 09.06.08
Рис. 3. Общий вид бу-
рильной головки ИСМ
212,7/80 СТ
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-137939 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2223-3938 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:22:11Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бочковский, А.М. 2018-06-17T19:24:57Z 2018-06-17T19:24:57Z 2008 Методика определения координат силового центра алмазного долота / А.М. Бочковский // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2008. — Вип. 11. — С. 52-55. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 2223-3938 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/137939 622.24.051 The procedure of definition of coordinates of the power center of a diamond bit is developed. Calculations are executed and the actual arrangement of the power centers in used bits and drill heads is shown. New tools with the minimal deviation of the power center are created. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения Методика определения координат силового центра алмазного долота Article published earlier |
| spellingShingle | Методика определения координат силового центра алмазного долота Бочковский, А.М. Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| title | Методика определения координат силового центра алмазного долота |
| title_full | Методика определения координат силового центра алмазного долота |
| title_fullStr | Методика определения координат силового центра алмазного долота |
| title_full_unstemmed | Методика определения координат силового центра алмазного долота |
| title_short | Методика определения координат силового центра алмазного долота |
| title_sort | методика определения координат силового центра алмазного долота |
| topic | Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| topic_facet | Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/137939 |
| work_keys_str_mv | AT bočkovskiiam metodikaopredeleniâkoordinatsilovogocentraalmaznogodolota |