Разработка методики ускоренных испытаний твердосплавных зубков шарошечных долот на стойкость к ударным циклическим нагрузкам

На правах рукописи

НАССИФ Сулейман Нассиф

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ

ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ЗУБКОВ ШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ

НА СТОЙКОСТЬ К УДАРНЫМ ЦИКЛИЧЕСКИМ НАГРУЗКАМ

Специальность: 05.02.01 – Материаловедение (машиностроение)

01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов

и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара

2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» и Открытом акционерном обществе «Волгабурмаш»

Научный руководитель: Заслуженный машиностроитель РФ,

доктор технических наук, профессор

Богомолов Родион Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бичуров Георгий Владимирович,

доктор технических наук, профессор

Павлов Валентин Фёдорович

Ведущая организация: Открытое акционерное общество

«Уралбурмаш»

Защита состоится « 14 » ноября 2007 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.02 при ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: 443010, г. Самара, ул. Галактионовская, 141 (учебный корпус № 6), ауд. 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет».

Автореферат разослан « 13 » октября 2007 года

Просим Вас принять участие в обсуждении работы и направить свой отзыв, заверенный гербовой печатью, по адресу:

443100 г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус СамГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.02

Ученый секретарь

диссертационного совета,

д.т.н., профессор А.Ф. Денисенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Современное строительство глубоких нефтяных и газовых скважин характеризуется непрерывным ростом силовых и скоростных режимов бурения, которые прямо зависят от надёжности основного породоразрушающего инструмента – буровых шарошечных долот. Важной задачей в их производстве является повышение конструкционной прочности материала породоразрушающих элементов, обеспечивающей надёжную и длительную работу в условиях эксплуатации.

В настоящее время испытание материалов твердосплавных зубков проводится в соответствии с отечественными и международными стандартами. К таким испытаниям относятся: оценка плотности (экспериментальным или расчетным путём), твёрдости по Виккерсу или Роквеллу, параметров коэрцитивности и др. Стабильность свойств в партиях зубков контролируется по удельной электропроводимости, а также с помощью коэффициента термического расширения. Механические и технологические свойства определяются пределом прочности при изгибе и напряжениями сжатия.

Вязкость разрушения оценивается при изгибе с использованием образцов с надрезом, а прочность при сжатии и модуль упругости определяются в соответствии с требованиями действующих стандартов. Эффективным методом оценки качества является также ультразвуковое тестирование.

Целью проведения стандартизованных испытаний является определение зависимости прочности твердосплавных материалов от металлургических дефектов, основными из которых являются: скопление -фазы, наличие крупных зёрен - фазы, двойного карбида (-фазы), загрязнение (наличие во фракции карбида вольфрама частиц других металлов, сплавов и неметаллов), сегрегация (неравномерное распределение фазы) и др., выявленные путём исследования микроструктуры на шлифах.

Перечисленные стандартизованные лабораторные методы испытания твёрдых сплавов позволяют выявить характеристики, которые не могут в полной мере характеризовать конструкционную прочность зубков, поскольку испытания проводятся не на зубках, а на образцах-свидетелях и не воспроизводят режимы нагружения и условия внешней среды.

Здесь наибольшее значение имеет физическое моделирование ударных процессов, характерных для работы зубков на забое при контактировании с разрушаемой породой в условиях очень высокого нагружения, воздействия абразивной и агрессивной среды.

Существующие установки для испытания циклической прочности различных материалов, в первую очередь стальных, плохо подходят для определения циклической долговечности твердосплавных зубков. Кроме того, время испытания высокопрочных зубков получается слишком большим и не позволяет своевременно выдавать заключения о годности новых партий зубков. В связи с этим, для оценки долговечности изготавливаемых зубков на ударную стойкость необходима разработка ускоренных методов испытаний с помощью специализированных стендов, включающих технические средства и программное обеспечение, позволяющих без задержки производственного цикла выдавать заключения о годности новых партий зубков для поставки их на сборку.

Создание методики испытаний твердосплавных зубков на стойкость к ударным циклическим нагрузкам, обеспечивающей надёжную и длительную работу в условиях эксплуатации, стенда для таких испытаний, выбор ускоренных режимов испытаний обеспечивают возможность оперативно оценивать эффективность материаловедческих, технологических и конструктивных мероприятий по повышению прочностных свойств зубков, минуя длительные и дорогостоящие полевые испытания буровых долот с твердосплавными зубками.

Отмеченные проблемы указывают на необходимость их решения и на актуальность темы диссертационной работы, что также подтверждается получением гранта Самарской региональной научно-технической программы № 01.2.00610804 от 03.02.2007 г.

Объекты исследования – методология и система, методика и средства испытания породоразрушающих зубков буровых шарошечных долот из твердых сплавов различных марок на конструкционную прочность (циклическую долговечность).

Предметы исследования и разработки – кинетика и механизмы усталостной повреждаемости зубков при циклических ударных нагрузках; критерии оценки ударной стойкости; методики производственных испытаний твердосплавных зубков на стойкость при циклическом ударном нагружении.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка научных и методических основ, а также технических средств реализации ускоренных испытаний твердосплавных зубков шарошечных буровых долот на

стойкость к ударным циклическим нагрузкам, что позволяет установить нижний предел прочности для пропуска зубков на сборку, оперативно принимать решения по выбору и оптимизации материалов зубков и технологии их производства, минуя длительные и дорогостоящие полевые испытания долот, а также внедрить разработанные методики и стенды для контрольного испытания в серийном производстве зубков в ОАО «Волгабурмаш».

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1. Исследовать основные механизмы накопления повреждаемости и разрушения зубков буровых долот с учетом совместного действия основных эксплуатационных факторов бурения – характера нагрузки, температуры, среды и т.п. На основе обобщения полученных результатов разработать физическую и расчетные модели для исследования разрушения и прогнозирования ресурса твердосплавных зубков буровых долот.

2. С учетом характера повреждаемости и разрушения разработать и внедрить в научно-исследовательской лаборатории ОАО «Волгабурмаш» методики и технические средства для ускоренных испытаний твердосплавных зубков буровых долот на циклическую ударную стойкость.

3. На базе обобщения экспериментальных результатов при испытаниях твердосплавных зубков буровых долот и физического моделирования разрушения выбрать и обосновать режимы испытаний для каждого типа выпускаемых твердосплавных зубков, а также критерии для оценки их минимальной стойкости при испытаниях. Установить нижние пределы ударной стойкости для всех типоразмеров зубков. Обеспечить поступление на сборку шарошек зубков со стойкостью не ниже установленного нижнего предела.

4. Проанализировать влияние дефектов структуры, возникающих при изготовлении твердосплавных зубков на показатели их циклической стойкости.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследований.

Анализ характера повреждаемости материала зубков на основании фрактографии поврежденных поверхностей и сколов производился на стандартных оптических микроскопах с увеличением до х1000.

Энергетические параметры повреждаемости - энергия активации пластической деформации U0, накопленных повреждений Uc, значение структурно-чувствительного коэффициента и микротвёрдости H проводились при помощи склерометрирования на созданном приборе и на микротвердомере ПМТ-3.

Оценка ударной стойкости проводилась на разработанном стенде по предложенной автором методике. Обработка экспериментальных данных выполнялась с использованием методов теории вероятности и математической статистики. Погрешность всех экспериментальных данных не превышает 5% при доверительной вероятности 0,95. Прогнозирование ударной стойкости зубков выполнялось при помощи аппроксимации экспериментальной зависимости роста энергии активации пластической деформации от наработки зубков на стенде методом наименьших квадратов.

Оценка деформации зубков в процессе ударных испытаний выполнялась микрометром с ценой деления 10 мкм. Исследование напряженно-деформированного состояния зубков при ударе выполняли на конечно-элементных моделях, построенных с помощью программного пакета ANSYS. Эпюра ударного нагружения фиксировалась тензометрическим методом в режиме реального времени при помощи быстродействующей микроконтроллерной системы сбора данных.

Конечная оценка эффективности полученных результатов выполнялась при проведении промысловых испытаний буровых шарошечных долот, вооруженных твердосплавными зубками.

Достоверность и объективность полученных результатов стендовых и промысловых испытаний, лабораторных и производственных измерений подтверждена совпадением теоретических и экспериментальных данных, а также корректностью использованного математического аппарата; внедрением компьютерной системы сбора данных при ударных испытаниях зубков, исключающей погрешности, связанные с «человеческим» фактором.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Методика ускоренных испытаний твердосплавных зубков на ударную стойкость при циклическом нагружении.
2. Компьютеризированный стенд для производственных испытаний твердосплавных зубков буровых долот на стойкость к циклическим ударным нагрузкам.
3. Кинетическая модель накопления повреждаемости в материале твердосплавных зубков, деформируемых циклическим ударным нагружением и результаты оценки активационных параметров деформации и разрушения твердых сплавов.
4. Результаты исследования кинетики усталостной повреждаемости зубков при ударных испытаниях.
5. Конечно-элементная модель напряженно-деформированного состояния зубков при ударном нагружении.
6. Критерии выбора режимов испытаний.
7. Критерии оценки качества испытанных партий зубков.
8. Влияние дефектов структуры зубков на снижение их циклической стойкости.

Научная новизна заключается в следующих разработках.

1. Разработана кинетическая расчетная модель усталостной повреждаемости и разрушения твердосплавных зубков при циклических ударных воздействиях.
2. Определены значения активационных характеристик деформации и разрушения твердых сплавов.
3. Исследована кинетика усталостной повреждаемости зубков при циклических ударных испытаниях.
4. Разработана и исследована конечно-элементная модель контактного взаимодействия твердосплавного зубка с плитой при ударных нагрузках.
5. Разработана методика ускоренных испытаний зубков на ударную стойкость.
6. Разработаны критерии усталостной прочности зубков при циклических ударных нагрузках.

Практическая ценность представлена следующими результатами.

1. Разработаны испытательный стенд и методика для оценки ударной стойкости зубков буровых долот.
2. Разработана методика выбора режимов испытаний.
3. Решена важная научно-техническая задача повышения работоспособности твердосплавного вооружения буровых долот за счет применения ускоренных испытаний на стойкость к ударным циклическим нагрузкам самих зубков, а не образцов-свидетелей, что позволило оценивать эффективность мероприятий по повышению долговечности твердосплавного вооружения буровых долот, минуя длительные и дорогостоящие полевые испытания.
4. Впервые разработанные методика динамического испытания твердосплавных зубков и стенд с компьютерным управлением позволили экспериментальным путём установить нижний предел длительности испытаний для допуска зубков на сборку.
5. На базе созданных методик и устройства стенда получена возможность оперативно принимать решения по выбору и оптимизации материалов зубков, параметров смесей, величины зёрен, отклонений твёрдости и других показателей, что способствовало повышению долговечности выпускаемых твердосплавных зубков в 25раз в период с 2004 по 2006 г.г.
6. Созданные методика и кинетические модели повреждаемости твердосплавных зубков позволили оперативно прогнозировать необходимую длительность испытания зубков на промежуточном этапе, что снизило время испытаний до 1,5 раз и ускорило выдачу заключений о возможности поставки новых партий испытуемых зубков на сборку.
7. Разработано программное обеспечение для формирования базы данных по результатам испытаний и прогнозирования долговечности зубков при стендовых испытаниях.
8. Усовершенствовано испытательное устройство для оценки статической прочности твердосплавных зубков на сжатие.
9. Разработан склерометрический комплекс для оценки энергии активации пластической деформации твердосплавных зубков.

Реализация работы на практике. Стенд для испытания зубков буровых долот на ударную стойкость, разработанные методики испытаний, программное обеспечение для обработки результатов экспериментов и прогнозирования долговечности зубков буровых долот, склерометр для неразрушающего контроля качества твердосплавных зубков внедрены в виде стандарта предприятия ОАО «Волгабурмаш», г. Самара.

Апробация работы. Результаты диссертации доложены, обсуждены и одобрены на следующих международных научно-технических конференциях: XVII Международной интернет-конференции по проблемам машиноведения «МИКМУС-2005» (ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, Москва, 2005г.); Международной научно-практической школы-конференции «Славянтрибо-7а» Теоретические и прикладные новшества и инновации обеспечения качества и конкурентоспособности инфраструктуры сквозной логистической поддержки трибообъектов и их производства (РГАТА, Рыбинск, 2006г.); Международной научно-технической конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (СамГТУ, Самара, 2006г.); Международной научно-технической конференции «Развитие двигателестроения в России» ( СГАУ, Самара, 2006 г.); XVIII Международной интернет-конференции по проблемам машиноведения «МИКМУС-2006» (ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, Москва, 2006г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (СамГТУ, Самара, 2007г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи в ведущих рецензируемых журналах и изданиях, входящих в перечень ВАК, 13 тезисов и докладов, получено 4 патента на технических решения, разработанные в процессе исследований и признанные изобретениями.

Личное участие автора. Автору принадлежит выбор методов и методик исследования, математическая разработка и привязка кинетической модели усталостной повреждаемости к циклическим ударным испытаниям твердосплавных зубков; принятие основных технических решений при разработке лабораторного стенда и создание методики для проведения ударных испытаний твердосплавных зубков, выбор режимов испытаний; идентификация критериев ударной стойкости зубков; исследование кинетики изменения физико-механических свойств твердых сплавов в процессе ударных испытаний; разработка конечно-элементной модели напряженно-деформированного состояния зубков при ударном воздействии. Вклад диссертанта в работы, выполненные в соавторстве, состоял в непосредственном его участии во всех стадиях работы, начиная от постановки задач, выполнения теоретических и экспериментальных исследований и внедрения полученных результатов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и общих выводов по работе. Она изложена на 173 страницах, включает 76 рисунков, 5 таблиц. Список литературы содержит 135 наименований.

Содержание работы

Во введении рассмотрена ситуация, сложившаяся в производстве буровых шарошечных долот в России. Показано, что очень важной задачей в повышении их технического уровня и конкурентоспособности на рынке является повышение конструкционной прочности породоразрушающих элементов, изготовленных из твёрдых сплавов, для обеспечения надёжной и длительной работы в условиях эксплуатации. Её решение связано с оптимизацией механических свойств твердосплавных зубков по результатам испытаний на этапе их производства. Методика и режимы таких испытаний должны отражать механику разрушения породы на забое скважины под действием динамических усилий в процессе перекатывания шарошек по забою при вертикальных и круговых колебаниях колонны труб и наложении инерционных сил.

Создание методики и средств ускоренных испытаний зубков необходимо для объективной оценки их эксплуатационных свойств, корреляции установленной стойкости с другими характеристиками твёрдого сплава. Необходимы разработка такой методики, технических средств, программного обеспечения, позволяющих оценить стойкость любой партии выпускаемых на сборку твердосплавных зубков к ударным циклическим нагрузкам. Эти проблемы указывают на актуальность темы диссертационной работы.

В первой главе представлен литературный обзор современного состояния вопроса по металлургическому качеству выпускаемых твердосплавных зубков, требованиям к их механическим свойствам.

Отмечено, что от выбора программы и методов испытаний зависит степень объективности получаемых оценок качества твердосплавных зубков и правильность выбора технологических воздействий с целью улучшения этих параметров.

Повышение качества твердосплавных зубков, одного из самых важных элементов буровых долот - актуальнейший вопрос конкурентоспособности и защиты отечественной продукции в условиях рыночной конкуренции.

На основании анализа результатов исследований, проведенных Александровой Л.И., Амосовым А.П., Бичуровым Г.В., Богомоловым Р.М., Бондаренко В.П., Виноградовым В.Н., Екобори Т., Киффером Р., Клячко Л.И., Креймером Г.С., Линдо Г.В., Литошенко Н.В., Лошаком М.Г., Пашинским В.В., Сорокинывм Г.М., Третьяковым В.И., Трощенко В.Т., Тумановым В.И., Фридманом В.М. и др. выявлено, что при достаточно полно изученном многообразии подходов к анализу разрушающих внешних и внутренних факторов работающих на забое твердосплавных зубков, методов лабораторных испытаний твердосплавных материалов на абразивное и динамическое изнашивание, практические аспекты приложения теории разрушения материалов к оценке динамического разрушения твердосплавных зубков к настоящему времени не разработаны.

В изучение кинетики повреждаемости конструкционных материалов большой вклад внесли Владимиров В.И., Журков С.Н., Иванова В.С., Конева Н.А., Панин В.Е., Песчанская Н.Н., Ратнер С.Б., Регель В.Р., Рыбакова Л.М., Слуцкер А.И., Степанов В.А., Терентьев В.Ф., Фёдоров В.В., Черепанов Г.П., Шпейзман В.В. и др. ученые.

Проведенные ими исследования закономерностей усталостной повреждаемости материалов при ударных испытаниях открывают возможность прогнозирования эксплуатационной долговечности элементов машин при кинетическом подходе в расчете энергии активации разрушения. Результаты этих исследований могут быть взяты за основу при разработке методов и средств прогнозирования эксплуатационной долговечности твердосплавных зубков буровых долот, а также при подходе к проблеме разработки ускоренных методов их стендовых испытаний.

В заключение первой главы сформулирована цель диссертационной работы и поставлены задачи исследований.

Во второй главе предлагается новая, дополнительная программа производственных испытаний непосредственно на твердосплавных зубках буровых долот и разрабатывается энергетический критерий прочности, основанный на анализе роста внутренней энергии в материале зубков при ударных воздействиях.

Анализ существующей системы испытаний зубков буровых долот показал необходимость повышения их научного, методического и аппаратурного уровня. В связи с этим были сформулированы новые требования к программе динамических испытаний твердосплавных зубков буровых долот, затрагивающие основные аспекты повышения их эксплуатационной надежности. Среди главных требований были обозначены: преемственность новой программы испытаний, достоверность, адекватность, автоматизация, наукоёмкость, экономичность и экспрессность испытаний. Обоснована необходимость введения в программу испытаний динамических испытаний на ударную стойкость, статических испытаний по оценке стандартных механических свойств твердых сплавов, а также склерометрических методов испытаний, впервые предложенных к применению для оценки кинетики повреждаемости твердых

сплавов.

Опираясь на структурно-энергетический подход, в работе использован энергетический критерий прочности твердых сплавов в виде , где - мольная энергия активации разрушения материала, - повышение мольной внутренней энергии, описываемое выражением

. (1)

где:,,,, - соответственно мольные приращения связанной энергии; свободной энергии, энтропии, энергии упругой деформации и запасенной энергии пластической деформации; Т – абсолютная температура.

В результате идентификации параметров термодинамической модели (1) и привязки к режимам динамических испытаний зубков на ударную стойкость получено условие разрушения

, (2)

где - средняя цикловая относительная деформация зубка за один удар; - число циклов наработки, коэффициент (рис. 1), учитывающий неравенство ; - молярный объем; - модуль упругости; - амплитуда ударной нагрузки; - площадь контакта зубка с плитой в момент удара; - постоянная времени; - длительность контакта зубка с плитой за один цикл испытаний; , - соответственно исходное и минимальное значение энергии активации пластической деформации.

Вклады каждого из слагаемых при циклических испытаниях проиллюстрированы на рисунке 2, а числовые значения – на диаграммах (рис. 3 а,б). Как видно из рисунков, основной вклад в процесс разрушения вносит запасенная энергия наклепа, которая обеспечивает постоянный, близкий к линейному рост внутренней энергии материала.

а	б
Рис. 3. Вклад различных компонентов в приращение внутренней энергии за один цикл нагружения (а) и в момент разрушения зубка (б) при ударных испытаниях. Значения приведены в кДж/моль.

В третьей главе приведен анализ напряженно-деформированного состояния твердосплавных зубков при ударных воздействиях, разработан стенд и методика для динамических испытаний твердосплавных зубков на ударную стойкость.

С использованием программного пакета ANSYS разработана конечно-элементная модель динамического нагружения твердосплавных зубков с различной формой породоразрушающей поверхности (11 наиболее представительных типоразмеров – клиновидных, конических, сферических и др.) с целью выяснения распределения внутренних полей напряжений и деформаций в нагружаемых зонах зубков и определения локализации зоны концентрации напряжений. Учитывая изотропию твердых сплавов, для описания их физического поведения использовалась модель Cast Iron. Для повышения точности анализа конечно-элементная сетка в области удара (вершина зубка) размер ячеек выбирался меньше, чем в остальной области (рис. 4). Эквивалентные напряжения находили согласно теории Писаренко-Лебедева:

, (3)

где ; ; А=0,75; ; . Здесь , - пределы прочности при одноосном растяжении и сжатии, - интенсивность напряжений; -среднее напряжение, , , - главные напряжения. Поле значений показано на рис. 5.

Исследование конечно-элементной модели позволило установить, что уровень напряжений в наиболее нагруженной точке оказывается наиболее зависящим от одного параметра – радиуса закругления вершины головки зубка (рис. 6), при этом в осесимметричных зубках наблюдается более высокая степень деформации, что было подтверждено при стендовых испытаниях. На экспериментальных кривых (рис. 7) начальный участок включает деформирование микронеровностей на поверхности зубков в области из контакта с плитой, что не учитывается при моделировании. Применение модели идеальной пластичности позволяет оценить асимптотические значения деформации уже на первых циклах счета.

Для экспериментальной оценки статической прочности твердосплавных зубков был использован метод, предложенный Р.М. Богомоловым, и усовершенствованный диссертантом. В данном способе испытуемые зубки вставляются в пазы специального устройства (рис. 8). Расположение и размеры пазов в корпусе обеспечивают при установке пары зубков их контакт по точкам середин цилиндрических хвостовиков, при этом часть верхнего зубка выступает за габарит над поверхностью корпуса и воспринимает разрушающую нагрузку, создаваемую испытательной машиной. При таком точечном контакте двух зубков из определенной партии, когда ничто не влияет на разрушающую нагрузку Рразр этой пары, включая разницу в форме породоразрушающей поверхности зубков, определяется величина критической нагрузки партии спеченных зубков Рразр и оценивают, не является ли это показание ниже установленного предела для зубков данного типа, размера и материала.

В отличие от конструкции испытательного устройства со стальным корпусом в данной работе корпус был изготовлен цельным, в виде одной эластичной (резиновой) детали с высотой Н, равной сумме двух диаметров d испытуемых зубков, с двумя встречными полостями в серединной части глубиной h, равной

диаметру d зубка каждая, с конфигурацией на входах и поверхностей донышек, ответными осевому сечению и наружной поверхности половины рассеченного зубка. Такая конструкция испытательного устройства зубков для буровых долот позволила резко повысить стойкость, упростить технологию изготовления и снизить себестоимость корпуса, ускорить и упростить процесс испытаний твердосплавных зубков, повысить технику безопасности при проведении работ и, в конечном итоге, не допускать на сборку шарошек зубки с пониженными прочностными свойствами (Рразр). При этом образовавшиеся хрупкие частицы твердого сплава не разлетаются, как ранее, с большой скоростью в помещении лаборатории, а удерживаются внутри раздвинувшегося вширь корпуса за счет его

свойств растяжения, что полностью обеспечивает выполнение требований техники безопасности.

Разрушения или нарушения габаритов полостей для зубков практически не происходит в течение длительного времени. После снятия нагрузки частицы испытанных зубков легко удаляются из полостей корпуса, а вместо них вставляют на испытание новую пару зубков. Количество испытуемых пар твердосплавных зубков определяется статистическими методами.

Для контроля стойкости твердосплавных зубков буровых долот к разрушению при циклическом ударном воздействии в условиях НИЛ ОАО «Волгабурмаш» был разработан специальный стенд (рис.9), обеспечивающий: возможность проведения испытаний в 3-х режимах: испытание ударом; испытание трением (на износ); испытание на удар с трением (износом). Работа стенда управляется с пульта персонального компьютера (ПК). Мониторинг режимов испытаний отображается на экране ПК. При этом система управления обеспечивает автоматическую стабилизацию выбранных режимов испытаний, автоматизированный сбор информации в базу данных и автоматизированное создание отчетов по испытаниям зубков буровых долот. Для приближения режимов лабораторных испытаний к промысловым условиям осуществлена возможность производить удары зубков в абразивно-глинистых средах (например, смеси «песок-глина», «гранитная крошка-глина» и т.п.). Такие испытания позволяют оценить стойкость зубков к комплексному механическому и абразивному воздействию.

При проведении испытаний на циклическое ударное нагружение производят запрессовку испытуемого зубка в специальную оправку с тарированным усилием. Закрепляют оправку с зубком на штоке силового гидроцилиндра через тензометрический датчик силы. Устанавливают требуемую высоту подъема зубка над плитой. Затем включают установку, устанавливают требуемую величину давления в гидросистеме и начинают испытание. При этом шток гидроцилиндра совершает вертикальные возвратно-поступательные движения, осуществляя долбление вершиной зубка по стальной плите, которая в промежутке между ударами имеет возможность перемещаться в горизонтальной плоскости для обеспечения одинаковых условий контактного взаимодействия зубка с поверхностью плиты. По окончании испытаний рабочую плиту снимают с координатного стола и шлифуют, обеспечивая необходимые значения шероховатости поверхности. После окончания испытаний отработанный зубок извлекают из оправки.

Эпюры нагружения, полученные при экспериментах, показали, что при ударном воздействии наблюдается три основных гармоники соударения (см. рис. 10): начальный импульс динамической ударной нагрузки (фаза а); затухающие колебания с частотой собственных колебаний нагружающего устройства, порядка 40Гц (фаза б), переходящие к квазистатическому нагружению, при котором устанавливается значение силы, определяемое давлением штока гидроцилиндра (фаза в). Полученные эпюры указывают на то, что момент разрушения может быть связан с фазой а, когда действующие на вершину зубка силы наиболее высоки, а длительность прижатия достаточна для роста трещины и образования хрупкого скола.

Величина ударного нагружения каждого типоразмера зубков нормируется по максимальному значению среднего давления в вершине зубка Pз в момент удара, которое зависит от площади соприкосновения зубка с плитой и силы удара. Площадь контакта, зависящую от типоразмера зубка, марки твердого сплава и материала плиты, давления в гидросистеме и др. факторов, оценивают экспериментально, путем планиметрирования перфорированных отпечатков, полученных на копировальной бумаге, проложенной между зубком и поверхностью плиты при испытаниях. Исследования показали, что данный критерий обеспечивает хорошую сопоставимость результатов испытаний зубков, при варьировании формы и размеров зубков, изменении материала и твердости плиты, точки приложения силы на плите, эпюры нагружения и др. факторов. Величина Pз составляет до 30% от статической прочности на сжатие, вследствие чего разрушение имеет усталостный характер и происходит после определенного числа циклов нагружения.

Для определения требуемой величины силы удара для каждого типоразмера зубков строится эпюра «нормальная нагрузка – давление». Сила ударного нагружения Fу находится по эпюре в точке, соответствующей величине давления Рз. Для построения эпюры Р=f(FN) экспериментально оценивают площади контакта Si вершины зубка и величину нормальной ударной нагрузки FNi при 3…4 значениях давления в гидросистеме, затем рассчитывают соответствующие величины давления на вершине зубка Рi = FNi/ Si и строят эпюру в координатах «давление - нагрузка». Пример исследования зависимости локального давления в вершине зубков при ударных испытаниях от давления в гидросистеме для ряда типоразмеров зубков приведен на рисунке 11. После определения величины необходимого усилия ее значение устанавливается при испытаниях путем регулирования давления в гидросистеме и контроля величины FN до выполнения условия FN Fу. При изменении материала плиты, температуры испытаний, типоразмера зубков и др. условий испытаний процедура оценки Fу повторяется вновь.

Проведено исследование влияния широкой группы факторов на величину и стабильность силы удара при динамических испытаниях зубков буровых долот. Были рассмотрены четыре группы факторов: 1 – факторы, относящиеся к режимам испытаний; 2 – факторы, отражающие свойства соударяемых материалов; 3 – геометрические факторы и 4 - конструктивные факторы. Эксперименты показали, что оптимальным способом регулировки силы ударного нагружения является управление давлением в гидросистеме. При этом сила ударного нагружения почти линейно зависит от давления в гидросистеме (в диапазоне значений 15…25 Атм) при высоте подъема зубка над плитой не более 15 мм.

Впервые для исследования кинетики повреждаемости твердосплавных зубков буровых долот при циклических испытаниях было предложено использовать склерометрическую оценку активационных параметров разрушения материалов. Разработаны конструкция и методика склерометрической оценки активационных параметров разрушения твердых сплавов.

Новый склерометр (рис.12) представляет собой ручное малогабаритное переносное устройство для экспрессной оценки энергии активации разрушения поверхностного слоя испытываемых зубков. Склерометр позволяет выполнять пропахивание материала поверхностного слоя (на глубине 3…5 мкм) алмазной пирамидой (индентор Виккерса) при тарированной величине заглубления индентора.

В процессе склерометрирования с помощью тензометрических датчиков и микроконтроллерного блока измеряют силу сопротивления царапанию и рассчитывают энергию активации, как работу пластической деформации, отнесенную к молю вещества. Прибор отличается малыми весом и габаритами, простотой использования (измерение осуществляется нажатием на кнопку склерометра), экспрессностью и неразрушающим характером испытаний. Расчет энергии активации пластической деформации производится автоматически при помощи специальной программы. Исследуемый зубок закрепляют в специальной оправке, которая устанавливается на базовую поверхность измерения.

В четвертой главе представлены результаты исследования кинетики повреждаемости и разрушения породоразрушающих зубков различных типоразмеров и марок твердых сплавов при циклических ударных испытаниях на разработанном стенде.

Установлено, что усталостному разрушению зубков предшествует локализация деформации и разрушения в области вершины зубка (рис. 13) где наблюдаются изменения механических, активационных и геометрических характеристик деформируемого материала. В процессе наработки зубков происходит рост пластической деформации, повышение микротвёрдости (наклеп), некоторый рост структурно-чувствительного коэффициента и постепенное (близкое к линейному закону) увеличение энергии активации пластической деформации.

Определены усредненные начальные и критические значения активационных параметров разрушения зубков из твердых сплавов ВК10 и ВК16. Начальные значения энергии активации пластической деформации материалов зубков находятся в диапазоне 72…102 кДж/моль (для сплава ВК10) и 60…90 кДж/моль (для сплава ВК-16). Критические значения энергии активации для зубков из этих сплавов соответственно составляют 250 кДж/моль и 230 кДж/моль.

Показано, что разработанная во второй главе кинетическая расчетная модель повреждаемости зубков достаточно хорошо описывает экспериментальные данные по оценке изменения энергетического состояния деформируемых твердых сплавов (рис. 14). Полученные кинетические модели повреждаемости зубков позволяют прогнозировать число циклов до их разрушения на начальном этапе наработки зубков на стенде. Для проведения ускоренных испытаний твердосплавных зубков на стойкость к ударным циклическим нагрузкам разработана экспериментально-расчетная методика. Созданная методика позволяет сократить время испытаний до 2,5 раз. Появляется возможность проводить испытания партии зубков при большем объеме выборки, что повышает точность оценки качества партии зубков. В данной методике производят испытания зубков по ускоренной программе без доведения их до разрушения, определяют параметры кинетической модели повреждаемости и экстраполируют полученную зависимость до достижения значения энергии активации разрушения испытываемого твердого сплава. Разработана программа «Resource 2.exe» для автоматизированного формирования базы данных по испытаниям зубков и прогнозирования их ресурсных характеристик.

С участием автора разработан стандарт предприятия СТП 1401-582-03, «Твердосплавные изделия. Марки сплавов. Технические требования. Методы испытаний. Правила и критерии приёмки». Стандарт предусматривает, как обязательное, проведение испытаний твердосплавных зубков буровых долот от каждой выпускаемой партии на стойкость к ударным циклическим нагрузкам на стенде научно-исследовательской лаборатории ДПИиР. Этот стандарт утверждён генеральным директором ОАО «Волгабурмаш» в октябре 2003 года. С этого времени каждая партия твёрдого сплава поступает на сборку шарошек буровых долот только после получения положительного результата по ударным циклическим испытаниям.

В пятой главе показано, что внедрение разработанных критериев, стенда и методик испытаний позволило ускоренно оценивать следственные изменения, получаемые от различных изменений параметров технологии подготовки смесей, прессования, спекания твердосплавных зубков, выбирать адекватные варианты без неизбежных ранее длительных и дорогостоящих полевых испытаний долот. Установлена количественная оценка влияния большинства отклонений в структуре и технологии производства на циклическую стойкость зубков: крупных кристаллов и их скоплений, сегрегации, скоплений кобальта, -фазы, пористости и др.

Эксперименты показали, что даже небольшие сбои и отклонения по химическому составу могут привести к резкому снижению конструкционной прочности, преждевременным сколам и поломкам зубков во время бурения и подъёме долот с забоя.

Исследование влияния структуры вершины твердосплавных зубков на параметры циклической стойкости показало следующее.

Испытания зубков с одним большим кристаллом выявили снижение числа циклов до разрушения в среднем от 2 до 7%, а зубков со скоплением крупных кристаллов – в среднем от 5 до 32% (рис. 15а).

Испытания зубков с дефектом сегрегации выявили среднее снижение числа циклов до разрушения от небольшого до значительного - от 2 до 24%. При испытаниях зубков со скоплениями кобальта число циклов до разрушения снижалось, в среднем от 8% до 2-х раз (рис. 15 б, в).

Твердосплавные зубки с содержанием в структуре -фазы показывали низкие результаты ударной циклической стойкости. Снижение числа циклов до разрушения составляло, в среднем от 27% до 3-х раз. При испытаниях зубков с пористостью число циклов до разрушения снижалось, в среднем от 31% до 3-х раз (рис. 15 г, д).

Введение дополнительной операции при спекании – обработки под высоким давлением (газостатирование) – даёт уменьшение общей пористости в 3-5 раз, а отдельные, относительно крупные поры в структуре твёрдого сплава исчезают вообще (рис. 15 е).

Динамика роста качественных показателей твердосплавного вооружения по данным стендовых и промысловых испытаний за 20052007г.г. отражена в выводах 2 и 7.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны методика динамического испытания зубков и стенд с компьютерным автоматизированным управлением, позволившие экспериментальным путём установить для каждого типоразмера зубков постоянную обоснованную длительность испытаний для оценки ударной стойкости и установления нижнего предела длительности испытаний для пропуска зубков на сборку.

2. На базе созданных методик и устройства стенда исследовано влияние дефектов структуры зубков на показатели их циклической стойкости и получена возможность оперативно принимать решения по выбору и оптимизации материалов зубков, параметров смесей, величины зёрен, равномерности их распределения, содержания свободного углерода, отклонений твёрдости и других показателей, что способствовало повышению долговечности выпускаемых твердосплавных зубков в 25 раз в период с 2004 по 2006 г.г.

3. Для теоретического анализа изучаемых процессов использована энергетическая модель повреждаемости и разрушения твердосплавных зубков при циклических ударных нагрузках.

4. Для расчетной оценки параметров нагружения разработана в среде ANSYS конечно-элементная модель нагружения твердосплавных зубков, определены прогнозные и реальные величины разрушающих нагрузок и напряжений, возникающих в наиболее нагруженных зонах зубков при циклических нагружениях.

5. Созданные расчетные методики и кинетические модели повреждаемости зубков позволили оперативно прогнозировать необходимую длительность испытания зубков на промежуточном этапе, что снизило время испытаний до 1,5 раз и ускорило выдачу заключений о возможности поставки новых партий испытуемых зубков на сборку.

6. Разработанные методики испытаний и оснащение стенда для испытаний при ударных циклических нагрузках тщательно апробированы, внедрены в виде стандарта предприятия в серийное производство на ОАО «Волгабурмаш» и переданы для использования в производстве другим долотным заводам – ОАО «Уралбурмаш», ОАО «Сарапульский машзавод», ОАО «Дрогобычский долотный завод» (Украина).

7. Повышение долговечности твердосплавных зубков, полученное за 2004-2006 г.г., подтверждено в подконтрольных промысловых испытаниях буровых долот с твердосплавным вооружением:

– число отказов долот только по износу вооружения (сколы, сломы зубков) при работоспособной опоре сократилось в 2006 году до 17% против 66% в 2005 году;

– средняя проходка долот ОАО «Волгабурмаш» при повышении долговечности вооружения шарошек выросла в 2006 году по сравнению с 2004 годом до 1,5 раз, что обеспечило получение буровыми предприятиями экономического эффекта, исчисляемого миллионами рублей.

8. В целом, на базе теоретических и экспериментальных исследований решена важная научно-техническая задача повышения работоспособности твердосплавного вооружения шарошечных долот за счет применения ускоренных испытаний на стойкость к ударным циклическим нагрузкам самих зубков, а не образцов-свидетелей, что позволило оперативно оценивать эффективность любых технических воздействий и мероприятий на повышение прочностных свойств зубков, вместо длительных и дорогостоящих полевых испытаний.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

Публикации в журналах и изданиях, входящих в перечень ВАК

1. Богомолов Р.М., Нассиф С.Н., Ибатуллин И.Д., Громаковский Д.Г., Кремлев В.И. Новый метод испытаний зубков буровых долот [Текст]. // Межд. науч.-техн. и произв. ж. «Химическое и нефтегазовое машиностроение», №11 (ноябрь), 2005.-с.21-23.
2. Ибатуллин И.Д., Нассиф С.Н., Кремлев В.И., Барынкин В.Е. Стенд и методика испытаний опор шарошечных буровых долот [Текст]. //Вестник Самарского гос. аэрокосмич. ун-та им. акад. С.П. Королева (СГАУ), №2 (10), Часть 2, -Самара: СГАУ, 2006.-с.240-244.
3. Ибатуллин И.Д., Нассиф С.Н. Кинетика усталостного разрушения твердых сплавов [Текст]. //Вестник Самарского гос. аэрокосмич. ун-та им. акад. С.П. Королева (СГАУ), №2 (10), Часть 2, -Самара: СГАУ, 2006.-с.228-234.
4. Нассиф С.Н., Ибатуллин И.Д., Кремлев В.И., Барынкин В.Е. Стенд и методика испытаний твердосплавных зубков буровых долот на ударную стойкость [Текст]. //Вестник Самарского гос. аэрокосмич. ун-та им. акад. С.П. Королева (СГАУ), №2 (10), Часть 2, -Самара: СГАУ, 2006.-с.234-239.

Материалы конференций

5. Нассиф Н.С., Ибатуллин И.Д., Немыткин В.С., Кремлев В.И. Управление сроком службы технических систем [Текст]. //Сб. тез. докл. ежегодной XVII Международной интернет-конференции по проблемам машиноведения «МИКМУС-2005».-М.: ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, 2005.-25с.
6. Ибатуллин И.Д., Нассиф Н.С., Кремлев В.И. Испытание опор буровых долот на изнашивание [Текст]. //Сб. тез. докл. ежегодной международной интернет-конференции по проблемам машиноведения «МИКМУС-2005».-М.: ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, 2005.-23с.
7. Нассиф С.Н., Кремлев В.И., Дынников А.В., Ибатуллин И.Д. Склерометрические испытания опор буровых долот [Текст]. //Сб. тез. докл. ежегодной международной интернет-конференции по проблемам машиноведения «МИКМУС-2005».-М.: ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, 2005.-17с.
8. Нассиф С.Н., Кремлев В.И., Дынников А.В., Ибатуллин И.Д. Испытания смазочных материалов опор буровых долот [Текст]. //Сб. тез. докл. ежегодной международной интернет-конференции по проблемам машиноведения «МИКМУС-2005».-М.: ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, 2005.-15с.
9. Нассиф С.Н. Испытания зубков буровых долот на ударную стойкость [Текст]. //Сб. тез. докл. ежегодной международной интернет-конференции по проблемам машиноведения «МИКМУС-2005».-М.: ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, 2005.- с. 24.
10. Громаковский Д.Г., Богомолов Р.М., Ибатуллин И.Д., Нассиф С.Н. Стенд и методика испытания зубков буровых долот //Славянтрибо-7а. Теоретические и прикладные новшества и инновации обеспечения качества и конкурентоспособности инфраструктуры сквозной логистической поддержки трибообъектов и их производства. В 3 т. [Текст]/Под общ. ред. В.Ф. Безьязычного, В.Ю. Замятина.- Рыбинск: РГАТА, 2006.Т.2.-С.142-143.
11. Нассиф С.Н., Барынкин В.Е., Кремлев В.И., Громаковский Д.Г., Богомолов Р.М., Ибатуллин И.Д. Стенд и методика ускоренных испытаний опор буровых долот на изнашивание //Славянтрибо-7а. Теоретические и прикладные новшества и инновации обеспечения качества и конкурентоспособности инфраструктуры сквозной логистической поддержки трибообъектов и их производства. В 3 т. [Текст]/Под общ. ред. В.Ф. Безьязычного, В.Ю. Замятина.- Рыбинск: РГАТА, 2006.Т.2.-С.137.
12. Нассиф С.Н., Барынкин В.Е., Кремлев В.И., Громаковский Д.Г., Богомолов Р.М., Ибатуллин И.Д. Устройство и методика испытаний материалов шарошечных долот методом склерометрии //Славянтрибо-7а. Теоретические и прикладные новшества и инновации обеспечения качества и конкурентоспособности инфраструктуры сквозной логистической поддержки трибообъектов и их производства. В 3 т. [Текст]/Под общ. ред. В.Ф. Безьязычного, В.Ю. Замятина.- Рыбинск: РГАТА, 2006.Т.2.-С.102-103.
13. Барынкин В.Е., Нассиф С.Н., Дынников А.В., Громаковский Д.Г., Ибатуллин И.Д. Склерометрические испытания конструкционных материалов //Физика прочности и пластичности материалов: сб. тез. XVI Международной конференции.-Самара: СамГТУ, 2006.-С. 187.
14. Нассиф С.Н., Ибатуллин И.Д., Немыткин В.А., Барынкин В.Е. Разработка и применение энергетических критериев в системе управления сроком службы элементов машин [Текст] // Сб. тез. докл. ежегодной XVIII Международной интернет-конференции по проблемам машиноведения «МИКМУС-2006».-М.: ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, 2006.-102с.
15. Нассиф С.Н., Ибатуллин И.Д., Кремлев В.И., Ускоренные испытания твердосплавных зубков буровых долот на ударную стойкость [Текст] //Сб. тез. докл. ежегодной XVIII Международной интернет-конференции по проблемам машиноведения «МИКМУС-2006».-М.: ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, 2006.-103с.
16. Немыткин В.А., Нассиф С.Н., Кремлев В.И., Барынкин В.Е., Ибатуллин И.Д. Склерометрическая оценка активационных параметров деформации и разрушения поверхностных слоев [Текст]. //Сб. тез. докл. ежегодной XVIII Международной интернет-конференции по проблемам машиноведения «МИКМУС-2006».-М.: ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, 2006.-312с.
17. Богомолов Р.М., Крылов С.М., Ибатуллин И.Д., Кремлев В.И. Оборудование и методики испытаний элементов шарошечных буровых долот [Текст] //Сборник трудов международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии», Том 2.-М.: Издательство «Машиностроение», 2007.-с.80-95.

Патенты на изобретения

18. Способ оценки энергии активации разрушения материала поверхностного слоя и склерометр для его осуществления: МПК G01N3/56. Решение о выдаче патента РФ по заявке на изобретение № 2005127007/28 от 17.08.2005./Богомолов Р.М., Громаковский Д.Г., Кремлев В.И., Нассиф С.Н., Ибатуллин И.Д./
19. Способ испытания смазочных материалов для опор буровых долот: МПК G01N3/56,G01N33/30. Решение о выдаче патента РФ по заявке на изобретение № 2005138435/ 28(04289) от 09.12.2005 /Ищук А.Г., Богомолов Р.М., Нассиф С.Н., Громаковский Д.Г., Гавриленко М.В., Ибатуллин И.Д./

20.Способ контроля качества твердосплавных зубков для буровых долот: МПК G01N 27/00. Решение о выдаче патента РФ по заявке на изобретение № 2006132557/28 от 11.09.2006 /Волков В.А., Богомолов Р.М., Нассиф С.Н./

21. Устройство для испытания твердосплавных зубков шарошек бурового долота: МПК Е21В 10/16. Решение о выдаче патента РФ по заявке на изобретение № 2006127233/28 от 27.09.2006 /Нассиф С.Н., Богомолов Р.М., Кремлев В.И./

Подписано в печать ______ 2007г. Заказ №_____.

Тираж 100 экз., объем 2,0 п.л.

Отпечатано на ризографе.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Самарский государственный технический университет

Отдел типографии и оперативной полиграфии.

443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244