Снижение нагруженности опоры шарошечного долота

Опорный узел бурового шарошечного долота является элементом, лимитирующим ресурс бурового инструмента. Сложность изучения работы опор заключается в том, что опора — это многорядный неразъёмный подшипник, где от работоспособности каждого подшипника зависит долговечность долота в целом. Распределение нагрузки на подшипники зависит от варианта размещения зубков, взаимодействующих с забоем в определенный момент времени. В работе определено число комбинаций нагрузки, возникающих при работе долота, так, на примере шарошечного долота 250,8 ТКЗ-ПВ (632Y) определены семь комбинаций. Для каждой комбинации установлены нормальные реакции, возникающие на каждом подшипнике, и изгибающий момент в заделке цапфы. В программном модуле Excel составлены программы для расчета нагрузок, действующих на подшипники, контактной выносливости и наработки до отказа элементов опоры долота. На основе анализа результатов предложено изменить расположение зубков с целью обеспечения более равномерного нагружения подшипников опоры и снижения максимальных реакций. При этом согласно формуле Герца контактные напряжения уменьшатся на величину до 10%, также уменьшится изгибающий момент в заделке цапфы.

Симисинов Д. И., Афанасьев А. И., Валиев Н. Г. Снижение нагруженности опоры шарошечного долота // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 11-1. — С. 197—208. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_111_0_197.

Исследование выполнено в соответствии с государственным заданием Минобрнауки России на выполнение НИР для ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет» по теме № 1021060707960-7-2.3.1.

Симисинов Денис Иванович¹ — канд. техн. наук, зав. кафедрой эксплуатации горного оборудования, 7sinov@m.ursmu.ru, https://orcid.org/0000—0001—6095—0073;
Афанасьев Анатолий Ильич¹ — докт. техн. наук, профессор кафедры технической механики, gmf.tm@m.ursmu.ru;
Валиев Нияз Гадым Оглы¹ — д-р техн. наук, зав. кафедрой горного дела, gtf.gd@m. ursmu.ru, https://orcid.org/0000—0002—5556—2217;
¹ Уральский государственный горный университет, г. Екатеринбург, Россия.

1. Боснак А. Б., Богомолов Р. М., Старцев Ф. В. Совершенствование конструкций и применения буровых долот // Вестник Ассоциации буровых подрядчиков. 2013. № 3. С. 45—48.

2. Торгашов А. В., Гинзбург Э. С., Вышегородцева Г. И., Новиков А. С. Современное состояние отечественного долотостроения в свете задач импортозамещения // Управление качеством в нефтегазовом комплексе. 2015. № 2. С. 9—11.

3. Закиров Н. Н. Технико-технологические основы долговечности работы шарошечных долот. Тюмень, Тюменский индустриальный университет. 2018, 142 с.

4. Закиров Н. Н. Технологические аспекты повышения надёжности и долговечности деталей бурового оборудования // Известия вузов. Нефть и газ. -2016. № 4. С. 259—263.

5. Huang Z., Li G. Failure Analysis of Roller Cone Bit Bearing Based on Mechanics and Microstructure. J Fail. Anal. and Preven. 18, pp. 342—349 (2018). doi: 10.1007/ s11668—018—0419—3

6. Жидовцев H. A. Долговечность шарошечных долот / В. Я. Кершенбаум, Э. С. Гинзбург, И. К. Бикбулатов, E. H. Бородина. — М.: Недра, 1992. — 272 с.

7. Schroder J. et al. Bearing innovations extend roller-cone bit life // Oil & gas journal. — 2016. — Т. 114. — №. 6. — pp. 50—55.

8. Regotunov A. Sukhov R., Bersenyov G. About transition processes in blasthole drilling at quarries. E3S Web of Conferences: 18, Ekaterinburg, 02—11.04.2020. P. 01008. DOI 10.1051/e3sconf/202017701008.

9. Ясашин В. А., Сериков Д. Ю., Панин Н. М. Резервы повышения работоспособности шарошечных долот с твердосплавным вооружением // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2001. № 4. С. 16—18.

10. Гринько А. А., Сысоев Н. И., Гринько Д. А. Повышение эффективности резания ударно-вращательных буровых долот // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2020. № 9. С. 102—115. DOI: 10.25018/0236— 1493—2020—9-0—102—115

11. Закиров Н. Н. Износ опор шарошечных долот //Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. — 2011. — №. 4. — С. 64—66.

12. Симисинов Д. И., Афанасьев А. И., Шестаков В. С., Валиев Н. Г. Методика расчета на контактную выносливость элементов опоры бурового шарошечного долота // Горный журнал № 9, 2019. С. 97—101 DOI: 10.17580/gzh.2019.09.14

13. Закиров H. H. Расчёт усилий в опоре долота // Нефть и газ Украины — 2000: Сб. науч. работ 6-й Международ, науч.-практ. конф. — Ивано-Франковск, Украина, 2000. — Т.2. — С. 39 — 42.

14. Slipchuk A., Kuk A. Evaluation of the permissible moment in a roller cone drill bit providing the prescribed reliability of work // Ukrainian Journal of Mechanical Engineering and Materials Science. — 2018. — Т. 4. — №. 1. — С. 116—124.

15. Pelfrene, G., Stab, O., Tilleman, D., Gallifet, T., Cuillier, B., & Carlos, J. (2019, March). Modelling the 3D Bit-Rock Interaction Helps Designing Better PDC Bits. In SPE/ IADC International Drilling Conference and Exhibition. OnePetro. DOI: 10.2118/194134-MS.

16. Шигин А. О., Гилёв А. В. Методика расчета усталостной прочности как основного фактора стойкости шарошечных долот // Вестник ИрГТУ. 2012. №3 (62).

17. Pyalchenkov V. A., Dolgushin V. V., Kulyabin G. A. The model for studies of load for the roller bit support bearings //ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. — 2017. — Т. 12. — №. 19. — С. 5548—5553.

18. Пяльченков В. А., Пяльченков Д. В. Разработка и испытания шарошечного долота с новым расположением зубков по шарошкам //Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. — 2020. — №. 2. — С. 60—68. doi: 10.31660/0445-0108-2020-2-60-68.

19. Сериков Д. Ю., Блинков О. Г., Панин Н. М., Шигин А. О. Cовершенствование конструкций опор шарошечного бурового инструмента // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2019. № 4 (112). С. 29—33.

20. Симисинов Д. И., Шестаков В. С., Афанасьев А. И. Моделирование напряженно-деформированного состояния одношарошечного бурового долота с раздельной конструкцией корпуса // Известия вузов. Горный журнал 2015. № 7. С. 74—79.

21. Han C. et al. Mechanical performance analysis of hollow cylindrical roller bearing of cone bit by FEM // Petroleum. — 2015. — Т. 1. — №. 4. — С. 388—396.

22. Franca L.F.P. A bit-rock interaction model for rotary-percussive drilling (2011) International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 48 (5), pp. 827—835. doi: 10.1016/j.ijrmms.2011.05.007

23. Naganawa S. Feasibility study on roller-cone bit wear detection from axial bit vibration (2012) Journal of Petroleum Science and Engineering, 82—83, pp. 140—150. doi: 10.1016/j.petrol.2012.01.014

24. Пяльченков В. А. Способ уменьшения неравномерности распределения осевой нагрузки по вооружению шарошечных долот //Фундаментальные исследования. — 2015. — Т. 5. — №. 12.

25. Пуртова И. А. Исследования силовых и кинематических характеристик работы шарошечных долот // Современные проблемы науки и образования. — 2015. — № 1—1. С. 101.

26. Пяльченков В. А. Влияние конструкции вооружения долот на распределение осевой нагрузки по венцам каждой шарошки // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2—3.

27. Пяльченков В. А. Аналитическое исследование деформируемости деталей шарошечного долота // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 1—1. С. 22.

28. Pyalchenkov V. A., Dolgushin V. V., Kulyabin G. A. The model for studies of load for the roller bit support bearings (2017) ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 12 (19), pp. 5548—5553.

29. Pyalchenkov V. A., Nikitina L. I. Force measurement on lobes of rolling drilling bit (test procedure) (2017) ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 12 (17), pp. 4990—4995.

30. Гречин Е. Г., Долгушин В. В., Пяльченков В. А. и др. Проектирование отклоняющей компоновки с двигателем-отклонителем по четырехточечной схеме ее взаимодействия со стенками скважины // Нефтяное хозяйство. — 2017. — № 9. — С. 82—85. — DOI 10.24887/0028—2448—2017—9-82—85.

31. Pyalchenkov V. A., Dolgushin V. V., Purtova I. A., Nikitina L. I. Methodology of experimental measurement of loads, acting on rock cutting elements of drilling bit (2017) International Journal of Applied Engineering Research, 12 (22), pp. 11901—11906.

32. Pyalchenkov V. A., Dolgushin V. V., Purtova I. A., Nikitina L. I. Distribution of an axial load along the teeth rows of rolling cutters of drill bits (Test results) (2017) International Journal of Applied Engineering Research, 12 (22), pp. 11907—11912.

33. Пяльченков В. А., Пяльченков Д. В., Долгушин В. В., Данилов О. Ф., Курбанов Я. М. Способ экспериментального определения усилий, действующих на вооружение и опоры шарошечного долота // Нефтяное хозяйство. — 2016. — № 8. — С. 112—115.

34. Пяльченков В. А. и др. Исследование загруженности венцов шарошек буровых долот //Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. — 2016. — №. 4. — С. 81—84. DOI: 10.31660/0445—0108—2016—4-81—84

35. Pyalchenkov, V. A. Dolgushin V. V., Kulyabin G. A., Pyalchenkov D. V. A method for calculating the values of forces acting on the roller-cone bit teeth (2019) International Journal of Engineering and Advanced Technology, 9 (1), pp. 834—839. DOI: 10.35940/ijeat. A9381.109119

36. Pyalchenkov V. A., Egorov A. L., Dolgushin V. V., Kulyabin G. A. A method for optimizing the structure of the roller cone bit assembly (2020) International Journal of Emerging Trends in Engineering Research, 8 (9), pp. 5802—5806. DOI: 10.30534/ ijeter/2020/145892020

37. Симисинов Д. И., Афанасьев А. И., Шестаков В. С., Валиев Н. Г. Исследования нагруженности замкового подшипника цапфы трехшарошечного бурового долота // Горный журнал. № 12—2020. С. 64—66. DOI: 10.17580/gzh.2020.12.14