Устройство для испытания резцов PDC на абразивное изнашивание Российский патент 2024 года по МПК G01N3/56 G01N3/58 

Область техники

Изобретение относится к области производства буровых долот PDC, а именно к входному контролю качества резцов PDC (Polycrystalline Diamond Compact, что в переводе на русский язык означает поликристаллический алмазный композит).

Уровень техники

Известно аналогичное устройство для испытаний [ГОСТ 23.207-73. Метод испытаний машиностроительных материалов на ударно-абразивное изнашивание. – М.: Изд-во Стандартов, 1980. - 11 с.], состоящее из привода, ударного механизма (в котором закрепляется испытуемый резец PDC), бункера (заполненного абразивными частицами) с направляющим каналом и неподвижной наковальни.

Недостатком данного устройства является его низкая достоверность результатов испытаний, связанная с невозможностью создания условий, аналогичных условиям при работе резцов PDC на забое.

Известно другое аналогичное устройство для триботехнических испытаний [Патент РФ №2482464. Устройство для триботехнических испытаний материалов/ Ненашев М.В., Калашников В.В., Ибатуллин И.Д., Галлямов А.Р. и др. Опубл. 20.05.2013. Бюл. №14]. Данное устройство включает привод вращения, тензодатчики нормальных и касательных сил, размещённые в измерительном блоке (U-образном моноблоке, представляющем собой балку с концентраторами сил и наклеенными в области данных концентраторов тензорезисторами, обеспечивающими возможность измерения нормальных и касательных сил), регистрирующий блок, алмазный отрезной диск, сменная оснастка для крепления резцов PDC и алмазного отрезного диска, соответствующая различным схемам триботехнических испытаний.

Недостатком этого устройства является его недостаточная достоверность результатов испытаний из-за возможности передачи тепла от узла трения на тензорезисторы измерительного блока.

В качестве прототипа выбрано устройство для испытания резцов PDC, включающее привод вращения, алмазный отрезной диск, зафиксированный в патроне привода, измерительный блок, оправку, систему для сбора, обработки, мониторинга и хранения экспериментальных данных. В качестве контробразца принят алмазный отрезной диск, а в качестве образца – резец PDC, при этом оправка алмазного отрезного диска снабжена прижимным кругом и прижимным торцом, который соединён с одной стороны с прижимным кругом, обеспечивающим фиксацию алмазного отрезного диска при помощи болта, а с другой – с цилиндрическим хвостиком для закрепления оправки в патроне привода; измерительный блок, с зафиксированной на нем оправкой резца PDC, закреплён на столе привода с возможностью касания в процессе испытания средней части торца алмазосодержащего слоя алмазного отрезного диска с верхней частью кромки резца PDC. [Заявка на изобретение №2020142828. Способ испытания резцов PDC на абразивный износ и устройство его осуществления/ Ненашев М.В., Деморецкий Д.А. и др. Опубл. 23.06.2022. Бюл. №18.]

Недостатком устройства-прототипа является недостаточная достоверность результатов испытаний, связанная с возможностью проворота алмазного отрезного диска при испытаниях, а также возможностью перегрева измерительного блока.

Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение достоверности, получаемых результатов испытаний резцов PDC на абразивное изнашивание.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве для испытания резцов PDC на абразивное изнашивание, включающем привод, в патроне которого зафиксирован алмазный отрезной диск посредством оправки, снабжённой пружинным кругом и прижимным торцом, соединенным с одной стороны с прижимным кругом, обеспечивающим фиксацию алмазного отрезного диска при помощи болта, а с другой с цилиндрическим хвостиком для закрепления оправки в патроне привода, измерительный блок, с зафиксированной на нем оправкой резца PDC, который закреплён на консольном столе привода с возможностью касания в процессе испытания средней части торца алмазосодержащего слоя алмазного отрезного диска с верхней частью кромки резца PDC, а также систему для сбора, обработки, мониторинга и хранения экспериментальных данных, особенность заключается в том, что оно содержит охладитель измерительного блока, при этом оправка для алмазного отрезного диска снабжена дополнительным фиксатором, исключающим проворот алмазного отрезного диска относительно оправки, а основание, консольный стол и шпиндельный узел привода укреплены стяжкой.

Оправка для фиксации алмазного отрезного диска и алмазный отрезной диск снабжены монтажными отверстиями под фиксатор, расположенными за пределами зоны алмазосодержащего слоя диска.

В качестве фиксатора использованы винты, или болты, или штифты. В качестве стяжки использована шпилька, связывающая основание, консольный стол и шпиндельный узел за счёт резьбового соединения, а в качестве охладителя измерительного блока использован проточный вентилятор, расположенный на стойке или другая система охлаждения.

Устройство для испытания резцов PDC на абразивное изнашивание включает в себя привод, измерительный блок, оправку, систему сбора данных, компьютер и программное обеспечение для обработки, мониторинга и хранения экспериментальных данных, алмазный отрезной диск с оправкой, позволяющей фиксировать алмазный отрезной диск в патроне привода и исключающей возможность изгиба алмазного отрезного диска под действием осевой нагрузки, а оправка для фиксации резца PDC изготовлена таким образом, что зафиксированный в ней резец PDC располагается по отношению к плоскости алмазного отрезного диска под углом, аналогичным углу расположения резца PDC в буровом долоте к поверхности забоя, при этом заявленное устройство дополнительно содержит охладитель измерительного блока, оправка алмазного отрезного диска содержит дополнительный фиксатор, а основание, консольный стол и шпиндельный узел дополнительно связаны стяжкой.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 и фиг. 2 изображена конструкция заявленного устройства для испытания алмазных резцов PDC на абразивное изнашивание, где показаны: электродвигатель 1; шпиндельный узел 2; стойка 3; основание 4; консольный стол 5; рычаг 6; груз 7; измерительный блок 8; тиски 9; алмазный отрезной диск 10; фиксатор 11; охладитель 12; резец PDC 13; стяжка 14.

Электродвигатель 1 связан со шпиндельным узлом 2, закреплённым на верхнем конце стойки 3. Нижний конец стойки 3 вертикально установлен на основании 4. Между основанием 4 и шпиндельным узлом 2 на стойке 3 установлен консольный стол 5 с возможностью перемещения и фиксации вдоль оси стойки. В целом элементы поз. 1 – 5 составляют привод устройства. В качестве привода может быть использован сверлильный или сверлильно-фрезерный станок. Для возможности использования привода по назначению он оборудован системой нагружения, включающей рычаг 6 и шарнирно подвешенный к рычагу груз 7.

На консольном столе 5 привода зафиксирован измерительный блок 8, например, с помощью тисков 9, таким образом, чтобы при опускании оправки с алмазным отрезным диском 10 верхняя часть кромки алмазосодержащего слоя испытуемого резца PDC 13 касалась алмазного отрезного диска 10 приблизительно в центре торца алмазосодержащего слоя.

В заявленном устройстве оправка для крепления алмазного отрезного диска 10 дополнительно содержит фиксатор 11, предотвращающий возможность проворота алмазного отрезного диска 10 вокруг оси вращения при высоких моментах трения во время испытаний, таким образом, обеспечивая одинаковый путь трения при испытаниях различных резцов PDC 13 и, соответственно, повышая достоверность полученных результатов. В качестве фиксатора 11 могут быть использованы винты, болты, штифты и др. элементы, исключающие проворот алмазного отрезного диска 10 относительно оправки. Фиксатор 11 играет роль поводка и может быть установлен на любой открытой поверхности алмазного отрезного 10 диска за исключением алмазосодержащего слоя. Соответственно оправка алмазного отрезного диска 10 и сам алмазный отрезной диск 10 имеют монтажные отверстия под фиксатор 11.

Во время испытаний в зоне трения создаётся сильный нагрев, достигающий нескольких сотен градусов. Тепло передаётся на датчики измерительного блока 8, что может исказить получаемые результаты или вовсе вывести их из строя. Поэтому напротив измерительного блока 8 на стойке 3 закреплён охладитель 12, исключающий нагрев и связанное с ним изменение показаний датчиков, установленных в измерительном блоке 8, что повышает достоверность получаемых измерений. В качестве охладителя 12 может быть использован проточный вентилятор, который фиксируется к стойке 3 и охлаждает за счёт потока воздуха. Либо можно использовать любую систему для реализации охлаждения за счёт потока жидкости, или путём установки радиатора.

Передача осевой нагрузки на испытуемый резец PDC 13 от рычажной системы нагружения, установленной на шпиндельном узле 2 сопровождается упругой деформацией стойки, что приводит к увеличению расстояния (расхождение) между консольным столом 5 и шпиндельным узлом 2, что приводит к изменению геометрии контакта резца PDC 13 и алмазного отрезного диска 10. Чем больше прилагаемая нагрузка, тем, соответственно, больше деформация и величина расхождения. Поэтому в заявленное устройство добавлена стяжка 14, связывающая основание 4, консольный стол 5 и шпиндельный узел 2, не давая им расходиться при нагрузке. В результате стяжка 14 предотвращает нарушение геометрии контакта резца PDC 13 с алмазным отрезным диском 10, тем самым повышая достоверность получаемых измерений. Роль стяжки 14 может выполнять, например, шпилька, связывающая основание 4, консольный стол 5 и шпиндельный узел 2 за счёт резьбового соединения.

Измерительный блок 8 закрепляют на консольном столе 5 привода таким образом, чтобы при опускании оправки с алмазным отрезным диском 10 верхняя часть кромки алмазосодержащего слоя испытуемого резца PDC 13 касалась алмазного отрезного диска 10 приблизительно в центре торца алмазосодержащего слоя. Оправку с резцом PDC 13 поворачивают в гнезде измерительного блока таким образом, чтобы наклон резца PDC 13 был направлен навстречу вращению алмазного отрезного диска 10 и фиксируют оправку винтом.

Эффективность работы резцов PDC на забое определяется не только их стойкостью к абразивному изнашиванию, но и проделанной работы по разрушению забоя. Оценить этот фактор можно путём оценки величины абразивного износа алмазного отрезного диска. Например, за счёт определения весового износа, при котором алмазный отрезной диск взвешивают до и после завершения испытания. Разница в массе алмазного отрезного диска позволит увидеть более точную картину характера взаимодействия резца PDC с алмазным отрезным диском и оценить работоспособность режущей кромки резца PDC. Использование характеристики весового износа целесообразно по причине простоты измерения массы резца PDC и алмазного отрезного диска.

Трение кромки резца PDC об алмазосодержащий слой алмазного отрезного диска достаточно полно имитирует трение резца PDC о забой. Это обеспечивает повышение достоверности получаемых результатов испытаний на абразивное изнашивание и позволяет ранжировать различные партии резцов PDC по износостойкости в условиях абразивного изнашивания.

Пример

Проводили испытания на абразивное изнашивание резцов PDC китайского производства. Для испытаний изготовили оснастку для закрепления алмазного отрезного диск и оправку для резцов PDC, обеспечивающую наклон оси резца PDC относительно торца алмазного отрезного диска, равного 15°. Предварительного измерили массу резца PDC и алмазного отрезного диска при помощи аналитических весов. Установили резец PDC из первой партии в оправку. Закрепили оправку в гнезде измерительного блока трибометра. Закрепили алмазный отрезной диск в оправке и зафиксировали её в патроне привода – сверлильного станка. Установили на станке частоту вращения 200 мин^-1. Опустили алмазный отрезной диск на поверхность резца PDC и с помощью рычажного механизма задали нормальную нагрузку на контакт 25 кгс. Запустили программу сбора данных и включили станок. В процессе испытаний контролировали величины нормальной нагрузки на контакт, силы трения и средней температуры резца PDC. По истечении 10 минут остановили испытания. Сняли и охладили в воде резец PDC с оправкой до комнатной температуры. Измерили массу изношенных резца PDC и алмазного отрезного диска. Рассчитали величину весового износа резца PDC и алмазного отрезного диска, как разницу между массами неизношенного и изношенного резца PDC. Перевернули в оправке алмазный отрезной диск, так, чтобы снаружи оказался неизношенный торец алмазосодержащего слоя алмазного отрезного диска. Повторно провели аналогичные испытания с резцом PDC из второй партии. Результаты испытаний приведены в таблице.

Таблица. Результаты испытаний резцов PDC на абразивное изнашивание

Наименование определяемых параметров Значения Весовой износ зубка, мг/ч 5,8 Весовой износ алмазного отрезного диска, мг 25 Сила трения, Н 200 Температура разогрева зубка, °С 200

Испытания на абразивное изнашивание резцов PDC показали достижение заявленного в данном изобретении технического результата.

Заявленный технический результат изобретения – повышение достоверности, получаемых результатов испытаний резцов PDC на абразивное изнашивание, расширение функциональных возможностей устройства за счёт:

– установки дополнительного фиксатора на оправке алмазного отрезного диска, предотвращающего возможность проворота алмазного отрезного диска вокруг оси вращения при высоких моментах трения во время испытаний и обеспечивающего одинаковый путь трения при испытаниях различных резцов PDC;

– снабжения устройства охладителем измерительного блока, повышающим достоверность показаний датчиков в связи с исключением их нагрева, а также предотвращающим температурные деформации датчиков, искажающих получаемые результаты, что повышает достоверность работы устройства для испытаний резцов PDC на абразивное изнашивание;

– укрепления основания, консольного стола и шпиндельного узла стяжкой, предотвращающей нарушение геометрии контакта резца PDC с алмазным отрезным диском, тем самым повышая достоверность получаемых измерений.

Изобретение относится к области производства буровых долот PDC, а именно к входному контролю качества резцов PDC. Устройство содержит привод, измерительный блок, оправку, систему сбора данных, компьютер и программное обеспечение для обработки, мониторинга и хранения экспериментальных данных, алмазный отрезной диск с оправкой, позволяющей фиксировать диск в патроне привода и исключающей возможность изгиба отрезного диска под действием осевой нагрузки, а оправка для фиксации резца PDC изготовлена таким образом, что зафиксированный в ней резец PDC располагается по отношению к плоскости контробразца под углом, аналогичным углу расположения резца PDC в буровом долоте к поверхности забоя. Устройство дополнительно содержит охладитель измерительного блока, оправка алмазного отрезного диска содержит дополнительный фиксатор, а основание, стол и шпиндельный узел дополнительно связаны стяжкой. Технический результат: повышение достоверности получаемых результатов испытаний резцов PDC на абразивное изнашивание. 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Устройство для испытания резцов PDC на абразивное изнашивание, включающее привод, в патроне которого зафиксирован алмазный отрезной диск посредством оправки, снабженной пружинным кругом и прижимным торцом, соединенным с одной стороны с прижимным кругом, обеспечивающим фиксацию алмазного отрезного диска при помощи болта, а с другой с цилиндрическим хвостиком для закрепления оправки в патроне привода, измерительный блок, с зафиксированной на нем оправкой резца PDC, который закреплен на консольном столе привода с возможностью касания в процессе испытания средней части торца алмазосодержащего слоя алмазного отрезного диска с верхней частью кромки резца PDC, а также систему для сбора, обработки, мониторинга и хранения экспериментальных данных, отличающееся тем, что оно содержит охладитель измерительного блока, при этом оправка для алмазного отрезного диска снабжена дополнительным фиксатором, исключающим проворот алмазного отрезного диска относительно оправки, а основание, консольный стол и шпиндельный узел привода укреплены стяжкой.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оправка для фиксации алмазного отрезного диска и алмазный отрезной диск снабжены монтажными отверстиями под фиксатор, расположенными за пределами зоны алмазосодержащего слоя диска.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что в качестве фиксатора использован винт, или болт, или штифт.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве стяжки использована шпилька, связывающая основание, консольный стол и шпиндельный узел за счет резьбового соединения.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве охладителя измерительного блока использован проточный вентилятор, расположенный на стойке, или другая система охлаждения.