Анализ работ, посвященных исследованию силовых характеристик работы долот [1,5], показывает недостаточную изученность данной проблемы. Для аналитической оценки величины усилий, действующих на зубки шарошек, рассмотрено в статическом состоянии долото, закрепленное в колонне бурильных труб или буровом ставе, каждая шарошка которого опирается на плоский забой одним зубком, на который со стороны забоя действует осевое усилие Р (Рис.1) [7]. При строго вертикальном положении долота и не деформируемом забое распределение осевого усилия между шарошками будет зависеть от жесткости шарошечного узла. Для расчета усилий, действующих на зубки шарошек долота при различных вариантах взаимодействия вооружения с забоем необходимо иметь аналитические выражения, связывающие вертикальные перемещения точки шарошки, в которой приложена нагрузка, величину действующей на шарошку нагрузки и радиус приложения нагрузки.
Рис. 1.Схема сил, действующих на долото.
Такие зависимости были получены аналитически и экспериментально[3,4,7]. По этим зависимостям были рассчитаны величины усилий, действующих на венцы всех шарошек долота III215,9K-ПВ. Расчет проведен в двух вариантах. В первом случае в качестве зависимости вертикальной жесткости шарошки от величины и радиуса приложения усилия принята зависимость, полученная в результате теоретического анализа деформации деталей долота, а во втором варианте в качестве расчетных приняты экспериментальные значения деформаций[6]. Результаты расчетов при осевой нагрузке на долотоР = 80 кН приведены на рис.2.
Рис.2. Расчетные зависимости распределения осевой нагрузки по венцам шарошек долота III215,9K-ПВ
В результате экспериментальных исследований загруженности вооружения шарошечных долот, проведенных по новой методике [8,9]с использованием оригинального измерительного устройства установлено, что осевая нагрузка и вращающий момент распределяются по вооружению долот весьма неравномерно. Наибольшую по величине осевую нагрузку для долот исследуемых типоразмеров воспринимают венцы, расположенные в средней части радиуса долота.
Из них наиболее загруженным является венец, расположенный на радиусе долота R=70-71 мм. Причем, эта неравномерность сохраняется при различном конструктивном исполнении вооружения. Распределение осевой нагрузки по шарошкам долот также неравномерно, максимальная осевая нагрузка воспринимается первой шарошкой, минимальная - третьей.
Однако степень неравномерности распределения осевой нагрузки по шарошкам долота в значительной мере зависит от конструкции вооружения и, главным образом, от характера расположения венцов на шарошках вдоль радиуса долота, что особенно значительно проявляется у долот со штыревым твердосплавным вооружением (Рис.3).
Рис.3. Зависимость загруженности венцов шарошек от их положения по радиусу долота
Сравнение полученных экспериментальных результатов с результатами аналитических исследований позволяет установить, что экспериментально-теоретические значения усилий на всех венцах и теоретические значения усилий на венцах, расположенных в радиусе R>65 мм превышают фактические значения усилий. Это связано с тем, что при расчетах предполагалось, что каждая шарошка контактирует с забоем только одним зубком, находящимся в вертикальном положении, фактически же в каждый момент времени наряду с рассматриваемым зубком с забоем взаимодействуют еще один или даже несколько зубков, воспринимающих на себя часть нагрузки, действующей на рассматриваемую шарошку. Величины усилий, действующих на различные венцы шарошек, определенные экспериментально-теоретическим методом, отличаются от действительных значений усилий, определенных экспериментально, не более чем на 30 - 35 %. Поэтому использование предлагаемого экспериментально-теоретического метода оценки величин усилий, действующих на венцы шарошек долота, вполне приемлемо для проверки оптимальности расположения вооружения по шарошкам долота на стадии его проектирования. У долот Ш215,9К-ПВ наиболее нагруженным является средний венец первой шарошки, воспринимающий около 20 % всей осевой нагрузки на долото. Средняя загруженность первой шарошки, на которой расположен наиболее нагруженный венец, также превышает среднюю загруженность остальных шарошек и составляет около 43 % от всей осевой нагрузки, действующей на долото. При экспериментальном определении величин осевых усилий, воспринимаемых каждым зубком всех шарошек долота, было установлено, что отдельные зубки среднего венца первой шарошки долота Ш215,9К-ПВ могут воспринимать до 50 % всей осевой нагрузки. При опираниишарошки на зубки этого венца линия действия силы реакции взаимодействия вооружения с забоем проходит через центр нижнего шарика замкового подшипника. Исследование напряженного состояния деталей опорного узла плоской модели, проведенные методом фотоупругости[2,10], позволили установить, что в этом случае нагрузка воспринимается всеми тремя подшипниками опорного узла и система "шарошка-забой" имеет наибольшую вертикальную жесткость. Экспериментально и теоретически доказана связь между вертикальной жесткостью шарошечного узла и долей общей осевой нагрузки, воспринимаемой шарошкой. Если каждая из трех шарошек опирается на забой только одним зубком, то наибольшую осевую нагрузку будет воспринимать та из шарошек, вертикальная жесткость которой в рассматриваемый момент будет наибольшей. На основе этого предположения был разработан экспериментально-теоретический метод расчета величины усилий, действующих на вооружение шарошек долота. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными показало, что данная методика может быть использована как для качественной, так и для количественной оценки величин нагрузок, действующих на венцы шарошек, особенно на стадии проектирования при выборе оптимального расположения вооружения по шарошке. На рис.4. показана схема опорного узла шарошки исследуемых долот, совмещенная с зависимостями изменения загруженности и вертикального перемещения венцов от их положения на образующей шарошки.
Рис.4. Влияние положения венцов шарошек на их загруженность и жесткость
Этот рисунок наглядно подтверждает вывод о том, что относительная загруженность различных венцов шарошек долота зависит от их вертикальной жесткости, определяемой, главным образом, конструкцией опорного узла и положением венца на шарошке. Кроме конструктивных факторов на загруженность вооружения и опорного узла оказывают влияние также и технологические факторы. Экспериментально установлено, что наибольшеевлияние на перераспределение осевой нагрузки между венцами и шарошками долота оказывает взаимное положение шарошек вдоль оси долота относительно упорного уступа. Полученные результаты позволяют проанализировать существующие конструкции долот с точки зрения загруженности их элементов и предложить рекомендации по их оптимизации.