RU2100561C1

RU2100561C1 - Rock-cutting hard-alloy insert for cone drill bits

Info

Publication number: RU2100561C1
Application number: RU95117685A
Authority: RU
Inventors: Андрей Владимирович Браженцев; Владимир Павлович Браженцев; Андрей Евгеньевич Кусов
Original assignee: Андрей Владимирович Браженцев; Владимир Павлович Браженцев; Андрей Евгеньевич Кусов
Priority date: 1995-10-16
Filing date: 1995-10-16
Publication date: 1997-12-27

Abstract

FIELD: rock-cutting tools, in particular, cone drill bits. SUBSTANCE: working head of insert is formed by crossing of hemispherical surface and two secant planes forming angle in excess of 130 deg. Located on the top of working head between secant planes is boss. Radius R of curvature of boss generating line, radius $$$ of generating line of hemispherical surface and radius r of curvature of generating line of boss in cross-section square to its length are related to each other as R $$$ r. Height h of working head is related to boss length and diameter d of insert cylindrical base as follows d $$$ 1.5L $$$ 2h. The given design of insert allows creation of high stress concentration in rock with preservation of more low level of stress-deformed state of insert material. EFFECT: higher efficiency. 4 dwg

Description

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту и может быть использовано для армирования буровых шарошечных долот. The invention relates to a rock cutting tool and can be used to reinforce cone drill bits.

Известна твердосплавная вставка, имеющая цилиндрический хвостовик и полусферическую рабочую головку [1] Недостатком данной формы породоразрушающей вставки является то, что она создает в породе симметричное распределение напряжений относительно оси симметрии вставки с недостаточно высоким градиентом коэффициента концентрации напряжений. Это отрицательно сказывается на эффективности разрушения пород, имеющих хрупкий механизм разрушения. Known carbide insert having a cylindrical shank and a hemispherical working head [1] The disadvantage of this form of rock cutting insert is that it creates a symmetrical stress distribution in the rock relative to the axis of symmetry of the insert with an insufficiently high gradient of stress concentration coefficient. This negatively affects the effectiveness of the destruction of rocks with a brittle fracture mechanism.

Наиболее близкой к предлагаемой вставке является конструкция, состоящая из цилиндрического хвостовика и рабочей головки с приливом, расположенным на боковой поверхности головки [2]
Однако данная вставка, в силу того, что прилив расположен на боковой поверхности, предназначено только для калибровки стенок скважины и не позволяет повысить эффективность разрушения пород при проходе скважин.Closest to the proposed insert is a design consisting of a cylindrical shank and a working head with a tide located on the side surface of the head [2]
However, this insert, due to the fact that the tide is located on the side surface, is intended only for calibration of the walls of the well and does not allow to increase the efficiency of rock destruction during the passage of wells.

Цель изобретения повышение износостойкости вставки и эффективности разрушения крепких и особо крепких пород,
Цель достигается тем, что породоразрушающая твердосплавная вставка содержит цилиндрическое основание и рабочую головку с приливом, причем рабочая головка образована пересечением полусферической поверхности и двух секущих плоскостей, образующих между собой угол α, причем значение a > 130^o. Прилив расположен на вершине рабочей головки вдоль между секущими плоскостями, причем радиус R кривизны образующей прилива в сечении вдоль прилива, радиус R_c образующей полусферической поверхности рабочей головки и радиус r кривизны образующей прилив в сечении, перпендикулярном его длине, находятся в соотношении: R > R_c > r. Высота рабочей головки h связана с длиной прилива L и диаметром цилиндрического основания вставки соотношением: d > 1,5L > 2h.The purpose of the invention is to increase the wear resistance of the insert and the destruction efficiency of strong and especially hard rocks,
The goal is achieved in that the rock cutting carbide insert contains a cylindrical base and a working head with a tide, and the working head is formed by the intersection of a hemispherical surface and two secant planes forming an angle α between themselves, and the value a> 130 ^o . The tide is located at the top of the working head along between the secant planes, and the radius R of curvature of the tide forming in the section along the tide, the radius R _{c of the} hemispherical surface of the working head and the radius r of curvature of the tide in the section perpendicular to its length are in the ratio: R> R _c > r. The height of the working head h is associated with the length of the tide L and the diameter of the cylindrical base of the insert by the ratio: d>1,5L> 2h.

На фиг. 1 представлена твердосплавная вставка, общий вид; на фиг. 2 то же, вид сбоку; на фиг. 3 то же, вид сверху; на фиг. 4 графики изменения коэффициента концентрации напряжений в теле вставки и породе. In FIG. 1 shows a carbide insert, general view; in FIG. 2 same side view; in FIG. 3 the same, top view; in FIG. 4 graphs of changes in the stress concentration coefficient in the body of the insert and rock.

Породоразрушающая вставка состоит из цилиндрического основания 1 и рабочей головки 2 с приливом 3. Рабочая головка образована пересечением полусферической поверхности 4 и секущих плоскостей 5. Прилив имеет продольную 6 и поперечную 7 образующие. The rock-breaking insert consists of a cylindrical base 1 and a working head 2 with a tide 3. The working head is formed by the intersection of a hemispherical surface 4 and secant planes 5. The tide has a longitudinal 6 and transverse 7 generators.

Твердосплавные вставки закрепляются в шарошках буровых долот и предназначены для разрушения горных пород, являясь оставной частью взаимодействующей системы "инструмент-порода". При этом в данной системе происходят два взаимносвязанных процесса разрушение горных пород и износ вооружения. Хотя протекание данных процессов находятся в прямой зависимости друг от друга, повышение эффективности бурения требует интенсифицирования первого и замедления течения второго из них. Разработанная форма вставки является оптимизированно-компромиссной конструкцией, позволяющей создать высокую концентрацию напряжений в разрушаемых породах при сохранении возможно более низкого уровня напряженно-деформированного состояния материала вставки. Carbide inserts are fixed in the cones of drill bits and are designed to destroy rocks, being the rest of the interacting tool-rock system. Moreover, in this system there are two interrelated processes of rock destruction and weapons wear. Although the course of these processes is directly dependent on each other, increasing the efficiency of drilling requires intensifying the first and slowing down the course of the second of them. The developed form of the insert is an optimized compromise design that allows you to create a high concentration of stresses in destructible rocks while maintaining the lowest possible level of stress-strain state of the insert material.

Наличие прилива на вершине рабочей части вставки обусловлено механизмом разрушения горных пород при вдавливании породоразрушающего инструмента. Вдавливающийся удлиненный прилив с небольшим радиусом закругления рабочей кромки создает высокую концентрацию напряжений и одновременно различную деформацию породы в направлении вдоль и поперек прилива. Тем самым в породе создаются высокий градиент концентрации напряжений, а также растягивающие напряжения, наиболее эффективные для ее разрушения, поскольку прочность горных пород на сдвиговые и растягивающие напряжения в несколько раз меньше, чем на сжимающие. Выполнение условия превышения значения радиуса продольной образующей прилива R над радиусом полусферической поверхности R_c (R > R_c) обеспечивает удлиненную форму прилива, создающую различную деформацию породы по разным направлениям, Условие по величине радиуса поперечной образующей (R_c > r) обеспечивает высокую концентрацию напряжений в породе.The presence of the tide at the top of the working part of the insert is due to the mechanism of destruction of rocks during indentation of a rock cutting tool. A squeezing elongated tide with a small radius of curvature of the working edge creates a high stress concentration and at the same time different deformation of the rock in the direction along and across the tide. Thus, a high gradient of stress concentration is created in the rock, as well as tensile stresses that are most effective for its destruction, since the strength of rocks against shear and tensile stresses is several times less than compressive ones. Fulfillment of the condition that the radius of the tidal longitudinal generatrix R exceeds the hemispherical surface radius R _c (R> R _c ) provides an elongated tide that creates different deformation of the rock in different directions. The condition for the radius of the transverse generatrix (R _c > r) provides a high stress concentration in the breed.

После окончания внедрения прилива, в породу начинает вдавливаться рабочая часть вставки, образованная полусферической поверхностью и двумя секущими плоскостями. Данная форма рабочей части продолжает процесс изменения напряженно-деформированного состояния пород, начатый внедрением прилива. Наличие секущих граней на полусферической поверхности обеспечивает внедрение вставки с меньшей силой трения и создание неравномерного напряженного состояния в породе. Величина угла между плоскостями a > 130^oC обоснована результатами экспериментов по физическому моделированию на оптически чувствительных материалах работы системы "инструмент-порода". Данное значение обеспечивает отсутствие в материале вставки наиболее опасных растягивающих напряжений, обусловленных действием окружного условия при вращении долота.After the introduction of the tide, the working part of the insert begins to be pressed into the rock, formed by a hemispherical surface and two secant planes. This form of the working part continues the process of changing the stress-strain state of the rocks, initiated by the introduction of the tide. The presence of secant faces on a hemispherical surface ensures the introduction of an insert with less friction and the creation of an uneven stress state in the rock. The angle between the planes a> 130 ^o C is justified by the results of experiments on physical modeling on optically sensitive materials of the "tool-rock" system. This value ensures the absence of the most dangerous tensile stresses in the insert material due to the action of the circumferential condition during the rotation of the bit.

Выполнение условия d > 1,5L > 2h позволяет достичь оптимизационного компромисса во взаимодействии вставки с породой, обеспечивающего сохранение высокого разрушающего эффекта инструмента при выполнении тенденции повышения его износостойкости. На основе проведенных экспериментальных исследований на оптически чувствительных материалах взаимодействия твердосплавных вставок с крепкими и особо крепкими породами установлены закономерности изменения коэффициента концентрации касательных напряжений K_τ в породе и теле вставки в зависимости от геометрических параметров конструкции вставки (фиг. 4). Графики K_τ f(h/d) и K_τ f(h/d) показывают изменение K_τ в теле вставки при изменении соотношений длины прилива L, высоты рабочей части вставки h и диаметра цилиндрического основания вставки d. График K_τ f(R/d) показывает изменение коэффициента концентрации напряжений K_τ в разрушаемой горной породе в зависимости от соотношения радиуса закругления рабочей кромки вставки R и диаметра основания d.The fulfillment of the condition d>1,5L> 2h allows us to achieve an optimization compromise in the interaction of the insert with the rock, ensuring the preservation of the high destructive effect of the tool while fulfilling the tendency to increase its wear resistance. On the basis of experimental studies on optically sensitive materials of the interaction of carbide inserts with strong and especially strong rocks, regularities are established for the variation of the concentration coefficient of shear stresses K _τ in the rock and body of the insert depending on the geometric parameters of the insert design (Fig. 4). The graphs K _τ f (h / d) and K _τ f (h / d) show the change in K _τ in the insert body as the ratio of the tide length L, the height of the working part of the insert h and the diameter of the cylindrical base of the insert d change. The graph of K _τ f (R / d) shows the change in the stress concentration coefficient K _τ in the rock being destroyed depending on the ratio of the radius of curvature of the working edge of the insert R and the diameter of the base d.

Из графиков следует, что увеличение соотношения L/d более 0,7 (точка А - пересечение графиков K_τ f(L/d) и K_τ f(R/d)) нерационально из-за уменьшения напряженного состояния пород.From the graphs it follows that an increase in the L / d ratio of more than 0.7 (point A is the intersection of the graphs K _τ f (L / d) and K _τ f (R / d)) is irrational due to a decrease in the stress state of the rocks.

Увеличение соотношения h/d более 0,5 (точка B) также нерационально из-за одновременного уменьшения концентрации напряжений в породе и увеличении их в теле вставки. An increase in the h / d ratio of more than 0.5 (point B) is also irrational due to a simultaneous decrease in the concentration of stresses in the rock and their increase in the body of the insert.

Одновременное выполнение всех соотношений, заложенных в конструкцию твердосплавной вставки, оптимизирует процесс взаимодействия бурового инструмента и разрушаемой породы и позволяет увеличить износостойкость твердосплавных вставок, а также повысить эффективность разрушения крепких и особо крепких пород. The simultaneous fulfillment of all the ratios laid down in the carbide insert design optimizes the interaction of the drilling tool and the rock being destroyed and allows to increase the wear resistance of carbide inserts, as well as to increase the fracture efficiency of hard and especially hard rocks.

Claims

A rock-breaking carbide insert containing a cylindrical base and a working head with a tide, characterized in that the working head is formed by the intersection of a hemispherical surface and two secant planes forming an angle of more than 130 ^o with each other, while the tide is located on top of the working head along between secant planes, moreover radius r of curvature forming the tide in section along the tide, _with the radius r forming the hemispherical surface of the working head and the radius r of curvature of the generatrix tide sectional n rpendikulyarnom its length, have a relationship of R> R _a> r, and the height h of the working head is associated with the length L and tide diameter d of the cylindrical insert base relation d> 1.5 L> 2h.