RU220909U1

RU220909U1 - Drill bit cutter

Info

Publication number: RU220909U1
Application number: RU2023115736U
Authority: RU
Inventors: Эътибар Юсиф Оглы Балаев; Михаил Анатольевич Самарин; Дмитрий Алексеевич Клепиков; Никита Андреевич Шостак
Filing date: 2023-06-15
Publication date: 2023-10-11

Abstract

Полезная модель относится к буровому оборудованию и может быть использована при разработке конструкций шарошек и их изготовлении. Технический результат достигается тем, что шарошка бурового долота, состоящая из корпуса, промежуточных элементов и зубьев, при этом в корпусе шарошки выполнены глухие отверстия, по форме соответствующие усеченному конусу, расположенному обратной конусностью с большим основанием на дне отверстия и меньшим на рабочей поверхности корпуса, при этом на основаниях глухих отверстий выполнены пазы, имеющие форму плюса, места стыков граней ребер которых выполнены с радиусом скругления, в которые установлены промежуточные элементы в виде стакана, выполненного по наружной поверхности в виде ответного усеченного конуса глухому отверстию и имеющего на наружной поверхности большего основания выступ, имеющий форму плюса ответной формы пазу, с выполненными с радиусом скругления местами стыков граней ребер, при этом внутренняя поверхность промежуточных элементов имеет форму прямоугольного параллелепипеда, переходящую в коническую форму от основания к рабочей поверхности, места стыков граней ребер которых выполнены с радиусом скругления, в которую установлены зубья, состоящие из основания и рабочей части, при этом основание выполнено по форме прямоугольного параллелепипеда, переходящего в коническую форму от основания к рабочей поверхности, также с выполненными с радиусом скругления местами стыков граней ребер, при этом промежуточные элементы изготовлены из материала с эффектом памяти формы. Техническим результатом является повышение надежности фиксации зубьев в шарошку, упрощение процесса монтажа и демонтажа зубьев в шарошку с возможностью обеспечения многократного процесса их монтажа и демонтажа, а также повышение износоусталостной стойкости, в частности стойкости к абразивному износу. The utility model relates to drilling equipment and can be used in the development of roller cutter designs and their manufacture. The technical result is achieved by the fact that the cutter of a drill bit, consisting of a body, intermediate elements and teeth, while blind holes are made in the body of the cutter, the shape corresponding to a truncated cone, located in a reverse taper with a large base at the bottom of the hole and a smaller one on the working surface of the body, at the same time, on the bases of the blind holes there are grooves made in the form of a plus, the joints of the edges of which are made with a rounding radius, into which intermediate elements are installed in the form of a glass, made along the outer surface in the form of a truncated cone in response to the blind hole and having a larger base on the outer surface a protrusion having the shape of a plus in response to the groove, with the joints of the edges of the ribs made with a rounding radius, while the inner surface of the intermediate elements has the shape of a rectangular parallelepiped, turning into a conical shape from the base to the working surface, the joints of the edges of which are made with a rounding radius, in which the teeth are installed, consisting of a base and a working part, while the base is made in the shape of a rectangular parallelepiped, turning into a conical shape from the base to the working surface, also with the joints of the edges of the ribs made with a rounding radius, while the intermediate elements are made of material with shape memory effect. The technical result is to increase the reliability of fixing the teeth into the cutter, to simplify the process of mounting and dismantling the teeth into the cutter with the ability to ensure multiple installation and dismantling processes, as well as to increase wear-fatigue resistance, in particular resistance to abrasive wear.

Description

Полезная модель относится к буровому оборудованию и может быть использована при разработке конструкций шарошек и их изготовлении.The utility model relates to drilling equipment and can be used in the development of roller cutter designs and their manufacture.

Аналогом полезной модели является шарошка буровых долот (пат. на изобретение № 2091558, опубл. 27.09.1997 г.), содержащая корпус с углублениями и зубки из износостойкого материала, которые расположены в углублениях корпуса на рабочей поверхности, отличающаяся тем, что зубки выполнены конусными по наружной поверхности с расширением конуса к нерабочей поверхности и полыми, при этом корпус выполнен из сплава на основе железа, а полости зубков заполнены металлом корпуса под давлением, при этом зубки выполнены из нитрида бора.An analogue of the utility model is a drill bit roller (patent for invention No. 2091558, published on September 27, 1997), containing a body with recesses and teeth made of wear-resistant material, which are located in the recesses of the body on the working surface, characterized in that the teeth are made conical along the outer surface with a cone widening towards the non-working surface and hollow, wherein the body is made of an iron-based alloy, and the cavities of the teeth are filled with body metal under pressure, and the teeth are made of boron nitride.

Недостатком данного изобретения является быстрый выход из строя шарошки из-за растрескивания корпуса в местах фиксации зубьев, а также из-за их вылета при бурении. Это обусловлено наличием дефектов и остаточных напряжений, возникающих в результате изготовления шарошки данным способом. Так, в процессе получения отливки в результате подачи расплавленного металла в форму с установленными зубьями происходит температурное воздействие на зубья, равное температуре плавления подаваемого сплава. С учетом температурных коэффициентов линейного и объемного расширения и невозможности обеспечения литейных требований заполняемости формы в связи с вязкостью расплавленного металла, а именно, требований к наличию острых углов, размеров, переходов, радиусов, скруглений и др., связанных с особенностями конструкций и требований к эксплуатации, так как в конструкции шарошки появятся такие дефекты как поры (раковины), недоливы, ужимы и др. Также недостатком данного способа является преждевременный скол и надлом зубьев, что обусловлено наличием концентратора напряжения у зубьев, так как они выполнены полыми. При эксплуатации зубья воспринимают нагрузку не только на сжатие, но и на изгиб, сдвиг/срез, скручивание, а все прикладываемые нагрузки являются динамическими, в том числе ударными и знакопеременными. Также зубья работают на усталостное разрушение (выносливость) и на контактно-усталостный вид нагрузки. Таким образом, наличие концентратора напряжения в виде полости значительно сокращает срок службы зубьев, так как являются местом зарождения и распространения трещины. При этом, зубья, изготовленные из керамики, чувствительны к термоциклическому нагружению, что также ускоряет разрушение зубьев, имеющих полость, являющуюся концентратором напряжений. Данная совокупность недостатков значительно снижает срок службы шарошки бурового долота, а также является причиной ускоренного износоусталостного разрушения. При этом, в случае скола зубьев отсутствует возможность замены за счет демонтажа и монтажа нового.The disadvantage of this invention is the rapid failure of the cutter due to cracking of the body at the points where the teeth are fixed, as well as due to their flight during drilling. This is due to the presence of defects and residual stresses resulting from the manufacture of cutters using this method. Thus, in the process of producing a casting, as a result of feeding molten metal into a mold with installed teeth, a temperature effect on the teeth occurs equal to the melting temperature of the supplied alloy. Taking into account the temperature coefficients of linear and volumetric expansion and the impossibility of meeting the foundry requirements for mold fillability due to the viscosity of the molten metal, namely, the requirements for the presence of sharp corners, dimensions, transitions, radii, roundings, etc., related to the design features and operating requirements , since such defects as pores (sinks), underfilling, pinches, etc. will appear in the design of the cutter. Also, a disadvantage of this method is premature chipping and fracture of the teeth, which is due to the presence of a stress concentrator at the teeth, since they are made hollow. During operation, the teeth perceive loads not only in compression, but also in bending, shear/shear, and torsion, and all applied loads are dynamic, including shock and alternating. The teeth also work for fatigue failure (endurance) and for contact-fatigue loads. Thus, the presence of a stress concentrator in the form of a cavity significantly reduces the service life of the teeth, since they are the site of crack initiation and propagation. At the same time, teeth made of ceramics are sensitive to thermal cyclic loading, which also accelerates the destruction of teeth that have a cavity, which is a stress concentrator. This set of disadvantages significantly reduces the service life of the drill bit cutter and also causes accelerated wear-fatigue failure. At the same time, if the teeth are chipped, there is no possibility of replacement by dismantling and installing a new one.

Аналогом полезной модели также является шарошка бурового долота (пат. на полезную модель № 188490, опубл. 16.04.2019, Бюл. №11), содержащая корпус с породоразрушающими элементами, выполненный с покрытием на его внешней поверхности в виде напыленного высокоскоростным газопламенным методом слоя из порошкового материала, отличающаяся тем, что покрытие на внешней поверхности корпуса представляет собой адгезионный слой, выполненный из механически активированной смеси порошков вес.%: с эффектом памяти формы TiNi 60-70 и Ni 30-40, на который дополнительно нанесено износостойкое покрытие, выполненное из механически активированной смеси порошков cNB-Co-Ni, вес. %: cNB 50-70, Со 10-20, Ni 20-30, при этом корпус шарошки выполняют из материала с эффектом памяти формы TiNi, при этом толщина адгезионного слоя составляет 150-200 мкм, толщина износостойкого слоя – 1500-2000 мкм, а напыление адгезионного слоя и износостойкого слоя методом высокоскоростного газопламенного напыления осуществляют в защитной атмосфере аргона.An analogue of a utility model is also a drill bit cutter (patent for utility model No. 188490, published on April 16, 2019, Bulletin No. 11), containing a body with rock-destroying elements, made with a coating on its outer surface in the form of a layer of high-speed gas-flame sprayed powder material, characterized in that the coating on the outer surface of the body is an adhesive layer made of a mechanically activated mixture of powders, wt.%: with shape memory effect TiNi 60-70 and Ni 30-40, on which is additionally applied a wear-resistant coating made of mechanically activated mixture of cNB-Co-Ni powders, wt. %: cNB 50-70, Co 10-20, Ni 20-30, while the body of the cutter is made of TiNi shape memory material, while the thickness of the adhesive layer is 150-200 microns, the thickness of the wear-resistant layer is 1500-2000 microns, and the spraying of the adhesive layer and wear-resistant layer by high-speed flame spraying is carried out in a protective argon atmosphere.

Недостатком данного патента является низкий срок эксплуатации, связанный с выпадением/вырыванием зубьев из шарошки, что обусловлено недостаточной фиксацией в шарошке зубьев, устанавливаемых с использованием посадки с гарантированным натягом. Также на низкий срок эксплуатации влияет отслоение покрытий по линии раздела (границе) покрытия-подложки и между слоями в результате контактно-ударного воздействия разрушаемой породы, действующего на поверхность шарошки. В результате такого воздействия возникающие в глубине контактные напряжения превышают по значению величину адгезии покрытия с подложкой или межслойную адгезию покрытия, что приводит к отслоению, в результате чего также ускоряется процесс износоусталостного разрушения шарошки бурового долота.The disadvantage of this patent is the low service life associated with the teeth falling out/tearing out of the cutter, which is due to insufficient fixation of the teeth in the cutter, installed using a fit with a guaranteed interference fit. Also, the low service life is affected by the peeling of coatings along the section line (border) of the coating-substrate and between layers as a result of the contact-impact effect of the destroyed rock acting on the surface of the cutter. As a result of such an impact, the contact stresses arising in depth exceed in value the adhesion of the coating to the substrate or the interlayer adhesion of the coating, which leads to peeling, as a result of which the process of wear-fatigue destruction of the drill bit cone is also accelerated.

Прототипом полезной модели является породоразрушающий инструмент (пат. на изобретение № 2 635 669, опубл. 15.11.2017 Бюл. № 32), содержащий корпус с отверстиями, в которых посредством промежуточных втулок закреплены вставки с коническими хвостовиками и рабочей головкой, при этом хвостовики и промежуточные втулки выполнены с ответными коническими поверхностями, внутренний диаметр промежуточных втулок уменьшается от хвостовиков вставок к их рабочей головке, а на конической поверхности промежуточных втулок со стороны, обращенной в направлении хвостовика, выполнены продольные сквозные пазы, имеющие во фронтальной плоскости коническую форму, причем длина продольных сквозных пазов меньше длины промежуточных втулок, при этом отверстия в корпусе выполнены с кольцевой расточкой, а промежуточные втулки - с ответными выступами на наружной поверхности, причем кольцевые расточки выполнены на дне отверстий, а выступы промежуточных втулок - на их концевых участках.The prototype of the utility model is a rock-cutting tool (patent for invention No. 2,635,669, published November 15, 2017 Bulletin No. 32), containing a body with holes in which inserts with conical shanks and a working head are secured by means of intermediate bushings, with the shanks and the intermediate bushings are made with mating conical surfaces, the internal diameter of the intermediate bushings decreases from the shanks of the inserts to their working head, and on the conical surface of the intermediate bushings on the side facing the direction of the shank, longitudinal through grooves are made, having a conical shape in the frontal plane, and the length of the longitudinal the through grooves are less than the length of the intermediate bushings, while the holes in the body are made with an annular bore, and the intermediate bushings are made with counter protrusions on the outer surface, and the annular bores are made at the bottom of the holes, and the protrusions of the intermediate bushings are made at their end sections.

Недостатком данного изобретения является быстрый износ шарошки долота. Во-первых, это происходит в результате распространения трещин в местах изменения сечения втулки (в местах выступов на наружной поверхности втулки и в местах вершин продольных сквозных пазов, выполненных на конической поверхности промежуточных втулок) и корпуса шарошки в посадочных отверстиях под втулки (кольцевая расточка), являющихся концентраторами напряжения и приводящих к скалыванию втулки и корпуса в местах изменения сечения и разрушению целостности конструкции, сопровождающемуся вылетом зубьев. Во-вторых, в результате прокручивания зубьев вокруг своей оси во втулке и прокручивания втулки вокруг своей оси в посадочном отверстии шарошки, вызванных тем, что при бурении зубья также воспринимают крутящий момент при заклинивании и заедании зубьев в породе, а также при перекатывании с проскальзыванием, что приводит к износу и образованию люфтов по поверхностям сопряжения зубьев с втулками и втулок с посадочными местами корпуса, что, конечном итоге, приводит к излому и вылету зубьев в процессе бурения.The disadvantage of this invention is the rapid wear of the bit cone. Firstly, this occurs as a result of the propagation of cracks in places where the cross-section of the bushing changes (in the places of protrusions on the outer surface of the bushing and in the places of the tops of longitudinal through grooves made on the conical surface of the intermediate bushings) and in the body of the roller cutter in the mounting holes for the bushings (annular boring) , which are stress concentrators and lead to chipping of the bushing and body in places where the cross-section changes and destruction of the integrity of the structure, accompanied by flyout of the teeth. Secondly, as a result of the rotation of the teeth around their axis in the bushing and the rotation of the bushing around its axis in the seating hole of the cutter, caused by the fact that when drilling, the teeth also perceive torque when the teeth jam and jam in the rock, as well as when rolling with slippage, which leads to wear and the formation of backlash along the mating surfaces of the teeth with the bushings and the bushings with the housing seats, which ultimately leads to fracture and flyout of the teeth during the drilling process.

Задачей полезной модели является усовершенствование конструкции шарошки бурового долота, обеспечивающей повышение ее эксплуатационных характеристик и срока эксплуатации.The purpose of the utility model is to improve the design of a drill bit cutter, ensuring an increase in its performance characteristics and service life.

Техническим результатом является повышение надежности фиксации зубьев в шарошку, упрощение процесса монтажа и демонтажа зубьев в шарошку с возможностью обеспечения многократного процесса их монтажа и демонтажа, а также повышение износоусталостной стойкости, в частности, стойкости к абразивному износу.The technical result is to increase the reliability of fixing the teeth into the cutter, to simplify the process of mounting and dismantling the teeth into the cutter with the ability to ensure multiple installation and dismantling processes, as well as to increase wear-fatigue resistance, in particular, resistance to abrasive wear.

Технический результат достигается тем, что шарошка бурового долота, состоящая из корпуса, промежуточных элементов и зубьев, при этом в корпусе шарошки выполнены глухие отверстия, по форме соответствующие усеченному конусу, расположенному обратной конусностью с большим основанием на дне отверстия и меньшим на рабочей поверхности корпуса, при этом на основаниях глухих отверстий выполнены пазы, имеющие форму плюса, места стыков граней ребер которых выполнены с радиусом скругления, в которые установлены промежуточные элементы в виде стакана, выполненного по наружной поверхности в виде ответного усеченного конуса глухому отверстию и имеющего на наружной поверхности большего основания выступ, имеющий форму плюса ответной формы пазу, с выполненными с радиусом скругления местами стыков граней ребер, при этом, внутренняя поверхность промежуточных элементов имеет форму прямоугольного параллелепипеда, переходящую в коническую форму от основания к рабочей поверхности, места стыков граней ребер которых выполнены с радиусом скругления, в которую установлены зубья, состоящие из основания и рабочей части, при этом основание выполнено по форме прямоугольного параллелепипеда, переходящего в коническую форму от основания к рабочей поверхности, также с выполненными с радиусом скругления местами стыков граней ребер, при этом промежуточные элементы изготовлены из материала с эффектом памяти формы.The technical result is achieved by the fact that the cutter of the drill bit, consisting of a body, intermediate elements and teeth, while blind holes are made in the cutter body, the shape corresponding to a truncated cone, located in a reverse taper with a large base at the bottom of the hole and a smaller one on the working surface of the body, at the same time, on the bases of the blind holes there are grooves made in the form of a plus, the joints of the edges of which are made with a rounding radius, into which intermediate elements are installed in the form of a glass, made along the outer surface in the form of a truncated cone in response to the blind hole and having a larger base on the outer surface a protrusion having the shape of a plus in response to the groove, with the joints of the edges of the ribs made with a rounding radius, while the inner surface of the intermediate elements has the shape of a rectangular parallelepiped, turning into a conical shape from the base to the working surface, the joints of the edges of which are made with a rounding radius , in which teeth are installed, consisting of a base and a working part, while the base is made in the shape of a rectangular parallelepiped, turning into a conical shape from the base to the working surface, also with the joints of the edges of the edges made with a rounding radius, while the intermediate elements are made of material with shape memory effect.

Выпадение зубьев в процессе бурения является частым и неприятным явлением. Выпавшие зубья, попадая под зубья вращающихся шарошек, приводят к их сколу, уменьшая тем самым породоразрушающую способность долота. Для эффективной и безаварийной работы последующих долот необходима тщательная очистка забоя. Поэтому любые затраты, связанные с повышением надежности фиксации зубьев на корпусе шарошки, не идут ни в какое сравнение с теми потерями, которые имеют место при выпадении зубьев. Посадка с натягом или гарантированным натягом не обеспечивает необходимое усилие, обеспечивающее удержание зубьев в корпусе долота, а значительное увеличение значения разницы линейного размера посадочного места корпуса и основания зуба, обеспечивающее повышение значения посадки с натягом с увеличением удерживающего усилия при обжатии посадочного отверстия зуба, способствует возникновению напряжений, которые могут привести к разрушению как зубьев, так и самого корпуса шарошки, а также стать причиной преждевременного зарождения и быстрого раскрытия (перемещения) трещин от места сопряжения как в корпусе шарошки, так и в зубе. Повышение надежности фиксации зубьев в корпусе шарошки может быть обеспечено за счет особенностей формы посадочного места (отверстия) в корпусе шарошки и за счет формы основания зубьев. Так, создавая конусную форму (усеченный конус), возможно обеспечение фиксации геометрией, а выпадение зубьев делается невозможным, так как удержание зубьев обеспечивается не силой трения покоя (посадка с натягом), а самой геометрией, поэтому потеря зубьев возможна лишь при разрушении самого зуба, либо от нагрузок, возникающих на излом, отрыв или срез, значение усилия которых значительно превышает значение усилия, необходимого для вырывания зубьев при посадке с гарантированным натягом. Стоит отметить, что при натяге возникают напряжения по поверхности сопряжения как в зубьях, так и в корпусе шарошки из-за чего зубья и корпус работают в сложнонапряженном состоянии, что также снижает прочностные характеристики как зубьев, так и корпуса в местах посадочных отверстий под зубья.Losing teeth during drilling is a common and unpleasant occurrence. Fallen teeth, falling under the teeth of the rotating cutters, lead to their chipping, thereby reducing the rock-cutting ability of the bit. For efficient and trouble-free operation of subsequent bits, thorough bottom hole cleaning is necessary. Therefore, any costs associated with increasing the reliability of fixing the teeth on the body of the cutter can not be compared with the losses that occur when teeth fall out. An interference fit or a guaranteed interference fit does not provide the necessary force to ensure retention of the teeth in the bit body, and a significant increase in the difference between the linear size of the body seat and the tooth base, which ensures an increase in the value of the interference fit with an increase in the holding force when compressing the tooth seat hole, contributes to the occurrence of stresses, which can lead to destruction of both the teeth and the cutter body itself, as well as cause premature initiation and rapid opening (movement) of cracks from the mating point both in the cutter body and in the tooth. Increased reliability of fixing the teeth in the cutter body can be achieved due to the shape of the seat (hole) in the cutter body and due to the shape of the base of the teeth. Thus, by creating a conical shape (truncated cone), it is possible to ensure fixation by the geometry, and the loss of teeth is made impossible, since the retention of the teeth is ensured not by the force of static friction (an interference fit), but by the geometry itself, so the loss of teeth is possible only when the tooth itself is destroyed, or from loads arising from fracture, separation or shear, the force value of which significantly exceeds the force value required to pull out the teeth when landing with a guaranteed interference fit. It is worth noting that during tension, stresses arise along the mating surface both in the teeth and in the body of the cutter, due to which the teeth and body operate in a complexly stressed state, which also reduces the strength characteristics of both the teeth and the body in the places where the mounting holes for the teeth are located.

Обеспечение возможности соединения зубьев и корпуса шарошки с обратной конусностью возможно лишь на момент изготовления за счет литья или за счет использования материала с эффектом памяти формы. В случае литья получаемое изделие имеет дефекты, которые являются причиной преждевременного выхода из строя шарошечного долота. Такие дефекты связанны с особенностью требований к конструкции шарошки (корпуса и зубьев в сборе), что делает невозможным применение литейных скруглений в местах сопряжения зубьев с корпусом шарошки долота. При этом, обеспечение литейных размеров, радиусов, переходов и т.д., а также дополнительных припусков требует изменения конструкции шарошки и не обеспечивает соответствие получаемой шарошки требованиям к ее эксплуатации. При этом, невозможно обеспечить бездефектную структуру получаемого литья в местах сопряжения зубьев и корпуса шарошки, что приводит к его разрушению в месте сопряжения с зубьями и, как следствие, выпадению зубьев и выкрашиванию корпуса шарошки. Также наличие резких переходов в литейной форме приводят к возникновению раковин, ужимов и недоливов в местах сопряжения зубьев и корпуса шарошки долота, высокотемпературное воздействие при взаимодействии литейного сплава корпуса шарошки на зубья приводит к изменению структуры материала, из которого изготовлены зубья, что также приводит к снижению физико-механических характеристик зубьев. Ensuring the possibility of connecting the teeth and the body of the cutter with a reverse taper is possible only at the time of manufacture through casting or through the use of a material with a shape memory effect. In the case of casting, the resulting product has defects, which cause premature failure of the roller bit. Such defects are associated with the specific requirements for the design of the cutter (body and teeth assembly), which makes it impossible to use casting fillets in the places where the teeth interface with the body of the bit cutter. At the same time, ensuring casting dimensions, radii, transitions, etc., as well as additional allowances, requires changing the design of the cutter and does not ensure that the resulting cutter meets the requirements for its operation. At the same time, it is impossible to ensure a defect-free structure of the resulting casting at the junction of the teeth and the cutter body, which leads to its destruction at the junction with the teeth and, as a consequence, loss of teeth and chipping of the cutter body. Also, the presence of sharp transitions in the casting mold leads to the appearance of cavities, pinches and underfilling in the places where the teeth and the bit’s cutter body meet; the high-temperature effect during the interaction of the casting alloy of the cutter body on the teeth leads to a change in the structure of the material from which the teeth are made, which also leads to a decrease physical and mechanical characteristics of teeth.

Наиболее оптимальным решением является применение сплавов с эффектом памяти формы, которые позволяют проводить процесс монтажа за счет термоупругого фазового превращения, обеспечивающего форму для легкого монтажа в мартенситном фазовом состоянии (низкотемпературном) и жесткую фиксацию зубьев формой, соответствующей аустенитному фазовому состоянию (высокотемпературному). При этом изготовление корпуса шарошки из данного материала требует защиты от интенсивного воздействия породы (абразивных частиц), для чего на поверхность шарошки наносится защитное покрытие из износостойких материалов, однако в результате воздействия породы на поверхность покрытия происходит контактное выкрашивание и отслоение покрытия от подложки, что снижает физико-механические характеристики и, как следствие, эксплуатационные характеристики такого типа шарошки, следствием чего является снижения срока службы. Также одним из недостатков является возможность прокручивания зубьев в посадочных отверстиях корпуса или втулок вокруг своей оси, что приводит к изнашиванию либо зубьев, либо посадочных отверстий корпуса, либо втулок по поверхностям сопряжения. При этом, фиксация геометрией не должна иметь резких изменений сечений, являющихся местами концентрации напряжений, а также должны отсутствовать все виды концентраторов напряжений или должны быть заменены на те, которые не приводят к экстремальному росту напряжений, превышающих по значению предела упругости или пропорциональности материала.The most optimal solution is the use of alloys with a shape memory effect, which allow the installation process to be carried out due to a thermoelastic phase transformation, providing a shape for easy installation in the martensitic phase state (low temperature) and rigid fixation of the teeth with a shape corresponding to the austenitic phase state (high temperature). At the same time, the manufacture of a cutter body from this material requires protection from intense exposure to rock (abrasive particles), for which a protective coating of wear-resistant materials is applied to the surface of the cutter, however, as a result of the impact of rock on the surface of the coating, contact chipping and peeling of the coating from the substrate occurs, which reduces physical and mechanical characteristics and, as a consequence, operational characteristics of this type of cutter, which results in a reduction in service life. Also, one of the disadvantages is the possibility of spinning the teeth in the mounting holes of the housing or bushings around its axis, which leads to wear of either the teeth, or the mounting holes of the housing, or bushings along the mating surfaces. At the same time, fixation by geometry should not have sudden changes in sections, which are places of stress concentration, and all types of stress concentrators should be absent or should be replaced with those that do not lead to an extreme increase in stresses exceeding the elastic limit or proportionality of the material.

Таким образом, с учетом вышеперечисленного решением может быть применение промежуточного элемента (стакана) из материалов с эффектом памяти формы (с термоупругими фазовыми превращениями), которые обеспечат возможность фиксации зубьев в корпус шарошки посредством геометрической особенности исполнения наружной и внутренней поверхностей стакана. Фиксация стакана от выпадения и вырывания из посадочного отверстия корпуса шарошки обеспечивается за счет выполнения глухого отверстия корпуса шарошки, по форме соответствующего усеченному конусу, расположенному обратной конусностью с большим основанием на дне отверстия и меньшим на рабочей поверхности корпуса и за счет исполнения наружной поверхности в виде ответного усеченного конуса глухому отверстию корпуса. Фиксация стакана от проворота вокруг своей оси в посадочном отверстии корпуса шарошки обеспечивается выполнением на основании глухого отверстия паза, имеющего форму плюса, у которого места стыков граней ребер выполнены с радиусом скругления, и выполнением на наружной поверхности большего основания стакана выступа, имеющего форму плюса ответной формы пазу, имеющего форму плюса, с выполненными с радиусом скругления местами стыков граней ребер. Выполнение ребер по радиусу позволяет уменьшить значение напряжений в местах ребер от критического до не превышающего по значению предела упругости материалов. При этом паз и выступ, имеющие форму плюса, выполненные в отверстии корпуса и на внешней поверхности основания стакана соответственно, воспринимают только нагрузку, возникающую при бурении на прокручивание (крутящий момент) вокруг оси. Данная нагрузка является побочной, а не основной. При бурении ее величина незначительна в сравнении с основной нагрузкой, воспринимаемой элементами конструкции стакана и корпуса шарошки, не имеющих по направлению возникновения больших величин напряжений и имеющих достаточную площадь сечения, при которой возникающие напряжения не превышают предела пропорциональности материалов, из которых они изготовлены.Thus, taking into account the above, a solution may be to use an intermediate element (glass) made of materials with a shape memory effect (with thermoelastic phase transformations), which will provide the ability to fix the teeth into the body of the cutter through the geometric design of the outer and inner surfaces of the glass. Fixing the glass from falling out and being pulled out of the mounting hole of the cutter body is ensured by making a blind hole in the cutter body, the shape corresponding to a truncated cone, located in a reverse taper with a large base at the bottom of the hole and a smaller one on the working surface of the body and by making the outer surface in the form of a counter truncated cone to the blind hole of the housing. Fixation of the glass from rotation around its axis in the seating hole of the roller cutter body is ensured by making a plus-shaped groove on the base of the blind hole, in which the joints of the edges of the ribs are made with a rounding radius, and by making a protrusion on the outer surface of the larger base of the glass, having the shape of a plus in response. a groove having the shape of a plus, with the joints of the edges of the ribs made with a rounding radius. Making the ribs along a radius makes it possible to reduce the stress value in the places of the ribs from critical to a value not exceeding the elastic limit of the materials. In this case, the plus-shaped groove and protrusion, made in the housing hole and on the outer surface of the base of the cup, respectively, perceive only the load that occurs during drilling for rotation (torque) around the axis. This load is a secondary load, not the main one. During drilling, its value is insignificant in comparison with the main load perceived by the structural elements of the sleeve and the body of the cutter, which do not have large stress values in the direction of occurrence and have a sufficient cross-sectional area at which the resulting stresses do not exceed the limit of proportionality of the materials from which they are made.

Фиксация зубьев от осевого смещения и проворота вокруг своей оси в стакане, установленном в корпус шарошки, обеспечивается изготовлением внутренней поверхности промежуточных элементов по форме прямоугольного параллелепипеда переходящая в коническую форму от основания к рабочей поверхности, места стыков граней ребер которых выполнены с радиусом скругления, в которые установлены зубья, состоящие из основания и рабочей части, при этом основание выполнено по форме прямоугольного параллелепипеда переходящая в коническую форму от основания к рабочей поверхности, также с выполненными по радиусу ребрами местами стыков граней. Таким образом, форма прямоугольного параллелепипеда переходящая в коническую форму от основания к рабочей поверхности обеспечивает одновременно фиксацию от осевого смещения и проворота вокруг оси зубьев установленных в стакан, а выполнение мест стыковок граней (ребра) по радиусу также обеспечивает изменение формы концентратора напряжения ребра из углового четко выраженного в скругленный, уменьшая значения возникающих напряжений с критического значения на значение меньшее по величине и не превышающее предела упругости или предела пропорциональности в местах стыка граней пирамиды.Fixation of the teeth from axial displacement and rotation around their axis in the cup installed in the body of the cutter is ensured by manufacturing the inner surface of the intermediate elements in the shape of a rectangular parallelepiped, turning into a conical shape from the base to the working surface, the joints of the edges of which are made with a rounding radius in which teeth are installed, consisting of a base and a working part, while the base is made in the shape of a rectangular parallelepiped, turning into a conical shape from the base to the working surface, also with radial ribs at the joints of the faces. Thus, the shape of a rectangular parallelepiped, turning into a conical shape from the base to the working surface, simultaneously ensures that the teeth installed in the glass are fixed from axial displacement and rotation around the axis, and the placement of joints between the edges (ribs) along the radius also ensures a change in the shape of the stress concentrator of the rib from an angular one expressed in rounded form, reducing the values of the resulting stresses from a critical value to a value smaller in magnitude and not exceeding the elastic limit or proportionality limit at the junction of the faces of the pyramid.

При этом толщина стенки конических втулок и их расположение уменьшает вероятность частого взаимодействия с элементами породы, что делает такой конструкторский прием возможным, а срок службы втулок в таком исполнении конструкции шарошки долота с учетом особенностей расположения и толщины стенки втулки превышает срок службы корпуса шарошки, что не влияет на общий эксплуатационный ресурс конструкции.At the same time, the wall thickness of the conical bushings and their location reduces the likelihood of frequent interaction with rock elements, which makes such a design technique possible, and the service life of the bushings in this design of the bit cutter, taking into account the features of the location and wall thickness of the bushing, exceeds the service life of the roller cutter body, which does not affects the overall service life of the structure.

Использование фиксации геометрией зубьев в корпусе шарошки гарантирует полное решение проблемы выпадения зубьев с посадочного места, а разрушения зубьев возможны лишь в случаях превышения нагрузки во время эксплуатации предела прочности зубьев как на отрыв, так и на срез, изгиб и скручивание. При этом, использование стакана с эффектом памяти формы позволяет сохранить эксплуатационный ресурс шарошки при возможности увеличения эксплуатационных характеристик (режимов бурения), что делает данное решение оптимальным, сохраняя срок эксплуатации существующих конструкций шарошечных долот, повышая надежность долота за счет решения проблемы выпадения зубьев при бурении.The use of fixing the geometry of the teeth in the body of the cutter guarantees a complete solution to the problem of teeth falling out of the seat, and tooth destruction is possible only in cases where the load during operation exceeds the tensile strength of the teeth, both for tearing and shearing, bending and twisting. At the same time, the use of a sleeve with a shape memory effect allows you to preserve the operational life of the roller cutter while increasing the operational characteristics (drilling modes), which makes this solution optimal, preserving the service life of existing roller bit designs, increasing the reliability of the bit by solving the problem of teeth falling out during drilling.

Таким образом, предлагаемая конструкция шарошки бурового долота имеет повышенный эксплуатационный срок и характеристики, а также обеспечивает надежную фиксацию зубьев в корпусе шарошки, обеспечивая гарантированную защиту от выпадения зубьев из посадочного места в корпусе шарошки долота.Thus, the proposed design of the drill bit cutter has an increased service life and characteristics, and also ensures reliable fixation of the teeth in the cutter body, providing guaranteed protection against teeth falling out of their seat in the cutter body of the bit.

На фиг. 1 показана конструкция корпуса шарошки бурового долота. На фиг. 2 представлена конструкция конической втулки. На фиг. 3 представлена конструкция зуба. На фиг.4 представлена принципиальная схема исполнения предлагаемой конструкции шарошки бурового долота.In fig. Figure 1 shows the design of the drill bit roller body. In fig. Figure 2 shows the design of a conical bushing. In fig. Figure 3 shows the design of the tooth. Figure 4 shows a schematic diagram of the proposed design of a drill bit cutter.

Шарошка бурового долота состоит из корпуса 1 с глухими отверстиями 2, имеющими форму усеченного конуса с обратной конусностью и с выполненными на основании пазами 3, имеющими форму плюса, места стыков граней ребер которых выполнены с радиусом скругления. В глухие отверстия 2 установлены промежуточные элементы 4 в виде стаканов, имеющих форму ответного усеченного конуса глухому отверстию 2, а также выступ 5, имеющий форму плюса ответной формы пазу 3, имеющего форму плюса, на наружной поверхности большего основания. Места стыков граней призматического выступа 5 также выполнены по радиусу. Внутренняя поверхность промежуточных элементов 4 выполнена по форме прямоугольного параллелепипеда, переходящего в коническую форму от основания к рабочей поверхности, места стыков граней ребер которых выполнены с радиусом скругления. Во внутреннюю часть промежуточных элементов 4 установлены зубья 6, состоящие из основания 7 и рабочей части 8, при этом, основание 7 выполнено по форме прямоугольного параллелепипеда переходящая в коническую форму от основания к рабочей поверхности, ответной формы внутренней поверхности промежуточного элемента 4 в виде стакана, также с выполненными по радиусу ребрами местами стыков граней, при этом промежуточные элементы 4 изготовлены из материала с эффектом памяти формы.The cutter of the drill bit consists of a body 1 with blind holes 2, having the shape of a truncated cone with a reverse taper and with grooves 3 made on the base, having a plus shape, the joints of the edges of which are made with a rounding radius. In the blind holes 2, intermediate elements 4 are installed in the form of glasses, having the shape of a truncated cone in response to the blind hole 2, as well as a protrusion 5, having the shape of a plus, corresponding to the groove 3, having the shape of a plus, on the outer surface of the larger base. The joints of the faces of the prismatic protrusion 5 are also made along the radius. The inner surface of the intermediate elements 4 is made in the shape of a rectangular parallelepiped, turning into a conical shape from the base to the working surface, the joints of the edges of which are made with a rounding radius. Teeth 6 are installed in the inner part of the intermediate elements 4, consisting of a base 7 and a working part 8, while the base 7 is made in the shape of a rectangular parallelepiped, turning into a conical shape from the base to the working surface, corresponding to the shape of the inner surface of the intermediate element 4 in the form of a glass, also with ribs made along the radius at the joints of the edges, while the intermediate elements 4 are made of material with a shape memory effect.

Монтаж шарошки бурового долота предлагаемой конструкции, осуществляется следующим образом: промежуточные элементы 4 в форме стакана, изготовленные из материала с эффектом памяти формы, охлаждают до температуры соответствующей низкотемпературному фазовому состоянию материала (мартенсит), после чего задают форму, обеспечивающую свободную установку промежуточного элемента 4 в глухие конические посадочные отверстия 2 корпуса 1, обеспечивая сопряжение выступа 5, имеющего форму плюса, промежуточных элементов 4 с призматическим пазом 3, имеющего форму плюса, отверстия 2 корпуса 1. Далее промежуточные элементы 4 нагревают до температуры, соответствующей высокотемпературному фазовому состоянию материала (аустенит), благодаря чему они приобретают первоначальную форму, самоцентрируются и самофиксируются в глухие конические посадочные отверстия 2 корпуса 1, обеспечивая плотное сопряжение по всем внешним поверхностям промежуточных элементов 4 с внутренними поверхностями глухого конического посадочного отверстия 2 корпуса 1. После чего охлаждают промежуточные элементы 4, установленные в глухие конические посадочные отверстия 2 корпуса 1 до температуры, соответствующей низкотемпературному фазовому состоянию материала (мартенсит), и задают форму, обеспечивающую свободную установку оснований 7 зубьев 6 в промежуточные элементы 4 установленные в глухие конические посадочные отверстия 2 корпуса 1. Затем промежуточные элементы 4, установленные в глухие конические посадочные отверстия 2 корпуса 1, нагревают до температуры, соответствующей высокотемпературному фазовому состоянию материала (аустенит), благодаря чему промежуточные элементы 4 приобретают первоначальную форму, обеспечивая самоцентрирование и самофиксирование оснований 7 зубьев 6 в промежуточные элементы 4, установленные в глухие конические посадочные отверстия 2 корпуса 1, обеспечивая плотное сопряжение внешних боковых поверхностей основания 7 зуба 6 с внутренними боковыми поверхностями промежуточные элементы 4, установленных в глухие конические посадочные отверстия 2 корпуса 1.Installation of the drill bit cutter of the proposed design is carried out as follows: intermediate elements 4 in the shape of a glass, made of a material with shape memory effect, are cooled to a temperature corresponding to the low-temperature phase state of the material (martensite), after which a shape is set that ensures free installation of the intermediate element 4 in blind conical mounting holes 2 of the body 1, ensuring the mating of the plus-shaped protrusion 5, intermediate elements 4 with the prismatic groove 3, plus-shaped hole 2 of the body 1. Next, the intermediate elements 4 are heated to a temperature corresponding to the high-temperature phase state of the material (austenite) , due to which they acquire their original shape, self-center and self-fix into the blind conical mounting holes 2 of the housing 1, ensuring tight coupling along all external surfaces of the intermediate elements 4 with the internal surfaces of the blind conical mounting hole 2 of the housing 1. After which the intermediate elements 4 installed in blind conical mounting holes 2 of the body 1 to a temperature corresponding to the low-temperature phase state of the material (martensite), and set a shape that ensures free installation of the bases 7 of the teeth 6 into the intermediate elements 4 installed in the blind conical mounting holes 2 of the housing 1. Then the intermediate elements 4 installed into the blind conical mounting holes 2 of the body 1, they are heated to a temperature corresponding to the high-temperature phase state of the material (austenite), due to which the intermediate elements 4 acquire their original shape, ensuring self-centering and self-locking of the bases 7 of the teeth 6 in the intermediate elements 4 installed in the blind conical mounting holes 2 of the body 1, ensuring tight coupling of the outer side surfaces of the base 7 of the tooth 6 with the inner side surfaces of the intermediate elements 4 installed in the blind conical mounting holes 2 of the body 1.

Демонтаж или замена зубьев 6 проводятся в обратной последовательности монтажу.Dismantling or replacing teeth 6 is carried out in the reverse order of installation.

Claims

A drill bit cutter, consisting of a body, intermediate elements and teeth, characterized in that blind holes are made in the roller cutter body, the shape corresponding to a truncated cone, located with a reverse taper with a large base at the bottom of the hole and a smaller one on the working surface of the body, while on the bases of the blind holes, grooves are made in the form of a plus, the joints of the edges of which are made with a rounding radius, into which intermediate elements are installed in the form of a glass, made along the outer surface in the form of a truncated cone in response to the blind hole and having a protrusion on the outer surface of the larger base in the shape plus a corresponding shape to the groove, with the joints of the edges of the ribs made with a rounding radius, while the inner surface of the intermediate elements has the shape of a rectangular parallelepiped, turning into a conical shape from the base to the working surface, the joints of the edges of which are made with a rounding radius, into which the teeth are installed , consisting of a base and a working part, wherein the base is made in the shape of a rectangular parallelepiped, turning into a conical shape from the base to the working surface, also with the joints of the edges of the ribs made with a rounding radius, while the intermediate elements are made of material with a shape memory effect.