ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТОЧНОСТИ ПРОФИЛЯ ДОРОЖЕК КАЧЕНИЯ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ И НАДЕЖНОСТЬ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА

INFLUENCE OF PARAMETERS OF ACCURACY PROFILE RACEWAYS TO WEARABILITY DRILLING TOOLS

Boris Chetverikov

postgraduate student, Department of Mechanical Engineering, BSTU named after V.G. Shukhov,

Russia, Belgorod

Vladimir Duganov

candidate of technical sciences, the associate professor of Department of Mechanical Engineering, BSTU named after V.G. Shukhov,

Russia, Belgorod

Nadezhda Arhipova

the associate professor of Department of Mechanical Engineering, BSTU named after V.G. Shukhov,

Russia, Belgorod

Работа выполнена в рамках гранта: «Проект ПСР № 2011-ПР-146», договор № А-28/15 от 14.04.2015 г.

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены вопросы, связанные с необходимостью контроля изделий в машиностроении, в частности, деталей бурового инструмента. Дано обоснование использования контроля отдельных элементов буровых долот, в особенности, дорожки качения подшипникового узла. Таким образом, одним из главных параметров, влияющих на работоспособность и износостойкость долота, является точность формы профиля дорожки качения, которую необходимо проконтролировать.

ABSTRACT

The questions related to the need to control products in mechanical engineering, in particular, details of the drilling tool. The substantiation of the use of the control of individual elements of drill bits, in particular, the raceway of the bearing assembly. Thus, one of the main parameters that affect the performance and durability of the bit, is the accuracy of profile shape raceway, which must be checked.

Ключевые слова: буровое долото, дорожка качения, контроль, конечно-элементный анализ.

Keywords: drill bit, raceway, control, finite element analysis.

Согласно п. 4.4. ГОСТ 20692-2003 [2] к конструкции подшипниковых узлов буровых шарошечных долот предъявляются требования, позволяющие обеспечить надёжность и износостойкость инструмента. Но сама конструкция долота не рассматривается, по этой причине производители инструмента самостоятельно определяют требования к выполняемым поверхностям деталей, входящих в сборку изделия. При этом на надежность и долговечность работы бурового инструмента влияет и точность изготовления непосредственно дорожек качения подшипниковых узлов. Так, например, на рис. 1 представлен фрагмент конструкции бурового трёхшарошечного долота одного из российских производителей. На рис. 1, соответственно, обозначены: 1 – корпус лапы, 2 – корпус шарошки, 3 – пята, 4– опора, 5 – зубок основной, 6 – ролик малый, 7 – шарик, 8 – зубок вспомогательный, 9 – ролик, 10 – штифт, 11 – замок.

Требования, изложенные в ГОСТ [2] обеспечиваются точностью выполнения соответствующих размеров узла лапы. Вращение шарошки с допустимыми биениями обеспечивают соответствующие подшипниковые узлы на телах качения. Согласно рис. 1 к дорожкам качения этих подшипниковых узлов предъявляются высокие требования по выполнению размеров, а для узла, выполненного на шариках, к точности выполнения формы дорожки. Так как, по мнению авторов, именно он является замковым узлом, на который при погрешности формы могут действовать неравномерные нагрузки, вызывающие деформацию поверхности качения шарика, с последующим появлением биений. Выполним анализ нагрузки изделия с использованием метода конечных элементов.

Рисунок 1. Лапа в сборе

Поскольку настоящая работа выполнялась на кафедре «Технология машиностроения» БГТУ им. В.Г. Шухова, то авторы использовали имеющийся опыт кафедры в выполнении конечно-элементного анализа различных конструкций технологического оборудования.

Для начала, была получена 3D модель и загружена в пакет конечно-элементного анализа, затем назначены материал деталей конструкции, ограничения и нагрузки [3]. Далее были назначены контактные поверхности и выполнено наложение сетки конечных элементов [5]. Расчет деформаций производим с целью установления наиболее нагруженных поверхностей детали, так как в ГОСТ [2] не обозначены требования, предъявляемые к профилю дорожки качения, которая является основным элементом в лапе, воспринимающим напряжения, возникающие в процессе бурения. Результаты расчёта представлены на рис. 2.

Рисунок 2. Деформации в лапе бурового долота

Объёмная модель узла бурового долота выполнена с соблюдением всех требований, приведенных на рис. 1, следовательно, распределение деформаций на поверхности дорожки качения и шарике будет равномерным. Если присутствует искажение формы, то один из вариантов контакта деталей представлен на рис. 3.

Рисунок 3. Смещение шарика из-за погрешности формы дорожки качения

Стрелками на рис. 3 выделены начало и конец зоны контакта, следовательно, нагрузка, которая в идеальном случае прилагалась ко всему профилю дорожки, будет приложена к профилю меньшему по размерам более чем в два раза. А, радиус увеличен всего 0,06 мм, т. е. незначительно вышел за пределы допуска. Согласно теории упругости, можно решить задачу Г. Герца [1], однако большее влияние на долговечность долота в этом случае оказывают не упругие деформации, которые приведут к полному контакту, а повышенный износ в области контакта. Это может привести к быстрой потере профиля дорожки и наружной поверхности шарика, т. е. к появлению зазора и увеличению осевого биения шарошек, например, для долота, предназначенного для бурения твёрдых пород – всего 0,6 мм [2].

Выход из этой ситуации, по мнению авторов, в организации 100 % контроля канавок качения корпусов лап и шарошек буровых долот, а с целью сокращения временных затрат этот контроль должен быть автоматизированным [6]. Управляемым параметром является глубина резания на операции доводки профиля [4].

Cписок литературы:

1. Аргатов И.И. К решению двумерной задачи Герца // Прикладная механика и техническая физика. – 2001. – Т. 42. – № 6. – С. 166–176.
2. ГОСТ 20692-2003. Долота шарошечные. Технические условия. – М.: Издательство стандартов, 2003.
3. Дуганов В.Я., Чепчуров М.С., Серов В.В. О деформациях бандажей цементных печей при их механической обработке // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2005. – № 11. – С. 309.
4. Погонин Д.А., Четвериков Б.С., Чепчуров М.С. Реализация алгоритма управления приводами нестационарных станочных модулей // «Сборник научных трудов SWorld». Материалы международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте ‘2013». – № 4. Том 8. – Одесса: КУПРИЕНКО, 2013. – С. 94–100.
5. Чепчуров М.С., Афанаскова Ю.А. Моделирование ударного взаимодействия режущей части инструмента с деталью // Технология машиностроения. – 2010. – № 1. – С. 16–18.
6. Четвериков Б.С., Чепчуров М.С. Автоматизация процесса оценки точности канавки катания при изготовлении лапы бурового долота // Информационные системы и технологии. – 2015. – № 4. – С. 82–89.