Главная    Истории из жизни    ЗАДАЧА О БУРОВОМ ИНСТРУМЕНТЕ

ЗАДАЧА О БУРОВОМ ИНСТРУМЕНТЕ

"Техника ФСА" Галибардов Е.И., Кудрявцев А.В., СиненкоМ.И.

(Библиотека инженера. Киев 1989 год)

Примеру решения задачи, который приводится ниже, уже исполнилось более 20 лет. Задача решалась исследовательской рабочей группой, состоявшей из слушателей Московского общественного института технического творчества (МОИТТ). Поставил задачу А.Н. Попов - сотрудник завода по производству буровой техники. И хотя само по себе найденное решение по прежнему представляется мне достаточно любопытным и в чем то красивым, сам процесс движения к нему вызывает эмоции не столь однозначные. Поэтому параллельно с ходом разбора, который приводится в книге, я попробую прокомментировать некоторые методические моменты. Этот текст будет выделен.

При бурении стволов и скважин большого диаметра применяются реактивно-турбинные буры (РТБ), состоящие из двух или более турбобуров, скрепленных общей траверсой и грузами. Каждый турбобур оснащен породоразрушающим инструментом- серийными шарошечными долотами. Процесс бурения представляет собой сочетание высокооборотного вращения турбобуров вокруг своих осей с медленным переносным вращением всего бура вокруг своей оси.

Данный процесс является перспективным, значительно превосходящим широко применяющееся бурение с помощью роторных установок.

Исследования, проведенные с целью дальнейшего повышения эффективности и конкурентоспособности, показали, что при сооружении скважин большого диаметра затраты на реализацию основных функций - "разрушение породы" и "смена инструмента" составляют до 40-60 % от общих затрат. Для скважин глубиной 500 м эта величина колеблется в пределах от 300 до 500 тыс. р. (в ценах 1984 года - А.К.) В связи с этим важнейшей задачей творческого этапа совершенствования РТБ является поиск нового породоразрушающего инструмента, обладающего большей стойкостью в забое, менее трудоемкого в изготовлении.

Проведенные исследования показали, что используемые в настоящее время шарошечные долота являются сложными, дорогостоящими устройствами. Работа над улучшением их параметров ведется большими коллективами разработчиков уже в течение длительного времени. В основном резервы развития, заложенные в принципе их действия, уже исчерпаны. С точки зрения функционально-стоимостного подхода бросается в глаза, что подавляющее большинство элементов шарошечного долота выполняют вспомогательные функции. Разрушение, выкрошивание зубьев, занимающих в общей массе долота доли процента, приводит к полной потере работоспособности. В связи с этим на творческом этапе была поставлена задача поиска нового высокоэффективного породоразрушающего инструмента.

(Следует отметить два важнейших элемента исследования, которые в тексте описаны очень поверхностно. Выявлено, что шарошечные долота совершенствуются уже давно, резервы развития исчерпаны, а кроме того, рабочий орган занимает в их объеме очень незначительную часть. Это знание крайне важно для выбора дальнейшего пути решения задачи).

Общие направления решения проблемы: инструмент сам противодействует износу своих рабочих органов; инструмент работает в забое до своего полного износа. В качестве основного направления работы было выбрано второе. (Этот выбор можно считать ключевым моментом. Выбор направления, связанного с работой инструмента до полного износа всех его частей не представляется априори столь уж очевидным. Во всякос случае, стандартной реакций "человека с алгоритмом" было бы начать бороться с явно видным нежелательным эффектом: при измельчении породы инструмент изнашивается…). Простейшим инструментом, позволяющим реализовать подобную идею, является труба, установленная вместо долота. Вращаясь и перемещаясь при этом по большой окружности, труба, выполненная из твердого материала, интенсивно разрушает породу, изнашиваясь при этом на всю свою длину. Такой инструмент был бы прост и дешев в изготовлении, очень надежен и долговечен в забое.

В принципе породоразрушающие инструменты в виде трубы известны, они широко применяются для бурения скважин кольцевым забоем, при котором во внутренней части трубы образуется невыбуренная колонка породы, называемая керном. Однако в колонковом бурении трубы используют для удержания керна, а бурение происходит с помощью твердосплавных резцов. После их износа интенсивность разрушения породы резко снижается, так как сплошной торец цилиндрического корпуса не обеспечивает удовлетворительного резания породы.

Поиск в патентных фондах зарубежных стран привел к обнаружению патента США 4230193, в котором реализовывалась идея инструмента, полностью изнашивающегося в процессе бурения. Устройство представляет собой цилиндрический корпус, усеянный отверстиями ромбической формы. Отверстия расположены ярусами, частично пекрывающими друг друга.

Устройство по патенту США № 4230193

Подробный анализ эксплуатационных характеристик данного технического решения показал, что оно обладает рядом незначительных недостатков. В то же время отмечено, что важнейшим конструктивным его недостатком является сложность изготовления. Боковые ромбические отверстия могут быть выполнены только поочередно, так как цилиндрический корпус сложно сразу подвести всеми своими частями под штамп или какой-либо другой прорезающий инструмент.

В процессе анализа данного решения появилось осознание того, что наилучшим вариантом корпуса был бы такой, в котором боковые отверстия образовывались бы сами в процессе изготовления.

Для получения новых неожиданных решений, направленных на совершенствование трубчатого породоразрушающего инструмента, был проведен мозговой штурм. (Как видно из дальнейшего, штурм проводился по иной теме - как изготовить инструмент, подобный американскому, но с меньшими издержками. Иными словами, как достичь цели, поставленной чуть ранее - самостоятельного образования боковых отверстий.) Перед этапом генерации участникам была объяснена проблема в целом, т. е. дана информация о бурении скважин большого диаметра забойными планетарными агрегатами, о характере износа породоразрушающего инструмента в забое, сведения о применении зубчатых коронок, армированных твердым сплавом, описано устройство по патенту США4230193, вскрыты его достоинства и недостатки.

На первом этапе участниками был выдвинут ряд идей.

1. Выполнить весь корпус из твердого сплава.

2. Армировать корпус длинными твердосплавными пластинами.

3. Высверливать боковые отверстия на сверлильном станке сразу с двух сторон.

4. Для уменьшения неработающей площади торца сочетать между собой круглые отверстия разного диаметра (в шахматном порядке большие отверстия, а между ними маленькие).

5. Штамповать боковые отверстия.

6. Выполнить корпус из пластин.

7. Предварительно штамповать пластины, а затем соединять их между собой.

8. Выполнить корпус в виде треугольной призмы.

9. Делать корпус из листа стали, предварительно выштамповав в нем отверстия, а затем сворачивать лист в цилиндр.

10. Выполнить корпус в виде шнека.

11. Выполнить корпус в виде винтового элемента.

В дальнейшем новых решений выдвинуто не было, а следовали лишь варианты уже предложенных решений, в связи с чем этап генерации был закончен.

На этапе анализа предложенные идеи были подвергнуты углубленной проработке для выявления в них рациональной основы.

Рассмотрим идеи в порядке их поступления.

1. Выполнение всего корпуса из твердого сплава было бы очень дорого. Следовательно, нужно искать дешевые, но в то же время твердые материалы. Пригодным материалом является белый чугун. Можно увеличить твердость материалов закалкой, накаткой, наклепом, цементированием, обработкой жидким азотом и другими известными способами.

2. Армировать корпус длинными твердосплавными пластинами можно, но такой способ также известен.

3. Сверление боковых отверстий вместо фрезерования действительно позволит существенно упростить изготовление дырчатого корпуса без большого ущерба для основной идеи - сохранения постоянной площади контакта корпуса с забоем.

4. Сочетание отверстий различных диаметров позволяет в какой-то мере компенсировать ухудшения, связанные с заменой ромбовидных отверстий прототипа круглыми.

5. Выштамповывать боковые отверстия корпуса можно, но это сложно делать на цилиндре. Кроме того, если выштамповывать отверстия поочередно, то это займет много времени. Следовательно, надо сделать так, чтобы все отверстия выштамповывались сразу. Этого можно добиться, поместив трубу в матрицу с нужными отверстиями и взорвав внутри трубы заряд взрывчатого вещества.

6. Выполнять корпус из пластин - очень хорошая идея! Такое решение позволяет упростить изготовление корпуса, так как не всегда можно получить цилиндрический корпус нужного размера из стандартной трубы.

7. Предварительная штамповка пластин еще больше ускорит изготовление дырчатого корпуса. Хорошая, легко осуществимая идея.

8. Выполнение корпуса в виде треугольной призмы позволит существенно уменьшить площадь породоразрушаюшего торца корпуса по сравнению с цилиндром и одновременно увеличить радиальную жесткость, так как треугольная призма жестче цилиндра.

9. Выполнение корпуса из листа с предварительно проштампованными отверстиями, с последующим сворачиванием его в цилиндр является практически готовым решением технической задачи.

10. Выполнение корпуса в виде шнека не является новым техническим решением.

11. Выполнение корпуса из витых элементов - идея не очень конкретная, требует дальнейшего осмысления.

(Явным минусом на данном этапе работы можно считать то, что не было проведено обобщение полученных идей. Такая процедура предусматривалась в регламенте МШ уже в то время. Этот недостаток не позволил в дальнейшем подойти к морфологическому исследованию на достаточном высоком уровне общности).

Таким образом, для дальнейшего развития выбираем такие идеи: сверление боковых отверстий различного диаметра; предварительное штампование отверстий в плоском листе и изготовление из него корпуса; выполнение корпуса в виде треугольной призмы; выполнение корпуса из витков.

Перейдя к морфологическому анализу рассматриваемой проблемы, ИРГ приняла за исходные устройства резцовую коронку, инструмент по патенту США 4230193, а также результаты мозгового штурма.

Сначала была построена морфологическая таблица, непосредственно использовать которую затруднительно.

Морфологическая таблица решений бурового инструмента

Индекс параметра Параметры породораз- рушающего инструмента Варианты решений
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
А Конструкция корпуса Сплошной Составной Разъем- ный              
Б Единичные элементы корпуса Кольцо Пластина Стержень Виток            
В Сочетания элементов корпуса Кольца Пластины Стержни Витки            
Г Форма поперечного сечения корпуса Треу- гольник Квадрат Ромб Много угольник выпуклый Кольца + пластины
Круг
Кольца + Стержни
Кольцо
Кольца + витки
Звезда
Пластины + стержни
Парал- лелепи- пед
Пластины + витки Стержни + витки
Д Материал корпуса Сталь разная Чугун разный Цветные металлы Карбид вольф- рама Синт. материалы Керамика Орган. соеди- нения      
Е Форма боковых отверстий Треу- гольник Квадрат Ромб Много угольник выпуклый Круг Звезда Эллипс Диагонал. прямо угольник    
Ж Конструкция породораз- рушающего торца Плоский Зубчатый Армиро-ванный Самозата- чиваю- щийся            

Основные недостатки данной морфологической таблицы:
1. Оси определены нечетко. Их состав позволяет считать, что не была построена модель объекта, назначение осей проводилось "на глазок".
2. Сами определения осей зачастую выглядят нечетко. Эта нечеткость позволила авторам "накидать" в качестве вариантов совершенно случайные предложения по реализации. Хорошим примером может служить ось Ж. Варианты реализации являются альтернативными друг другу только в первых двух случаях (Ж1 и Ж2). "Конструкция породоразрушающего торца" может быть либо плоской, либо зубчатой. Но сравнение с Ж3 и Ж4 разрушает логику фразы. Не получается быть либо зубчатой, либо армированной. Эти варианты прекрасно сочетаются, а следовательно, они принадлежат разным осям.
Более тщательная проработка осей могла бы помочь определить перечень действительно важных параметров и в итоге - средств их реализации. Так, нигде впоследствии не используются варианты по оси А. Авторы во всех своих предложениях используют клетку А2 - составной корпус. Это дает основания считать, что изготовление именно составного корпуса можно было бы вынести в исходное определение обобщенного объекта и тем самым уменьшить перебор на одну ось. В то же время отсутствуют оси, с помощью которых можно было бы поработать с действительно важной информацией. Например, неплохо было бы иметь ось "Способы самозаточки" или "Способы образования выступов на торце"...

Для сужения поля поисков из нее были исключены варианты не новые, не имеющие преимуществ по сравнению с другими в данной группе, дорогие, ненадежные, трудновыполнимые. В итоге была построена значительно более компактная таблица, в которой остались такие варианты:

А А2
Б -
В В4, В10
Г Г1, Г6
Д Д1
Е ЕЗ
Ж Ж2, ЖЗ, Ж4.

(Повторюсь. Детальное исследование на стадии анализа МШ позволило бы значительно уменьшить проблемы, с которыми пришлось столкнуться на данном этапе). Итогом анализа идей мозгового штурма должна была стать модель, а она уже должна была лечь в основу формирования списка осей при морфологическом исследовании.

Общее количество вариантов в этой морфологической таблице равно 12, что допускает тщательное их рассмотрение.

Наиболее выигрышным представляется составной корпус, выполненный из нескольких пластин, стержней или витков. Однако, если изготовлять корпус из пластин, то в них необходимо предварительно выполнять отверстия. Если сооружать корпус из стержней, то их необходимо крепить между собой какими-нибудь поперечинами, которые будут мешать разрушению породы.

Наиболее рациональной представляется конструкция корпуса из витков. Они размещены под углом к образующей цилиндра корпуса и являются своеобразными резцами. Однако эти витки следует скреплять между собой, чтобы корпус был жестким. Форма поперечного сечения корпуса, если он изготовляется из витков, напрашивается сама собой: кольцо. Из материалов наиболее простым распространенным и дешевым является сталь. Подходит также чугун, особенно белый, однако он хрупок и не поддается навивке.

Рассмотрим изготовление боковых отверстий корпуса. Наиболее рациональную форму имеют треугольные, ромбические и круглые отверстия. Отверстия остальных форм довольно сложно выполнить, причем они не имеют преимуществ по сравнению с тремя первыми.

Породоразрушающий торец инструмента должен быть зубчатым, и, желательно, самозатачивающимся.

Таким образом, в результате морфологического исследования оформились основные перспективные варианты породоразрушающего инструмента, в том числе:

№ 1: А2, В4, Г6, Д1, ЕЗ, Ж2
№ 2: А2, В10, Г6, Д1, ЕЗ, ЖЗ
№ 3: А2, В4, Г1, Д1, ЕЗ, Ж4
№ 4: А2, В4, Г6, Д1, ЕЗ, Ж4 и др.

В процессе исследований было установлено, что в рассматриваемом породоразрушающем инструменте сфокусировано несколько проблем.

(В данном случае предполагается, что каждый из четырех вариантов содержат в себе все нижеперечисленные противоречия. Но в общем случае это не так. Переход к стадии работы с противоречиями нецелесообразно выполнять до выбора одного из вариантов. Если считается (как в данном случае), что мы можем работать со всеми вариантами сразу, то это опять таки требует проведения работы по обобщению (сведению всех четырех описаний в одно).

1. Чтобы интенсивно разрушать породу, корпус породоразрушающего инструмента должен иметь небольшое поперечное сечение (толщину торцевого кольца); в то же время, чтобы охватить большую площадь разрушения породы, площадь поперечного сечения корпуса должна быть достаточно большой. (Противоречие невнятно построено, оно не полностью раскрывает те аспекты, которые действительно важны. Неясно, например, почему корпус должен иметь небольшое поперечное сечение, чтобы интенсивно разрушать породу. Скорее всего имеется в виду желание увеличить удельное давление на породу, что проще всего достичь при уменьшении площади поперечного сечения инструмента. Такие полунамеки значительно снижают эффект от использования противоречий)

2. Чтобы передавать на инструмент осевую нагрузку и крутящий момент, корпус инструмента должен быть достаточно прочным, что при заданной прочности материала достигается увеличением геометрических параметров, но в то же время корпус не должен быть очень массивным, чтобы не снижать интенсивность разрушения породы. (Неточное и расплывчатое построение первого противоречия позволило построить данный вариант, являющийся по сути просто еще одной переформулировкой.)

3. Резцы инструмента должны разрушать породу, следовательно, изнашиваться, но в то же время они должны в процессе работы сохранять постоянными параметры, влияющие на процесс резания. (Опять уход от конкретности. Первый уровень поправок состоит в том, что "резцы должны изнашиваться и не должны изнашиваться". Но второй уровень поправок делает зыбкой всю построенную конструкцию противоречия. Почему инструменты должны изнашиваться? Для разрушения породы это не требуется. Резцы не могут не изнашиваться, но это уже совсем иной аспект. Хорошее противоречие получается только в том случае, когда сталкиваются два полезных требования. Например в ранее рассмотренных противоречиях сталкиваются два таких нужных нам требования, как увеличение силы давления на породу и увеличение площади такого воздействия. В данном случае сталкивается полезное требование (резцы не должны изнашиваться) и ... вредное (резцы должны изнашиваться). Такое противоречие не отражает комплекса глубинных потребностей, является внешним описанием того, что происходит, просто перефразировкой нежелательного эффекта - резец истирает породу, но изнашивается при этом сам).

4. Чем больше боковых отверстий имеет инструмент, тем эффективнее используются параметры резания, но тем сложнее его изготовлять.

Рассмотрим первое противоречие. Его устранение, очевидно, позволит сделать менее обостренным и второе противоречие. Для устранения противоречия воспользуемся методикой АРИЗ-82.

2.1. Формулирование условий мини-задачи. Дан породоразрушающий инструмент для бурения скважин большого диаметра, включающий цилиндрический корпус с ромбовидными боковыми отверстиями.

Техническое противоречие 1: при небольшом поперечном сечении корпуса инструмент хорошо внедряется в породу, но зона разрушения невелика. (Как можно убедиться, несмотря на то, что идет отсылка к первому противоречию, его формулировка стала значительно более точной).

Техническое противоречие 2: при большом поперечном сечении инструмента зона разрушения породы большая, а внедрение в породу мало.

Необходимо при площади поперечного сечения, обеспечивающей достаточную прочность корпуса, создать инструмент, интенсивно разрушающий породу.

2.2 Выделение конфликтующей пары элементов.

За изделие принимаем породу, за инструмент - корпус породоразрушающего инструмента.

2.3 Составление графических схем ТП-1 и ТП-2.

2.4 Из двух схем выбирается первая. Главным производственным параметром считается глубина внедрения инструмента в породу.

2.5 Усиление конфликта. При большом поперечном сечении глубина внедрения инструмента резко падает.

2.6 Формулировка модели задачи.

2.6.1 Конфликтующая пара: поперечное сечение корпуса - порода.

2.6.2 Усиленная формулировка конфликта: большая площадь поперечного сечения - мало внедрение в породу.

3. Что надо обеспечить? Следует сохранить площадь поперечного сечения достаточно большой и в то же время обеспечить интенсивное внедрение инструмента в породу.

3.1 Выбор изменяемого элемента: площадь поперечного сечения торца корпуса инструмента.

3.2. Формулирование ИКР-1: торец инструмента (площадь поперечного сечения) сам обеспечивает интенсивное внедрение в породу.

3.3 Оперативная зона: контакт инструмента с породой.

3.4 Оперативное время: время взаимодействия резцов инструмента с породой.

3.5 Усиление формулировки ИКР-1 дополнительным требованием: торец породоразрушающего инструмента должен самозатачиваться в процессе бурения.

3.6 Формулировка физического противоречия на макроуровне: торец инструмента должен интенсивно изнашивать породу в оперативной зоне, не изнашиваясь при этом. (Похоже, предыдущие шаги были сделаны впустую - мы имели почти идентичную формулировку требований к инструменту перед началом процесса решения. Видно, как в процессе продвижения по шагам выстраиваются довольно заманчивые схемы: например компактного инструмента, глубоко внедряющегося в породу, но каким - то образом разрушающего большой объем породы вокруг себя. Но все это движение сворачивается, не доходя до результата.)

3.7 Формулировка физического противоречия на микроуровне: элементы породы должны разъединяться, а части породоразрушающего торца избирательно оставаться целыми, неразрушенными. (В этой формулировке мы можем видеть уже произведенное разделение противоречивых требований. Термин "избирательно", введенный решателями в формулировку, говорит о том, что формулирование ФП идет параллельно с формированием идеи, концепция будущей идеи может быть помимо воли решателя "вползает" в текст, чтобы потом с блеском реализоваться. Очень частая и неприятная ошибка, снижающая эффективность метода).

Формулировка ИКР-2: элементы породоразрушающего торца изнашиваются избирательно, постоянно самозатачиваясь.

Решение, вытекающее из ИКР-2: торец породоразрушающеп струмента должен состоять из нескольких чередующихся между собой слоев. Причем высокостойкий на износ слой должен чередоваться с малостойким слоем. Тогда при достаточно широком торце будет происходить постоянное обнажение высокостойких на износ поверхностей. (Известное в принципе решение, достаточно вспомнить хрестоматийный пример с самозатачивающимися зубами грызунов. Инженер, занимающийся режущим инструментом, должен был бы его знать. "Триумфальный" выход на такое решение способен вызвать досаду. Кроме того, практически не использована, ничего нового не привнесла в решение и формулировка ФП.)

По результатам мозгового штурма и морфологического анализа; решено, что корпус инструмента должен состоять из витков. Объединение этого решения с полученным по ИКР-2 приводит к комплексному решению: корпус должен состоять из отдельных слоев, причем каждый слой должен быть выполнен из витков, но в двух соседних слоях витки должны быть направлены навстречу друг другу и скреплены между собой для обеспечения жесткости корпуса. Кроме того, витки в одном слое должны иметь различную износостойкость. Это же относится и к разным слоям.

Полученное техническое решение значительно экономичнее патента США, взятого за прототип. Оно позволяет бурить без смены инструмента до практически полного его разрушения.

Предварительная оценка полученного решения, проведенная на последующих этапах работы показала, что данное нововведение позволит значительно повысить механическую скорость бурения, снизить его стоимость, получить существенную экономию при производстве инструмента.

(Действительно, невзирая на все вышесказанное, получилось симпатичное решение. Остается только догадываться, во что оно могло бы преобразоваться в ситуации скрупулезного следования всем писанным инструкциям. Хотя, конечно, стоящему поодаль, всегда виднее, где и как ошибаются те, кто ведет схватку.)


Главная    Истории из жизни    ЗАДАЧА О БУРОВОМ ИНСТРУМЕНТЕ