Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2015, № 4 (спецвып.14)

ГОРНЫЙ
ИНФОРМАЦИОННОАНАЛИТИЧЕСКИЙ
БЮЛЛЕТЕНЬ № 4
СПЕЦИАЛЬНЫЙ
ВЫПУСК 14

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА
АЛМАЗНОГО
ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО
ИНСТРУМЕНТА

В.В. Кубасов

УДК 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

К 88 

622.23.051.7 
К 88 
 
 
 
Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 
29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной 
службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия
человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.14 
 
 
 
 
 
Кубасов В.В. 

Повышение качества алмазного породоразрушающего инст
румента. Отдельные статьи: Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2015. — № 4
(специальный выпуск 12). — 12 с. — М.: Издательство «Горная книга» 
ISSN 0236-1493 
Проведен расчет максимально возможного уровня остаточных напряжений, создаваемых в композиционном материале с 
матричной структурой при термоударе от некоторой начальной
температуры Тн до конечной Тк. Исследованы механизмы и основные закономерности влияния термоудара на характеристики
структурного состояния и свойства алмазосодержащего композиционного материала. Проведён анализ исследований по вопросу
изнашивания алмазных коронок. Предложена формула расчёта
профиля алмазной коронки, при котором износ коронки при бурении будет более равномерным и минимальным. 

УДК 622.23.051.7

©  В.В. Кубасов, 2015 
©  Издательство «Горная книга», 2015 
ISSN 0236-1493 

©  Дизайн книги. Издательство  
«Горная книга», 2015 

 
 

УДК 622.23.051.7 
© В.В. Кубасов, 2015 
 
РЕЛАКСАЦИЯ ОСТАТОЧНЫХ  
НАПРЯЖЕНИЙ В МАТРИЦЕ  
АЛМАЗНОЙ КОРОНКИ 
 
Проведен расчет максимально возможного уровня остаточных напряжений, создаваемых в композиционном материале с матричной структурой при 
термоударе от некоторой начальной температуры Тн до конечной Тк. Исследованы механизмы и основные закономерности влияния термоудара на характеристики структурного состояния и свойства алмазосодержащего композиционного материала. 
Ключевые слова: алмазная коронка, матричная структура, термоудар, 
композиционный материал. 
 
Известно, что композиционный материал матриц алмазного 
инструмента, получаемый методом пропитки структурного каркаса жидкой связкой, имеет микроструктуру, которую можно отнести к категории матричной или статической. В этих структурах 
фазовые составляющие композиционного материала можно представлять как отдельные частицы, окруженные со всех сторон веществом связки. В такой ситуации основным механизмом формирования остаточных напряжений при термоударе будет создание напряженного состояния на границе раздела «отдельная фазовая частица - окружающая ее связка» [1]. 
Используя подобный физический механизм, проведен расчет 
максимально возможного уровня остаточных напряжений, создаваемых в композиционном материале с матричной структурой 
при термоударе от некоторой начальной температуры Тн до конечной Тк на величину ΔΤ  = Тн - Тк. Определение напряжений 
проведено на основе решения упругой задачи Ламе. В окончательном виде расчетное значение остаточных напряжений может 
быть представлено следующим образом [2]: 
(
)(
)

(
)(
) (
)
1
1
1
2

z

T
T
T
T
v
v
E
E

Μ
Β
Η
Κ

Μ
Β
Η
Κ
Μ
Β

Β
Μ

−
−
= −
+
−
−
+
⎡
⎤
−
⎣
⎦
+

α
α
σ
α
α
                      (1) 

где Е, v и а - модуль нормальной упругости, коэффициент Пуассона и среднее значение термического коэффициента Линейного 

расширения в диапазон температур от Тн до Тк соответственно; 
индексы «в» и «м» обозначают включение и матрицу соответственно.  
Были исследованы механизмы и основные закономерности 
влияния термоудара на характеристики структурного состояния и 
свойства алмазосодержащего композиционного материала. Состав шихты исследуемых образцов включал порошки карбида 
вольфрама ВК-6, алмазные зерна и рэлит. В качестве пропиточного материала использовали медно-никелевый сплав 90Cul0Ni. 
Определение остаточных макронапряжений проводили методом 
рентгено-структурного анализа. 
Результаты исследований позволили рекомендовать при изготовлении алмазного породоразрушающего инструмента комплексную термическую обработку, включающую в себя термоудар от повышенных температур до конечной температуры (от 
350 °С до 20 °С) и криогенную обработку (от -196 °С до 20 °С). 
Однако в соответствии с принципом Ле-Шателье, любые 
внешние воздействия, приводящие к упрочнению материала, вызывают развитие процессов, припятствующих этому упрочнению, 
стимулирующих разупрочнение материала,  относится к категории процессов релаксации. За счёт развития  процессов релаксации в медно-никелевой связке при температуре ТК и последующем  нагреве до комнатной температуры уровень остаточных напряжений понижается по сравнению с результатами расчёта в упругом приближении  по формуле (1). 
Поэтому для оценки материалов при подборе композиционных матриц с последующей криогенной обработкой  
можно пользоваться формулой, установленной авторами работы [3] на основе анализа механики деформирующего 
твёрдого тела [4]. 

0
t
е−
=
⋅
τ
σ
σ
 ,                                                                            (2) 

где 
0 −
σ
ожидаемый уровень остаточных напряжений в матрице после криогенной обработки; σ - расчётное напряжение, создаваемое в матрице после криогенной обработки; t - время воздействия силы; τ - время релаксации. 
С учётом зависимостей  (1), (2) можно записать выражение 

(
)(
)

(
)(
) (
)
1
1
1
2

z

t
T
T
T
T
v
v
E
E

e

−
Μ
Β
Η
Κ

Μ
Β
Η
Κ
Μ
Β

Β
Μ

−
−
= −
⋅
+
−
−
+
⎡
⎤
−
⎣
⎦
+

τ
α
α
σ
α
α
             (3) 

Когда t =τ ,  напряжение 
0
σ ослабеет в е, т. е. в 2,72 раза. 
Это время называется временем релаксации. Чем более вязким и 
менее упругим является тело, тем больше время его релаксации.  
Зависимость (3) можно использовать для расчёта ожидаемого 
уровня остаточных напряжений в матрице после криогенной обработки с учётом времени релаксации для определения критического уровня этих напряжений, когда необходима вторичная 
криогенная обработка матрицы. 
 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

1. Будюков Ю.Е., Власюк В.И., Спирин В.И. Алмазный породоразрушающий инструмент. – Тула: ИПП «Гриф и К», 2005. – 288 с., ил.  
2. Спирин В.И., Кубасов В.В. Повышение износостойкости алмазного породо-разрушающего инструмента за счёт его термической обработки» XI  Международная конференция «Новые идеи в науках о земле» РГГРУ, 09 – 12 апреля 
2013г. Доклады: в 3т.т.2 МГРИ – МГГРУ, - М: Ваш полиграфический партнёр, 
2013. 
3. Спирин В.И., Кубасов В.В., Будюков Ю.Е. Остаточные напряжения в 
матрицах алмазных коронок. Приоритетные направления развития науки и технологий: тезисы докладов XVII международной научн.-техн. конф.; под общ. 
ред. В.М. Панарина. – Тула: Изд-во «Инновационные технологии», 2015. 
4. Колтунов М.А., Кравчук А.С., Майборода В.П. Прикладная механика 
деформируемого твёрдого тела: Учеб. пособие для студентов вузов. – М: Высш. 
школа, 1983. – 349 с., ил. 
 

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ 

Кубасов Владимир Викторович - аспирант, Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе (МГРИ-РГГРУ), Москва, Россия, e-mail:  office@mgri-rggru.ru 
 
 
 
UDC 622.23.051.7 
RELAXATION OF RESIDUAL STRESSES IN THE MATRIX  
DIAMOND CROWN 
 
Kubasov V.V., PhD student fsbei HPE "Russian state Geologorazvedka NY University named 
after Sergo Ordzhonikidze" (MGRI), Moscow, Russia 

Calculated the highest possible level of residual stresses generated in the composite material with a matrix structure during thermal shock from some initial temperature Tn to the final 
Tk. Investigated the basic mechanisms and regularities of the influence of thermal shock on the 
characteristics of the structure and properties of diamond-containing composite material. 
Key words: diamond crown, matrix structure, the thermal shock, composite material. 
 
REFERENCES 
 
1. Budyukov Yu.E., Vlasyuk V.I., Spirin V.I. Almaznyi porodo-razrushayushchii instrument (Diamond of rock-destroying tool or instrument), Tula, IPP «Grif i K», 2005, 288 p.  
2. Spirin V.I., Kubasov V.V. Povyshenie iznosostoikosti almaznogo porodorazrushayushchego instrumenta za schet ego termicheskoi obrabotki» XI  Mezhdunarodnaya 
konferentsiya «Novye idei v naukakh o zemle» RGGRU, 09 – 12 aprelya 2013g. Doklady, v 3 
v., v.2 MGRI – MGGRU, Moscow, Vash poligraficheskii partner, 2013. 
3. Spirin V.I., Kubasov V.V., Budyukov Yu.E. Ostatochnye napryazheniya v matritsakh 
almaznykh koronok. Prioritetnye napravleniya razvitiya nauki i tekhnologii: tezisy dok-ladov 
XVII mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskaya konferenciy; pod obshch. red. V.M. Panarina, 
Tula, Izd-vo «Innovatsionnye tekhnologii», 2015. 
4. Koltunov M.A., Kravchuk A.S., Maiboroda V.P. Prikladnaya mekhanika deformiruemogo tverdogo tela (Applied mechanics, deformi trolled solids)? Uchebnoe posobie dlya 
studentov vuzov, Moscow, Vysshaya shkola, 1983, 349 p. 
 
 
 
 
 
 

УДК 622.23.051.7 
© В.В. Кубасов, 2015 
 
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСА АЛМАЗНЫХ 
КОРОНОК 
 
Проведён анализ исследований по вопросу изнашивания алмазных коронок. 
Предложена формула расчёта профиля алмазной коронки, при котором износ 
коронки при бурении будет более равномерным и минимальным. 
Ключевые слова: алмазная коронка, изнашивание, контактные нагрузки, 
радиус коронки. 
 
Наиболее общими факторами, определяющими характер изнашивания алмазных коронок, является работа трения и условия 
её реализации. При этом особо важное значение имеет значение 
характера распределения осевого усилия между алмазами [1]. 
Известно, что большое значение этому предавали многие научно-исследовательские организации и исследователи: 

С-ПГИ (С.Н. Тараканов), ВИТРа (В.П. Онищин, П.П. Пономарев, Н.Е. Тихонов), «Тульское НИГП» (Ю.Е. Будюков, В.И. 
Власюк, В.И. Спирин), ВНИИБТ,  (Е.И. Королько, Р.М. Эйгелес, 
Г.С. Геворков, А.М. Владимирский), ИСМ (И.Ф. Вовчановский). 
Однако мнение этих исследователей крайне противоричивы. 
По мнению С.Н. Тараканова  и И.Ф. Вовчановского при работе 
коронок режуще-истирающего типа распределение удельных 
контактных нагрузок под торцем матрицы обратно пропорционально расстоянию рассматриваемой точки торца от оси вращения коронки. В.П. Онищин считает, что у коронок с круглым 
профилем торца контактные нагрузки имеют минимальные значения на перифериях и максимальные на вершине торца. П.П. 
Понамарёв полагает, что контактное давление возрастает от периферии инструмента к центру по гиперболе. Исследователи 
ВИИБТ считают, что при ступенчатой конструкции породоразрушающего инструмента распределение усилий по алмазам равномерное. А.М. Владимирским отмечается, что контактные нагрузки при работе коронки с плоским торцом  возрастают с увеличением расстояния от оси вращения [3]. 
Вероятно противоречивость мнений указанных исследователей, объясняется тем, что они складывались, как правило, в результате только изучения форм износа инструмента и отчасти 
теоретических исследований и не имели экспериментальной проверки, так как не существует простого и надёжного способа измерений контактных нагрузок под торцом алмазного породоразрушающего инструмента в процессе его работы. 
Ближе к теоретическому решению этого вопроса подошли 
исследователи ОАО «Тульское НИГП» (Ю.Е. Будюков, В.И. Власюк, В.И. Спирин), которые получили выражение распределения 
нормального давления вдоль радиуса алмазной коронки [2] 

(
)

(
)

1
2
2

1
2

1
1

i
i
i
n

i
i
i

Q d
y
q
K
d
y

−

−
′
⋅
Τ +
=
′
⋅
+
∑

,  
 
 
                                  (1) 

где 
iq  - нормальное давление Н; Q - осевая нагрузка Н; 
id - диа
метр i -го  алмазного зерна, м; 
iy′ -первая производная функция 

кривой 
( )
y
f R
=
, описывающей профиль коронки ( R - текущий 
радиус коронки, м); n - количество рядов алмазов на коронке, шт; 

i
K - количество алмазов в i  -м ряду, шт. 
Эта зависимость является в какой – то мере универсальной, 
так как позволяет определить нормальное давление для любой 
алмазной коронки, у которой образующая рабочий поверхности 
представляет непрерывную кривую 
( )
y
f R
=
, где R - текущий 
радиус коронки.  
При этом количество алмазов, находящихся в контакте с забоем может рассматриваться как некоторая функция времени  и 
изменяться по величине от общего  количества объёмных алмазов 
в инструменте до весьма незначительного. 
Выражение для удельной работы трения AТ за один оборот 
алмазной коронки при бурении из её определения, может быть 
представлено в виде  
2
i
A
fq R
Τ = π
,                                                                               (2) 
где f - коэффициент трения. 
Подставив значение 
iq  из  (1) в формулу  (2), будем иметь  

2

1

2
i
t
n

i
i
i

fRQ d V
A
d V

Τ
⋅
⋅
=
Κ ⋅
⋅
∑

π
,                                                                   (3)  

где 
(
)

1
2
2
1
1
V
Y
−
′
=
+
,  

Е.В. Бучковский, используя зависимости ОАО «Тульское 
НИГП» (1), (2), (3) рассмотрел распределение нормального давления и работы трения за один оборот алмазной ступенчатой коронки  при условии, что Y1=0 [3] и получил профиль породоразрушающего инструмента, при котором распределение нормального давления вдоль радиуса коронки равномерное. 
Однако такая конфигурация  породоразрушающей части ступенчатой коронки и характер её износа не соответствует реальным условиям работы коронки на забое при бурении скважин. 
Поэтому нами выполнен расчёт работы трения и распределение 
нормального давления  с учётом зависимостей (1), (2), (3) по заданному уравнению кривой наиболее удовлетворительно описы

вающей профиль алмазной коронки  для бурения скважин  со 
съёмными керноприёмниками. 
(
)
(
)
2
/
1
0
0
,
2
,
i
i
y
a R
R
y
a R
R
=
−
=
−
                                        (4) 
где f = 0.3 – коэффициент трения; Q = {16000, 20000}Н – осевая 
нагрузка; α = 30..50 – параметр уравнения профиля коронки; n = 
9 – количество рядов коронки; i = {1..n}  – номер ряда; Ri – радиус i-того ряда, м; R = {0.022 .. 0.038}м – значения радиуса коронки; R0 = 0.02м – внутренний радиус коронки;  di ={0.0011}м – 
диаметр алмазного зерна в ряду; Ki= {36, 36, 36, 36, 24, 32, 32, 32, 
32} – количество алмазов в ряду. 
Вычисление работы AТ производится при заданном или при 
изменяющимся в заданных пределах значении R. Если вычисления производятся для ряда значений R, то фиксируется максимальное значение работы Amax и соответствующее значение R. 
Была составлена программа CrownBit.exe. [4], которая предназначена для определения максимальных значений работы трения  как функции текущего радиуса  коронки и распределения  
нормального давления вдоль радиуса алмазной  коронки  по формуле (1). 
 

 
Распределение работы трения вдоль радиуса коронки для различных значений параметра а  уравнения профиля коронки: 1 – а=30;  2 – а=40; 3 – а = 50; 
4 – а=45 

Данные расчётов приведены  на рисунке в виде графика, из 
которых следует, что  
1) максимальное значение работы трения при бурении коронкой наблюдается для графиков 2,3,4 на отрезке радиуса 0,0240,025, а для графика (рисунок) на отрезке радиуса 0,027-0,028. 
2) чем меньше абсолютное значение параметра а, тем равномернее распределение работы трения вдоль радиуса коронки, а 
следовательно должен быть меньше её износ. 
Используя зависимости (1), (2), (3) как логаритмы  и программу CrownBit.exe. варьируя значениями a, n, Ri, di, Ki  можно 
рассчитать профиль коронки, при котором износ коронки при бурении будет более равномерным и минимальным. 
 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

1. Власюк В.И., Будюков Ю.Е., Спирин В.И. Технические средства и технологии для повышения качества бурения скважин. – Тула: Гриф и К, 2013. – 
176 с., ил. 
2. Будюков Ю.Е., Власюк В.И., Спирин В.И. Алмазный породоразрушающий инструмент. - Тула: Гриф и К, 2005. 
3.Бучковский Е.В. Совершенствование конструкции алмазных коронок на 
основе  анализа работы трения при бурении. Горного информационноаналитического бюллетеня (научно-технического журнала). – 2012. - № 1. 
4. Будюков Ю.Е., Кубасов В.В., Спирин В.И., Алексеев А.Ю., Якушин А.В.  
Характер износа алмазной коронки. Приоритетные направления развития науки 
и технологий: тезисы докладов XVII международной научн.-техн. конф.; под 
общ. ред. В.М. Панарина. – Тула: Изд-во «Инновационные технологии», 2015. 
 

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ 

Кубасов Владимир Викторович - аспирант, Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе (МГРИ-РГГРУ), Москва, Россия, e-mail:  office@mgri-rggru.ru 
 
 
 
UDC 622.23.051.7 
 
STUDY OF THE WEAR OF DIAMOND CROWNS 
 
Kubasov V.V., PhD student fsbei HPE "Russian state Geologorazvedka NY University named 
after Sergo Ordzhonikidze" (MGRI), Moscow, Russia 
 

An analysis of research on the wear of diamond crowns. The proposed formula for calculating the profile of a diamond crown, whereby the wear of the bit during drilling will be more 
uniform and minimal. 
Key words: diamond crown, wear, contact load, the radius of the crown. 
 
REFERENCES 
 
1. Vlasyuk V.I., Budyukov Yu.E., Spirin V.I. Tekhnicheskie sredstva i tekhnologii dlya 
povysheniya kachestva bureniya skvazhin (Technical means and technologies to improve the 
quality of drilling), Tula, Grif i K, 2013, 176 p. 
2. Budyukov Yu.E., Vlasyuk V.I., Spirin V.I. Almaznyi porodorazrushayushchii instrument (Diamond drilling tool or instrument), Tula, Grif i K, 2005. 
3. Buchkovskii E.V. Sovershenstvovanie konstruktsii almaznykh koronok na osnove  
analiza raboty treniya pri burenii. Gorniy informatsionno-analiticheskiy byulleten (nauchnotekhnicheskiy zhurnal), 2012,  No 1. 
4. Budyukov Yu.E., Kubasov V.V., Spirin V.I., Alekseev A.Yu., Yakushin A.V.  Kharakter iznosa almaznoi koronki. Prioritetnye napravleniya razvitiya nauki i tekhnologii: tezisy dokladov XVII mezhdunarodnoi nauchn.-tekhn. konf.; pod obshch. red. V.M. Panarina, Tula, Izd-vo 
«Innovatsionnye tekhnologii», 2015. 
 
 
 
 
 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
Кубасов В.В. 
РЕЛАКСАЦИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ  
В МАТРИЦЕ АЛМАЗНОЙ КОРОНКИ.......................................................3 
 
Кубасов В.В. 
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСА АЛМАЗНЫХ КОРОНОК............................6 
 

CONTENT 
 
Kubasov V.V. 
RELAXATION OF RESIDUAL STRESSES IN THE MATRIX  
DIAMOND CROWN ......................................................................................3 
 
Kubasov V.V. 
STUDY OF THE WEAR OF DIAMOND CROWNS ....................................6