4. Принципы расчета элементов бурового оборудования

4.1. Прочность конструкции

Это способность конструкции, детали машины не разрушаясь воспринимать нагрузки в определенных режимах и условиях нагружения.

Большое влияние на прочность оказывают материалы, способы упрочнения, размеры геометрической формы конструкции. Вопросы прочности приобретают особое значение в связи с возрастающими требованиями к повышению надежности и долговечности, снижению массы конструкции. В обеспечении прочности важную роль играют методы прочностных расчетов. Расчеты любой конструкции или элементов бурового оборудования ведутся по условно принятым величинам нагрузок, продолжительности и характеру их действий.

Нагрузкой, как известно, называется силовое воздействие, вызывающее изменение напряженно-деформированного состояния конструкции или отдельных ее деталей.

Действующие нагрузки классифицируются следующим образом: по характеру действия статические и динамические; по характеру рабочего процесса стационарные и нестационарные.

Статические нагрузкихарактеризуются тем, что их значение направление и место приложения постоянны либо изменяются так незначительно, что при расчете конструкции пренебрегают влиянием сил инерции. В свою очередь они подразделяются на постоянные и временные.

К постоянным относятся нагрузки, значения которых для данной конструкции принимаются неизменными. Примером постоянной статической нагрузки является собственный вес конструкции. Постоянные нагрузки могут вызвать в деталях конструкции переменные напряжения. Так, в результате изгиба с вращением в сечениях вала за один оборот происходит смена растягивающих и сжимающих напряжений. Аналогично в результате периодического входа в зацепления зубья зубчатых передач испытывают переменные напряжения при постоянной рабочей нагрузке, действующей на исполнительный орган машины.

К временным статическим относятся нагрузки, действующие в течение длительного цикла работы (например, начальная затяжка резьбовых соединений, давление жидкости или газа в различных аппаратах, нагрузки от снега, гололеда и температурного воздействия, предварительное натяжение тяговых органов и др.).

Динамические нагрузкихарактеризуются быстрым изменением значения, направления или точки приложения, вызывающим в элементах конструкции значительные силы инерции. Причины появления динамических нагрузок – неравномерность рабочего процесса; ускорение при пусках, торможениях и реверсированиях; неуравновешенность быстровращающихся деталей; чрезмерный износ зубчатых и цепных передач; зазоры в подвижных соединениях и др. Динамические нагрузки, вызываемые неравномерностью рабочего процесса, характерные для поршневых машин (насосов и двигателей), и особенно для машин и инструмента ударного и вибрационного действия (молотов, копров, буровых долот, вибросит и др.).

Стационарнымназывают нагружение с постоянными характеристиками рабочего процесса. Нагружение с изменяющимися характеристиками рабочего процесса относят к нестационарному. К машинам, испытывающим стационарное нагружение, относят вентиляторы, машины центральных насосных станций и некоторые другие. Большинство машин испытывает нестационарное нагружение. Изменение характеристик рабочих процессов в буровых машинах обусловлено непрерывным увеличением глубины забоя в процессах бурения скважины, а также ступенчатым изменением веса бурильной и обсадной колонн труб при спуско-подъемных операциях.

Изменение уровня нагрузок и частота повторения нагрузок определенного уровня зависит от технологического процесса, выполняемого машиной, и передаточного числа от исполнительного органа до рассматриваемой детали.

Под действием эксплуатационных нагрузок возникают отказы деталей буровых машин и оборудования, которые по принятым критериям прочности относятся к усталостным и хрупким разрушениям, пластическим деформациям, ползучести и нарушениям сцепления. Виды отказов по критериям прочности их возникновения и характерные примеры приводятся в таблице 2.

Виды отказов по критериям прочности

Таблица 2

Вид	Причины возникновения	Характерные примеры
Усталостные разрушения	1. Переменные напряжения, уро­вень которых превышает предел выносливости. Разрушению пред­шествует постепенное развитие усталостных трещин 2. Термическая усталость, разви­вающаяся под действием повтор­ных температурных напряжений	1.Резьбовые соединения бурильных, ведущих и УБТ, валов, штоков насосов, пружин, деталей вышек и мачт, металлических оснований 2. Тормозные шкивы буровых лебедок
Пластическая деформация	Перегрузка деталей, изготовлен­ных из незакаленных и высокоотпу­щенных сталей	Искривление валов, осадка пружин, удлине­ние болтов при чрезмер­ных затяжках, смятие труб, шпонок и их канавок и др.
Ползучесть	Длительное силовое воздействие в сочетании с нагревом	Появляется у пластмас­совых деталей
Хрупкие	Ударные и статические нагрузки, чрезмерные напряжения при посад­ках с натягом (в деталях из чугуна и низкоотпущенных сталей)	Ступицы колес дисков, пластины втулочно-роликовых цепей и т.д.
Отказы, вызванные наруше­ния­ми сцепления		Провороты и осевые смещения в прессовых соединениях, относи­тельное проскальзыва­ние во фрикционных муфтах и ременных пе­редачах, самоотвин­чива­ние резьбовых со­единений