книги из ГПНТБ / Бабаев С.Г. Надежность и долговечность бурового оборудования

материала конуса и шаров (сталь ШХ15) можно получить из формулы

УРЕ’( і У -

п р и в р а щ е н и и

А max = 95 КГС.

Несущая способность той или иной системы соприкасаю­ щихся тел определяется не только величиной максимальных контактных напряжений, но и величиной коэффициента нагру­ женное™. Стойкость образцов при постоянной величине аШах и одинаковых по геометрической форме поверхностях давления за­ висит также от диаметра поперечного сечения детали (образ­ ца) в данной системе соприкасающихся тел. Так, контактная выносливость резко падает при уменьшении поперечного сече­ ния цилиндрического образца или образца сферической формы [65].

Падение контактной выносливости объясняется тем, что ве­ личина контактного напряжения ашах характеризует только со­ противляемость материала в зоне давления, но не характеризует несущую способность системы соприкасающихся тел. Поэтому для оценки несущей способности той или иной системы сопрнка-

.140

сающихся тел наряду с аШах необходимо учитывать величину ко­ эффициента нагруженное™, который для однорядных шарико­ подшипников всех типоразмеров равен P/zd2 (где Р — нагруз­ ка; г — число шаров, d — диаметр шаров).

Для рассматриваемых случаев (опора ротора и система ко­ нический образец — три шара) коэффициенты нагруженное™ соответственно будут:

Следовательно, принятая схема испытаний обеспечивает со­ блюдение коэффициента нагруженное™.

Испытания на контактную выносливость производились на комических образцах, изготовленных из стали ШХ15СГ. Испы­ танию подверглись две группы образцов, различающихся твер­ достью рабочего конуса.

Закалка образцов производилась при температуре 850° С. Образцы первой группы были отпущены при температуре 160— 180° С и имели твердость HRC 60—62, а образцы второй груп­ пы были отпущены при температуре 200—220° С и имели твер­ дость HRC 56—58.

Чистота поверхности рабочего конуса образцов обеих групп соответствовала чистоте поверхности беговых дорожек колец основной опоры ротора и равнялась восьмому классу чистоты по ГОСТ 2789—59.

При определении контактной выносливости стали ШХ15СГ применительно к условиям работы опоры, а именно чередование статического нагружения и качения, помимо найденных значе­ ний контактных напряжений и осевых сжимающих нагрузок, необходимых для воспроизведения этих напряжений, требуется установить число циклов нагружений осевой сжимающей на­ грузкой и продолжительность испытаний.

Промысловая практика показывает, что число нагружений основной опоры ротора, обусловленных сменой долота в зави­ симости от глубины бурения и стойкости долота изменяется в широком диапазоне (см. табл. 33) и для интервала глубин 4000—4500 м находится в пределах 1000—18000 нагружений.

Согласно литературным данным [48, 66], длительно дейст­ вующие циклические нагрузки приводят к изменениям поверх­ ностных слоев металла, в результате чего меняются физические и механические свойства.

Причем установлено, что наиболее интенсивное изменение наблюдается в начальной стадии циклического нагружения. С увеличением действия циклической нагрузки процесс измене­ ния механических свойств в поверхностных слоях начинает зату­

141

хать, и при достижении определенного числа циклов этот про­ цесс стабилизируется [48, 54, 66].

нию наблюдается до 200%.

При изучении контактно-усталостных разрушений при каче­ нии под нагрузкой также отмечается увеличение деформаций в начальной стадии испытаний и после 100—1000 циклов рост де­ формации прекращается.

Однако несмотря на это деформации оказывают непосредст­ венное влияние на контактную усталость.

Исходя из изложенного, а также используя данные о числе нагружений опоры ротора в процессе проводки скважин, мето­ дикой лабораторных исследований принято число циклов нагру­ жения, равное 300, 500, 700 и 900.

Продолжительность действия нагрузки и время разгрузки за цикл нагружения при лабораторных испытаниях соответство­ вали времени нагружения и разгружения стола ротора при по­ садке на него колонны бурильных труб в процессе спуска и подъема инструмента. Время действия осевой сжимающей на­ грузки было принято равным 30 с, а время смятия нагрузки — 10 с.

Для исследования деформаций на площадках контакта ко­ нической поверхности образца с шарами в зависимости от числа циклов нагружения был применен метод тензометрировамия. Эк­ спериментальное определение деформаций на площадках кон­ такта производилось при нагружении образца осевой сжимаю­

Продолжительность испытания устанавливалась эксперимен­ тальным путем. После статического нагружения с числом циклов 300, 500, 700 и 900 образцы вращали. По истечении каждых 4750 оборотов образца определяли состояние его конической по­ верхности. Продолжительность испытания устанавливалась по суммарному числу оборотов образца, в течение которого на ко­ нусе образовывались усталостные выкрашивания. В зависимости от числа циклов статических нагружений продолжительность ис­ пытания составила:

2) для образцов с твердостью HRC 56—58 без предвари­ тельных статических нагружений 61 750 оборотов образца, после 300 циклов — 23 750 оборотов образца, после 500, 700 и 900 цик­ лов соответственно 19 000, 16 150, 4750 оборотов образца.

142

В соответствии с установленным числом циклов нагружения ті продолжительностью вращения образца методикой предусмат­ ривалось проведение испытаний при следующих режимах.

При первом режиме испытания проводятся без предваритель­ ных статических нагружений образцов при напряжениях на пло­

■осевой сжимающей нагрузкой, создающей на площадках кон­ такта конуса с шарами напряжения 525 кгс/мм2, равно 300 с последующим вращением при контактном напряжении 230 кгс/мм?.

Образцы с твердостью рабочего конуса HRC 60—62 допол­ нительно испытывали при режимах, которыми предусматрива­ лось последовательное чередование статических нагружений и вращений, а именно:

1) после 300 циклов нагружений (напряжение 525 кгс/мм2) производилось 9500 оборотов образца (напряжение 230 кгс/мм2), затем повторяли нагружения и вращения до образования на ра­ бочем конусе усталостных выкрашиваний;

2) после 500 циклов нагружений (напряжение 525 кгс/мм2) тфоизводили 9500 оборотов образца (напряжение 230 кгс/мм2), затем повторяли нагружения и вращения до образования на рабочем конусе усталостных выкрашиваний.

Параметры испытания для предусмотренных методикой ре­ жимов были следующие:

Сжимающая осевая нагрузка при статическом

Смазка осуществлялась маслом индустриальное 45, которое непрерывно подавалось в зону контакта. Расход масла 2 см3/мии.

Статическое нагружение испытываемого образца осевой сжи­ мающей нагрузкой осуществляли специальным устройством. Схема предусматривает два режима работы автоматическое и ручное.

Техническая характеристика установки обеспечивает прове­ дение испытаний при нагрузках, предусмотренных методикой.

143

РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕНЗОМЕТРИРОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ НА ПЛОЩАДКАХ КОНТАКТА

Экспериментальное определение деформаций в зоне контакта в поверхностном слое конической поверхности образцов произ­ водилось при статическом нагружении осевой сжимающей на­ грузкой, создающей согласно расчету на площадках контакта напряжения 525 кгс/мм2.

Для исследования деформаций в зоне контакта в зависимости от числа циклов статического нагружения образцов осевой сжи­

усилитель ТА-5 передавались на осциллограф Н102 и могли ре­ гистрироваться на фотопленке.

Показания тензодатчиков записывались на пленку в перво­ начальный момент нагружения (1—5 циклов) и после 100, 300, 500, 700 и 900 циклов. При этом учитывалось следующее: со­ гласно данным [54], при локальном контактировании при всех, даже самых малых нагрузках сжатия появляются пластические деформации.

Пластическое деформирование материала начинается смя­ тием вершин микровыступов. Пластическое деформирование гребешков микронеровиостей и даже всего поверхностного слоя является обязательным для любого одноразового нагружения реальных поверхностей.

При статическом контакте соприкасающиеся поверхности не­ обратимо меняют свою форму и размеры. Величина остаточной деформации определяется как максимальная глубина вмятины, измеряемая от первоначального уровня поверхности до наиболее глубокой точки вмятины. Такой метод определения глубины не­ обходим в связи с тем, что края лунки выпучиваются и припод­ нимаются над первоначальным уровнем поверхности детали [54].

144

На рис. 51 приведены записанные на профилографе-профн- лометре «Калибр» профили углублении, оставшихся в местах контакта комической поверхности образцов (HRC 62) с шарами после 100, 300 и 500 циклов статических нагружений. Величина -остаточных деформаций в пределах опытов составляла 7—11 мк.

По результатам обработки осциллограмм получена зависи­ мость изменения относительной остаточной деформации кониче­ ской поверхности образцов от числа циклов статического нагру-

ркенпя (рис. 52). Полученная зависимость характеризует изме­ нение остаточной деформации при многократном статическом «агружении. С накоплением числа циклов нагружений дефор­ мация образцов с твердостью HRC 60—62 и HRC 56—58 возра­ стает, что указывает на изменения, происходящие в поверхност­ ных слоях металла.

Характер возрастания деформаций для образцов с твердо­ стью HRC 60—62 отличается от характера возрастания дефор­ маций образцов с твердостью HRC 56—58. Если на образцах с ■твердостью HRC 60—62 после 500 циклов рост деформаций зна­ чительно уменьшается, то на образцах с твердостью HRC 56—58 -отмечается продолжение роста деформаций. Отличие в характе­ ре роста деформаций указывает на влияние исходной поверх­ ностной твердости на рост деформаций [35, 38].

Полученные результаты согласуются с данными по изучению ■остаточных деформаций при многократном нагружении плоско­ го и сферического стальных образцов с твердостью HRC 60—63 •при расчетных напряжениях а Ш а х = 450 кгс/мм2 [54], где также •отмечается увеличение относительной остаточной деформации с яіакоплеиием числа циклов нагружений.

145

Таким образом, по результатам теизометрирования дефор­ маций в зоне контакта конического образца с шарами при на­ пряжениях 525 кгс/мм2 можно отметить:

1)многократное воздействие осевой сжимающей нагрузки приводит к изменению состояния поверхностных слоев металла

иросту остаточной деформации, величина которой зависит от числа циклов статических нагружений осевой сжимающей на­ грузкой;

2)характер возрастания и величина остаточных деформа­ ций зависят от исходной твердости поверхности образца, причем в пределах опыта для образцов с твердостью HRC 56—58 от­

мечается рост остаточной деформации, а для образцов с HRC 60—62 отмечается стабилизация роста остаточной дефор­ мации после 500 циклов нагружений.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРА

НАГРУЖЕНИЙ НА РАЗВИТИЕ КОНТАКТНОЙ УСТАЛОСТИ

В соответствии с разработанной методикой испытания на контактную выносливость проводились на образцах двух групп твердости по режимам, различающимся числом циклов статиче­ ского нагружения осевой сжимающей нагрузкой. В табл. 34 при­ ведены результаты испытаний, которые определены по данным шестикратного повторения каждого режима испытания.

Анализируя данные табл. 34, можно отметить, что образова­ ние усталостных выкрашиваний на конической поверхности об­ разца происходит за различное время испытаний. Это время за­ висит от числа циклов статического нагружения образца осевой сжимающей нагрузкой или, как было установлено тензометрированием, от величины остаточной деформации, полученной при статическом нагружении.

Продолжительность испытания, в течение которого на кону­ се образуются усталостные выкрашивания, фактически характе­ ризует долговечность образца. По данным табл. 34 видно, что меньшая долговечность отмечается у образцов, испытанных в условиях чередования статических нагружений, и большая дол­ говечность — у образцов, испытанных без предварительных ста­ тических нагружений.

В процессе проведения испытаний после статических нагру­ жений в местах контакта конуса с шарами образовались три пятна контакта, равномерно расположенные на конусе. После первых 9500 оборотов образца, находящегося в контакте с ша­ рами, при осевой сжимающей нагрузке, равной 95 кгс, на рабо­ чем конусе образовался поясок, на котором при дальнейших испытаниях возникали выкрашивания.

Н 6

147

Характерно, что на конусе образцов, подвергнутых предва­ рительным статическим нагружениям, усталостные выкрашива­ ния на пояске образовывались также на трех участках, равно­ мерно расположенных на конусе (рис. 53). На рабочем конусе образцов, испытанных в условиях последовательного чередова­ ния статического нагружения и вращения, образование усталост­ ных выкрашиваний также отмечалось на пояске, но на одном определенном участке.

Рис. 53. Усталостные выкрашивания на пояске конуса образцов.

Так, у образцов, подвергнутых 300 циклам статических на­ гружений, после 9500 оборотов в контакте с шарами на конусе образовался поясок, на котором выкрашиваний не отмечалось. После второго и третьего циклов нагружения и последующего вращения изменений на образовавшемся пояске также не отме­ чалось. После четвертого цикла нагружения (т. е. суммарно 1200 нагружений) и через 33 250 оборотов (3,5 ч общего вре­ мени вращения) на пояске конуса образцов образовалось еди­ ничное локальное усталостное выкрашивание (рис. 53, а). Ана-

148

логичное явление отмечалось на образцах, которые через каж­ дые 500 статических нагружений совершали 9500 оборотов. В этом случае после третьего цикла нагружений (т. е. после 1500 нагружений) и через 26 125 оборотов (2 ч 45 мни общего времени вращения) на пояске конуса образцов также образова­ лось единичное локальное усталостное выкрашивание.

Совершенно иная картина изнашивания отмечалась у образ­ цов, которые испытывались без предварительных нагружений. На пояске этих образцов в течение длительного времени не отмечалось выкрашиваний. После 9,5 ч вращения (90 250 оборо­ тов образца) образовались выкрашивания, но они не имели локального характера и были расположены на пояске по всей окружности (рис. 53, б).

Из изложенного видно, что долговечность и характер распо­ ложения выкрашиваний на пояске конуса изменяются в зависи­ мости от режимов испытания.

Идентичность расположения пятен контакта и усталостных выкрашиваний на образцах, подвергнутых предварительным ста­ тическим нагружениям, может быть объяснена тем, что при ста­ тических нагружениях образца в местах контакта рабочего ко­ нуса с шарами при достаточно высоких напряжениях (525 кге/мм2) образуются, как отмечалось ранее, остаточные деформации, которые, как известно, могут привести к местному упрочнению (наклепу) поверхностных слоев [38, 48]. Усталост­ ное выкрашивание под контактной нагрузкой в большинстве случаев начинается с поверхности, поэтому остаточные дефор­ мации в дальнейшем при вращении образца даже при неболь­ ших значениях напряжений (230 кге/мм2) могут явиться ло­ кальными очагами возникновения усталостных выкрашиваний.

Образование единичных локальных усталостных выкрашива­ ний на пояске образцов, испытанных в условиях последователь­ ного чередования статических нагружений и вращений, может быть также объяснено появлением местных предразрушенных участков, которые в дальнейшем при вращении являются оча­ гами образования выкрашиваний. После вращения образца и следующего за ним статического нагружения контактирование конуса с шарами каждый раз происходит на новых участках, поэтому появление выкрашиваний чаще всего отмечается не на трех участках, а на одном, где в результате повторяющихся на­ гружений образовалась наиболее предразрушеиная зона.

Испытания образцов второй группы с твердостью рабочего конуса HRC 56—58 показали, что при идентичном характере расположения выкрашиваний с образцами первой группы на них вследствие больших остаточных деформаций, полученных при статических нагружениях, отмечаются более крупные вы­

149