книги из ГПНТБ / Блохин В.С. Буровой инструмент для машин ударного действия

стороны идут радиальные линии, что указывает на постепенное разрушение, составляющее около 70% от общей площади излома и 30% активного разрушения.

Анализ изломов корпусов коронок. Разрушение корпусов коро­ нок по зонам концентрации напряжений, в связи с наличием оча­ гов возникновения усталостной трещины (см. рис. 8) начинается с поверхности и имеет макрохрупкий характер без явных следов пластических деформаций. Поверхность излома корпусов буровых коронок иногда почти точно совпадает с плоскостью действия максимальных нормальных напряжений, величина и направление которых определялись методом фотоупругости. Часто поверх­ ность излома примерно с середины хвостовика искривляется и под­ ходит к плоскости действия наибольших касательных напря­ жений, т. е. разрушение происходит в начальный момент под действием отрыва, а затем и среза [9]. На основании этого можно предположить, что разрушение буровой коронки под действием нормальных напряжений представляется следующем образом: в начальный момент появляются мпкротрещпиы в зонах концентра­ ции напряжений (в результате подсечки волокон), затем в условиях затрудненной пластической деформации под влиянием нормальных напряжении они быстро прорастают, образуя трещину.

Форма усталостного разрушения в галтели — скругленная поверхность, напоминающая по форме шар, в хвостовике — ци­ линдр, обе поверхности с выпуклостью в сторону головной части коронки. Трещина по зонам концентрации напряжений, как пра­ вило, расположена нормально поверхности. Подобное располо­ жение трещины в галтели отмечается и другими авторами. К.И. Ка­ рийская и В. Н. Чернецкая при исследовании макроструктуры отработанных коронок установили, что в галтели при бурении скважин возникают усталостные трещипьт, расположенные пер­

лотком М-48 (рудник им. Губкина). Примерное количество циклов

Усталостное разрушение, как правило, начинается с поверх­ ности, поскольку поверхностные слои имеют только односторон­ нюю связь с внутренними слоями металла и в большинстве слу­ чаев оказываются наиболее напряженными. Поэтому состояние поверхностного слоя очень важно для надежной работы коронок.

В настоящее время для повышения выносливости широко рас­ пространены различные методы поверхностного упрочения: хи­ микотермические (азотизация, цементация, цианизация), которые дают повышение прочности до 60%; более эффективные механиче­ ские методы (наклеп), иногда дающие повышение прочности на

30

100% и более. По данным С. В. Серенсена, предел выносливости при изгибе валов из улучшенной стали марки 18ХНЗА был уве­ личен более чем в 2 раза (с 24 до 50 кгс/см2), в результате обкатки галтелей роликами и на 33% (до 32 кгс/см2) после наклепа гал­ телей дробью.

Сопротивление усталости зависит от направления волокон материала. С. В. Сервисен приводит данные о сопротивлении усталости ряда конструкционных сталей для продольных и по­ перечных образцов. У пяти из девяти исследованных сталей пре­ дел усталости в поперечном направлении на 25—33% ниже соот­ ветствующих значений в продольном направлении, в трех случаях понижение составляет 6—10% и в одном случае — 43%.

Таким образом, анализ поломок корпусов буровых коронок показывает, что на развитие усталостной трещины в начальной стадии разрушения значительную роль оказывает величина нор­ мальных напряжений. Вместе с тем, наблюдавшиеся в ряде слу­ чаев отклонения от поперечного, относительно оси хвостовика, направления излома дозволяют считать, что и касательные напря­ жения и напряжения от вращения оказывают влияние на пове­ дение трещин и разрушение. Наличие упрочненной поверхности значительно уменьшает чувствительность материала к зарожде­ нию усталостной трещины.

Долговечность буровых коронок зависит от конструктивного . исполнения их и условий нагружения, а также от качества заго­ товок, их материала и термо-механической обработки.

§2. ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИИ II ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ

Непосредственное экспериментальное исследование напряже­ ний в коронках при бурении скважин осложняется рядом причин: неопределенностью условий опирания и нагружения, трудностью исследования процесса нагружения и регистрации эксперимен­ тальных значений и др. Изучение вышедших из строя коронок не дает достаточного количества данных о напряженном состоя­ нии, предшествующем разрушению, так как в этом случае вы­ являются, как правило, не причины поломок, а их следствия. Поэтому анализ напряженного состояния коронок проводился на упругих моделях при последующем сопоставлении получен­ ных результатов с данными испытаний натурной коронки.

Выбор экспериментального метода. При бурении коронка подвержена действию различных нагрузок в зависимости от: свойств буримой породы, чистоты проработки забоя скважины, схемы приложения сил как со стороны ударника, так и буримой породы, и т. д. Многообразие схем в приложении нагрузок харак­ теризуется тем, что ударный импульс, приложенный к буровому инструменту, может распределяться равномерно по всему инстру­ менту или концентрироваться на отдельных его участках.

31

При изучении прочности бурового инструмента эксперимен­ тальным методом возможно применение двух видов моделей (из пластмасс и материала по физико-механическим свойствам близ­ кого материалу натуры), воспроизводящих форму и нагрузку исследуемых конструкций. Экспериментальные исследования на моделях из материала, приближающегося по своим показателям к материалу натуры, могут проводиться при нагрузках, вызыва­ ющих, как упругие и пластические деформации, так и разрушение моделей. Этот метод, учитывая специфику процессов бурения, в сущности аналогичен вариантам натурных испытаний и, следо­ вательно, обладает темп же недостатками.

Применение упругих моделей из пластмасс значительно упро­ щает методику исследования напряженного состояния бурового инструмента. Модели способствуют изучению сложных объемных конструкций при любых вариантах нагружений, рассмотрению нескольких вариантов форм, сравниванию напряженного состоя­ ния различных форм п позволяют выбрать более рациональную конструкцию. Поэтому изучение распределения напряжений в ин­ струменте с учетом основных факторов, определяющих конструк­ цию, проводилось на упругих моделях.

Для исследований был выбран поляризационно-оптический метод (метод фотоупругости). Этот метод, обладающий высокой точностью, при изучении распределения напряжений в буровых коронках позволяет: оценить напряженное состояние, определить величину напряжений в зопах концентраций, в контактных точ­ ках, а также во внутренних областях [5, 25, 31, 32, 39]. Приме­ нение метода клееных моделей дает возможность решить объемную задачу [33, 36, 39].

Исследование напряженного состоянпя коронок проводилось иа плоских и объемных составных моделях. Моделировались коронкп, получившие наиболее широкое распространение при бурении скважин в крепких горных породах. Анализ напря­ женного состояния экспериментальных конструкций коронок проводился при различных схемах взаимодействия инструмента с буримой породой. Для оценки соответствия результатов, полу­ ченных на объемной фотоупругой модели при статическом ее на­ гружении, действительному характеру распределения напряже­ ний, имеющему место в реальных условиях при действии ударных нагрузок, было выполнено исследование натурной коронки мето­ дом теизометрирования при нагружении, близком к условиям эксплуатации коронок.

Для проведения исследований потребовалось разработать их методику, позволяющую проанализировать напряженное состояние различных типов коронок в зависимости от вида нагружения на основании данных изучения упругих моделей; учесть объемность конструкции [10]; найти способ сопоставления напряженного состояния различных типов коронок; зарегистрировать ударный импульс и др.

32

Теоретическое обоснование применения упругих моделей для изучения напряженного состояния буровых коронок можно по­ лучить из основных уравнений математической теории упругости

[8, 23, 26, 29].

На плоских моделях по найденным значениям разностей глав­ ных напряжений и их направлениям, определялись значения касательных напряжений %хц и разности нормальных напряжений

Полученные оптическим путем разности главных напряжений Оі и о 2 и параметры изоклин 0 при известных граничных условиях дают возможность однозначного определения в любой точке мо­ дели всех компонент напряженного состояния. На свободном (пенагружепном) контуре модели, где одно из главных напряжений Oj или аг равно нулю, задача существенно упрощается, величина контурного напряжения находится по формуле

где п — относительная разность хода, выраженная в порядках полос; оі ,с — оптическая постоянная материала; h — толщина модели.

Для разделения пормальных напряжений использовался ме­ тод интегрирования дифференциальных уравнений равновесия плоской задачи, которые, при отсутствии объемных сил, имеют вид

Из (2.4) получим

Переход от напряжений в модели к напряжениям в коронке осуществляется с использованием соотношения

6. Четырехлопастная коронка (Х-образпая, ЭМ-6) (рис. 12, б). 7. Четырехлопастпая коронка (крестовая, ЭМ-7) (рис. 12, в). В соответствии с выбранными конструкциями коронок для

исследований были изготовлены экспериментальные модели двух

типов: объемные и плоские. Типы моделей и схемы их нагружения выбирались так, чтобы можно было раздельно исследовать при действии па коронку каждого силового фактора, с одной стороны,

общую неравномерность распределения напряжений, а с дру­

браны схемы приложения сил, учитывающие контакт коронок с буримой породой через одно, два, три и т. д. лезвий или часть их под действием осевой и эксцентричной нагрузок (рис. 14, 15, 16).

Эксцентриситет приложения силы для моделей ЭМ-1, ЭМ-3, ЭМ-4 и ЭМ-5 составлял е — 5 мм п создавался в направлении

Модель ЗМ-t

JO'"JZi"

Рис. 14. Схемы нагружешш объемных моделей.

ЭМ-і: схема «101» (псе прямоугольники сплошные) симметричное нагружение модели при контакте се по леем лезвиям; схема «121» подобна предыдущей, но отличается эксцентрич­ ным приложением нагрузки к хвостовику модели; схемы «102» и «122» (все прямоугольники сплошные, кроме прямоугольника, соответствующего опережающему лезвию) отличаются от предыдущих схем отсутствием контакта по опережающему лезвию, т. е. модель опи­ рается только боковыми лезвиями. ЭМ-3: схема «301» (все прямоугольники сплошные) симметричное нагружешіе модели при опнрашш на все лезвия; схема «321» эксцентричное нагружепне модели при опнрашш иа все лезвия; схемы «304» и «324» осевое и эксцентрич­ ное нагружение модели при контакте ее по одному боковому лезвию. Аналогично расши­ фровываются схемы и для моделей ЭМ-4, ЭМ-6 и ЭМ-7. Для модели ЭМ-7 выполнены и дополнительные схемы нагружений «731», «733», и «735», когда эксцентриситет не в пло­

скости вклейки (заштрихованная полоска), а нормально к ней.

шпоночного паза по вклейке, для моделей ЭМ-6 и ЭМ-7 е = 4 мм создавался как в плоскости вклейки, так и нормально к ней. Для плоских моделей величина эксцентриситета выбиралась равной аналогичным значениям объемных моделей. Для моделей ЭМ-16, ЭМ-26, ЭМ-56 эксцентриситет создавался как в сторону шпоночного паза, так и в противоположную, а для моделей ЭМ-1а,

37

ЭМ-2а, ЭМ-6 и ЭМ-7 в сторону нагруженного лезвия и в противо­ лежащую.

М одель 3 M -1 ä

Рис. JG. Схемы нагружении моделей при огиграшш на часть длины лезвий.

ЭМ-1°; схемы «0102» н «0122» оссиое н эксцентричное пагружеппе модели при оішрапші па три точки в средней части лезвий; схемы «0104» и «0124» осевое и эксцентричное прило­ жение нагрузки при контактировании в точке по периферии лезвия. Расшифровка других

схем нагружений моделей ЭМ-16, ЭМ-46 и ЭМ-56 подобна. Для модели ЭМ-5 в рассматри­ ваемом случае принято обозначение, начинающееся с цифры 500.

Для анализа напряженного состояния забоя скважины, ло­ пасти, коронки и пластины твердого сплава, армирующего ло­ пасть были изготовлены соответствующие плоские и объемные модели.

Рис. 15. Схемы нагружений плоских моделей.

ЭЫ-1а: схема «И» оссиос нагружение при контакте модели по одному лезишо; схема отличается от предыдущей эксцентричным приложением нагрузки к хвостоинку модели; схемы «15» и «25» осевое и эксцентричное нагружение модели при опирашш ее на 3 лезвия.

Подобным образом расшифровываются и другие схемы нагружений моделей ЭМ-1а, ЭМ-1 »

ЭМ-1В, ЭМ-4а, ЭМ-46, ЭМ-5а, ЭМ-56, ЭМ-6 и ЭМ-7. Схемы «11а» и «2іа» отличаются от соответствующих схем «11» п «21» расположением контактирующего лезвия относительно точки приложения нагрузки. Схемы «31» и «32» нагружение модели при удвоенной вели­ чине эксцентриситета

39