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

Применение плоских моделей существенно упрощает экспери­ мент и дает возможность более детального изучения напряжен­ ного состояния конструкций — такие модели предпочтительны. Но в случае применения плоских моделей в свою очередь возни­ кают дополнительные трудности, связанные с подобием напря­ женного состояния натуры и моделей. Так как даже для модели, контур которой совпадает с сечением но плоскости симметрии соответствующей объемной детали, подобие в напряженном состоя­ нии может быть достигнуто специальным подбором нагрузок, действующих на плоскую модель [18, 301.

При изготовлении пластин для плоских моделей и вклеек объемных моделей использовалась эпоксидная смола марки ЭД-6.

Исследования моделей производились при комнатной темпе­ ратуре с использованием необходимых приспособлений. Плоские модели коронок устанавливались иа специальное основаине, имитирующее скважину. Нагрузочные приспособления обеспе­ чивали при исследовании центральное и эксцентричное приложе­ ние силы и различные схемы опираиий головки модели.

При исследовании объемных моделей использовались специ­ альные приспособления, позволяющие производить все необхо­ димые нагружения (рис. 17). Объемные модели помещались в им­ мерсионную ванну (ванна с плоскопараллельпыми, прозрачными стенками, наполненная прозрачной жидкостью, коэффициент преломления которой равен коэффициенту преломления материала

40

модели) и просвечивались нормально вклейке. После помещения модели в вапну, последняя выдерживалась в течение часа для удаления пузырьков воздуха из иммерсионной жидкости.

§ 3. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Плоская задача. Картины полос фотографировались в моно­ хроматическом свете (зеленый светофильтр %— 546 ppi) при кру­ говой поляризации. Картины изоклин зарисовывались в белом свете, при плоской поляризации, с градацией через 5—10°.

Для облегчения последующей обработки картин полос, при нагружении модели фиксировались направления роста полос и отмечались их номера в некоторых характерных точках модели. По этим данным на картине полос проставлялись номера (поряд­ ковый номер соответствует количеству длин волн, составляющих оптическую разпость хода б).

На участках свободного контура, где одно из главных напря­ жений равно нулю, по картинам полос строились эпюры контур­ ных напряжений. Для облегчения сопоставления данных иссле­ дования различных моделей, напряжения, полученные при дей­ ствительной нагрузке, приводились к номинальной нагрузке 100 кгс с учетом масштаба изготовления моделей. Б поле модели, по отдельным характерным сечениям производилось разделение главных напряжений. По найденным разностям главных напря­ жений и их направлениям подсчитывались величины касатель­ ных напряжений и разности нормальных напряжений с помощью выражения (2.2). Для разделения нормальных (оѵ и оу) и главных (о, и 0 2) напряжений использовалось численное интегрирование уравнений равновесия (2.4) методом разности касательных напря­ жений. Сетка для численного интегрирования уравнения равнове­ сия выбиралась квадратной (Ах = Ау). Однако шаг интегриро­ вания был переменным. На участках с высоким градиентом напря­ жений шаг уменьшался. Эти участки, как правило, примыкают к контуру модели. Расчет напряжений производился по табл. 8. Коптроль вычислений осуществлялся сопоставлением нормальных напряжений, полученных при проходе по сечепням, с нормаль­ ными напряжениями на участках свободного контура, где они определялись непосредственно с помощью выражений (2.7).

Результаты интегрирования представлены в виде эпюр глав­ ных, нормальных и касательных напряжений по выбранным се­ чениям. Сечения плоских моделей выбирались на основе анализа поломок корпусов натурных буровых коронок и по наиболее напряженным зонам экспериментальных моделей.

Статическая проверка полученных результатов на симметрично нагруженных плоских моделях производилась по условию ра­ венства интегральной площади эпюры ау статическому моменту но этому же сечению от действия внешней нагрузки, приложен­ ной к модели.

41

вклейке объемной модели а и по контуру плоской модели б. Эпюры получены в условиях осевого приложения силы и опирания на два лезвия. Контурные напряжения имеют идентичный характер

ложения.

Напряжения и коэффициенты концентраций в объемной модели, по результатам исследований плоской модели, могут быть опре­ делены из соотношений

где а и аа — напряжения и коэффициенты концентрации напря­ жений в рассматриваемой точке объемной и плоской моделей; к и к' — средние значения коэффициентов подобия контурных напряжений и коэффициентов концентрации напряжений объемной

44

н плоской моделей; о£б и сг£л — контурные напряжения объемной и плоской моделей; С°б и С™ — коэффициент силового подобия объемной и плоской моделей; С?,6 и С"л — коэффициент линейно™ подобия моделей; С°р и С™ — коэффициент подобия площадей поперечного сечения моделей.

• Исследования напряженного состояния различных типов буро­ вых коронок первоначально проводились на плоских моделях, на которых изучался характер напряженного состояния конструк­ ций при различных схемах нагружения моделей. Одновременно исследовалось влияние некоторых геометрических параметров на напряженное состояние конструкций. Кроме того, плоские модели использовались для выбора рациональной формы инстру­ мента и выбора схем наиболее опасных нагружений для их даль­ нейшего исследования на объемных моделях.

На основании исследования объемных моделей производилась оценка напряженного состояния и определялась действительная величина контурных напряжений для натурных конструкций, производился анализ различных сопряжений в инструменте с точ­ ки зрения концентрации напряжения и выбиралась наиболее рациональная форма бурового инструмента, высказывались реко­ мендации по уменьшению коэффициента концентрации напряжений в существующих типах коронок и обосновывалась возможность расчета конструкций, подобных исследованным моделям. '

Масштабный фактор размеров и нагрузок не сказывается не­ посредственно на погрешностях моделирования, если не нарушено условие подобия, поэтому относительная ошибка в определении значений о, е и перемещений в натуре остается той же, что и полу­ ченная на модели. Для плоских и по контуру объемных деталей она определяется величиной (1—5%), а для распределения на­ пряжений внутри деталей — 10%. Величина погрешности зави­ сит от исследуемой задачи и более точно может быть определена расчетом для случая, близкого к рассматриваемому; по результа­ там исследования на натуре или по повторяемости результатов исследований нескольких моделей [33, 42, 44].

Значения, полученные на объемных моделях, проверялись несколькими повторениями отдельных нагружений. Отклонения результатов-находились практически в пределах 1—2%.

§4. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ КОРОНОК

ВУСЛОВИЯХ, БЛИЗКИХ К ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМ]

При исследовании напряженного состояния различных кон­ струкций бурового инструмента на упругих моделях поляриза­ ционно-оптическим методом, па основании работ [7, 22, 24, 32], было высказано предположение:.на полученные в условиях статики картины распределения напряжений по корпусу коронки не ока­ зывает существенного влияния замена статическим нагружением

45

динамического процесса (при тех скоростях нагружений и .чинен­ ных размерах коронок, которые имеют место в практике бурения) и несоблюдение точного подобия (при моделировании), связан­ ного с различными значениями коэффициента Пуассона для мо­ дели (р = 0,4) и натуры (р = 0,3). Для оценки принятых допуще­ ний было проведено дополнительное исследование, заключа­ ющееся в регистрации импульса силы, действующего па коронку при ударе.

Напряженное состояние бурового инструмента изучалось в ус­ ловиях, когда ударный импульс прикладывался к коронке с оп­ ределенной частотой. Для регистрации такого процесса была разработана специальная методика проведения экспериментов, отличающаяся возможностью регистрировать единичный ударный импульс при непрерывной работе пневмоударника. При съемках ударного процесса использовалась обычная аппаратура, предна­ значенная для регистрации единичных ударов. Однако в наших исследованиях она была несколько изменена и применялась с не­ обходимыми приспособлениями.

В качестве объекта исследования был выбран инструмент типа К-17 (см. рис. 2, а), работающий в комплекте пневмоударника М-29Т (табл. 1). Наибольший интерес представляет замер напря­ жений и усилий в буровом инструменте непосредственно при бу­ рении различных горных пород с различными площадками при­ тупления породоразрушающих лезвий. Однако такие исследова­ ния коронок связаны с большими трудностями; во-первых, пнев­ моударник имеет большое количество ударов в минуту и непрерыв­ ное вращение; во-вторых, когда коронка вставлена в буксу мо­ лотка, исследование хвостовика инструмента становится затруд­ нительным (в смысле монтажа датчиков сопротивления и проводки к ним). Поэтому для удобства и достаточной иадежпостп экспери­ ментальных данных при исследовании коронок с замером напря­ жений и усилий при единичном (фиксированном в периодическом процессе) ударе съемки проводились на лабораторном стенде с использованием необходимых приспособлений и аппаратуры при полном сохранении режима работы пневмоударника (рис. 19).

Собранная экспериментальная установка тщательно подгота­ вливалась и предварительно прирабатывалась до получения в металлическом основании лунок, под лезвиями коронки, глу­ биной 5—7 мм. В дальнейшем, при съемке диаграмм, считалось, что внедрение коронки практически отсутствует, т. е. условия работы бурового инструмента на стенде соответствовали такому случаю бурения в крепких породах, когда площадки притупления лезвий очень большие (6—9 мм). В этом случае, ввиду отсутствия внедрения лезвий инструмента, ударный импульс расходовался только на деформацию и вызывал наибольшие напряжения по конструкции. Иначе говоря, инструмент был подвержен исследо­ ванию с замерами напряжений и усилий при самом опасном режиме работы в условиях опираиия на все лезвия.

46

Учитывая сложный характер распределения напряжений в коронке [9], представляется целесообразным задачу динамической

Рис. 19. Схема экспериментальной установки.

1 — ствол пневмоударника; 2 — коронка; 3 — кольцо; 4 — втулка-переходник; 5 — опорное основание; в — плита; 7 — ударник; 8 — контактный датчик; 9 — изолирующие стаканы.

тензометрии ограничить определением действующих нагрузок и деформаций в минимальном количестве точек при измерениях в условиях, близких к эксплуатации. Датчики деформаций наклеи­ вались на: цилиндрическую часть хвостовика, шпоночный паз, радиусы сопряжений и опережающее лезвие (места, представля­ ющие интерес с точки зреиия определения напряжений или уси­ лия). При резких изменениях формы коронки, т. е. в зонах кон­ центрация напряжений устанавливались тензодатчики с меньшей

47

базой, что обеспечивало более точное измерение деформаций и на­ пряжений в этих зонах.

Для измерения деформаций, возникающих при ударных на­ грузках, в различных участках буровой коронки принимались обычные проволочные тензодатчики сопротивления типа ПБ с базой 5 мм и 10 мм и сопротивлением 50 -f-100 Ом и 200 Ом.

При постановке исследования было высказано предположение, что проходящие волны упругих деформаций могут внести иска­ жения и не позволят правильно судить о форме и величине им­ пульса, так как коронка имеет сложную конфигурацию. Для

проверки был поставлен ряд контрольных опытов, предусматрива­ ющий регистрацию ударного импульса по различным сечениям. Схема наклейки датчиков при исследовании показана на рис. 20. Экспериментально установлено, что искажения ударного импульса незначительны, если датчики наклеены достаточно близко к месту опирания инструмента.

Для записи ударных процессов, возникающих в буровой ко­ ронке при действии на нее периодически повторяющихся ударных силовых импульсов с частотой следования 1800—1850 ударов/мин, была применена электрическая схема, позволяющая из общего числа циклов в определенный момент времени (установившийся режим работы пневмоударника) фиксировать единичный ударный процесс. Для этой цели использовался двухлучевой однотрубчатый катодный осциллограф С1-24, предназначенный для исследования однократных процессов, со специальной схемой пуска развертки.

48

Осциллограф Сі-24 имеет два вмонтированных усилителя, но максимальный коэффициент усиления их незначительный. Даже в случае наибольших деформаций (по зонам концентрации) инст­ румента, сигнал, получаемый с измерительного моста, давал от­ клонение луча ие более 1-4-3 мм. Поэтому, для получения на экране осциллографа необходимого масштаба усиления ударного импульса были использованы два усилителя УИПП-2 с коэффи­ циентом усиления в 5 — 5-ІО4 раз. Блок-схема экспериментальной установки представлена на рис. "21.

Симметричный выход усилителя подключался на вход осцил­ лографа («пластины»). При этом одна из заземленных по перемен-

Ркс. 21. Схема включения регистрирующей и пусковой аппаратуры.

ному току (через конденсатор) пластин отсоединялась от массы, что позволяло использовать осциллограф в симметричной схеме.

Запуск развертки осциллографа осуществлялся с помощью специальной контактной схемы. Основная особенность схемы — необходимость получения импульса с крутым фронтом для запуска генератора развертки и точность срабатывания всей пусковой схемы не менее 20—25 мкс.

Схема запуска состояла из контактного датчика КД 8 (см. рис. 19), встроенного в корпус молотка и изолированного от него, вспомогательного контакта К (рис. 22) и источника питания (су­ хая анодная батарея). Пусковой импульс образовывался при ка­ сании падающим ударником КД и замыкании К. Положение кон­ тактного датчика могло изменяться, тем самым регулировалось опережение тіачала развертки относительно начала ударного им­ пульса.

В определенный период времени, когда пневмоударник вхо­ дил в нормальный режим работы, замыкался подготовительный

участок цепи запуска развертки нажатием па кнопку К. Ударник молотка перед нанесением удара по коронке, входя в контакт

сКД, включал развертку осциллографа.

Взадачу данной работы входило измерение времени соударе­ ния ударника и коронки. Это осуществлялось измерением вре­

мени нахождения ударника в электрическом контакте с коронкой. В контактную цепь включался источник питания и нагрузочное сопротивление. Сигнал с нагрузочного сопротивления подавался иа вход усилителя УИПП-2, а с последнего на отклоняющиеся пластины осциллографа. Сигнал контакта между ударником и ко­ ронкой регистрировался одновременно с ударным импульсом.

Для стабильной работы измерительной схемы были применены: феррорезонансиый стабилизатор для питания электронного ос­ циллографа и стабилизированные источники питания (ВС-15) для накальных п анодных цепей усилителей. Использованная система стабилизации обеспечила достаточную стабильность работы схемы.

Рис. 22. Электрическая схема запуска электрон­ ной аппаратуры.

Необходимые соединения были выполнены экранированными про­ водами. Все элементы схемы, включая корпуса приборов и экраны проводов, тщательно заземлялись.

Датчики наклеивались па инструмент в шести сечениях. Пер­ вая пара наклеивалась па пластину твердого сплава опережа­ ющего лезвия. Вторая пара на корпус опережающего лезвия вблизи пластины твердого сплава, последующие наклеивались в галтели (зона перехода от хвостовика к головке инструмента), нижнем сопряжении шпоночного паза, иа цилиндрической части хвостовика и по шпоночному пазу. Исследование проводилось при опирашш бурового инструмента на все лезвия и рабочем давлении сжатого воздуха 5,0кгс/см2, кроме того, ставились специальные серии опытов, где инструмент опирался только опережающим лез­ вием па стальное основание. И, наконец, еще ряд опытов при различном давлении сжатого воздуха. Всего было проведено около 300 съемок и наблюдений.

Для определения продолжительности соударения между удар­ ником и коронкой производилась тарировка времени развертки каждого канала осциллографа. С этой целью перед и после рабо­ чих съемок на вход каждого из каналов осциллографа подавался сигнал контрольной частоты (/ = 10—20 кГц) от звукового гене­

50