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

ратора. Для определения цепы миллиметровых делений экрана осциллографа (масштаба осциллограмм), выраженных в единицах деформации инструмента, проводилась градуировка экрана по вертикали. В данном случае была применена косвенная (электри­ ческая) тарировка амплитуды исследуемых процессов.

До и после исследования ударного процесса вход усилителя переключался на звуковой генератор, напряжение выхода кото­ рого контролировалось импульсным ламповым вольтметром, а частота выбиралась средней для динамического диапазона частот, усиливаемых УРШП-2. Изменяя ступенями напряжение звукового сигнала от 0 до предельного значения, соответствующего полному отклонению луча па весь экран осциллографа, производилось

Ъ

Ряс. 23. Схема включения в измерительную цепь рабочих тензодатчиков (Яд).

фотографирование каждого из установленных значений напряже­ ния и фиксирование значений входного напряжения, подаваемого на усилитель. Результаты измерений заносились в таблицу и стро­ ились графики отклонений луча в зависимости от напряжения А (мм) = / [і/.с

Зная входное напряжение ис, отнесенное к измерительной диа­ гонали моста (рис. 23) точки b и гі, определялось изменение сопро­ тивления рабочего тензодатчика АR, вызывающего разбаланс

Как видно из формулы (2.12), напряжение сигнала не зависит от сопротивлений тензодатчиков, а зависит только от относитель­ ного изменения сопротивления. Для получения большей чувстви­ тельности моста к относительной деформации необходимо увели­ чивать напряжение питания моста. Но это в свою очередь огра­ ничивается максимально допустимым током /, проходящим по

проволоке датчика. Источники питания мостовых схем имели напряжения для

R = 50 О м - 4,70 В, Л = 100 О м - 11,45 В,

R = 200 О м - 19,0 В и 18,80 В.

Максимальная суммарная относительная погрешность уста­ новки при определении е н о составляет ±18%. Для повышения точности воспроизводимости эксперимента и увеличения надежности

периментов для исследования зон концентрации напряжений при динамическом нагружении.

При исследовании напряженного состояния коронок первона­ чальные опыты ставились для выяснения формы и величины им­ пульса в тех случаях, когда инструмент опирается на основание всеми лезвиями и одним опережающим лезвием.

На рис. 24 представлены осциллограммы, полученные при регистрации исследуемых величин на первой и второй развертках. На осциллограммах по оси абсцисс записывалось время удара, а по оси ординат — деформации. Для всех осциллограмм время отсчитывалось слева направо, масштаб времени определялся по контрольным диаграммам, на которых зарегистрирована фикси­

52

рованная частота. Для осциллограмм, приведенных на рис. 24, расстояние между пиками контрольной диаграммы на первой раз­ вертке составляет примерно 0,5-ІО“'1 с, на второй — 0,3-ІО-4 с. Диаграмма, полученная иа повышенной скорости развертки, по­ зволяет более детально рассмотреть элементы процесса. На ос­ циллограммах верхняя кривая соответствует первому измеритель­ ному каналу, нижняя — второму. Датчики, расположенные в ниж­ нем сечении (у опертой части опережающего лезвия) и иа цилинд­ рической части хвостовика, подключались к первому каналу (ос­ циллограммы а и Ъ , а датчики, паклеенные по зонам перехода одного диаметра к другому, и электрический контакт замыкания между ударником и инструментом — к каналу два (осцилло­ граммы г и б). На осциллограммах (я, b иг) отклонение луча вверх от нулевой линии соответствует деформации сжатия, а отклонение вниз — деформации растяжения. Сопоставление амплитуд дефор­ мации по приведенным осциллограммам следует производить с предварительным пересчетом, так как для каждой осциллограммы характереп определенный коэффициент усиления, соответству­ ющий различным масштабам по вертикали, и определенный тензо­ датчик с соответствующей базой и сопротивлением.

Диаграммы показывают, что при прохождении ударного им­ пульса по инструменту, опирающемуся иа металлическое основа­ ние с приработанными в нем лунками глубиной 5—7 мм под лез­ виями коронки, деформация инструмента в различных сечениях по своему характеру различна. Амплитуда и форма зарегистри­ рованных импульсов также различны.

На осциллограммах по всем сечениям наблюдается следующий характер изменения напряжений в коронке за время удара. В пер­ вый момепт прохождения ударного импульса по коронке в ней возникает максимальная величина сжимающих напряжений. За­ тем напряжение падает и меняет знак, возникает растягивающее напряжение. Одпако по абсолютной величине значения растяги­ вающих напряжении значительно меньше максимальных значений сжимающих напряжений. В последующие моменты изменения напряжений в коронке носят сложный вибрационный характер с различной степенью затухания по разным сечениям. Сложность последующих колебаний напряжений, разумеется к этому времени контакт ударника с коронкой прекращается, объясняется тем об­ стоятельством, что коронка, с оставшимся в ее корпусе волновым процессом, колеблется между пневмоударником и основанием.

При дальнейшем изложении наибольшие (по первому макси­ муму на осциллограммах деформаций) сжимающие напряжения, возникающие в коронке в начальный момент прохождения удар­ ного импульса, будем называть максимальными напряжениями.

По форме ударного импульса, зарегистрированного тензодат­ чиками АЖ, 5Ж, 1Ж и 6N, можно отметить, что влияние волн отраженных от опорной поверхности на форму импульса в этом сечении практически не наблюдается. Совершенно иная картина

53

зарегистрирована по другим сечениям (осциллограмма Ъ — ци­ линдрическая часть хвостовика, шпоночный паз и осциллограм­ ма з — зона перехода одного диаметра к другому). В этих слу­ чаях кривая деформации заметно отличается от импульса, полу­ ченного па опережающей лопасти.

Известно [20, 45, 46], что сильное искажение импульса в сред­ них сечениях инструмента имеет место, когда длина импульса превышает длину коронки пли хотя бы близка к ней. Приближен­

электрического контакта между ударником и инструментом. Масштаб времени соударений определялся по контрольной диа­ грамме. Расстояние между пиками на контрольной осцилло­ грамме составляет 0,5-10_1с и 1,5-10-4 с.

При опирании коронки на одно опережающее лезвие удар состоит из двух соударений (осциллограмма б) средняя продол­ жительность удара составляет 3,15-10-1 с, а при опирании ко­ ронки на все лезвия удар состоит из одного соударения (осцил­ лограмма г) продолжительность удара — 1,44-10“1с. Принимая скорость распространения волн упругих деформаций в стали примерно 5000 м/с длина импульса соответственно составляет 1,58 и 0,72 м, т. е. в несколько раз больше длины инструмента.

Различие в количествах соударений за время действия одного удара, вероятно, объясняется разной податливостью инструмента

54

при оппрашш его на одно опережающее лезвие и на все лезвия. В условиях опирания только на одно опережающее лезвие коэф­

Итак, на основании анализа работ советских и зарубежных авторов, известных результатов моделирования напряженного состояния инструмента и различных методов исследований пока­ зана необходимость исследования напряженного состояния раз­ личных конструкций буровых коронок на упругих моделях мето­ дом фотоупругости. Из известных методов фотоупругости выбран метод составных моделей, обоснованы экспериментальные модели (плоские и объемные) и схемы их нагружений. Показана возмож­ ность исследования напряженного состояния осесимметричных конструкций па плоских моделях.

Анализ напряженного состояния бурового инструмента, воз­ никающего при динамическом нагружении в условиях, близких к эксплуатационным, с регистрацией времени соударения, формы и величины ударного импульса возможен в случае использования проволочных тензодатчиков сопротивления. Для регистрации

деформаций представляют зависимость силы, с которой инстру­ мент воздействует на буримую породу, в функции времени.

Разработаны конструкции моделирующих устройств для ис­ следования напряжений и деформаций па плоских и объемных моделях буровых коронок; создана экспериментальная установка, позволяющая анализировать напряженное состояние натурных коронок при нагружениях, близких к эксплуатационным.

Степень неравномерности распределения напряжений в моде­ лях коронок оценивалась коэффициентами концентрации напря­ жений, подсчитанными для наиболее опасных зон.

Коэффициенты концентрации напряжений определялись от­ ношением наибольшего главного напряжения (СіСГо) в рассматри­ ваемой точке модели к поминальному напряжению пн. На контуре плоских моделей единственно отличным от нуля является главное напряжение, направленное по касательной к соответствующей точке коптура. В объемных моделях коэффициент концентрации напряжений определяется по величине главного напряжения, дей­ ствующего вдоль касательной к соответствующей точке контура вклейки.

При сопоставлении напряженных состояний различных типов экспериментальных моделей напряжения в опасных зонах приво­ дились к единой нагрузке с учетом масштабов изготовления моде­ лей по формулам (2.8) и (2.10). Номинальной нагрузкой для

55

объемных моделей была принята нагрузка 500 кгс, а для плоских моделей — 100 кгс.

Выполненные исследования позволили получить четкое пред­ ставление о напряженном состоянии буровых коронок. Резуль­ таты этой части работы могут быть непосредственно использованы при разработке конструкций буровых коронок, кроме того, онн послужили критерием оценки надежности предложенных методов теоретического анализа.

Зависимость напряженного состояния коронок от их формы и схемы нагружения

Характер изменения напряжений по конструкции в зависимо­ сти от ее конфигурации можно проследить по данным исследова­ ния плоскпх моделей ЭМ-1а, ЭМ-16 и ЭМ-1", ЭМ-2а, ЭМ-25 и ЭМ-2В.

Картины полос (рис. 26, 27) характеризуют распределение напряжений в модели. Сгущение полос в радиусах сопряжений соответствует наличию значительных градиентов напряжений в этих зонах. Параллельные полосы в хвостовике указывают на

56

действие изгибающего момента, кроме того, в хвостовике коронки на напряжения от изгибающего момента накладываются нормаль­ ные напряжения от продольных усилий, что видно по искривле­ нию линий и более высокому порядку полос у одного края. В изо­ лированных нулевых точках (рис. 27) касательное напряжение в сечении хвостовика меняет знак. По сечениям, когда нулевые линии или точки иа контуре лежат одна против другой, влияние изгибающего момента незначительно, однако смещение положения

нулевых линий и точек с одного

Рис. 28. Картина полос для плоРнс. 29. Поле нзокліш для плоской скоп моделп ЭМ-2а при иагружемодели ЭМ-1а прн нагруженпп «14». В, нип «11». С — зоны концентрации напряжений.

но имеется в детали поперечная сила. Замкнутые полосы с мини­ мальным порядковым номером внутри и наибольшим па контуре модели характерны для симметричного нагружения.

Модели ЭМ-1а и ЭМ-2а. Контур плоской модели типа ЭМ-1а, ЭМ-2а (см. рис. 13) представляет собой срез по плоскости симмет­ рии коронки ЭМ-1 и ЭМ-2 без шпоночного паза и промывочных каналов.

На рис. 28, 29 приведены фотографии картин полос и изоклин, полученных при различных схемах опирания и двух видах нагру­ жения (осевом и эксцентричном). Сопоставлением картин полос, соответствующих этим двум видам нагружений, установлено:

57

эксцентричность нагрузки вызывает перераспределение напряже­ ний лишь в хвостовике модели и незначительное изменение напря­ жений в головке.

Изгибающий момент в поперечном сечении хвостовика модели равен пулю при симметричной схеме опирания и нагружения. При эксцентричном приложении силы и симметричном опирают изгибающий момент вызывает реакции в направляющей, в сторону которой смещена нагрузка. При несимметричном опирают, реак­ ции возникают в обоих направлениях, вызывая в том и другом случаях увеличение коэффициента концентрации в галтели В

ипазу С (сопряжение опережающего лезвия). Для всех рассмот­ ренных случаев наблюдается концентрация сжимающих напряже­ ний в зонах В и С, значения которых зависят от схемы опирания

иприложения нагрузок.

На рис. 30, а приведены эпюры главных напряжений по кон­ туру модели при нагружении «24». Эпюры наглядно показывают места концентрации напряжений и позволяют установить точки, соответствующие пиковым напряжениям па контуре. Положение наиболее напряженной точки в местах концентрации при варьи­ руемых нагружениях и оппраниях, как видно по фотографии картпн полос, смещено от начала закругления в сторону большей пло­ щади модели (заключается в пределах угла а — (10 -г 20°) и перемещается по радиусу сопряжения в зависимости от схемы нагружения и опирания. В зоне повышенных напряжений их градиент по контуру галтели очень велик.

Вдоль всего корпуса модели действуют сжимающие напряже­ ния, достигающие 7,5-кратного значения поминального напря­ жения, и незначительные растягивающие напряжения, не пре­ вышающие <тн. Наибольшая величина напряжений бывает в со­ пряжении хвостовика с головной частью модели, где коэффициент

жение опережающего лезвия) для нагружений по схемам «13», «14», «15», «23», «24», «25» главные напряжения а 2 и сг , распреде­ ляются симметрично (для «23», «24» и «25» симметрия несколько нарушается в связи с эксцентричным приложением нагрузки), что свидетельствует об отсутствии изгиба. Максимальное значение 0 2 находится па участках контура модели и резко снижается при проходе по сечению в глубь модели. Величины сц, ах и ххи по

чине) на одном конце сечения, а минимальные на другом. При нагружениях по схемам «12» и «22» Oj и о2 имеют одинаковый

58

знак, в случае схем «11» и «21» разный. Последнее обусловливается наличием значительного изгибающего момента по сечению. Во всех случаях пиковые значения напряжений бывают в точках на контуре модели и с большим градиентом снижаются по сечепшо.

Наиболее интересным, в отношении распределения напряже­ ний по сечениям, является сечение II—-И. Эпюры главных и нор­ мальных напряжений для исследо­

в зоне В максимальное значение имеет ох, а в зоне С — оу. Пико­ вые значения нормальных напряжений находятся на контуре, в средней части сечения их значения изменяются почтп по линей­ ному закону, с переменой знака. Для нагружений «12», «22», «24» и «25» характер изменения нормальных напряжений несколь­

а «24» и «25» имеет отрицательный знак. Характер распределения напряжений ах и оу для последних схем аналогичен вышеописан­ ному.

60