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

Картины полос и изоклип, эпюры главных напряжений по контуру модели и по отдельным сечениям, полученные для моде­ лей ЭМ-1а и ЭМ-2а, позволяют заключить: распределение напря­ жений в моделях ЭМ-1 и ЭМ-2 подобно. Поэтому, в дальнейшем анализ напряженности конструкций будет произ­ водиться по результатам исследования моделей ти­ па ЭМ-1 подразумевая ана­ логию и для ЭМ-2.

Рис. 32. Эшоры главных напряжений по контуру нормальных н касательных по сеченпям модели ЭМ-16 прп нагружениях «11» и «22».

Модели ЭМ-16 п ЭМ-26. Плоские модели типа ЭМ-16 и ЭМ-26 соответствуют продольному сечению коропки, совпадающему с плоскостью симметрии. Модели имеют шпоночный паз, но лишены промывочных каналов.

Картина полос, полученная по схеме «11», приведена на рис. 31. Из сравнения данных картин полос моделей ЭМ-1а и ЭМ-16 можно ■отметить: наличие шпоночного паза резко изменяет характер напряженного состояния хвостовика модели и вызывает появле­ ние значительно напряженных зон А и Б. При нагружениях по схемам «11» и «21» нулевая полоса проходит почти в центре хвосто­ вика, что свидетельствует о наличии изгибающего момента, для

61

остальных схем нагружений полоса сдвинута в сторону, противо­ положную шпоночному пазу. Для всех рассмотренных случаев

-)-59% от значений, полученных при эксцентричном нагружении. Напряжения в зоне В имеют существенно меньшие значения, по сравнению с зоной В моделей ЭМ-1а и ЭМ-2а, что указывает на наличие разгружающего действия шпоночпого паза на эту зону. Наибольшая величина напряжений находится в нижнем сопря­ жении шпоночного паза (зона Б). Коэффициент концентрации напряжений в зоне Б имеет максимальные значения, для иссле­ дованных случаев он изменяется от 1,19 для нагружения по схеме «12» до 9,3 для нагружения «21», т. е. напряжения в этой зоне превосходят поминальные, по абсолютной величине, в 9,3 раза.

Для моделей ЭМ-16 и ЭМ-26 производилось разделение нор­ мальных напряжений по сечениям I—I, II—II, III—III, IV—IV п V—V.

Сечение I—I находится на границе сопряжения рабочей части инструмента с хвостовиком. В этом сечении довольно часто (см. рис. 8) происходит усталостное разрушение материала. При этом усталостная трещина в начальный момент распространяется в пло­ скости, перпендикулярной к контуру коронки. Разрушение, повидимому, происходит путем отрыва, так как касательное напря­ жение тхц по сечению незначительны. Поверхность излома напо­ минает форму шара.

Эпюры главного напряжения <т2> при выполненных нагруже­ ниях, характеризуются высоким градиентом напряжения и рез­ кими пиками на участках вблизи контура модели. Напряжения Oj по этому сечению незначительны и их величинами для при­ ближенных расчетов можно пренебречь. Нормальные напряже­ ния ох и оу соизмеримы с соответствующими главными.

Сечение II—II (рис. 32, б) проходит через наиболее нагру­ женные точки зон. По этому сечению иногда происходит срез: боковых лопастей инструмента, что вызывается значительными касательными напряжениями. В сечении II—II главпые напря­ жения 0 4 и G2 примерно соизмеримы и имеют высокие градиенты на участках вблизи коитура модели. Нормальные напряжения ах и Оу имеют максимальные значения (по абсолютной величине): такие же, как и в сечении I—I, но характер распределения не­ сколько иной.

Сечение III—III (сопряжение опережающего лезвия) характе­ ризуется аналогично сечению I—I. Сжимающие напряжения оa

62

имеют высокие градиенты. Напряжения незначительны и не оказывают существенного влияния иа прочность коронки.

Сечение IV—IV находится иа уровне наиболее напряженной точки зоны Б. По этому сечению, в процессе эксплуатации, часто встречаются поломки корпусов коронок. Излом, как правило, до середины хвостовика, со стороны шпонки, напоминает форму цилиндра и расположен в перпендикулярной плоскости к кон­ туру, а дальше, под небольшим углом в сторону головной части

моделей можно отметить. Влияние промывочного паза на напря­ женное состояние модели незначительно, хотя наблюдается в ме­ стах концентраций некоторое увеличение числа полос при нагру­ жении по схеме «21» (видимо, за счет уменьшения площади по­ перечного сечения). Характер напряженного состояния подобен напряженному состоянию моделей ЭМ-16 и ЭМ-26: зона /1 также

.зависит от вида нагружения и не зависит от вида опирапия; зона Б имеет наибольший порядок полос; зоны В п В' имеют соответ­ ственно сжимающие и растягивающие напряжения. Напряженное состояние головной части модели зависит от характера контакти­ рования и почти не зависит от схемы приложения нагрузки.

63

Влияние изгибающего момента на величину коэффициента концент­ рации в зоне Б довольно большое. Растягивающие напряжения по контуру, па стороне, противолежащей шпоночному пазу, незна­ чительны прп симметрпчпом оппрашш коронки, но для схем на­ гружении «11» и «21» значения напряжений резко возрастают. Коэффициент концентрации напряжений в зоне Б имеет макси­ мальное значение для большинства нагружений и изменяется от О для нагружения по схеме «12» до 8,26 и 12,65 для нагружений «11» и «21» соответственно.

Почти вдоль всего контура при симметричных нагружениях действуют сжимающие напряжения, величина растягивающих напряжений, действующих на незначительной части контура, не превышает номинального напряжения по абсолютной величине. При эксцентричных нагружениях для симметричных схем оппранпй, аналогично, как и для осевого приложения нагрузок, но несимметричного опнрания головной части коронки, в результате действия изгибающего момента, появляются относительно боль­ шие участки контура модели, по которым действуют растягива­ ющие напряжения. Последние достигают своего максимального значения при нагружении по схеме «11я» (в зоне Б коэффициент концентрации напряжений равен 4,66).

На рис. 27, 33 приведены картины полос самого опасного (с точки зрения прочности инструмента) контактирования модели— на одно лезвие. Для этого вида опирания инструмента были выполнепы четыре схемы нагружений, характеризующие механизм знакопеременного цикла напряжений. Для нагружений по схемам «11» и «21» осевое и эксцентричное приложение нагрузки прп опиранни на одно боковое лезвие, расположенное под шпоночным пазом, в зонах Б жВ характерно наличие наибольших сжимающих напряжений (коэффициенты концентрации соответственно: Б — 11,5; В — 5,62 и Б ■— 12,5; В — 7,54), а в зоне В' — наибольших растягивающих напряжений (сг0 соответственно 1,95 и 4,23). Однако при нагружениях по схемам «11я» (см. рис. 27) и «21а» осевое и эксцентричное приложение силы при контактировании модели на лезвие, противоположное шпоночному пазу, в зонах Б , В и В' происходит смена знака напряжений. В зонах Б жВ появляются растягивающие напряжения, коэффициенты концентраций кото­ рых соответственно 4,66 и 4,52 для «11я», 2,2 и 2,42 для

«21я» .

Взоне В', наоборот, появляются максимальные для данных схем нагружений («11я» и «21я») сжимающие напряжения (коэф­ фициенты концентраций которых 8,05 и 7,54).

Взонах Б, В жВ' при контактировании на одно лезвие имеет место знакопеременный цикл с повторно переменными напряже­

ниями, которые при нагрузке на модель 100 кгс изменяются: Б — от —274,1 до+101,0 кгс/сма, В — от —163,1 до+52,4 кгс/см2, В' — от —174,5 до +91,5 кгс/см2.

На основании проведенного анализа результатов исследова-

64

иия плоских моделей ЭМ-1а, ЭМ-16 и ЭМ-ів (ЭМ-2а, ЭМ-26 и ЭМ-2В) можно констатировать.

1. Для получения качественной картины распределения на­ пряженного состояния, характеристики конструкции (с точки зрения ее прочности) и выбора рациональной формы коронок можно использовать плоские модели, представляющие срез по плоскости симметрии исследуемой конструкции.

2. Специфической особенностью данной конструкции бурового инструмента является наличие растягивающих напряжений на контуре хвостовика, противолежащем шпоночному пазу, даже

вусловиях симметричного нагружения.

3.В зависимости от схемы нагружений, зоны Б, В жВ' под­ вержены действию напряжений, изменяющихся по знакоперемен­ ному циклу.

4.Разрушение хвостовика коронок по сечениям I—I и IV—IV происходит путем отрыва в результате действия нормальных (главных) напряжений, а по сечению II—II — путем среза и от­ рыва в результате действия касательных и нормальных напря­ жений.

5.Промывочные каналы не оказывают существенного влияния на напряженное состояние исследованных моделей. Шпоночный паз разгружает зону В , но вызывает очень сложное напряженное состояние хвостовика коронки.

Распределение напряжений

впластинах твердого сплава

Впроцессе нагружения инструмента, опертого на забой, по­ родоразрушающие лезвия его, ввиду концентрации напряжений на ограниченной площадке контакта с горной породой и в связи

супругостью соприкасающихся поверхностей, несколько расши­ ряются, а участок горной породы не'разрываясь втягивается, приближаясь к граням лезвий. Особенно это проявляется при

бурении инструментом с площадками предварительного приту­ пления лезвий или с затупленными лезвиями. При бурении креп­ ких пород бывает упругое перемещение поверхностей и контакти­ рование по плавно очерченному профилю. В пластинах твердого сплава (аналогично и в буримой породе) наиболее нагруженными являются две зоны: зона непосредственного контакта твердого сплава и зона максимальных касательных напряжений, сосредо­ точенных нашекоторой глубине под линией контакта.

Для оценки прочности твердого сплава в месте контакта с бу­ римой породой недостаточно знать только величину наибольшего давления (напряжения). Полная характеристика напряженного состояния пластин (штырей) будет при учете величин как главных, так и касательных напряжений в каждой точке по одной из гипо­ тез прочности.

Распределение напряжений в контактной зоне пластин, ар­ мирующих коронки перфораторного бурения, достаточно полно

исследовано И. С. Бабенковым. Исследования проводились ме­ тодом фотоупругости на плоских моделях при статическом на­ гружении. Правомерность полученных результатов проверялась при постановке дополнительных исследований однотипных моде­ лей с помощью динамической фотоупругости. В результате уста­ новлено: напряженное состояние пластин твердого сплава и кор­ пусов коронок, полученное в условиях динамического нагружения, подобно соответствующим напряженным состояниям, но получен­ ным при статическом нагружении. Подобие реализуется не только в случае расположения лезвий на поверхности буримой породы, но и при внедрении их. Учитывая это положение, в наших иссле­ дованиях для оценки прочности пластин твердого сплава пневмо­ ударных коронок также использовались плоские модели при ста­ тическом нагружении.

Исследования с замером величины и направления действия напряжений проводились на моделях, выполненных с различными углами заострения (заточки). Опорная часть лезвий у некоторых моделей имела площадки, т. е. исследовались случаи контактиро­ вания коронок по площадке предварительного притупления и без нее.

Экспериментально установлеио: в зоне контакта максимальные значения напряжений были вблизи соприкасающихся поверхно­ стей; в глубь модели на расстоянии, равном примерно ширине упругой площадки контакта, напряжения выравниваются и даль­ ше остаются примерно одинаковыми; величина напряжений за­ висит от геометрических характеристик породоразрушающих лез­ вий (утла заточки, длины пластины, площадки притупления) и свойств буримой горной породы (величины внедрения лезвий за время прохождения ударного импульса); напряжения, дейст­ вующие по зоне контакта острого лезвия модели, пересчитанные для натурной коронки типа К-17 (динамическая нагрузка в опоре Роп «=< 40,0 тс или О Ä* 3,7 тс/см), составляют соответственно для углов 120, 110 и 90°: 52 000 кгс/см2, 66 500 кгс/см2 п 86 500 кгс/см2. Как видно, все величины напряжений превосходят предел прочности твердого сплава при одноосном сжатии.

Аналогичные результаты для коронок типа К-17 были полу­ чены и аналитическим методом. Максимальное значение р (х),

ного притупления 2d = 0,8 мм, найдено: р (х)тах 64 000 кгс/см2. В рассмотренных случаях расчетные значения р (х) хорошо со­ гласуются с экспериментальными данными.

На плоских моделях произведена оценка напряженного состоя­ ния контактной зоны пластины твердого сплава в зависимости

66

от радиуса закругления лезвий и величины площадки предвари­ тельного их притупления. При наличии последних значения ак резко снижаются, так отах в лезвиях с площадкой притупления шириной 2d = 2,0 мм. коронки К-17 при угле заточки пластин твердого сплава 110° и 120° составляют: 30 000 кгс/см2 и 24 700 кгс/см2. Увеличение площадки притупления до 5 мм спо­ собствует снижению -атах в пластинах с углом приострения 110° до 15 000-—16 000 кгс/см2. Значения контактного давления, полу­ ченные аналитическим методом для аналогичных условий нагру­ жения составляют 17 000—18 000 кгс/см2.

Пластины твердого сплава подвержены действию очень слож­ ного напряженного состояния. Тем более, что в процессе бурения скважин, особенно в крепких горных породах, возможны нагру­ жения при контактировании на одно лезвие или даже часть его, так как инструмент воздействует на породу, имеющую предвари­ тельные выколи, трещины, неровности и т. д. Все это приводит к довольно интенсивному и неравномерному износу пластин твер­ дого сплава, а при бурении в крепких породах и к сколу пластин. Экспериментально отмечено, для коронки К-17 в случае опирания на всю длину опережающего лезвия с площадкой притупле­

Тщательный анализ напряжений и деформаций моделей пла­ стин твердого сплава подтвердил ранее высказанное предполо­ жение о том, что контакт лезвия с породой происходит по цилинд­ рической поверхности. Начальный контакт острозаправленного лезвия происходит по прямой линии, затем при увеличении на­

и без нее) соприкосновение инструмента с буримой породой про­ исходит подобно контактированию двух цилиндрических поверх­ ностей, имеющих небольшие площадки в зоне контакта.

На моделях, при наличии площадок предварительного при­ тупления, экспериментально подтверждается характер распреде­ ления контактного давления по сечению, полученный аналитиче­ ским методом. Величина напряжений в периферийных областях значительно превосходит значения напряжений, распределенных в средней части лезвия по линии контакта. Это положение вы­ является и при анализе результатов эксплуатационного бурения скважин в крепких породах. На лезвиях коронок образуется спе­ цифическая контактная поверхность.

Помимо изложенного, на упругих моделях производилась оценка напряженного состояния лезвий коронок в зависимости от глубины внедрения в буримую породу. В начальный момент

соприкосновения с породой, до первого скола, лезвия твердого сплава воспринимают большие нагрузки. По данным И. С. Ба­ бенкова, при внедрении лезвий в горную породу происходит пере­ распределение напряжений и величина crmax за период впедрения уменьшается почти в 8 раз. К. И. Ивановым установлено, что с^щах имеют место в начале внедрения коронки (на остром лезвии tfmax = 40—60 тс/см2), в дальнейшем они снижаются до 1/2 <jmax и действуют в средней части заглубления. По нашим данным, зна­ чение напряжения находится в пределах ртах огтах<=Д). Это свидетельствует о резком изменении напряженного состояния инструмента в процессе его работы. Максимальные напряжения по грани лезвия действуют в течение части времени, необходимого на внедрение коронки в горную породу.

При сопоставлении данных исследований, полученных экс­ периментальным п аналитическим методами, отмечено хорошее соответствие результатов в том и другом случаях. Однако, учиты­ вая существенные трудности, связанные с техникой эксперимента и необходимостью моделирования соприкасающихся поверхно­ стей при экспериментальном анализе напряженного состояния контактных зон, предпочтительнее использование аналитического метода. В некоторых задачах последний позволяет выявить зако­ номерности, трудпо уловимые экспериментально, так как мате­ риал в зоне контакта, в связи с большими значениями <тк ведет себя как упруго-пластический. Предложенный метод расчета р = = / (X) практически позволяет исследовать пластину твердого сплава при любой схеме приложения нагрузок.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями мо­ делей лезвия коронки, выполненными с различной формой лезвий и пластин, моделирующих твердый сплав без внедрения, с внед­ рением в гладкую поверхность и забой скважины, отмечено, что передача ударного импульса на забой происходит через горизон­ тальную торцевую площадку пластины твердого сплава. С уве­ личением площадки растет количество энергии, переданной на за­ бой. Поэтому коронки предпочтительнее армировать толстыми пла­ стинами. Верхние углы призматических пластин являются концен­ траторами напряжений, величина которых не превосходит 15— 20% сттах, действующих в зоне контакта инструмента с породой.

Максимальные значения напряжений находятся вблизи кон­ тактной поверхности, с глубиной напряжения выравниваются

иостаются примерно одинаковыми. Контактирование инструмента

сбуримой породой происходит подобно соприкосновению двух ци­ линдров, обладающих небольшими плоскими поверхностями в зоне контакта. Для предохранения от скола острозаправленных лезвий новой или перезаточенной коропки (армированной толстыми приз­ матическими пластинами) целесообразно иметь первоначальное притупление, выполненное неплоским, а по радиусу, коронку перед началом бурения необходимо приработать по забою сква­

жины.

68

Анализ напряженного состояния коронок

Конструкция типа ЭМ-1. На рис. 34, а показана фотография картины полос в составной модели ЭМ-1, полученная при про­ свечивании ее в иммерсионной ванне перпендикулярно к плоско­ сти вклейки. Органическое стекло обладает некоторой оптической активностью, поэтому по полю фотографии наблюдается просветле­ ние, однако это просветление соответствует некоторой доле первой

полосы даже в самой толстой по ходу луча части модели. На картину полос, зафиксиро­ ванную в верхней части мо­ дели, влияние этого эффекта

Рис. 34. Картина полос (а) в плоскости вклейки модели ЭМ-1 и эпюры кон­

турных напряжений (б) при нагружении «106».

крайне незначительно, тем более на контурные напряжения, где органическое стекло практически не влияет на разность хода.

Сопоставляя и анализируя фотографии картин полос, можно отметить следующее.

1.Качественная картина полос в зоне хвостовика моделей мало зависит от вида нагружений и опираний.

2.При нагружениях по всем схемам (см. рис. 14) наблюдается

примерно параллельное расположение полос, что указывает на действие изгибающего момента, т. е. хвостовик коронки всегда находится в условиях внецентренного нагружения.

3. Действие усилий реакции со стороны направляющей втулки, одетой на хвостовик модели, распределяется неравномерно и в зна­ чительной степени зависит от схемы нагружения. Наибольшей

69

величины они достигают при эксцентричном опирании и нагруже­ нии (рис. 34, а).

4. Наличие шпоночного паза влияет на напряженное состояние конструкции и обусловливает появление двух зон концентрации напряжения {А и Б). Продувочные каналы (в исследованных пре­ делах) не вызывают серьезного изменения в картипе распределе­ ния напряжений.

5.Характер картин полос в головной части модели при оди­ наковом опирании, но при разных видах приложения нагрузок практически совпадает, различие в приложении нагрузок в зна­ чительной степени сказывается на напряженном состоянии хво­ стовика .

6.Эксцентричность в нагружениях весьма существенно влияет на величину коэффициентов концентрации напряжений во всех зонах. При нагружениях по схемам «106», «126» нулевая полоса проходит почти у промывочного отверстия, что соответствует дей­ ствию значительного изгибающего момента и как следствие по­ следнего — большие усилия реакции со стороны направляющей втулки На фотографиях полос для остальных схем нагружений нулевая полоса сдвинута в сторону, противоположную шпоноч­ ному пазу. На рис. 8 показана коронка К-100В с задирами в сред­ ней и верхней частях хвостовика и трещинами в галтели, что мо­

жет служить подтверждением наличия больших сил реакции в пневмоударнике и усталостного разрушения коронок при не­ симметричных нагружениях.

Для всех рассмотренных случаев нагружений отмечается кон­ центрация сжимающих напряжений в зонах А, Б и В , абсолютное значение которых зависит от вида опирания и приложения нагрзтзок, а для некоторых схем нагружений в зоне В' появляются рас­ тягивающие напряжения.

По величине ттах были построены эпюры контурных напряже­ ний (рис. 34, б), характеризующие распределения главных напря­ жений cTj н а 2, величины которых приведены в табл. 9. Наиболее нагруженная точка в зонах концентрации напряжений при раз­ личных схемах приложения сил и опираний всегда смещена от начала закругления в сторону большей площади сечения модели и заключается в пределах угла а = 10 -Ь25°. Она перемещается по радиусу перехода одного диаметра к другому в зависимости от величины отношения радиуса сопряжения к диаметру хвосто­ вика, с ростом значения этого отношения угол а уменьшается. В зонах повышенных напряжений {А, Б, В жВ') градиент напряже­ ний вдоль контура велик, его величина дополнительно исследова­ лась на плоских моделях.

Главные напряжения и ст2 на большей части контура модели являются сжимающими, однако неравномерность в начертании эпюр свидетельствует о резком различии напряженного состояния в целом и по зонам концентраций. Растягивающие напряжения действуют по контуру и по участкам, расположенным вблизи

70