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

Результаты исследования напряженного состояния объемной модели четырехлопастной коронки с опережающим лезвием (приведенные пиковые напряжения — ггпр 11 коэффициенты концентрации напряжений — <ха).

/ к в =13,81 см2, р п р = Г)00 кге, Он —36,05 кгс/см^

71

контура хвостовика, при эксцентричном нагружении. В этом слу­ чае, точно так же, как и в случае центрального приложения на­ грузки к хвостовику, по при несимметричном опираиии рабочей части головки, за счет действия изгибающих моментов появляются растягивающие напряжения а,.

Сопоставив результаты исследования объемной модели ЭМ-1 можно выделить три группы нагружений, характеризующиеся подобным напряженным состоянием. К первой группе относятся нагружения по схемам: «101», «102», «121», и «122», ко второй — нагружения по схемам: «103», «105», «123» и «125» и к третьей — «104», «106», «124» и «126». Группы выбраны условно и составлены с учетом постепенного увеличения пиковых напряжений в зонах концентраций при переходе от низшей группы к последующей.

Первая группа нагружений при осевом приложении нагрузок характеризуется относительно небольшими величинами пиковых напряжений и относительно равномерным распределейием их по зонам концентраций. Коэффициенты концентрации напряжений, при эксцентричном нагружении, в некоторых зонах достигают 4,41. При симметричном опирании и нагружении («101» и «102») значения пиковых напряжений 0 пр по всем зонам концентрации напряжений отличаются незначительно, за исключением зоны В' при нагружении по схеме «102», где коэффициент концентрации равен 2,95. Сопоставляя напряженное состояние модели, полу­ ченное при нагружениях «101» и «102», видно, что приложение спл по схеме «102» вызывает незначительное увеличение пиковых напряжений в зонах В и В'. Причем величина напряжений в зоне В' при нагружении «102» превосходит соответствующие значения, полученные по схеме «101» на 40%.

В случаях эксцентричного (эксцентриситет в сторону шпоноч­ ного паза) приложения нагрузки («121» и «122») наблюдается рез­ кое возрастание напряжений во всех зонах, за исключением зоны В', здесь они уменьшаются почти в 2,0—2,5 раза. В зоне А для обеих схем нагружений коэффициент концентрации увеличивается более чем в 2 раза и достигает своего максимального значения — 4,41 при нагружении по схеме «121». В зонах Б жВ пиковые на­ пряжения увеличиваются примерно на 60—80%. В зоне В , при нагружении по схеме «122», коэффициент концентрации напряже­ ний на 25% выше соответствующего значения для нагружения «121». Зона В' при эксцентричных нагружениях имеет небольшие напряжения (коэффициент концентраций меньше 1), но здесь проявляется одна особенность коронок данного типа. Примерно на уровне шпоночного паза в районе зоны В' появляются растя­ гивающие напряжения, т. е. хвостовик коронки, даже при симмет­ ричном контактировании головки, подвержен действию знако­ переменных напряжений, величина которых зависит (в данном случае) от величины эксцентриситета в приложении нагрузок. При контактировании модели на четыре лезвия (без опережагошего) происходит увеличение пиковых напряжений па 25 -^30% в зо­

72

нах В и В' соответственно при эксцентричном и осевом приложе­ нии нагрузок, по сравнению с оппраиием на все лезвия.

Для нагружении второй группы характерно довольно резкое увеличение значений коэффициентов концентрации в зонах В

иВ а в зонах А и Б , наоборот, незначительное уменьшение, по сравнению с аналогичными зонами концентрации напряжений первой группы при идентичных нагружениях. При симметричных нагружениях по схемам «103» и «105» в зонах В жВ' пиковые на­ пряжения увеличиваются соответственно на 40 и 50%, по сравне­ нию с нагружениями «101» и «102», а в зонах А и Б коэффициенты концентраций при нагружениях по тем же схемам остаются почти постоянными (среднее отклонение не превышает 5%). Из сопоста­ вления результатов, полученных по схемам «103» и «105», видно, что для нагружения «105» характерно повышение пиковых на­ пряжений в зонах В жВ' соответственно на 45 и 25%.

При эксцентричном приложении нагрузок (нагружения «123»

и«125») наблюдается уменьшение значений коэффициентов кон­ центрации в зонах А и Б, по сравнению с аналогичными нагруже­ ниями и зонами первой группы. Для зоны А это уменьшение со­ ставляет 18 л- 20%, а для зоны Б около 30%. Иная картина на­ блюдается в этом случае в зонах В жВ'. В первой происходит увеличение коэффициента концентрации на20-|-30%, а во второй в 2,58 раза при нагружении «123» и в 3,32 раза для — «125». Эксцентричное нагружение так же, как и для нагружений первой группы, вызывает резкое возрастание напряжений, по сравнению с осевым приложением силы, во всех зонах, кроме зоны В', где пиковые напряжения уменьшаются. Однако изменение значений аа второй группы для осевого и эксцентричного нагружений со­ ставляет: А — 88 и 80%, Б — 52 и 60%, В — 23 и 18%, В' — 25 и 20% (соответственно для нагружений по схемам «123» и «125»). Сопоставляя напряженные состояния модели при нагружениях «123» II «125» можно отметить, что в зонах А и Б коэффициенты концентрации напряжений отличаются незначительно, а в зонах В жВ' при нагружении по схеме «125» наблюдается увеличение их соответственно на 38 и 28%.

По результатам анализа напряжений в модели при выполнении

нагружений двух групп можно отметить.

1. Напряжения в зонах В жВ' при симметричных нагружениях второй группы, по сравнению с первой, возрастают на 40-f-50%.

2.В зоне В' происходит изменение значений коэффициента концентрации напряжений и знака апр в зависимости от схемы приложения усилия к хвостовику и опирания головной части модели.

3.Пиковые напряжения в зонах В жВ' при опирании на два

боковых лезвия выше, чем при опирании на три лезвия.

Для схем «104», «106», «124» и «126» (третья группа) характерно наиболее неравномерное распределение пиковых напряжений по всем зонам концентрации. Так, в зоне В при нагружении «126»,

73

пиковое напряжение превышает в 10 раз номинальное напряжение, а в зоне В' коэффициент концентрации равен 0,С5 для нагружения по схеме «104». Зона А данной группы испытывает напряженное

(осевой п эксцентричной) наблюдается повышение пиковых напря­ жений на 10—15%.

При осевом приложении нагрузок в зонах Б, В и В' отмечается повышение пиковых напряжений, по сравнению с аналогичными зонами предыдущих групп, причем, очень важно отметить, в зоне В' напряжения противоположного знака. Величина последних при нагружении по схеме «104» незначительная (коэффициент концентрации «о — 0,65), но для нагружения «126» растягивающее напряжение превосходит номинальное в 3,94 раза. Значение а0 при нагружении по схеме «104» в зоне Б увеличивается на 60— 70% , по сравнению с подобной зоной для нагружений предыдущих групп, но при нагружении «106» эти значения увеличиваются бо­ лее чем в 3 раза. Величина пиковых напряжений в зоне В при нагружении «104» примерно равна аналогичной зоне нагружения «105», однако сильно возрастает при нагружении по схеме «106». В этом случае коэффициент концентрации равен 9,82, что более чем в 5 раз выше напряжений подобной зоны первой группы и в 3 раза превосходит напряжения второй группы. Кроме того, при нагружении «106» пиковые напряжения в зонах Б, В и В' выше

в значениях сг по зонам концентрации напряжений еще более уве­ личивается. В зоне Б для нагружения «124» а0 == 3,28, что близко значениям соответствующей зоны при нагружениях по схемам «121» и «122», но на 45% больше соответствующих значений при нагружениях «123» и «125». Максимальное значение коэффициента концентрации для этой зоны, равное 5,22, имеет место в нагруже­ нии по схеме «126». Приведенные напряжения в зоне В при нагру­ жении «124» имеют примерно равные значения с нагружением «125» (а0 соответственно 3,94 и 4,27), но для нагружения по схеме «126» коэффициент концентрации возрастает и достигает своего максимального значения —10,8. В зоне В' для нагружений «104» и «124» значения коэффициентов концентраций близки соответ­ ствующим значениям при нагружениях по схемам «121» и «122», однако они возрастают в нагружении «106», что еще более усу­ губляется при нагружении «126», где коэффициент концентрации

емной модели ЭМ-1, свойственное рассмотренным группам нагру­ жений можно сказать.

1. Самое опасное нагружение модели .— при опирании на одно боковое лезвие, в этом случае отмечается большая неравно­

74

мерность в распределении напряжений по зонам концентрации (сгпр изменяется от —390 кгс/см2 до +159 кгс/см2).

2. Материал коронок в зонах с высокой концентрацией напря­ жений (Б, В и В') при нагружениях по схемам «106» и «126» под­ вержен действию напряжений разного знака (рис. 27, 33). Это сказывается на усталостной прочности инструмента и может при­ водить к образованию трещин. Трещины на хвостовике коронки не могут быть вызваны только напряжениями сжатия, которые бывают при симметричных схемах опирания и нагружения, а свя­ заны с наличием концентрации напряжений и знакопеременного цикла, вызываемого несимметричностью нагружений.

В результате исследования объемной и плоских моделей четырехлопастиой коронки с опережающим лезвием установлено, что характер напряженного состояния вклейки объемной модели качественно совпадает с характером напряженного состояния со­ ответствующей плоской модели. Это позволило дополнительно выяснить влияние различных геометрических факторов, вариация которых проводилась на плоских моделях.

На основании проведенного исследования можно отметить.

1.Наличие шпоночного паза и галтели ослабляют конструк­ цию. Промывочные каналы (для исследованных случаев) не вызы­ вают дополнительных перераспределений напряжений.

2.Величина коэффициента концентрации напряжений в зо­ нах А, Б, В жВ' зависит как от радиуса закруглений в каждой зоне, так и от схемы нагружений.

3.Концентрация напряжений в зонах сопряжения шпоночного паза увеличивается с увеличением его глубины.

4.Коэффициенты концентрации напряжений изменяются в за­ висимости от зоны и схемы нагружений в следующих пределах:

а) зона А — минимальное значение при нагружении по схеме «101», равное 1,91, и максимальное при нагружении «122» — 4,41; б) зона Б — наименьшее отклонение напряжений от номиналь­ ного нагружения «103» в 1,4 раза, наибольшее при нагружении «126»

в5,22 раза;

в) зона В — самое большее значение коэффициента концентра­ ции, равное 10,8, бывает для нагружения «126», а минимальное 1,80 для нагружения по схеме «101»;

г) для зоны В' характерно наличие двух пределов (max и min) значений пиковых напряжений, что связано с напряжением разного знака. Растягивающее напряжение имеет наибольшее значение при нагружении «126» и наименьшее при нагружениях «104» и «124» (коэффициенты концентрации соответственно — 4,43; 0,65; 0,65). Сжимающее напряжение максимально в случае нагружения по схеме «105» и минимально при нагружении «121» (коэффициенты концентрации — 3,94 и 2,08).

5. Наиболее опасными, из исследованных случаев нагружений моделей, являются зоны:

а) В ', где действуют пиковые напряжения разного знака,

75

превышающие номинальное напряжение в 3,94 (напряжения сжа­ тия) и 4,43 раза (растягивающие напряжения);

б) Б и В, где действуют сжимающие напряжения (при данных схемах нагружений), но коэффициент концентрации достигает

—10,80.

6.Наличие опережающей лопасти при контактировании к ронки благотворно сказывается на' напряженном состоянии кон­ струкции, коэффициент концентрации напряжений в этом случае ниже по сравнению с подобными нагружениями, но без контакти­

коронки. Для этого можно рекомендовать следующие мероприятия: 1) сблизить диаметры (рис. 35) рабочей части инструмента D и его хвостовика d для уменьшения величины изгибающего момента

при несимметричных погружениях;

2)использовать разгружающее действие выкружек для умень­ шения главных напряжений в зоне В, что может быть достигнуто постановкой кольцевой шпонки и экспериментальным подбором расстояний между зонами Б жВ, отвечающим минимально воз­ можным напряжениям в этих зонах;

3)предусмотреть выполнение более плавных сопряжений хво­ стовика и головной части коронки 7?3, шпоночного паза с хвосто­ виком Л , и й 2 и уменьшение глубины шпоночного паза К, или перейти на симметричное крепление коронок;

4)путем варьирования геометрических параметров (L , D, сі,

76

ходимо предусмотреть упрочнение материала в зонах концен­ траций.

Напряженное состояние моделей ЭМ-1 и ЭМ-3 (табл. 10) при одинаковых схемах нагружений практически идентично, т. е. с точки зрения прочности корпуса таких коронок являются эквивалентными. Преимущество какому-либо типу коронок может быть отдано только на основании сопоставления других факторов (производительность, себестоимость, поведение при проходке скважин в трещиноватых породах и др.).

Характер напряженного состояния моделей ЭМ-4 (коронка К-28) и ЭМ-3 (коронка К-17) аналогичен. Однако следует отметить, что в первой — величина max значения меньше. Это пониже­ ние вызывается меньшим влиянием изгибающего момента, так как в ЭМ-4 разница между величинами диаметров хвостовика и го­ ловки меньше, что способствует снижению значений эксцентриси­ тета приложения нагрузки при опираиии коронки на одно лезвие. Дальнейшее сближение величии диаметров хвостовика и головной части коронки нецелесообразно, в коронке К-28 по сравнению с коронкой К-17 опасная, наиболее нагруженная точка, переме­ стилась из зоны В в зону Б.

Коронка типа «однолезвийное долото» П-150 (ЭМ-5). Буро­ вой инструмент П-150 представляет собой плоскую деталь (хво­ стовик и головная часть коронки). В настоящее время он выпус­ кается мелкими партиями и непосредственно как буровой инстру­ мент не заслуживает особого внимания, но как экспериментальная модель довольно интересен. Закономерности распределения на­ пряжений, полученные экспериментально, могут быть использо­ ваны при последующих разработках конструкций износостойких буровых коронок. Конструкция данного типа инструмента (однолезвишюе долото) позволила провести исследование напряженного состояния с использованием только плоских моделей, так как долото при приложении нагрузки в эксплуатационных условиях на большей своей части находится в условиях плоского напряжен­ ного состояния. Это справедливо в том случае, если не принимать во внимание незначительное влияние «объемного эффекта» (возни­ кающего в зонах концентрации напряжений, геометрические раз­ меры которых соизмеримы с толщиной детали). Однако М. Фрохт показал, что в местах резкого изменения формы плоских элементов возникают в основном только дополнительные напряжения аг (ось z перпендикулярна плоскости модели), которые не влияют на величину оптической разности хода при нормальном про­ свечивании плоской модели. Это обстоятельство позволяет достаточно точно определить важные, с точки зрения проч­ ности, значения компонент напряжений, действующих в пло­ скости детали.

77

Плоская модель ЭМ-5а. Экспериментальная модель ЭМ-5а представляет собой модель, контур которой подобен контуру долота 11-150 (М = 1 : 2), выполненного без шпоночного паза.

Картины полос и изоклин, характерные для каждой схемы нагру­ жения, фотографировались при просвечивании модели монохрома­ тическим светом, поляризованным по кругу (для картин полос). В результате анализа распределения ттах для модели ЭМ-5а

Рис. 36. Картина полос для плоской модели; ЭМ-5а при нагружении по схеме «22».

(рис. 'ЗЩ и направления действия главных напряжений о ( и о2

зона ■■сопряжения цилиндрической поверхности в хвостовике модели.

2. Напряженное состояние модели при опирании на одно лезвие * качественно не зависит от характера нагружения, что подтверждается однотипностью картин полос при нагружении по схемам «11» и «21а».

'* '©.ппраипе на половицулезтшя условии считалось оппраниеы на одно лезвие, а на всю длину лез-вяя — оппрашто на два лезвия.

7Э

3.При опирают модели на одно лезвие возникают значитель­ ные реактивные усилия со стороны направляющих хвостовика модели.

4.Напряженное состояние головной части модели при опира­ нію па два и одно лезвие мало зависит от характера приложения силы, но существеыпо изменяется с изменением схемы оппрапия

Рис. 37. Эпюры главных нормальных и касательных напряжении но се­ чению 1 —1 модели ЭМ-5а при нагружении по схеме «22».

а— главные напряжения, б — нормальные и касательные напряжения.

5.Напряженное состояние хвостовика модели зависит как от схемы приложения силы к хвостовику, так и вида оппрання го­ ловки.

На основании полученных картин полос построены эпюры кон­ турных напряжений, из анализа которых установлено, главные напряжения на протяжении всего контура модели являются сжи­ мающими. Эпюры имеют максимумы в зонах В и D. Для этих зон подсчитаны коэффициенты концентрации напряжений и значения приведенных (к поминальной нагрузке) пиковых напряжений (табл. И). За номинальную принималась нагрузка 500 кгс.

Для определения характера распределения напряжений внутри модели, по сечению I—I, с использованием зависимостей (2.4), (2.7) были подсчитаны главные, нормальные, касательные напря­ жения и построены эпюры (рис. 37). Сечение проведено через

80