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

наиболее нагруженные толки зоны В —В'. На эпюрах цифровые значения у ординат показывают величину напряжений для модели при заданной нагрузке, в скобках — значения напряже­ ний для натурной конструкции, приведенные к нагрузке 500 кгс.

По сечению величины касательных и первых главных напря­ жений незначительны, т. е. материал в этой зоне находится, при всех видах принятых нагружений, в условиях сжатия. На­ пряжения о2 по сечению I—I распределяются неравномерно, пиковые значения на концах сечения (вблизи контура модели). Нормальные напряжения ах и ау соизмеримы соответственно с главными er, и а 2 и имеют подобный им характер распределения по сечению.

Модель ЭМ-56. Модель ЭМ-56 представляет собой пластину, контур которой полностью совпадает с контуром коронки П-150 (М = 1 : 2).

Прц анализе картин полос (рис. 38, а) и изоклин модели ЭМ-56 установлено.

1. В модели имеются 4 характерные зоны концентрации на­ пряжений: А — зона верхнего сопряжения шпоночного паза с хвостовиком модели; Б — зона нижнего сопряжения шпоноч­ ного паза с хвостовиком модели; В к В' — зона сопряжения хвостовика с головной частью; D и D' — зона сопряжения направляющего цилиндра с хвостовиком.

2.Напряженное состояние модели при опирании па одно лезвие в условиях осевого и эксцентричного нагружений, при сме­ щении точки приложения силы в направлении нагруженного лезвия, качественно совпадают.

3.При нагружении по схеме «21а» (эксцентриситет в сторону

ненагружепиого лезвия) перераспределение напряжений происхо­ дит только в хвостовике модели.

4.При опирапии модели на одно лезвие возникают значи­ тельные реактивные усилия со стороны направляющих хвосто­ вика.

5.Для нагружения «12», осевое приложение силы при опирании на два лезвия, напряженное состояние модели значительно отли­ чается от напряженного состояния для нагружения по схеме «22» как в головке, так и в хвостовике.

6.Распределение напряжений в головке модели, для всех видов нагружений, более равномерное по сравнению с распределением напряжений в хвостовике модели.

По данным картин полос построены эпюры контурных напря­ жений. В отличие от модели ЭМ-5а, при опирании модели ЭМ-56 на одно лезвие на боковых участках контура (противолежащих

шпоночному пазу или противоположных нагруженному лезвию), в условиях осевого и эксцентричного нагружений, возникают растягивающие напряжения. Эпюры контурных напряжений для всех схем нагружений имеют максимумы напряжений в зонах А, Б, В и D . По максимальным значениям напряжений в этих зонах

были подсчитаны коэффициенты концентрации напряжений (см. табл. 11).

• Анализ данных табл. 11 показывает, что наиболее неблаго­ приятным для прочности инструмента данного типа является режим работы коронки при эксцентричном нагружении (схема «21»). Во всех зонах коэффициенты концентрации напряжений дости­

достигают и при опирании на два лезвия, но эксцентричном при­ ложении силы (схема «22»), В этом случае значения аа по зонам следующие: D — 5,06; А — 4,41; Б — 4,55 и В — 2,99.

Следует отметить, что коэффициенты концентрации напряже­ ний и в зоне В —В' моделей ЭМ-5а и ЭМ-56 практически совпадают.

Для изучения распределения напряжений внутри модели было произведено разделение напряжений вдоль сечений I—I и III—III (рис. 38, б).

Сечение I—I расположено аналогично соответствующему сече­ нию в модели ЭМ-5а и характеризуется подобным распределением напряжений.

Сечение III—III проходит через точку с максимальным значе­ нием напряжений в зоне Б нормально к продольной оси модели. В этом сечении первые главные напряжения, а также величина касательных напряжений, значительно меньше, по абсолютной величине, значений вторых главных напряжений о2 и материал конструкции на большей части сечения находится в условиях сжатия. Эпюры напряжений а2 характеризуются высокими гра­ диентами в зоне концентрации Б и имеют почти линейный харак­ тер распределения на большей части сечения. Нормальные напря­ жения ах и оу имеют значения, соизмеримые со значениями а 4 и а 2, и подобный последним характер распределения по сечению.

Известно, что при бурении скважин буровой инструмент под­ вержен действию различных видов нагрузок в сравнительно неболь­ шой промежуток времени t — (1,4—3,4)-ІО” 6 с [13, 16]. Это многообразие зависит от типа бурового инструмента (его конструк­ ции); типа пневмоударника; вида нагрузки, приложенной к ко­ ронке (осевая или эксцентричная); схемы контактирования инстру­ мента с буримой породой (по всем лезвиям, одному или части его); типа буримой породы (крепкая, весьма крепкая); чистоты прора­ ботки забоя скважин (наличие трещин, выступов и выемок от предыдущих ударов); режима бурения и т. п.

Поэтому, для более полного анализа напряженного состояния бурового инструмента были исследованы дополнительные схемы нагружений всех моделей. Например, для модели ЭМ-5 эти схемы отличаются от вышеразобранных только видом опираний голов­ ной части модели (см. рис. 16).

В процессе эксплуатации коронок обычно периферийные участки лезвий имеют наибольшие площадки притуплений, т. е..

85

инструмент в зависимости от проработки забоя скважин может опираться пе на полную длину лезвий, а только иа часть их, поэто­ му были выбраны следующие схемы нагружений:

«513» и «512» — симметричное нагружение, соответственно при опирании на три и две точки (по периферии лезвий);

«522» — эксцентричное нагружение при опирании на две точки по схеме «512»;

Рис. 39. Распределение сил в модели ЭМ-56 при нагружении но схеме «521».

а — картина полос, б — схема действующих сил.

Для контроля нагружения и равномерного распределения при­ ложений к модели нагрузки использовались предварительно про­ тарированные оптические динамометры. При опирании головки модели на две и три точки равномерное распределение достигалось получением одного порядкового номера полос в центре

цилиндрических динамометров, размеры которых и материал были одинаковы.

На основании анализа полученных картин полос можно отме­ тить.

1. Напряженные состояния модели для нагружений по схемам «513», «512» и «522» отличаются незначительно от напряженного

'86

состояния модели при нагружениях «12» и «22». Различие наблю­ дается только в головной части модели.

2. При нагружениях по схемам «511» и «521» (рис. 39, а)

вмодели реализуется очень сложное напряженное состояние, отличное от напряженного состояния, полученного при опирании модели на полную длину лезвий.

3.В случае контактирования модели по одной точке со сто­ роны направляющих хвостовика действуют большие усилия реак­ ций, значительно превосходящие реакции при нагружениях «11», «21» и «21а».

4.Аналогично, как и для нагружений при опирапии на всю длину лезвий, в зопах А, Б, В и D наблюдается сгущение полос, характеризующее концентрацию напряжений. Однако зона D—D

вэтом случае оказалась менее нагруженной, по сравнению с осталь­

ными, поэтому расшифровка данных по ней не производи­ лась.

5.Наибольшее сгущение полос имеет место в зоне Б.

6.В зоне В' появляются большие растягивающие напряжения

(нулевая полоса почти в центре модели).

7. При нагружениях по схемам «511» и «521» модель подвер­ гается влиянию значительного изгибающего момента.

По картинам полос, с учетом максимальных значений напря­ жений в зонах А, Б, В я В' были подсчитаны приведенные к на­ грузке 500 кгс пиковые напряжения и соответствующие нм коэффициенты концентрации напряжений (табл. 12).

Сопоставляя данные табл. 11 и 12, можно установить.

1. Значения коэффициентов концентрации напряжений по всем зонам концентраций для нагружений «513», «512» и «522» довольно близки соответствующим величинам (отклонения в пре­ делах 10—15/6), полученным по схемам «12» и «22». Исключение составляет зона В —В', где отклонение составляет 30^40% . Во все случаях значения аа больше при опирании головной части модели на часть длины лезвий.

2.При симметричном контактировании головки модели (схемы «512», «513» и «522») по контуру модели действуют только сжима­ ющие напряжения.

3.Нагружения по схемам «511» и «521» характеризуются боль­ шими значениями коэффициентов концентрации как растягива­ ющих, так и сжимающих напряжений, превосходящими в не­ сколько раз соответствующие величины по зонам концентраций для нагружений по схемам «11», «21» и «21а».

4.Самым опасным для прочности инструмента является режим работы коронки при нагружении по схеме «521». При этом нагру­ жении во всех зонах коэффициенты концентрации напряжений достигают наибольших своих значений и составляют: А — 7,70;

Б— 15,94; В — 6,85 и В' — 6,55. Причем, в зоне В' действуют растягивающие напряжения, величина которых в 6,55 раза пре­ восходит номинальное напряжение (пн — 13,51 кгс/см2).

8Т

Зоиа концентрации напряжений

П р и м е ч а н и е . *) Значении стк по всем зонам концентрации напряжении п для всех схем приложения силы.

5. Значения приведенных пиковых напряжении по зонам А, Б, В я В' прп нагружениях по схемам «511» и «521» превосходят соответствующие значения для нагружений модели по схемам «11»

Как было отмечено, при эксцентричном нагружении в моделях имеет место сложное напряженное состояние, а в направляющих хвостовика, в результате действия изгибающего момента, появ­ ляются большие реактивные усилия.

— //jv~ R sin а-\-Ны —0; TM-\-R cos a-j- TN—P = 0;

У, A'Js — H ^ n - T Nt„-\-Pp— — TMt1— IIмт = 0.

Полагая, что вертикальные составляющие реакций равны

Тм —ІИм и ТN —fHNi

где / — коэффициент трения.

Получим

Величина составляющих сил реакции зависит как от геометри­ ческих параметров бурового инструмента, так и схемы его нагру­

износу молотка и хвостовика коронки и вызывают задиры на цилиндрических поверхностях контакта между ними. Сила трения

1.Наибольшие значения напряжений в зоне нижнего сопря­ жения шпоночного паза с хвостовиком долота.

2.Материал головной части коронки на большей своей площади подвержен действию относительно малых напряжений.

3.Наиболее неблагоприятный режим работы инструмента при контактировании головки на одно лезвие или часть его. В этом случае имеет место максимальная концентрация напряжений по-

Б9

всем зонам, а на стороне, противоположной нагруженному лез­ вию, возникают растягивающие напряжения.

4.Наличие напряжений разного знака, действующих по кон­ туру хвостовика коронки, значительно усложняет работу кон­ струкции, так как материал подвержен действию знакоперемен­ ных напряжений.

5.При нагружениях по схемам «11», «21а», «21», «511», «521» возникают силы реакции со стороны пневмоударника, последние способствуют появлению задиров па хвостовике, повышенного его износа и поломок;

Рис. 40. Картина полос для вклейки объемной модели ЭМ-6,

а — нагружение по схеме «624»; б — нагружение по схеме «G33».

Для уменьшения концентрации напряжений можно рекомендо­ вать проведение следующих мероприятий.

1.Уменьшить глубину шпоночного паза п предусмотреть более плавные сопряжения его с хвостовиком, особенно нижнего сопряжения паза.

2.Изменить форму перехода от хвостовика коронки к ее го­

ловке, используя выход сопряжений, с выборкой материала,

вменее нагруженной части головки.

3.Для уменьшения изгибающего момента при опиранип коронки на периферийные участки лезвий и более равномерного распределения нагрузки по корпусу и лезвиям, необходимо выпол­ нить головную часть коронки трехили четырехлопастной.

Конструкция типа ЭМ-6. Объемная модель типа ЭМ-6 (Х-образ- ная, с центральным продувочным каналом в хвостовике и боковыми

90