CC BY
7УДК 622. 24.051
ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗКИ МЕЖДУ ПОДШИПНИКАМИ ОПОРЫ ШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФОТОУПРУГОЙ МОДЕЛИ
INVESTIGATION OF THE DISTRIBUTION OF LOAD BETWEEN THE BEARINGS SUPPORT ROLLER CONE BIT WITH PHOTOELASTIC MODEL
В. А. Шмьчспкчж
V. A. Pyalchcnkov
Тюменский .'осударственнын нефтегачовый университет,,'. Тюмень
Оптимизация конструкции вооружения и опорных узлов буровых шарошечных долот невозможна без знания основных закономерностей распределения нагрузки по элементам вооружения и опорных подшипников. Изучению этих закономерностей посвящено значительное количество экспериментальных и аналитических исследований. С участием автора разработаны и получены авторские свидетельства на изобретения на устройства для измерения нагрузок, действующих на элементы вооружения 111 и опорных подшипников |2| шарошечного долота. Распределение нагру зки между подшипниками опоры шарошки зависит, в частности, от расстояния между линией действия вертикальной равнодействующей реакции забоя на шарошку и осью скважины (радиус приложения нагрузки Я).
Для иллюстрации характера данной зависимости был использован один из наиболее современных наглядных методов исследования действительного напряженного состояния сложных конструкций — поляризационно-оптический метод |3|. Этот метод основан на свойстве некоторых материалов, называемых оптически-чувствительными. становиться двоякопреломляющими при деформации под действием нагрузки. Из оптически-чувствительного материала изготовлена плоская модель шарошечного узла, размеры которой соответствовали действительным размерам опорных элементов долота Ш215.9К-ПВ. На рис. I представлена схема приспособления ятя закрепления и нагружения плоской модели шарошечного у з-ла. Нагружснис модели / осуществляется сменными грузами 2 через рычажную систему 3.
Ключевые слова: бурение, долото, шарошка, опора, нагрупка Key words: drilling, drill bit, cone bearing, the load
№ lf 2014
57
Положение точки приложения усилия к модели шарошки можно изменить, перемещая нагрузочное устройство в пазу корпуса приспособления 4. Поляризованный свет, проходя через нагруженную модель, разлагается на когерентные волны. Они проходят модель с разной скоростью, зависящей от главных напряжений аъ и <7,, чувствительности материала и от длины волны монохроматического света. Различные скорости приводят к разности хода двух волн Я,, связанной с главными напряжениями в материале модели зависимостью
Я, = с - /(сг, -<т2), (I)
где с — постоянная, зависящая от свойств материала; / — толщина модели.
Рис. I. Схема приспособления для мкретения и погружения плоской фопюупругой модели шарошечного учла
Зависимость (1) можно представить в виде
(сг,-а2)=т-п,
где т — порядок полосы; п — цена полосы.
В местах, где т = О, 1,2 — на экране будут наблюдаться темные части, а где
т = — • — — наиболее освещенные места.
2' 2
Цена полосы может быть определена тарировкой. Таким образом, при помещении плоской прозрачной модели в поле кругового полярископа на экране появится система темных линий, называемых изохромами или полосами. Каждая полоса представляет собой геометрическое место точек, имеющих одинаковую разность главных напряжений. Исследования проводились на поляризационно-оптической установке ППУ-5. Полученные картины полос фотографировались. При различных вариантах нагружения было установлено, что нагрузка, действующая на модель шарошки, воспринимается только телами качения (шариком и роликами), расположенными со стороны приложения нагрузки. Тела качения, расположенные с противоположной стороны цапфы, нагрузку не воспринимают и на экране все время остаются темными. Поэтому в дальнейшем будем приводить картину полос только для нагруженной части модели узла шарошки. На рис. 2 приведена картина полос модели при нагрузке Р = 300 Н, радиусе приложения нагрузки Я - 70 мм. Стрелка показывает место приложения и направления действия нагрузки. При И = 70 мм линия действия нагрузки проходит приблизительно через центр шарика.
58
Нефть и газ
№ 1,2014
г
Рис. 2. Картина по:юс модели шарошечного угла при К = 70 мм
Для определения всех составляющих тензора напряжений в разных точках модели кроме цены полосы изохром необходимо знать направления главных напряжений. определяемые по картине изоклин. Так как целью настоящего эксперимента являлась лишь качественная оценка распределения нагрузки между подшипниками опоры шарошки при изменении радиуса приложения нагрузки, то мы ограничились лишь рассмотрением картины полос.
Нагруженность каждого подшипника можно оценить по порядку полосы в наиболее нагруженных точках моделей тел качения (роликов и шарика). В представленном случае (см. рис. 2) нагружены все три модели тел качения. Наибольшая разница главных напряжений возникает в центре модели шарика, где порядок полосы составляет т - 5.5. Меньший порядок полос наблюдается у моделей роликов (/?/ = 1.5 у малого ролика и т = 1.3 у большого ролика). Рассмотрим, как же будет изменяться напряженное состояние моделей тел качения при изменении радиуса приложения нагрузки. На рис. За. б показаны картины полос при радиусах приложения нагрузок соответственно 45 и 95 мм. При Л = 45 мм большой ролик нагрузку не воспринимает. В центре модели малого ролика порядок полосы т = 3. а в центре шарика т - 3.5.
(б)
Рис. 3. Картина полос моде, ш шарошечного учла при Я = 45 мм (а) и Я = 95 мм (0)
№ 1, 2014
Нефть и газ
59
При увеличении радиуса до Н = 95 мм нагрузка на малый шарик остается приблизительно такой же. как и при Я = 45 мм. По направлению полос модели шарика можно проследить, как изменяется угол контакта шарика с цапфой и шарошкой при изменении радиуса приложения внешней нагрузки. Когда линия действия внешней силы проходит примерно через центр шарика (см. рис. 2). то угол контакта шарика с телом шарошки будет наименьшим, равным около 59". При перемещении точки приложения нагрузки к оси долота и к периферии происходит увеличение угла контакта. При радиусе приложения нагрузки N = 45 мм угол контакта становится равным 72". Проследим, как изменяется характер нагружснности подшипников при перемещении линии действия силы вблизи радиуса И = 71 мм. На рис. 4 а. б показаны картины полос при N = 66 и N = 77 мм. Если сравнить приведенные на этих рисунках фотографии картин полос с фотографиями картины полос на рис. 2. то можно заметить, что при незначительном изменении радиуса в этой области происходит значительное перераспределение нагрузки между телами качения. Например, при уменьшении радиуса от 70 до 65 мм порядок полосы в центре большого ролика уменьшается с 1.3 до 0.5. Одновременно порядок полосы в центре шарика снижается до 3.5. а в центре малого ролика повышается до 3.6. При увеличении радиуса приложения нагрузки с 70 до 75 мм происходит снижение порядка полосы в центре малого ролика с 1.5 до 0.5. Изменение порядка полос для остальных тел качения не столь значительно.
(б)
Рис. 4. Картины по.юс моде.1п шарошечного уч:ш при R= 65 мм (а) и JR= 75 мм (0)
Это объясняется тем. что при данном радиусе приложения внешней нагрузки линия се действия проходит через центр шарика, и поворота шарошки на цапфе не происходит. При этом имеет место наибольшая контактная жесткость подшипникового узла, так как нагрузка воспринимается одновременно всеми тремя подшипниками. При перемещении точки приложения внешней нагр> зки вправо или влево на 5 мм и более происходит поворот шарошки вокруг нижнего шарика, приводящий к перераспределению нагрузки между подшипниками. Нагрузка воспринимается в основном только двумя подшипниками, что снижает контактах ю жесткость. Кроме того, при увеличении радиуса приложения нагрузки более 70 мм происхо-
60
Нефть и газ
№ 1, 2014
дит перемещение к внешнему краю большого ролика равнодействующей реакции, воспринимаемой данным роликом. Это также уменьшает контактную жесткость в большом роликовом подшипнике и снижает общую вертикальную жесткость шарошечного узла при больших радиу сах приложения внешней нагрузки.
Приведенные результаты качественного анализа распределения нагрузки между подшипниками опоры шарошки вполне согласуются с результатами экспериментального исследования вертикальной жесткости шарошечного узла [4]. Максимальная вертикальная жесткость шарошечного узла имеет место при Л = 70 мм. и венец шарошки, расположенный на данном радиусе, будет воспринимать наибольшую вертикальную нагрузку Следовательно, при разработке схемы поражения забоя необходимо по возможности не располагать элементы вооружения на данном радиусе.
Отсок литературы
1. Фрохт М. М. Фотоупругость. Т. 1. - М.: Гсхтехюдат, 1948. - 432 с.
2. Пяльченков В. А. Устройство для исследования шарошечного долота Виноградов В. Н.. Короткое В. А., Пашков А. Н„ Брашн А. Ф.: А. с. № 840268. - 1981. - Б. И. - № 23.
3. Пяльченков В. А. Устройство для измерения нагрузки на опорные подшипники шарошечного долота / Брагин А. Ф., Боднарчук В. А., Жуков Г. В., Басанов Ю. И., Дрогомнрецкнй Я. Н.: А. с. № 1474251. - 1989. - Б. И. -№ 15.
4. Пяльченков В. А. Повышение работоспособности шарошечных долот путем рационального распределения нагрузок по элементам вооружения. Дис, - М. 1983. - 216 с.
Сведения об авторе
Пяльченков Владимир Алексеевич, д. т. н.. доцент кафедры «Прикладная механика» ТюмГНГУ. Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)200790. e-mail: pial228%глтЫег. г и
Piafchencov V. А.. Doctor of Technical Sciences, the assislant Professor ofxhe cluvr «Applied mechan-ics? Tyumen Stale Oil and Gas University, phone: 8(3452)200790, e-mail: pial228@rambler.ru
