Методика расчета максимальных напряжений в элементах соединений штанг при вращательно-ударном способе бурения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© А.Л. Саруев, Л.А. Саруев, 2012

А.Л. Саруев, Л.А. Саруев

МЕТОДИКА РАСЧЕТА МАКСИМАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ЭЛЕМЕНТАХ СОЕДИНЕНИЙ ШТАНГ ПРИ ВРАШАТЕЛЬНО-УДАРНОМ СПОСОБЕ БУРЕНИЯ

Построены номограммы, по которым удобно выбирать параметры новых ударных узлов с учетом амплитуд напряжений сжатия, формируемых в штанге при продольном ударе бойка. Методика расчета позволяет оценить величину наибольших эквивалентных напряжений в элементах соединений штанг.

Ключевые слова: импульс, боёк, штанга, номограмма, напряжения, сечение.

Ланная методика разработана на основе анализа литературных данных и результатов проведенных авторами конкретных исследований напряжений в различных резьбовых соединениях штанг при одновременном нагружении их ударными импульсами, крутящим моментом и осевым усилием подачи.

Амплитудные значения нормальных напряжений в буровых штангах при продольных ударах любым многоступенчатым бойком можно определить по формуле Ф. К. Арндта [3]. Например, для бойка двухступенчатой цилиндрической формы

V.

=

где

1 [1 + * +(1 - я!)]^Б^, (1)

Я = . (2)

Аб + Ат

я 2=А'-тАг' (3)

А2б + А1б

А1б — сечение первой ступени бойка, мм2; Аат — сечение штанги, мм2; А2б — сечение второй ступени бойка, мм2; Vб — предударная скорость бойка, м/с; а^- — скорость звука в материале штанги, м/с; Бцп- — модуль упругости материала штанги, Н/мм2.

В том случае, если предударная скорость бойка неизвестна, например, при проектировании новых ударных узлов,

формулу Ф. К. Арндта можно привести к виду о - ['+9 ■ ♦(' -9'2 )' ], (4)

где Р00 — давление сжатого воздуха в сети, Н/мм2; Ау — сечение полости ствола ударного узла, мм2; Бб — ход бойка, мм; тб — масса бойка, кг; К1 — коэффициент потерь энергии, учитывавший степень наполнения цилиндра сжатым воздухом, механические потери, а также изменение температуры сжатого воздуха при оптимальных режимах работы пневматического ударного узла, который для приближенных расчетов можно принимать 0,5—0,55 [4].

Для упрощения расчетов параметров новых пневматических ударных узлов и максимальных напряжений сжатия, создаваемых ими в буровых штангах, построены номограммы.

Известные работы [4, 5, 6] были посвящены расчету по номограммам только основных параметров пневматических бурильных, отбойных и рубилъно-клепальных молотков. Расчет параметров ударных узлов и напряжений в штангах предполагается строить на основе формул (4) и (5)

= К1Р0 АуБ6 = , (5)

где Wy — кинетическая энергия бойка, Дж.

При построении номограмм принято: Р0 = 0,49 МПа; К = 0,5; аип= 5100 м/с; ЕШТ = 2,06.102 Н/мм2, а также скорости бойка от 5 до 21 м/с) выбраны по ряду предпочтительных чисел. Интервалы значений конструктивного хода бойка выбраны на основании существующих ударных узлов бурильных машин.

Для приведенных формул (4) и (5) удобно применить номограммы из выравненных точек с логарифмическими шкалами [7].

Построение номограммы (рис. 1) производится по формуле (5). Для удобства пользования номограммой в формуле (5) представим сечение полости ствола ударного узла через его диаметр и после преобразований получим

Рис. 1. Номограмма для определения диаметра ствола ударного узла

А =.

Б.

(6)

Подставляя принятые значения энергии удара и конструктивного хода бойка, получим расчетные значения диаметра цилиндра ударных узлов.

Вторую номограмму (рис. 2) также строим по формуле (5), представленной в виде

2

К2

(7)

По заданным параметрам энергии удара и предударной скорости находим массу бойка.

Максимальную амплитуду напряжения сжатия в штанге при продольном ударе для бойков цилиндрической двухступенчатой формы определяем по номограмме (рис.3), построенной по формуле

- , (8)

тб =

ШТ

Рис. 2. Номограмма для определения массы бойка ударного узла

ФгФсож£\

2) мм

230 -с т/ 07

"ко*

/50-С - - /. О 2 ~ --/.О

/ЗО -

//о -К 100

9080-

70-64--

0.98 0.96

-

-0.92 - - 0.9 --0.88 --0.86 О. 84

75 \ \0.82 0.8

--0.74 60± ±0723

\4><54=С0/?5£

<Э /0*М/А/Л/2 М/С Т ЗО 8.0 - 7.0

Ф 32=С0/75£

--0.78 0.7 6

т г* /8

--6.0 5 О 4.0

-з.о

2.5

2.0

--/7 /5

/5 /2

9 - 8 -7

-6

-5

Рис. 3. Номограмма для определения максимальной амплитуды напряжения сжатия при продольном ударе бойком цилиндрической двухступенчатой формы

Рис. 4. Номограмма для определения максимальной амплитуды напряжений сжатия при продольном ударе бойком цилиндрической формы

где у [1 + 91 + ( - ) ].

2

В формулах

(9)

91 =

Аб - Ак

А1б + А

и 91 =

А2б - А1б А2б + А1б

представим сечение А через диаметр для облегчения расчетов по принятым параметрам

91

92

41б - 4

4 2 + 41

42б - 412б

4 2б + 41б

(10)

(11)

Максимальную амплитуду напряжения сжатия в штанге при продольном ударе для бойков цилиндрической формы определяем по номограмме (рис. 4), построенной по формуле

а

max

max

(12)

где El = -2 (1 + g!).

(13)

Следует заметить, что в номограммах (рис. 3) и (рис. 4) введена шкала диаметров полости ствола для определения - и -1. Зная - и -1 по диаметру полости ствола и скорости бойка, легко найти максимальную амплитуду напряжения в штанге.

Таким образом, построенные номограммы позволяют быстро выбирать параметры новых ударных узлов с учетом амплитуд напряжений сжатия в штанге при продольном ударе.

1. Плетнев Л.Д., Алексеев В.Ф., Микитась А.П., Глушенко B.C. Новые шахтные бурильные установки / Горный журнал, №10, 1999. — С. 45—46.

2. Динамические процессы и напряжения в элементах резьбовых соединений буровых штанг при вращательно-ударном нагружении: — монография / А.Л. Саруев, Л.А. Саруев; Томский политехнический университет. — 2-е изд. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. — 101 с.

3. Arndt F. K. Der Schlagablauf in Kolben und Stenge beim Schlagenden Bohren Glückauf, 1960. — Heft 24. — S. 1516—1524.

4. Горбунов В.Ф. Исследование рабочих процессов и вибрации пневматических молотков: Автореф. дис. на соиск. учен. степени д-ра техн. наук — Томск, 1964. — 32 с.

5. Алимов О. Д. Исследование машин для бурения шпуров в породах средней и высокой крепости: Автореф. дис. докт. техн. наук. — Томск, 1959. — 32 с.

6. Бегагоен И.А., Дядюра А.Г., Бажал А.И. Бурильные машины. — M.: Недра, 1972. — 368 с.

7. Гавра Д.Л. Основы номографии с примерами из машиностроения. — М. — Л.: Машгиз, 1962. — 163 с. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Саруев А.Л. — кандидат технических наук, доцент, e-mail: [email protected], Саруев Л.А. — доктор технических наук, профессор, e-mail: [email protected], Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Институт природных ресурсов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

д