CC BY
15
- © А.Л. Саруев, 2014
УДК 622.233
А.Л. Саруев
РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЙ В РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЯХ ШТАНГ ПРИ ВРАЩАТЕЛЬНО-УДАРНОМ БУРЕНИИ ПОДЗЕМНЫХ СКВАЖИН МАЛОГО ДИАМЕТРА
Методика расчета позволяет оценить величину наибольших эквивалентных напряжений в элементах соединений штанг. Определены нормальные напряжения в буровой штанге при продольном ударе бойка. Предложены формулы для расчета максимальных нормальных напряжений, возникающих в нарезанной части штанги, в муфте (ниппеле) при вращательно-ударном бурении. Определен опытный коэффициент, учитывающий отношение максимальной растягивающей силы, возникающей в ниппеле (муфте) при продольном ударе, к максимальной статической растягивающей силе, возникающей в ниппеле (муфте) при довинчивании буровых штанг в процессе нанесения ударов и действия крутящего момента, полученной расчетным путем. Подобран коэффициент потерь энергии, учитывающий степень наполнения цилиндра сжатым воздухом, механические и др. потери при оптимальных режимах работы пневматического ударного узла.
Ключевые слова: импульс, боек, штанга, номограмма, напряжения, сечение, жесткость.
При вращательно-ударном нагружении резьбовых соединений штанг возникают нормальные и касательные напряжения, а также напряжения изгиба. Максимальные нормальные напряжения в буровой штанге при продольном ударе можно определить по методике, изложенной в работе Ф. Арндта [1].
В случае, если предударная скорость бойка неизвестна, например, при проектировании новых ударных узлов, то формулу Ф. Арндта (для бойка двухступенчатой цилиндрической формы) можно привести к виду
_[1+31+(1-^ ] (1)
где Р0 - давление сжатого воздуха в сети; Лу - сечение полости ствола ударного узла; - ход бойка, представляющий разность между длиной полости цилиндра (за вычетом длины хвостовика инструмента) и длиной ударника; т8 - масса бойка; К1 - коэффициент потерь энергии, учитывающий степень наполнения цилиндра сжатым воздухом, механические и др. потери при оптимальных режимах работы пневматического ударного узла, который для приближенных расчетов можно принимать равным 0,5... 0,55; £шт - модуль упругости; ашт -скорость звука в материале штанги;
д = Л18 - Лшт
1 А18+ Л. , (2)
Л18 - сечение первой ступени бойка; Л - сечение штанги;
= Л28 - Л18
А + А
Л28 + Л18 (3) Л28 - сечение второй ступени бойка. 352
Для упрощения расчетов параметров новых пневматических ударных узлов и максимальных напряжений сжатия в буровых штангах при продольном ударе по формуле (1) построены номограммы.
Максимальные нормальные напряжения, возникающие в нарезанной части штанги, в муфте (ниппеле) при вращательно-ударном бурении, можно определить по формулам:
а) в нарезанной части штанги (для бойка двухступенчатой цилиндрической формы)
' ' Р Росх
а =а+а+а+а =--1—22—+
р.ШТ СТ СТ СТ ЛИН А А
р.ШТ р.ШТ
XV; ЕК , XV; Б К,
-(1 + 51) + [1 + 31 + (1 - 2?) 22
2а0Т 2а0Т " " (4)
где аст - максимальные статические напряжения, возникающие в резьбовой части штанги от действия крутящего момента; а'ст - максимальные статические напряжения, возникающие в резьбовой части штанги от действия осевого усилия подачи; а''ст - максимальные статические напряжения, возникающие в резьбовой части штанги при довинчивании штанг в результате нанесения ударов и действия крутящего момента; адин - максимальные динамические напряжения, возникающие в нарезанной части штанги при продольном ударе бойка; Р -осевое усилие, возникающее в резьбовом соединении от действия крутящего момента, определяемого по формуле Т
Р =---
1 Б3 - ё3 ё
3 а1 олу + Т'^^ (5)
где Т - внешний крутящий момент; а1 - коэффициент трения на опорном торце штанг (принимаем а1 = 0,2); Б - наружный диаметр опорного торца штанги; ё - внутренний диаметр опорного торца штанги; ёср - средний диаметр резьбы; Т - угол подъема винтовой линии; р = аг^дц - приведенный угол трения; ц - приведенный коэффициент трения в резьбе (для резьбы круглого профиля ц = 0,59...0,62); Аршг - сечение в месте резьбы штанги; Рос - осевое усилие
с
подачи; х =-—--коэффициент основной нагрузки штанги; сшт, сн - соот-
Сшт + СН
ветственно, коэффициенты жесткости штанги и ниппеля (муфты); х1 = 1 - х -коэффициент основной нагрузки ниппеля (муфты); К - коэффициент, учитывающий отношение максимальной силы, определенной опытным путем, к максимальной силе, полученный при расчете. По нашим опытам К = 0,68..,0,73. Причем, равенство (4) справедливо при
РосХ1 , хдек ^ 2, Р
+ V 0 (1 - 22)22 <
Ам(н) 2ашТ Ам(н) , (6)
а в случае, если
Р?СХк + ХЖК(1 -2?)22 >-?-
А 2а А
(н) ^"шт (н) ,
максимальные нормальные напряжения в нарезанной части штанги необходимо рассчитывать по формуле
°= -Р- + ^С1 + * + - &]
Лр.шт 2ашт . (7)
б) в муфте или ниппеле (для бойков двухступенчатой цилиндрической формы)
/ О , 01\ *
CT , = (ст + CT ) Y =
м(н) v ст ст ' i
+ XiV.E^ArnJK (1 + Si,
А 9я А
/Ли (н) н
(8)
где ст° - максимальные статические напряжения, возникающие в муфте (ниппеле) от действия крутящего момента; ст01 - максимальные статические напряжения, возникающие в муфте при довинчивании штанг в результате нанесения ударов и действия крутящнго момента; Лм(н) - сечение муфты (ниппеля); у - опытный коэффициент, учитывающий отношение максимальной растягивающей силы, возникающей в ниппеле (муфте) при продольном ударе, к максимальной статической растягивающей силе, возникающей в ниппеле (муфте) при довинчивании буровых штанг в процессе нанесения ударов и действия крутящего момента, полученной расчетным путем.
По нашим опытам коэффициент у для ниппельного соединения с круглым профилем резьбы равен 0,85, для муфтового соединения с круглым профилем резьбы равен 0,8.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Arndt F.K. Der Schlagablauf in Kolben und Stange beim Schlagenden Bohren // Gluckauf -1960. - Heft № 24. - S.1516 - 1524.
2. Алимов О.Д. Исследование машин для бурения шпуров в породах средней и высокой крепости: Автореф. дис. докг. техн. наук. - Томск, 1959. - 32 с.
3. Бегагоен И.А., Дядюра А.Г., Бажал А.И. Бурильные машины. - M.: Недра, 1972. -368 с.
4. Гавра Д.Л. Основы номографии с примерами из машиностроения. - М.-Л.: Машгиз, 1962. - 163 с.
5. Горбунов В.Ф. Исследование рабочих процессов и вибрации пневматических молотков: Автореф. дис. на соиск. учен. степени д-ра техн. наук - Томск, 1964. - 32 с.
6. Саруев А.Л., Саруев Л.А. Динамические процессы и напряжения в элементах резьбовых соединений буровых штанг при врашательно-ударном нагружении: - монография. Томский политехнический университет. - 2-е изд. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - 101 с.
7. Плетнев Л.Д., Алексеев В.Ф., Микитась А.П., Глушенко В.С. Новые шахтные бурильные установки // Горный журнал, № 10, 1999. - С. 45-46. ЕПЭ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
Саруев А.Л. - кандидат технических наук, доцент, e-mail: saruev@tpu.ru, Национальный исследовательский томский политехнический университет, Институт природных ресурсов.
UDC 622.233
CALCULATION OF STRESSES IN THE JOINTS OF THE RODS IN A SPIN-HAMMER DRILLING UNDERGROUND DRILLING SMALL DIAMETER
Saruev A.L., Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor, e-mail: saruev@tpu.ru, National Research Tomsk Polytechnic University, Institute of Natural Resources.
Method of calculation allows us to estimate the size of the largest equivalent stress in elements of connection rods.The normal strain in the drill rod with the longitudinal impact of brisk. Formulas for the calculation of the maximum normal stress arising in a chopped part of bar, coupling (nipple) Rotary-percussive drilling. Defined coefficient, taking into account the ratio of experienced maximum tensile force fitting (coupling) longitudinal stroke, for maximum static tensile strength, resulting in the fitting (coupling) screwing up drill rods during strikes and the torque obtained by calculation. The energy loss coefficient is chosen taking into account the degree of filling of the cylinders with compressed air, mechanical etc. losses under optimal operating condition pneumatic hammer.
Key words: impulse, firing-pin, barbell, nomogram, tensions, section, inflexibility.
REFERENCES
1. Arndt F.K. Der Schlagablauf in Kolben und Stange beim Schlagenden Bohren. Gluckauf, 1960, Heft no 24, pp. 1516-1524.
2. Alimov O.D. Issledovanie mashin dlja burenija shpurov v porodah srednej i vysokoj kreposti (Study of machines for drilling holes in rocks medium and high strength), Doctor's thesis, Tomsk, 1959, 32 p.
3. Begagoen I.A., Djadjura A.G., Bazhal A.I. Buril'nye mashiny (Drilling rigs), Moscow, Nedra, 1972, 368 p.
4. Gavra D.L. Osnovy nomografii s primerami iz mashinostroenija (Basics nomografii with examples of mechanical engineering), Moscow, Leningrad, Mashgiz, 1962, 163 p.
5. Gorbunov V.F. Issledovanie rabochih processov i vibracii pnevmaticheskih molotkov (Research workflows and vibration pneumatic hammers), Doctor's thesis, Tomsk, 1964, 32 p.
6. Saruev A.L., Saruev L.A. Dinamicheskie processy i naprjazhenija v jelementah rez'bovyh soedinenij bu-rovyh shtang pri vrashhatel'no-udarnom nagruzhenii, monografija (Dynamic processes and stress in elements of thread connections of drill rods for rotationally-shock loading, Monograph), 2-ed, Tomsk, Izd-vo Tomskogo politehnicheskogo universiteta, 2011, 101 p.
7. Pletnev L.D., Alekseev V.F., Mikitas' A.P., Glushhenko V.S. Gornyj zhurnal, no 10, 1999, pp. 45-46.
ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ УЧАСТКОВ ЗЕМНОЙ КОРЫ ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ОТХОДОВ
(1009/05-14 от 20.01.14, 11 с.)
Пятыгин В.А., Татаринов В.Н., Пятыгина О.О.,
Геофизический центр Российской академии наук, e-mail: gcras@gcras.ru.
EXPERT SYSTEM FOR PORTIONS OF THE CRUST
TO THE SCALE OF ENVIRONMENTALLY HAZARDOUS WASTE
Pyatigin V.A., Tatatrinov V.N, Pyatigina O.O.,
Geophysical Center of the Russian Academy of Science, e-mail: gcras@gcras.ru.
- РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»
