Файл: Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента..pdf

ального изготовления дорогостоящих буровых коронок. Кроме

последних, вызванной ограниченным запасом прочности корпу­ са. При этом полагают, что применение цельных буров повышает коэффициент использования погонного метра дефицитной буро­ вой стали. В то же время многие зарубежные фирмы с большой осторожностью относятся к массовому внедрению цельиоармированных буров, т. к. в ряде случаев их эксплуатация удоро­ жается низкой стойкостью армированной твердым сплавом головки, а также необходимостью иметь большой парк пере­ носного заточного оборудования.

Штанги с коронками, присоединяемыми с помощью резьб, нашли самое широкое применение, например, в Швеции, Норве­

ных штанг и коронок повсеместно возрастает, несмотря на от­ носительную сложность и высокую стоимость инструмента C резьбовым соединением. Объясняется это более высокой эксплу­ атационной надежностью и долговечностью данного инструмен­ та, который в конечном итоге окупает затраты, связанные с его изготовлением.

§ 4. Условия эксплуатации и механизм передачи ударной энергии в буровых перфораторных штангах

Работа буровых перфораторных штанг основана на принципе ударно-поворотного бурения, когда при ударе поршня перфора­ тора рабочий конец штанги (коронка) внедряется в породу и ,разрушает ее. При последующем отскоке штанги, обусловлен­ ном процессом отдачи, производится ее поворот на угол 5—8° с

. помощью поворотного механизма перфоратора. Таким образом, создаются условия для скола породы при последующем ударе. Образующаяся в процессе бурения буровая мука удаляется из шпура водой, поступающей под давлением через перфоратор и

разрушение под действием усилий, превосходящих предел проч­ ности породы. Усилия, необходимые для разрушения пород, очень велики и, как показали исследования [7], эквивалентны статической нагрузке в 5—10 тонн. Передача таких усилий воз­ можна только за счет ударной энергии, передаваемой породе через штангу в форме ударных импульсов напряжений. Следо­ вательно, эффективность бурения горных пород во многом за­

29

висит от природы и .механизма волновых процессов, протекаю­ щих в системе перфоратор—штанга—разрушаемая порода.

В настоящее время накоплен большой экспериментально­ теоретический материал, охватывающий волновую механику передачи ударной энергии в буровых штангах. В результате

.многочисленных исследований, выполненных в США [172], Япо­ нии [8], ФРГ [174], Швеции [7], Советском Союзе [9, 10] в значительной степени изучено поведение сложных волновых явлений деформации в штангах, которые хорошо согласуются с одномерной теорией продольного удара в тонких стержнях. Впервые (в 1909 году) это показал Рамзауэр, который в прос­ тейшей форме изобразил удар цилиндрических тел, применяя метод копровых испытании и специальную измерительную аппа­ ратуру [173].

Недостатки лабораторных исследований, выполненных при возбуждении напряжений в штангах при единичном ударе, впоследствии восполнены в работах Хоукса, Чакраварти [11], Фейрхерста [172], Робертса, Фарби [175], Энгеля [176— 178] Арндта [173] и др. [12], которые в условиях, близких к эксплуа­ тационным, изучили многочисленные факторы, имеющие место при бурении шпуров и влияющие на распределение волны де­ формации при различных граничных условиях рабочего конца штанги и жесткой опоры (стальной или чугунной плиты). Ими установлено, что при ударе поршня по буровой штанге в месте контакта наблюдаются напряжения, распространяющиеся вдоль поршня и штанги в виде продольных волн растяжения — сжатия со скоростью около 5000 м/сек. (рис. 4.) Когда волны напряже-

а

б

Рис. 4. Продольные (а) и поперечные (б) волны напряжений, возни­ кающие в буровых штангах при бурении. (Получены по мето­ ду каінд. тех.н. наук Финкеля Е, Μ.),

36

ний от соударяемых поверхностей достигают противоположных концов поршня и штанги, они отражаются, причем характер отражения этих волн зависит от граничных условий.

Если концы поршня и штанги находятся в воздухе (свобод­ ны), первоначальная волна сжатия отражается, как волна рас­ тяжения. При последующем затухании волна напряжений, распространяясь в штанге, является попеременно то волной растяжения, то волной сжатия. Если граничные условия обеспе­ чивают закрепление (конец штанги упирается в жесткую пли­ ту), начальная волна сжатия отражается по форме без измене­ ния, а при всех последующих отражениях волна проходит взад и вперед по штанге, становясь попеременно то волной сжатия, то волной растяжения.

Поведение сложной ударной волны при контакте штанги с породой исследовали Такаока, Хаямицу [8] и Фейрхерсг. Ими установлено, что когда начальная волна сжатия доходит до границы между штангой и породой, сопротивление породы в первый момент незначительно и часть волны отражается, как волна растяжения. Однако, по мере внедрения коронки в поро­ ду, сопротивление ее значительно возрастает до тех пор, пока вся энергия начальной волны не отразится опять в виде волны сжатия, а в последующие отражения знак волны будет чередо­ ваться.

В работах Рамзауэра, Арндта, а также Фишера указывается, что под действием удара каждый раз находится лишь часть штанги. Бегущий ударный импульс вызывает упругую деформа­ цию поперечного сечения, которое попеременно претерпевает то уменьшение, то увеличение. Практически, как говорит Арндт, наблюдаемое внешне равномерное движение штанги в действи­ тельности напоминает движение гусеницы.

В реальных условиях при ударе поршня по штанге, кроме продольных воли, одновременно возбуждаются поперечные 'волны (рис. 4 б), когда частицы перемещаются перпендикулярно оси штанги, вызывая ее изгиб. Скорость распространения попе­ речных волн в штангах равна приблизительно 3000 м/сек [175]. Появление поперечных волн напряжений изгиба обусловлено наличием эксцентриситета промывочного отверстия относительно оси штанги, неперпендикулярностью ударных торцов поршня и штанги, ее кривизной, а также другими конструктивными и технологическими факторами. Доказано [175], что поперечные волны ухудшают, процесс эксплуатации буровых штанг, так как они расходуют энергию перфораторов на увеличение вредных напряжений и не способствуют разрушению породы.

Исключительно важное значение имеют исследования, -в результате которых определялись участки буровой штанги с максимальным значением амплитуды пульсирующих напряже­ ний. Осциллографирование характера деформации штанг при

31

ударно-циклическом нагружении, выполненное Рудигером и Киниа [174], показало, что напряжения в штангах-распространяют­ ся неравномерно. Максимум амплитуды знакопеременных про­ дольных и поперечных волн напряжении расположен ближе к хвостовику штанги.

Исследуя этот же вопрос, Kynnep [178] сделал попытку опре­ делить в общих чертах фактическое напряжение в буровой штанге в период нагружения, а также установить предел уста­ лости по её длине. Применив оперативный расчет по методу Хевисайда, он решил ряд частных дифференциальных уравне­ ний, устанавливающих зависимость между скоростью распро­ странения ударно-циклических напряжений и'звука вдоль штанги. Исследуя шестигранные пустотелые штанги диаметром 22,5 мм различной длины, Kynnep подсчитал величину пиков, возникающих при нагружении напряжений у буртика и рабочего конуса штанги, которые оказались значительно выше, чем на средних участках стержня. В целом им выявлено параболиче­ ское распределение напряжений вдоль стержня штанг. Распре­ деление напряжений, соответствующих пределу усталости буровой стали, также по расчету Kynnepa подчиняется данной закономерности. Тщательные исследования по определению величин и характера изменений ударно-циклических напряже­ ний в штангах при бурении породы проведены совместно Куз­ нецким машиностроительным заводом, ВостНИГРИ и Сибир­ ским металлургическим институтом под руководством проф. Бойкова В. В. и канд. техн, наук Финкеля Е. Μ. [13]. Экспери­ менты показали, что значения напряжений, возникающих в штанге при бурении, колеблются в очень широких пределах да­ же при одном и том же режиме работы. Этот разброс значений в большой мере определяется нестабильностью характера соу­ дарения поршня перфоратора и штанги: в момент удара штанга находится в различных положениях относительно перфоратора, и поршень перед ударом имеет различную скорость.

При этом, большое влияние оказывает случайный характер изменения контактных условий на лезвии инструмента и непо­ стоянство усилия подачи.

Установлено, что ударный импульс, проходящий по штанге, вызывает вследствие многократных отражений появление побоч­ ных напряжений, значительно отличающихся не только по ам­ плитуде, но и по частоте. Сопоставление величин средних на­ пряжений ударного импульса, полученных экспериментально, показало, что их максимальное амплитудное значение располо­ жено в стержне штанги на расстоянии 200 —500 мм от торца хвостовика. Доказано также, что максимальные напряжения изгиба возникают как от эксцентричного удара поршня перфо­ раторі, так и от удара инструмента о забой шпура. Характер изменения напряжений растяжения—сжатия и изгиба практи­

32

чески не зависит ни от длины штанги, ни от твердости породы, Амплитуда же напряжений и частота существенно зависят от этих факторов. Закон распределения случайных величин ампли­ туд напряжений от удара поршня и внедрения инструмента в породу, а также длины так называемого критического отрезка ("зона с максимальными напряжениями) весьма близок к нор­ мальному. Установленные значения асимметрии и эксцесса дают возможность определить все основные параметры продольного нагружения штанг при бурении в достаточно широком диапазо­ не режимов работы. Возникновение и распределение рабочих напряжений в штангах, в зависимости от состояния лезвий ко­ ронок, одеваемых на концы штанг, исследовал Андерсон. Им установлено, что в период максимального затупления лезвия коронки напряжения на конце штанг, вблизи соединения её с коронкой, возрастают в 1,5—2 раза. Причем амплитудное зна­ чение этих напряжений значительно превышает предел устало­ сти буровой стали.

Несмотря на то, что в. различных исследованиях обнаружены в целом идентичные закономерности возникновения ударно­ циклических напряжений в штангах по длине, природа и причи­ на их возникновения все же не нашла достаточно полного объяснения. Полагают, что причиной возрастания напряжений на различных по длине участках буровых штанг является бур­ тик, а также другие факторы. Когда ударная (прямая) волна напряжений сжатия, а также отраженная (обратная) волна растяжения встречаются с расширенным сечением штанги у бурта, то часть их отражается в форме волн обратного знака. На участках, прилегающих к бурту, происходит интерференция волн напряжений, амплитуда которых достигает 70% и более от величины напряжений начального ударного импульса. Неко­

волны. Однако другими исследователями это утверждение оспа­ ривается. Отмечается, что в'ударной части хвостовика штанги,, ■а также на рабочем конце (у коронки) при бурении возникают пики напряжений, амплитуда которых почти на 50—60% может превышать напряжения, вызванные основным, прямым ударом. В связи с этим многие дают классификацию наиболее слабых мест буровых штанг, по которым они чаще всего разрушаются в процессе работы. Характерные типы усталостных изломов по­ казаны на рисунке 5. По результатам ряда исследований мож­ но считать, что расположение места разрушения штанг и их характер излома хорошо согласуются, однако не делается ни­ каких выводов относительно того, как ведет себя материал штанги при ударных нагрузках. Большинство авторов проти­ воречиво объясняют механизм сопротивления бурового метал-