Источник: С 23 Наукові праці Донецького державного технічного університету. Серія: «Гірничо–геологічна» Випуск 23 / Редкол.: Башков Є. О. (голова) та інші – Донецьк, ДонНТУ, 2001 – 120 c.
При ударно-вращательном бурении гидроударниками большого диаметра сила удара, передаваемая бойком через колонковый набор горной породе, составляет от 10 до 20 кН. Упругая волна деформации распространяется к колонковому набору через ряд промежуточных элементов (деталей) гидроударника, связанных между собой резьбовыми соединениями, поэтому моторесурс гидроударника и колонкового набора зависит от правильного выбора типа и параметров резьб. Особенно это актуально при бурении твердых пород, когда колонковому набору передается значительная сила удара, вызывающая в резьбах огромные контактные напряжения (до 30 МПа).
В процессе лабораторных и производственных испытаний снаряда ударно-вращательного бурения диаметром 108 мм (диаметр бурения 112 мм) конструкции ДонГТУ наблюдались случаи поломки резьбовых соединений. Поэтому возникла необходимость разработки методики выбора резьб и расчета резьбовых соединений, в которой использованы материалы исследований И. Г. Шелковникова (Санкт-Петербург).
Предполагается, что после удара бойка по наковальне упругая волна деформации сжатия переходит к колонковой трубе, т.е. импульс сжатия переходит от большего сечения к меньшему. Поэтому массовая скорость частиц в колонковой трубе будет больше, чем в наковальне, вследствие чего витки резьбы трубы «набегают» в направлении удара на витки резьбы наковальни. Причем верхняя резьба колонковых труб и переходников изнашивается быстрее, чем нижняя, соединяющая колонковую трубу с коронкой. Это объясняется тем, что ударная волна с наковальни большего сечения переходит на меньшее сечение колонковой трубы, «осаживая» ее. Это приводит к износу резьбы в виде «елочки». При переходе с колонковой трубы на буровую коронку ударная волна двигается с меньшего сечения на большее, вызывая напряжение сжатия. Поэтому износ резьбовых соединений в нижних сечениях колонковых труб и в самих коронках меньше, чем в верхних сечениях. Полезный эффект ударного бурового механизма зависит от величины параметров, с которыми волна напряжения дойдет до забоя. Сила удара уменьшается вследствие потерь энергии главным образом в соединениях механизма и колонковой трубы. Эти потери происходят из–за появления отраженной волны напряжения при прохождении ударным импульсом резьбовых соединений, которые представляют собой границу раздела участков с разными площадями поперечного сечения. Расщепление начальной волны напряжения на проходящую и отраженную вызывает кроме потерь энергии переменные напряжения в резьбовых соединениях, достигающие значительных величин. Эти напряжения могут явиться причиной быстрого износа и поломок в местах соединений.
Напряжение в волне, проходящей через резьбовое соединение, можно определить по формуле:
|
где
— напряжение в волне, проходящей через резьбу, Па; 
— напряжение в отраженной волне, Па; 
— напряжение в волне, проходящей по наковальне, Па; r — показатель отношения площадей поперечного сечения наковальни и колонковой трубы, м2.
 |
где где Sк и Sк — соответственно площади поперечного сечения наковальни и колонковой трубы, м2.
В момент перехода импульса сжатия от большего сечения к меньшему, в резьбовой части колонковой трубы возникает напряжение. В то же время, в сечении наковальни действует начальное напряжение. Между витками резьбы начинает действовать сила давления, значение которой, отнесенное к их опорной поверхности, равно напряжению в отраженной волне. Этот вывод объясняется равенством:
 |
где
— напряжение растяжения материала колонковых труб, Па.
Усилие, с которым колонковая труба «осаживается» с наковальни при переходе ударной волны напряжения через границу раздела участков, определяется из выражения:
 |
гдеRn — усилие, с которым колонковая труба «осаживается» с наковальни.
Усилие действует очень непродолжительное время (5-50 мкс) и уравновешивается реакцией витков резьбового соединения.
Напряжение, возникающее в витках резьбы, определяется из выражения
 |
Площадь витков внутренней резьбы колонковой трубы:
где
— напряжение, возникающее в витках резьбы; Se — площадь витков внутренней резьбы колонковой трубы, м2.
 |
где d1 — наружный и внутренний диаметры резьбы, м; m1 — число витков резьбы с полным профилем, шт; 
— половина угла профиля резьбы, град.
При ударно-вращательном бурении витки резьбовых соединений подвергаются переменным нагрузкам, поэтому допускаемые напряжения выбираются из условия на выносливость, т.е. с учетом усталостных напряжений.
Предел усталости вычисляется по формуле:
 |
где
— предел усталости соответственно для несимметричного цикла, Па; 
— среднее значение напряжения в несимметричном цикле, Па; 
— предел прочности для стали, 
.
Среднее значение напряжения в несимметричном цикле равно:
 |
Допускаемое напряжение определяется по формуле:
|
где K1 — коэффициент запаса прочности, K1=2,2;K2 — коэффициент напряжения в резьбе, K2=2,2.
Таким образом, при передаче энергии удара от бойка через колонковый набор в резьбовых соединениях возникают напряжения, зависящие от соотношения площадей поперечных сечений соединяемых частей и от скорости соударения. Чтобы уменьшить напряжение в отраженной волне, в местах соединений, нужно применять плавный конический переход.
Исследуя зависимость напряжения растяжения и сжатия от величины отношения площадей поперечного сечения наковальни и колонковой трубы, получены значения, приведенные в таблице.
При переходе импульса с меньшего сечения на большее, относительного перемещения витков резьбы меньшего и большего сечений не происходит. Таким образом, в этом случае межвитковое взаимодействие отсутствует, а отраженная волна напряжения сжатия увеличивает напряжение в теле передающего удар элемента с меньшей площадью поперечного сечения. Поэтому износ резьбовых соединений в колонковых трубах и коронках незначителен.
Таблица. Значения напряжения сжатия и напряжения растяжения от отношения площадей поперечных сечений наковальни и колонковой трубы.
| R |  , МПа |
 , МПа |
| 0,1 | 9,73 105 | - |
| 0,2 | 7,93 105 | - |
| 0,4 | 5,09 105 | - |
| 0,6 | 2,98 105 | - |
| 0,8 | 1,32 105 | - |
| 1,0 | 0 | 0 |
| 1,25 | - | 1,32 105 |
| 1,67 | - | 2,98 105 |
| 2,5 | - | 5,09105 |
| 5,0 | - | 7,93 105 |
| 10 | - | 9,73 105 |
Используя эту методику, с учетом прочностных характеристик деталей, можно подобрать оптимальную конструкцию основных узлов и деталей гидроударников и колонковых наборов, соединяющихся резьбами. Так, усовершенствованный буровой снаряд с гидроударником диаметром 108 мм успешно прошел испытания в Коммунарской ГРЭ (ПО «Луганскгеология») и в Ухтинской ГРЭ (Коми). Моторесурс подобранных резьбовых соединений увеличился в 2-3 раза.