Повышение моторесурса ударных механизмов для бурения 

Пилипец В. И., Макарова Е. В. (ДонГТУ)
Донецкий национальный технический университет

   Источник: Бурение - 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.
            
   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:
       

   где Rn—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.

   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.
   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.