Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задач исследований 8
1.1. Методика детальной разведки на рудниках цветной металлургии и экспериментальные работы по изысканию рациональных способов бурения подземных разведочных скважин 8
1.2. Конструкции резьбовых соединений штанг для вращательно-ударного бурения веера скважин малого диаметра 15
1.3. Анализ результатов исследований соединений буровых штанг с резьбой «веревочного» профиля 23
ГЛАВА 2. Методика экспериментальных исследований процесса прохождения импульса через резьбовое соединение штанг 30
2.1. Анализ экспериментальных методов измерения напряжений в ставах штанг и соединениях 30
2.2. Выбор измерительной аппаратуры для регистрации волн деформации в элементах става штанг 33
2.3. Определение доверительного интервала для математического ожидания и необходимого количества опытов 42
2.4. Методика и определение потерь энергии на трение в резьбовых соединениях штанг 45
ГЛАВА 3. Динамические процессы и напряжения в резьбовых соединениях штанг при вращательно-ударном способе бурения скважин малого диаметра 53
3.1. Аналитические исследования уравнения распространения силовых импульсов через резьбовые соединения буровых штанг 53
3.2. Результаты экспериментальных исследований динамических процессов и напряжений при вращательно-ударном нагружении резьбовых соединений штанг 64
3.3. Анализ амплитудных значений волн нормальных напряжений в элементах муфтовых и ниппельных соединений штанг при вращательно-ударном бурении скважин 73
3.4. Экспериментальные исследования напряжений изгиба в элементах резьбовых соединений буровых штанг 86
3.5. Результаты экспериментальных исследований касательных напряжений в соединительных элементах штанг при одновременном действии крутящего момента, усилия подачи и ударных нагрузок 93
ГЛАВА 4. Методика расчета максимальных напряжений в элементах соединений штанг при вращательно-ударном способе бурения 99
4.1. Определение нормальных напряжений в буровых штангах при продольных ударах поршнями-бойками ступенчатой формы с использованием номограмм 99
4.2. Анализ повышения статических напряжений растяжения-сжатия в элементах соединений штанг в процессе довинчивания при одновременном воздействии силовых импульсов, крутящего момента и осевого усилия подачи 105
4.3. Последовательность расчета максимальных напряжений в элементах резьбовых соединений буровых штанг 112
4.4. Пример расчета максимальных напряжений в элементах ниппельного соединения буровых штанг 116
Заключение 121
Литература
- Конструкции резьбовых соединений штанг для вращательно-ударного бурения веера скважин малого диаметра
- Выбор измерительной аппаратуры для регистрации волн деформации в элементах става штанг
- Результаты экспериментальных исследований динамических процессов и напряжений при вращательно-ударном нагружении резьбовых соединений штанг
- Анализ повышения статических напряжений растяжения-сжатия в элементах соединений штанг в процессе довинчивания при одновременном воздействии силовых импульсов, крутящего момента и осевого усилия подачи
Введение к работе
Актуальность работы
Повышение производительности труда при бурении скважин достигается многими факторами, одним из которых является коммерческая скорость бурения, которая зависит от прочности и надежности работы бурильной колонны и конструкции соединительных узлов буровых штанг.
В настоящее время в России добывают подземным способом более 40% руд цветных и редких металлов. При этом на отдельных рудниках цветной металлургии проводят десятки тысяч метров подземных горных выработок [68, 115]. Причем, из общего объема проходки 60% и более составляет промышленная доразведка. Внушительные объемы эксплуатационной доразведки необходимы в тех случаях, когда месторождение имеет сложное геологическое строение. К таким, например, относится Хайдарканское ртутное месторождение, где кроме проведения многочисленных разведочных выработок ежегодно приходится бурить 60-70 тыс. м. подземных разведочных скважин. Ранее на рудниках Хайдаркана были проведены экспериментальные работы по изысканию рациональных способов бурения веера подземных геологоразведочных скважин малого диаметра (40-60 мм.) [35]. Сравнительный анализ различных способов бурения таких скважин в породах средней крепости и выше при исключительно сложном геологическом строении месторождения показал, что одним из перспективных является вращательно-ударный способ бурения.
При вращательно-ударном бурении скважин малого диаметра используются буровые установки с ударным узлом вне скважины. В этом случае энергия удара в виде волны деформации сжатия передается от машины по составным буровым штангам к породоразрушающему инструменту.
С целью повышения скорости бурения скважин в крепких горных породах созданы конструкции мощных ударных узлов. Однако повышение энергии удара ограничивается прочностью бурового инструмента. Недостаточная работоспособность штанг и соединительных узлов приводит не только к необходимости увеличения производства и расхода буровой стали, но и вызывает большие потери времени на замену вышедших из строя штанг. В связи с этим необходимо разработать такую конструкцию соединительного узла, которая позволила бы увеличить работоспособность колонны штанг и повысить производительность труда при бурении скважин.
Следует также учесть, что прохождение ударного импульса через резьбовые соединения штанг с учетом касательных напряжений и деформаций изгиба вызывает сложную интерференцию волн напряжений. Теоретические расчеты не приводят к достоверным результатам ввиду сложности учета всех факторов, определяющих количественную и качественную картину волн напряжений в элементах соединительных узлов буровых штанг. Для выбора рациональных параметров элементов соединений штанг необходима методика расчета максимальных напряжений, возникающих в них при одновременном нагружении става крутящим моментом, осевым усилием подачи и продольными ударами. Поэтому данная работа, направленная на изучение динамических процессов в резьбовых соединениях буровых штанг и разработку научно обоснованной методики расчета максимальных напряжений в них при вращательно-ударном способе бурения скважин малого диаметра, весьма актуальна.
Цель работы. Разработка методики расчета максимальных напряжений в элементах резьбовых соединений штанг при вращательно-ударном способе бурения.
Методика выполнения исследований. Основным методом был принят экспериментально-теоретический. Теоретические исследования выполнены с помощью апробированных методов теории упругости и
волновой теории удара. При выполнении экспериментальных работ был использован метод тензометрирования с применением теории математической статистики для обработки опытных данных. Задачи исследований
1. Разработать методику экспериментальных исследований напря
жений в элементах резьбовых соединений штанг при ударных нагрузках.
Провести анализ изменения статических напряжений сжатия-растяжения в элементах соединительных узлов при довинчивании их в процессе нанесения ударов и действия крутящего момента.
Исследовать касательные напряжения в элементах резьбовых соединений при нанесении ударов и действии крутящего момента.
Исследовать напряжения изгиба в резьбовых соединениях штанг при ударных нагрузках.
Разработать методику расчета максимальных напряжений в резьбовых соединениях штанг при вращательно-ударном способе бурения.
НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, выносимые на защиту:
1. Полученные на основе волновой теории удара аналитические
выражения распространения силовых импульсов через резьбовые соединения
буровых штанг, которые позволили провести компьютерные исследования
влияния параметров соединений на эффективность передачи импульсов по
колонне штанг.
2. Методика экспериментальных исследований динамических
процессов и напряжений в элементах соединений штанг при вращательно-
ударном нагружении.
3. Деформации изгиба в штангах, муфтах или ниппелях возникают от
продольной волны деформации сжатия, так как витки резьбы муфты и
ниппеля разгружаются ударным импульсом от статической осевой
растягивающей нагрузки не одновременно по всей длине контактной линии
сопряженных витков резьбы соединения штанг.
Бурение скважин малого диаметра установками с бурильной головкой ударного действия сопровождается процессом довинчивания в резьбовых соединениях штанг, при котором происходит перераспределение напряжений, в частности, касательные напряжения в ниппелях снижаются в 3-4 раза по сравнению с напряжениями, создаваемыми в них только крутящим моментом и осевым усилием подачи этой же бурильной машины.
Методика расчета максимальных напряжений в резьбовых соединениях штанг, разработанная на основе результатов исследований динамических процессов при вращательно-ударном бурении скважин малого диаметра, позволяющая уже на стадии проектирования бурильной колонны оценить величину наибольшего эквивалентного напряжения в элементах соединений штанг.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях в гг. Томске, Красноярске, Новокузнецке, а также на научных семинарах в Томском политехническом университете. По теме диссертации опубликовано 20 статей и тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертация выполнена на 140 страницах набранного на компьютере текста. Она состоит из «Введения», 4 глав, «Заключения», списка использованной литературы из 138 наименований, и содержит 58 рисунков, 4 таблицы и 2 приложения.
Конструкции резьбовых соединений штанг для вращательно-ударного бурения веера скважин малого диаметра
При вращательно-ударном бурении скважин широкое применение получили составные буры, которые состоят из штанг, коронки, армированной твердым сплавом, муфт и хвостовика бурового инструмента.
Выпускаются три типа комплектов бурового инструмента с муфтовыми соединениями: облегченный, нормальный и усиленный [50, 51, 127].
В комплекте облегченного типа наружный диаметр резьб на штангах больше диаметра самих штанг (рис. 1.4), концы таких штанг перед нарезкой резьбы высаживаются на специальных установках.
В комплекте бурового инструмента нормального типа размеры резьб соответствуют диаметрам самих штанг (рис. 1.5).
Усиленные комплекты (рис. 1.6) имеют увеличенные размеры штанг и резьб по сравнению с нормальными комплектами. Корпуса хвостовой части коронок и муфт таких комплектов также имеют увеличенные диаметры по сравнению с нормальными комплектами и минимальные зазоры между коронкой (муфтой) и стенкой скважины. Для улучшения выхода бурового шлама от забоя к устью скважины муфты и хвостовые части коронок имеют винтовые канавки, совпадающие с внутренней нарезкой. Усиленные комплекты применяются в том случае, если прочность нормальных буровых штанг недостаточна.
Буровые штанги для вращателъно-ударного бурения изготавливают из шестигранной или круглой стали. В России наибольшее применение имеет буровая сталь: шестигранная диаметром вписанной окружности 19, 22 и 25 мм и круглая диаметром 32 и 38,5 мм [50, 51].
Существенный вклад в исследование динамических процессов в колонне штанг при вращательно-ударном способе бурения подземных скважин малого диаметра внесли О.Д. Алимов, Е.В. Александров, В.Д. Андреев, А.И. Бажал, А.И. Белов, Ю.Д. Бессонов, В.Ф. Горбунов, С.Н. Гудимов, Л.Т. Дворников, И.Е. Ерофеев, К.И. Иванов, В.В. Каменский, Г.М. Кашкаров, Г.М. Крюков, В.К. Манжосов, Н.Ф. Медведев, А.Ф. Панамарчук, Г.Г. Попов. Г.С. Пучинян, С.Г. Пучинян, А.С. Сердечный, Б.Н. Серпенинов, В.Б. Соколинский, И.Г. Шелковников, В.И. Чирьев, А.Г. Цуканов, Е.Ф. Эпштейн и др. За рубежом этими вопросами занимались Ф.К. Арндт, С. Такаока, К. Ферхарст, Г. Фишер, И. Хоукс, П. Чакраварти и др.
Для бурения скважин наибольшее применение получили ставы штанг с муфтовыми соединениями (см. рис. 1.7 а, б, в, г).
Ниппельное соединение (см. рис. 1.7 д) для вращательно-ударного бурения разработано в Томском политехническом университете. Производственные испытания, результаты которых приведены в работах [35, 97, 98, 106, ПО] выявили ряд преимуществ ниппельного соединения перед муфтовым. 1. Ниппельное соединение обеспечивает нормальную промывку нисходящих скважин глубиной до 50 м. 2. Возможность получения более легких штанг. 3. Исключается защемление става штанг в скважине осыпавшейся породой при конусном соединении коронки со штангой. 4. Долговечность ниппельного соединения в несколько раз выше долговечности муфтового соединения (при одном и том же диаметре скважин) [66, 98, 106, ПО].
От вида конструкции резьбового соединения зависит коэффициент передачи энергии удара. Из работ [70, 86, 93, 96, 102, 130] известно, что через непосредственный контакт торцевых плоскостей штанг (см. рис. 1.4 а, б, в, д) можно получить высокий коэффициент передачи энергии удара. Это позволяет эффективно бурить скважины диаметром от 40 до 70 мм на глубину до 50 м вращательно-ударными механизмами, расположенными вне скважины [48,72,97,100,103,109]. Если ударный импульс проходит через буртик муфты (см. рис. 1.7 г), то потеря энергии удара увеличивается [98, 106, ПО].
Существующие конструктивные решения резьбовых соединительных узлов (см. рис. 1.7), применяемые при вращательно-ударном бурении, имеют следующие недостатки: 1) долговечность муфты и ниппеля уменьшается в результате увеличения напряжений от нанесения ударов буртиком штанги по муфте и ниппелю (рис. 1.7) в момент прохождения ударного импульса сжатия через соединительный узел, как показано в работах [86, 89]; 2) при поломке штанг в месте резьбы невозможно осуществить ремонт непосредственно в забое; 3) муфта (см. рис. 1.7 а) при сборке может навернуться на одну из штанг на большее число витков, вследствие чего на муфте и штанге со стороны меньшего числа витков увеличивается нагрузка; 4) при разборке става буровых штанг вручную увеличивается время на вспомогательные операции вследствие того, что ниппель или муфта может отвинчиваться одновременно с двух сторон штанг; 5) трудно осуществить автоматизацию сборки и разборки става штанг с ниппельными соединениями (для автоматизации процессов, свинчивания и развинчивания штанг важно, чтобы ниппель отвинчивался постоянно с одной стороны штанги).
Выбор измерительной аппаратуры для регистрации волн деформации в элементах става штанг
На основе анализа способов преобразования измеряемой деформации в электрический сигнал для исследования процессов в резьбовых соединениях штанг наиболее приемлем тензометрический преобразователь и согласующий усилитель постоянного тока.
Схема измерительного преобразователя принята мостовой, так как она обладает наибольшей чувствительностью из известных схем включения датчиков. На рис. 2.1а показана схема подключения тензорезисторов для измерения продольной деформации при наличии изгиба и кручения [129], а на рис. 2.16 - схема подключения датчиков для измерений деформаций изгиба. Для измерения касательных напряжений при наличии ударной нагрузки сжатия-растяжения и изгиба необходимо подключать датчики по схеме, показанной на рис. 2.1
Рабочие тензорезисторы Rp для измерения деформации сжатия-растяжения и деформации, возникающей при изгибе в штанге и элементах резьбового соединения, наклеиваются на поверхности исследуемой детали диаметрально противоположно, а компенсационные Rk на отдельном элементе из такого же материала, что и исследуемая деталь. Для измерения касательных деформаций, возникающих от действия крутящего момента на диаметрально противоположных сторонах исследуемой детали под углом 45 относительно продольной оси, наклеиваются по два рабочих датчика.
Питание тензометрических мостов и усилителей осуществлялось от аккумуляторных батарей с двойной параметрической стабилизацией по напряжению [56]. Сигнал с измерительной диагонали моста сопротивлений 1-3 (рис. 2.1) поступает на вход согласующего усилителя.
При движении ударной волны по буровому инструменту длительность фронта нагрузки находится в пределах 1 О 4 - 10"5 с, что соответствует частоте 80-120 кГц. Усиление сигнала, в котором наряду с динамической составляющей присутствует статическая, уровень которой может достигать уровня динамической составляющей, осуществляется либо усилителями на несущей частоте, либо усилителями постоянного тока. Серийно выпускаемые усилители на несущей частоте имеют полосу пропускания регистрируемых частот от 0 до 20 кГц. Тогда как для записи быстропротекающих процессов с частотой 50-120 кГц необходимо иметь для получения достоверных результатов, несущую частоту в 3-5 раз больше частоты регистрируемого сигнала, т.е. порядка 500 кГц и выше. Такие усилители сложны, громоздки, очень чувствительны к различного рода помехам, а соединительные линии между измерительным преобразователем и усилителем имеют ограниченную длину (до 1 м).
Лучше всего требуемым условиям удовлетворяют усилители постоянного тока. Проведенные эксперименты показали, что использование электронных осциллографов и фольговых тензорезисторов с током питания до 50 мА позволяет для записи осциллограмм силовых импульсов сократить коэффициент усиления согласующего усилителя до 200 и ниже. Поэтому в результате анализа существующих схем [124] разработан однокаскадный балансный дифференциальный усилитель постоянного тока. Такая схема (рис. 2.2) при условии идентичности элементов в обоих плечах и применении кремниевых полупроводников позволяет довести нестабильность выходного сигнала не более 0,3 мВ/час. Технические данные усилителя: 1. Диапазон частот регистрируемых сигналов, гц 0-150.000. 2. Нестабильность выходного напряжения, мВ/час не более 0,3. 3. Нелинейность частотной характеристики на частоте 150 кГц, % не более 1,0. 4. Сопротивление тензорезисторов, Ом 50-1000. 5. Диапазон измеряемых деформаций, отн. ед. (10-900) 10"5. 6. Длина соединительных линий, м. до 50. Существует большое многообразие регистрирующей аппаратуры. Для решения поставленных задач были использованы электронные осциллографы типа Cl-18, Cl-16, С1-19 и другие, которые по частотному диапазону перекрывают возможности принятых для исследования датчиков. Фиксирование регистрируемого процесса с таких осциллографов осуществлялось на зеркальную фотокамеру.
Исследование однократных процессов с осциллографированием на неподвижную пленку возможно только при соблюдении синхронности начала их протекания с началом развертки луча. Поэтому для синхронизации запуска осциллографа разработана схема, представленная на рис. 2.3. Схема позволяет запускать осциллограф от контакта двух металлических деталей электрически изолированных друг от друга или от сигнала, снимаемого с тензорезисторного моста, производить задержку запуска осциллографа относительно начала протекания процесса (в пределах от 0 до 40 мс).
Тарирование тензорезисторов, наклеенных на став штанг, проводилось квазистатическим методом на гидравлическом прессе ГМС-50. К концам штанги прикладывалось усилие, а на экране осциллографа фиксировалось отклонение луча.
Результаты экспериментальных исследований динамических процессов и напряжений при вращательно-ударном нагружении резьбовых соединений штанг
1 - распределение амплитуды дополнительной нагрузки в резьбовой части штанги при прохождении импульса через соединение; 2 - распределение осевой силы в резьбовой части штанги от действия крутящего момента; 3 - распределение усилий затяжки, от которых силовой импульс освобождает муфту
Волна деформации, сжимая резьбовую часть штанг, освобождает соединительный элемент от деформации растяжения, предварительно созданной в нем при затяжке соединения крутящим моментом (рис. 3.5). После прохождения волны сжатия через соединение деформация растяжения в муфте восстанавливается.
В случае действия на соединение импульса растяжения, муфта испытывает соответствующую дополнительную нагрузку растяжения.
Таким образом, при прохождении импульса сжатия через соединение штанг имеет место последовательное освобождение муфты от усилия предварительной затяжки. При этом деформаций сжатия в муфте не наблюдалось благодаря достаточным осевым зазорам между витками круглой резьбы муфты и штанги [107].
Рассмотрим диаграмму усилий (рис. 3.6) и осциллограммы силовых импульсов (рис. 3.7), действующих в резьбовом соединении буровых штанг. При действии крутящего момента на соединение сила сжатия резьбовой части штанг равна силе растяжения муфты. Ршт = Рм = (2з, (3.19) где Ршт - сила сжатия штанги; Рм - сила растяжения муфты; Q3 - усилие затяжки соединения.
Усилие затяжки Q3, действующее в начальный момент на соединение, вызывает сжатие резьбовой части соединяемых штанг 5Х (рис. 3.6) и удлинение муфты 82, которое можно определить через коэффициент жесткости
Кз и т. д. (рис. 3.7 а). При этом силовой импульс раскладывается на изменение сил, действующих на штангу и на соединительный элемент (муфту). Причем, сумма абсолютного изменения этих сил равна силе импульса Руд = Pi + Рг (рис. 3.6 и рис. 3.7 б). Деформация штанги увеличивается на величину д 5,, а деформация муфты уменьшается на эту же величину AS2 =Д , =AS относительно первоначальной деформации от действия крутящего момента (рис. 3.6).
В момент прохождения силового импульса через соединение резьбовая часть штанги получает дополнительное усилие сжатия Pi (рис. 3.6), которое равно
Необходимо отметить, что после прохождения ударного импульса через резьбовое соединение штанг, последнее не возвращается полностью в исходное напряженное состояние из-за наличия сил неупругого сопротивления в витках резьбы и процесса довинчивания в момент прохождения импульсов.Таким образом, как показали исследования [16, 74, 76, 96, 102, 104, 116], статическая составляющая усилия в резьбовой части штанг увиличивается пропорционально амплитуде ударного импульса (рис. 3.8) и приложенному к соединению крутящему моменту (рис. 3.9), а динамическая составляющая в резьбовой части штанг уменьшается (рис. 3.10). Причем, после прохождения примерно 30 силовых импульсов процесс довинчивания прекращается.
При разработке конструкций деталей резьбовых соединительных узлов буровых штанг необходимо знать, как влияют элементы конструкции соединения на величину и характер изменения напряжений во времени при ударных нагрузках. Одним из таких конструктивных факторов является, в частности, буртик, расположенный в средней части ниппеля (муфты). Буртик выполняется с той целью, чтобы зафиксировать соединительный элемент при сборке става штанг и бурении в определенном положении на резьбовом участке штанги. Но этот буртик, как показали эксперименты, вносит существенное влияние на величину и характер волн напряжений в деталях соединительного узла при прохождении через него ударного импульса.
Осевая деформация в элементах резьбовых соединений записывалась тензометрическои установкой, включающей двухканальныи усилитель постоянного тока и двухлучевой осциллограф CI-18.
Исследования напряжений проводились в деталях муфтового и ниппельного соединений с круглым профилем резьбы, а также в деталях муфтового соединения с упорным профилем резьбы. Давление воздуха, подводимого к ударному механизму БГА, поддерживалось постоянным 0,49 МПа. Став штанг нагружался постоянным крутящим моментом величиной 98 и 196 Нм. Усилие подачи, соответственно, было равно 0,613 104 и 1,13« 104 Н. Запись осциллограмм напряжений в резьбовой части штанги и муфты (ниппеля) проводилась одновременно.
Поскольку рабочие тензорезисторы в месте соединения предварительно были сдеформированы от действия статического крутящего момента, осевого усилия подачи и предыдущих ударных воздействий, и каждый тензорезисторный мост имел на выходе электрический сигнал, соответствующий распределению статических напряжений по длине элементов резьбового соединения, а затем сопротивления датчиков были сбалансированы, т. е. на выходе моста ток был равен нулю, то при прохождении очередного импульса сжатия по соединительному узлу изменение напряжения на осциллограммах (рис. 3.12; 3.13; 3.16; 3.17; 3.19) наблюдалось не от действительной нулевой линии 0, в которой напряжения равны нулю, а от предварительного максимального статического напряженного состояния 0 , определяемого усилием затяжки соединения крутящим моментом.
Поэтому, прежде чем рассмотреть волновые процессы, протекающие в элементах резьбовых соединений, перенесем начало координат (рис. 3.12; 3.13; 3.16; 3.17; 3.19) из точки 0 в точку . Тогда отклонение амплитуды напряжения в муфте и ниппеле выше нулевой линии -это напряжение сжатия, а ниже нулевой линии - это напряжение растяжения. Расстояние от точки до соответствует максимальному статическому напряжению растяжения О", муфты и ниппеля. Амплитуда т2 соответствует максимальному напряжению растяжения после прохождения ударного импульса сжатия через соединительный узел. На рис. 3.13а и рис. 3.17а амплитуда стъ соответствует максимальному напряжению сжатия ниппеля и муфт.
Анализ повышения статических напряжений растяжения-сжатия в элементах соединений штанг в процессе довинчивания при одновременном воздействии силовых импульсов, крутящего момента и осевого усилия подачи
При расчете на прочность соединений буровых штанг важно знать, как изменяются касательные напряжения в элементах соединений при одновременном действии крутящего момента, усилия подачи и ударных импульсов. Исследования проводились согласно описанной выше методике.
Опытные данные были получены при значениях крутящих моментов, равных 49; 98,1; 147; 196; 245 Н«м, осевых усилиях подачи 0,613» 104 Н и 1,13 10 Н, давлении воздуха в подводящей магистрали к ударному механизму БГА, равном 0,49 МПа.
Как видно из рис. 3.26а, б, максимальные касательные напряжения при чистом кручении (зависимость 1), кручении ниппеля и муфты в рабочем положении (зависимость 2), кручении ниппеля и муфты при одновременном действии крутящего момента и усилия подачи (зависимости 3 и 4), кручении ниппеля и муфты при действии крутящего момента, усилия подачи и ударной нагрузки (зависимости 5 и 6), изменялись линейно (зависимости 3 и 5 при Рос = 0,613« 104 Независимости 4 и 6 при Рос= 1,13е 104 Н).
Исследованиями установлено, что с увеличением усилия подачи, как в ниппеле, так и в муфте касательные напряжения уменьшаются. Так, при усилии подачи 1,13 104 Н касательные напряжения в ниппеле и муфте уменьшаются на 30 и 35% (рис. 3.26а, б, зависимость 4) по сравнению с зависимостью 2. Это объясняется тем, что с увеличением усилия подачи происходит перераспределение напряжений в элементах соединительных узлов. В штангах нормальные напряжения увеличиваются, а в ниппеле и муфте уменьшаются, следовательно, и касательные напряжения в ниппеле и муфте уменьшаются за счет снижения сил трения в резьбе соединительного узла.
Опытами показано, что при продольном ударе бойка по штанге касательные напряжения в муфте и ниппеле также уменьшаются. При усилии подачи 1,13 Ю4 Н касательные напряжения в ниппеле уменьшаются на 65-70%), а в муфте на 50-52% (рис. 3.26а, б, зависимости 6 и 2). Следует заметить, что усилие подачи влияет на изменение касательных напряжений в сечении ниппеля и муфты как при действии только крутящего момента, так и при действии крутящего момента и ударной нагрузки. муфте от крутящего момента и нанесения ударов по ставу штанг вращательно-ударным механизмом БГА: а) ниппель; б) муфта
Уменьшение касательных напряжений в ниппеле и муфте при нанесении удара бойка по штанге объясняется тем, что при прохождении силового импульса сжатия через соединительный узел, витки ниппеля или муфты разгружаются от статической осевой силы. В этот момент в сечениях ниппеля и муфты касательные напряжения уменьшаются на определенную величину. В рассматриваемый момент времени происходит довинчивание штанг, в результате чего увеличиваются статические контактные нагрузки в торцах соединяемых штанг и доля передаваемого через них внешнего крутящего момента. Поэтому внешний крутящий момент той же самой величины после прохождения ударного импульса сжатия через соединительный узел не может довести статические касательные напряжения в ниппеле и муфте до первоначальной величины. В резьбовой части штанги касательные напряжения увеличиваются за счет увеличения момента трения, возникающего на торцах штанг от дополнительной осевой силы, вызванной действием ударной нагрузки и внешнего крутящего момента, то есть довинчиванием соединения [105].
На рис. 3.27а показаны осциллограммы касательных напряжений в ниппеле, возникающих при одиночных продольных ударах бойка по штанге. Эти осциллограммы записаны при различных скоростях удара и крутящем моменте, равном 196 Н м. Видно, что сечения ниппеля разгружаются от статических касательных напряжений в момент прохождения силового импульса сжатия через соединительный узел при различных скоростях удара бойка на различную величину.
На рис. 3.276 показаны осциллограммы касательных напряжений в ниппеле, возникающих при нанесении серии единичных ударов бойка по штанге о постоянной скоростью 5,1 м/с и крутящем моменте, равном 196 Н#м. При нанесении серии ударов бойком по штанге с постоянной скоростью статические касательные напряжения уменьшаются. Примерно через 5 ударов с тензорезисторов поступает сигнал на экран электронного осциллографа в виде прямой линии (рис. 3.276). Это говорит о том, что ниппель при прохождении нескольких ударных импульсов сжатия через соединительный узел разгрузился от статических касательных напряжений
Таким образом, при одновременном действии крутящего момента, осевого усилия подачи и ударной осевой нагрузки в ниппеле и муфте статические касательные напряжения значительно уменьшаются по сравнению со статическими касательными напряжениями, вызванными действием только крутящего момента, что необходимо учитывать при проектировании или расчете на прочность соединительных элементов буровых штанг.
