Введение к работе
Актуальность работы. В условиях рынка в различных отраслях экономики России возникает необходимость широкого внедрения комплексных технологических процессов, сочетающих в себе оптимальные решения экономических, технических, экологических и социальных проблем. Не являются исключением горнодобывающая и строительная отрасли, испытывающие в настоящее время потребность в горизонтальных скважинах различного назначения, протяженности и диаметра, которые могут быть проведены бурошнековым способом.
В связи с потребностью в прокладке скважин длиной 100... 150 м и более возникает необходимость в снижении затрат на бурение. Удлинение шнекового става, повышенные требования к его прочности и надежности приводят к увеличению массы оборудования. Это влияет на потребную мощность привода, а также на трудоемкость доставки и монтажа элементов бурового става. Представляется важной задача поиска способов повышения производительности машин горизонтального бурения и ресурса шнекового става при увеличении длины скважин.
При бурении применяют установку шнековых ставов на центрирующие опоры с подшипниками скольжения или качения для повышения соосности с прокладываемой колонной обсадных труб и снижения потерь на трение и износ шне-ковой спирали. Однако это сопровождается появлением разрывов шнековой спирали с возможностью пробкообразования и прихвата шнекового става, а также создает условия необслуживаемости и неремонтопригодности подшипниковых узлов при бурении. Использование опорных узлов с закладной смазкой и контактными уплотнениями показало их низкий ресурс. В случае потери работоспособности ремонтно - восстановительные работы по подшипниковым опорам производятся после полного демонтажа всего шнекового става из скважины.
В настоящее время в различных отраслях промышленности находят применение подшипники качения с твердо смазочным антифрикционным заполнителем (АФЗ) в виде графитосодержащего расходного смазочного материала, заключенного в самогерметизирующую компактную упаковку.
Поэтому в диссертационной работе поставлена задача повышения ресурса подшипниковых опор шнекового става машин горизонтального бурения на базе подшипников с АФЗ, которая является актуальной для науки и своевременной для практики бурения горизонтальных скважин.
Диссертационная работа выполнялась в рамках хоздоговорной темы 205-2011 «Построение модели изменения технического состояния проходческих комбайнов и промышленная апробация разработанной методики».
Цель диссертационной работы - повышение работоспособности и ресурса подшипниковых опор шнекового става машин горизонтального бурения.
Идея работы заключается в использовании в подшипниковых опорах шнекового става, недоступных для технического обслуживания и ремонта, радиальных шариковых подшипников с АФЗ.
Задачи исследования:
- выявить основные закономерности влияния конструктивных и режимных параметров опорных узлов шнекового става машин горизонтального бу-
рения, оснащенных подшипниками с АФЗ, на их ресурс на основе модели напряженно-деформированного состояния внутренней конструкции подшипников данного типа;
определить параметры сопряжений внутренней конструкции АФЗ с основными деталями подшипника, а также ее механические характеристики;
провести стендовые испытания для оценки ресурса опорных узлов шнекового става машин горизонтального бурения с радиальными подшипниками с АФЗ;
обосновать конструктивные параметры универсального опорного узла машин горизонтального бурения на базе новых необслуживаемых подшипников с АФЗ с улучшенными ресурсными, самосмазывающими и самогерметизирующими характеристиками.
Методы исследований. При моделировании был использован ряд аналитических и численных методов решения физических задач. В процессе экспериментальных исследований применялись положения теории планирования эксперимента, регрессионного и корреляционного анализов, математический аппарат прикладной статистики и теории надежности.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
ресурс опорных узлов шнекового става машин горизонтального бурения, оснащенных подшипниками с АФЗ, по критерию разрушения и выкрашивания заполнителя из фрикционной зоны, основанному на положениях теории линейного суммирования повреждений, увеличивается в 20...40 раз по сравнению с ресурсом узлов с крышками и контактными уплотнениями;
уменьшение зазоров между внутренней конструкцией АФЗ и кольцами по ширине подшипника обеспечивает увеличение гидравлического сопротивления для увлажненных продуктов бурения в 3,4... 5,6 раз;
применение в опорном узле шнекового става необслуживаемых подшипников с АФЗ с улучшенными ресурсными, самосмазывающими и самогерметизирующими характеристиками позволяет уменьшить его длину в разрыве шнековой спирали в 1,3... 1,4 раза, а диаметр - в 1,15... 1,3 раза по сравнению с узлом с крышками и контактными уплотнениями, что уменьшает пробкообразование по длине става.
Научная новизна работы заключается в следующем:
впервые определена зависимость напряженно-деформированного состояния внутренней конструкции радиальных шариковых подшипников с АФЗ от геометрических характеристик сечений как совокупности кусочно-непрерывных, интегрируемых и неотрицательных функций, и от конструктивных и режимных параметров, свойственных опорным узлам шнекового става; теоретически спрогнозирован ресурс опор машин горизонтального бурения с подшипниками с АФЗ, основанный на положениях теории линейного суммирования повреждений;
впервые установлена взаимосвязь изменения зазоров между внутренней конструкцией АФЗ и основными деталями подшипника по его ширине и с учетом наработки, которая описывается полиномиальными зависимостями; определены механические характеристики внутренней конструкции;
- произведена оценка работоспособности в опорных узлах шнекового
става новых необслуживаемых подшипников с АФЗ с улучшенными ресурс
ными, самосмазывающими и самогерметизирующими характеристиками на
лабораторных стендах и в условиях промышленной эксплуатации.
Достоверность научных результатов предопределяется:
применением апробированных аналитических и численных методов;
хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных результатов исследований (свыше 90%);
адекватностью предлагаемых моделей реальным процессам, доказанной с помощью ряда критериев.
Личный вклад автора заключается:
в теоретических и экспериментальных исследованиях, направленных на повышение работоспособности и ресурса подшипниковых опор шнекового става машин горизонтального бурения с подшипниками с АФЗ;
в обработке экспериментальных данных и получении зависимостей для параметров сопряжений, механических и ресурсных характеристик подшипников с АФЗ в опорных узлах шнекового става;
в разработке необслуживаемых подшипников с АФЗ с улучшенными ресурсными, самосмазывающими и самогерметизирующими характеристиками.
Практическое значение работы подтверждается использованием результатов исследований в конструкции экспериментального шнекобурового става с доказанным повышением работоспособности его опорных узлов.
Реализация результатов работы. Рекомендуемые решения в полном объеме использованы в конструкции опорных узлов шнекового бурового става опытно-промышленного бурового комплекса, отмеченного золотой медалью Сибирской ярмарки «Наука в Сибири-96» (Новосибирск, 1996) и экспонировавшегося на Евроазиатской выставке «Деловой Кузбасс» (Кемерово, 1998).
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития технологий и средств бурения» (Кемерово, 1995), V научно-практической конференции по секции машиностроения и горных машин (Новокузнецк, 1996), Международной научно-практической конференции «Проблемы адаптации техники к суровым условиям» (Тюмень, 1999), «Динамика и прочность горных машин» (Новосибирск, 2003), конференциях с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (Новосибирск, 2006, 2009), 26-й конференции Международного общества по бестраншейным технологиям (Москва, 2008), 1-й конференции по бестраншейным технологиям в России, СНГ и странах Балтии (Москва, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК; получено 5 авторских свидетельств.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 203 страницы машинописного текста, 20 таблиц, 52 рисунка, список использованной литературы из 206 наименований и 5 приложений.
