Конспект лекций РиКМОНГП. Конспект лекций по дисциплине Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов Для специальности
 Скачать 2.08 Mb.
|
|
Тема 4. Расчеты на прочность и долговечность деталей нефтегазопромысловых машин и оборудования Прочность характеризует способность деталей, не разрушаясь, воспринимать нагрузки в определенных режимах и условиях нагружения. Большое влияние на прочность деталей оказывают материалы, способы упрочнения, размеры и геометрические формы их. Особое значение вопросы прочности деталей приобретают в связи с возрастающими требованиями к повышению надежности и долговечности буровых машин и оборудования и снижению их массы. В обеспечении прочности деталей машин важную роль играют методы прочностных расчетов, основанные на новейших достижениях теории прочности и опыте расчета, конструирования и эксплуатации машин. Современное состояние науки и техники позволяет на стадии расчета и проектирования придать деталям машин практически необходимый уровень прочности. 4.1 Классификация действующих нагрузок Нагрузкой называют силовое воздействие, вызывающее изменение напряженно-деформированного состояния деталей машин. По характеру действия нагрузки делятся на статические и динамические. Статические нагрузки характеризуются тем, что их значение, направление и место приложения постоянны либо изменяются так незначительно, что при расчете конструкций пренебрегают влиянием сил инерции. В свою очередь, они подразделяются на постоянные и временные. К постоянным относятся нагрузки, значения которых для данной конструкции принимаются неизменными. Примером постоянной статической нагрузки является собственный вес конструкции. Весовые нагрузки значительно влияют на напряженно-деформированное состояние буровой вышки и другого оборудования, состоящего из узлов и деталей, вес которых соизмерим с эксплуатационными нагрузками. Постоянные нагрузки могут вызвать в деталях конструкции переменные напряжения. Так, в результате изгиба с вращением в сечениях вала за один оборот происходит смена растягивающих и сжимающих напряжений. Аналогично в результате периодического входа в зацепление зубья зубчатых передач испытывают переменные напряжения при постоянной рабочей нагрузке, действующей на исполнительный орган машины. К временным статическим относятся нагрузки, действующие в течение длительного цикла работы (например, начальная затяжка резьбовых соединений, давление жидкости или газа в различных аппаратах, нагрузки от снега, гололеда и температурного воздействия, предварительное натяжение тяговых органов и др.). Динамические нагрузки характеризуются быстрым изменением значения, направления или точки приложения, вызывающим в элементах конструкции значительные силы инерции. Причины появления динамических нагрузок — неравномерность рабочего процесса; ускорение при пусках, торможениях и реверсирования; неуравновешенность быстровращающихся деталей; чрезмерный износ зубчатых и цепных передач; зазоры в подвижных соединениях и др. Динамические нагрузки, вызываемые неравномерностью рабочего процесса, характерны для поршневых машин (насосов и двигателей), и особенно для машин и инструмента ударного и вибрационного действия (молотов, копров, буровых долот, вибросит и др.). По характеру рабочих процессов различают стационарные и нестационарные нагружения. Стационарным называют нагружение с постоянными характеристиками рабочего процесса. Нагружение с изменяющимися характеристиками рабочего процесса относят к нестационарному. К машинам, испытывающим стационарное нагружение, относятся вентиляторы, машины центральных насосных станций и некоторые другие. Большинство машин испытывает нестационарное нагружение. Изменение характеристик рабочих процессов в буровых машинах обусловлено непрерывным увеличением глубины забоя в процессе бурения скважины, а также ступенчатым изменением веса бурильной и обсадной колонн труб при спуско-подъемных операциях. Изменение уровня нагрузок и частота повторения нагрузок определенного уровня зависят от технологического процесса, выполняемого машиной, и передаточного числа от исполнительного органа до рассматриваемой детали. Например, нагрузки на крюке подъемного механизма буровой установки равны весу подвешенной бурильной колонны. При подъеме последней число циклов нагружения крюка равно числу бурильных свечей в колонне труб. Нагрузки, испытываемые при этом подъемным валом лебедки, уменьшаются пропорционально кратности оснастки талевого механизма. За время подъема колонны на длину одной свечи, соответствующее одному циклу нагружения крюка, число циклов нагружения подъемного вала лебедки будет равно числу его оборотов, зависящему от длины наматываемого каната и диаметра барабана. Нагрузки во вращающихся деталях силовых передач привода лебедки уменьшаются, а число циклов нагружения возрастает пропорционально передаточному числу между рассматриваемой деталью и подъемным валом. 4.2 Виды отказов по критериям прочности Под действием эксплуатационных нагрузок возникают отказы деталей буровых машин и оборудования, которые по принятым критериям прочности относятся к усталостным и хрупким разрушениям, пластическим деформациям, ползучести и нарушениям сцепления. Усталостные разрушения возникают под действием переменных напряжений, уровень которых превышает конструкционный предел выносливости. При напряжениях, равных и ниже конструкционного предела выносливости, деталь может выдержать без нарушения сколько угодно повторных циклов. При одновременном воздействии коррозии, высоких температур, а также при контактных нагружениях деталей, закаленных до высокой твердости, предел выносливости в указанном понимании может отсутствовать. В этих и некоторых других случаях при расчете на прочность пользуются пределом ограниченной выносливости, равным максимальному напряжению цикла, соответствующему задаваемой циклической долговечности. Характерной особенностью усталостных разрушений является то, что они происходят от действия местных напряжений, создаваемых конструктивными, металлургическими и технологическими концентраторами напряжений. Усталостному разрушению предшествует постепенное развитие усталостных трещин, в результате которого оставшееся живое сечение не обеспечивает статической прочности детали. На поверхности усталостных изломов обнаруживается граница между гладко притертой зоной развития усталостной трещины и зоной окончательного разрушения волокнистого либо зернистого строения, которое характерно для вязких и хрупких изломов. Период развития усталостных трещин сокращается с уменьшением сечения детали. Общие усталостные разрушения характерны для резьбовых соединений бурильных труб, валов и осей, штоков буровых насосов, пружин, деталей буровой вышки и металлических оснований. Поверхностным усталостным разрушениям подвергаются зубья цепных и зубчатых передач, детали подшипников качения, ролики и втулки приводных цепей. Особо следует выделить разрушения от термической усталости, развивающейся под действием повторных температурных напряжений. Этот вид разрушения наблюдается в тормозных шкивах буровых лебедок. Пластическая деформация наблюдается при перегрузке деталей изготовленных из незакаленных и высокоотпущенных сталей. Наиболее распространенные виды этих отказов - искривление валов осей, деталей буровой вышки и других металлических конструкций; осадка пружин и удлинение (вытяжка) болтов при чрезмерных затяжках; смятие труб, шпонок, шпоночных канавок крепежных деталей, дорожек качения подшипников, направляющих и рабочих поверхностей зажимов и др. Длительное силовое воздействие в сочетании с нагревом вызывают медленное нарастание пластических деформаций при напряжениях, меньших предела текучести. Это явление, называемое ползучестью, особенно резко проявляется у пластмассовых деталей, что ограничивает температурный диапазон их применения. Хрупкие разрушения происходят в деталях из чугуна и низ-коотпущенных сталей под действием ударных и статических нагрузок, а также в результате чрезмерных напряжений, возникающих при посадках с натягом (ступицы колес и дисков, пластины втулочно-роликовых цепей и др.). Хрупкие разрушения деталей машин и сварных конструкций возрастают в условиях низких температур, теплового и радиационного воздействия, вызывающих охрупчивание металлических и пластмассовых деталей, а также резинотехнических изделий. Большое распространение имеют отказы, вызванные нарушениями сцепления. К их числу относятся провороты и осевые смещения в прессовых соединениях; относительное проскальзывание во фрикционных муфтах и ременных передачах; самоотвинчивание резьбовых соединений; расшплинтовка втулочно-роликовых цепей и др. 4.3 Выбор конструкционных материалов и способы упрочнения деталей Конструкционные материалы в общем случае выбирают исходя из требований к их механическим, физическим и технологическим свойствам, предъявляемых условиями работы и изготовления данной детали. Механические и физические свойства позволяют судить о служебной пригодности материала. По технологическим свойствам оценивается возможность обработки материала при изготовлении деталей. К основным механическим свойствам материала относятся:
Механические свойства конструкционных материалов определяются путем испытаний стандартных образцов. Физические свойства материалов характеризуются плотностью (удельным весом), температурой плавления, коэффициентами теплопроводности, линейного расширения и трения. Затраты, связанные с обработкой материалов резанием, составляют значительную часть заводской себестоимости изготовления машин. Поэтому обрабатываемость резанием, характеризуемая пригодностью материалов к обработке всеми видами режущих инструментов при больших скоростях резания и подачах с получением необходимых параметров шероховатости поверхности, является важным технологическим свойством. К числу других технологических свойств, учитываемых при выборе металлических материалов, относятся:
Физико-механические свойства и примерное назначение машиностроительных материалов приводятся в технических справочниках и пособиях по расчету и конструированию деталей машин. Обоснованный выбор материала для заданной детали из обширного ассортимента машиностроительных материалов может быть сделан на основе сравнительной оценки возможных вариантов. Критериями сравнительной оценки материалов являются минимальная масса и стоимость материала при заданных прочности, выносливости, жесткости и других требованиях к рассматриваемой детали. Для конструкций, масса которых имеет особенно важное значение, критериями выбора материала могут служить удельная прочность, определяемая отношением предела прочности к плотности материала, либо удельная жесткость, определяемая отношением модуля упругости к плотности материала. Так как модуль продольной упругости сталей изменяется в узких пределах (2-2,2)∙105 МПа, то для изготовления деталей, у которых преобладающее значение имеет жесткость, не следует применять легированные стали. В этом случае более экономичны углеродистые стали. Для машин, эксплуатируемых в северных районах, важное значение имеет хладноломкость применяемых материалов. Она снижается очисткой металлов от вредных примесей (фосфора, серы, кремния, азота, мышьяка), термообработкой и легированием. Добавки никеля, алюминия, титана и других легирующих элементов, повышающих вязкость сталей, также способствуют снижению хладноломкости. При выборе материалов следует учитывать интересы заводов - изготовителей машин. Ограничение номенклатуры применяемых материалов дает заводам-изготовителям ряд важных преимуществ, связанных с укрупнением поставляемых партий материалов, упрощением их учета и хранения, снижением брака, благодаря более стабильной технологии в литейном, термическом и других участках производства. Поэтому без крайней необходимости не следует пользоваться нетрадиционными для данного завода материалами. На заводах бурового оборудования для ответственных деталей и несущих элементов применяют хромоникелевые, хромомолибденовые и хромоникельмолибденовые стали. Стали, содержащие вольфрам и ванадий, используются в исключительных случаях, когда другие стали вследствие недостаточных механических свойств не обеспечивают возможность изготовления деталей. В ассортимент материалов, применяемых в производстве буровых машин и оборудования, кроме легированных сталей, входят углеродистые общего назначения, цветные металлы, чугун, резина, полимерные и прочие материалы. Следует указать, что привычные для деталей буровых машин и оборудования марки материалов периодически заменяются новыми марками. Это объясняется закономерным процессом развития производства более качественных и экономичных материалов, применение которых способствует дальнейшему повышению прочности и надежности буровых машин и оборудования. Важный резерв повышения прочности деталей - выбор способов их упрочнения. Как известно, усталостные разрушения деталей в большинстве случаев происходят от действия повышенных местных напряжений, которые порождаются концентраторами напряжений металлургического, технологического и конструктивного происхождения. Переходные сечения, канавки, резьба, отверстия и прочие изменения формы деталей, а также соединения с натягом относятся к конструктивным концентраторам напряжений, в зоне которых местные напряжения значительно превосходят номинальные. Концентрация напряжений вызывает снижение сопротивляемости детали усталости. Отношение предела выносливости образца без концентрации напряжений к пределу выносливости образцов с концентрацией напряжений, имеющих такие же абсолютные размеры сечения, как и гладкие образцы, называют эффективным коэффициентом концентрации напряжений:  (1)где Кσ, Кτ - эффективные коэффициенты концентрации напряжений при действии соответственно переменных нормальных и касательных напряжений; σ-1, τ-1 - пределы выносливости образцов без концентрации напряжений; σ-1к, τ-1к - пределы выносливости образцов с концентрацией напряжений. Эффективные коэффициенты концентрации напряжений зависят не только от формы детали, но и от механических свойств материала. Значения эффективных коэффициентов концентрации обычно меньше коэффициентов концентрации напряжений, определяемых теоретически отношением наибольшего местного напряжения к номинальному:  (2)где (σmах, τmах - максимальные напряжения в зоне концентрации, вычисленные методами теории упругости или определенные экспериментально; σном, τном -номинальные напряжения, найденные без учета возмущения напряжения (обычно по формулам сопротивления материалов). Для оценки влияния материала пользуются коэффициентом чувствительности материала к концентрации напряжений:  (3)Зная коэффициенты чувствительности материала к концентрации напряжений и коэффициент концентрации напряжений, можно определить эффективные коэффициенты концентрации напряжений:  (4)Если материал не чувствителен к концентрации напряжений (qσ=0 и qτ=0), то Кσ=1, Кτ=1. Если материал обладает полной чувствительностью к концентрации напряжений (qσ=1 и qτ=1), то Кσ = ασ; Кτ = ατ. Металлы и сплавы с неоднородной структурой (например, чугун) имеют пониженную чувствительность к концентрации напряжений (qσ≈0, Кσ≈0). Для конструкционных сталей чувствительность к концентрации напряжений возрастает с повышением предела прочности и в среднем q = 0,6- 0,8. Поэтому в расчетах значение эффективного коэффициента концентрации напряжений следует выбирать с учетом не только формы концентратора, но и прочности материала детали. Важно отметить, что вследствие повышенной чувствительности к концентрации напряжений высокопрочные стали при переменных напряжениях не всегда оказываются эффективными. Значение эффективных коэффициентов концентрации напряжений для наиболее распространенных в деталях бурового оборудования концентраторов напряжений приведены в литературе. При одинаковых концентраторах значение эффективного коэффициента концентрации напряжений при кручении меньше, чем при изгибе:  (5)Иногда в одном сечении детали имеется несколько концентраторов, например напрессовка, шпоночный паз и др. В таких случаях наблюдается усиление либо ослабление концентрации напряжений. Указанные явления недостаточно изучены, и поэтому в расчетах эффективного коэффициента концентрации напряжений учитывается влияние наиболее опасного понизителя прочности. Для повышения сопротивления усталостным разрушениям используются конструктивные и технологические способы упрочнения деталей. Конструктивные способы упрочнения основаны на снижении уровня местных напряжений путем придания деталям рациональной конструктивной формы. Технологическое упрочнение достигается специальными методами обработки деталей при их изготовлении. Наличие концентраторов напряжений в большинстве случаев обусловлено служебным назначением детали, и полное их устранение оказывается невозможным. В подобных деталях действие концентраторов напряжений можно ослабить разнообразными конструктивными способами, подробное описание которых приводится в технической литературе, посвященной основам конструирования и прочности деталей машин []. Значения эффективных коэффициентов концентрации существенно снижаются благодаря рациональным формам и принятым соотношениям размеров в сечениях детали, вызывающих концентрацию напряжений. Для повышения усталостной прочности концентраторы следует размещать на участках детали, испытывающих наименьшие напряжения, если это конструктивно возможно. В деталях буровых машин наиболее распространенными концентраторами напряжений являются входящие углы ступенчатых деталей, кольцевые выточки, отверстия для установки штифтов или подвода масла, шлицы и шпоночные пазы, наружные и внутренние резьбы, острые кромки и др. Для снижения концентрации напряжений во входящих углах ступенчатых деталей используются различные формы сопряжения ступеней, из которых наиболее просты и распространены галтели. Эффективный коэффициент концентраций напряжений снижается с уменьшением отношения D/d и увеличением относительного радиуса галтели r/d. Эффективный коэффициент концентрации напряжений возрастает при использовании высокопрочных сталей и увеличении длины бурта. Разгрузочные кольцевые выточки снижают нагруженность наружных перерезанных резьбой волокон, а также участков вала под ступицей. При этом эффективный коэффициент концентрации напряжений, так же как в предыдущем случае, снижается с уменьшением перепада диаметров и увеличением относительного радиуса выточки . Участки деталей, ослабленные отверстием, обычно упрочняют путем увеличения сечений в зоне отверстий. Эффективный коэффициент концентрации напряжения падает с увеличением соотношения диаметров отверстия и вала. Детали с отверстиями упрочняют также округленней и обжатием кромок и продавливанием отверстия шариком. В результате этого усталостная прочность возрастает на 30—50%. При кручении валы и оси с эвольвентными шлицами имеют эффективный коэффициент концентрации напряжений примерно в 1,5 раза меньший, чем валы с прямобочными шлицами. Эффективный коэффициент концентрации напряжений шпоночных канавок, выполненных дисковой фрезой, больше, чем шпоночных канавок, выполненных пальцевой фрезой . Прессовые посадки способны вызвать значительное (до 5 раз и более) снижение усталостной прочности сопрягаемых деталей. Это объясняется концентрацией напряжений и фреттинг-коррозией, вызываемой микросмещениями соединяемых деталей под воздействием внешних переменных нагрузок. Для повышения усталостной прочности соединений применяются различные конструктивные и технологические способы. Наиболее эффективным является снижение контактных давлений на посадочных поверхностях путем увеличения длины и диаметра соединения. Существенный эффект дают и некоторые другие конструктивные способы упрочнения: посадки повышенного класса точности; оптимальное соотношение сечений охватывающей и охватываемой деталей (увеличение толщины стенок одной из деталей снижает напряжения в ней, но одновременно увеличивает напряжения в другой детали); уменьшение сечений ступицы по направлению к торцам; разгружающие кольцевые канавки на валу и ступице [ ]. В зубчатых передачах местные напряжения снижаются путем скругления острых углов во впадинах, увеличения податливости зубьев за счет кольцевых проточен под их основанием, применения зубьев с бочкообразным поперечным сечением. Рассмотренные и другие конструктивные способы успешно используются для снижения местных напряжений в резьбовых соединениях, втулочно-роликовых цепях и других конструкциях. Таблица 4.1 Эффективные коэффициенты концентрации напряжений Кσ
В производстве и ремонте буровых машин и оборудования пользуются разнообразными способами технологического упрочнения. Наиболее распространена объемная закалка, в результате которой прочность углеродистых сталей повышается в 1,5-2 раза, а легированных -в 2-3 раза. Однако, как уже отмечалось, с увеличением прочности существенно снижается ударная вязкость сталей и повышается их чувствительность к концентрациям напряжений. Поэтому повышение прочности сталей свыше некоторого предела малоэффективно для деталей, подвергаемых усталостным разрушениям. При недостаточной эффективности объемной закалки используется поверхностное упрочнение деталей, которое особенно благоприятно действует на усталостную прочность деталей из высокопрочных сталей с опасными концентраторами напряжений. Известны следующие методы поверхностного упрочнения:
Большая роль в развитии теории и внедрении методов поверхностного упрочнения принадлежит ЦНИИТмашу. Повышение усталостной прочности при поверхностном упрочнении главным образом обусловлено возникновением остаточных сжимающих напряжений вследствие пластической деформации (наклепа) либо структурных изменений в поверхностных слоях детали. В сердцевине детали под упрочненным слоем развиваются реактивные растягивающие напряжения, имеющие незначительную величину вследствие сравнительно большой разницы площадей сечения сердцевины и упрочненного слоя детали. Остаточные напряжения сжатия ослабляют действие рабочих растягивающих напряжений в наиболее опасных наружных участках и, следовательно, способствуют повышению сопротивления детали усталостному разрушению. Эффективность упрочняющей технологии может быть оценена экспериментально путем измерения остаточных напряжений или испытаний деталей в эксплуатационных условиях. Отношение предела выносливости упрочненных образцов к пределу выносливости неупрочненных называют коэффициентом влияния поверхностного упрочнения:  (6)где σ-1у, σ-1 — предел выносливости образцов соответственно упрочненных и неупрочненных. Коэффициенты влияния поверхностного упрочнения зависят от механических свойств материала деталей, наличия в них концентраторов напряжений, а также режимов упрочнения деталей. Предельные значения коэффициентов упрочнения для деталей гладких и с концентраторами напряжений приведены в технической литературе. В производстве буровых машин и оборудования наиболее распространенными методами упрочнения деталей являются поверхностная закалка с нагревом токами высокой частоты и обкатывание роликами. Этому способствуют технологические преимущества указанных методов, в числе которых следует выделить их высокую производительность, возможность получения чистой поверхности и удобство встраивания в поточную линию производства. Цементация требует большей длительности и поэтому является менее производительным способом упрочнения. Технологические способы упрочнения в сочетании с конструктивными — важный резерв повышения прочности и долговечности буровых машин и оборудования. Таблица 4.2 Значения коэффициента, учитывающего поверхностное упрочнение
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||