Классификация действующих нагрузок на детали и узлы.

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.

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.