<<
>>

1.3. Анализ методов определения долговечности (ресурса) несущих элементов механических систем

Для инженерных объектов, работающих в условиях нестационарных нагружений, доминирующими факторами, определяющими ресурс несущих элементов, являются [70]: усталость от цикличности нагружения, ползучесть, износ (истирание), взаимодействие усталости и ползучести, коррозия.

В зависимости от эксплуатационных условий, технологии изготовления деталей и узлов, максимально допускаемых размеров исходных дефектов и при данной методике дефектоскопии долговечность оборудования определяется либо длительностью только стадии накопления распределенных дефектов, либо длительностью стадии распространения опасной макроскопической трещины, либо совместно длительностью обеих стадий [18, 23, 55].

Протекание процесса эксплуатации любого изделия характеризуется некоторой мерой длительности этого процесса, которая так или иначе связана с напряженно-деформированным состоянием.

Этой мерой может быть календарная продолжительность эксплуатации, наработка, т.е. продолжительность осуществления изделием своих функциональных задач (например, пробег автомобиля в тыс. км., для подъемно-транспортных машин - количество циклов работы крана), число циклов функционирования или эксплуатационных циклов (например, для самолета - часы полетов, для буровых установок - количество метров, пробуренных за срок службы) и т.д. Очевидно, что "расстояние" между двумя любыми моментами эксплуатации может измеряться различными мерами.

Смысл измерения длительности процесса эксплуатации, т. е. введение таких понятий, как ресурс, срок службы, интервал между осмотрами и ремонтами ит. д., как правило, заключается в том, чтобы, связав с этой мерой другую значимую (в смысле предельного состояния) характеристику объекта, прямое измерение которой затруднено или даже невозможно, делать выводы о поведении именно этой значимой характеристики и на ее основе принимать необходимые решения о правилах и порядке эксплуатации.

В связи с этим ресурс оказывается понятием, достаточно сложным и неоднозначным, измерители ресурса могут быть весьма разными, и в каком-то смысле ресурс даже трудно назвать характеристикой только самого объекта.

Единицы для измерения ресурса выбирают применительно к каждой отрасли и к каждому классу машин, агрегатов и конструкций отдельно.

Исследованиями, проведенными в РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, предлагается при оценке показателей надежности буровых установок применять в качестве единицы измерения - скважину (наработка в скважинах; ресурс, выраженный количеством пробуренных скважин; количество пробуренных скважин за срок службы и т.д.), вместо - часы (наработка - в часах; ресурс - в часах; срок службы - в часах) [43, 57,62, 77].

Необходимость ограничения эксплуатации по наработке возникает при достижении объектом предельного состояния. Наиболее четко эту связь можно проследить на примере усталости материала, которая во многих областях машиностроения является одним из основных и поэтому хорошо изученных де-градационных процессов.

В настоящее время имеется большое количество публикаций по отдельным вопросам, связанным с расчетом ресурса деталей механических систем, но фактически расчетной оценки показателей надежности при проектировании не производится [23, 55, 70, 97].

Ниже, в табл. 1.3, приводятся показатели при расчете долговечности (ресурса) машин и оборудования по отраслям (автомобили, подъемно-транспортные машины и буровые установки), и единицы их измерения [23, 25, 33, 34,55,62,69,72, 87,95,96, 102, 105].

В работе [105] приведена комплексная инженерная методика прогнозирования долговечности элементов сварных крановых конструкций по условиям сопротивления усталости и трещиностойкости при циклическом нагружени и, предназначенная как для расчетов на стадии проектирования, так и для оценки остаточного ресурса.

В качестве единицы измерения долговечности, предлагается принимать количество циклов работы крана или в единицах календарного времени.

Показатели надежности и единицы их измерения автомобилей, кранов и подъемных комплексов буровых установок

Таблица 1.3 Показатели Единицы измерения машин и комплексов Автомо- Краны Буровые установки били Принято Предлагав тся Безотказность:

1. Наработка на отказ

2. Установленная безот- казная наработка тыс. км тыс. км циклы циклы часы скважины Долговечность:

1. средняя наработка (ре- сурс) между капитальными ремонтами

2. Установленный ресурс до капитального ремонта

3. Средняя суммарная нара- ботка (ресурс) до списания тыс. км тыс. км циклы

циклы

циклы (годы) часы

Сумм, проходка

за срок службы, м скважины

Кол. пробуренных СКВ. (или сумм, проходка, м) за срок службы Ремонтопригодность:

1. Удельная трудоемкость

технического обслуживания чел.-часы чел.-часы и текущего ремонта 2. Объединенная удельная оперативная трудоемкость технических обслуживании и ремонтов тыс. км чел.-часы цикл - скважина Долговечность сварных узлов металлоконструкций кранов на первой стадии усталостного повреждения выраженная в циклах работы крана

равна

2 .К,

п..

ггчх

(1.1)

где и,э - эквивалентное количество циклов нагружения узлов максимальными приведенными напряжениями за один цикл работы крана;

N01 - базовое число при пределе выносливости ст.;*, вычисляемого в зависимости от геометрических и механических характеристик узлов и уровня остаточных напряжений.

Расчетная долговечность крановых металлоконструкций на стадии развития усталостной трешины (Тхп) определяется по формуле

г (12)

где Ы(аь к{, 5^ - количество циклов, в течение которых трещина развивается от размера а; до а^, вычисляемое в зависимости от характеристик тре-щиностойкости (к§) и нагруженности (5,), включая остаточные напряжения;

п[я - эквивалентное количество циклов нагружения за один цикл

работы крана, вычисленное для второй стадии усталостного повреждения.

Эквивалентное количество циклов работы крана с начала эксплуатации

??1

*Т * и.

*2

(1.3)

J I

где Ъ - количество циклов работы крана с начала эксплуатации, 2 = Ь*2т\ Ь - календарный срок эксплуатации;

2т - среднее количество циклов работы крана в единицу времени;

07,7 - приведенное напряжение, соответствующее первой наибольшей ступени гистограммы, полученной при схематизации нагружения при у-ом характерном технологическом цикле работы крана с /-ым грузом;

&1 - наибольшее приведенное напряжение из всего спектра нагружения;

ш - показатель степени кривой усталости;

2ц и 11 - долговечность металлоконструкции, полученная при схематизации нагружения при у-ом характерном технологическом цикле работы крана с /-ым грузом и расчетная долговечность крана;

()г и <2 - вес перевозимого груза и грузоподъемность крана соответственно.

В литературных источниках в одни и те же термины и понятия вкладывается различный смысл и это, несомненно, затрудняет анализ методов расчета. Поэтому прежде чем приступить к рассмотрению расчетных зависимостей, необходимо кратко остановиться на характеристиках конструкционных материалов при статическом нагружений и переменных нагрузках.

В процессе расчетов на долговечность используют кривые усталости Велера, которые либо наносят на равномерную сетку, либо изображают в системе координат с логарифмическими шкалами, где их аппроксимируют прямой линией [102].

В стандартных методах расчета зубчатой передачи используют условные кривые контактной выносливости, которые установлены с необходимым запасом по отношению к предельному состоянию (Рис.

1.2) [12,101,102].

На рис. 1.2 изображена условная диаграмма, на которой совмещены характеристики образцов из пластического материала при однократном и многократном нагружений. На оси ординат нанесены предел прочности ав, предел текучести от и предел выносливости а_ь на оси абсцисс - число циклов в логарифмическом масштабе. На диаграмме выделены три области, в которых разрушение материалов подчиняется общим закономерностям.

Первая область - статического и повторно-статического разрушения -характеризуется тем, что у образцов из пластичных материалов разрушение происходит по шейке, образующейся при приложении от одного до нескольких десятков циклов нагрузки. Следует обратить внимание, что ав и от так же как и ом являются случайными величинами и подчиняются определенным законам распределения.

Вторая область - малоцикловой усталости - охватывает диапазон зна-чений N01 10 до 10 -10 циклов. При N < 10 циклов нагружения проявляются особенности статического разрушения, при N > 105 - усталостного разрушения.

А2

о

2

N1

6Ы0

8

Ч N

Рис. 1.2 Условная диаграмма зависимости напряжение - число циклов до разрушения: I - область статического и повторно-статического нагружения; П - область малоциклевой усталости; ИТ - область усталостного разрушения.

Третья область - усталостного разрушения - наблюдается при числе

циклов N > 104 - 105. С уменьшением напряжения число циклов до разруше-

ния N растет, при этом результаты испытаний при фиксированных значениях амплитуды а| подвержены значительному разбросу и описываются ассимит-ричными законами распределения (логарифмически нормальным, Вейбулла). На рис. 1.2 линия А^Аь называемая левой ветвью кривой усталости, соответствует средним значениям N. В точке с координатами (ом, N0) для образцов из углеродистых сталей наблюдается точка перелома.

Для высоколегированных сталей с ов > 1500 МПа и легких сплавов кривые усталости не имеют горизонтального участка, и продолжают снижаться (линия А1А2). Это явление наблюдается и у материалов, имеющих горизонтальный участок кривой, но работающих в условиях коррозии и повышенной температуры [69].

Принятые на заводах изготовителях бурового оборудования методы расчета деталей на выносливость базируются на коэффициенте эквивалентности режима работы. Однако, при определении коэффициента эквивалентности надо задаться сроком службы буровой установки, при этом, срок службы не определяет число пробуренных скважин, а значения коэффициентов зависят от расположения деталей в кинематической схеме (валы СПК на кручение * 0.45 4- 0.5; детали талевой системы исключая подшипники * 0.345 * 0.4; подшипники талевой системы * 0.85; подшипники подъемного вала « 0.74 [I]), т.е. задача определения ресурса деталей в данной постановке не решается.

Предложенные в работах [48, 57, 77] методы расчетов деталей и узлов бурового оборудования по прочностным характеристикам позволяют оценить ресурс многих элементов спуско-подъемного комплекса (СПК) в зависимости от их прочностных и нагрузочных характеристик, а также сравнить уровень долговечности несущих элементов СПК БУ с различным напряженно-деформируемым состоянием (валы, подшипники, цепи и т. д.).

Расходование ресурса несущего элемента обусловливается накоплением усталостных факторов от действия циклически повторяющихся и изменяющихся во времени нагрузок. Причем эти нагрузки чередуются в виде повторяющихся блоков, где каждый блок (совокупность всех нагрузок) формируется в процессе бурения одной скважины. Зная прочностную характеристику детали, можно найти долговечность этой детали, выраженную количеством скважин, пробуренных до ее разрушения. Такой блочный подход позволяет оценить ресурс несущего элемента в количестве пробуренных скважин до его отбраковки (до предельного состояния).

Далее представлены математические модели расходования ресурса несущих элементов буровых установок, учитывающие параметры кривых усталости и режим нагружения элементов в процессе проводки скважин.

Долговечность подшипников шкивов талевой системы, опорных подшипников подъемного вала и валов привода лебедки, выраженная в скважинах, пробуренных за срок службы 2с определяется [57, 85, 86]

(1.4)

м—1

где Ск — динамическая грузоподъемность подшипника по каталогу;

С - составляющая требуемой динамической грузоподъемности подшипника, обусловленная режимом бурения одной скважины;

Ыо - базовое число циклов нагружения подшипников; а) - коэффициент надежности;

(?23 - обобщенный коэффициент, характеризующий совместное влияние качества металла деталей и условий эксплуатации на долговечность подшипников;

Опры - приведенная нагрузка, определяемая из условия нагружения подшипникового узла на и-ной ступени нагружения;

- число повторений нагрузки (2„Р(П) за цикл проводки скважины; т - показатель степени кривой усталости подшипников. Долговечность зубчатой передачи, выраженная в скважинах, пробуренных за ее срок службы 7С равна

2С =

[сн] у * **

п=1

где [Сн1 - допускаемая величина коэффициента контактных напряже-

нии;

[Сн] - допускаемый коэффициент контактных напряжений;

2у — коэффициент, учитывающий влияние скорости и твердости поверхности зубьев;

2ц — коэффициент, учитывающий шероховатость активных поверхностей зубьев;

Кцх - коэффициент, зависящий от диаметра рассчитываемого зубчатого колеса;

Ино - базовое число циклов контактных напряжений; Инп - суммарное эквивалентное число циклов нагружений; т - показатель степени кривой усталости для зубчатой передачи. Долговечность талевого каната лимитируется: - количеством циклов изгибов на шкивах N до разрушения, равном

п

•С , (1.6)

Ош - диаметр шкива по дну желоба; йк - диаметр каната;

Т„ - растягивающая нагрузка в канате от бурильной колонны из п

свечи;

к, тп - постоянные коэффициенты, к = 2...3, тп = 1.65... 1.7; С — коэффициент пропорциональности, зависящий от соотношений ЭШШК и типоразмера каната;

- прочностной характеристикой каната в целом при работе на шкивах

В0 = 1Г*К , (1.7)

где Во — предельная наработка каната из условий усталости;

То - предел выносливости талевого каната; Ио - базовое число изгибов на шкивах; т - показатель степени кривой усталости. Потребность каната за цикл бурения скважины, выраженная в количестве расходуемых оснасток каната в талевой системе К, определяется

К = К! = Я=! (1.8)

где ]ГЯ(Я) - суммарная наработка наиболее нагруженного участка канаЛА

та за цикл бурения скважины;

а = 2.5 - поправочный коэффициент, учитывающий работу талевого каната при подъемах и спусках колонн, а также вспомогательные рейсы и спуск обсадных колонн;

в талевой системе z,^ = е 1сл .и™ ; (1.9)

Zmax - максимальное число изгибов на наиболее нагруженном участке

?з* юс

Я +

2

? - коэффициент переподъема свечи; lee ~ длина свечи бурильных труб;

итс - кратность оснастки талевой системы;

?„ - суммарное количество подъемов бурильной колонны из п свечей за цикл бурения скважины;

Я - расстояние между осями шкивов кронблока и талевого блока в нижнем положении последнего при спуско-подъемных операциях.

Формула для определения числа пробуренных скважин до разрушения приводной цепи 2с [57]

N *

•"О

(м*к,*кв*к,*кл

7с= V ^*.*Ы ^ (1Л0)

где М„р - предельный момент, передаваемый однорядной цепью с шагом длиной /^;

N0 - базовое число циклов нагружения цепи;

-число циклов нагружения цепи; АГ, - коэффициент шага; Ка - коэффициент рядности; /С/ - коэффициент длины контура; К„ - коэффициент перегрузки;

[пв] - допустимый коэффициент запаса по выносливости цепи;

Мк - крутящий момент, передаваемый меньшей звездочкой рассчитываемой передачи, при подъеме бурильной колонны на л-ой ступени нагружения; т - показатель степени кривой усталости цепей.

Число пробуренных скважин до разрушения вала 2с определяется:

при изгибе 2С, = *?<а1Ь ; (1.11)

при кручении гСг = арп1Г"Д*^°9 (1.12)

У г" *^

где ара, арТ - расчетный коэффициент повреждений для нормальных и касательных напряжений;

сг.уд, т.щ - предел выносливости натурной детали для нормальных и касательных напряжений;

с^уТ^ - амплитуда нормальных и касательных напряжений возникающих на п-ои ступени нагружения вала;

М„яуМ„г-число повторений амплитуд а^,г^ в блоке нагружений;

т - показатель степени кривой усталости;

N0 - базовое число циклов повторения амплитуд. Результирующая долговечности вала от совместного действия изгиб-ных и касательных напряжений, выраженная в пробуренных скважинах 2с_^ определяется из выражения:

гс= 2<*Ч2с* я, (1.13)

( - -1*

7т ? 7 т

\ )

Следует также отметить, что определение и установление ресурсных характеристик для обеспечения безопасности эксплуатации объектов повышенной ответственности является очень сложной комплексной задачей, далеко выходящей за рамки наивных представлений о наличии некоторых простых формул, применение которых решает проблему. Перечень разного рода ресурсных характеристик достаточно солиден. Это и ресурс, как жесткое ограничение по наработке, это и интервалы между различными мероприятиями (заменами, ремонтами, осмотрами), поддерживающими безопасную эксплуатацию оборудования. Это и понятие предельного состояния, и такая важная (бесспорно, тоже ресурсная) характеристика как максимальный необнаруженный размер повреждения.

Знание кривых усталости несущих элементов не достаточно для решения данной задачи. Необходимым условием является также знание режима нагружения несущих элементов в процессе проводки скважины.

Существующие практические методы расчета на выносливость деталей и узлов бурового оборудования имеют ряд существенных недостатков [57]: -

в конечном итоге рассматривается регулярный ассимитричный цикл изменений напряжений, хотя в большинстве случаев имеет место случайный характер изменения нагрузок; -

не учитывается рассеяние характеристик сопротивления усталости и нагруженности, которое в большей степени влияет на надежность; -

расчет по запасам не позволяет оценить надежность деталей в зависимости от использования ресурса и не позволяет сравнить уровень долговечности несущих элементов СПК с различным НДС; -

этот метод является недостаточно эффективным для выявления факторов, наиболее сильно влияющих на ресурс и надежность в целом, а следовательно, неприемлемым для разработки мероприятий по существенному их повышению при одновременном снижении металлоемкости; -

метод не позволяет в прямой форме сопоставить результаты расчета с наблюдениями за появлением отказов при эксплуатации, а следовательно, и опробовать правильность метода расчета и исходной информации.

Как показал анализ, в существующем методе расчета долговечности (ресурса) зубчатой передачи не учтены рекомендации последнего ГОСТ 21354-87 и справочной литературы, в которых исключены из расчета долговечности коэффициенты [Сцг] и [Сн] (допускаемая величина коэффициента контактных напряжений и допускаемый коэффициент контактных напряжений, соответственно) и осуществлено уточнение методов расчета.

Таким образом, целью работы является разработка методики расчета долговечности зубчатой передачи СПК БУ, с учетом рекомендации последнего НТД и уточнении методов расчета.

<< | >>
Источник: ЖАБАГИЕВ АСЛАН МУХАМЕДИЯРОВИЧ. РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА СПУСКО-ПОДЪЕМНОГО КОМПЛЕКСА БУРОВЫХ УСТАНОВОК / Диссертация. 2002

Еще по теме 1.3. Анализ методов определения долговечности (ресурса) несущих элементов механических систем:

  1. 3. Определения долговечности (ресурса) планетарной коробки перемены передач 3.1. Оценка долговечности (ресурса) зубчатой передачи
  2. 46. РАСЧЕТ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФАКТОРОВ РИСКА.ФАКТОРНЫЙ АНАЛИЗ. ЭКСПЕРТНЫЙ МЕТОД
  3. 3.3. Расчет долговечности (ресурса) зубчатой передачи привода лебедки буровой установки БУ 2500-ЭПБМ1 на изгиб
  4. 3.2 Расчет долговечности (ресурса) зубчатой передачи привода лебедки буровой установки БУ 2500-ЭПБМ1 на контактную выносливость
  5. Расчет долговечности (ресурса) зубчатой передачи привода лебедки буровой установки БУ 2500-ЭПБМ1 на контактную выносливость
  6. Механические методы очистки сточных вод
  7. Определение информационных ресурсов
  8. 1. Определение элемента
  9. 3 Краткий очерк наиболее вероятного способа, каким планетная система могла быть образована механически
  10. Методы формирования и распространения информационных ресурсов
  11. 12.1.2. Основные элементы экспериментального метода
  12. Ресурсы в технических системах
  13. Система, структура, элементы.
  14. 3.7. Система права: понятие и структурные элементы
  15. 4.4. СУЩНОСТЬ И ЭЛЕМЕНТЫ ТАРИФНОЙ СИСТЕМЫ
  16. 4.5 Элементы АИУС в системе управления
  17. 8.6. КОНКУРЕНЦИЯ - ЭЛЕМЕНТ РЫНОЧНОГО МЕХАНИЗМА. ФОРМЫ И МЕТОДЫ КОНКУРЕНТНОЙ БОРЬБЫ
  18. 4.2. Структура и основные элементы системы управления
  19. 3.3 ОРГАНИЗАЦИОННАЯ ИНФРАСТРУКТУРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РЕСУРСАМИ РАЗВИТИЯ РЕГИОНА
  20. Элементы главной подгруппы VI группы периодической системы