4.3. Методы расчета на прочность

Выполняются с целью определения размеров и формы деталей той или иной конструкции, исключающих возможность их поломок и недопустимых деформаций в условиях нормальной эксплуатации. Сущность и эффективность существующих методов сведены в таблицу 4.

Таблица 4

Методы			Сущность		Эффективность
Детерминистические	проектные	Определяются наиболее ха­рактерные размеры, необхо­димые для начала конструирования		Результат окончательный в простейших случаях, раз­меры и форма деталей изме­няются при дальней­шем их согласовании с тре­бованиями и действую­щими стандартами
	проверочные	Оценивается конструкцион­ная проч­ность путем сопоставления расчетных запасов прочно­сти с допустимыми		Если Sрасч Sвносятся не­обходимые конструктивные и технологические измене­ния, повышающие рассчиты­ваемую прочность
Вероятностные			Нагрузки и прочностные свойства задаются зако­нами и распределениями, полученными на основе ста­тистической информа­ции. Запасы прочности уста­навливаются в зависимо­сти от планируе­мого уровня безотказной работы		Использование затрудня­ется из-за отсутствия или недостаточного объема ста­тистической информации, необходимой для выявле­ния законов распределения нагрузок и прочности дета­лей конструкции

Прочностные расчеты, имеющие детерминистический характер, основаны на предположении, что расчетные нагрузки и параметры прочности имеют определенную (детерминированную) величину. Между тем известно, что горнобуровые машины относятся к категории машин, в которых нагрузки являются случайными функциями времени, а параметры прочности изменяются в определенных пределах, зависящих от однородности материала деталей, стабильности технологии изготовления и других факторов.

Поэтому детерминистические методы прочностных расчетов в ряде случаев недостаточны.

Более эффективны вероятностные методы, при которых нагрузки и прочностные свойства задаются законами их распределения, полученными на основе статистической информации. Однако использование этих методов затрудняется из-за отсутствия или недостаточного объема статистической информации, необходимой для выявления законов распределения нагрузок и прочности деталей.

4.4. Принципы расчета на статическую прочность

Буровое оборудование относится к категории машин, в которых нагрузки и время их действия – случайные величины. Расчеты элементов бурового оборудования ведутся по условно принятым величинам нагрузок, продолжительности и характеру их действий, а расчеты на прочность и долговечность элементов – по общепринятым методам с учетом специфических особенностей, выявленных многолетней практикой.

В качестве исходной максимальной расчетной нагрузки принимают:

• для подъемного комплекса– максимальную вероятную нагрузку на крюке, превышающую прочность на разрыв поднимаемой бурильной колонны или составляющую 0,8 наибольшего веса обсадной колонны;

• для механизмов вращения бурильной колонны– наибольший крутящий момент, равный разрушающему моменту кручения, применяемых для данной буровой установки бурильных труб;

• для циркуляционной системы– наибольшее давление, необходимое для восстановления и обеспечения циркуляции, ограничиваемое предохранительным клапаном.

При расчете на статическую прочность на стадии конструирования должно соблюдаться условие, при котором запас на статическую прочность

(16)

где R_н – вероятная несущая способность конструкции на растяжение, сжатие, изгиб или кручение, определяемая размерами конструкции, прочностными характеристиками материалов и др.;

Р– вероятная максимальная действующая нагрузка растяжения, сжатия, изгиба или кручения, определяемая условиями эксплуатации.

Так как от величины коэффициента запаса прочности (КЗП) зависят масса и стоимость изделия, то его величину следует выбирать в соответствии с условиями эксплуатации объекта. Большинство элементов бурового оборудования в процессе эксплуатации теряет прочность по мере старения. Поэтому определение статического КЗП справедливо только на стадии конструирования. Под прочностью объекта понимают вероятность того, что его несущая способность будет больше или равна некоторой величине, а под действующей нагрузкой – только вероятность того, что она будет равна или меньше некоторого значения, поэтому нельзя точно предсказать возможность разрушения.

Условие минимального риска отказа должно соблюдаться для элементов подъемного комплекса. Так, для подъемных комплексов вероятность безотказной работы трансмиссии, двигателей, муфты включения может находиться в пределах 0,9-0,99. Вероятность же безотказной работы элементов этой системы, разрушение которых может привести к человеческим жертвам, должна быть 0,999, т.е. на порядок – два выше.

В то же время для ротора, насоса, трансмиссии привода риск отказа может быть допущен. Например, требование «нормативная вероятность безотказной работы не меньше 0,7» для этих агрегатов приемлемо, так как два – три отказа в десяти случаях вызовут незначительные расходы на ремонт. Нормативная вероятность безотказной работы отдельных элементов должна назначаться из условий обеспечения не только технических, но и экономически обоснованных требований безотказной работы всей системы за рассматриваемый период времени.

При выборе КЗП необходимо учитывать условия работы и старение объекта, так как КЗП нового объекта будет значительно выше, чем изношенного. Например, новые талевый канат, ствол и стропы крюка и другие элементы имеют коэффициенты статического запаса прочности значительно большие, чем бывшие в эксплуатации. При выборе КЗП надо учитывать и характер действия нагрузки. Так, для нового талевого каната при динамических нагрузках в процессе спуско-подъемных операций S_min=3 (ОСТ 26-02-80-73), а при статических нагрузках (спуск обсадных колонн)S_min=2. В условиях сложного напряженного состояния КЗП выбирается по отношению к приведенным напряжениям, определяемым по одной из теорий прочности.

В расчетах элементов конструкций бурового оборудования, находящихся под действием сил, которые вызывают сложное напряженное состояние материалов, могут использоваться различные теории прочности в зависимости от характера действия нагрузок и свойств материалов. Большая часть материалов имеет прочность, возрастающую по мере перехода из области растяжения в область сжатия, особенно это проявляется при работе деталей в агрессивных средах при коррозии металлов.

При расчете бурового оборудования чаще используется теория наибольших касательных напряжений (Мора). В ряде случаев энергетическую теорию прочности.

Расчетные напряжения по теории наибольших касательных напряжений:

(17)

Приведенные напряжения по энергетической теории прочности:

в области растяжения

; (18)

в области сжатия

, (19)

где _доп и_пр– допустимое и приведенное напряжения,

_р,_с– напряжения растяжения и сжатия;

 ‒ коэффициент Пуассона;

τ – касательное напряжение.

Общий КЗП деталей, в которых возникают нормальные  и касательныеτ напряжения,

, (20)

где S_ и S_τ – КЗП по нормальным и касательным напряжениям.

При определении несущей способности конструкции исходят из нормативных пределов прочности или текучести материала. В зависимости от материала детали, размеров и метода горячей обработки фактическая прочность может значительно отличаться от нормативной, указываемой в справочниках для различных материалов. Более точные данные о физико-механических свойствах материалов можно получить из сертификатов или результатов лабораторных испытаний.

Для определения КЗП надо знать фактическую несущую способность конструкции вероятную действующую нагрузку, которую следует принять за расчетную. Наиболее достоверные данные о конструкции можно получить при сопоставлении КЗП рассчитываемой конструкции и аналогичной конструкции – прототипа, прошедшего эксплуатацию в течение достаточного времени.

Для бурового оборудования КЗП, отнесенный к пределу текучести S_τ, принимают в зависимости от степени пластичности материала, характеризуемой отношением предела текучести_τк пределу прочности _в:

……..	0,45-0,55	0,55-0,70	0,7-0,9
Sτ…………..	1,2-1,5	1,4-1,8	1,7-2,6

Коэффициент запаса прочности по пределу прочности:

. (21)

При конструировании сложных объектов идеальным является случай, когда все элементы конструкции равнопрочные, однако это практически невозможно, и прочность конструкции всегда определяет ее наиболее слабое звено.