Про розсіювання енергії в циклічно навантажуваному контакті зубця з шарошкою

Abstract

Проведено порівняльний якісний аналіз роботи двокомпонентного та трикомпонентного з’єднань “шарошка-зубець” з урахуванням мікропроковзування під циклічним навантаженням. Розглянуто реологічні моделі з’єднань як систем із зосередженими параметрами. Пропонований підхід допускає аналітичне описання фізичних співвідношень за будь-якої програми немонотонного навантаження. Описано розсіювання енергії у фрикційному контакті та побудовано петлі конструкційного гістерезису. Встановлено залежність величини розсіяної енергії від порогового значення сили зрушування. Виявлено зменшення дисипації енергії у фрикційних контактах трикомпонентного з’єднання з оптимально підібраними натягами відносно двокомпонентного з’єднання з оптимальним натягом. Наведено приклади розрахунку. Проведений аналіз підтвердив сприятливий вплив раціонально спроектованої додаткової втулки на підвищення довговічності озброєння бурових шарошкових доліт.

The problem of rational design of cone bits carbide-tipped armament for oil and gas industry needs is being considered. Previously the authors had found a significant increase of load capacity of pressure coupling with intermediate elastic sleeve under the impact of monotonous static load. In the presenedt article a comparative qualitative analysis of two-component and three-component junctions "pin-cone" under the impact of cyclic loading has been carried out taking into account the microslip in frictional contacts. Rheological models of compounds are considered as systems with lumped parameters, which are built using the Hooke’s and Saint-Venant’s elements. The proposed approach allows analytical description of the physical relationship for any program of nonmonotonic loading.The equations of curves of unloading and then repeated loading have been obtained basing on the Masing’s principle from the formulas for the active load. For zero-to-compression stress cycle the energy dissipation in frictional contact have been described and loops of construction hysteresis have been built. For both variants of the considered structures the dissipated energy values dependence on the force threshold values, when moving starts, has been found. The decrease of energy dissipation in frictional contact three-component compounds with optimally selected tightness relative to two-component compounds with optimal tension is shown. The examples of calculation are given for pressure coupling in the case, when both sleeve and toothed wheel are made of the same materials. The results of the calculation testify that, in the case when the load capacity for the optimal design of three-component compound under one-act load is 30% higher than the same for the two-component compounds, the threshold value of microslip moving start effort for design with a bushing is only in 20% higher than the same value for construction without a bushing. Smaller effect is explained by the fact that three-component optimal design,t constructions is optimized for strength balance by equivalent stresses, but not for the tangential stresses in contacts. The analysis testified the favorable effect of the rationally designed bushing on the reduce of the rate of contact wear and, consequently, on the improvement of armament of roller cone drill bits durability. To improve the analytic estimations obtained the numerical analysis for the optimization by most durability criteria for the contacting objects should be used taking into consideration the model with distributed parameters by elastic-plastic deformation.