у какого вида бурового оборудования на исполнительном органе реализуется трение качения
У какого вида бурового оборудования на исполнительном органе реализуется трение качения
Когда мы говорим «абсолютно гладкая поверхность» — это значит, что между ней и телом нет трения. Такая ситуация в реальной жизни практически невозможна. Избавиться от трения полностью невероятно трудно.
Чаще при слове «трение» нам приходит в голову его «тёмная» сторона — из-за трения скрипят и прекращают качаться качели, изнашиваются детали машин. Но представьте, что вы стоите на идеально гладкой поверхности, и вам надо идти или бежать. Вот тут трение бы, несомненно, пригодилось. Без него вы не сможете сделать ни шагу, ведь между ботинком и поверхностью нет сцепления, и вам не от чего оттолкнуться, чтобы двигаться вперёд.
Трение — это взаимодействие, которое возникает в плоскости контакта поверхностей соприкасающихся тел.
Сила трения — это величина, которая характеризует это взаимодействие по величине и направлению.
Основная особенность: сила трения приложена к обоим телам, поверхности которых соприкасаются, и направлена в сторону, противоположную мгновенной скорости движения тел друг относительно друга. Поэтому тела, свободно скользящие по какой-либо горизонтальной поверхности, в конце концов остановятся. Чтобы тело двигалось по горизонтальной поверхности без торможения, к нему надо прикладывать усилие, противоположное и хотя бы равное силе трения. В этом заключается суть силы трения.
Откуда берётся трение
Трение возникает по двум причинам:
Виды силы трения
В зависимости от вида трущихся поверхностей, различают сухое и вязкое трение. В свою очередь, оба подразделяются на другие виды силы трения.
Сила трения покоя
Рассмотрим силу трения покоя подробнее.
Обычная ситуация: на кухне имеется холодильник, его нужно переставить на другое место.
Когда никто не пытается двигать холодильник, стоящий на горизонтальном полу, трения между ним и полом нет. Но как только его начинают толкать, коварная сила трения покоя тут же возникает и полностью компенсирует усилие. Причина её возникновения — те самые неровности соприкасающихся поверхностей, которые деформируясь, препятствуют движению холодильника. Поднатужились, увеличили силу, приложенную к холодильнику, но он не поддался и остался на месте. Это означает, что сила трения покоя возрастает вместе с увеличением внешнего воздействия, оставаясь равной по модулю приложенной силе, ведь увеличиваются деформации неровностей.
Пока силы равны, холодильник остаётся на месте:
Сила трения, которая действует между поверхностями покоящихся тел и препятствует возникновению движения, называется силой трения покоя
Сила трения скольжения
Что же делать с холодильником и можно ли победить силу трения покоя? Не будет же она расти до бесконечности?
Зовём на помощь друга, и вдвоём уже удаётся передвинуть холодильник. Получается, чтобы тело двигалось, нужно приложить силу, большую, чем самая большая сила трения покоя:
Теперь на движущийся холодильник действует сила трения скольжения. Она возникает при относительном движении контактирующих твёрдых тел.
Итак, сила трения покоя может меняться от нуля до некоторого максимального значения — Fтр. пок. макс И если приложенная сила больше, чем Fтр. пок. макс, то у холодильника появляется шанс сдвинуться с места.
Теперь, после начала движения, можно прекратить наращивать усилие и ещё одного друга можно не звать. Чтобы холодильник продолжал двигаться равномерно, достаточно прикладывать силу, равную силе трения скольжения:
Как рассчитать и измерить силу трения
Чтобы понять, как измеряется сила трения, нужно понять, какие факторы влияют на величину силы трения. Почему так трудно двигать холодильник?
Самое очевидное — его масса играет первостепенную роль. Можно вытащить из него все продукты и тем самым уменьшить его массу, и, следовательно, силу давления холодильника на опору (пол). Пустой холодильник сдвинуть с места гораздо легче!
Следовательно, чем меньше сила нормального давления тела на поверхность опоры, тем меньше и сила трения. Опора действует на тело с точно такой же силой, что и тело на опору, только направленной в противоположную сторону.
Сила реакции опоры обозначается N. Можно сделать вывод
Второй фактор, влияющий на величину силы трения, — материал и степень обработки соприкасающихся поверхностей. Так, двигать холодильник по бетонному полу гораздо тяжелее, чем по ламинату. Зависимость силы трения от рода и качества обработки материала обеих соприкасающихся поверхностей выражают через коэффициент трения.
Коэффициент трения обозначается буквой μ (греческая буква «мю»). Коэффициент определяется отношением силы трения к силе нормального давления.
Он чаще всего попадает в интервал от нуля до единицы, не имеет размерности и определяется экспериментально.
Можно предположить, что сила трения зависит также от площади соприкасающихся поверхностей. Однако, положив холодильник набок, мы не облегчим себе задачу.
Ещё Леонардо да Винчи экспериментально доказал, что сила трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей при прочих равных условиях.
Сила трения скольжения, возникающая при контакте твёрдого тела с поверхностью другого твёрдого тела прямо пропорциональна силе нормального давления и не зависит от площади контакта.
Этот факт отражён в законе Амонтона-Кулона, который можно записать формулой:
где μ — коэффициент трения, N — сила нормальной реакции опоры.
Для тела, движущегося по горизонтальной поверхности, сила реакции опоры по модулю равна весу тела:
Сила трения качения
Ещё древние строители заметили, что если тяжёлый предмет водрузить на колёсики, то сдвинуть с места и затем катить его будет гораздо легче, чем тянуть волоком. Вот бы пригодилась эта древняя мудрость, когда мы тянули холодильник! Однако всё равно нужно толкать или тянуть тело, чтобы оно не остановилось. Значит, на него действует сила трения качения. Это сила сопротивления движению при перекатывании одного тела по поверхности другого.
Причина трения качения — деформация катка и опорной поверхности. Сила трения качения может быть в сотни раз меньше силы трения скольжения при той же силе давления на поверхность. Примерами уменьшения силы трения за счёт подмены трения скольжения на трение качения служат такие приспособления, как подшипники, колёсики у чемоданов и сумок, ролики на прокатных станах.
Направление силы трения
Сила трения скольжения всегда направлена противоположно скорости относительного движения соприкасающихся тел. Важно помнить, что на каждое из соприкасающихся тел действует своя сила трения.
Бывают ситуации, когда сила трения не препятствует движению, а совсем наоборот.
Представьте, что на ленте транспортёра лежит чемодан. Лента трогается с места, и чемодан движется вместе с ней. Сила трения между лентой и чемоданом оказалась достаточной, чтобы преодолеть инерцию чемодана, и эти тела движутся как одно целое. На чемодан действует сила трения покоя, возникающая при взаимодействии соприкасающихся поверхностей, которая направлена по ходу движения ленты транспортёра.
Если бы лента была абсолютно гладкой, то чемодан начал бы скользить по ней, стремясь сохранить своё состояние покоя. Напомним, что это явление называется инерцией.
Сила трения покоя, помогающая нам ходить и бегать, также направлена не против движения, а вперёд по ходу перемещения. При повороте же автомобиля сила трения покоя и вовсе направлена к центру окружности.
Для того чтобы понять, как направлена сила трения покоя, нужно предположить, в каком направлении стало бы двигаться тело, будь поверхность идеально гладкой. Сила трения покоя в этом случае будет направлена как раз в противоположную сторону. Пример, лестница у стены.
Подведём итоги
У нас вы сможете учиться в удобном темпе, делать упор на любимые предметы и общаться со сверстниками по всему миру.
Попробовать бесплатно
Интересное по рубрике
Найдите необходимую статью по тегам
Подпишитесь на нашу рассылку
Мы в инстаграм
Домашняя онлайн-школа
Помогаем ученикам 5–11 классов получать качественные знания в любой точке мира, совмещать учёбу со спортом и творчеством
Посмотреть
Рекомендуем прочитать
Реальный опыт семейного обучения
Звонок по России бесплатный
Посмотреть на карте
Если вы не нашли ответ на свой вопрос на нашем сайте, включая раздел «Вопросы и ответы», закажите обратный звонок. Мы скоро свяжемся с вами.
От чего зависит коэффициент трения гидравлического, покоя, скольжения и качения?
Явление трения играет огромную роль в современной технике. В одних случаях с ним борются и стремятся уменьшить, в других же, наоборот, применяют разные методы с целью увеличить силу трения. В данной статье подробнее рассмотрим вопрос, от чего зависит коэффициент трения.
Сила трения и ее виды
Прежде чем перейти к ответу на вопрос, от чего зависит коэффициент трения, следует рассмотреть собственно само явление и его виды.
Каждый человек интуитивно понимает, что любой вид трения предполагает наличие физического контакта минимум двух поверхностей. Это могут быть твердые, жидкие и газообразные среды.
Вам будет интересно: От чего зависит коэффициент трения гидравлического, покоя, скольжения и качения?
Трение между твердыми телами делится на три вида. Самой большой силой обладает так называемое трение покоя. Многие замечали, что для смещения шкафа или короба, стоящего на полу, необходимо приложить некоторую силу. Величина, которая препятствует этому смещению, называется трением покоя.
Трение качения действует, когда тело с круглой поверхностью катится по некоторой плоскости. Например, движение шарика или ролика в подшипнике или колеса по дороге. В ряде случаев величина трения качения на один-два порядка меньше, чем трения скольжения.
Любые перемещения в жидкостях и газах также сопровождаются появлением трения. В отличие от предыдущих видов, трение в текучих субстанциях зависит от скорости перемещения объекта в них.
Важно понимать, что какой бы вид трения ни рассматривался, соответствующая сила всегда препятствует механическому движению.
Трение покоя и коэффициент µ1
Чтобы понять, от чего зависит коэффициент трения, следует сначала дать ему определение. Начнем с трения покоя. Соответствующая сила математически рассчитывается по следующей формуле:
Заметим, что от площади контакта двух тел µ1 не зависит.
Трение скольжения и коэффициент µ2
По своей физической природе трение скольжения существенно не отличается от трения покоя. Формулы, по которым рассчитываются силы для этих видов явления, также имеют одинаковую форму. Для силы скольжения имеем:
Трение, его виды. Трение скольжения и трение качения. Сила и коэффициент трения. Борьба с износом трущихся деталей
материал предоставил СИДОРОВ Александр Владимирович
Трение (фрикционное взаимодействие) – процесс взаимодействия тел при их относительном движении (смещении) либо при движении тела в газообразной или жидкой среде.
Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется трибология (механика фрикционного взаимодействия).
Трение принято разделять на:
Сила трения – это сила, возникающая в месте соприкосновения тел и препятствующая их относительному движению.
Причины возникновения силы трения:
Трение скольжения – сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих / взаимодействующих тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения.
Трение качения – момент сил, возникающий при качении одного из двух контактирующих / взаимодействующих тел относительно другого.
Трение покоя – сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга.
Сила трения прямо пропорциональна силе нормальной реакции, то есть зависит от того, насколько сильно тела прижаты друг к другу и от их материала, поэтому основной характеристикой трения является коэффициент трения, который определяется материалами, из которых изготовлены поверхности взаимодействующих тел. [1]
Износ – изменение размеров, формы, массы или состояния поверхности изделия вследствие разрушения (изнашивания) поверхностного слоя при трении. [2]
Работа любой машины неизбежно сопровождается трением при относительном движении её частей, поэтому полностью устранить износ невозможно. Величина износа при непосредственном контакте поверхностей прямо пропорциональна работе сил трения.
Абразивный износ частично вызывается действием пыли и грязи, поэтому очень важно содержать оборудование в чистоте, особенно её трущиеся части.
Для борьбы с износом и трением заменяют одни металлы другими, более устойчивыми, применяют термическую и химическую обработку трущихся поверхностей, точную механическую обработку, а также заменяют металлы различными заменителями, изменяют конструкцию, улучшают смазку (изменяют вид, вводят присадки) и т.д.
В машинах стремятся не допускать непосредственного трения скольжения твёрдых поверхностей, для чего или разделяют их слоем смазки (жидкостное трение), или же вводят между ними добавочные элементы качения (шариковые и роликовые подшипники).
Основное правило конструирования трущихся деталей машин состоит в том, что более дорогой и трудно заменяемый элемент трущейся пары (вал) изготовляют из более твёрдого и более износоустойчивого материала (твёрдая сталь), а более простые, дешёвые и легко заменяемые части (вкладыши подшипников) изготовляют из сравнительно мягкого материала с небольшим коэффициентом трения (бронза, баббит).
Большинство деталей машин выходят из строя именно вследствие износа, поэтому уменьшение трения и износа даже на 5-10% даёт огромную экономию, что имеет исключительное значение. [3]
Снижение трения при бурении. Вспомогательные механизмы
В статье рассматриваются вспомогательные механизмы для снижения прихватоопасности при бурении наклонно-направленных и скважин с горизонтальным окончанием. На кафедре бурения нефтяных и газовых скважин Альметьевского государственного нефтяного института разрабатываются механизмы для механического метода снижения сил трения, которые прошли лабораторные и промысловые испытания и показали свою эффективность, что подтверждается актами проведённых испытаний.
На сегодняшний день наиболее перспективным методом интенсификации добычи нефти является бурение скважин с горизонтальным окончанием. Особую актуальность это приобретает для месторождений со сложным геологическим строением продуктивных залежей и на поздней стадии их разработки [1,2]. Одной из важных задач при бурении скважин с горизонтальным окончанием является снижение прихватоопасности бурильных колонн, особенно на горизонтальном участке, а также, обеспечение возможности создания требуемой для разрушения породы нагрузки на забой при бурении, возможность спуска обсадной колонны в скважину с перекрытием горизонтальной части ствола и допустимой нагрузки на крюк при ликвидации прихвата. [3,4,5]
Рассмотрим, общий случай трехинтервальной горизонтальной скважины с участками: вертикальным, набора зенитного угла и горизонтальным (рис.1). [6]
В процессе бурения для профиля горизонтальной скважины, представленного на рис.1 справедливы следующие соотношения для определения осевых нагрузок Р:
где G и q – вес направляющего участка и одного метра труб в скважине (в жидкости), на рассматриваемом участке ствола;
Из рис.1 видно, что в процессе бурения, для случая трехинтервальной скважины с горизонтальным участком скважины, осевые нагрузки на забой зависят от коэффициента трения µ. В табл. 1, представлена разработанная авторами классификация методов снижения сил трения бурильной колонны о стенки скважины в процессе бурения вертикальных, наклонно-направленных скважин, а также скважин с горизонтальными окончаниями.
На кафедре «Бурение нефтяных и газовых скважин» Альметьевского государственного нефтяного института (Россия, Республика Татарстан, г. Альметьевск) ведётся работа по разработке и усовершенствованию механизмов для механического метода снижения сил трения, таких как, скважинный осциллятор [8], осциллятор-турбулизатор [9], скользящий центратор [10], компоновка низа бурильной колонны с усиленной динамической нагрузкой на долото [11], которые прошли лабораторные и промысловые испытания и показали свою эффективность, что подтверждается актами проведённых испытаний.
Рассмотрим подробнее каждый из предлагаемых механизмов:
1. Скважинный осциллятор (рис. 2)
Осциллятор работает следующим образом. Промывочная жидкость закачивается с поверхности насосными агрегатами и проходит по колонне бурильных труб к скважинному осциллятору. Проходя через проходной канал, струя жидкости попадает на клапанный узел осциллятора. Под действием струи клапан начинает совершать колебательные движения, наклоняясь то одной, то другой стороной к проходному каналу, в результате чего в определенные моменты времени проходной канал оказывается частично перекрытым. Это приводит к возникновению моночастотных колебаний промывочной жидкости, достигающих забоя скважины, что позволяет снизить коэффициент трения бурильной колонны о стенки скважины.
2. Осциллятор−турбулизатор (рис. 3)
Устройство для осцилляции низкочастотных колебаний промывочной жидкости состоит из крышки 1, корпуса 2, диффузора верхнего 3, втулки 4, установленной в корпусе 2, клапана 5, оси 6, диффузора нижнего 7.
Осциллятор-турбулизатор работает следующим образом. Промывочная жидкость закачивается с поверхности насосными агрегатами и проходит по колонне труб (на фигуре не указаны) к скважинному осциллятору. Через проходной канал А струя жидкости попадает на верхний диффузор 3. Верхний диффузор 3 выполняет функцию перехода жидкости из круглого сечения в квадратное на втулку 4. На втулке струя жидкости движется по квадратному сечению и поступает на клапан 5 который начинает совершать колебательные движения, наклоняясь то одной, то другой стороной к проходному каналу А. В результате чего в определенные моменты времени, проходной канал А оказывается перекрытым. Жидкость после перехода из клапана 5 движется на втулке 4 и тем самым поступает на нижний диффузор 6, который имеет круглое сечение. На оси 6 держится клапан 5. Крышка 1 служит для соединения осциллятора−турбулизатора с ВЗД.
3. Скользящий центратор (рис. 4).
Скользящий центратор включает корпус с концевыми частями в виде центрирующих элементов и ребрами для их соединения, тела качения, расположенные в центрирующих элементах. Причем элементы выполнены в виде колец, состоящих из внутреннего и наружного кольца с телами качения, отделенными друг от друга и удерживаемыми на равном расстоянии, при этом тела качения точечно соприкасаются со стенками скважины с целью снижения усилий трения при спуске бурильной колонны.
4. КНБК с усиленной динамической нагрузкой на долото (рис. 5).
Предлагается новая компоновка низа бурильной колонны, состоящая из долота PDC, скважинного осциллятора, ВЗД, телесистемы и бурильных труб. Включенные в компоновку долото PDC образуют ровную цилиндрическую горную выработку, а осциллятор, состоящий из корпуса, калиброванной втулки, установленной в корпусе, клапана, оси, верхнего и нижнего диффузора, который прошел лабораторные испытания, способен создать низкочастотные колебания промывочной жидкости, достигающих забоя скважины.
Промысловые испытания КНБК проводились на скв. № 6053 Шереметьевского месторождения ПАО «Татнефть». Месторождение площадью 19,13 кв. км расположено на северо-западном склоне Южного купола Татарского свода. Бурение скважины велось буровой установкой БУ– 2000/125 ЭБМ. Для подачи промывочной жидкости (техническая вода) применяли буровые насосы БРН−1, осевая нагрузка на долото составила 9−10 т. Для бурения скважины использовали винтовой забойный двигатель ДРУ−172, долото PDC 215,9. Опытное бурение проводилось в интервале в интервале 305−800 м, геологический разрез сложен твердыми и крепкими породами. Проектная глубина скважины составила 1115 м. В процессе бурения контролировались такие параметры как механическая скорость бурения, проходка на долото, осевая нагрузка на долото, давление промывочной жидкости, расход промывочной жидкости.
Перед спуском в скважину работу осциллятора проверяли на устье скважины восстановлением циркуляции жидкости. В процессе бурения был замерен спектр частот.
После обработки данных были получены следующие графики:
На рис. 7. представлены спектры частот, характерные для работы насоса и др. элементов циркуляционной системы.
Из рис. 7 видно, что появилась линия в спектре частот, равная 40,13 Гц, которой ранее не наблюдалось, и она соответствует частоте работы осциллятора. Из приведенных выше рис. 5 и 6 следует, что осциллятор подтверждает свою работоспособность в промысловых условиях при различных значениях расхода промывочной жидкости. Для оценки эффективности данной компоновки был выполнен сравнительный анализ результатов бурения соседних скважин без применения осциллятора в аналогичных геолого-технических условиях на том же месторождении. Результаты опытного бурения с применением осциллятора−турбулизатора приведены в табл. 2.
Проведенные промысловые испытания выявили, что проходка на долото в опытной скважине возросла в среднем на 35%, а механическая скорость – на 21% по сравнению с бурением соседних скважин в аналогичных геолого-технических условиях. Осциллятор проработал без аварий и осложнений и показал хорошую работоспособность и надежность. После проведения промысловых испытаний осциллятор был в рабочем состоянии, износ деталей незначительный, менее 5%.
Таким образом, развитие современных направлений механического метода снижения сил трения является значительным резервом для снижения прихватоопасности и повышения эффективности бурения горизонтальных участков наклонно-направленных скважин.
Хузина Л.Б., Петрова Л.В., Любимова С.В. Методы снижения сил трения при разработке месторождений горизонтальными скважинами // Нефтегазовое дело. 2012. № 5. С. 62-68.
Хузина Л.Б., Любимова С.В. Технико-технологическое решение для снижения коэффициента трения бурильной колонны о стенки скважины при бурении скважин с горизонтальным участком // Нефтегазовое дело. 2012. № 2. С. 194-203.
Габдрахимов М.С, Хузина Л.Б. Наддолотные многоступенчатые виброусилители. – СПб.: ООО “Недра”, 2005. – 148 с.
Л.Б.Хузина, С.В.Любимова. Технико-технологическое решение для снижения коэффициента трения бурильной колонны о стенки скважины при бурении скважин с горизонтальным участком // Нефтегазовое дело: научно-технический журнал. – 2012. URL.:http: http://www.ogbus.ru/authors/LyubimovaSV/LyubimovaSV_1.pdf
Любимова С.В. Повышение эффективности бурения наклонно-направленных скважин с горизонтальными участками путём снижения прихватоопасности. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Науч.-произв. фирма «Геофизика». Уфа, 2012. – 137с.
Патент RU №127805 Е21 В17/10. Скользящий центратор/ Хузина Л.Б., Шафигуллин Р.И., Фазлыева Р.И., Теляшева Э.А.// ГБОУ ВПО «Альметьевский государственный нефтяной институт».- № 2012154144/03 ; заявлено 13.12.2012; опубл. 10.05.2013; Бюл.№13.