Влияние среды на абразивное изнашивание стали.

Среда вызывает различные химические, адсорбционные и диффуз­ные эффекты на поверхностях трения и в поверхностных слоях изнашиваемых тел. Все эти эффекты приводят к образованию между поверхностями двух тел тонкой прослойки («третьего тела», по терминологии И. В. Крагельского), имеющей свойства, суще­ственно отличающиеся от свойств исходных тел. Свойства «третье­го тела» определяют смазочную способность сред.

В настоящее время нет общепринятого определения смазочной способности среды. С точки зрения работы бурильного и породоразрушающего инструментов под смазочной способностью будем понимать способность среды создавать «третье тело» с низким сопротивлением сдвигу и высоким сопротивлением сжатию.

В качестве показателя относительной смазочной способности сред принимаем коэффициент трения пары металл — горная по­рода, определяемый по формуле (VI.8). В качестве базовых для сравнения приняты коэффициенты трения сталь — горная порода при промывке водой (табл. VI.1).

Из табл. VI.1 видно, что по мере увеличения удельной мощ-

Таблица VI.1 Средние значения коэффициентов трения стали марки 20ХЮА о горные породы при промывке водой

У дельная мощность Л'уд, Вт/мм^

Порода j ~j j j j

0,2 I 0,5 | 1 | 2 | 4 ! 8

И звестняк 0,28 0,39 0,53 0,42 0,28 0,2!

Ангидрит 0,15 0,24 0,26 0,24 0,21 —

Доломит 0,26 0,37 0,42 0,31 0,26 ОДЭ

Песчаник - - 0,52 0,38 0,36 —

Алевролит — — 0,64 0,47 0,43 —

Аргиллит - - 0,70 0,68 0,61 —

I

н ости коэффициенты трения вначале возрастают, достигая мак­симального значения, а затем монотонно уменьшаются. Исследования показали, что рост коэффициента трения наблюдается при поверхностном истирании и в переходной области. С развитием хрупкого разрушения пород происходит монотонное уменьшение коэффициента трения. Этой области изнашивания соответствует и значительное термическое разупрочнение поверхности стали. На рис. VI.8 приведены зависимости коэффициента трения сталь — доломит от Л/_уд для условий высокооборотного режима работы при продувке воздухом и промывке водой, глинистым раствором и раствором на нефтяной основе (РНО).

при реализации малой и средней удельных мощностей смазоч­ная способность рассматриваемых сред весьма различна. С ростом N_уд под влиянием усиливающегося теплового воздействия и шеро­ховатости разрушаемой породы происходит все более интенсивное разрушение «третьего тела», что ведет к сближению коэффициен­тов трения.

Снижение коэффициента трения при бурении позволит при со­хранении забойной мощности двигателя увеличить нагрузку на долото и тем самым повысить скорость разрушения горной по­роды.

Относительная охлаждающая способность исследуемых промы­вочных жидкостей и воздуха (по отношению к охлаждающей спо­собности воды) была оценена по формуле, рекомендуемой Л. А. Брахманом для расчета теплосъема жидкостями при реза­нии металлов. Результаты расчетов приведены в табл. VI.2 (G — температура охлаждаемой поверхности; 0_к — температура кипения жидкости).

Из табл. VI.2 видно, что промывочные жидкости и воздух в порядке снижения охлаждающей способности располагаются в ряд: вода, глинистый раствор, РНО, воздух. При низких темпе­ратурах охлаждаемой поверхности вода и глинистый раствор

имеют гораздо лучшую охлаждающую способность, чем РНО и тем более воздух. Следовательно, при прочих равных условиях в данных средах объемная температура инструмента будет минимальной, а скорость теплоотвода от рабочей поверхности элементов воору­жения в глубь металла — максимальной. Относительная охлажда­ющая способность сред при температуре выше 0_К сближается.

ОСОБЕННОСТИ АБРАЗИВНОГО ИЗНАШИВАНИЯ ТВЕРДОГО

Твердость карбидов вольфрама твердого сплава значительно выше, чем твердость породообразующих минералов осадочных горных пород, поэтому при малой удельной мощности, как пра­вило, происходит окислительный износ (усталостное отслаивание окисных пленок с поверхности твердого сплава). С повышением N_m растет температура поверхности твердого сплава. Нагрев по­верхности приводит к уменьшению твердости и прочности как зерен карбида вольфрама, так и связки. Твердость кобальтовой связки меньше, чем твердость зерен карбидов, поэтому наблюдаются опережающий износ связки и выкрашивание зерен, которые, внедрившись в разрушаемую породу и закрепившись в ней, пла­стически деформируют и царапают поверхность твердого сплава. Изнашиваемая поверхность приобретает характерную полосча­тость. При разрушении малоабразивной горной породы на поверх­ности твердого сплава развивается сетка трещин не только при циклическом взаимодействии с горной породой, но и при непре­рывном контакте.

Скорость изнашивания твердого сплава при разрушении горных пород в 60—100 раз меньше, чем скорость изнашивания долотной стали, и прямо пропорциональна удельной мощности. Однако при N_уд>4 Вт/мм² наблюдается резкое увеличение скорости изнаши­вания твердого сплава, связанное с выкрашиванием, а далее и с хрупким его разрушением. Следовательно, твердый сплав, как и долотные стали, не может успешно работать при большой удельной мощности.

Наиболее благоприятные условия для работы твердосплавного вооружения долот создаются при промывке водой и водными рас­творами. Добавки нефти и раствора на нефтяной основе отрица­тельно влияют на работу твердосплавного вооружения долот (15).

Лекция 17