книги из ГПНТБ / Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента

части сечения штанги в состоянии поставки, в сочетании с высокой прочностью закаленной поверхности, является доста­ точной, чтобы обеспечить длительную ее работоспособность. При этом закаленный слой подавляет вредный эффект поверх­

Все же, как показали выполненные институтом ВостНИГРИ и Кузмашзаводом исследования, предварительное улучшение не оказывает существенного влияния на прирост стойкости штанг. Это было подтверждено также испытаниями буровых штанг в шахтных условиях, результаты. которых будут приведены выше. Причиной этого, очевидно, является наличие металлургических дефектов в буровой стали.

Несколько неожиданным оказался результат низкой долго­ вечности буровых штанг, упрочненных дробеструйной обработ­ кой и обкаткой роликами. Как известно, дробеструйным накле­ пом и обкаткой, выполненными по аналогичному режиму, дос­ тигается весьма эффективное упрочнение многих деталей и кон­ струкций в машиностроении. Однако упрочнение буровых штанг дробеструйной обработкой и обкаткой все же желаемого эффекта не оказало. Эффективность данной упрочняющей об­ работки, как видно из результатов усталостных испытаний, оказалась более, чем в 2 раза ниже у штанг, подвергнутых индук­ ционной закалке. При этом, у штанг, подвергнутых дробеструй­ ной обработке, разрушение произошло с упроченной поверхности, хотя казалось бы наличие в поверхностных слоях штанг после упрочнения остаточных напряжений сжатия должно в большин­ стве случаев препятствовать этому. У штанг, подвергнутых индукционной закалке, разрушения с внешней упроченной по­ верхности не наблюдается. Очевидно, значительная разница в эффективности упрочнения штанг деформационным (дробе­ струйная обработка, обкатка роликами) и термическим (индук­ ционная закалка) способами объясняется, с одной стороны, различием структуры поверхностных слоев металла, их проч­ ностью, величиной остаточных напряжений и тем, как реагирует упрочненная поверхность на интенсивные ударно-циклические нагрузки в коррозионной среде. Чтобы ответить на вопрос, почему поверхностное упрочнение штанг термическим способом (индукционная закалка) оказывает более эффективное влияние на долговечность в сравнении с деформационными (дробеструй­ ная обработка, обкатка роликами), осуществляли эксперимен­ тальные исследования, которые проводились в двух направле­

ниях.

100

2. Определение остаточных напряжении в буровых штангах, подвергнутых упрочнению указанными способами.

Результаты сравнительных испытаний образцов буровой стали, подвергнутых индукционной поверхностной закалке, па ударную вязкость представлены графиком (рис. 33).

а при более высокой глубине закаленного слоя прочность за­ метно падает. Значительно уменьшаются также характеристики

повышается в среднем на 25—30%, однако при глубине закалки 2 и 3 мм ударная вязкость образцов резко падает и оказы­ вается ниже, чем у незакаленных образцов. Испытание нестан­ дартных образцов без надреза показали, что с глубиной зака­ ленного слоя ударная вязкость также несколько повышается, а при глубине закаленного слоя 1 мм и выше наблюдается ее сни­ жение. Однако падение ударной вязкости в атом случае менее интенсивно, чем у образцов с прорезью, что является резуль­ татом отсутствия концентратора напряжения в образце, каким является прорезь. В целом, как видно из результатов испыта­ ний, работа, затрачиваемая на разрушение стандартного образ­

можно объяснить положительным влиянием закаленного слоя,

гибе, т. е. стрела прогиба, как это видно из графика, заметно уменьшается.

101

Таким образдм, из всех результатов испытаний образцов, подвергнутых поверхностной индукционной закалке, можно сде­

теристик стали. Все образцы разрушались аналогично образ­ цам буровой стали без какого-либо поверхностного упрочнения. Объясняется это, по-видимому, тем, что. упрочненный дробе­ струйным наклепом поверхностный слой, имеющий очень незна­ чительную толщину в пределах 0,1—0,2 мм, не оказывает суще­ ственного сопротивления растягивающим нагрузкам при стати­ ческом растяжении образцов в процессе испытаний на разрыв. Эти результаты подтверждают и хорошо согласуются с выво­ дами некоторых работ [32], касающихся исследования влияния наклепа на механические свойства конструкционных сталей.

Распределение остаточных суммарных напряжений для бу­ ровых штанг, подвергнутых поверхностному упрочнению индук­ ционной закалкой, дробеструйным наклепом и обкаткой, по-

102

казано на рис. 35. Как видно из графика, тангенциальные остаточные сжимающие напряжения, оказывающие домини­ рующеевлияние на стойкость штанг, у закаленных с поверх­ ности ТВЧ, оказались в среднем в 1,5—-2 раза выше по сравне­ нию со штангами, подвергнутыми дробеструйному наклепу ч обкатке роликами. В то же время характер распределения нап­

промывочном отверстии достигают осевые растягивающие нап­ ряжения у поверхности стенок, в то время, как радиальные рас­ тягивающие напряжения по величине в 1,5—2 раза меньше.

Повышенное значение осевой составляющей растягивающих, напряжений, по-видимому, следует объяснить неравномерностью упрочнения поверхности штанги, ввиду ее шестигранной внеш­ ней формы и наличием отверстия по оси, расположенного часто не по центру. Подобные явления в характере распределе­ ния остаточных напряжений у некоторых разногабаритных по

Как видно из данного рисунка, для штанг с размером шестигран­ ника 25 мм при глубине закаленного сло’я 1 —1,5 мм остатсчные суммарные сжимающие напряжения в поверхности штанг дос­ тигают величины 70 кг/мм.2 Увеличение глубины закаленного слоя изменяет количественную и качественную картину. Это выра­ жается в том, ч-то остаточные сжимающие напряжения в по­ верхности по величине падают, а растягивающие напряжения,

36 б, с повышением глубины закаленного слоя переходная зона C пониженной твердостью увеличивается по сечению и тем бо­ лее, чем толще слой закалки.

Величина переходной зоны в образцах штанг существенно изменяется при нагреве с различной частотой тока (нагрев от машинного или лампового возбудителя). Как видно из рисунка 36, при нагреве образцов буровой стали с различной частотой тока на одну и ту же глубину ширина переходной зоны закалки практически одинакова только при нагреве до 1 мм, а при. даль-

103

Влияние глубины закалки на остаточные напряже­ ния в штанге, закаленной ТВЧ.

а — Распределение оста­ точных поверхност­ ных (сжимающих) и внутренних (растя­ гивающих) напряже­ ний по сечению зака­ ленной ТВЧ буровой стали в зависимости от глубины закален­ ного слоя.

б — Изменение твердости по сечению буровых штанг, закаленных на различную глуби­ ну в зависимости от типа высокочастотно­ го генератора;

1 — ламповый генератор ГЗ-67;

2 — машинный генератор МГЗ-102М.

нейшем увеличении слоя закалки разница в ширине переходной зоны в структуре становится существенной. Зона действия сжи­ мающих напряжений при этом расширяется с одновременным

напряжений, следует сделать заключение, что в буровых штан­ гах, упрочненных с поверхности индукционной закалкой, оста­ точные поверхностные напряжения сжатия значительно выше, чем у штанг, упрочненных дробеструйной обдувкой и обкаткой роликами. Увеличение «резкости» индукционной закалки благо­ приятно сказывается на характере распределения остаточных

необходимо выбирать такой режим индукционного нагрева и за­

чтобы частота генератора ТВЧ обеспечила глубину проникно­ вения вихревых токов в поверхность штанги, равную заданной толщине закаленного слоя. Следовательно, для индукционной

104

§ 4. Влияние дефектов поверхности промывочного канала на стойкость буровых штанг

Внедрение в горнорудной промышленности пустотелой буро­ вой стали способствовало значительному увеличению произ­ водительности бурения и уменьшению запыленности забоев, так как подачей воды или сжатого воздуха через центральное отверстие (канал) штанги стало возможным почти полное уда­ ление бурового шламма. Вместе с тем наличие промывочного отверстия в стержне штанги несколько ухудшило условия их эксплуатации и увеличило количество их поломок вследствие усталости, как за счет ослабления сечения, так и за счет кор­ розионных процессов. При этом было обнаружено, что часто буровые штанги стали разрушаться с развитием усталостных трещин от стенки промывочного отверстия в основном по дли­ не штанги 200—250 мм от торца хвостовика. Данный характер усталостного разрушения штанг до сих пор связывают с нали­ чием в штангах в зоне излома стержня, переходной структуры («металлургического надреза»), обусловленного концевым на­ гревом металла. В тех случаях, когда штанги ломаются на дли­ не 200—250 мм, разрушающее влияние переходной зоны в бу­ ровой стали с различной структурой и нарушенной волокни­ стостью соответствует данному объяснению, так как переходная зона всегда лежит на указанной длине (при нагреве под вы­ садку конец прутка буровой стали пропускают в отверстие печи на длину 150—250 мм). Однако пока не существует логического объяснения тех многочисленных случаев, когда буровые штан­ ги разрушаются на расстоянии 300—350 мм от торца хвосто­

рушение буровых штанг с поверхности промывочного канала, осуществлялись исследования, направленные на выявление в нем качественного и количественного распределения возмож­ ных очагов усталости [141, 142].

Исследовалась партия буровых штанг (10 штук) с наибо­ лее распространенной длиной 1600 мм, которые в шахтных ус­ ловиях разрушались по стержню. При этом у всех штанг уста­ лостные трещины развивались от поверхности промывочного канала. Все штанги имели общин ресурс долговечности около 18—20 часов работы. Штанги разрезались на поперечные темплеты длиной 100 мм, а затем вдоль оси промывочного канала. C целью удаления пленки окислов и следов окалины с поверх­ ности канала образцы кратковременно протравливались в реак­ тиве Кёшиена. Как показал внешний осмотр протравленных образцов, в промывочном канале оказалось большое количе­ ство макро и микро очагов усталости в виде поперечных тре-

105

Рис. 37. Кіо^р’озианно-усталостіные 'трещины в лромывочягам канале бу­ ровых штанг (×2).

щии и надрывов (рис. 37). Кроме того,. обнаружено большое количество продольных, • непрерывно идущих по поверхности стенки канала царапин и рисок, полученных, по-видимому, при прокатке.

Если продольные риски и царапины по всей длине канала расположены примерно , с одной плотностью, то поперечные усталостные трещины имеют неравномерное избирательное рас­ положение. Производилась количественная оценка числа тре­ щин по длине канала штанг. В частности, подсчитывалось коли­ чество трещин на 1 см2 поверхности канала, затем определялось их среднее количество по всей длине. Количественные данные по определению числа макротрещип в опытных буровых штангах приведены на рис. 38. Из рисунка видно, что максимальное ко­ личество макротрещин в промывочном канале штанг (25—30 штук на отрезке в 100 мм) расположено на расстоянии 200— 400 мм от торца хвостовика штанги. Причем в этой же зоне обнаружены трещины длиной 4—5 мм при глубине 2—4 мм [142]. На образцах, расположенных ближе к середине штанги и к конусу, количество трещин уменьшается. Начиная с расстоя­ ния 500—600 мм от торца хвостовика, количество усталостных трещин заметно уменьшается, а на расстоянии 1200—1400 мм, т. е. к концу штанги они практически отсутствуют. Непосредст­ венно в конусной части промывочного капала усталостные тре­ щины также отсутствуют. Количественный анализ усталостных трещин в промывочном канале по длине штанг показал, что развитие их подчиняется определенной закономерности. В зоне хвостовика трещин мало, затем количество их резко увеличи­ вается и вновь потом постепенно уменьшается до полного ис­ чезновения вблизи конуса. При этом как видно из рисунка 38, кривая распределения трещин с максимумом, расположенным на длине 300—350 мм.от торца хвостовика имеет левосторон­

106

нюю ассиМетрию. Внешний вид кривой дал основание предпо­ лагать, что зарождение усталостных трещин подчиняется лога­ рифмически нормальному закону распределения. В связи с этим осуществляли статистическую обработку результатов опреде­ ления трещин в канале штанг и проверку соответствия их рас­ положения в канале логарифмически нормальному закону рас­ пределения. Расчетные данные показали, что распределение числа усталостных макротрещин действительно подчиняется логарифмически нормальному закопу.

его стенках уже в готовой буровой стали. Мельчайшие дефек­ ты в виде рисок, царапин и надрывов образуются в буровой стали в процессе ее изготовления и особенно в период извле­ чения из прутков после прокатки аустенитного сердечника. По­ следующий рост усталостных трещин из данных дефектов обус­ ловлен максимальными пиковыми напряжениями, которые, как было показано, возникают при ударно-циклическом нагруже­ нии штанг примерно на расстоянии 200—400 мм от торца хвос­ товика. Это достаточно хорошо подтверждается сравнением рис. 20 и графика (рис. 38), из которых видно, что участки штанг, испытывающие наибольшие напряжения и имеющие мак­ симальное количество усталостных трещин в промывочном ка­ нале, совпадают.

P и с. 38. Кривая распределения ус­ талостных трещин по дли­ не промывочного канала буровых штанг.

Полученная в результате исследования более высокая эф­ фективность упрочнения поверхности буровых перфораторных штанг индукционной закалкой (по сравнению с другими спо­ собами) может быть объяснена, исходя из условии их нагру­ жения, характерной особенностью которого является то, что во внешней их поверхности действуют высокие ударно-цикличес­ кие напряжения растяжения-сжатия и напряжения, вызванные изгибающими нагрузками. Указанные напряжения в резуль­ тате наложения (интерференции) перегружают некоторые участки штанг.

В конусном соединении буровой штанги с коронкой, помимо высоких растягивающих поверхностных напряжении, действуют

107

еще значительные по величине напряжения смятия. Возникно­ вение этих напряжений можно представить при рассмотрении схемы (рис. 39). Как видно из рисунка, в момент интенсивных ударов коронка, надетая на конус штанги, ведет себя как втулка, насаженная на вал, и при ударах стремится сместиться дальше по конусу в направлении стрелки. От чего происходит -ее напрессовка на теле конуса. Исследованиями установлено [143], что усилие запрессовки коронки и конуса достаточно ве­

при смещении торцевой кромкой врезается в тело конуса, при этом возникают отдельные полосы смятия на поверхности ко­ нуса. Смятие конусов усугубляется также при сбивании (распрессовке) коронки (для перезаточки или в случае ее полом­ ки), которое осуществляется, как правило, ударом молотка по юбке.

Нетрудно представить, что при этом по линии АБ (рис. 39) в конусе образуются дополнительные вмятины, которые явля­ ются активными концентраторами напряжений. Возникновение высоких напряжений в поверхности основных элементов буро­ вых штанг (стержня и конуса) дает возможность обосновать технологию их поверхностного упрочнения. Технология при сравнительно невысоких затратах должна обеспечить:

39. Схема, иллюстрирующая возникновение рабочих напряжений смятия на поверхности конуса в мес­ те посадки коронки.

1.Наличие сжимающих напряжений в поверхности штанг.

2.Высокую твердость и достаточную глубину упрочненного

слоя.

3. Упругость и жесткость стержня при наличии достаточ­ ного запаса пластических свойств.

При обосновании И выборе способов поверхностного уп­ рочнения штанг для промышленного внедрения многие из из­ вестных в практике машиностроения способов, как, например, азотирование, цементация, с учетом сформулированных прин­ ципов упрочнения пока не могут быть широко применимы, по­ скольку осуществление их, как указывалось выше, связано со

108

значительными трудностями (выбор сталей), необходимость детального исследования режимов насыщения и т. п. Из опро­ бованных же способов оказалось, что объемная закалка штанг на различную твердость не оказывает существенного сопротив­ ления коррозионно-усталостному разрушению. Невысокий эф­ фект упрочнения показали и штанги, поверхность которых под­ вергалась механическому наклепу. У данных буровых штанг в связи с незначительной глубиной упрочнения и недостаточной твердостью, по-прежнему происходят разрушения с поверх­ ности.

Из данных, полученных при лабораторных испытаниях, сле­ дует, что поверхностная индукционная закалка обеспечивает наиболее резкое увеличение сопротивления буровых штанг кор­ розионно-усталостному разрушению, главным образом, бла­ годаря созданию высоких остаточных сжимающих напряжений в поверхностных слоях стержня, достигающих 70 кг/мм2. Вы­ сокие сжимающие напряжения, созданные в поверхностном за­ каленном слое, компенсируют значительную часть растягива­ ющих и опасных, с точки зрения усталости, внешних рабочих напряжений и разгружают штангу. Другой исключительно цен­ ной особенностью поверхностного упрочнения буровых штанг является то, что при индукционной закалке поверхности сущест­ венно упрочняется внешняя оболочка, что значительно умень­ шает изгиб штанг в работе и величину напряжений, возникаю­ щих в результате этого. Механические характеристики такие, как сопротивление отрыву, предел упругости и ударная вяз­ кость, значительно возрастают. Кроме того высокая твердость снижает вероятность повреждения поверхности штанг в про­ цессе эксплуатации и появления развивающихся концентрато­ ров напряжений.

Благодаря поверхностному упрочнению, у буровых штанг удалось почти полностью ликвидировать преждевременные по­ ломки конусов. Мнение [144], что причиной быстрого разруше­ ния штанг по конусам являются высокие растягивающие противонапряжения, возникающие у торца коронки вследствие рез­ кого обрыва напряжений сжатия, обусловленных натягом ко­ ронки на образующую конуса, оказалось не совсем правильным. В качестве меры защиты поверхности конусов раньше, напри­ мер, уже предлагались различного рода прокладки из цветных металлов и сплавов (медь, латунь). Однако указанные меры защиты практически не повысили долговечность конусов, так как прокладки быстро изнашивались, обнажая поверхность ко­ нуса, на которой тотчас возникали вмятины — очаги усталости. Слой поверхностной индукционной закалки фактически явля­ ется той же прокладкой, но действующей постоянно и не раз­ рушающейся вследствие высокой твердости в месте контакта с коронкой.

109