книги из ГПНТБ / Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента

соединительных элементах, если они имеются, протекает в целом по аналогичному механизму, однако со значительно большей скоростью. Объясняется это тем, что, во-первых, внешняя по­ верхность данных элементов больше нагружена [95], во-вто­ рых, больше поражена различными концентраторами напряже­ ний за счет предварительной обработки (обточка, фрезировка, высадка и т. п.)

Представленный механизм коррозионно-усталостного разру­ шения штанг целиком определяет обоснование защитных мер против развития усталостных трещин в промывочном канале. Как было показано (рис. 51,. 52), в канале буровой стали в

150

процессе производства могут появляться сплошные ферритные зоны обезуглероженного металла. Промывочное отверстие, ста­ новится как бы облицовано мягкой ферритной оболочкой, к тому же пораженной различными технологическими поверхностными дефектами [196]. Целиком устранить такую оболочку невозможно, однако, как указывалось выше, технологически возможно' осу­ ществить удаление с её поверхности основной массы мелких очагов усталости, а оставшиеся дефекты и неровности с умень­ шенной глубиной и меньшим углом надреза закрыть прочной антикоррозионной водоотталкивающей пленкой. Так как нагруз­ ки на поверхности промывочного канала меньше,, чем на внеш­ ней поверхности, нанесенная здесь эластичная пленка не разру­ шается, а является как бы водопроводящей трубкой, связанной с поверхностью канала молекулярной связью через специальный промежуточный грунт. Как показали исследования, в качестве такого грунта может успешно применяться фосфатированная оболочка, нанесенная на предварительно очищенную поверх­ ность канала. В указанной технологии металлоструйная очистка является наиболее ответственной операцией, позволяющей мак­ симально удалить с поверхности канала штанг дефекты и окалину. Достоинством указанной обработки является то, что процесс очистки можно регулировать. Так, например, при увели­ чении давления пульпы и соответствующем подборе абразива практически можно полностью удалить дефекты и довести по­ верхность канала до состояния шлифованной (рис. 64). Абразив­ ная обработка, кроме того, значительно упрочняет поверхность металла за счет создания сжимающих остаточных напряжений,

величина которых, как установлено, может достигать 40 к;/мм2.

V

§ 5. Технологический процесс упрочнения поверхности буровых штанг

До настоящего времени основная масса бурового инструмен­ та (более 80%) производится непосредственно на рудниках и рудоремонтных мастерских. При изготовлении у штанг с целью предотвращения расклепывания термически обрабатывается только хвостовик и конус. Тело штанги никакой упрочняющей обработке не подвергается. Долговечность буровых штанг из стали 55С2, обработанных таким способом, составляет в среднем 60 шпурометров, а штанг из стали У7 и У8 еще меньше (около 20 шпурометров). Учитывая результаты проведенных исследований, можно сделать вывод о том, что существующая технология концевой закалки штанг не может обеспечить их до­ статочно высокой ударно-циклической прочности. При местной сквозной закалке хвостовика и особенно конуса в месте обрыва закаленного участка штанги, как указывалось ранее, неизбежно возникают переходные зоны, являющиеся дополнительным кон­ центратором напряжений. _ . .

151

Проведенные исследования показали, что циклическая проч­ ность буровых штанг значительно возрастает в случае упрочне­ ния внешней поверхности её стержня (тела) индукционной поверхностной закалкой на глубину 1,2—1,5 мм. При таком упрочнении прекращаются поломки стержня и особенно конуса как наиболее нагруженного участка штанги. Долговечность штанг также дополнительно увеличивается и за счет антикорро­ зионной обработки промывочного канала, так как при этом условии значительно ослабляется интенсивность коррозионного воздействия воды на металл в промывочном канале, и сокраща­ ется количество поломок.

В настоящее время институт ВостНИГРИ совместно с Куз­ нецким машиностроительным заводом, основываясь на резуль­ татах проведенных исследований, впервые в горнорудной промышленности разработали и внедрили технологию упрочне­ ния штанг индукционной поверхностной закалкой. Осуществля­ ются работы по внедрению антикоррозионной защиты промы­ вочного канала штанг.

Перед закалкой высаженные на ковочной машине и механи­ чески обработанные штанги правятся на прессе или роликовой машине. Закалка стержня штанг производится от буртика с выводом закаленного слоя на вершину галтели, в противном случае незакалившаяся галтель может явиться концентратором напряжений. Для надежного и плавного вывода закаленного . слоя на буртик, галтель его при высадке формируется с радиу­ сом 50—60 мм.

Для закалки стержня штанг спроектировано и изготовлено два типа закалочных станков. На Кузнецком машиностроитель­ ном заводе закалка осуществляется на станке СЗШ-2 (рис. 65) горизонтального типа, позволяющего обрабатывать штанги длиной до 4 м. [3].

При закалке штанг производится следующая последователь­ ность операций:

1.Установка штанги в центрах.

2.Перемещение каретки вправо до подхода буртика штанги

киндуктору.

3.Включение вращения штанги, нагрева, подачи воды и продольной подачи каретки.

В процессе поверхностной закалки штанга перемещается от буртика к конусу. По окончании закалки штанга вынимается из центров, устанавливается новая штанга, и процесс повторя­ ется: .

Техническая характеристика станка

152

Производительность станка в смену в зависимости от длины закаливаемой штанги показана в таблице 8.

нагрева под закалку используется машинный генератор ТВЧ, МГЗ-102М, обеспечивающий частоту тока 8000 гц. Кроме того, источником индукционного нагрева может быть и ламповый генератор, например, типа ЛЗ-67.

Закалка штанг с применением генератора МГЗ-102М произ­ водится с нагревом в одновитковом индукторе конической формы (рис. 66). Закалка штанг осуществляется водой, которая посту­ пает из индуктора через отверстия диаметром 1,5—2,0 мм. Электротехнические параметры режима закалки для получения глубины закаленного слоя (1,2—1,5 мм) с твердостью 59—62 HRC следующие:

например, при закалке штанг меньшего поперечного сечения с помощью электрической схемы управления станка регулирует­ ся и устанавливается необходимая скорость подачи.

154

Принимая во внимание Значительный спрос рудников на цельноармированные буры, на Кузнецком машиностроительном заводе освоена технология изготовления данного вида инстру­ мента с поверхностной закалкой по всей длине. Высадка голо­ вок буров осуществляется на горизонтально-ковочной машине. Последующие операции протекают в такой последовательности: обрезка облоя, фрезеровка паза, впаивание пластинки твердого сплава. Закалка стержня буров осуществляется после правки на горизонтальном закалочном станке СЗШ-2. Однако закалка производится не от буртика, а от головки бура с выводом зака­ ленного слоя на галтель буртика (рис. 67).

Как показала практика, при закалке получается равномерное распределение закаленного слоя по периметру шестигранника и по длине стержня (рис. 68).

Важнейшей предпосылкой увеличения долговечности и на­ дежности буровых штанг является правильное обоснование и тщательное проведение режимов закалки их хвостовиков. Особен­ ностью нагружения, хвостовиков штанг является то, что торцы их непосредственно воспринимают удар поршня перфоратора, а внешняя поверхность истирается, ударяясь о стенки поворот­ ной буксы. Поэтому при некачественной или неправильной тер­ мообработке хвостовиков штанг долговечность их будет низ­ кой.

Обычно, стремясь получить высокую твердость торцевой части хвостовика, его подвергают объемной закалке с низким отпуском или ограничиваются закалкой с самоотпуском. Однако, учитывая условия нагружения хвостовой части штанги, в част­ ности, наличие интенсивных ударно-циклических и вибрацион­ ных нагрузок, высокая твердость торца хвостовика ещё не является гарантией долговечности штанг. Для обеспечения надежной работоспособности штанг необходимо в результате термообработки наряду с достаточной твердостью хвостовиков получить определенный комплекс механических характеристик металла и гомогенную структуру по всему сечению. В связи с указанным Кузнецкий машиностроительный завод совместно с институтом ВостНИГРИ осуществили обработку различных ре­ жимов закалки хвостовиков штанг. -Было установлено, что до­ статочно высокая стойкость хвостовиков обеспечивается при индукционной объемной закалке в масле на длину 30 мм с последующим отпуском также при индукционном нагреве. Ука­ занный способ термообработки достаточно легко поддается автоматизации в общем потоке производства штанг и, главное, обеспечивает стабильность качества термообработки. Нагрев штанг для закалки осуществляется на ламповом генераторе в семивитковом индукторе диаметром 42 мм до температуры 890—900oC с выдержкой 5 сек. При этом поддерживаются сле­ дующие параметры генератора:

155

I

Отпуск хвостовиков штанг после выборочного контроля твер­ дости производится в том же индукторе при температуре 480— 520oC с выдержкой 10 секунд. Продолжительность выдержки при нагреве хвостовиков для закалки и при отпуске контроли­ руется реле времени,-что обеспечивает получение равномерной троостосорбитной структуры и твердости, которая составляет

46—48 HRC. •

ВЫВОДЫ

1.Максимальное повышение долговечности буровых штанг достигается после поверхностной индукционной закалки на глу­ бину 1,2—1,5 мм. Повышение глубины закаленного слоя, а так­ же получение слоя закалки значительно менее указанных пре­ делов приводит к заметному снижению стойкости штанг.

2.Отпуск штанг, подвергнутых индукционной закалке, снижа­ ет их стойкость в процессе эксплуатации и тем больше, чем вы­ ше температура отпуска.

156

3.Вода, подаваемая через канал штанги с целью очистки шпура от бурового шламма, снижает стойкость штанг примерное 1,5—2 раза за счет коррозионного развития трещин в местах технологических дефектов, расположенных на его стенках.

4.Механизм коррозионно-усталостного разрушения штанг обусловлен сложными необратимыми процессами, происходя­

щими в микрообъемах металла. Он сопровождается накладыва­ ющимися друг на друга явлениями химического, гидродинами­ ческого и кавитационного разрушающего воздействия воды на металл.

5.Обработка промывочного канала штанг, ставившая целью очистку поверхности от имеющихся концентратов напряжений и последующего нанесения антикоррозионного эмалевого покры­ тия, значительно повышает их стойкость. Антикоррозионное эма­ левое покрытие, нанесенное на необработанную поверхность промывочного канала, не способствует повышению стойкости штанг. Не оказывает положительного влияния на прирост стой­ кости штанг упрочнение необработанной поверхности канала пу­ тем взрыва.

6.Стойкость штанг значительно снижается вследствие отри­ цательного влияния всевозможных дефектов технологического характера. Обезуглероживание поверхности стали, крупнозерни­ стая структура, микротрещины, искажение, сечение и т. п. Осо­ бенно сильно снижается стойкость штанг из-за чрезмерно, крупного зерна стали и обезуглероживания поверхности.

157

ГЛАВА V

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ БУРОВЫХ ШТАНГ В ШАХТНЫХ УСЛОВИЯХ

§ 1. Методика шахтных испытаний

Стойкость буровых штанг, полученная в результате наіурных лабораторных ударно-усталостных испытаний, ещё не может являться окончательным показателем, характеризующим их циклическую прочность в состоянии той или иной обработки, поскольку при лабораторных испытаниях, как бы тщательно они не проводились, невозможно полностью учесть всех факторов, имеющих место при бурении в шахте. Окончательный вывод о стойкости штанг можно сделать только тогда, когда они пройдут испытания непосредственно в шахтных условиях.

Йспытания буровых штанг в условиях рудников (промыш­ ленные испытания) практикуются давно. Однако до сих пор при данных исследованиях очень часто получаются несовпадающие результаты стойкости, несмотря на то, что выявляется стойкость

проведения шахтных испытаний, часто не учитывающих некото­ рых эксплуатационных факторов, встречающихся при бурении. Справедливо отмечается, что, при правильно обоснованной мето­ дике шахтных испытаний и хорошей их организации, можно по­ лучить гораздо более достоверные данные по стойкости штанг, чем при различных видах лабораторных усталостных испытаний. Видимо, поэтому в настоящее время в ряде стран с высокораз­ витой горнорудной промышленностью при оценке долговечности буровых штанг, изготовленных из различных сталей разного кон­ структивного оформления или подвергнутых различному упроч­ нению, полностью перешли на испытания в шахтных условиях.

.Например, в Швеции на рудниках фирмы «Сандвик Коромант» основаны подземные лаборатории, где постоянно опытным

158

бурением занято несколько бригад проходчиков. На одной толь­ ко шахте «Бодае» ежегодно для экспериментальных целей про­ буривается около 300 км шпуров [82].

Основной методической ошибкой при проведении шахтных промышленных испытаний является то, что испытания различных партий буровых штанг проводятся в неодинаковых условиях.

по конусу и хвостовику исключаются и в учет не берутся. После восстановления (повторной высадки хвостовиков или заточки конуса) штанга, уже значительно укороченная, продолжает ис­ пытываться как целая. Понятно, что при соблюдении такой методики в случае постоянных поломок штанг только по кону­ сам или хвостовику, а не по стержню, можно получить за счет восстановления завышенную стойкость всей партии. Поскольку в процессе бурения максимальные напряжения возникают-у кон­ цов штанг, т. е. в зоне конуса и хвостовика, то следует ожидать, что поломки буровых штанг по конусам и в зоне хвостовика будут наиболее вероятны.

Поэтому для объективной оценки долговечности буровых штанг, подвергнутых той или иной обработке, следует испыты­ вать их до первой поломки в любом месте. Только в этом случае можно достоверно выявить все достоинства и недостатки техно­ логии изготовления и упрочнения штанг или оценить свойства и пригодность опытной марки буровой стали.

Шахтные испытания буровых штанг осуществлялись на Вы­ сокогорском и Абаканском железных рудниках. На Высокогор­ скомруднике проводились шахтные испытания двух партий штанг, изготовленных из стали 55С2 и подвергнутых различной упрочняющей обработке. Штанги одной партии упрочнялись индукционной поверхностной закалкой по разработанной техно­ логии. Штанги другой партии подвергались деформационному упрочнению за счет дифференциальной обкатки стержня роли­ ками по технологии, предложенной Серовским металлургическим заводом. Обкатка штанг производилась на ротационной установ­ ке от буртика с усилием на ролики 300—350 кг. Испытания проводились с целью получения сравнительных данных дол­ говечности штанг и выявления эффективности технологии упрочнения. Испытывались буровые штанги длиной 1600 мм. Испытания проводились при проходке капитальных выработок. Бурение осуществлялось по породам крепости 12—14 по Протодьякоиову перфораторами ПА-23 с применением крестовых коронок диаметром 42 мм. Рабочее давление сжатого воздуха составляло 5—5,5 ати и контролировалось по манометру, пос­ тавленному в сети сжатого воздуха у забоя.

На Абаканском руднике испытания прошли в общей слож­ ности более 30 различных партий буровых штанг. Целью испы-

159