книги из ГПНТБ / Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента

таний являлось установление долговечности буровых штанг из стали 55С2, упрочненных по разработанной технологии в срав­ нении с неупрочненными, а также со штангами, изготовленны­ ми из легированных сталей 28ХГНЗМ, 95ХМА, ШХ15М, ЗОХГСФА, относящихся к различным структурным классам. Ис­ пытывались штанги длиной 1600 мм. Испытания проводились при проходе подготовительных и нарезных выработок. Бурениеосуществлялось по руде крепостью 12—14 по Протодьяконову перфораторами ПР-ЗОК с применением долотчатых коронок диаметром 42 мм.

Испытания штанг на обоих рудниках проводились выделен­ ными бригадами проходчиков с хронометражистом. В процессе бурения определялась долговечность (проходка) каждой штан­ ги до первой поломки в шпурометрах и фиксировалось время бурения. При поломке конуса штанги, вызванного сбиванием коронок, производилась одноразовая перезаточка. Результаты испытаний оформлялись актом. Данные по стойкости штанг каждой опытной партии подвергались математической обра­ ботке.

§ 2. Результаты исследований стойкости буровых штанг сечением шестигранника 25 мм

Результаты сравнительных испытаний опытных партий штанг на Высокогорском руднике, упрочненных дифференциальной об­ каткой роликами и индукционной поверхностной закалкой, при­ ведены в таблице 9. Как видно из таблицы, долговечность буро­ вых штанг, подвергнутых индукционной поверхностной закалке, оказалась в 2 раза выше, чем штанги, упрочненные дифферен­ циальной обкаткой роликами. Это подтверждается также и гра­ фиком (рис. 69), построенным по результатам стойкости. Из гра­ фика видно, что темп поломок штанг, упрочненных обкаткой роликами в 2 раза выше, чем у штанг, закаленных'ТВЧ. Испы­ тания показали, что у штанг, подвергнутых обкатке роликами, самым недолговечным элементом оказались конуса и стержни. Разрушение стержней происходило с внешней упрочненной по-

P и с. 69. График функции распре­ деления долговечности бу­ ровых' штанг, упрочненных различными способами:

1 — штанги, упрочненные обкаткой роликами;

2 — штанги, упрочненные индукционной закал­ кой.

ex ∙~

ПЗ «С

MHideu

162

163

верхности (рис. 70), на которой обнаружено много трещин ус­ талости (рис. 71). Указанные трещины расположены в основном на дне дорожек, продавленных роликами при обкатке поверх­

ности штанг.

Результаты сравнительных шахтных испытаний опытных партий штанг, изготовленных из различных по составу сталей, как в состоянии поставки, так и упрочненных индукционной поверхностной закалкой, приведены в таблицах 10, 11. Как видно из таблицы 10, буровые штанги, изготовленные из леги­ рованных сталей, в состоянии поставки практически показали такую же долговечность, как и штанги, изготовленные из пер­ литной стали 55С2. Как те, так и другие штанги разрушались вследствие усталости с развитием трещин от внешней неупроч­ ненной поверхности. При этом основная масса штанг разруша­ лась на участке стержня вблизи буртика, т. е. там, где в штан­ гах возникают максимальные циклические напряжения. Для выяснения причин такого избирательного характера разруше­ ния штанг по длине, осуществлялось протравливание их в

164

кислотном растворе с целью удаления с поверхности окислов, загрязнений и т. п.

Указанная химическая обработка позволила выявить па поверхности штанг значительное количество усталостных тре­

сложнолегированных сталей. Выявленное у данных штанг рас­ положение усталостных поверхностных трещин хорошо совпа­ дает с обнаруженными ранее (рис. 21) аналогичными трещина­ ми у штанг, подвергнутых испытаниям в лабораторных услови­ ях.

В таблице 11 приведены результаты долговечности анало­ гичных буровых штанг, но подвергнутых упрочнению индукци­ онной закалкой. Штанги, изготовленные из легированных ста­ лей, были закалены также, как и штанги из стали 55С2, однако электрические параметры нагрева и охлаждающие среды для

зультаты шахтных испытаний, подвергнутые упрочнению индук­ ционной закалкой буровые штанги повысили долговечность в различной степени. Максимальную стойкость (в 4—5 раз) по­ казали штанги, изготовленные из стали 55С2. Штанги, изготов­ ленные из других легированных сталей, показали стойкость зна­ чительно меньшую, в среднем только в 1,5—2 раза в сравнении

с неупрочненными. На рис. 73 приведены математически обра­ ботанные результаты долговечности,всех опытных партий штанг, изготовленных из различных сталей, как в состоянии поставки, так и упрочненных индукционной закалкой. І4з графика видно, что долговечность буровых штанг, изготовленных из легиро­ ванных сталей и подвергнутых упрочнению, оказалась статисти­

165

закалке) ; 9—-28ХГНЗМ (подвергнутые индукционной

закалке); 10 — ШХ15М (подвергнутые индукционной

закалке).

ли 55С2, расположены на графике в узкой области естествен­ ного рассеивания. Что касается партии штанг, изготовленных из стали 55С2 и подвергнутых упрочнению индукционной закалкой, то они оказались выделенными в отдельной области. При срав­ нении угла наклона кривых на графике можно судить о темпе разрушения штанг всех партий. Так, например, если сравнить долговечность штанг при 150 шпурометрах проходки, то можно видеть, что штанги, изготовленные из легированных сталей,-как в упрочненном, так и в неупрочненном состоянии, разрушаются почти полностью (на 80—90%). При этом же количестве шпурометров проходки штанги, изготовленные из стали 55С2, будут практически все работоспособны. Указанные штанги выйдут из строя на 50% при средней долговечности около 300 шпурометров, т. е. когда штанги всех остальных партий уже целиком бу­ дут не работоспособны. В оставшихся 50 % данных штанг по количеству, долговечность будет ещевыше и, как видно из гра­ фика, составляет 400—600 шпурометров.

На графике (рис. 74) отдельно приведены статистически об­ работанные результаты долговечности штанг, изготовленных из

166

167

стали 55С2. Штанги одной из партий перед поверхностной за­ калкой подвергались объемной закалке с высоким отпуском (улучшение) с целью упрочнения сердцевины и канала штанги.

Из данного графика, а также таблицы 11 видно, что пред­ варительное улучшение не оказало дополнительного повышения долговечности штанг. Несмотря на то, что механические свой­ ства стали после улучшения гораздо выше, штанги данной пар­ тии практически показали такую же стойкость, как и штанги, упрочненные без предварительного улучшения.

В таблице 12 приведены результаты шахтных испытаний опытных партий буровых штанг, у которых, наряду с поверхност­ ной закалкой стержня, его дробеструйной обработкой и обкат­ кой роликами, промывочный канал дополнительно подвергался антикоррозионной обработке. Долговечность штанг данных пар­ тий сравнивалась с повторно испытанными аналогичными буро­ выми штангами, часть из которых подвергалась только упроч­ нению индукционной закалкой стержня, его дробеструйной об­ работке' и обкатке роликами, а часть подвергалась термообра­ ботке по старой технологии (объемная закалка концов). Испы­ тания показали, что антикоррозионная обработка промывочно­ го канала способствует заметному повышению долговечности

168

штанг. Стойкость данных штанг, как видно из таблицы 12 и гра­ фика (рис. 75), возросла дополнительно на 30% или в среднем с 300 до 380 шпурометров. У штанг с упрочненным стержнем дробеструйной обработкой и обкаткой роликами дополнитель­ ная антикоррозионная обработка практически очень мало спо­ собствовала добавочному повышению стойкости, т. к. штан­ ги в процессе работы разрушались в основном с внешней по­ верхности.

Анализируя результаты шахтных испытаний опытных пар­ тий буровых штанг, можно утверждать, что упрочнение их за счет разработанного режима поверхностной индукционной за­ калки стержня выгодно отличается от способа упрочнения диф­ ференциальной обкаткой роликами и дробеструйной обработкой. Технология обкаткой роликами, по-видимому, в данном вариан­ те осуществления является малоэффективной и не пригодной для упрочнения штанг, поскольку она не обеспечивает создания

вповерхности ни высоких остаточных сжимающих напряжений, ни достаточно высокой! твердости. Этот вывод напрашивается хотя бы потому, что у. обкатанных роликами штанг разрушение

вподавляющем большинстве происходит с внешней упрочненной

поверхности. При испытаниях было обнаружено, что уже через непродолжительный промежуток времени в поверхности подвер­ гнутых обкатке штанг возникают коррозионно-усталостные мик­ ротрещины, расположенные в наклепанных роликами дорож­ ках, которые практически являются концентраторами напряже­ ний, резко проявляющие себя при ударно-циклическом наіружении штанги. Кроме того, в процессе бурения слой наклепа, до­ стигающий на поверхности глубины 0,2—0,3 мм, в процессе бу­ рения истирается о стенки шпура, что снижает частично эффект упрочнения. Это же самое можно сказать и относительно дро­ беструйного упрочнения штанг из стали 55С2, не обеспечиваю­ щего значительного прироста стойкости.

Промышленные испытания буровых штанг, изготовленных из сложнолегированных сталей, не показали преимуществ в срав­ нении со штангами, изготовленными из стали 55С2 [157|. Как

169