книги из ГПНТБ / Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента

эксплуатационные параметры, и в первую очередь энергия удара,

бурового инструмента при бурении скважин 70 и 63 мм по ру­ де крепостью 12—14 по Протодьяконову станками СБУ-70У при подсечке блоков скважинами глубиной 35 м. Исследова­ лась стойкость штанг диаметром 36 и 38 мм, изготовленных из стали 35ХГТ в нормализованном и закаленном ТВЧ состоя­ нии. Длина отдельных секций составляла 1 м. Штанги соеди­ нялись с помощью резьбы веревочного профиля и полых муфт, соединяющих отдельные звенья встык. Бурение производилось крестовыми коронками, соединяемыми со штангой также с помощью резьбы веревочного профиля. Резьбовые концы штанг

штанг. Среднесменная производительность бурения составляла 30 погонных метров. Стойкость буровых коронок 70 мм состав­ ляла до заступления 30 погонных метров, коронок 63 мм — 15 погонных метров. Средняя стойкость штанг нормализован­ ных составляет 200—300 погонных метров, а закаленных ТВЧ 350—500 метров. Было установлено, что основным местом по-

P и с. 82. Внешний вид штанг для глубокого бурения скважин, разру­ шившихся при .эксплуатации.

180

ломок штанг (рис. 82) является резьбовое соединение. Неко­ торые штанги разрушались через 2—4 часа машинного времени

трескивалась (рис. 83). Аналогичный износ наблюдался и на резьбе муфт. Испытания показали, что основным недостатком резьбы веревочного профиля является малая площадь сопри­ косновения винтовой плоскости, что приводит к возникнове­ нию па отдельных участках резьбы высокой удельной нагруз­ ки.

В связи с этим требуется, во-первых, изыскивать возмож­ ности усовершенствования профиля резьбы, а, во-вторых, пре­ дусматривать более эффективное упрочнение резьбовой части.

тава стали и качества ее поверхности.

181

ГЛАВА VI

ПОВЫШЕНИЕ УДАРНО-ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ

керамических .сплавов (победитов) на основе карбида вольф­ рама и кобальта. Это изобретение послужило началом новой эры в развитии бурового инструмента и, прежде всего различ­ ных видов буровых коронок.

В СССР для армировки бурового инструмента используют­

Польше и ГДР. В США для бурения шпуров выпускаются 15 типов буровых коронок, из которых примерно 5 типов стальные одноразового использования. Твердосплавные коронки выпус­ каются главным образом однодолотчатой формы, однако около 20% от всего объема применяются крестовые коронки. Изго­ тавливаются коронки диаметром. 22—75 и реже 100 мм. Углы заточки лезвий в зависимости от крепости пород применяются от 70° до 120°. Основными поставщиками буровых коронок в США являются фирмы: «Тимкен», «Джой», «Брунер» и «Кеннаметалли».

Соединение твердосплавных коронок со штангами выпол­ няется с помощью резьбы и реже с помощью конуса. Сталь­ ные же коронки выпускаются только с конусным соединением. В последние годы в США большое внимание уделяется разра­

182

выми вставками и долотчатые коронки с вогнутым (седло­ образным) лезвием.

Буровые коронки, применяемые в Англии, Канаде и ЮАР, почти не отличаются от коронок, применяемых в США. Однако, если в США очень широко применяются стальные коронки одноразового употребления, в этих странах для этих же целей более широко используются твердосплавные коронки.

Ведутся обширные исследования по изысканию более ра­ циональных форм коронок. Предлагается изготавливать корон­ ки со спиральным расположением твердого сплава в корпусе [197], которые обладают самым минимальным износом. Разра­ ботаны и другие типы коронок, среди которых можно указать трехперую со ступенчатым расположением лезвия, увеличиваю­ щую скорость бурения на 25% по сравнению с обычными, Зетобразные' коронки и коронки с реактивным выбросом буровой мелочи. Однако отмечается, что широкое применение коронок с фигурным расположением твердого сплава пока сдерживается трудностью, связанной с их заправкой. В связи с этим фирма «Бэдфорд», например, выпускает (до 90%) коронок крестовой и долотчатой формы, и лишь незначительный объем (10—-15% ) занимают коронки со ступенчатым (опережающим) лезвием.

. Коронки выпускаются с коническим соединением с допол­ нительными медными и бронзовыми втулками, однако около

коронки. Долотчатые и крестовые коронки выпускаются фир­ мой «Крупп» в основном с конусным соединением диаметром 35—50 мм, с углом заточки лезвия 95—110° Фирмы «Вальрам», «Дюрамент» также выпускают коронки с конусным соединением. Большое внимание уделяется разработке кон­ фигурации корпуса коронки. Начинают внедряться коронкидолото и коронки с ниппельным соединением.

В начале 40-х годов в Швеции широкое распространение

настоящее время во всей Скандинавии применяются при буре­ нии цельные буры фирм «Коромант» и «Коваметалли», кото­ рые показывают более высокую производительность по срав­ нению со съемными коронками. Диаметр головок буров сос­

183

Тяжелые условия эксплуатации коронок требуют тщатель­

на воздухе после пайки обеспечивает сталь группы Е. Корпуса коронок после напайки пластин твердого сплава подвергаются различным режимам термической обработки. Наиболее распро­ странена изотермическая закалка в силитровых ваннах с полу­ чением в зоне твердого сплава структуры мартенсита или троостомартенсита. В таблице 15 приведены значения твердости не­ которых типов зарубежных буровых коронок после термического упрочнения [158].

Из таблицы видно, что максимальное упрочнение в процессе термообработки коронок достигается в зоне твердого сплава и несколько меньше в юбке. Прочность основания корпуса дости­ гается у коронок различных фирм по разному. Например, швед­ ские коронки («Сандвик Крромант») и австрийские («Велер».

184

очевидно, считать наиболее рациональным по сравнению с пе­ ременной прочностью по длине корпуса, наблюдаемой в корон­ ках других фирм.

В горной промышленности СССР для перфораторного буре­ ния шпуров по породам различной крепости при проходке под­ готовительных, нарезных выработок, а также проходке тонне­ лей, стволов шахт широкое применение получили съемные бу­ ровые коронки. Преимущественно заводы выпускают коронки с пластинками из металлокерамических твердых сплавов. Сталь­ ные коронки одноразового употребления имеют ограниченное применение. По расположению пластинок твердого сплава вы­ пускают коронки долотчатые, крестовые, трехперные и кресто­ вые со штыревыми цилиндрическими вставками. Коронки всех типов выпускаются главным образом с коническим гнездом, имеющим угол конусности 3o30. Коронки с резьбовым соедине­ нием выпускаются в ограниченном количестве только для бу­ рения глубоких скважин диаметром 50—85 мм.

Основными поставщиками буровых коронок являются Кузнец­ кий машиностроительный завод, Самаркандский механический завод, Криворожский завод «Коммунист», а также Благовещен­ ский завод «Амурский металлист». Кроме того, серийный вы­ пуск коронок производит Дарасунский завод горношахтного оборудования и некоторые крупные рудники и рудоремонтные заводы.

Кузнецкий машиностроительный^завод самый крупный по­ ставщик буровых коронок. Заводом освоен выпуск около 20 на­ именований коронок для различных условий бурения. Коронки

185

P и с. 85. Некоторые виды буровых коронок KM3, применяемые в горной

промышленности.

KM3, наиболее широко распространенные в горной промышлен­ ности, показаны на рис. 85.

В последнее время освоен серийный выпуск крестовых буровых коронок типа HKB со штыревыми победитовыми встав­ ками, а также долотчатых коронок с аналогичными вставками типа «Истра»-20. Большое внимание уделяется разра­ ботке новых типов буровых коронок, особенно коронок для спе­ цифичных условий бурения, например, для Крайнего Севера, для бурения с пылеотсосом и т. п. Завод «Коммунист» выпускает ко­ ронки типа AK-19А и АК-35, которые позволяют бурить при повышенном расходе промывочной жидкости, что улучшает очи­ стку шпура и смачиваемость пыли. Выпускаются также корон­ ки с прерывистым лезвием в виде цилиндирческих вставок. Са­ маркандский механический завод в содружестве с институтом ВНИИТС также разрабатывает и серийно выпускает типы ко­ ронок для различных условий бурения. Широкую известность получили коронки типа БКПМ-40 (рис. 86), изготавливаемые с различными марками победитовых пластинок.

P и с. 86. Коронка БКПМ-40 конструкции ВНИИТС.

Большое внимание в СССР уделяется разработке новых на­ иболее прогрессивных и рациональных видов буровых коронок. Эту работу в содружестве с заводами успешно выполняют ин­ ституты ВНИИТС, ВНИИПТуглемаш, объединение ОРГПРИМтвердосплав и другие организации.

§ 2. Исследование циклической прочности и долговечности буровых коронок

Буровые коронки, применяемые в горнорудной промышлен­ ности для бурения шпуров, имеют очень низкий ресурс долго­ вечности, не превышающий 10—12 м, а в крепких породах 2— 5 м. Это не только снижает производительность буровых работ на рудниках, но и вызывает большой расход металла и твердого сплава/ Принимая во внимание необходимость значительного повышения долговечности буровых коронок, как одного из ос-

188

новпых видов бурового инструмента, ВостНИГРИ в содружест­ ве с Кузнецким машиностроительным заводом и Абаканским железным рудником провели исследования. Данные исследо­ вания преследовали две цели: установление причин и характе­ ра разрушения коронок в процессе бурения; изыскание рацио­ нальной и эффективной технологии их упрочнения.

Первоначально в шахтных условиях Абаканского рудника испытали 6000 буровых коронок типа КДА-40, выпускаемых Кузнецким машиностроительным заводом, 1500 коронок типа БКПМ-40, выпускаемых Самаркандским механическим заводом. Коронки КДА-40 изготавливаются из стали 35ХГСА, а в качест­ ве рабочего лезвия чаще всего применяется пластинка твердого сплава ВК-15, соединяемая с корпусом путем напайки припоем Л-62. Термообработка коронок заключается в -изотермической закалке их корпуса в селитровой ванне с паечного нагрева, осу­ ществляемого индукционным способом. Коронки БКПМ-40 изго­ тавливаются из хромомолибденовой стали мартенситного класса (содержание углерода 0,28—0,33%). После объемной воздушной закалки коронки подвергаются шаровой обработке в специаль­ ных барабанах.

Бурение по породам 12—14 по Протодьяконову перфорато­ рами ПР-30К показало, что при средней стойкости 5—10 м ко­ ронки КДА-40 выходят из строя:

в) в результате разрушения контакта припоя с пластинкой твердого сплава — 22% (1150 шт).

Использование коронок, до полной амортизации, т. е. до мак­ симально возможного износа твердого сплава, вследствие за­ тупления, составило только 28—30% (1650 шт.).

Коронки БКПМ-40 показали в целом стойкость в 2—2,5 ра­ за выше коронок КДА-40. Более 60% данных коронок исполь­ зовано до полной амортизации. Только 10—15% коронок вышли из строя по причине усталостного разрушения корпуса. Из это­ го следует, что коронки БКПМ-40, у которых удачно сочетается конструкция с подбором материала корпуса, обладают значи­ тельно большим запасом усталостной прочности и надежности.

Как показали массовые испытания в производственных ус­ ловиях, наибольшее количество коронок КДА-40 выходят преж­ девременно из строя по причине усталостного разрушения.

Установлено, что разрушение коронок происходит по юбке корпуса (рис. 87) с преимущественным развитием усталостных трещин от внутренней поверхности конусного гнезда. Кроме того, как видно из рис. 876, довольно часто происходит разрыв юбки вдоль образующей корпуса коронки. В изломе коронок од-

189

P и с. 87. Внешний вид коронок КДА-40, разрушившихся в процессе эк­ сплуатации:

а — разрушение корпуса коронки по кольцу; б—разрушение корпуса коронки вдоль образующей;

наруженъ! одна и реже две развивающихся усталостных трещин симметричной круглой или эллипсной формы. Площадь зоны усталости данных трещин очень мала (5—1G% от площади се­ чения корпуса), что дает основание отнести данный вид раз­ рушения к случаю, когда напряжения, определяющие развитие трещин, превышают предел усталости стали, из которой изго­ товлены коровки.

Металлографический анализ корпусов разрушенных коро­ нок показал, что они состоят из троостомартенситной структу­ ры, выраженной неравномерно по длине и сечению коронки.

Нередко в структуре встречаются обширные зоны структуры троосто-сорбита и свободного сорбита. Это вызывает неравно­ мерное распределение твердости в коронке по длине, которая преобладает в основном в центральной зоне корпуса и резко снижается у основания юбки. Усталостные изломы коронок по длине корпуса достаточно точно совпадают с зонами понижен­ ной твердости металла в данных местах и поэтому являются первичным очагом зарождения и роста усталостных трещин.

Неравномерное распределение твердости и наличие переход­ ных структурных составляющих по длине и сечению коронки, несомненно вызваны неравномерно протекающими превращени­ ями в структуре стали при закалке. А это, в свою очередь, выз­ вано, как установлено, неравномерностью нагрева корпусов ко­ ронок под закалку. Практически температура, соответствую-

190