книги из ГПНТБ / Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента

ГЛ A BA I

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ, ПРОИЗВОДСТВА, УПРОЧНЕНИЯ И ЭКСПЛУАТА­ ЦИИ БУРОВЫХ ПЕРФОРАТОРНЫХ ШТАНГ

§ 1. Общие сведения о типах пневматических перфораторов, применяемых в горной промышленности

Буровой инструмент является неотъемлемой частью буро­ вой машины, поэтому все вопросы, связанные с конструктив­ ными, эксплуатационными и технологическими сторонами его надежности, следует непосредственно увязывать с типом, мощ­ ностью, а также конструкцией самой машины. В этой связи бу­

Пневматические бурильные молотки, или как их принято сейчас называть, перфораторы нашли самое широкое примене­ ние в различных отраслях горнодобывающей промышленности, а также в. строительстве, проходке тоннелей и т. д.

Изобретение первого поршневого пневматического молотка, ставшего прообразом современных перфораторов, обычно при­ писывают американцу Фаулу (1849 г.). Однако практическое применение первых бурильных машин, отдаленно напоминающих перфаторы, относится к более раннему периоду. Так, в 1839 го­ ду при проходке тоннеля в Савойских Альпах инженером Соммелье была предложена паровая машина, переоборудованная для буровых целей. Поршень машины приводился в движение сжатым воздухом. Бур вращался от отдельного двигателя. Во­ да в шпур подавалась по специальной трубке рядом с буром. Применение этой машины по подсчетам специалистов позволи­ ло сократить срок строительства тоннеля на 10—13 лет.

Согласно другим источникам приоритет в изобретении и про­ изводстве перфораторов принадлежит Лейнеру и относится к более позднему периоду (около 1897 г.).

10

Изобретение перфоратора явилось выдающимся открытием своего времени, совершившее подлинную революцию в буровом деле и послужившее мощным толчком в развитии особенно горнорудного производства, где бурение шпуров и скважин яв­ ляется наиболее трудоемкой операцией. В последующие годы, т. е. в период становления перфораторостроения, большой вклад в усовершенствование и разработку различных типов пневмати­ ческих перфораторов внесли Холман, Крис, Бьюмонт и др.

За 20—30 лет, т. е. с 1849 по 1880 гг. было запатентовано около 80 конструкций перфораторов и более 100 всевозможных к ним узлов и механизмов. Так, в 1851 г. появился оригиналь­ ный перфоратор, у которого коронка была жестко соединена с поршнем. В 1874 г. Давидсоном была разработана для перфо­ ратора геликоидальная пара, дающая возможность совместить одновременно удар и поворот Инструмента. А несколько позже в Англии появились патенты Дарлингтона, Тернера и др. на раз­ работку различных конструкций золотниковых и поворотных ус­ тройств.

Ведущее положение в области перфораторостроения зани­ мают фирмы Англии,. США и Швеции. В США бурильные пнев­ матические молотки разной конструкции изготавливаются пре­ имущественно фирмами «Гарднер Денвер», «Ингерсол Ранд», «Чикаго пневматик», «Тор», «Джой» и «Кливленд». Основное внимание фирмы уделяют производству легких перфораторов с использованием алюминиевых сплавов. Число ударов в минуту у перфораторов обычно не превышает 3000. В производстве пер­ фораторов большое внимание уделяется разработке всевозмож­ ных приспособлений, манипуляторов, кареток, -вспомогательного оборудования, позволяющих механизировать процесс бурения. Очень важно то, что перфораторы выпускаются с комплектами бурового инструмента. Почти все заводы указанных фирм име­ ют в своих подразделениях участки и цехи по производству бу­ ровых ставов, штанг и т. п. с параметрами, отвечающими харак­ теристикам буровых машин.

ВШвеции перфораторостроение сосредоточено на заводах фирмы «Атлас Копко», выпускающей ежегодно около 50000 раз­ личных типов перфораторов. Значительную долю от общего объема занимают мощные колонковые перфораторы, которые пользуются большим спросом на мировом рынке.

Вшведской промышленности стало традиционным изготав­

ливать самый разнообразный буровой инструмент в комплекте с выпускаемыми перфораторами. В этом плане фирмы Швеции опередили почти всех своих конкурентов в США, Канаде и Япо­ нии, поскольку качество выпускаемых ими перфораторов и ин­ струмента, а также высокая гарантия их надежности общепризнаны.

В Англии перфораторы производят фирмы «Холмен», «Клай­

11

макс» и «Коисолидейтед пневматик». Доминирующее положе­ ние занимает фирма «Холмен». Ее легкие и средние перфора­ торы с реверсивным вращением, пылеотсосом, с пониженным уровнем вибрации и шума получили признание. Интересно от­ метить то, что английские фирімы, как впрочем многие фирмы других европейских государств, зачастую производят только перфораторы и различные типы других машин для бурения. Что касается бурового инструмента, то считается целесообразным приобретать его в Швеции. Вот почему в горнорудной промыш­ ленности Европы, Африки и Канады чаще всего можно наблю­ дать использование английских перфораторов в комплекте со шведским буровым инструментом.

Внастоящее время несмотря на то, что США, Англия, Шве­ ция являются монополистами в области перфораторостроения, значительных успехов добились и другие зарубежные страны, например, Франция (фирмы: «Медон», «Монтабер»), Япония (фирмы: «Тойо», «Фурукаво»), Чехословакия (завод «Тос Poковник»), а также Советский Союз.

Создано большое количество различных типов перфораторов, не только по конструкции, но и по виду энергии, используемой для создания движения ударного механизма. Все же основной объем в производстве занимают пневматические перфораторы, предназначенные для бурения шпуров и скважин в соответст­ вии с разнообразной технологией буровзрывных работ.

Взависимости от способа установки в забое все пневмати­ ческие перфораторы разделяются на ручные, колонковые и те­

лескопные. Ручные перфораторы предназначены для бурения с руки или с простых установочных приспособлений и условно делятся на три группы:

а) легкие — весом до 20 кг; б) средние — весом от 20 до 25 кг;

в) тяжелые — весом от 25 кг и выше.

Машиностроительная промышленность СССР выпускает до­ вольно широкую номенклатуру ручных перфораторов, входящих в указанные весовые группы. При этом почти не практикуется комплектная поставка наряду с перфораторами бурового сна­ ряжения, что по мнению многих специалистов является недо­ статком.

Наиболее обширную группу отечественных перфораторов представляют машины типа ПР, заводов «Коммунист», «Пнев­ матика» и родственных им других предприятий. Энергия удара данных перфораторов колеблется в среднем от 2 до 9 кгм.

Перфораторы ПР-24ЛЎ, ПР-24ЛУБ, ПР-ЗОЛУБ и ПР-ЗОК предназначены для бурения шпуров с пневмоподдержки в по­ родах средней крепости и крепких при проходке горизонтальных и наклонных горных выработок. Перфоратор ПР-ЗОЛУ наиболее целесообразно использовать при проходке шахтных стволов. Пер­

12

форатор ПР-ЗОЛУБ предназначен для бурения нисходящих шпуров при проходке обводненных шахтных стволов. Перфора­ тор ПР-ЗОРУ предназначен для бурения шпуров с пневмоподдер­ жкой в вечномерзлых россыпях и может также применяться для бурения нисходящих шпуров при проходке шахтных ство­ лов. Перфораторы ПРО-24ЛУ и ПР-ЗОКС предназначены для работы в породах средней крепости с пневмоподдержкой с су­ хим пылеулавливанием в условиях низких температур (зона вечной мерзлоты). Для очистки шпура в перфораторах ПР-24ЛУ, ПР-ЗОЛУ и ПР-ЗОК предусмотрена центральная, а в перфораторах ПР-24ЛУБ и ПР-ЗОЛУБ — боковая подача во­ ды. Кроме того, перфораторы ПР-24ЛУ и ПР-ЗОЛУ имеют уст­ ройство для интенсивной продувки.

Перфораторы ПР-ЗОЛУС и ПР-ЗОРУ снабжены устройством для усиленной продувки. Для защиты организма бурильщика от вредного воздействия вибрации, возникающей при работе перфоратора, все ручные перфораторы комплектуются вибро­ гасящими каретками типа KB-IV (перфоратор ПР-ЗОЛУС — виброгасящей кареткой типа КВС-1).

Современные типы отечественных ручных перфораторов, не­ смотря на их удовлетворительную работоспособность и произ­ водительность, обладают целым рядом недостатков, среди ко­ торых наиболее существенными являются следующие:

1.Большой шум в процессе бурения.

2.Значительная вибрация.

3.Большой вес.

4.Низкая надежность и долговечность отдельных элементов, узлов и деталей.

5.Большой расход сжатого воздуха.

Указанные недостатки значительно влияют на дальнейшее

выработок, с ограниченным сечением, а также при бурении вос­ ходящих и круто наклонных (45° и более) шпуров и скважин довольно широкое применение нашли телескопные перфораторы. В некоторых случаях телескопные перфораторы используются и для бурения горизонтальных или наклонных (менее 45°) шпу­ ров, для чего устанавливаются на специальные приспособления (каретки, рамы и т. π.). В СССР выпускаются пока три типа телескопных перфораторов ПТ-29, ПТ-45 и ПТ-36.

Перфораторы ПТ-29 и ПТ-45 позволяют бурить шпуры диа­ метром 40—43 мм, глубиной до 8 м в породах средней и выше средней крепости. Перфоратор ПТ-36, как более мощный, ис­

13

пользуется в основном для бурения восстающих скважин диа­ метром до 85 мм и глубиной до 15 м в породах средней и высо­ кой крепости. При необходимости телескопные перфораторы легко переоборудуются при бурении с каретками. Всем видам указанных телескопных перфораторов практически свойственны те же недостатки, что для ручных перфораторов. Поэтому перед конструкторами и машиностроителями стоит задача создания достаточно мощного, легкого и надежного телескопного перфо­ ратора с широким диапазоном использования в различных гор­ ногеологических условиях.

Впоследние годы в мировой практике горнорудного произ­ водства наметились тенденции к более широкому применению на проходческих работах мощных тяжелых, так называемых колонковых перфораторов, установленных на распорных коло­ нках и на различных каретках. Применение колонковых пер­ фораторов позволяет увеличить производительность буровых работ при проходке горных выработок в породах средней и вы­ сокой крепости, а также дает возможность бурить скважины глубиной более 10—15 м диаметром до 85 мм.

ВСССР выпускается пока весьма ограниченное число ко­ лонковых перфораторов. Можно указать лишь три разновид­ ности, устаревшую КЦМ-4, КС-50 и, разрабатываемую серию типа ПК-50, с высокими параметрами вращения бура.

Из указанных типов колонковых перфораторов наиболее длительный период применялись машины КЦМ-4 и КС-50, ко­ торые как показал опыт эксплуатации, имели ряд конструктив­ ных недостатков и низкую долговечность. Перфораторы КЦМ-4

иКС-50 хотя еще и применяются на некоторых горнорудных предприятиях, однако они уже сняты с производства. Что ка­

сается перфоратора ПК-50, и их разрабатываемых прототипов, то данный перфоратор находится в стадии опробования в за­ водских и шахтных условиях и пока не нашел широкого приме­ нения. Специалисты считают, что мощные колонковые перфо­ раторы, в ряде случаев могут успешно конкурировать с буро­ выми установками и даже заменять их. Поэтому в целях даль­ нейшего развития и широкого внедрения буровых работ с при­ менением мощных колонковых перфораторов требуется поста­ новка глубоких исследований в этой области. Необходимо в конечном итоге разработать и наладить производство широкой серии надежных, работоспособных колонковых перфораторов с достаточно низким уровнем шума, вибрации, а также и раз­ личных типов необходимого бурового инструмента и буровых кареток для их использования в различных отраслях горной промышленности.

14

§ 2. О важнейших феноменологических аспектах разрушения конструкционных металлов под нагрузкой

Приступая к изложению материалов, касающихся непосред­ ственно циклической прочности и металловедческой стороны затронутой проблемы, необходимо иметь достаточно четкое представление о достижениях в области прочности и механики разрушения существующих сталей. В этой связи уместно позна­ комить читателей с наиболее важными разделами современной науки о разрушении, хотя бы металлических материалов, с использованием новейших информаций по этому вопросу.

Несмотря на то, что разрушение материалов, как физико­ механический процесс, давно представляет собой хорошо из­ вестное явление, все-таки полной ясности о природе этого про­ цесса еще нет. Это стало особенно ощутимо в наши дни, когда бурное развитие техники столкнулось с необъяснимыми фак­ тами внезапного разрушения деталей, узлов машин, конструк­ ций и целых сооружений, несмотря на то, что согласно предва­ рительных инженерных расчетов все должно было гарантиро­ вать их надежную работу. История знает очень много приме­ ров внезапного разрушения металлических мостов, пролетов зданий, сварных судов, повлекших невосполнимые человеческие жертвы и материальные затраты. Так по литературным данным только за 1950—1955 гг. насчитывается более двадцати слу­ чаев разрушения крупных мостов и зарегистрированы катастро­ фы более пятидесяти сухогрузных и наливных судов, которые разломились пополам не проработав и четверти возможного технического ресурса. Начавшиеся еще в 20-х годах нашего сто­ летия исследования Гриффитса, Орована и др., посвященные случаям хрупкого разрушения материалов, вскоре вылились в самостоятельное научное направление под общим названием ме­ ханика разрушения материалов. В настоящий период работы в этой области привлекли десятки смежных отраслей знаний, та­ кие как математика, физика, металловедение, сопротивление материалов и даже биология. Стало очевидным, что разруше­ ние металла под нагрузкой, как явление, есть сложнейший процесс, в котором сам разрушаемый материал выступает не как пассивная жертва, а определенным образом сопротивляется воздействию внешних сил. По образному выражению Орована, металлам, как и живому аналогу в природе, например, челове­ ку, свойственны явления болезни, поражения травмами и смерть, наступающая с его поломкой. Причем влиянию всех этих недугов металлы, в принципе, могут не поддаваться дли­ тельное время. К сожалению, понимание этого наступило не сразу. Долгое время да еще и сейчас конструкционные материа­ лы представляются, как бездефектные тела. Появление какоголибо дефекта на поверхности или внутри стальной детали, на-

15

пример, трещины, отождествляется с началом неизбежного раз­ рушения и это является основанием для его браковки.

Вот почему до настоящего времени проблема разрушения металлов не всеми трактуется равнозначно. Многие ее аспекты повествуются весьма противоречиво и являются предметом страстной полемики.

На сегодняшний день науке известно несколько специфи­ ческих форм разрушения металлов, которые объединены приня­ той классификацией и имеют свою терминологию. Мы обратим основное внимание на усталостное разрушение, как наиболее сложное и многогранное явление и осветим лишь важнейшие его стороны, которые непосредственно будут отвечать последу­ ющему изложению основного материала. Если же читатель сочтет нужным более глубже вникнуть в процессы усталостно­ го разрушения металлов, то он найдет эти дополнительные све­ дения в обстоятельных монографиях отечественных и зарубеж­ ных авторов, например, Одинга И. А., Кудрявцева И. В., Рат­ нер С. И., Ивановой В. C., Школьника Л. Μ., Карпенко Г. В., Романова В. В., Форреста, Екобори и др.

Усталостное разрушение является следствием переменного

.воздействия нагрузок на металл, причем характерным являет­ ся то, что при усталости разрушение наступает без заметных пластических деформаций и при напряжениях меньших, чем при статической нагрузке. Это обстоятельство длительное время не поддавалось логическому объяснению, в связи с чем появлялось довольно много теоретических трактовок, научная несостоятель­ ность и ошибочность которых отвергнута самой жизнью и появ­ лением более прогрессивных теорий. В настоящее время в за­ рубежной и отечественной науках об усталостной прочности принята ориентация на разработку дислокационно-энергетичес­ ких теорий усталостного разрушения. Наиболее успешно данное направление развивается в СССР школами советских метал­ ловедов и специалистов в области прикладной механики сплош­

Морозовым Е. Μ., Леоновым Μ. Я., Черепановым Г. П., Пана-

а) Морфологические особенности усталостного разрушения.

Внешняя картина усталостного излома, как правило, состо­ ит из двух явно выраженных зон: зоны замедленного развития магистральной трещины и зоны хрупкого долома.

В свою очередь зона усталости имеет рядг признаков, отли­ чающих ее от участка хрупко разрушенного сечения. Такими особенностями являются ступеньки и рубцы, имеющие порой геометрически правильную форму и напоминающую годовые кольца на срезе деревьев. Морфологическая картина усталост­ ного излома зависит как от природы материала, условий уста-

16

разрушения, что позволит усовершенствовать или разработать более удобные дислокационные схемы описания и расчета тре­ щин.

в) Макроскопические процессы роста усталостных трещин и роль пластичности в их развитии.

Если микроскопическая картина развития усталостных тре­ щин очень важна для понимания реальных процессов в тонкой структуре металла, пораженной полостью атомного масштаба или масштаба кристаллической решетки, то макроскопический акт роста трещины охватывает пределы одного или нескольких зерен, что представляет интерес в плане создания практических мероприятий по остановке магистральной усталостной трещины технологическими методами. Линейный спектр данных трещин лежит уже в более широком интервале от IO2 мкм до десятков миллиметров. Именно в этот интервал вписываются всевозмож­ ные производственные дефекты, расположенные в поверхности и внутри металла, являясь потенциальными очагами зарожде­ ния трещин. Достоверно установлено, что в основе развития усталостных трещин лежат явления пластичности, которые бо­ лее пли менее проявляются в сплавах и сталях на ее контуре, вызывая необратимые структурные процессы, например, экстру­ зию и интрузию. По определению Фудзиты, открывшего эти яв­ ления, речь идет о межзеренном течении металла, которое в одном случае приводит к выдавливанию субструктуры сплава в виде язычка в межзеренном пространстве, а в другом, напро­ тив, к утяжке межзеренных границ. Указанные эффекты, вообще говоря, протекают в микроскопическом объеме зерна у контура трещины, однако они доказывают, что при знакопеременном движении берегов трещины хотя и в незначительном объеме у ведущего ее конца протекает пластическая деформация, кото­ рая постепенно упрочняет сплав. Упрочняющие процессы про­ текают не во всех сплавах одинаково. Это зависит как от струк­ турной и химической природы сплава, так и от уровня напря­ жений. Журков С. Н. и Регель В. П. полагают, что в принципе все процессы, связанные с пластическими видоизменениями в структуре при циклическом нагружении, адекватны аналогич­ ным явлениям, наблюдаемым при статическом нагружении. Раз­ ница заключается лишь в том, что в первом случае скорость накопления нарушений и прочих необратимых изменений зна­ чительно выше. Советскими учеными Ивановой В. C., Терентье­ вым. В. Ф. и др. показано, что в основе усталостного упроч­ нения металла и последующих изменений в структуре лежат ряд сложных эффектов, природная сущность которых еще не совсем ясна. К ним относятся эффект Портевена — Ле-Шателье, эффект Баушингера, появление линий Чернова—Людерса, а также эффект Френча. Краткая характеристика этих эффектов заключается в следующем. Эффек Протевена—Ле-Шателье говорит о том, что у ряда металлов и сплавов при деформа-

18

ции происходит скачкообразное изменение пластичности, отож­ дествляемое на диаграмме с лезвием пилы. Установлено, что это явление возникает вследствие резкого динамического упроч­ нения старением межзеренных слоев сплава. Эффект Баушингера наиболее известное явление, которое заключается в необ­ ратимом процессе снижения предела упругости в полуцикле сжатия образца после того, как было предварительно произве­ дено растяжение его в полуцикле растяжения. Линии Чер­ нова — Людерса это микро и макроскопические полосы сколь­ жения, появляющиеся в поверхности деформируемого сплава при достижении определенной степени деформации. И, наконец, эффект Френча состоит в том, что в сплавах и сталях в процессе нагружения закономерно нарастают необратимые повреждения структуры с плотностью, близко отвечающей линейному закону. Говоря иначе, линии Френча, совмещенные с диаграммами усталости, четко определяют уровень и предел повреждений при данном нагружении и показывают границу начала образования микротрещин усталости. Огромная заслуга наших ученых за­ ключается в том, что они определили общность природы указан­ ных выше эффектов и показали, что она непосредственно свя­ зана с так называемым физическим пределом текучести и фи­ зическим пределом усталости. Данные физические критерии показывают, что в металлах к моменту достижения предела текучести в псевдоупругой области образуется стабильная уп­ рочненная пленка, соизмеримая с размером зерна. Таким обра­ зом, перенося это явление на усталость можно утверждать, что, если в процессе роста трещины на ее контуре соблюдено усло­ вие наличия физического предела текучести, то дальнейшее развитие трещины должно быть затруднено. В противном слу­ чае процесс упрочнения металла на кончике трещины проходит стадию разупрочнения. Металл насыщается согласно эффекту Френча предельной плотностью повреждений (правомерно утверждать и дислокаций), что приводит к дальнейшему под­ растанию трещины, когда разрыхленный объем металла с очень низкой вязкостью разрушения не способен больше оказывать сопротивление интенсивности внешнего силового воздействия (напряжений).

Исследованиями, выполненными в последние годы в области усталости, показано, что необратимые процессы в металле, вы­ званные упомянутыми выше пластическими .явлениями, в зна­ чительной степени усложняются необратимыми структурными превращениями. И здесь прежде всего следует акцентировать внимание на выделении со временем в процессе нагрузки какихлибо структурных компонентов в стали или, напротив, распад их на составляющие. Таким образом, пластические и структурные видоизменения в металле, подверженном знакопеременному на­ гружению, свидетельствуют о высокой вероятности разрушения

19