книги из ГПНТБ / Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента

данного металла, в связи с чем требуется разработка методов, замедляющих этот процесс или, как принято говорить, необходи­ мо повышать предел его усталости.

г) Предел усталости.

Данный критерии является весьма важной технической ха­ рактеристикой материала, ио далеко не его константой. В этом плане в инженерной практике часто возникают необоснован­ ные толкования и прогнозы о долговечности, подверженной зна­ копеременной нагрузке конструкции, когда используют в каче­ стве основного расчетного элемента предел ограниченной уста­ лости пли даже предел усталости. Часто в эти термины вклады­ вают адекватный смысл, не понимая того, что предельная оцен­ ка усталости есть лишь условная характеристика, которая оце­ нивает живучесть материала при определенных условиях. Как справедливо отмечает Форрест, что, хотя и может быть получен выраженный предел усталости, все же большинство металлов и сплавов предела усталости не имеют. Отсутствие конкретного значения предела усталости реального металла можно объяс­ нить, если привести для этого доказанные выше постепенные упрочняющие изменения в структуре этого металла, происхо­ дящие от циклического напряжения. Очевидно, пределом уста­ лости можно считать тот уравновешивающий предел, который достигается, если металл, наконец, способен затормозить по­ вреждающий эффект от внешних напряжений. Но как раз этого случая конкретно и точно уловить не всегда представляется возможным, т. к. все пластические и структурные необратимые явления в металле протекают в зависимости от многих пере­ менных, зачастую не связанных друг с другом. Кроме того, по своей статистической природе усталостное разрушение сугубо вероятностный процесс, поэтому оценивать его количественную сторону пока можно только с позиций какого-то определенного параметра с допущением заведомо ограниченных условии. По нашему мнению, целям такого параметра и отвечает существую щий сейчас и широко используемый термин предел устало сти.

Имеются различные методы определения пределов усталое ти металлов. В общих чертах они делятся на два способа: мят кий, когда плавно варьируется силовая нагрузка, т. е. напря жение, и жесткий, когда изменяется ^амплитуда (размах илі степень) деформации. В том и в другом случаях серии образ цов испытываются от какого-то исходного значения напряже ния или деформации с постепенным их изменением (уменьше пнем в случае мягкого способа и, наоборот, увеличением в слу чае жесткого) до заранее установленного базового числа цик лов. При этом, когда уровень напряжений или деформаций от высоких исходных значений до конечных, приведших к разру шению образца, изменяется незначительно, испытание материа­

20

нагружении этой группой ученых ведется многопланово, как в отношении дальнейшего совершенствования методов ударно­ циклических испытаний на базе создания новых испытательных машин, так в направлении изучения природы и процесса удар­ ной усталости. Так, например, ими изучено влияние характера и вида ударного нагружения на усталость углеродистых и леги­ рованных сталей, а также влияние технологических, структур­ ных, конструктивных и прочих факторов на кинетику ударно­ усталостного разрушения.

д) Влияние среды на усталостное разрушение металлов.

Коррозионные среды значительно усложняют и в общем-то ускоряют при прочих равных условиях усталостное разрушение металлов. Считаются наиболее авторитетными три теории кор­ розионной усталости, приверженцы и авторы которых не всегда сходятся в единых мнениях по поводу толкования тех или иных ньюансов коррозионного воздействия на металл. К ним относятся:

1.Электрохимическая теория (Эванс, Акимов Г. В., Рябченков А. В., Гликман Л. А., Томашов Н. Ю., Романов В. В.).

2.Адсорбционно-электрохимическая теория (Ребиндер А. П., Карпенко Г. В., Горюнов Ю. В.).

3.Пластическая теория (Веденкин С. Г., Синявский В. C.). Электрохимическая коррозия базируется на изменении элек­

тродного потенциала участка металла с повышенным значением напряжений. Движущим трещину фактором в этом случае яв­ ляется циклическое изменение полярности полюсов корпуса де­ тали (берега трещины) и вершины трещины, что создает в бук­ вальном смысле постоянный отрыв или вымывание все новых частиц металла из трещины и тем самым создает условие ее продвижения. Увеличивающаяся с длиной трещины концентра­ ция напряжений дополнительно усугубляет процесс.

Теория адсорбционно-электрохимической коррозии включает положения электрохимической коррозии в плане протекания электрических явлений в полярной паре корпус детали — вер­ шина трещины. Однако в основе ее используются и силовые принципы, базирующиеся на адсорбционно-расклинивающем эффекте Ребиндера А. П. Роль этих сил сводится к увеличению растягивающих напряжений в микроскопическом устье трещи­ ны, что ускоряет процесс разрушения, сначала в масштабе меж­ атомного сочленения, а затем и в макромасштабе.

скорость протекания разрушения, в этой теории является по­ вышенная активность пластического скольжения частиц (зерен) металла относительно друг друга. Это происходит за счет сма­ зывающего действия жидкой среды, которая, обладая высоки­

22

ми капиллярными свойствами, способна проникать в микроско­ пические полости впереди трещины, нарушая связь между ато­ мами и облегчая их взаимное перемещение. Гальванические и химические явления в этой теории не являются сколько-нибудь ощутимыми, в связи с чем их роль считается побочной.

В последние годы в практике эксплуатации машин довольно часто встречаются случаи, когда теории электрохимического или адсорбционно-электрохимического толкования не могут удов­ летворительно объяснить разрушение металла в жидких сре­ дах. Особенно это распространяется на случаи малоциклового нагружения деталей и конструкций, для которых сомнитель­ ность механизма усталости по общепринятым законам корро­ зии вытекает из временных соображений. Действительно, нали­ чие фактора продолжительности пребывания нагружаемой де­ тали в среде (сотни часов) может удовлетворительно описать разрушение, однако при эксплуатации и разрушении изделия в пределах нескольких часов, когда коррозионные явления про­ сто не успевают реализоваться, уже требуется для объяснения привлечение новых гипотез. В этом отношении реальную пер­ спективу имеют теории силового и гидродинамического воздей­ ствия жидкостей на металл в зоне трещины, элементы которых есть, например, в упомянутой выше пластической теории. Хотя эта область коррозионно-циклического разрушения еще прак­ тически не исследована, заманчивость идеи силового воздействия жидкостей на металл очевидна, тем более, что для объяснения разрушения металлов в такой постановке уже есть ряд косвен­ ных доказательств, например, морфологические, структурные и линейные Особенности усталостных изломов, полученных в жид­ ких средах.

е) Кинетика усталостного разрушения.

Скорость роста усталостных трещин является одной из самых важных характеристик в проблеме циклической прочности, по­ скольку падежное определение этого параметра дает ответ на другой практически важный вопрос, т. е. о расчете гарантиро­ ванной долговечности. К сожалению, несмотря на заметные успехи в решении данной задачи, в целом, кинетические вопро­ сы уста; „жті ого разрушения еще мало изучены. Причиной этого является ѵ^.ьшая сложность регистрации скорости усталостной трещины, а главное—отсутствие надежных методов, которые бы позволили увязать в едином расчетном аппарате сложнейшую взаимосвязь многих факторов, влияющих на окорость роста трещины, действие большинства из которых даже невозможно пока учесть ни качественно, ни количественно. Для оценки ско­ рости усталостного развития трещин в различных металлах и сплавах найдено довольно много экспериментальных, эмпири­ ческих и аналитических моделей, многие из которых успешно применяются в инженерных расчетах. Можно отметить успешно

23

выполненные в этом направлении работы Фроста и Дагдейла,

лостная трещина распространяется за время равное почти 85— 90% всей долговечности детали. В самых общих чертах скорость развития усталостной трещины вероятнее всего описывается эк­ споненциальным или близким к нему законом. Однако эта оценка не распространяется на все случаи, поскольку очень часто в период старта и даже на среднем участке пути может проис­ ходить частичное или полное торможение трещин с последую­ щим бурным финишем. Доминирующими факторами, двигаю­ щими фронт трещины, по мнению большинства ученых, являются внешние напряжения и пластическое течение на ее контуре. Пластичность материала, в котором растет усталостная-трещи­ на, обнаруживается даже в том. случае, когда материал весьма хрупок. В связи с этим для хрупких и пластических материалов кинетические особенности роста трещин заметно отличаются. В пластичных конструкционных материалах чаще всего рост тре­ щины вызывает значительную по объему деформацию впереди идущей вершины, В эти этапы трещина условно может быть стоячей и лишь при формировании некоторого деформированно­ го участка металла перед ее концом происходит быстрое подра­ стание путем слияния отдельных микротрещин. В хрупких метал­ лах и высокопрочных сталях указанные скачки (паузы) могут быть настолько малозаметными и частыми, что создается впечатление непрерывного развития трещины. В связи с изло­ женным, считается целесообразным дифференцировать рост усталостной трещины по отдельным этапам. На наш взгляд, наиболее удачная методика в определении различных фаз роста трещин дана у Екобири, Ивановой В. С. и Школьника Л. Μ. Согласно их градации в целом следует рассматривать три этапа роста трещины, на каждом из которых для трещины могут быть использованы методы для оценки характеристик скорости роста на своем этапе. К ним относятся начальная (стартовая) ско­ рость, скорость магистральной трещины, финишная ско­ рость.

На первом этапе происходит формирование русла трещины. Второй этап характеризует живучесть материала. И, наконец, третий этап связан с потерей устойчивой (стабильной) скоро­ сти роста, переходящей в лавинную. '

Предложенная классификация кинетической оценки роста трещин усталости позволяет дать довольно надежный расчет­ ный аппарат для определения эксплуатационной долговечности изделий по стадиям развития трещин.

ж) Влияние технологических факторов на усталостное раз­ витие трещин.

24

В подавляющем большинстве случаев усталостное разруше­ ние инициируется с наружных поверхностей детали, где, как . правило, выше интенсивность напряжений и больше вероятность возникновения очагов усталости. Форрест в связи с этим дает три пути технологического воздействия на металл с целью повы­ шения его циклической прочности.

1.Влияние на механические свойства материала вблизи поверхности за счет деформационной обработки или покрытия.

2.Наведение поверхностных сжимающих остаточных напря­ жений.

3.Удаление поверхностных концентратов напряжений; дей­ ствующих как источники усталостных трещин.

Таким образом, поверхностная технология обработки изде­ лий существенно повышает работоспособность циклически нагружаемых материалов. Вместе с тем достаточно эффективно на долговечность изделий из конструкционных сталей можно влиять объемной термообработкой и легированием. Однако успех данного технологического и структурного воздействия во многом зависит от условий эксплуатации, от качества поверх­ ности для первого варианта и допустимых пределов легирования для второго. В противном случае может быть обратный нежела­ тельный эффект. Сейчас установлено,- что высокопрочные мате­ риалы весьма склонны к хрупкому разрушению даже при средних значениях напряжений, особенно при эксплуатации в каких-либо средах. Поэтому применение объемного терми­ ческого упрочнения и легирования следует проводить только с оценкой данного материала на предельное состояние.

В последнее время найден еще один эффективный способ повышения циклической прочности изделий и конструкций путем использования композитных и волокнистых материалов. Много­ композитные системы хорошо сопротивляются распространению усталостных трещин и могут стопорить их на любой стадии роста.

В области композитных' конструкционных материалов сейчас осуществляются усиленные научные разработки, как в направ­ лении изучения эффекта повышения стойкости, так и в направ­ лении технологии их создания. Важным является то, что компо­ зитные системы удачно поддаются инженерной оценке, путем расчетов методами линейной механики разрушения. А это весь­ ма важно, т. к. современная линейная механика разрушения оперирует более объективными расчетными критериями. Види­ мо, в ближайшем будущем главное внимание в инженерной практике создания долговечных машин и конструкций и будет направлено с ориентацией на композитные и слоевые материа­ лы, удачно сочетающие эффект остаточных напряжений и обла­ дающие повышенной вязкостью разрушения.

25

§ 3. Характеристика наиболее распространенных конструкций буровых перфораторных штанг

Высокая прочность и минералогическая твердость многих горных пород и руд с.давних времен при добыче полезных ис­ копаемых, а также в строительстве вынуждает применять технологию буровзрывных работ, в которой операция бурения скважин и шпуров является наиболее трудоемкой, а буровой инструмент пожалуй самым высоконагружаемым и ответствен­ ным элементом буровой машины.

В истории развития и формирования конструктивных форм различного бурового инструмента невозможно указать конкрет­ ных дат, ибо создание его первых примитивных конструкций уходит в далекое прошлое. Следует все-таки считать прообразом современных видов буровых штанг цельнокованные бур и доло­ то, применявшиеся в прошлые века. Наиболее значительной вехой в развитии бурового инструмента следует считать изобре­ тение в XIX веке Лейнером перфораторного бурения.

Одним из выдающихся изобретений Лейнера считается спо­ соб подачи воздушно-водяной смеси через систему—перфоратор и буровую штангу. Появление этого новшества явилось мощным толчком в создании пустотелой! буровой стали и различных видов буровых штанг. Окончательное формирование основных конструктивных форм буровых штанг, которые без существен­ ных изменений сохранились и до наших дней, следует отнести к 20-м годам нашего столетия, когда появились перфораторы с самоповорачивающимися штангами. К этому же периоду отно­ сится и бурное развитие технологии производства пустотелой буровой стали. В последующие годы, до и после второй миро­ вой войны, в основном осуществлялись работы по усовершенст­ вованию буровых штанг и различных видов бурового става с учетом развития технологии буровзрывных работ. Большое значение в этот период имело также изобретение высокоэффек­ тивных видов взрывчатых веществ, патронированного заряжа­ ния, и широкое применение твердого сплава, позволившее при­ ступить к производству различной номенклатуры буровых ко­ ронок.

В современной горнодобывающей промышленности перфора­ торы, снабженные пустотелыми штангами, широко применяют­ ся при бурении шпуров диаметром 36—75 мм. В зависимости от параметров буровзрывных работ, от габаритов и направления выработок, от типа и мощности перфораторов применяются буровые штанги различных конструкций. Наибольшее распро­ странение получили шестигранные буровые штанги для легких и средних перфораторов с поперечным размером шестигран­ ника 19; 22; 25 мм и сквозным промывочным отверстием (ка­ налом) диаметром 5—7 мм. Для бурения шпуров и скважин

26

В горнорудной промышленности СССР, а также в некоторых зарубежных странах (Франции, ФРГ, Польше, ЧССР, Болгарии) в основном применяются штанги с рабочим концом в форме конуса, на который одевается буровая коронка (рис. 2). Счита­ ют, что конусное соединение штанг более целесообразно из-за простоты конструкции и несложного изготовления. Кроме того, оно достаточно удобно в эксплуатации. Однако существенным недостатком конусного соединения, по мнению специалистов, является довольно низкая эксплуатационная стойкость и дол­ говечность. В то же время в практике встречаются также сплошные армированные пластинкой твердого сплава буры (рис. 3 а) и штанги с коронками, присоединяемыми с помощью резьбы (рис. 3 б). Цельноармированные буры нашли широкое

P и с. 3. Разновидности буровых штанг с различными по форме рабо­ чими концами:

а— армированные твердым сплавом буры;'

б— штанга с резьбовым наконечником.

применение в Швеции,. Канаде, Южноафриканской республике, Финляндии и других государствах. Преимуществом цельных буров перед штангами является то, что они не требуют специ­

28

ального изготовления дорогостоящих буровых коронок. Кроме

последних, вызванной ограниченным запасом прочности корпу­ са. При этом полагают, что применение цельных буров повышает коэффициент использования погонного метра дефицитной буро­ вой стали. В то же время многие зарубежные фирмы с большой осторожностью относятся к массовому внедрению цельиоармированных буров, т. к. в ряде случаев их эксплуатация удоро­ жается низкой стойкостью армированной твердым сплавом головки, а также необходимостью иметь большой парк пере­ носного заточного оборудования.

Штанги с коронками, присоединяемыми с помощью резьб, нашли самое широкое применение, например, в Швеции, Норве­

ных штанг и коронок повсеместно возрастает, несмотря на от­ носительную сложность и высокую стоимость инструмента C резьбовым соединением. Объясняется это более высокой эксплу­ атационной надежностью и долговечностью данного инструмен­ та, который в конечном итоге окупает затраты, связанные с его изготовлением.

§ 4. Условия эксплуатации и механизм передачи ударной энергии в буровых перфораторных штангах

Работа буровых перфораторных штанг основана на принципе ударно-поворотного бурения, когда при ударе поршня перфора­ тора рабочий конец штанги (коронка) внедряется в породу и ,разрушает ее. При последующем отскоке штанги, обусловлен­ ном процессом отдачи, производится ее поворот на угол 5—8° с

. помощью поворотного механизма перфоратора. Таким образом, создаются условия для скола породы при последующем ударе. Образующаяся в процессе бурения буровая мука удаляется из шпура водой, поступающей под давлением через перфоратор и

разрушение под действием усилий, превосходящих предел проч­ ности породы. Усилия, необходимые для разрушения пород, очень велики и, как показали исследования [7], эквивалентны статической нагрузке в 5—10 тонн. Передача таких усилий воз­ можна только за счет ударной энергии, передаваемой породе через штангу в форме ударных импульсов напряжений. Следо­ вательно, эффективность бурения горных пород во многом за­

29