книги из ГПНТБ / Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента

висит от природы и .механизма волновых процессов, протекаю­ щих в системе перфоратор—штанга—разрушаемая порода.

В настоящее время накоплен большой экспериментально­ теоретический материал, охватывающий волновую механику передачи ударной энергии в буровых штангах. В результате

.многочисленных исследований, выполненных в США [172], Япо­ нии [8], ФРГ [174], Швеции [7], Советском Союзе [9, 10] в значительной степени изучено поведение сложных волновых явлений деформации в штангах, которые хорошо согласуются с одномерной теорией продольного удара в тонких стержнях. Впервые (в 1909 году) это показал Рамзауэр, который в прос­ тейшей форме изобразил удар цилиндрических тел, применяя метод копровых испытании и специальную измерительную аппа­ ратуру [173].

Недостатки лабораторных исследований, выполненных при возбуждении напряжений в штангах при единичном ударе, впоследствии восполнены в работах Хоукса, Чакраварти [11], Фейрхерста [172], Робертса, Фарби [175], Энгеля [176— 178] Арндта [173] и др. [12], которые в условиях, близких к эксплуа­ тационным, изучили многочисленные факторы, имеющие место при бурении шпуров и влияющие на распределение волны де­ формации при различных граничных условиях рабочего конца штанги и жесткой опоры (стальной или чугунной плиты). Ими установлено, что при ударе поршня по буровой штанге в месте контакта наблюдаются напряжения, распространяющиеся вдоль поршня и штанги в виде продольных волн растяжения — сжатия со скоростью около 5000 м/сек. (рис. 4.) Когда волны напряже-

а

б

Рис. 4. Продольные (а) и поперечные (б) волны напряжений, возни­ кающие в буровых штангах при бурении. (Получены по мето­ ду каінд. тех.н. наук Финкеля Е, Μ.),

36

ний от соударяемых поверхностей достигают противоположных концов поршня и штанги, они отражаются, причем характер отражения этих волн зависит от граничных условий.

Если концы поршня и штанги находятся в воздухе (свобод­ ны), первоначальная волна сжатия отражается, как волна рас­ тяжения. При последующем затухании волна напряжений, распространяясь в штанге, является попеременно то волной растяжения, то волной сжатия. Если граничные условия обеспе­ чивают закрепление (конец штанги упирается в жесткую пли­ ту), начальная волна сжатия отражается по форме без измене­ ния, а при всех последующих отражениях волна проходит взад и вперед по штанге, становясь попеременно то волной сжатия, то волной растяжения.

Поведение сложной ударной волны при контакте штанги с породой исследовали Такаока, Хаямицу [8] и Фейрхерсг. Ими установлено, что когда начальная волна сжатия доходит до границы между штангой и породой, сопротивление породы в первый момент незначительно и часть волны отражается, как волна растяжения. Однако, по мере внедрения коронки в поро­ ду, сопротивление ее значительно возрастает до тех пор, пока вся энергия начальной волны не отразится опять в виде волны сжатия, а в последующие отражения знак волны будет чередо­ ваться.

В работах Рамзауэра, Арндта, а также Фишера указывается, что под действием удара каждый раз находится лишь часть штанги. Бегущий ударный импульс вызывает упругую деформа­ цию поперечного сечения, которое попеременно претерпевает то уменьшение, то увеличение. Практически, как говорит Арндт, наблюдаемое внешне равномерное движение штанги в действи­ тельности напоминает движение гусеницы.

В реальных условиях при ударе поршня по штанге, кроме продольных воли, одновременно возбуждаются поперечные 'волны (рис. 4 б), когда частицы перемещаются перпендикулярно оси штанги, вызывая ее изгиб. Скорость распространения попе­ речных волн в штангах равна приблизительно 3000 м/сек [175]. Появление поперечных волн напряжений изгиба обусловлено наличием эксцентриситета промывочного отверстия относительно оси штанги, неперпендикулярностью ударных торцов поршня и штанги, ее кривизной, а также другими конструктивными и технологическими факторами. Доказано [175], что поперечные волны ухудшают, процесс эксплуатации буровых штанг, так как они расходуют энергию перфораторов на увеличение вредных напряжений и не способствуют разрушению породы.

Исключительно важное значение имеют исследования, -в результате которых определялись участки буровой штанги с максимальным значением амплитуды пульсирующих напряже­ ний. Осциллографирование характера деформации штанг при

31

ударно-циклическом нагружении, выполненное Рудигером и Киниа [174], показало, что напряжения в штангах-распространяют­ ся неравномерно. Максимум амплитуды знакопеременных про­ дольных и поперечных волн напряжении расположен ближе к хвостовику штанги.

Исследуя этот же вопрос, Kynnep [178] сделал попытку опре­ делить в общих чертах фактическое напряжение в буровой штанге в период нагружения, а также установить предел уста­ лости по её длине. Применив оперативный расчет по методу Хевисайда, он решил ряд частных дифференциальных уравне­ ний, устанавливающих зависимость между скоростью распро­ странения ударно-циклических напряжений и'звука вдоль штанги. Исследуя шестигранные пустотелые штанги диаметром 22,5 мм различной длины, Kynnep подсчитал величину пиков, возникающих при нагружении напряжений у буртика и рабочего конуса штанги, которые оказались значительно выше, чем на средних участках стержня. В целом им выявлено параболиче­ ское распределение напряжений вдоль стержня штанг. Распре­ деление напряжений, соответствующих пределу усталости буровой стали, также по расчету Kynnepa подчиняется данной закономерности. Тщательные исследования по определению величин и характера изменений ударно-циклических напряже­ ний в штангах при бурении породы проведены совместно Куз­ нецким машиностроительным заводом, ВостНИГРИ и Сибир­ ским металлургическим институтом под руководством проф. Бойкова В. В. и канд. техн, наук Финкеля Е. Μ. [13]. Экспери­ менты показали, что значения напряжений, возникающих в штанге при бурении, колеблются в очень широких пределах да­ же при одном и том же режиме работы. Этот разброс значений в большой мере определяется нестабильностью характера соу­ дарения поршня перфоратора и штанги: в момент удара штанга находится в различных положениях относительно перфоратора, и поршень перед ударом имеет различную скорость.

При этом, большое влияние оказывает случайный характер изменения контактных условий на лезвии инструмента и непо­ стоянство усилия подачи.

Установлено, что ударный импульс, проходящий по штанге, вызывает вследствие многократных отражений появление побоч­ ных напряжений, значительно отличающихся не только по ам­ плитуде, но и по частоте. Сопоставление величин средних на­ пряжений ударного импульса, полученных экспериментально, показало, что их максимальное амплитудное значение располо­ жено в стержне штанги на расстоянии 200 —500 мм от торца хвостовика. Доказано также, что максимальные напряжения изгиба возникают как от эксцентричного удара поршня перфо­ раторі, так и от удара инструмента о забой шпура. Характер изменения напряжений растяжения—сжатия и изгиба практи­

32

чески не зависит ни от длины штанги, ни от твердости породы, Амплитуда же напряжений и частота существенно зависят от этих факторов. Закон распределения случайных величин ампли­ туд напряжений от удара поршня и внедрения инструмента в породу, а также длины так называемого критического отрезка ("зона с максимальными напряжениями) весьма близок к нор­ мальному. Установленные значения асимметрии и эксцесса дают возможность определить все основные параметры продольного нагружения штанг при бурении в достаточно широком диапазо­ не режимов работы. Возникновение и распределение рабочих напряжений в штангах, в зависимости от состояния лезвий ко­ ронок, одеваемых на концы штанг, исследовал Андерсон. Им установлено, что в период максимального затупления лезвия коронки напряжения на конце штанг, вблизи соединения её с коронкой, возрастают в 1,5—2 раза. Причем амплитудное зна­ чение этих напряжений значительно превышает предел устало­ сти буровой стали.

Несмотря на то, что в. различных исследованиях обнаружены в целом идентичные закономерности возникновения ударно­ циклических напряжений в штангах по длине, природа и причи­ на их возникновения все же не нашла достаточно полного объяснения. Полагают, что причиной возрастания напряжений на различных по длине участках буровых штанг является бур­ тик, а также другие факторы. Когда ударная (прямая) волна напряжений сжатия, а также отраженная (обратная) волна растяжения встречаются с расширенным сечением штанги у бурта, то часть их отражается в форме волн обратного знака. На участках, прилегающих к бурту, происходит интерференция волн напряжений, амплитуда которых достигает 70% и более от величины напряжений начального ударного импульса. Неко­

волны. Однако другими исследователями это утверждение оспа­ ривается. Отмечается, что в'ударной части хвостовика штанги,, ■а также на рабочем конце (у коронки) при бурении возникают пики напряжений, амплитуда которых почти на 50—60% может превышать напряжения, вызванные основным, прямым ударом. В связи с этим многие дают классификацию наиболее слабых мест буровых штанг, по которым они чаще всего разрушаются в процессе работы. Характерные типы усталостных изломов по­ казаны на рисунке 5. По результатам ряда исследований мож­ но считать, что расположение места разрушения штанг и их характер излома хорошо согласуются, однако не делается ни­ каких выводов относительно того, как ведет себя материал штанги при ударных нагрузках. Большинство авторов проти­ воречиво объясняют механизм сопротивления бурового метал-

ла ударно-циклическому нагружению, нередко избегая практи­ ческих рекомендации.

Различные закономерности передачи ударной энергии по штанге в зависимости от ее усилия прижатия, частоты нагру­ жения и некоторых других факторов детально исследовал Сай­ мон [179]. Им показано, что эффективность ударного бурения во многом зависит от изменения формы ударной волны, усилия прижатия штанги на забой, частоты приложения, а также от материала и геометрии буровой штанги. Оптимальное значе­ ние приложенного к штанге усилия прижатия, по мнению Сай­ мона, равно двойному значению средней скорости ударного им­ пульса, переданного от ударника перфоратора. Отмечается, что сила прижатия должна увеличиваться пропорционально часто­ те ударов для обеспечения постоянного контакта коронки с по­ родой, в противном случае эффективность, т. е. скорость буре­ ния, резко надает. Саймоном показано, что с увеличением часто­ ты приложения ударов по штанге при относительно невысокой энергии удара можно достичь значительной эффективности бу­ рения. Только в этом случае, по его мнению, может быть исклю­ чена возможность нагружать буровой инструмент выше харак- ' тсристики его предела усталости и тем самым обеспечить его высокую долговечность и работоспособность длительное время.

II, напротив, стремление значительно увеличить энергию удара практически не вызовет повышения эффективности буре­ ния, так как в этом случае резко падает стойкость бурового инструмента, поскольку напряжения, возникающие в нем, будут превышать предел усталости.

Исключительно важное значение для теории и практики ударного бурения имеют расчеты на прочность Цементов сис­ темы перфоратор-штанга. Если волновая механика ударного

34

нагружения буровых штанг изучена в целом достаточно пол­ но, то расчет их на прочность до настоящего времени все еще представляет значительную трудность.

Сложность расчета буровых штанг на прочность при удар­ но-циклическом нагружении, как отмечают, заключается в том, что они не сразу передают энергию удара на забой. Между ударом поршня перфоратора по штанге и ударом буровой штан­ ги по породе проходит определенный отрезок времени. В пе­ риод этого «критического» отрезка времени штанга на отдельных участках вследствие указанного выше явления интерференции сильно перегружается, однако в силу ряда факторов не пред­ ставляется возможным конкретно указать или отметить этот момент. Установлено [8], например, что в двухметровой штанге

выпускаемыми промышленностью перфораторами, то волновой процесс в ней в значительной степени усложняется. Нестабиль­ ность волновых явлений в штангах не дает возможности при­ менять для их расчета какой-либо метод классической меха­ ники и сопротивления материалов. В связи с этим долгое время расчет напряжений в буровых штангах определялся сложным аналитическим методом Сеп-Венаиа [173]. Когда появилась возможность производить измерения волновых процессов, Фи­ шер [7] предложил графодинамический метод определения на­ пряжений в буровых штангах, использовав для этого разрабо­ танный ранее Бержероном графический расчет ударных элек­ трических волн вдоль линии передачи. Результаты графическо­ го расчета теоретической кривой ударной волны напряжении и

В последнее время в результате исследовании, выполненных Арндтом, предложен простой, но достаточно точный аналити­ ческий метод определения напряжений в штангах. Применяя

Гораздо большей производительностью, стало возможным отка­ заться от дальнейшего применения сплошной буровой стали. В горнорудной промышленности быстрое распространение полу­ чили буровые штанги, изготавливаемые из пустотелой углеро­ дистой стали, прокатанной стержневым методом [28—30, 180] и снабженные съемными твердосплавными коронками. C нару­ шением сплошности сечения, резким увеличением ударно-цик­ лических нагрузок, интенсивностью коррозионных процессов и других факторов значительно сократился срок службы буровых штанг, и в связи с этим возросло требование к прочности буро­ вой стали.

Продолжительное время подбор различных марок сталей являлся основным и почти единственным способом повышения стойкости штанг. В обосновании марки буровой стали домини­ рующим являлось стремление получить сталь с максимально возможным пределом усталости и соответственно пределом прочности, основанное на том, что для многих марок стали до некоторой степени, с ростом предела прочности повышается и предел усталости [31—33]. В связи с этим интенсивное внедре­ ние в горной промышленности получили легированные буровые стали первоначально в Канаде, Швеции, США, а затем и в других странах. По данным Гамильтона [181, 182] в Канаде и США в результате интенсивного производства средне и высоко­ легированных сталей уже в пятидесятые годы были частично вытеснены углеродистые буровые стали.

Сообщается; что для буровых штанг необходимо применять сталь с высокой демпфирующей способностью, которая обеспе­ чивает нечувствительность их к концентрации напряжений. По другим данным, в США при назначении буровой стали прини­ малась во внимание величина предела усталости, которая по результатам стандартных испытаний на выносливость составля­ ла 45—50% от предела прочности.

За последние годы объем производства легированных сталей постепенно увеличился, как за рубежом, так и в СССР, в то же время .не прекращается выпуск и углеродистых сталей. В на­ стоящее время ведущее место по производству высококачествен­ ных буровых сталей занимает Швеция [183], а также США, Япония, Англия. В Швеции буровая сталь производится в основном на заводах компании «Сандвик Коромант» в сотруд­ ничестве с фирмой «Атлас—Копко»- Сталь выпускается в виде проката шестигранного профиля с размером в поперечнике 19, 22, 25 мм, а- также круглого — диаметром 32 мм. Иногда заводы, изготавливающие буровой инструмент, выпускают сталь квад­ ратного и восьмигранного профиля с размерами в поперечнике 22 и 25 мм. Стали выпускаются с применением передовых дости­ жений науки и техники при четко отработанной технологии производства на всех его стадиях. Буровая сталь выпускается легированная добавками хрома, никеля, молибдена и реже

37

В последние годы значительных успехов в производстве качественной буровой стали добились японские фирмы и в част­ ности объединение «Дейдо». Буровая сталь заводов этой фирмы получает все больший спрос на мировом рынке.

Это объясняется тем, что на металлургических предприятиях фирмы «Дейдо» изготовление буровой стали осуществляется по более прогрессивной технологии с использованием самых сов­ ременных средств выплавки и прокатки. Это дает возможность получить сталь с большим запасом прочности и долговечности. Например, выплавленный в электропечах «первичный» металл сначала рафинируется методом электрошлакового переплава, а в заключительный перед разливкой период сливается в спе­ циальные обогреваемые индукционным способом миксеры, где дополнительно очищается путем продувки кислородом. В тех­ нологии прокатки широкое применение получил усовершенство­ ванный метод Манесмана, применяющийся широко для прокат­ ки труб. C учетом этого фирмой разработаны специальные прокатные станы, позволяющие вести прокатку с высокой сте­ пенью точности (замер полосы автоматически контролируется

Рис. 7. Внешний вид буровой стали японского производства в состоя­ нии поставки.

39