книги из ГПНТБ / Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента

испытанных образцов можно с доверительной вероятностью указать отклонение данной теоретической линии, выражающей

личества опытных образцов (штанг) в экспериментальных пар­ тиях производилось с применением формулы ГЗ, в которой величина К, являющаяся коэффициентом вариации выборки, определялась дополнительно по формуле 14.

Оценка долговечности большого количества опытных партий буровых штанг дала возможность установить, что коэффициент вариации К, меняется для результатов стендовых (лаборатор­ ных) испытаний от 0,9 до 0,36, а для результатов шахтных испытаний—от 0,11 до 0,28. Исходя из этого, при допустимой максимальной ошибке эксперимента 15%, расчетное необходи­ мое количество образцов в партии, согласно формулы 13 прини­ малось в пределах 5—25 штук, а именно 5—15 штук для лабора­ торных (стендовых) ударно-усталостных испытаний и 20—25 штук—для шахтных испытаний.

§ 4. Определение в буровых штангах участков с максимальными напряжениями методом хрупких покрытий

Около 20 лет делаются попытки обнаружения в буровых штангах определенных закономерностей в поведении сложных волновых напряжений, вызванных интенсивными ударно-цик­ лическими нагрузками. Но и в настоящее время пока нет пол­

остается вопрос о величине возникающих в штангах напряжений и о том, какими мерами можно предотвратить их отрицательное влияние на стойкость буровой стали.

При исследовании ударно-циклических напряжений в буро­ вых штангах, многие ученые в основном применяли тензометри­ ческий метод или прибегали к сложному аналитическому или графо-аналитическому расчету. Было установлено, что в ряде случаев в штанге возникают пики напряжений только вблизи хвостовика или одновременно у хвостовика и рабочего конца (вблизи коронки). Метод определения напряжений с помощью тензометрических датчиков оказался весьма ценным при иссле­ довании форм ударных напряжений в штанге, влияния их вида и величины на скорость процесса бурения и т. д., т. е. при реше­ нии задач горной механики и разрушения горных пород. Соглас­ но методике, используемой при изучении этих явлений не

71

придавалось особого значения месту расположения тензометри­ ческих датчиков на буровой штанге. Штанга в этих исследова­ ниях практически рассматривается как передатчик ударной энергии.

При исследовании влияния напряжений, возникающих в штангах при бурении на усталостное разрушение буровой стали, уже желательно иметь представление о полной картине их на­ пряженного состояния. В этом случае тензометрический метод хотя и приемлем, по оказывается очень трудоемким и малоэф­ фективным, поскольку требуется установка большого количества тензодатчиков по всей длине штанги и расшифровка огромного количества осцилограми. Кроме того, даже при тщательном исследовании напряжений в буровых штангах по всей их длине тензометрическим методом, не всегда удается получить досто­ верные данные, поскольку возникающие на различных участках

контакта и сцепления датчиков с телом штанги, низкой их чув­ ствительностью, перепадов давления воздуха в воздушной ма­ гистрали и других факторов.

C целью получения наглядной картины напряжений, возни­ кающих в буровых штангах по всей их длине, использовался метод хрупких покрытий.

Метод определениянапряжений в деталях и конструкциях с помощью хрупких лаковых и других видов покрытий в послед­ ние годы находит все более широкое применение [115]. Располо­ жение и форма трещин в лаковом покрытии на поверхности детали позволяет не только выявить картину ее напряженного состояния в целом, но найти величину максимально действую­ щих напряжений. Для определения напряжений в большинстве случаев требуется специальная технология приготовления раст­ воров лака и особая методика их нанесения на деталь. Напри­ мер, за рубежом успешно применяются для определения напряжений в деталях машин, конструкциях специальные лаки

лючения о расположении наиболее напряженных точек в детали п о характере ее напряженного состояния. В этом случае мож­ но использовать более простые хрупкие покрытия. Руководст-' вуясь этим, для определения наиболее напряженных участков стержня буровых штанг, применили три вида простых хрупких покрытий:

Раствор эмали T-148 с добавками окиси кремния, алюминия, натрия, бария, а также жидкого стекла. Смесь окиси кальция с силикатным клеем, а также пасту CT-T.

Напряженные участки определялись на длине стержня бу­

72

ровых штаиг от буртика до конуса включительно. Брали штанги

На поверхность подготовленных штанг растворы наносились толщиной 0,5 мм. Подсушивание осуществлялось на спокойном воздухе при комнатной температуре. После затвердевания по­ крытия опытные штанги подвергались ударно-циклическому нагружению на буровом стенде.

Бурение производилось перфоратором ПР-24Л при тех же самых условиях, что и натурные усталостные испытания всех экспериментальных партий штанг. Бурение осуществлялось до появления на поверхностном покрытии штанги трещин и от­ дельных участков отслоения. По окончании нагружения штанги просматривались, и по результатам анализа участков наруше­ ния поверхностного покрытия судили о зонах максимальных напряжений, которые возникают в них при бурении.

§ 5. Определение остаточных напряжений в буровых штангах, подвергнутых поверхностному упрочнению

Одним из важнейших требовании к эксплуатационным свой­ ствам деталей машин является их высокое сопротивление уста­ лости, определяющееся способностью металла, из которого изготовлена деталь, к продолжительной работе в условиях воз­ никновения циклических напряжении.

Исследования прочности изделий в условиях циклического нагружения и практика эксплуатации машин [117, 118] показы­ вают, что состояние поверхностного слоя деталей во многом определяет поведение их в процессе работы, так как поверхность их из-за влияния окружающей среды и несовершенства обра­ ботки всегда имеет повреждения и микронеровности, играющие роль концентраторов напряжений. Решающее влияние состоя­ ния поверхностного слоя на выносливость изделий объясняется также и тем, что в условиях их работы на изгиб и кручение периодически подвергаются воздействию опасных, с точки зре­ ния усталостного разрушения, растягивающих напряжений, именно поверхностные слои. Поэтому создание в поверхност­ ном слое остаточных напряжений сжатия значительно улучша­ ет эксплуатационные свойства деталей.

Из этого следует, что обоснованный выбор методов упроч­ нения поверхности с целью создания сжимающих напряжений и правильное сочетание этих методов позволяют получить необ­ ходимые механические характеристики поверхностного слоя и резко изменять характер распределения напряжений по рабо­ чему сечению детали.

В настоящее время известно несколько эффективных РПОСО-

73

мерой, определяющей эффект упрочнения. Следовательно, чем выше величина эффекта упрочнения при данных условиях на­ гружения детали, тем выше эффективность данной упрочняющей обработки.

Вместе с тем, не всегда та или иная упрочняющая техноло­ гия может привести к желаемому эффекту упрочнения. В ряде случаев неправильное обоснование поверхностного упроч­ нения деталей без учета условий их нагружения, а также класса стали, из которой они изготовлены, может привести к снижению их циклической прочности [33].

Исключительно большое влияние оказывают остаточные сжимающие напряжения на циклическую прочность буровых перфораторных штанг, поскольку они также испытывают воз­ действие высоких периодически повторяющихся напряжений растяжения. Это было показано исследованиями последних лет [70, 122], в результате которых было установлено, что поверхно­ стно упрочненные буровые штанги оказались в шахтных усло­ виях долговечнее обычных (не подвергнуты упрочнению) в 2— 3 раза. Однако в вопросах влияния поверхностного упрочнения на циклическую прочность буровых штанг нет пока полной яс­ ности. Одни считают, что упрочнение поверхности буровых штанг, испытывающих высокие ударные и изгибающие нагрузки, значительно увеличит сопротивление их усталостному разруше­

В связи с этим, большой практический интерес представляет исследование влияния на циклическую прочность буровых пер­ фораторных штанг величины и распределения по сечению оста­ точных напряжений.

Это в конечном итоге дает возможность обосновать наиболее эффективные способы их поверхностного упрочнения и разрабо­ тать рациональную технологию.

Как известно, внутренние напряжения, понятие которых впервые вывел русский инженер Калакуцкий Н. В. [63], суще­ ствуют в материальном теле (детали, конструкции и т. д.) независимо от внешних действующих' сил и возникают в нем вследствие неоднородности линейных или объемных деформации в смежных слоях металла, вызванных механической, термиче­ ской и другими видами обработки. Согласно классификации внутренних напряжений, впервые сформулированной Давиденковым H. Н. [123], а позднее Орованом [124], различают мак­ ронапряжения (напряжение тела), возникающие как следствие разного рода внешних воздействий на поверхность деталей, а также микронапряжения, возникающие в металле в результате структурной неоднородности (текстурные напряжения). Как показали исследования, остаточные макроскопические напряже­

75

сердцевине, которые в ряде случаев могут свести к нулю резуль­ таты упрочнения. В связи с этим для создания оптимальной технологии индукционной поверхностной закалки буровых штанг, обеспечивающей заранее распределение благоприятных оста­ точных напряжений, необходимо изучить условие образования в переходных зонах вредных растягивающих напряжений, кото­ рые, как правило, тем выше, чем больше толщина переходной зоны [126—129]. .

В целях определения величины и характера распределения суммарных сжимающих поверхностных напряжений, а также растягивающих напряжений, возникающих в переходных зонах поверхностно закаленных буровых штанг в зависимости от глу­

определения переходной зоны закалки, которая производилась измерением твердости на косых шлифах прибором Виккерса с последующим переводом твердости по шкале Роквелла.

§ 6. Определение прочностных характеристик буровой стали, подвергнутой ударно-циклическому нагружению

в коррозионной среде

Учение о прочности машиностроительных конструкционных сталей длительное время базировалось на экспериментальных данных, полученных в результате испытаний образцов при ста­

и конструкций эксплуатируется при длительном действии цик­ лических нагрузок в активных коррозионных средах. Поэтому в последние годы развивается новое учение о прочности мате­ риалов в условиях их эскплуатации.

В результате исследований, выполненных под руководством

ристик многих сталей под влиянием коррозионной среды, как до начала нагружения детали, так и после нагружения. Изуче­ ние влияния циклического нагружения на критерии статической прочности стали без учета коррозионных факторов осуществили Одинг II. А., Гаф, Томпсон, Герольд и др. [130—132]. Эти ис­ следования вначале относились главным образом к условиям

77

циклического изгиба образцов. Было показано, что цикличес­ кий изгиб при напряжениях выше предела усталости, но ниже предела текучести практически не вызывает изменения стати­ ческой прочности и пластичности конструкционной стали. Од­ нако при наличии агрессивных сред, вследствие взаимодействия их с поверхностью металла, в этом случае обнаружили снижение прочностных характеристик стали. В дальнейших исследованиях было показано, что величина и характер изменения свойств ме­

свойств было обнаружено в процессе циклических нагрузок рас­ тяжения-сжатия, т. е. в условиях более однородного напряжен­ ного состояния, когда масса металла в сечении образца подвер­ гается нагружению [128]. При данном виде нагружения разуп­ рочнение металла происходит вследствие необратимых физи­ ческих процессов, приводящих уже с первых циклов нагруже­ ния к ослаблению связей кристаллической решетки и зарож­ дению субмикроскопических трещин в тех объемах металла, в

лостного разрушения, когда они испытывают знакопеременные

сложного напряженного состояния.

Можно только предполагать, что при интенсивном ударно­

необратимые процессы разупрочнения металла. Явления изме­ нения прочностных свойств буровой стали еще не изучались, поэтому постановка подобных исследований имеет большое зна­ чение. Это позволит углубить существующее представление о механизме усталостного разрушения буровых штанг и вырабо­ тать практические рекомендации по увеличению их циклической прочности.

C этой целью были проведены механические испытания на­ турных образцов буровой стали, которые отрезались от стерж­ ня буровых штанг после их ударно-циклического нагружения при бурении с продолжительностью 120, 240 и 360 минут. Раз­ рывные образцы длиной 250 мм отрезались от стержня буровых штанг ближе к буртику на расстоянии 120—130 мм от торца хвостовика. Одновременно вырезались образцы типа Менаже для определения ударной вязкости буровой стали. Механичес­

78

кие испытания образцов проводились на 50-тонной универсаль­

применения способов упрочняющей обработки, т. е. таких техно­ логических приемов, которые позволяют получить определенные физико-механические свойства рабочих поверхностей деталей. Природа упрочнения металла поверхностной обработкой изуче­

происходит за счет повышения прочности поверхностного слоя, другие — первостепенное значение отводят напряжениям сжа­ тия, но, вероятно, оба фактора являются существенными. Поэ­ тому при оценке эффективности влияния той или иной упроч­ няющей технологии на долговечность деталей, необходимо ис­ следовать прежде всего влияние данной обработки на повы­ шение прочностных свойств этих деталей.

Нельзя исключить механических испытаний образцов и при исследовании влияния различных способов поверхностного уп­ рочнения на долговечность буровых штанг, в частности, при выявлении эффективности поверхностной индукционной закалки,

явить наиболее эффективную технологию упрочнения буровых штанг.

Механические испытания образцов буровой стали в наших исследованиях осуществлялись при растяжении, при симмет­ ричном изгибе, а также на ударную вязкость. Разрывные образ­ цы, внешний вид которых показан на рис. 18, изготовлялись из целых прутков буровой стали длиной 250 мм, а снаружи прота­ чивались до диаметра 15 мм. C обоих концов образцов остав­ лялись утолщения для захвата их клиновым механизмом раз­ рывной машины. Форма и размеры образцов выбирались с уче­ том возможности закалки их с индукционного нагрева непре­ рывно-последовательным способом. Кроме того, данный тип образцов предусматривал возможность закалки галтелей, а также тип разрывной машины для последующих их испытаний.

79