книги из ГПНТБ / Блохин В.С. Буровой инструмент для машин ударного действия

равных условиях величиной подведенной к ней кинетической энергии.

Экспериментальными исследованиями установлено, что опти­ мальное значение удельной нагрузки на единицу длины лезвия коронки находится в пределах 1,7—2,4 кгс/см (энергия удара 25—35кгс-м для коронок типа К-100В). Увеличение или умень­ шение удельной нагрузки приводит к увеличению удельной ра­ боты разрушения. В существующих конструкциях пневмоудар­ ников удельная ударная нагрузка составляет 0,6—1,0 кгс-м/см, т. е. значительно ниже критической величины. При этом макси­ мальные усилия, возникающие при соударепии бойка с хвостови­ ком коронки, достигают 20—30 тс (табл. 4).

Т а б л и ц а 4

Тип пневмоударника

Показатели

Повышение ударной мощности погружных молотков может быть достигнуто увеличением рабочего давления энергоносителя. Практика ведения буровых работ показывает, что при использо­ вании повышенного давления возрастают скорость бурения, число ударов в минуту, энергия удара и расход энергоносителя. При повышении рабочего давления от 5 до 12 кгс/см2 скорость бурения молотком М-1900 возрастает в 2,5—3,0 раза. Зависимость роста скорости бурения от рабочего давления имеет почти линейпый характер.

Скорость соударения ударника с коронкой п форма ударного импульса. Работа единичного удара (функция амплитуды и про­ должительности ударного импульса) и скорость соударения яв­ ляются основными показателями, характеризующими пневмо­ ударную машину в отношении передачи энергии на разрушение горной породы. Увеличение энергии удара влечет пропорциональ­ ное увеличение скорости бурения. Причем, безразлично каким образом получен данный уровень энергии удара, за счет скорости удара или массы ударника. Это положение подтверждается экс­ периментальными исследованиями, проведенными при постоянной энергии удара, но при различном сочетании скорости удара и ве­

20

личины массы ударника. Анализ данных, полученных при бу­ рении скважин коронками К-100В в Карельском граните, показал, что механическая скорость бурения зависит только от энергии удара. Между скоростью бурения и энергией единичного удара существует зависимость, близкая к линейной.

Коэффициент использования энергии пневмоударной машины зависит от формы ударного импульса и его продолжительности. Принимая во внимание прочность инструмента и количество энер­ гии переданной от ударника инструменту, предпочтительна пря­ моугольная форма ударного импульса. Для такой формы импульса характерно: большая часть энергии удара сосредоточивается в «го­ ловной» части импульса, повышение продолжительности импульса ведет к почти пропорциональному увеличению объема разрушения пород, возрастание амплитуды способствует увеличению эффек­ тивности использования энергии удара. Максимальная передача энергии ударника достигается при отношениях длин и попереч­ ных сечений последнего и инструмента, равных 1. Лучшими счи­

для слабых — длинным, скорость соударения его с инструментом не должна превышать (8—10) м/с, при увеличении энергии удара целесообразно идти по пути увеличения массы ударника.

Число оборотов и циклов нагружений. Ударно-вращательное бурение скважин можно рассматривать как послойное разрушение породы, вызванное приложением необходимого числа ударов. Минимальные затраты энергии на бурение достигаются подбором правильного сочетания частоты ударов молотка и скорости его вращения. Оптимальное число ударов на один оборот зависит от физико-механических свойств буримой породы, типа и размера коронок, энергии единичного удара и других факторов. При по­ стоянном числе ударов молотка разрушение породы существенно зависит от числа оборотов. Для бурения скважин в крепких гор­ ных породах при числе циклов нагружений инструмента (1200— 1900) удар/мин рекомендуется 30—60 об/мин, а в менее крепких породах — 60—90 об/мин.

Угол наклона, глубина и диаметр скважин. С увеличением угла наклона и глубины скважин скорость бурения снижается. Для скважин, близких к вертикальным, падение скорости соста­ вляет 25—40% относительно скорости бурения горизонтальных скважин. Снижение скорости бурения в этом случае, равно как и при увеличении глубины скважин, объясняется повышением сопротивлений при удалении продуктов бурения из скважины.

Бурение скважин различного диаметра существенно не отли­ чается, если удельная нагрузка на длину лезвия остается при­ мерно одинаковой. В иных случаях скорость бурения и условия работы инструмента изменяются. При выборе диаметра бурения необходимо учитывать минимально допустимый зазор между

21

диаметром коронки и наружным диаметром цилиндра ппевмоударника. Малый зазор между корпусом молотка и стенкой скважины затрудняет выхлоп отработанного энергоносителя и движение продуктов бурения от забоя скважины. Большой зазор — пред­ усматривает увеличение объема породы, подлежащей разрушению. В том и другом случаях скорость бурения снижается.

Притупление лезвий коронок. В процессе эксплуатации твер­ досплавных буровых коронок особое внимание должно быть уде­ лено своевременной перезаточке затупленных лезвий. Величина претупления лезвий не может быть строго определена для всех условий бурения, она должна выбираться, исходя из конкретных условий предприятий и рудников.

До некоторого предела, называемого критическим, величина площадки притупления лезвий вызывает незначительное падение скорости бурения. Значение критического притупления для ис­

с притуплением лезвий, превышающим критический предел, ско­ рость бурения резко снижается.

В настоящее время бурение взрывных скважин представляет одну нз самых трудоемких и дорогостоящих операций при раз­ работке крепких полезных ископаемых. Затраты труда и средств на бурение составляют 30—60% от общих затрат на очистную выемку, возрастая по мере увеличения крепости пород. Ввиду низкой износостойкости и прочности коронок, большая часть об­ щих затрат приходится на материалы. Причем стоимость коронок иногда составляет свыше 75% всех затрат на материалы.

На сегодняшний день серийные коронки преждевременно выходят пз строя вследствие недостаточной прочности пластин твердого сплава (до 50%), несовершенной технологии пайки (до 25%) и недостаточно отработанной конструкции их корпусов (до 14%). Отсутствие надежного серийного инструмента приводит к снижению эффективности ударно-вращательного бурения и рез­ кому увеличению стоимости 1 м скважин. Увеличение стоимости бурения, помимо затрат на коронки, в значительной степени зависит от расходов на непроизводительное использование рабо­ чего времени и оборудования при ликвидациях аварий, связан­ ных с поломками пластин твердого сплава и корпусов коронок. При этом затраты, обусловленные только поломками инстру­ мента, по горнорудной промышленности составляют около 4 млн. руб. в год.

На данном этапе развития ударно-вращательного бурения скважин усовершенствование и создание новых конструкций бу­ рового инструмента, обладающего увеличенной износостойкостью и прочностью, заслуживает самого серьезного внимания. Суще­ ственное повышение стойкости буровых коронок может быть до­ стигнуто: разработкой рациональной конструкции, применением

22

Г Л А В А 2

ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПНЕВМОБУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА

Отсутствие до настоящего времени детального - исследования напряженного состояния коропок, отражающего реальные усло­ вия их взаимодействия с буримой горной породой и ударной ма­ шиной, и методики расчета буровых коронок затрудняло возмож­ ность формулировки основных положений, необходимых для создания конструкции коронок, удовлетворяющей современным эксплуатационным требованиям. Во второй главе излагается метал­ лографическая характеристика корпусов коронок и их поломок, методика исследования распределения напряжений в упругих моделях бурового инструмента оптическим методом и натурной коронки при действии ударпых иагрузок с использованием метода тензометрировапия, результаты исследования напряженности бу­ ровых коронок различного конструктивного исполнения.

§ 1. МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОРПУСОВ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА

На горнорудных предприятиях страны в процессе бурения скважин в крепких горных породах до 20% новых коронок разру­ шается, не доработав до первой переточки, и только 80% перезатачиваются. Поломки корпусов инструмента до первой переточки очень редки. Около 40% новых коронок, а всего до 75% выходят из строя вследствие разрушения пластин твердого сплава и их иайки. Пластины разрушаются в основном вдоль и поперек на несколько частей при площадке затупления более 6 мм, при меньшей площадке притупления преобладают выкрашивание п скол периферийных углов лезвий.

при ширине площадок притупления боковых лезвий более 3 мм при буренйи в очень крепких горных породах и более 6 мм при

24

бурении по породам средней крепости. В этих случаях, ввиду малой величины внедрения породоразруійагощпх лезвий инстру­ мента, основная часть приложенного к коронке ударного импульса поглощается его корпусом, что вызывает зарождение устало­ стных трещин (рис. 8) в наиболее напряженных зонах и, как след­ ствие, разрушение корпуса инструмента.

По данным ВНИИПТУГЛЕМАШ (анализ причин поломок бу­ рового инструмента проведен на КМАруда), из 526 вышедших из строя коронок 19% имели поломки корпусов. По нашим данным

а - У Т

Рио. 8. Поломки корпусов коронок К-100В. Примерное число нагружений до разруше­ ния коронок.

а — 4 • ІО* Ч- 5- 10* циклов; б — 2 • 10* Ч- 3 ■ 10* циклов; в — 1 ■ 10* -5- 1-5-10* циклов.

(рудник им. Губкина КМАруда), из 100 вышедших из строя коро­ нок 16% имели подобные поломки. В этом случае общее распре­ деление поломок показано в табл. 5.

Некоторые коронки имели несколько видов поломок, связан­ ных как с пластинами твердого сплава, так и с корпусом.

Поломки корпусов бурового инструмента происходят преиму­ щественно в 2 зонах (рис. 8) — по сопряжению хвостовика ко­ ронки с ее рабочей головкой и по нижнему радиусу шпоночного паза (процентное соотношение поломок табл. 5). Менее распро­ странены поломки опережающей и боковой лопастей, по верхнему радиусу шпоночного паза и поломки, связанные с выкрашиванием торцевой части хвостовика.

25

Основной причиной разрушения буровых коронок можно считать действие высоких рабочих нагрузок (см. табл. 4), возника­ ющих при ударном приложении внешних сил, наличие которых усугубляется нерациональной конструкцией коронок серийного производства, низкой культурой производства и эксплуата­ ции их.

На прочность бурового инструмента оказывает существенное влияние качество заготовок коронок, материал и его термическая обработка. Для оценки влияния на прочность инструмента перво­ начального состояния материала в «штамповке» (заготовке), а также после механической и термической обработок были иссле­

обработке способствует их подсечке и созданию микротрещин. Зона дезориентированных зерен расположена правильно, по наи­ большему диаметру, размеры ее удовлетворительные, за исклю­ чением одной из заготовок для МН-1, где зона распространяется на край лопасти (вероятно, это является причиной отвала — среза боковых лопастей в процессе эксплуатации).

Дефектов в макроструктуре для исследованных случаев не об­ наружено, кроме хвостовика одной поковки К-15. Здесь устано­ влена дендритная ликвация и неметаллические включения, такая структура материала существенно ослабляет прочность корпусов коронок. Макрошлифы хвостовиков К-100В имеют правильное направление волокон в центральной части и бесформенную струк­ туру по краям, хорошо уплотненную на глубину 10—12 мм. Хими­ ческий анализ поковок приведен в табл. 6, твердость заготовок на поверхности НВ 180—200, в средней части НВ 160—180.

Анализ материала новых коронок. Для исследования материала корпусов нового бурового инструмента были взяты из общего

26

Т а б л и ц а 6

количества готовых коронок три коронки типа К-100В. Макро­ структура материала удовлетворительная: зерна с правильной ориентацией и плавный переход волокон от головки инструмента к хвостовику в центральной части корпуса. На участках вблизи галтели и сопряжений шпоночного паза видно несоответствие на­ правлений волокон и радиусов перехода, в этих местах волокна подсечены в процессе механической обработки материала. Особенно рез­ ко несоответствие выделяется в шпо­ ночном пазу (рис. 9), т. е. в хвосто­ вике новой коронки имеются перво­ начальные очаги, зарождения микротрещин, которые и способствуют в дальнейшем разрушению инструмен­ та. Учитывая это и данные, полу­ ченные с помощью метода фотоупру­ гости [9], можно указать на недоста­ ток конструкций коронок типа К-ЮОВ — наличие резких перехо­ дов, способствующих подсеченшо волокон материала и созданию боль­ шой концентрации напряжений.

На макрошлифе рис. 9 ясно видна граница закаленной (темной) зоны, которая обрывается по галтели с по­ верхности хвостовика и несколько снижается в средней части его. На расстоянии 60 мм от торца хвостовика наблюдается сквозная прокаливае-

мость. Это соответствует закалке коронки (№ 3) на длину 100 мм. Последнее свидетельствует о нарушенни принятой технологии (за­ калка должна быть па длину 118—120 мм от торца хвостовика), так как переходная зона (от закаленной части к незакаленной) нахо­ дится на участке с наибольшей концентрацией напряжений. У ко­ ронок № 1 и № 2 зона сплошной прокаливаемое™ достигает 80 мм. Распределение твердости HRCno хвостовику приведено в табл. 7. Отмечается на всех коронках разность в показаниях твердости по наружной поверхности и в сердцевине на 1—5 единиц HRC.

27

Т а б л и ц а 7

Микроструктура материала в хвостовике всех коронок по наружному диаметру — троостомартенсит (структура имеет вы­ сокую твердость), который переходит в троостосорбит в средней части хвостовика (структура рекомендуется для деталей, облада­ ющих высоким пределом прочности и упругости). Микрострук­ тура стали по галтели коронок № 1 и № 2 — сорбитообразный

Рпс. 10. Макроструктура головной части коринки.

перлит в средней части корпуса и сорбит па поверхности, а по галтели коронки № 3 — сорбитообразиый перлит, что соответ­ ствует почти незакаленной стали (для получения в этой зоне струк­ туры сорбита необходимо поднять зону закалки). Сорбитная струк­ тура обладает хорошим комплексом механических свойств .— высоким пределом упругости при достаточной ударной вязкости и твердости. Микроструктура лезвия коронки № 3 — пластинча­ тый перлит с неравномерным распределением феррита. Материал коронок сталь марки 45ХН.

Анализ материала корпусов коронок, имеющих поломки в про­ цессе эксплуатации. На рис. 10 показана макроструктура головной части бурового инструмента, на которой видна причина прежде­ временной (последнее установлено по величине пластин твердого сплава) поломки коронки. Излом произошел примерно по линии

28

разъема штампа поковок, кроме того, в месте сопряжения при меха­ нической обработке корпуса произведена подсечка волокон —нали­ чие ослабленной зоны и очагов зарождения трещин в зоне с наи­ большей концентрацией напряжений и послужило основной при­ чиной выхода коронки из строя. Известно, что наибольшая проч­ ность стали наблюдается вдоль волокон, следовательно, вид при­ веденной макроструктуры материала совершенно недопустим для бурового инструмента (наличие ковочной рыхлости в галтели, большое количество подрезанных волокон и отсутствие упрочне­ ния поверхности в ослабленной зоне).

Микроструктура коронок — сплошной фон троостосорбита и крупноигольчатого троостита, ориентированного по крупному зерну. В месте излома встречаются металлические включения из сульфидов и силикатов. Излом матово-серый, сглаженный от вращения, свежий излом — крупнозернистый, блестящий, кам­ невидный, свойственный перегретому металлу при штамповке. Макроструктура хвостовиков удовлетворительная. Прокаливаемость сквозная. На головной части К-15 имеет наплыв деформиро­ ванного металла — 2 мм. Причина поломки — низкое качество поковок инструмента.

При исследовании серийных коронок К-100В, пробуривших от 10 до 24 м по породам с / = 12 — 14, было установлено, что у трех не вышедших из строя коронок имеются в галтели трещины глубиной около 2 мм (микро- и макроструктура материала корпу­ сов удовлетворительные, сталь марки 40ХН и 45ХН, режим тер­ мообработки соответствует принятой технологии). Наличие тре­ щин свидетельствует о том, что инструмент данной конструкции очень трудно довести до полного износа пластин твердого сплава йез поломок корпусов. Имеющийся в настоящее время сравни­ тельно небольшой процент выхода из строя коронок по причине поломок корпусов возможен только потому, что коронки армиру­ ются недостаточно прочным твердым сплавом (до 75% поломок связано с пластинами твердого сплава), в ином случае процент поломок корпусов возрастает очень резко.

Химический и структурный анализы коронки типа К-15 с по­ ломкой бокового лезвия показали, что инструмент имеет химиче­ ский состав материала, термообработку и твердость, соответству­ ющие утвержденной технологии. В хвостовике коронки отмечается

у пластин твердого сплава и галтели (начальная стадия разруше­ ния), увеличенная зона ковочной рыхлости и частичный непро­ пай (увеличенный зазор в связи с несоответствием размеров пазов и пластин твердого сплава). От места непропая в изломе в обе

29