Файл: Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента..pdf

Впоследние годы в этом направлении выполнен значитель­ ный объем исследований [2—4]. Однако, несмотря на достигну­ тые успехи в разрешении данной проблемы, задача повышения долговечности перфораторных штанг в общеотраслевом мас­ штабе остается пока не решенной. Многие практические вопро­ сы, связанные с внедрением высокоэффективной технологии упрочнения буровых штанг на производстве, а также целый ряд теоретических положений, касающихся механизма их ударного нагружения, природы ударно-коррозионной усталости и усовер­ шенствования металлургических процессов выплавки, прокатки, ковки, термообработки буровой стали требуют еще глубоких всесторонних исследований.

Впоследние годы на рудниках осуществляется значитель­ ный объем бурения глубоких шпуров и скважин диаметром до 75—80 мм с помощью различных видов буровых машин, а так­ же тяжелых перфораторов, установленных на каретках. Буро­ вой инструмент, применяемый в этом случае, работает в еще более тяжелых условиях, чем инструмент, используемый при бурении ручными перфораторами.

Энергия ударов и осевое усилие, создаваемое при бурении мощными буровыми установками и каретками, значительно вы­ ше. Это способствует возникновению в штангах и буровых ко­ ронках значительных по величине циклических напряжений, вызывающих быстрое усталостное разрушение. Поэтому воп­

росы, связанные с повышением долговечности буровых штанг и коронок при механизированных способах бурения глубоких шпуров и скважин, также представляют актуальную задачу и требуют детального исследования.

Производительность буровых работ на рудниках также в значительной степени зависит от работоспособности и стойкос­ ти другого очень ответственного вида бурового инструмента — буровых коронок. Если буровые штанги осуществляют только передачу ударной энергии от перфоратора к забою, то буровая коронка непосредственно производит разрушение породы, В этом смысле условия эксплуатации коронок значительно хуже, чем штанг. Помимо ударного нагружения коронки подвергают­ ся дополнительно воздействию различных видов напряжений (смятие, кручение и т. п.), а также интенсивному коррозион­ ному и абразивному износу. В практике бурения известно, что у буровых коронок очень часто преждевременно разрушаются корпуса вследствие усталостных явлений. В общем объеме эк­ сплуатируемых коронок разрушение корпусов, составляет 20— 30%, а в некоторых случаях при бурении очень твердых пород достигает 50%. В последние годы долговечность буровых коро­ нок значительно повышена путем выбора более прочных ма­ рок сталей для корпусов, изыскания более рациональной их конструкции, а также более удачного, с точки зрения конструк­

8

тивной прочности и эксплуатации, расположения твердого спла­ ва.

Исследованы и внедрены более прогрессивные способы тер­ мообработки и пайки. Вместе с тем довольно слабо остаются изученными и решенными практические вопросы повышения ци­ клической прочности коронок методами поверхностной обра­ ботки.

Исследованиями, проведенными институтами ВНИИТС, Boct- НИГРИ, ВНИИПТУГЛЕМАШ и др., а также за рубежом, по­ казано, что поверхностные методы упрочнения корпусов буровых коронок создают дополнительный резерв долговечности и спо­ собствуют их использованию до полной амортизации. Например, исследованиями ВостНИГРИ установлено, что стойкость обыч­ ных выпускаемых в массовом количестве буровых коронок в ре­ зультате поверхностного упрочнения химико-термическими, термическими и деформационными способами повышается в среднем в 1,5—2 раза. Поэтому практическая целесообразность диктует в настоящее время постановку исследований, ставя­ щих целью разработку и внедрение рационального и эффек­ тивного поверхностного упрочнения буровых коронок самой различной номенклатуры.

В изложенном материале авторы прежде всего акцентирова­ ли внимание на технологических вопросах упрочнения бурового инструмента, на разработке практических рекомендаций, а так­ же на описании внедренных в производство методов. Значительно меньше освещены данные о влиянии конструктивных параметров и некоторых других факторов (технология бурозаправочных работ, заточка инструмента, производство буровой стали и т. п.) на стойкость и циклическую прочность бурового инструмента. По мнению авторов, изложенные в книге материалы и выводы по ним не являются категоричными. Проблема повышения цик­ лической прочности и долговечности бурового инструмента сложна и многообразна. Многие теоретические положения в этих вопросах трактуются не всегда идентично и до сих пор еще являются предметом дискуссий. По-видимому, новые результа­ ты исследований, которые проводятся в настоящее время, допол­ нят имеющиеся уже сведения, внесут определенные коррективы, а возможно изменят существующую точку зрения в оценке мно­ гих явлений.

9

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