Файл: Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента..pdf

§ 4. Влияние дефектов поверхности промывочного канала на стойкость буровых штанг

Внедрение в горнорудной промышленности пустотелой буро­ вой стали способствовало значительному увеличению произ­ водительности бурения и уменьшению запыленности забоев, так как подачей воды или сжатого воздуха через центральное отверстие (канал) штанги стало возможным почти полное уда­ ление бурового шламма. Вместе с тем наличие промывочного отверстия в стержне штанги несколько ухудшило условия их эксплуатации и увеличило количество их поломок вследствие усталости, как за счет ослабления сечения, так и за счет кор­ розионных процессов. При этом было обнаружено, что часто буровые штанги стали разрушаться с развитием усталостных трещин от стенки промывочного отверстия в основном по дли­ не штанги 200—250 мм от торца хвостовика. Данный характер усталостного разрушения штанг до сих пор связывают с нали­ чием в штангах в зоне излома стержня, переходной структуры («металлургического надреза»), обусловленного концевым на­ гревом металла. В тех случаях, когда штанги ломаются на дли­ не 200—250 мм, разрушающее влияние переходной зоны в бу­ ровой стали с различной структурой и нарушенной волокни­ стостью соответствует данному объяснению, так как переходная зона всегда лежит на указанной длине (при нагреве под вы­ садку конец прутка буровой стали пропускают в отверстие печи на длину 150—250 мм). Однако пока не существует логического объяснения тех многочисленных случаев, когда буровые штан­ ги разрушаются на расстоянии 300—350 мм от торца хвосто­

рушение буровых штанг с поверхности промывочного канала, осуществлялись исследования, направленные на выявление в нем качественного и количественного распределения возмож­ ных очагов усталости [141, 142].

Исследовалась партия буровых штанг (10 штук) с наибо­ лее распространенной длиной 1600 мм, которые в шахтных ус­ ловиях разрушались по стержню. При этом у всех штанг уста­ лостные трещины развивались от поверхности промывочного канала. Все штанги имели общин ресурс долговечности около 18—20 часов работы. Штанги разрезались на поперечные темплеты длиной 100 мм, а затем вдоль оси промывочного канала. C целью удаления пленки окислов и следов окалины с поверх­ ности канала образцы кратковременно протравливались в реак­ тиве Кёшиена. Как показал внешний осмотр протравленных образцов, в промывочном канале оказалось большое количе­ ство макро и микро очагов усталости в виде поперечных тре-

105

Рис. 37. Кіо^р’озианно-усталостіные 'трещины в лромывочягам канале бу­ ровых штанг (×2).

щии и надрывов (рис. 37). Кроме того,. обнаружено большое количество продольных, • непрерывно идущих по поверхности стенки канала царапин и рисок, полученных, по-видимому, при прокатке.

Если продольные риски и царапины по всей длине канала расположены примерно , с одной плотностью, то поперечные усталостные трещины имеют неравномерное избирательное рас­ положение. Производилась количественная оценка числа тре­ щин по длине канала штанг. В частности, подсчитывалось коли­ чество трещин на 1 см2 поверхности канала, затем определялось их среднее количество по всей длине. Количественные данные по определению числа макротрещип в опытных буровых штангах приведены на рис. 38. Из рисунка видно, что максимальное ко­ личество макротрещин в промывочном канале штанг (25—30 штук на отрезке в 100 мм) расположено на расстоянии 200— 400 мм от торца хвостовика штанги. Причем в этой же зоне обнаружены трещины длиной 4—5 мм при глубине 2—4 мм [142]. На образцах, расположенных ближе к середине штанги и к конусу, количество трещин уменьшается. Начиная с расстоя­ ния 500—600 мм от торца хвостовика, количество усталостных трещин заметно уменьшается, а на расстоянии 1200—1400 мм, т. е. к концу штанги они практически отсутствуют. Непосредст­ венно в конусной части промывочного капала усталостные тре­ щины также отсутствуют. Количественный анализ усталостных трещин в промывочном канале по длине штанг показал, что развитие их подчиняется определенной закономерности. В зоне хвостовика трещин мало, затем количество их резко увеличи­ вается и вновь потом постепенно уменьшается до полного ис­ чезновения вблизи конуса. При этом как видно из рисунка 38, кривая распределения трещин с максимумом, расположенным на длине 300—350 мм.от торца хвостовика имеет левосторон­

106

нюю ассиМетрию. Внешний вид кривой дал основание предпо­ лагать, что зарождение усталостных трещин подчиняется лога­ рифмически нормальному закону распределения. В связи с этим осуществляли статистическую обработку результатов опреде­ ления трещин в канале штанг и проверку соответствия их рас­ положения в канале логарифмически нормальному закону рас­ пределения. Расчетные данные показали, что распределение числа усталостных макротрещин действительно подчиняется логарифмически нормальному закопу.

его стенках уже в готовой буровой стали. Мельчайшие дефек­ ты в виде рисок, царапин и надрывов образуются в буровой стали в процессе ее изготовления и особенно в период извле­ чения из прутков после прокатки аустенитного сердечника. По­ следующий рост усталостных трещин из данных дефектов обус­ ловлен максимальными пиковыми напряжениями, которые, как было показано, возникают при ударно-циклическом нагруже­ нии штанг примерно на расстоянии 200—400 мм от торца хвос­ товика. Это достаточно хорошо подтверждается сравнением рис. 20 и графика (рис. 38), из которых видно, что участки штанг, испытывающие наибольшие напряжения и имеющие мак­ симальное количество усталостных трещин в промывочном ка­ нале, совпадают.

P и с. 38. Кривая распределения ус­ талостных трещин по дли­ не промывочного канала буровых штанг.

Полученная в результате исследования более высокая эф­ фективность упрочнения поверхности буровых перфораторных штанг индукционной закалкой (по сравнению с другими спо­ собами) может быть объяснена, исходя из условии их нагру­ жения, характерной особенностью которого является то, что во внешней их поверхности действуют высокие ударно-цикличес­ кие напряжения растяжения-сжатия и напряжения, вызванные изгибающими нагрузками. Указанные напряжения в резуль­ тате наложения (интерференции) перегружают некоторые участки штанг.

В конусном соединении буровой штанги с коронкой, помимо высоких растягивающих поверхностных напряжении, действуют

107

еще значительные по величине напряжения смятия. Возникно­ вение этих напряжений можно представить при рассмотрении схемы (рис. 39). Как видно из рисунка, в момент интенсивных ударов коронка, надетая на конус штанги, ведет себя как втулка, насаженная на вал, и при ударах стремится сместиться дальше по конусу в направлении стрелки. От чего происходит -ее напрессовка на теле конуса. Исследованиями установлено [143], что усилие запрессовки коронки и конуса достаточно ве­

при смещении торцевой кромкой врезается в тело конуса, при этом возникают отдельные полосы смятия на поверхности ко­ нуса. Смятие конусов усугубляется также при сбивании (распрессовке) коронки (для перезаточки или в случае ее полом­ ки), которое осуществляется, как правило, ударом молотка по юбке.

Нетрудно представить, что при этом по линии АБ (рис. 39) в конусе образуются дополнительные вмятины, которые явля­ ются активными концентраторами напряжений. Возникновение высоких напряжений в поверхности основных элементов буро­ вых штанг (стержня и конуса) дает возможность обосновать технологию их поверхностного упрочнения. Технология при сравнительно невысоких затратах должна обеспечить:

39. Схема, иллюстрирующая возникновение рабочих напряжений смятия на поверхности конуса в мес­ те посадки коронки.

1.Наличие сжимающих напряжений в поверхности штанг.

2.Высокую твердость и достаточную глубину упрочненного

слоя.

3. Упругость и жесткость стержня при наличии достаточ­ ного запаса пластических свойств.

При обосновании И выборе способов поверхностного уп­ рочнения штанг для промышленного внедрения многие из из­ вестных в практике машиностроения способов, как, например, азотирование, цементация, с учетом сформулированных прин­ ципов упрочнения пока не могут быть широко применимы, по­ скольку осуществление их, как указывалось выше, связано со

108

значительными трудностями (выбор сталей), необходимость детального исследования режимов насыщения и т. п. Из опро­ бованных же способов оказалось, что объемная закалка штанг на различную твердость не оказывает существенного сопротив­ ления коррозионно-усталостному разрушению. Невысокий эф­ фект упрочнения показали и штанги, поверхность которых под­ вергалась механическому наклепу. У данных буровых штанг в связи с незначительной глубиной упрочнения и недостаточной твердостью, по-прежнему происходят разрушения с поверх­ ности.

Из данных, полученных при лабораторных испытаниях, сле­ дует, что поверхностная индукционная закалка обеспечивает наиболее резкое увеличение сопротивления буровых штанг кор­ розионно-усталостному разрушению, главным образом, бла­ годаря созданию высоких остаточных сжимающих напряжений в поверхностных слоях стержня, достигающих 70 кг/мм2. Вы­ сокие сжимающие напряжения, созданные в поверхностном за­ каленном слое, компенсируют значительную часть растягива­ ющих и опасных, с точки зрения усталости, внешних рабочих напряжений и разгружают штангу. Другой исключительно цен­ ной особенностью поверхностного упрочнения буровых штанг является то, что при индукционной закалке поверхности сущест­ венно упрочняется внешняя оболочка, что значительно умень­ шает изгиб штанг в работе и величину напряжений, возникаю­ щих в результате этого. Механические характеристики такие, как сопротивление отрыву, предел упругости и ударная вяз­ кость, значительно возрастают. Кроме того высокая твердость снижает вероятность повреждения поверхности штанг в про­ цессе эксплуатации и появления развивающихся концентрато­ ров напряжений.

Благодаря поверхностному упрочнению, у буровых штанг удалось почти полностью ликвидировать преждевременные по­ ломки конусов. Мнение [144], что причиной быстрого разруше­ ния штанг по конусам являются высокие растягивающие противонапряжения, возникающие у торца коронки вследствие рез­ кого обрыва напряжений сжатия, обусловленных натягом ко­ ронки на образующую конуса, оказалось не совсем правильным. В качестве меры защиты поверхности конусов раньше, напри­ мер, уже предлагались различного рода прокладки из цветных металлов и сплавов (медь, латунь). Однако указанные меры защиты практически не повысили долговечность конусов, так как прокладки быстро изнашивались, обнажая поверхность ко­ нуса, на которой тотчас возникали вмятины — очаги усталости. Слой поверхностной индукционной закалки фактически явля­ ется той же прокладкой, но действующей постоянно и не раз­ рушающейся вследствие высокой твердости в месте контакта с коронкой.

109

ВЫВОДЫ:

1.В процессе ударно-циклического нагружения буровые перфораторные штанги подвержены воздействию высоких на­ пряжений растяжения — сжатия, напряжений изгиба, а также напряжений смятия в конусном соединении с коронкой. Вслед­ ствие интерференции, напряжения в штангах в процессе работы становится значительно выше, по сравнению с нагрузками, соз­ даваемыми только ударами поршня перфоратора.

2.Внешний вид, структура и геометрия усталостных изломов штанг свидетельствует о высокой скорости их разрушения при напряжениях, значительно превышающих предел усталости стали.

3.Ударно-циклические нагрузки создают неравномерное распределение напряжений по длине штанг. Экспериментально установлено, что максимальные переменные напряжения возни­

кают у конуса штанг и в зоне буртика на расстоянии 200 — 400 мм от торца хвостовика.

4.В обычных (неупрочненных) штангах усталостные трещи­ ны развиваются преимущественно с внешней поверхности.

5.Объемная закалка штанг незначительно увеличивает их эксплуатационную стойкость, хотя прочностные свойства стали после термообработки увеличиваются в 2—2,5 раза. Усталост­ ное разрушение таких штанг так же, как и у штанг, термически

не обработанных, происходит с внешней поверхности.

6.Поверхностное упрочнение значительно повышает стой­ кость штанг за счет возникновения в поверхностных слоях сжи­ мающих напряжений, которые в значительной степени разгру­ жают штангу, т. е. снимают возникающие в них растягивающие напряжения при ударно-циклическом нагружении и изгибе.

7.Из различных способов поверхностного упрочнения штанг, максимальную стойкость их при эксплуатации обеспечивает ин­

дукционная закалка по всей длине. В штангах, упрочненных ин­ дукционной закалкой, развитие усталостных трещин снаружи отсутствует. Данная обработка повышает стойкость штанг, как за счет высоких остаточных сжимающих напряжений, достигаю­ щих на поверхности до 70 кг/мм2, так и увеличения прочности и твердости закаленного слоя. Индукционная закалка сообщает штанге, в целом, хорошее сочетание прочностных свойств за счет упрочнения поверхности и необходимого запаса пластич­ ности благодаря наличию вязкой сердцевины.

8. Поверхностная индукционная закалка позволояет практи­ чески исключить поломки конусов штанг, которые обычно про­ исходили в результате образования и развития трещин усталости в местах вмятин, создаваемых при посадке и сбивании ко­ ронок. Твердый закаленный слой в поверхности конусных голо­ вок штанг не нарушает в работе необходимой плотности контак­

110