Файл: Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента..pdf

очевидно, считать наиболее рациональным по сравнению с пе­ ременной прочностью по длине корпуса, наблюдаемой в корон­ ках других фирм.

В горной промышленности СССР для перфораторного буре­ ния шпуров по породам различной крепости при проходке под­ готовительных, нарезных выработок, а также проходке тонне­ лей, стволов шахт широкое применение получили съемные бу­ ровые коронки. Преимущественно заводы выпускают коронки с пластинками из металлокерамических твердых сплавов. Сталь­ ные коронки одноразового употребления имеют ограниченное применение. По расположению пластинок твердого сплава вы­ пускают коронки долотчатые, крестовые, трехперные и кресто­ вые со штыревыми цилиндрическими вставками. Коронки всех типов выпускаются главным образом с коническим гнездом, имеющим угол конусности 3o30. Коронки с резьбовым соедине­ нием выпускаются в ограниченном количестве только для бу­ рения глубоких скважин диаметром 50—85 мм.

Основными поставщиками буровых коронок являются Кузнец­ кий машиностроительный завод, Самаркандский механический завод, Криворожский завод «Коммунист», а также Благовещен­ ский завод «Амурский металлист». Кроме того, серийный вы­ пуск коронок производит Дарасунский завод горношахтного оборудования и некоторые крупные рудники и рудоремонтные заводы.

Кузнецкий машиностроительный^завод самый крупный по­ ставщик буровых коронок. Заводом освоен выпуск около 20 на­ именований коронок для различных условий бурения. Коронки

185

P и с. 85. Некоторые виды буровых коронок KM3, применяемые в горной

промышленности.

KM3, наиболее широко распространенные в горной промышлен­ ности, показаны на рис. 85.

В последнее время освоен серийный выпуск крестовых буровых коронок типа HKB со штыревыми победитовыми встав­ ками, а также долотчатых коронок с аналогичными вставками типа «Истра»-20. Большое внимание уделяется разра­ ботке новых типов буровых коронок, особенно коронок для спе­ цифичных условий бурения, например, для Крайнего Севера, для бурения с пылеотсосом и т. п. Завод «Коммунист» выпускает ко­ ронки типа AK-19А и АК-35, которые позволяют бурить при повышенном расходе промывочной жидкости, что улучшает очи­ стку шпура и смачиваемость пыли. Выпускаются также корон­ ки с прерывистым лезвием в виде цилиндирческих вставок. Са­ маркандский механический завод в содружестве с институтом ВНИИТС также разрабатывает и серийно выпускает типы ко­ ронок для различных условий бурения. Широкую известность получили коронки типа БКПМ-40 (рис. 86), изготавливаемые с различными марками победитовых пластинок.

P и с. 86. Коронка БКПМ-40 конструкции ВНИИТС.

Большое внимание в СССР уделяется разработке новых на­ иболее прогрессивных и рациональных видов буровых коронок. Эту работу в содружестве с заводами успешно выполняют ин­ ституты ВНИИТС, ВНИИПТуглемаш, объединение ОРГПРИМтвердосплав и другие организации.

§ 2. Исследование циклической прочности и долговечности буровых коронок

Буровые коронки, применяемые в горнорудной промышлен­ ности для бурения шпуров, имеют очень низкий ресурс долго­ вечности, не превышающий 10—12 м, а в крепких породах 2— 5 м. Это не только снижает производительность буровых работ на рудниках, но и вызывает большой расход металла и твердого сплава/ Принимая во внимание необходимость значительного повышения долговечности буровых коронок, как одного из ос-

188

новпых видов бурового инструмента, ВостНИГРИ в содружест­ ве с Кузнецким машиностроительным заводом и Абаканским железным рудником провели исследования. Данные исследо­ вания преследовали две цели: установление причин и характе­ ра разрушения коронок в процессе бурения; изыскание рацио­ нальной и эффективной технологии их упрочнения.

Первоначально в шахтных условиях Абаканского рудника испытали 6000 буровых коронок типа КДА-40, выпускаемых Кузнецким машиностроительным заводом, 1500 коронок типа БКПМ-40, выпускаемых Самаркандским механическим заводом. Коронки КДА-40 изготавливаются из стали 35ХГСА, а в качест­ ве рабочего лезвия чаще всего применяется пластинка твердого сплава ВК-15, соединяемая с корпусом путем напайки припоем Л-62. Термообработка коронок заключается в -изотермической закалке их корпуса в селитровой ванне с паечного нагрева, осу­ ществляемого индукционным способом. Коронки БКПМ-40 изго­ тавливаются из хромомолибденовой стали мартенситного класса (содержание углерода 0,28—0,33%). После объемной воздушной закалки коронки подвергаются шаровой обработке в специаль­ ных барабанах.

Бурение по породам 12—14 по Протодьяконову перфорато­ рами ПР-30К показало, что при средней стойкости 5—10 м ко­ ронки КДА-40 выходят из строя:

в) в результате разрушения контакта припоя с пластинкой твердого сплава — 22% (1150 шт).

Использование коронок, до полной амортизации, т. е. до мак­ симально возможного износа твердого сплава, вследствие за­ тупления, составило только 28—30% (1650 шт.).

Коронки БКПМ-40 показали в целом стойкость в 2—2,5 ра­ за выше коронок КДА-40. Более 60% данных коронок исполь­ зовано до полной амортизации. Только 10—15% коронок вышли из строя по причине усталостного разрушения корпуса. Из это­ го следует, что коронки БКПМ-40, у которых удачно сочетается конструкция с подбором материала корпуса, обладают значи­ тельно большим запасом усталостной прочности и надежности.

Как показали массовые испытания в производственных ус­ ловиях, наибольшее количество коронок КДА-40 выходят преж­ девременно из строя по причине усталостного разрушения.

Установлено, что разрушение коронок происходит по юбке корпуса (рис. 87) с преимущественным развитием усталостных трещин от внутренней поверхности конусного гнезда. Кроме того, как видно из рис. 876, довольно часто происходит разрыв юбки вдоль образующей корпуса коронки. В изломе коронок од-

189

P и с. 87. Внешний вид коронок КДА-40, разрушившихся в процессе эк­ сплуатации:

а — разрушение корпуса коронки по кольцу; б—разрушение корпуса коронки вдоль образующей;

наруженъ! одна и реже две развивающихся усталостных трещин симметричной круглой или эллипсной формы. Площадь зоны усталости данных трещин очень мала (5—1G% от площади се­ чения корпуса), что дает основание отнести данный вид раз­ рушения к случаю, когда напряжения, определяющие развитие трещин, превышают предел усталости стали, из которой изго­ товлены коровки.

Металлографический анализ корпусов разрушенных коро­ нок показал, что они состоят из троостомартенситной структу­ ры, выраженной неравномерно по длине и сечению коронки.

Нередко в структуре встречаются обширные зоны структуры троосто-сорбита и свободного сорбита. Это вызывает неравно­ мерное распределение твердости в коронке по длине, которая преобладает в основном в центральной зоне корпуса и резко снижается у основания юбки. Усталостные изломы коронок по длине корпуса достаточно точно совпадают с зонами понижен­ ной твердости металла в данных местах и поэтому являются первичным очагом зарождения и роста усталостных трещин.

Неравномерное распределение твердости и наличие переход­ ных структурных составляющих по длине и сечению коронки, несомненно вызваны неравномерно протекающими превращени­ ями в структуре стали при закалке. А это, в свою очередь, выз­ вано, как установлено, неравномерностью нагрева корпусов ко­ ронок под закалку. Практически температура, соответствую-

190

щая режиму закалки, достигается в коронках только у головки корпуса, там, где впаивается пластина твердого сплава. У ос­ нования же корпуса коронки температура ниже закалочной, что вызывает неполное превращение структуры металла при охлаж­ дении и, естественно, значительное снижение твердости.

Очевидно, для буровых коронок, работающих в исключитель­ но жестких условиях ударно-циклического нагружения и кор­ розионного воздействия химически активных рудничных вод, не может быть применена указанная технология термообработки, способствующая появлению неравномерной структуры по сече­ нию, обусловливающей различную твердость и как следствие этого появление неблагоприятных остаточных растягивающих напряжений.

Буровая коронка в процессе. работы испытывает сложный характер нагружения, связанный не только с появлением в по­ верхностных слоях высоких напряжений растяжения, смятия, изгиба, но к тому же подвергается и поверхностному износу. Поэтому необходимо при назначении и разработке режимов уп­ рочнения коронок учитывать' эксплуатационные особенности их нагружения. В последние годы осуществлены некоторые работы, направленные на увеличение долговечности буровых коронок [159], однако в них основное внимание уделяется технологии пайки, выбору оптимальных конструктивных параметров, а так­ же видам твердосплавного вооружения, и практически мало за­ трагиваются вопросы, связанные с разработкой способов повы­ шения циклической прочности корпуса.

В связи с этим проведены шахтные исследования несколь­ ких партий коронок типа КДА-40, подвергнутых, с целью новы шения циклической прочности корпуса различным режимам уп­ рочнения.

Испытывались три партии буровых коронок, подвергнутых дробеструйной обработке, нитроцементации, поверхностной ин­ дукционной закалке. Для сравнения испытывались коронки, выполняемые по существующему режиму. Испытания коронок осуществлялись при бурении магнетитовой руды с крепостью 12—14 по шкале Протодьяконова с помощью перфораторов ПР—ЗОК. Стойкость коронок определялась до разрушения пу­ тем хронометражных наблюдений. Результаты испытании опыт­ ных партий коронок, а также режимы упрочняющей обработки приведены в таблице 16.

Как видно из таблицы, наилучшую стойкость в 2—2,5 раза показали коронки, подвергнутые нитроцементации и поверхност­ ной индукционной закалке. Наклеп дробью показал несколько меньший эффект упрочнения, однако достаточно высокий по сравнению с обычными коронками.

В целом, как видно из результатов испытаний, упрочняющая обработка значительно повышает циклическую прочность коро-

191

Таблица 16

нок, что обусловлено созданием в них сжимающих остаточных напряжений и высокой поверхностной твердости, препятствую­ щей зарождению усталостных трещин в поверхностных, наибо­ лее нагруженных элементах корпуса.

Полученные результаты исследований дают основание к широкому внедрению поверхностных методов упрочнения буро­ вых коронок с получением гарантированного прироста стойко­ сти не менее, чем в 2—2,5 раза.

§ 3. К расчету бурового инструмента на прочность и

долговечность

C бурным развитием эксплуатационных параметров в техни­ ке, когда резко возросли удельные нагрузки на элементы, кон­ струкции и узлы машин, все более участились случаи внезапного (хрупкого) разрушения деталей, которые по предварительным расчетам могли работать достаточно долгое время. При этом стало очевидным, что обычное представление о стали, обладаю­ щей значительными пластическими свойствами, совершенно меняется, так как при определенных силовых факторах даже очень пластичная и вязкая сталь ведет себя как совершенно хрупкое тело. Тщательные исследования указанного явления, выполненные в последнее десятилетие, позволило открыть ряд фундаментальных законов трещинообразования в металлах.

192

<fi'∙