Файл: Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента..pdf

ла ударно-циклическому нагружению, нередко избегая практи­ ческих рекомендации.

Различные закономерности передачи ударной энергии по штанге в зависимости от ее усилия прижатия, частоты нагру­ жения и некоторых других факторов детально исследовал Сай­ мон [179]. Им показано, что эффективность ударного бурения во многом зависит от изменения формы ударной волны, усилия прижатия штанги на забой, частоты приложения, а также от материала и геометрии буровой штанги. Оптимальное значе­ ние приложенного к штанге усилия прижатия, по мнению Сай­ мона, равно двойному значению средней скорости ударного им­ пульса, переданного от ударника перфоратора. Отмечается, что сила прижатия должна увеличиваться пропорционально часто­ те ударов для обеспечения постоянного контакта коронки с по­ родой, в противном случае эффективность, т. е. скорость буре­ ния, резко надает. Саймоном показано, что с увеличением часто­ ты приложения ударов по штанге при относительно невысокой энергии удара можно достичь значительной эффективности бу­ рения. Только в этом случае, по его мнению, может быть исклю­ чена возможность нагружать буровой инструмент выше харак- ' тсристики его предела усталости и тем самым обеспечить его высокую долговечность и работоспособность длительное время.

II, напротив, стремление значительно увеличить энергию удара практически не вызовет повышения эффективности буре­ ния, так как в этом случае резко падает стойкость бурового инструмента, поскольку напряжения, возникающие в нем, будут превышать предел усталости.

Исключительно важное значение для теории и практики ударного бурения имеют расчеты на прочность Цементов сис­ темы перфоратор-штанга. Если волновая механика ударного

34

нагружения буровых штанг изучена в целом достаточно пол­ но, то расчет их на прочность до настоящего времени все еще представляет значительную трудность.

Сложность расчета буровых штанг на прочность при удар­ но-циклическом нагружении, как отмечают, заключается в том, что они не сразу передают энергию удара на забой. Между ударом поршня перфоратора по штанге и ударом буровой штан­ ги по породе проходит определенный отрезок времени. В пе­ риод этого «критического» отрезка времени штанга на отдельных участках вследствие указанного выше явления интерференции сильно перегружается, однако в силу ряда факторов не пред­ ставляется возможным конкретно указать или отметить этот момент. Установлено [8], например, что в двухметровой штанге

выпускаемыми промышленностью перфораторами, то волновой процесс в ней в значительной степени усложняется. Нестабиль­ ность волновых явлений в штангах не дает возможности при­ менять для их расчета какой-либо метод классической меха­ ники и сопротивления материалов. В связи с этим долгое время расчет напряжений в буровых штангах определялся сложным аналитическим методом Сеп-Венаиа [173]. Когда появилась возможность производить измерения волновых процессов, Фи­ шер [7] предложил графодинамический метод определения на­ пряжений в буровых штангах, использовав для этого разрабо­ танный ранее Бержероном графический расчет ударных элек­ трических волн вдоль линии передачи. Результаты графическо­ го расчета теоретической кривой ударной волны напряжении и

В последнее время в результате исследовании, выполненных Арндтом, предложен простой, но достаточно точный аналити­ ческий метод определения напряжений в штангах. Применяя

Гораздо большей производительностью, стало возможным отка­ заться от дальнейшего применения сплошной буровой стали. В горнорудной промышленности быстрое распространение полу­ чили буровые штанги, изготавливаемые из пустотелой углеро­ дистой стали, прокатанной стержневым методом [28—30, 180] и снабженные съемными твердосплавными коронками. C нару­ шением сплошности сечения, резким увеличением ударно-цик­ лических нагрузок, интенсивностью коррозионных процессов и других факторов значительно сократился срок службы буровых штанг, и в связи с этим возросло требование к прочности буро­ вой стали.

Продолжительное время подбор различных марок сталей являлся основным и почти единственным способом повышения стойкости штанг. В обосновании марки буровой стали домини­ рующим являлось стремление получить сталь с максимально возможным пределом усталости и соответственно пределом прочности, основанное на том, что для многих марок стали до некоторой степени, с ростом предела прочности повышается и предел усталости [31—33]. В связи с этим интенсивное внедре­ ние в горной промышленности получили легированные буровые стали первоначально в Канаде, Швеции, США, а затем и в других странах. По данным Гамильтона [181, 182] в Канаде и США в результате интенсивного производства средне и высоко­ легированных сталей уже в пятидесятые годы были частично вытеснены углеродистые буровые стали.

Сообщается; что для буровых штанг необходимо применять сталь с высокой демпфирующей способностью, которая обеспе­ чивает нечувствительность их к концентрации напряжений. По другим данным, в США при назначении буровой стали прини­ малась во внимание величина предела усталости, которая по результатам стандартных испытаний на выносливость составля­ ла 45—50% от предела прочности.

За последние годы объем производства легированных сталей постепенно увеличился, как за рубежом, так и в СССР, в то же время .не прекращается выпуск и углеродистых сталей. В на­ стоящее время ведущее место по производству высококачествен­ ных буровых сталей занимает Швеция [183], а также США, Япония, Англия. В Швеции буровая сталь производится в основном на заводах компании «Сандвик Коромант» в сотруд­ ничестве с фирмой «Атлас—Копко»- Сталь выпускается в виде проката шестигранного профиля с размером в поперечнике 19, 22, 25 мм, а- также круглого — диаметром 32 мм. Иногда заводы, изготавливающие буровой инструмент, выпускают сталь квад­ ратного и восьмигранного профиля с размерами в поперечнике 22 и 25 мм. Стали выпускаются с применением передовых дости­ жений науки и техники при четко отработанной технологии производства на всех его стадиях. Буровая сталь выпускается легированная добавками хрома, никеля, молибдена и реже

37

В последние годы значительных успехов в производстве качественной буровой стали добились японские фирмы и в част­ ности объединение «Дейдо». Буровая сталь заводов этой фирмы получает все больший спрос на мировом рынке.

Это объясняется тем, что на металлургических предприятиях фирмы «Дейдо» изготовление буровой стали осуществляется по более прогрессивной технологии с использованием самых сов­ ременных средств выплавки и прокатки. Это дает возможность получить сталь с большим запасом прочности и долговечности. Например, выплавленный в электропечах «первичный» металл сначала рафинируется методом электрошлакового переплава, а в заключительный перед разливкой период сливается в спе­ циальные обогреваемые индукционным способом миксеры, где дополнительно очищается путем продувки кислородом. В тех­ нологии прокатки широкое применение получил усовершенство­ ванный метод Манесмана, применяющийся широко для прокат­ ки труб. C учетом этого фирмой разработаны специальные прокатные станы, позволяющие вести прокатку с высокой сте­ пенью точности (замер полосы автоматически контролируется

Рис. 7. Внешний вид буровой стали японского производства в состоя­ нии поставки.

39