Файл: Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента..pdf

Рис. 8. Выкрашивание торіи хвостовиков буровых штанг, вызванное нарушением температурных. режимов высадки.

200—300 мм, как правило, до очень высоких температур, пре­ вышающих оптимальные температуры горячей деформации стали и нередко допускают сильное обезуглероживание поверх­ ности, а на конце штанги даже оплавление ребер.. По граням хвостовика штанг у торцов в результате этого возникают про­ дольные трещины или раскрашивание торцевых кромок (рис. 8). Особенно много дефектов, связанных с бурозаправочными ра­ ботами, наблюдается у штанг, приспособленных для бурения с боковой промывкой (рис. 1 б), поскольку для формирования шейки под гидромуфту требуется дополнительно 2—3 нагрева. У данных штанг по этой причине часто наблюдается растрески­ вание поверхности. Высадка штанг чаще всего осуществляется па пневматических бурозаправочных станках в специальных разъемных полуматрицах, позволяющих при ударе перфоратор­ ного бойка формировать буртик.

Бурозаправочные станки являются малогабаритными пнев­ матическими молотами и помимо высадочных работ дают воз­ можность осуществлять другие несложные, но весьма необхо­ димые в условиях рудничных мастерских работы (гибка, рубка и т. n.). По этой причине на рудниках бурозаправочные станки нашли применение повсеместно. Однако, они при всех своих достоинствах обладают рядом существенных недостатков, среди которых можно указать следующие.

1.Значительный шум в работе.

2.Весьма малая степень деформации металла в матрицах за один удар бойка.

3.Низкая долговечность матриц.

Малая степень деформации металла в матрицах бурозапра­ вочного станка вызывает необходимость часто подогревать ме­ талл до высокой температуры, что неизбежно вызывает его чрезмерный угар и порчу поверхности. Поэтому исследователи неоднократно отмечали, что при выполнении высадки штанг на бурозаправочных станках на конце хвостовика часто сохраняет-

45'

ся высокая температура в пределах 1200—1300oC и, следова­ тельно, создаются условия роста зерна в стали [184]. Указывает­ ся также, что неудовлетворительный нагрев буровых штанг под высадку вызывает неравномерность свойств стали по длине, которая выражается в резком нарушении направления волокон металла, изменении твердости, величины зерна и фазового сос­

[50], Джезказганский, а также Серовский металлургический за­ вод, применили электрические контактно-стыковые сварочные машины типа MCP, удачно сочетающие электронагрев с одно­ временным деформированием металла в зоне буртика. Прове­ денными в этом направлении работами было установлено, что с внедрением контактно-сварочной машины отпадает необходи­ мость в нагревательных устройствах, улучшаются условия труда

технология высадки штанг стыковыми сварочными мйшинами обладает в свою очередь специфичными недостатками, среди которых наиболее существенными являются:

1. Частый перегрев и оплавление граней заготовки в кон­ тактном устройстве;

По этой причине массовое внедрение стыковых сварочных машин в горнорудной промышленности не получило развития. C тем, чтобы не нарушать структуру и свойства стали по длине штанги, в некоторых странах производились опыты по созданию искусственных буртиков. Считают, что при этом упрощается тер­ мообработка хвостовика и устраняются вызванные высадкой местные напряжения в зоне бурта, улучшаются ѵсловия пере­ дачи энергии удара и в итоге удлиняется срок службы штанги. Например, во Франции фирмой «Лебурин» буртик на штанге изготавливается из трех профилированных резиновых колец, которые обжимают снаружи стальной гильзой, а в США наиоолее распространена конструкция резинового буртика фирмы «Леооіі», которая специальным клеем соединяется с телом штанги [51, 52]. Однако многие специалисты, отрицают возмож­ ность широкого применения штанг .с резиновыми и пластмас­ совыми буртами, ссылаясь на низкую их прочность и смещение в процессе бурения. Почти во всех странах идут по пути ко­

46

стойкость буровых штанг наблюдается в случае увеличения у буртика радиусов галтелей и повышения чистоты поверхности металла штанг. Рекомендуют отказаться от устаревшей техно­ логии высадки буров на бурозаправочных станках с печного нагрева [53]. Например, институтом ВостІІИГРИ предложена технология бурозаправочных работ, которая отличается от известной более высокой культурой производства и производи­ тельностью. Согласно данной технологии [54], механическая обработка штанг осуществляется полностью до высадки буртика. Основой данной технологии является деформация буртика штанги в матрицах горизонтально-ковочной машины с индукци­ онного нагрева. Штамповка буртика штанг на горизонтально­ ковочной машине выгодно отличается от высадочных операций на бурозаправочных станках и стыковых сварочных аппаратах.' Штамповка осуществляется бесшумно, за одну7 операцию (в течение 1—2 секунд). Это дает возможность вести операцию высадки буртика при минимально возможных ковочных темпе­ ратурах, тем самым получать в зоне деформации мелкозернис­ тую структуру. Очень важным достоинством высадки штанг на горизонтально-ковочных машинах является регулировка в ши­ роких пределах степени деформации металла в зоне высадки за одно перемещение матриц.

Это дает возможность получить очень точно любые габари­ ты высаженной части штанги с точно заданными размерами. При высадке на.бурозаправочных станках размеры буртика колеблются в широких пределах, что вызывает искривление, слипание или надрыв волокон металла в промывочном отвер­ стии. При высадке буртика на горизонтально-ковочной машине этого явления не наблюдается, вследствие строго равномерной деформации металла и одинакового заполнения им полости мат­ рицы. Как видно из рисунка 9, промывочное отверстие в зоне

буртика у штанги, высаженной на горизонтально-ковочной ма­ шине, не нарушается. Применение горизонтально-ковочной ма­ шины для высадки буровых штанг позволяет кроме того полу­ чить штанги с усиленной конфигурацией бурта и необходимой

47

Рис. 10. Дефекты, возникающие в буровых штангах вследствие нека­ чественной закалки их хвостовиков:

а — трещины на концах хвостовика; б —' расклепывание торцовой кромки.

ман, Дарби, Симпсон и др. [184 — 190]. Ими отмечается, что при­ чиной поломки часто является несоблюдение режимов закал­ ки,. а также наличие «мягкой зоны», возникающей между на­ гретым и холодным участком штанги (рис. 11). Это так назы­ ваемый «металлургический надрез», для ликвидации которого предлагается двойная или даже тройная закалка. Для дости­ жения діаилучших результатов при обычной закалке рекомен­ дуется предварительная нормализация как ступень между ков­ кой и закалкой. По данным других исследователей более вы-

сокііе результаты обеспечивают специальный отжиг или улуч­ шение [59].

Впоследние годы делались попытки осуществлять объем­ ную закалку штанг по всей длине. Как показали исследования, проведенные в ряде институтов, сквозная закалка буровых штанг не дала преимуществ в сравнении со штангами, у кото­ рых термообработке подвергались только концы [56, 57].

Вцелом, как отмечается в зарубежной и отечественной ли­ тературе, вопрос о рациональной термообработке штанг попрежнему остается открытым. В значительной степени это свя­ зывают как с противоречивостью взглядов исследователей на процессы термообработки элементов штанги, так и с большой номенклатурой их по конструкции, условиям эксплуатации и маркам стали, требующим определенной технологии обработки. Становится общепризнанным, что отсутствие единой технологии ковки и термообработки штанг значительно сокращает срок их службы и приводит к перерасходу буровой стали.

Впоследние годы все более широкое внедрение получает так называемая прочностная технология, т. е. специальная об­ работка поверхностей для повышения ударно-усталостной проч­ ности буровых штанг. Толчком к этому послужили многочислен­ ные исследования, связанные с повышением усталостной проч­ ности изделий в машиностроительной промышленности, уста­ новившие, что при эксплуатации машин практически наиболь­ шие напряжения возникают на поверхности деталей, где чаще всего протекают усталостные процессы. Особенно опасны рас­ тягивающие поверхностные напряжения в деталях, вызванные знакопеременными изгибающими нагрузками, поскольку при

наличии каких-либо концентраторов напряжений в металле они вызывают быстрое усталостное разрушение. Создание в поверхностных слоях деталей остаточных напряжений сжатия за счет упрочняющей обработки приводит к уменьшению рас­ тягивающих напряжений и, следовательно,, к более длитель­ ному сроку их службы [60—73]..

Учитывая опыт успешного упрочнения огромной номенкла­ туры детален в машиностроении, в ряде стран проводились ис­ следования по упрочнению буровых перфораторных штанг. Пер­ вые попытки упрочнения поверхности буровой стали осущест­ влялись в Канаде, где был выдан патент на спиральную обкат­ ку'. [191]. Примерно в этот же период в Швеции был разрабо­ тан способ поверхностного наклепа буровых штанг за счет од­ ноосного растяжения предварительно обезуглероженного метал­ ла, а . также началось исследование различных режимов попе­ речной обкатки штанг роликами.

В основе упрочнения штанг обкаткой роликами лежит явле­ ние локального наклепа поверхностных слоев стали. В резуль­ тате создания остаточных сжимающих напряжений на поверх­ ности долговечность штанг повысилась на 50%. В США и в

50

обкатки на поверхность штанг сообщается через ролики усилие до 400 кг.

Глубина наклепа достигается в пределах 0,2—0,3 мм. Дробеструйная обдувка штанг с целью создания сжимаю­

щих напряжений появилась почти одновременно с накаткой. Буры, подвергнутые дровеструйнои обработке, оказались почти вдвое долговечнее обычных. Согласно литературным данным, в последние годы дробеструйный наклеп буровых штанг при­ меняется лишь в Швеции, ФРГ и частично в Японии. Считают, что способ дробеструйного наклепа малопроизводительный, од­ нако многие авторы видят преимущество способа в более эф­ фективном упрочнении поверхности штанг, по сравнению с на­ каткой роликами. Очевидно, в связи с этим, в последнее время некоторые фирмы возобновили разработку различных режи­ мов дробеструйного наклепа. Например, акционерное общест­ во «Фагерста Брук» (Швеция) рекламирует шаровую бомбар­ дировку поверхности буровых штанг, которые имеют наиболь­ ший возможный срок службы в самых тяжелых условиях бу­ рения [74].

родные буры «Комета», которые в процессе производства под­ вергаются дробеструйной обработке [76].

В СССР дробеструйная обработка буровых штанг не по­ лучила распространения.

Наряду с деформационными способами поверхностного уп­ рочнения буровых штанг за рубежом и в СССР проводились исследования, направленные на увеличение их долговечности за счет поверхностной термообработки, однако в очень малом объеме. Первая попытка осуществления поверхностного упроч­ нения буровых штанг индукционной закалкой в исследователь­ ских целях принадлежит Влодеку [193]. Производя закалку хромоникелевой и углеродистой стали на глубину 0,5—0,9 мм, он получил удовлетворительное распределение закаленного слоя по периметру шестигранника. Выявление эффективности повер­ хностной закалки буровой стали осуществлялось им путем ус­ талостных испытаний на специальной крутильной машине (ка­ надский метод испытаний). Для сравнения также испытыва­ лись образцы буровых штанг, подвергнутых спиральной обкат-

51