CC BY
4ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ИНСТРУМЕНТ
Карьерным буровым станкам - современный высокопроизводительный буровой инструмент
Б. А. КАТАНОВ, профессор, доктор техн. наук, КузГТУ, г. Кемерово
Серийное изготовление карьерных буровых станков началось в 50-х годах прошлого века.
Первоначально это были станки легкого типа (СБР), предназначавшиеся для бурения взрывных скважин диаметром до 160 мм по породам небольшой крепости (ПБС-110, БС-110/25, СБВ-2). В качестве буровых долот первоначально использовались весьма несовершенные конструкции, имевшие две режущие лопасти со сплошной режущей кромкой, армированные твердыми сплавами различных марок [1].
Наибольшее распространение из этих станков получил станок СВБ-2, долгие годы серийно изготовлявшийся Карпинским машиностроительным заводом. Он комплектовался долотом СББ2-23-03М2, которое имело двухлопастной литой корпус, отлитый заодно с хвостовиком. Каждая из двух прямолинейных сплошных режущих кромок была армирована пластиной из сплава ВК-8 специальной формы. Долото было предназначено для бурения скважин по породе с коэффициентом крепости \ < б и рассчитано на периодическую заточку. Проведенные исследования и опыт эксплуатации подобных долот выявили их существенные недостатки. Основными из них были неравномерный износ и необходимость качественной периодической заточки, организовать которую в условиях карьера было не всегда возможно.
Более эффективное использование твердого сплава могло быть обеспечено при оснащении долот съемными режущими элементами.
Такими долотами были, разработанные Карпинским машиностроительным заводом, долота 27КВ-160П и 30КВ-160П. Режущие лопасти долота 27КВ-160П были смеппы ми и крепились к корпусу болтами, а режущие кромки долота ЗОКВ-160П были образованы твердосплавными пластинками специальной формы, которые также крепились к корпусу болтами. Широкого применения эти долота не получили, т.к. заменять закрепленные болтами детали практически оказалось весьма сложным.
Одной из попыток совершенствования долота СВБ-23-03М2 было долото РК-4, предложенное кафедрой горных машин Иркутского политехнического института [2]. Это долото имело ступенчатую режущую кромку, состоящую из двух наклонных участков, штампованный корпус в виде пластины и съемный хвостовик. Режущие кромки были армированы напайкой стандартных пластинок различной формы из сплава ВК-8.
Однако и этому долоту были присущи основные недостатки всех долот с режущей кромкой, образуемой напаянными на корпус дслота пластинками твердого сплава: сравнительно большая длина режущей кромки, высокая трудоемкость изготовления и значительный расход твердого сплава, а также неравномерный износ и необходимость периодической заточки.
НИИОГР было разработано долото [3], которое имело литой стальной корпус со стандартным присоединительным хвостовиком. На корпусе болтами были закреплены кольцевые твердосплавные пластинки, являвшиеся резцами. Пластинки имели форму конусных шайб, периферий-
ные окружности которых был/1 режущими кромками. На каждой из лопастей закреплялось по две таких пластинки, режущие кромки которых образовывали ступенчатый забой скважины. Кроме того, к корпусу была приварена поперечная планка, на которой устанавливались еще две пластинки, выбуривающие опережающую скважину. По мере затупления режущих кромок пластины-резцы поворачивали, ослабляя болты. При этом в контакт с забоем вступал незатупленный участок режущей кромки.
Лишь после затупления всей режущей кромки пластинки она снималась и заменялась новой. Подобная конструкция долота существенно сокращала время на замену режущих элементов и способствовала увеличению производительности станка. Однако съемные резцы для их замены требуют извлечения долота из скважины.
Проведенные исследования и результаты испытаний показали, что одним из перспективных направлений в области конструирования режущих элементов долот является разработка резцов с непостоянным контактом их с буримой породой. При этом реализуется значительный резерв повышения стойкости инструмента вследствие активизации его охлаждения, особенно при бурении со шне-копневматической очисткой скважины. С этой целью на кафедре горных машин и комплексов КузГТУ разработана принципиально новая конструкция режущего бурового долота [4]. На корпусе этого долота установлены на осях диски с резцами, армированными твердым сплавом ВК-8В. На дисках закреплены шестерни, сцепленные с рейками, выполненными на забурнике, выбуривающем опережающую скважину. Режущие кромки забурника также армированы тоерды'и сплаоом. Забурник связан с корпусом посредстзом шлицевого соединения и опирается своим хвостовиком на тарельчатые пружины.
Черэз продувочные каналы, выполненные в хвостовике корпуса и забурнике, подводится сжатый воздух для очистки забоя скважины.
При бурении слабых пород забурник выбуривает опережающую скважину, а резцы разрушают основную часть забоя скважины по режуще-скалывающей схеме.
При бурении крепких пород осевое усилие на забурник увеличивается и он, сжимая тарельчатые пружины, смещается вверх. Это вызовет поворот дисков, в результате которого в контакт с забоем вступят резцы, рассчитанные на работу по более крепким породам. С уменьшением крепости буримой породы забурник сместится вниз, вновь развернет диски и введет в работу резцы для слабых пород. При бурении пород средней крепости поворот дисков произойдет лишь на небольшой угол, и износостойкие резцы будут разрушать периферийную часть забоя, а резцы для слабых пород - центральную его часть, ослабленную опережающей скважиной.
Если бурение ведется по чередующимся по крепости породам, то резцы будут работать попеременно, что неизбежно улучшит их охлаждение, а следовательно, и износостойкость. При этом замена резцов осуществляется автоматически, а настройка долота осуществляется изменением степени сжатия тарельчатых пружин при помощи регу-
12 № 3 (24) 2004
«
ИНСТРУМЕНТ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
лировочной гайки.
За счет сокращения суммарного времени на замену резцов время вспомогательных операций сокращается на 20-25%, что позволяет существенно увеличить сменную производительность бурового станка.
Вибрации буровых станков оказывают негативное влияние на процесс бурения, надежность и долговечность механизма станка. Неблагоприятно воздействуют они также на обслуживающий персонал.
Снижение уровня вибраци/1 имеет существенное значение как для создания комфортных и безопасных условий труда обслуживающего персонала буровых станков, так и для повышения их надежности. В связи с этим первостепенное значение приобретает выявление влияния различных факторов на уровень вибрации и разработка рекомендаций то их устранению или ограничению.
Одним из путей решения этой проблемы является эаз-работка долот со встроенными в их корпус упругими элементами. Режущее буровое долото с амортизатором в виде рессорной пружины также было предложено кафедрой ГМиК КузГТУ [4].
Проведенные испытания и опыт эксплуатации описанных выше долот показали, что лучшим способом их оснащения съемными режущими элементами является установка на корпусах долот стержневых резцов различных типов. Такие долота были разработаны ИрГТУ и КузГТУ.
В конструкции долота (рис 1), предложенного кафедрой горных машин и комплексов Кузбасского государственного технического университета, резцы 1 установлены наклонно в сквозных отверстиях корпуса 2. Хвостовики рез-
Рис. 1. Режущее долото КузГТУ, оснащенное съёмными с-ержневыми резцами
цов имеют вид цилиндров диаметром 20 мм и длиной 50 мм. Наклон резцов к оси скважины обеспечивает разрушение породы по режуще-скалывающей схеме.
В полукруглые проточки на хвостовиках резцов входят стопорные валики 3, служащие для фиксирования резцов в осевом направлении. От поворота вокруг оси резцы удерживаются выступом на корпусе долота.
Допото г.набжрнп резьбовым хвостовиком 4 с каналом 5 для подвода сжатого воздуха. Из канала 5 воздух поступает на скосы 6, которые направляют воздушный поток на режущие кромки резцов и вдоль них к стенке скважины, обеспечивая перемещение буровой мелочи по забою от центра к периферии и охлаждая резцы. Наличие выступов корпуса, образующих скосы 6, также исключает забивание воздушных каналов при бурении вязких пород.
В результате испытаний, проведенных на разрезах Кузбасса, установлено, что долото обеспечизает в 1,3-5-1,5 раза больше скорости бурения и на 20-30% более износоустойчиво, чем долота других конструкций, описанных выше.
Интенсивное удаление буровой мелочи из призабойной зоны при одновременном охлаждении режущих кромок резцов может быть достигнуто при пневматической и шне-копневматической очистке, когда буровая мелочь транспортируется потоком сжатого воздуха. При этом эффективность очистки определяется конструкцией выходных каналов, направляющих поток воздуха из долота в призабой-ную зону.
Основным видом породоразрушающего бурового инструмента тяжелых станков вращательно'о бурения (СБШ) являются серийно изготовляемые шарошечные долота.
Анализ отработки шарошечных долот показывает, что до 80-90% общего их количества выходит из строя в результате износа опор шарошек, т.е. срок злужбы шарошечных долот в настоящее время практически определяется стойкостью их опор.
Основной причиной выхода из строя опор является не только проникновение породной мелочи через зазор между шарошкой и лапой в полость подшипников, но и недостаточно надежная смазка.
Если в подшипник попадает малоабразивная пыль, то, проникая между дорожками на цапфе и телами качения, она поглощает смазку и спрессовывается. Затем наступает нагрев и заклинивание шарошки. Заклиненные шарошки быстро изнашиваются вследствие истирания о забой, и самое качественное долото выходит из строя через 10-15 м.
Если же пыль, попадающая в подшипник, еще и абразивная, то она интенсивно изнашивает дорожки на шарошке и цапфе, а также тела качения. В этом случае долото выходит из строя из-за износа подшипников и нарушения вследствие этого нормального режима бурения.
У современных серийных долот с центральной продувкой в их лапах и цапфах выполняются специальные каналы, по которым в опоры долота поступает от 5 до 25-30% общего расхода воздуха, подводимого к долоту.
По замыслу авторов, разрабатывавших шарошечные долота для горной промышленности, это способствует не только смазке и охлаждению опор, но и предотвращает попадание в них частиц выбуренной породы. Однако при этом для обеспечения прохода воздуха через опору необходимо предусматривать достаточные зазоры между шарошкой и лапой, что связано с проникновением в опору частиц буровой мелочи во время прекращения продувки, например, при наращивании штанг. Проблема же надежной герметизации опор пока не решена.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ИНСТРУМЕНТ
В связи с изложенным, воздухоподводящие каналы, выполняемые в лапах и цапфах долот, не оправдывают своего назначения и лишь усложняют конструкцию долота.
Высокий уровень пылеобразования при бурении скважин шарошечными долотами с пневматической очисткой скважин от буровой мелочи, чрезвычайно высокая стоимость этих долот, при их относительно низкой износостойкости существенна осложняют эксплуатацию карьерных буровых станков и удорожают буровзрывные работы. Это позволяет заключить, что на современном э~апе развития буровой техники широко применяемые на горных предприятиях серийные шарошечные долота в значительной степени исчерпали свои возможности, и необходим поиск для них альтернативных более совершенных видов породораз-рушающего бурового инструмента.
При бурении скважин по сравнительно некрепким породам ^ < 5. . . 6) станками вращательного бурения тяжелого типа (СБШ) могут быть использованы режущие долота, оснащаемые съемными резцами. Конструкция таких долот (рис. 2) предложена и внедрена в практику бурения ИрГТУ и КузГТУ.
Создание прочных резцов Р<81 Б и РБ-243 сделало целесообразным оснащение ими режущих буровых долот для карьерных буровых станков вращательного бурения не только легкого (СБР), но и тяжелого (СБШ) типов (рис. 2).
Проведенные испытания [2] показали, что упомянутыми резцами вполне возможно, например, резание песчаника с временным сопротивлением одноосному сжатию 77,3 МПа и аб-разивностью 15 мг, т.е. коэффициентом крепости \ = 5 - 8.
На кафедре горных машин и рудничного транспорта ИрГТУ налажено мелкосерийное изготовление таких дслот по заказам угольных разрезов, которые используют вместо серийных шарошечных долот.
Угольные месторождения характеризуются сложными горно-геологическими условиями залегачия и структурной покрывающих массивов. Многолетними исследованиями и опытом эксплуатации доказано, что в сложноструктурных массивах традиционные способы бурения неэффективны, а перспективным направлением развития технологии вращательного бурения, учитывающим специфические условия угольных месторождений, является создание специальных видов бурового инструмента.
Рис. 2. Режущее буровое долото для тяжелого (СБЫ) станка вращательного бурения
При бурении же перемежающихся по крепости и абра-зивности пород могут быть с большой степенью эффективности использованы комбинированные режуще-шзро-шечные долота различных типов предложенные ИрГТУ, КузГТУ и рядом других организаций. Они позволяют использовать преимущества как режущего, так и шарошеччого породоразрушающего инструмента [5].
При бурении скважин по перемежающимся породам по сравнению с шарошечными долотами комбинированные режуще-шарошечные долота значительно эффективнее.
Долото РШД-215,9, разработанное кафедрой горных машин и рудничного транспорта ИрГТУ [2], имело съемный режущий орган в виде пластины с двумя режущими кромками, армированными твердым сплавом. Форма режущей кромки соответствовала профилю шарошек, лапы которых были приварены к корпусу долота. Режущий орган опирался на спиральную пружину и мог перемещаться в пазах корпуса. От выпадения эн удерживался замковыми пальцами. Для направления воздушной струи к забою предусмотрены наклонные пазы.
В долоте использованы лапы в сборе от шарошечного долота 1В-К214СТ.
Недостатком долота РШД-215,9 была сравнительно сложная форма режущей лопасти и ее неравномерное изнашивание, поскольку участки, расположенные на периферии, изнашиваются значительно интенсивнее, чем расположенные ближе к оси вращения.
Режуще-шарошечное долото конструкции КузГТУ (рис. 3) имеет корпус, выполненный заодно со стандартным резьбовым при-соединительным хвостозиком. К корпусу приварены две лапы с шарошками. Режущими органами долота являются две державки, оснащенные съемными стержневыми резцами, размещенные в стаканах, приваренных к корпусу и опирающиеся на амортизаторы из резины [6].
При бурении слабых пород долото работает как режущее. С увеличением крепости буримых пород и осевого /си-лия, действующего на долото, резиновые амортизаторы сжимаются и в работу вступают шарошки.
Шарошечный орган комбинированного долота целесообразно формировать из двух лап с шарошками с вооружением С или I от серийных шарошечных долот.
Комбинированное долото может быть снабжено механизмом, позволяющим прижимать режущую лопасть к забою или отводить ее от него, что дает возможность долоту при необходимости работать или как режущее, или как шарошечное.
Подобное долото разработано Иркутским государственным техническим университетом [2].
Ш
Рис. 3. Комбинированное режуще-шарошечное долото КузГ~У
14 № 3 (24) 2004
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Основной недостаток такого варианта долота - сложность конструкции.
Режуще-шарошечные долота являются принципиалэно новой техникой, не имеющей аналогов.
Испытания показали, что при бурении неабразивных пород режуще-шарошечные долота могут успешно заменить дорогостоящие и дефицитные шарошечные.
Поскольку модернизация и капитальное переоснащение станочного парка горных предприятий представляются нам в настоящее время достаточно сложным делом, требующим огромных материальных затрат, первостепенной задачей является совершенствование бурового инструмента и прежде всего режущих и режуще-шарошечных долот для станков вращательного бурения тяжелого тлпа (СБШ). Поскольку эти станки могут оснащаться не только шарошечными долотами, то называть их шарошечными навряд ли имеет смысл.
Литература
1. Сафохин М.С., Катанов Б.А. Машинист буровой установки на карьерах. - М.: Недра, 1992. - 312 с.
2. Техника, технология и опыт бурения скважин на карьерах / Под ред. В.А. Перетолчина. - М.: Недра, 1993. -286 с.
3. Катанов Б.А., Сафохин М.С. Режущий буровой инструмент (расчет и проектирование) М. Машиностроение, 1976, 168 с.
4. Катанов Б.А. Буровые долота с подвижными породо-разрушающими элементами. Уголь, 2003, № 10. С. 42-44.
5. Катанов Б.А., Сафохин М.С. Инстоумент для бурения взрывных с<важин на карьерах. М.: Недра, 1989 -173 с.
6. Катанов Б.А. Новая конструкция режуще-шарошечного долота. Горная промышленность 2001, № 3, с. 53-54.
Исследование формы шлифовальных зерен
В. С. ЛЮКШИН, ассистент, КузГТУ, г. Кемерово
Изложение доклада на 2-й Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе»,
1 апреля 2004 г., г. Новосибирск
Форма шлифовальных зерен - это важный геометричес-
кии параметр, который, как показывают исследования, оказывает большое влияние на их физико-механические и режущие свойства. В настоящее время оценку формы шлифовальных зерен проводят различными методами. Условно их можно разделить на две группы - качественная и количественная. При качественной оценке - зерна по некоторым признакам, относятся в соответствующую группу форм (изометрическая форма пластинчатая, осколочная и.д.). При количественной оценке - зерна описываются числовым параметром, который функционально связан с его формой. Данным группам присущи свои достоинства и недостатки. При обработке больших объемов шлифовальных зерен, качественная оценка обладает малой трудоемкостью и низкой точностью, а количественная оценка наоборот - большой трудоемкостью и высокой точностью.
Количественно форму шлифовального зерна можно оценить коэффициентом формы Кф. Данный параметр определяется по различным методикам. Согласно ГОСТам на шлифматериалы и алмазы и источнику [1] для расчета коэффициента формы необходимо получить проекцию зерна, поместив его свободно на эовную горизонтальную поверхность. Затем измеряются габаритные размеры проекции зерна. Коэффициент формы рассчитывается как отношение максимальной длины проекции (/) к ее ширине (6):
В источнике [2] коэффициент формы определяется как отношение описанной вокруг проекции зерна окружности (О) к вписанной в нее окружности (¿/):
Кф=7 (2>
Согласно источникам [3, 4] коэффициент формы оценивается как отношение площади проекции зерна (5Я_,) к площади описанной вокруг нее окружности (500):
К,. =
Б п.
(3)
В [5] авторы провели сравнительный анализ методик (1), (2) и (3) и доказали, что методика (3) наиболее полно отражает зависимость коэффициента формы от формы шлифовального зерна. В свою очередь авторы указывают на большую трудоемкость и сложность в определении точной площади проекции шлифовального зерна.
Для устранения этих недостатков на кафедре «Металлорежущие станки и инструменты» была разработана программа для ЭВМ [6], которая позволяла определять параметр Кф по методике (3). Используя методику [7, 8], основанную на применении сканера, компьютера и специального программного обеспечения, были оценены шлифовальные зерна разных марок и зернистостей отечественного производства (13А40, 13А50, 13А63, 13А80, 13А100, 13А125, 25А40) л иностранного производства (ЫК 24. ЫК 30, ЫК 35, ЫК 46, РЖ 46, гК 16, ZK 20). В табл. 1 приведены характеристики инпг.транных шлифовальных зерен с учетом отечественной классификации, а в табл. 2 представлены результаты оценки коэффициента формы шли-
Характеристики Таблица 1
иностранных шлифовальных материалов
Марка иностранного шлифовального материала Соответствующий отечественный шлифовальный материал
Марка Зернистость
Ж 24 Нормальный электрокорунд 80
1ЧК30 63
МС 35 50
1ЧК46 40
ЯК 46 Хромистый электрокорунд
ХК 16 Циркониевый электрокорунд 125
гк 20 100
