CC BY
9
Поиск рациональных конструкций резцов для вращательного бурения шпуров в отечественной истории горного дела
The search for rational designs of cutters for rotary drilling holes in the
national history of mining
Петр Александрович КОРНЕЕВ* Виктор Александрович КОРНЕ ЕВ" ^мельян Васильевич ПУГАЧЕВ |
Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк, Россия
Piotr Aleksandrovich KORNEYEV* VictorAleksandrovich KORNEYEV" E me I'y an Vasi Геvi ch P U G А С H E V|
Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russia
'[email protected] "komeev_va@ list.ru
[email protected] "kornee v_va @li st. ru
Аннотация
статье рассказывается о развитии конструкций отечественных резцов для вращательного пурин ил шнуров. Приводятся чертежи инструмента и сведения о производителях.
Ключевые слова: резец, шнур, история, вращательное бурение, коэффициент крепости, горная порода, шахта.
Abstract
The article describes the development of designs of domesllc cutters for rolary drilling of bore-holes. Provides loo J drawings and manufacturer information.
Keywords: cutter, borehole, history, rotary drilling, strength coefficient, rock, mine.
История горного дела неразрывно связана с созданием новых и совершенствованием уже существующих конструкций буровых резцов. Вращательное бурение шпуров является одной из основных технологических операций при разработке месторождений угля подземным способом.
В настоящее время буровзрывные работы на угольных шахтах, в процессе проведения которых требуется бурение шпуров, практически не осуществляются. При разработке месторождений с использованием комбайнов в соответствии с современными технологиями бурение шпуров применяется в основном для установки анкерной крепи, а также при ведении исследовательских работ.
Материалом для производства буровых резцов до применения твердого сплава являлись утлеродистые и высоколегированные инструментальные стали. Резцы при этом производились как цельными со штангами (рис. ], а), так и съемными (рис. 1, б). В первом случае конец витой буровой штанги делали в виде перьев и производили термическую обработку [1,2].
В исследованиях В. И. Бакуля [1] была выявлена средняя стойкость резцов, произведенных из углеродистой и быстрорежущей сталей, при бурении ими антрацита с включениями колчедана и кварцита. Она составила 0,45 м дтя резцов из углеродистой стали и 1,77 м дтя резцов из быстрорежущей. Скорость бурения при этом достигалась соответственно 11,2 см/мин и 19 см/мин. Стоит отметить, что невысокая скорость бурения и необходимость частой замены инструмента ввиду его затупления актуализировали поиск новых материалов, обеспечивающих повышение ресурса буровых резцов.
С 1930 г. начинаются исследования резцов с наплавленными на их режущие перья порошкообразными и стержневыми сплавами, такими как сталинит, сормайт, во-кар и др. В дальнейшем были проведены эксперименты по армированию резцов твердыми сплавами победит и РЭ8. Проведенные исследования [I] показали, что армированный буровой резец за одну заточку пробуривает в среднем в 15-20 раз больше по сравнению с резцом, выполненным из быстрорежущей стали, и в 25-40 раз больше резца из углеродистой стали. Скорость бурения армированными резцами при этом в 4 раза выше в сравнении с резцами, изготовленными из быстрорежущей, и в 7-8 раз выше резцов из углеродистой сталей. Данный факт позволил увеличить производительность бурильных работ от 50 до 200 %. Стоит отметить, что в середине тридцатых годов резцы, армированные твердыми сплаЕами, использовались уже на большинстве шахт Донбасса [1].
До середины XX в. усовершенствование конструкций буровых резцов проводилось в основном на шахтах [3]. Так, в Киэеловском угольном бассейне на шахте им. Калинина бурильщиком В. А. Луни ком была произведена модернизация резца № I конструкции Харьковского опытного завода Комбината твердых сплавов (КТС), получившего наибольшее распространение при бурении шпуров и выпускавшегося с 1934 г. по 1950-е гг. (рис. 2, а). Усовершенствование конструкции резца заключалось в развороте его перьев таким образом, что образовались отрицательные передние углы у главной режущей кромки (рис. 2, б). Резец получил название № 1-У - угольный улучшенный. Произведенная модернизация способствовала увеличению производительности бурильных работ [1,2].
a
fop*f я для »ttfltta nopei
Форма dfl* cptdttui taped
Сечение 5ypa
Форма для я&рхих пород
В дальнейшем к работам по усовершенствованию буровых резцов подключились научно-исследовательские организации. С этого момента начинаются научные изыскания рациональной геометрии лезвий резцов, форм и размеров их вставок из твердых сплавов и способов соединения резцов с буровыми штангами [3].
Одним из направлений совершенствования буровых резцов является создание конструкций, обеспечивающих расширение области применения вращательного бурения шпуров.
Так, Институтом физики и механики горных пород Академии наук Киргизской ССГ был усовершенствован буровой резец Д-2С (рис. 3, а), предложенный Г. П. Вереску новым, который предназначался дтя разрушения пород с коэффициентом крепости по
М, М. Протодьяконову / < 16 крупным сколом. Необходимость в совершенствовании резца Д-2С была обусловлена проведенными в 1960 г. массовыми производственными испытаниями этих резцов на ряде шахт Луганского совнархоза, которые показали плохое разрушение горной породы между пластинками твердого сплава, неудовлетворительное удаление крупных фракций буровой мелочи от забоя и низкую стойкость. Усовершенствованный резец Д-2С получил название Д-2СУ {рис, 3,6) [1,4].
Резец Д-2СУ имеет в своей конструкции усиленный корпус, увеличенную толщину пластинок твердого сплава до 5 мм, цилиндрический хвостовик диаметром 30 мм под внутреннюю резьбу прямоугольного профиля диаметром 20 мм с упором, разгружающим витки от передачи
Рисунок 2. Буровые резцы: в - № 1 КТС; б- № 1-У.
Рисунок 1. Буровые резцы цельной (а) и съемной (6) конструкций.
Рисунок 4. Буровые резцы: а-РКП-1; 6 - РКП-1К; в - РКП-3; г - РКП-ЗК.
крутящего момента. Габочий диаметр усовершенствованного резца 40 мм, углы заточки пластинок оставлены прежними [1].
При работе резцами Д-2СУ по породам с коэффициентом крепости по М, М. Протодьяконову/ = 10-14 скорость бурения в 1.25-2,5 раза выше, а энергоемкость процесса разрушения в 2,2-2,3 раза ниже в сравнении со скоростью и энергоемкостью процесса разрушения такими резцами, как РП-7Ц и РСТ [5],
На базе бурового резца Д-2С также была создана серия резцов для разрушения пород крупным сколом под маркой РКП (РКП- ], ГКП-] К. РКП-3 и РКП-ЗК). Эти резцы представлены на рис. 4 [4].
Резцы имеют в своих конструкциях опережающие и периферийные лезвия 1 и 2, которые вмонтированы в корпус 3. Плоскости А армированы твердосплавными пластинками [4].
Применение этих резцов в Киргизии на руднике Хайдаркан позволило успешно заменить ударное бурение на вращательное [4].
Институтом сверхтвердых материалов Академии наук Украинской ССР в 1960 г. был разработан резец РБ42-2 для вращательного бурения шпуров в горных породах с коэффициентом крепости по М, М. Протодьяконову/ = 5-] 5, серийно выпускавшийся с 1968 г. Особенность его конструкции заключается в наличии твердосплавных режущих вставок с линзообразным сечением, которые установлены под отрицательным углом 20", В процессе эксплуатации этого резца было установлено, что при бурении пород с коэффициентом крепости по М, М. Протодьяконову более 8 происходят частые поломки тве-досплавных пластин, а скорость бурения относительно низкая [1,6].
В дальнейшем на смену резцу РБ42-2 Новочеркасским политехническим институтом совместно с ИГД им. А. А. Скочинского, ВНИИТС и Краснолучским машиностроительным заводом был разработан резец РП-42, предназначенный для бурения крепких горных пород. Серийное производство резца РП-42 взамен резца РБ42-2 было организовано в 1977 г. на Краснолучском
Рисунок 8. Буровой резец № 3 - эксцентриковый. Рисунок 9. Буровой резец БИ 739.
машиностроительном заводе [6]. Резцы РБ42-2 и РП-42 представлены на рис. 7 [6],
Одним из показателей эффективности вращательного бурения шпуров является энергоемкость процесса разрушения горной породы. Снижения энергоемкости бурения можно достичь путем совершенствования конструкций резцов.
Так, исследователем Н, В, Деревянко было предложено эксцентричное расположение режущих перьев, за счет чего в процессе бурения каждое перо срезало свежую часть породы с забоя шпура, а не двигалось по траектории предыдущего пера. Предложение Н, В. Деревянко было использовано при создании резца № 3 - эксцентрикового, конструкции КТС, выпускавшегося в периоде 1948 по 1952 г (рис, 8) [I].
К конструкциям резцов, позволяющих снизить энергоемкость бурения, также можно отнести резцы Д-2С и Д-2СУ (рис. 3). резцы РКП-], РКП-1К, ГКП-З и РКП-ЗК (рис. 4) и резец РКС (рис, 5), разрушающие горную породу крупным сколом,
В процессе вращательного бурения шпуров при проведении буровзрывных работ было замечено, что при бурении некоторыми конструкциями резцов образуется винтовая нарезка, уменьшающая эффективное сечение шпура, что затрудняет его заряжание. Для устранения этого негативного фактора было предложено несколько вариантов - увеличение рабочего диаметра бурового
резца, а также использование в конструкции резца «контурной ленты» (рис. 9), обеспечивающей направление резца в шпуре и направление выхода буровой мелочи [1],
Помимо классических двухперых конструкций буровых резцов, различными исследователями предпринимались попытки создания инструмента с большим количеством перьев.
Так, в 1956-1959 гг. проводились экспериментально-исследовательские работы ЦНИИПодземмашем по поиску наиболее целесообразных конструкций резцов для бурения по породе. Наилучшие результаты по скорости бурения при удовлетворительной износостойкости были отмечены у четырехперых резцов РПГ-2 и ГПГ-3 (рис. 10), Конструкции этих резцов имеют два дополнительных пера, располагающихся в плоскости, перпендикулярной к центральным (опережающим) перьям, и предназначены для расширения буримого шпура до требуемого диаметра [I].
Стоит отметить, что выпуск этих резцов так и не был налажен. Возможно, это произошло ввиду сложности конструкции и отсутствия специальных армирующих пластинок твердого сплава для перьев [ 1 ].
В настоящее время отечественной промышленностью освоен выпуск трехперых буровых резцов. Создание такого инструмента было вызвано заклиниванием двухпе-рых резцов в шпуре при попадании их в трещины в горной породе при бурении. Кроме того, трехперые буровые резцы обладают более прочной конструкцией, за счет
Рисунок 10. Буровые резцы: а - РПГ-2; 6 - РПГ-3.
_ Ступень рехш>
j г Л Ступень эйэвйцди
J Сщпен> зиптя
Рисунок 12. Буровой резец.
Рисунок 11. Буровой резец РПА-27-3/14.
чего обеспечивают передачу большей разрушающей энергии на забой, и в отличие от двухперых конструкций могут использоваться с более мощными гидравлическими буровыми станками.
В 2005 г. ООО «Горный инструмент* в содружестве с ОАО «Боркутауголь« разработали трехперый буровой резец РПА-27-3/14 (рис. 11) предназначенный для разрушения трещиноватых горных пород с коэффициентом крепости по М, М, Протодьяконову/= 3-7 [7, 8]. Ресурс разработанного резца оказался в 2-7 раз выше по сравнению с резцами иностранного производства, применяемыми на ОАО «Воркутауголы» [7].
Однако конструкция этого резца имеет некоторые недостатки, заключающиеся в цилиндричности шнека корпуса, что приводит к трению корпуса резца о стенки шпура и вызывает износ корпуса, тем самым уменьшая ресурс самого резца. Помимо этого, на резце отсутствует ступень дтя его установки и снятия с буровой штанги [9].
В 2014 г. компанией ООО «Пэрный инструмент» был предложен трехперый резец (рис. 12), позволяющий устранить недостатки резца РПА-27-ЗД4. Резец имеет усовершенствованную конструкцию корпуса с наличием зажимной ступени, обеспечивающей силовое соединение резца со штангой [9].
Помимо постепенного развития геометрии лезвий резцов и поиска оптимального армирующего материала для оснащения их режущих пластин, совершенствованию также подвергались конструктивные схемы для соединения инструмента со штангой.
В 1930-е гг. широкое распространение получили конструкции буровых резцов с хвостовиками в виде плоского выступающего клина. Примером такой конструкции хвостовика может служить резец № I КТС (рис. 2, а) [ 1 ].
В процессе бурения хвостовик резца испытывает значительные нагрузки, способные привести к его поломке при некачественном изготовлении инструмента. Для
недопущения этого было предложено изготовлять хвостовики цилиндрическими, разгруженными от передачи крутящего момента. Момент передается от штанги к резцу через 111 лицевой выступ в верхней части резца. Примером таких резцов могут служить резцы РП-71ДБ (рис, 6) и РП-10 (рис. 13) производства Краснолучского машиностроительного завода. Стоит отметить, что конструкция хвостовика резца РП-7ЦБ помимо этого обеспечивает более точную посадку резца в гнездо буровой штанги []].
В истории горного дела также известна конструкция хвостовика резца, выполненная с замком для крепления его к буровой штанге (рис. 14) [ 10].
Замок состоит из крючка I, головки 2 и пружины 3, Функция замка заключается только в удержании резца от выпадения, вращение же на резец передается при помощи выступов 4, находящихся на хвостовике 5, которые входят в соответствующие пазы, располагающиеся в головке буровой штанги [ 10].
В настоящее время наибольшее распространение в конструкциях резцов получили следующие варианты их соединения со штангой: в виде плоского выступающего
клина (рис. 2), конусное (рис. 15, а) [11] и резьбовое (рис, 15.6, в) [12],
Как известно, основным трендом в развитии горного инструмента в настоящее время является поиск новых армирующих материалов для его режущих частей. Тяжелой промышленностью выпускаются резцы с лезвиями на основе поли кристаллического алмаза, обладающего повышенной износостойкостью в сравнении с вольфрамо-ко-бальтовым сплавом. В настоящее время на ООО «Пэрный инструмент» налажен выпуск таких резцов под маркой РПК (рис, 15, б) [12].
Работы по поиску новых материалов для армирования лезвий буровых резцов ведутся также сотрудниками Сибирского государственного индустриального университета (г, Новокузнецк). В рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» по теме «Разработка экспериментальных конструкций комбинированного инструмента с применением сверхтвердых композиционных материалов для эффективного разрушения горных пород»
ИСТОРИЯ ГОРНОГО ДЕЛА а
зв*
Рисунок 15. Соединения хвостовиков: а - конусное (резец БИ 741-25); б - наружное резьбовое (резец PÎ1K-28/R17/13K);
в - внутреннее резьбовое (резец РП-26.14М).
Рисунок 16. Экспериментальные конструкции буровых резцов: а - двухперая с круглой режущей вставкой; б - двухперая с полукруглой режущей вставкой; е - трехперая с полукруглой режущей вставкой.
(соглашение № 14.607.21,0028 от 05,06.2014 г.) было предложено использовать для армирования режущих пластин буровых резцов сверхтвердый композиционный материал на основе кубического нитрида бора.
Экспериментальный горный инструмент дтя бурения шпуров вращательным способом был выполнен в виде резцов двухперой (рис. 16, а, б) и трехперой (рис 16, в) конструкций, с крутлой и полукруглой формой режущих вставок, изготовленных из сверхтвердого композиционного материала на основе кубического нитрида бора.
Данные экспериментальные конструкции предназначены для бурения шпуров диаметром 30 мм.
Сравнение эксплуатационных характеристик разработанных конструкций буровых резцов осуществлялось с серийно выпускаемыми резцами РПУ-30/М16, армированными режущими вставками из вольфрамо-кобальтового сплава (рис. 17).
Испытания разработанных экспериментальных конструкций буровых резцов на первом этапе производились посредством бурения песчано-цемент-ных блоков на лабораторном стенде. Коэффициент
крепости песчано-цементных блоков по шкале М. М. Прогодьяконова составил/= 8-9. После получения устойчивых характеристик работы резцов испытания были продолжены в шахтных условиях на буровых установках пневматического (Wombat) и гидравлического (Fletcher) типа. Испытания на пневматических станках осуществлялись посредством бурения песчаника крепостью/= 8-9 по шкале М. М. Прогодьяконова. Исследования работы резцов на гидравлических установках осуществлялись на песчанике крепостью/= 9-12 по шкале М. М. Прогодьяконова.
По окончании проведения исследований были получены данные о ресурсе испытанных конструкций горного инструмента и скорости бурения. Суммарный ресурс составил: для резцов (рис. 16, а) 57,6 м; для резцов (рис. 16, б) 30,4 м; для резцов (рис. 16, в) 15,7 м и для резцов (рис. 17) 6,2 м. Скорость бурения шпуров экспериментальными конструкциями резцов в производственных условиях на различных установках оказалась практически одинаковой и составила около 26 мм/с.
Таким образом, предложенные экспериментальные конструкции буровых резцов показали эксплуатационные
Рисунок 17. Резец РПУ-ЗОМ 16.
Рисунок 18. Резец для вращательного бурения шпуров.
Рисунок 19. Буровые резцы с асимметричной кольцевой рас- Рисунок 20. Буровые резцы: а - РП 30-14Т; 6-резец экспери-сечкой (а) и с режущей вставкой в форме эллипсообразнозо ментальный, овала Кассини (б).
характеристики, превышающие аналогичные параметры серийного инструмента. Это свидетельствует о значительных перспективах использования сверхтвердого композиционного материала на основе кубического нитрида бора для армирования режущих вставок горного инструмента.
Стоит отметить, что в настоящее время стоимость сверхтвердых композиционных материалов довольно высокая, и ввиду этого целесообразно осуществлять армирование только тех участков режущей вставки, которые испытывают наибольшие нагрузки в процессе бурения. Так, в рамках выполнения Федеральной целевой программы в Сибирском государственном индустриальном университете на базе серийного резца БИ-741 была разработана конструкция резца для вращательного бурения шпуров [И] с режущими пластинами из твердого сплава, содержащими участки из сверхтвердых материалов, в качестве которых могут быть использованы кубический нитрид бора или технические алмазы. Разработанная конструкция бурового резца приведена на рис. 18. Участки пластины, выполненные из сверхтвердых материалов, обозначены буквой А и имеют форму трехгранной пирамиды, один из плоских углов которой выполняется тупым (более 90*), а два других плоских угла - острыми.
Помимо резца с комбинированными режущими пластинами, в Сибирском государственном индустриальном университете были также разработаны и другие конструкции буровых резцов: с асимметричной кольцевой рассечкой (рис, 19, а) [14] м с режущей вставкой в форме эллипсообразногоовала Кассини (рис, 19,6) [15].
Буровой резец с ассиметричной кольцевой рассечкой состоит из корпуса 1, двух перьев с прерывистыми лезвиями, выполненными в виде переферийных 2 и внутренних Т и 2" полулезвий, при этом внутренние полулезвия 2' и 2" устанавливаются относительно оси резца асимметрично, на расстоянии L¡ и За счет асимметрии установки внутренних полулезвий 2" и 2" их полосы резания перекрывают друг друга, тем самым обеспечивая разрушение забоя шпура крупным сколом, что приводит к снижению энергоемкости процесса бурения [14]. На основе конструкции такого инструмента возможно создание резцов с различными комбинациями полулезвий, соответствующих тем или иным условиям бурения шпуров.
Резец с режущей вставкой в форме эллипсообразного овала Кассини состоит из корпуса 1, двух перьев с твердосплавными вставками 2 в форме эллипсообразного овала Кассини, лезвия которых 3 выполнены вдоль большей оси овала, при этом большие оси овалов наклонены к оси резца под острым утлом а [ 15],
Одним из достоинств этого резца является наличие на его лезвиях двух точек А1 и А1 с кривизной, стремящейся к нулю, что позволяет обеспечить полный контакт при взаимодействии с забоем в этих точках. Кроме того, использование режущих вставок в форме эллипсообразного овала Кассини способствует уменьшению затупления лезвий в процессе бурения в отличие от существующих резцов, в которых взаимодействие лезвий с забоем осуществляется по размещенным на них концентраторам напряжений.
Стоит отметить, что в настоящее время в Сибирском государственном индустриальном университете проводится подготовка к испытанию буровых резцов, у которых лезвия режущих вставок выполнены в виде дуг овала Кассини. Резцы выполнены на базе резца РП 30-14Т производства ООО «Кузнецкий машиностроительный завод» (рис 20, а). Экспериментальный резец с измененными лезвиями режущей вставки представлен на рис. 20,6.
Обобщая приведенный материал, необходимо отметить, что совершенствование резцов для бурения шпуров вращательным способом шло по пути как улучшения материала лезвий, так и поиска оптимальной конструкции корпуса и геометрии пластин.
Огромный научно-производственный опыт в разработке инструмента, отраженный в настоящей статье, свидетельствует о постепенном развитии конструкций режущих вставок в направлении повышения их абразивной стойкости от углеродистых и высоколегированных инструментальных сталей до армирования лезвий материалом на основе синтетического алмаза. Помимо этого, в развитии конструкций буровых резцов можно также выделить несколько направлений: расширение области применения вращательного бурения шпуров; снижение энергоемкости процесса бурения; создание многоперых конструкций резцов; совершенствование конструкций хвостовиков инструмента дтя повышения надежности соединения с буровыми штангами.
ЛИТЕРАТУРА
I.. И вин В. И. Исследование с целью создания научных основ расчета и проектирования режущего инструмента вращательного бурения шпуров: дне. ... каед. техн. наук. Фрунзе: ФПИ, 1970. 185 с.
2. Михайлов В. Г. Горный инструмент. М.: ^летехиздат, 1950.168 с.
3. Алимов О. Д. Бурильные машины. М.: Машиностроение, 1976. 295 с.
4. Миндели Э. О. Буровзрывные работы при подземной добыче полезных ископаемых. М.: Недра, 19Ö6. 556 с.
5. Сологуб С. Я., Ткаченко Б. М. Некоторые результаты исследования поляризационно-оптическнм методом по разрушению горных пород при вращательном бурении// Разрушение горных пород механическими способами. 1966. С. 195-301.
6 Крапивин М. Г. Горные инструменты. М.: Недра, 1979. 263 с.
7. Прокушен ко С. И., Мошкин Н. В. Ресурс - одно из основных условий эффективности Я Горная промышленность. 2006. N2 4 (66). С. 19-21.
8. Трехперый режц для бурения шпуров: пат.. 53702 Рос. Федерация. № 2005140232/22; заявл. 22.12.05; опубл. 27.05.06, Бюл.. № 15.
9. Четырехступенчатый трех лезвийный буровой резец для вращательного бурения шпуров: пат. 2558097 Рос. Федерация. № 2014109599003; заявл. 12.03.14; опубл. 27.07.15, Бюл. №21.
10. Чупрунов Г. Д. Бурение шпуров при проведении горизонтальных и наклонных выработок: М.: У^петехиздат, 1954. 75 с.
II. Буровые резцы. URL: http:/j^iizrnash.coniflndex.ptip?op1ion=coni_conitentiview=ar1icle&id=71Älteniid=133
12. Резцы для вращательного бурения. URL: h^:/A«ww.gnn5.nj/t}roducts/tools/drilling-rods/
13. Буровой резец для вращательного бурения шпуров: пат. 2647519 Fbc. Федерация. N2 2016145026; заявл. 16.11.1S; опубл. 16.03.18, Бюл. № 8.
14. Буровой резец: пат. 2619958 Рос. Федерация. № 2015125831; заявл. 29.06.15; опубл. 22.05.17, Бюл. № 15.
15. Буровой резец: пат. 2709900 Рос. Федерация. № 2017142892; заявл. 07.12.17; опубл. 23.12.19, Бюл. № 16.
