CC BY
34
---------------------------------------- © П.Е. Канюка, 2007
УДК 621.78 П.Е. Канюка
ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ АДАПТЕРОВ (ХВОСТОВИКОВ)
Семинар № 21
Адаптер (хвостовик) должен иметь по возможности простые геометрические формы с плавными переходами от одного сечения к другому. Сложные геометрические формы, кроме того, что они не технологичны, опасны по динамической прочности. Резкие переходы от одного сечения к другому вызывают локальные увеличения напряжения, обусловленные интерференцией прямых и отражённых волн, а это приводит к быстрому выходу из строя хвостовика, рис. 1.
Адаптер (хвостовик), как деталь нагруженная ударом, должна иметь большие запасы продольной устойчивости.
Усилия, развиваемые при ударе, измеряются десятками тонн и поэтому проверка соударения адаптера (хвостовика) с поршнем, на продольную устойчивость является необходимым этапом расчёта.
Запасы продольной устойчивости должны быть очень большими ещё и потому, что всегда существует радиальная составляющая удара из-за косого и нецентрального удара, которая вызывает поперечные колебания длинных и тонких соударяющихся тел.
Наличие поперечных колебаний соударяющихся тел, имеющих недостаточную поперечную жёсткость, также является одной из основных причин задиров рабочих поверхностей этих деталей и усиленного износа.
Соударение адаптера (хвостовика) кроме объёмного нагружения ударными нагрузками в процессе работы нагружается ещё и локальными нагрузками по трущимся поверхностям вследствие подвижного контакта по неровностям.
Кроме того, через контактирующие элементы, от нагруженных ударом деталей к ненагруженным, переходит часть энергии в виде упругих волн. Эти сложные условия работы хвостовика требуют тщательного подхода к выбору материала и вида технологической обработки хвостовика.
Из-за тяжёлого режима трения -скольжения в условиях полусухого и полужидкого трения влияние различных легирующих элементов, входящих в состав стали для изготовления хвостовика, на склонность деталей к схватыванию довольно велико.
Если воздухораспределительные или промывочные каналы находятся в соударяющихся деталях (в том числе адаптер), их необходимо располагать вдоль оси либо по возможности под более пологим углом.
Обеспечить его равнопрочное сечение хвостовика не представляется возможным. Шпиндель должен иметь опорные выступы с достаточно большой контактной поверхностью, как для передачи усилия подачи, так и для передачи крутящего момента. Кроме того, хвостовик должен сопрягаться со ставом детали, что осуществляется внутренней резьбой в шпинделе, либо
Рис. 1
наружной резьбой и муфтой. Таким образом конструкция хвостовика определяется достаточно жестко.
Основные виды повреждаемости адаптера (хвостовиков): износ
шлица, выкрашивание резьбы, выкрашивание и смятие торцевой поверхности адаптера, ударяющей по торцу бура.
Сухое трение между деталями, совершающими возвратно-поступательное или колебательное движение нельзя предотвратить т.к. осуществить постоянную смазку не представляется возможным;
Отсутствие смазки в зоне трения, наличие воды и абразивных частиц высокой твёрдости создают благоприятные условия к металлическим свя-
зям, т.е. к заеданию трущихся поверхностей.
Высокая частота ударов поршня об адаптер (хвостовик) бура, вызывает вибрацию всей машины и является источником повреждаемости отдельных ее частей
Машины, находясь в шахте, по различным причинам не эксплуатируются, в результате трущиеся поверхности подвергаются усиленной коррозии, прочность поверхностных слоёв при этом уменьшается и создаются благоприятные условия для износа;
Вода, поступающая в перфоратор для промывки шпура, способствует уменьшению запылённости забоя и лучшему отводу тепла с поверхностей трения, в то же время ухудшает условия смазки, вызывает коррозионный, кавитационный и эрозионный износ адапте-адапте-ра (хвостовика). Из рассмотренных выше схем попадания бурового шлама внутрь буровых машин и анализа составляющих элементов горных пород очевиден абразивный износ.
В современных бурильных машинах применяемые способы подачи масла между трущимися поверхностями не гарантируют стабильной масляной плёнки. Поступающая в зону трения воздушно-водяная смесь и шлам фактически непрерывно оголяют трущиеся поверхности и способствуют тем самым возникновению благоприятных условий для увеличения трения и, следовательно, износа.
В стальных поворотных буксах наблюдается износ шлицев и поломка в
Рис. 2
продольном и поперечном направлениях. Причём начальные трещины возникают в месте выкружки профиля шлицев, где решающее влияние оказывают концентрация напряжений и остаточные напряжения после термической обработки (рис. 2).
Состояние поверхностей адаптера (хвостовика) оказывает заметное влияние на эффективность работы перфоратора. Износ трущихся поверхностей вызывает увеличение зазоров, а получающийся внецентрен-ный удар увеличивает потери на трение.
Рис. 3
Удар адаптера бура вызывает остаточные деформации на торце хвостовика и нагрев соударяющихся тел.
Длительная циклическая нагрузка способствует возникновению микроскопических трещин, которые впоследствии являются очагами процесса выкрашивания.
Такие условия работы диктуют необходимость тщательного выбора коктрукции и технологии изготовления адаптеров.
Применяемые для адаптеров стали 20ХН3А, 12ХН3А цементируют обычно на глубину 1,5-1,6 мм. Из-за большого перепада твёрдости торцевой поверхности и сердцевины адаптера (хвостовика) наблюдается скалывание цементационного слоя, а затем и нижележащих слоёв.
При недостаточной твёрдости адаптера наблюдается смятие торцевой поверхности, достигающее иногда глубины 0,6-0,7 мм (рис. 3).
Анализ большого числа поломок адаптеров (хвостовиков) показал, что основное влияние на усталостную прочность адаптеров оказывают: конструктивные концентраторы напряжений - неравенство площадей поперечных сечений адаптера;
- технологические концентраторы напряжений- микронадрезы и микротрещины, возникающие в местах
Зависимость крепости пород f (по Протодъяконову) от стойкости по проходке. Для всех испытанных хвостовиков. С выделение MAX и MIN
значений.
Крепость пород по Протодьяконову, f
Рис. 4
изменения сечений при термической обработке;
-эксплуатационные концентраторы напряжений - эрозионные и коррозионные раковины, задиры от неправильного выбора материалов пар трения и несовершенства смазочных устройств, механические повреждения. Немаловажную роль играет здесь деформация резьбы после термической обработки, способствующая неравномерному распределению нагрузки между витками резьбы, как в начальной, так и в последующей затяжке.
Анализ испытаний различных адаптеров (хвостовиков) на добывающих шахтах отдельных регионов СНГ приведен на рис. 4.
Основными видами повреждений являются износ, поломки с хрупким разрушением, усталостные разрушения, что подтверждает анализ разрушенных деталей.
Максимальный показатель по стойкости 10448 шп.м. принадлежит хвостовику модели СОР 1238 (Н38), который испытывался при бурении на руднике «Таймырский» г. Норильск,
14.0Б.1999 г., по сульфидной руде крепостью (по Протодьяконову) f=8-9. Хвостовик был установлен на буровую установку «BOOMER H353». Испытания проводились до наступления отказа, т.е. работали на максимальный показатель в течение 49 суток. Бурение проводилось на следующих средних рабочих давлениях в гидросистеме: вращение -Б0-60 bar, удар -170-200 bar, подача -140-170 bar. Для сравнения на том же руднике данные хвостовики иностранного производства фирмы BOART показывают среднюю проходку 7000-9000 шп.м.
Минимальный показатель по стойкости 100 шп.м. принадлежит хвостовику модели HL Б00 (R38), который испытывался при бурении на Южно-Жезказганском руднике г. Жезказган (Казахстан), октябрь-ноябрь 1999 г., по крупнозернистому песчанику крепостью (по Протодьяконову) f= 14-16. Хвостовик был установлен на буровую установку «Параматик Г205Т» (Тамрок). Испытания прекратились в результате поломки. Было разрушено тело хво-
Зависимость средней стойкости по проходке от крепости пород 1 (по Протодъяконову). Для всех хвоствиков получивших облом по резьбе во
время испытаний.
2000 -0 1800 -j . 1600 -Б I 1400 -
J э 1200 -
2 * 1000 -
о ч:
«о 800 -
К О
600 -&с 400 -° 200 -0
Крепость пород по Протодьяконову, f
Рис. 5
------------1---------------1----------------1----------------1---------------1-----------
f=3-4 f=6-8 f=8-12 f=13 f=14-16 f=20
Зависимость средней стойкости по проходке от крепости пород 1 (по Протодъяконову). Для всех хвоствиков вышедших из строя во время испытаний по причине износа.
4000 -
о
Ч 3500 -ох
рох 3000 рп
8 2500 -
ьт .м.
ост .п 2000 * 3
о 1500 -т с
яя 1000 н
ерд 500
О
0
Рис. 6
стовика на втором витке в конце ниях в гидросистеме: вращение -до-
резьбы. Бурение проводилось на 100 bar, удар -150-160 bar, подача -
следующих средних рабочих давле- 70-80 bar.
« 3674
2193 — ^1894
400
f=8-9 f=8-12 f=12-15 f=14-16
Крепость пород по Протодьяконову, f
Диаграмма процентного отношения деталей остающихся в работе и деталей вышедших из строя в процессе испытаний.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Процентный показатель, %
□ Деталь находиться в работе □ Деталь вышла из строя
Рис. 7
Для сравнения на том же руднике данные хвостовики производства
фирмы БОДНТ показывают среднюю проходку 2000 шп.м., фирмы Бап^к показывают среднюю проходку 6000 шп.м.
Основные поломки хвостовиков при данном испытании были связаны с нерациональной конструкцией хвостовика - компенсирующая зарезьбо-вая канавка, неточный промывочный паз и так же наличие микротрещин после правки хвостовиков.
На рис. 5 приведены данные по стойкости хвостовиков, получивших разрушение по резьбовому соединению в зависимости от крепости буримых пород.
На рис. 6 приведена средняя стойкость хвостовиков при разрушении от изнашивания.
Анализ отказов бурового става по различным деталям представлен на рис. 7.
Как видно из приведенных данных хвостовики и коронки являются деталями, наиболее часто выходящими из
строя вследствие поломок, вызываемых различными причинами и износа. Коронка является сменной деталью, и повышения ее долговечности посвящено много работ.
Отказы хвостовика составляют 77.5 %. Основными причинами отказов являются высокие ударные нагрузки и высокий износ. Общий показатель в 59,4 % говорит о том, что в настоящее время в области повышения долговечности и износостойкости буровых деталей, еще остаются нерешенные задачи для уменьшения данного показателя.
В таблице приведены значения стойкости деталей ударно-вращательной системы бурового инструмента.
Средняя стойкость говорит о том, что необходимо решать задачи по уменьшению разницы между максимумом и минимумом, с последующим выведением показателей на более максимальное значение стойкости.
Эту задачу можно решать технологическими методами рациональных
Таблица значений стойкости деталей ударно-вращательной системы, в шп.м.
МАХ (максимальное значение) МШ(минимальное значение)
Хвостовики 4338 938,9
Муфты 3670,33 1377,75
Штанги 1204 395
Коронки 1033 481,4
Средний показатель 2561,33 798,26
инструментов и режимов механической обработки и упрочнения.
Применение в производстве отечественного и импортного инструмента дает положительный эффект. Импортный инструмент во много раз дороже, то не все предприятия способны обеспечить свой завод лишь этим инструментом. Импортный инструмент, который окупает себя во много раз быстрее чем, такой же отечественный инструмент, создает серьезную конкуренцию и большое поле деятельности для отечественных производителей. Обработка достаточно вязких материалов предъявляет свои требования к металлообрабатывающему инструменту. Достаточно острые режущие кромки и соответствующие твердые сплавы со специальным покрытием, обеспечивают мягкое резание и хорошее качество обработанных поверхностей.
Развитие металлорежущих станков и автоматизация процесса обработки предъявляет растущие требования к инструменту с многогранными непе-ретачиваемыми пластинами:
• более высокая жесткость инструмента;
• жесткое и беззазорное закрепление пластин;
• высокая повторяемость установки и постоянство геометрии режущей кромки при смене и повороте пластин;
• простая и быстрая смена пластин;
• хорошее стружкообразование и хорошее стружколомание в широком диапазоне применения;
Сегодня отечественная промышленность переживает период, когда открыт широкий спектр инструмента для различных видов металлообработки.
Повышение качества механической обработки не обеспечивает достаточного повышения долговечности, поэтому следующим этапом работы является разработка методов упрочняющих цементуемые детали.
Нами рассматриваются современные методы химико-термической обработки и последующей магнитоимпульсной обработки.
Современные технологии повышающие долговечность могут быть только комплексными включающими как процессы производства так и процессы упрочнения.
В последние годы в области химико-термической обработки наблюдается тенденция поиска способов воздействия на процессы протекающие при любом виде ХТО с целью интенсификации процесса диффузионного насыщения и повышения качества получаемых поверхностных слоев.
Наиболее эффективное решение этой проблемы - использование электрических разрядов в насыщающих газовых средах. Нами исследовались процессы ионной цементации, позволяющие получить требуемые структуры и распределение твердости по сечению хвостовика, рис. 8.
Рис. 8
Зависимость массы потерянной после изнашивания (мг.) от времени изнашивания (ч.).
10001
800
600
о 400
га
о
о
га
200
0
Время изнашивания, ч.
□ ХТО
□ Ионная Цементация
□ ХТО+МИО
Рис. 9
Такое распределение твердости и микроструктура стали должна обеспечить повышение долговечности цементованной детали и этот процесс обработки может быть рекомендован для использования.
Для дальнейшего повышения долговечности цементованных деталей мы провели магнитно-импульсную обработку образцов и испытали их на машине трения.
Изнашивание на машине трения - масло +10 % кварцевого песка.
Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:
- для повышения долговечности наименее стойкой детали в ударной цепи бурильной установки, адаптера следует использовать - ионную цементацию; цементацию с последующей магнитноимпульсной обработкой; ионную цементацию с последующей МИО.
- развитие металлорежущих станков и автоматизация процесса обработки предъявляет растущие требования к инструменту с многогранными неперетачиваемыми пластинами:
• более высокая жесткость инструмента
• жесткое и беззазорное закрепление пластин
• высокая повторяемость установки и постоянство геометрии режущей кромки при смене и повороте пластин
• простая и быстрая смена пластин
• хорошее стружкообразование и хорошее стружколомание в широком диапазоне применения
Поэтому применение выше представленного инструмента сейчас актуально для деталей имеющих низкие показатели по стойкости, ггш
— Коротко об авторах-----------------------------------------------------------------
Канюка П.Е. - аспирант кафедры «Технология машиностроения и ремонта горных машин», Московский государственный горный университет.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 21 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. Л.И. Кантович.
ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИИ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ИНСТИТУТ ГОРН< ОГО ДЕЛА СИБИРСКОГО ОТДЕ ЛЕНИЯ РАН
АЁИМСЕИТОВА
Жанар
Кенесхановна
Г еомеханическое обоснование порядка отработки свиты пологопадающих залежей камерностолбовой системой разработки (на примере Жезказганского месторождения)
25.00.20
25.00.22
