Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и постановка задачи исследования. 7
1.1 Анализ современного состояния исследований в области способов и технических средств механического разрушения горных пород при бурении шпуров и скважин. 7
1.2 Анализ современного состояния исследований в области способов и средств упрочнения породоразрушающих инструментов горных машин .17
1.3 Опыт применения магнитно-импульсного упрочнения в различных отраслях промышленности. 26
1.4 Уточнение требований к породоразрушающим инструментам. 29
Выводы 30
2 Теоретические исследования параметров системы инструмент-среда 31
2.1 Исследование параметров разрушающей среды. 31
2.2 Исследование параметров буровых коронок . 43
2.3 Исследование параметров магнитно-импульсного упрочнения. 50
2.4 Расчёт напряженного состояния буровых коронок при разрушении горных пород. 57
2.5 Построение моделей буровых коронок 63
Выводы 82
3 Экспериментальные исследования. 84
3.1 Методика проведения промышленных испытаний. 84
3.2 Экспериментальные исследования образцов . 88
3.3 Исследование результатов эксперимента на эффективность работы. 101
3.4 Разработка рекомендаций по повышению стойкости буровых коронок на крепких породах 102
Выводы 102
4 Оценка полученных результатов и перспективы дальнейшего совершенствования породоразрушающего инструмента . 104
4.1 Выбор основных параметров бурового инструмента. 104
4.2 Пути дальнейшего совершенствования пород оразрушающего инструмента . 104
4.3 Экономическая эффективность внедрения результатов исследования. 106
Заключение 109
Литература 111
- Анализ современного состояния исследований в области способов и средств упрочнения породоразрушающих инструментов горных машин
- Исследование параметров буровых коронок
- Экспериментальные исследования образцов
- Пути дальнейшего совершенствования пород оразрушающего инструмента
Введение к работе
Бурение представляет собой трудоёмкий и дорогостоящий процесс. Наибольшее распространение на открытых горных работах получили вращательный и ударно-поворотный способы бурения - шарошечными долотами и твердосплавными коронками, причём на вращательный способ бурения шарошечными долотами приходится до 80% всех объёмов бурения.
В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция увеличения объемов городского и промышленного строительства, реконструкция сложившейся части городов и промышленных предприятий, дальнейшее их развитие. В связи с этим возникает необходимость в гранитных изделиях. Потребность в облицовочной продукции и архитектурных изделиях из гранита сегодня удовлетворяется только на 30 %, а в продукции из высокопрочных облицовочных пород только на 10 - 12 %.
Для получения качественных гранитных изделий используются буровые станки ударно-вращательного бурения. Данная технология приводит к интенсивному абразивному изнашиванию инструмента, взаимодействующего с крепкой породой, усталостному разрушению коронок подверженных циклическим нагрузкам, существенно снижающему стойкость инструмента. Для обуривания товарных блоков на карьерах блочного камня буровые станки на крепких породах, как правило, оснащаются тремя типами бурового инструмента: долотчатыми, крестообразными и штыревыми буровыми коронками диаметром до 45 мм. Основным параметром по изменению, которого можно судить о степени стойкости долотчатой или крестообразной коронки, является ширина притупления режущей кромки.
В настоящее время применяются различные способы и средства повышения стойкости горных породоразрушающих инструментов: оксидирование, фосфатирование, хромирование, никелирование, борирование, электроискровое легирование, плазменное напыление, нитроцементация, диффузионное хромирование, обработка взрывом, прокатывание, наклеп, закалка изотермическая, закалка ступенчатая,
термомеханическая обработка, однако применяемые способы и средства не в полной мере снимают остроту проблемы увеличения стойкости инструмента. Поэтому обоснование параметров и способа повышения стойкости бурового инструмента является актуальной научной задачей.
Цель работы заключается в обоснования параметров и способа повышения стойкости коронки при бурении шпуров в крепких породах, позволяющей повысить производительность станков.
Идея работы заключается в снижении уровня внутренних напряжений в коронке путем её магнитно-импульсного упрочнения, повышающего её стойкость.
Научные положения, выносимые на защиту и новизна:
Математическая модель напряжённого состояния буровой коронки, позволяющая определить уровень внутренних напряжений в ней с учётом физико-механических характеристик материала, теплового эффекта и геометрии зон контакта ударника и коронки.
Зависимости изменения стойкости буровых коронок по притуплению режущей кромки их твердосплавного вооружения, учитывающие влияние конструкции коронок и параметры их магнитно-импульсного упрочнения.
Параметры магнитно-импульсного упрочнения, такие как напряженность магнитного поля индуктора 1600 кА/м, число импульсов 40-50 и время импульса 0,5 с. обеспечивают наибольшую стойкость долотчатых, крестообразных и штыревых буровых коронок.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются теоретическими и экспериментальными исследованиями, базирующими на апробированных методах теоретической и прикладной механики, а также достаточным объёмом экспериментальных данных. Сходимость полученных в диссертации теоретических и экспериментальных данных при 90 - процентной доверительной вероятности и величине относительной ошибки не выше 0,15 составляет 95%.
Научное значение работы заключается в разработке математической
модели напряжённого состояния буровой коронки, в установлении
зависимостей изменения стойкости буровых коронок по притуплению режущей кромки их твердосплавного вооружения, учитывающие влияние параметров их магнитно-импульсного упрочнения.
Практическое значение работы заключается в разработке методики повышения стойкости буровых коронок за счёт их магнитно-импульсного упрочнения.
Реализация результатов работы. Разработанная методика, повышения стойкости долотчатых, крестообразных и штыревых коронок упрочнённых магнитно-импульсным методом, используется на предприятии ООО "Выборгские граниты" с годовым экономическим эффектом 714120 рублей.
Апробация работы. Основные положения и содержания работы были доложены: на международных научных симпозиумах Неделя горняка - 2003, 2004, 2005, г. Москва; на научном семинаре кафедры "Горные машины и оборудования" Ml ГУ; на технических советах предприятия ООО "Выборгские граниты".
Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 научных работы.
Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложения, содержит 15 таблиц, 35 рисунков, и список литературы из 122 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность доценту кафедры "Подъёмно-транспортные, путевые и строительные машины" СПГУПС канд. техн. наук С.К. Коровину, а также профессору кафедры "Горные машиных и оборудования" док. тех. наук
Первову К.М.
Анализ современного состояния исследований в области способов и средств упрочнения породоразрушающих инструментов горных машин
Рабочий инструмент непосредственно выполняет ту работу, для которой созданы горная машина и ее исполнительный орган - разрушает горную породу. Рабочие инструменты горных машин эксплуатируются в тяжелых условиях: переменные по характеру и величине нагрузки, пиковые значения которых в 5-Ю раз превышают средние значения; изменчивые свойства разрушаемых пород; повышенная температура и др. Повышение производительности и энерговооруженности горных машин ведет к увеличению нагрузок на рабочих инструментах, что предъявляет все возрастающие требования к их прочности и стойкости.
Существует большое разнообразие рабочих инструментов [11.14.37.38]. Разработан и предложен целый ряд классификаций рабочего инструмента, в основу которого положены различные признаки: назначение, область применения, конструктивные особенности и др. Приведем классификацию рабочих инструментов горных машин, в основу, которой положен наиболее важный признак - способ разрушения горных пород. По этому признаку все рабочие инструменты горных машин подразделяются на следующие типы: режущие, дробящие, раздавливающие, комбинированные.
Проблема повышения стойкости породоразрушающего инструмента, очистных и проходческих комплексов, струговых и буровых установок, шарошечных долот, зубьев ковшей экскаваторов и т.д., ровно, как и деталей этих машин, особенно остро встала в последние годы в связи с резким их удорожанием.
В настоящее время применяются различные способы и средства повышения стойкости горных породоразрушающих инструментов [12, 87]: оксидирование, фосфатирование, хромирование, никелирование, борирование, электроискровое легирование, плазменное напыление, нитроцементация, диффузионное хромирование, обработка взрывом, прокатывание, наклеп, закалка изотермическая, закалка ступенчатая, термомеханическая обработка. Ниже рассмотрены наиболее эффективные способы повышения стойкости инструмента.
При нитроцементации происходит одновременное насыщение поверхностного слоя азотом и углеродом, образующимися в результате разложения жидкого цианизатора - триэтаноламина, жидкого или газообразного карбюризатора и аммиака, при их одновременной подаче в печь. В качестве жидких карбюризаторов применяют керосин, легкое индустриальное масло, пиробензол, в качестве газообразных - природный газ и газ, используемый для бытовых нужд. Нитроцементацию технологической оснастки производят в шахтных муфельных электропечах или в камерных электропечах после механической и термической обработки. Инструмент не должен иметь прижогов, заусенцев и других дефектов на поверхности режущих кромок. Твердость инструментов перед нитроцементациеи должна быть не менее HRC 61. Подготовка инструментов к нитроцементации заключается в очистке и обезжиривании поверхности. Глубина слоя нитроцементации составляет 0,02....0,05 мм. Продолжительность выдержки устанавливают в зависимости от вида и размеров поперечного сечения инструмента.
Диффузионное хромирование - процесс насыщения поверхности технологической оснастки хромом. Диффузионному хромированию подвергают технологическую оснастку, изготовленную из стали марок 10, 45, 40Х по ГОСТ 1050-74, 38ХМЮА по ГОСТ 4543-71 и других марок с целью повышения ее стойкости. Его проводят в высокотемпературных печах. Составы рабочих смесей, рекомендуемые для хромирования, приведены в таблице 1.5. Детали загружают в нагревательную печь в контейнерах для хромирования с обычной крышкой, уплотняемой обмазкой, или в контейнерах с плавким затвором. Рабочая температура процесса 950 1100С, время выдержки 6...12 ч, скорость хромирования 0,02...0,04 мм/ч. Твердость обработанной оснастки достигает HV1200 при глубине слоя 0,3 мм.
Твердое износостойкое хромирование применяют для повышения износостойкости и восстановления контрольного, измерительного и режущего инструмента, а также формообразующих элементов штампов и пресс-форм, дыропробивных пуансонов и матриц.
Типовой технологический процесс хромирования выполняют по такой схеме: электрохимическое анодное либо химическое обезжиривание; промывка в теплой воде, промывка в холодной воде; декапирование; промывка в холодной воде; анодная обработка; хромирование; улавливание хрома из электролита; обработка в растворе метабисульфата натрия; промывка в холодной воде, сушка. Хромируемую поверхность предварительно шлифуют или полируют. Хромирование производят в стационарных стальных ваннах, футерованных листовым винипластом. Обрабатываемые изделия служат катодом. В качестве источников тока применяют низковольтные генераторы постоянного тока, вырабатывающие ток напряжением 6/12 или 9В и силой 250...1000 А. Для питания ванн применяют селеновые выпрямители, состоящие из понижающего трансформатора и набора селеновых выпрямительных шайб.
Исследование параметров буровых коронок
Рабочий инструмент непосредственно выполняет ту работу, для которой создана горная машина и ее исполнительный орган - разрушает горную породу [3,31,32,71,78]. От рабочего инструмента в значительной степени зависит производительность горных машин и труда рабочих, износ и долговечность машин, расход энергии, качество и стоимость добываемой продукции. Рабочие инструменты горных машин эксплуатируются в тяжелых условиях: переменные по характеру и величине нагрузки, пиковые значения которых в 5 - 10 раз превышают средние значения; изменчивые свойства разрушаемых пород; повышенные температуры и др. Повышение производительности и энерговооруженности горных машин ведет к увеличению нагрузок на рабочих инструментах, что предъявляет все возрастающие требования к их прочности и стойкости.
Контроль и наблюдение за состоянием рабочих инструментов во время работы, как правило, затруднительны. Поэтому рабочие инструменты горных машин должны удовлетворять следующим требованиям: - эффективно разрушать горную породу с наименьшими затратами энергии; - обладать достаточной прочностью и износостойкостью; - обеспечивать высокую сортность добываемого полезного ископаемого и минимальное пылеобразование; - иметь форму, размеры и геометрические параметры, соответствующие свойствам разрушаемых пород, конструкции исполнительного органаи кинематике его работы; - иметь простое и надежное закрепление на исполнительном органе, исключающее потери рабочего инструмента и обеспечивающее быструю замену его при износе; - быть технологичными в изготовлении и восстановлении; - иметь невысокую стоимость изготовления и эксплуатации.
Большое разнообразие горных машин, их исполнительных органов и способов разрушения горных пород предопределено и большое разнообразие рабочих инструментов. Существует целый ряд классификаций рабочего инструмента, в основу которого положены различные признаки: назначение, область применения, конструктивные особенности и др.
Из всех конструктивных форм в практике бурения в настоящее время получили наибольшее распространение следующие типы буровых коронок: - долотчатые пластинчатые КДП - для бурения вязких монолитных пород; - долотчатые штыревые КДТТЇ - для бурения хрупких монолитных пород; - трехперые пластинчатые КТП - для бурения вязких монолитных и трещиноватых пород; - трехперые штыревые КТШ - для бурения хрупких монолитных и трещиноватых пород; - крестовые пластинчатые ККП - для бурения вязких трещиноватых и абразивных пород; - крестовые штыревые ККШ - для бурения хрупких трещиноватых и абразивных пород; - незатачиваемые (одноразового действия) КНШ (КОШ) штыревые - для бурения крепких монолитных абразивных пород.
Буровые коронки состоят из корпуса 3 и пластинчатого или штыревого твердосплавного вооружения 1. Для подачи воды к забою предусмотрено отверстие 2. Твердосплавное вооружение - это либо пластинки, либо круглые стержни из твердого сплава марки ВК15 для порол f=12 и более, марок ВК8 и ВК8В - для пород с f=10 - 12, марок ВК6 и ВК6В для пород с f=10 и менее. Твердые сплавы представляют собой смеси порошков карбида вольфрама и кобальта, спеченные при высоких температурах и давлении. Цифра в марке твердого сплава указывает на содержание кобальта в процентах. Сплавы с малым содержанием кобальта обладают более высокой твердостью, но они и более хрупкие. Твердосплавная вставка буровых коронок, разрушая горную породу в процессе бурения, изнашивается в зависимости от способа бурения. Основной причиной износа является абразивное воздействие забоя и стенок шпура при вращении коронки. Чрезмерный износ снижает скорость бурения и вызывает исключительно высокие механические напряжения в твердосплавных и стальных компонентах бурового става. Поэтому твердосплавные изделия подлежат периодической заточке для восстановления первоначальной формы. Интенсивность и характер износа зависит от геологических условий бурения.
Износ по торцу коронки происходит при бурении твердых пород, например, таких как гранит и гнейс.
При бурении мягких пород износ твердосплавных коронок незначительный, он получил название "змеиная кожа". По мере бурения поверхность твердого сплава начинает проявлять признаки усталости в виде микротрещин, напоминающих змеиную кожу (рисунок 2.4.). Появившиеся микротрещины должны быть удалены до того, как они распространятся дальше в твердый сплав и приведут к его полному разрушению. Даже при отсутствии видимых признаков образования микротрещин твердые сплавы должны быть переточены после обработки 150 шпурометров для пластинчатых коронок и 300 шпурометров для штыревых коронок при бурении неабразивных пород.
Все типы буровых коронок, кроме коронок типа КНШ, подлежат заточке после затупления. Штыревые коронки подлежат заточке при снижении скорости бурения до недопустимого уровня или при разрушении твердого сплава коронки до того, как она исчерпают свою стойкость. Обычно скорость бурения начинает снижаться, а ширина площадки затупления достигает половины диаметра штыря. По экономическим и техническим соображениям наилучшие результаты достигаются, если заточка штырей производится тогда, когда их износ составляет треть диаметра.
Экспериментальные исследования образцов
Выполненные исследования явились основой для разработки методики по повышению стойкости буровых коронок на гранитных месторождениях. Рекомендации разработаны для долотчатых, крестообразных и штыревых буровых коронок диаметром 32 мм.
На породах крепостью f=12-16 с диаметром бурения до 45 мм из условий прочности целесообразно использовать буровые коронки штыревого типа, имеющие наименьшую концентрацию внутренних напряжений.
Рассматривая полученные результаты исследований можно дать следующие рекомендации: - для повышения стойкости долотчатых буровых коронок наиболее рациональными параметрами магнитно-импульсного упрочнения являются; напряженность магнитного поля индуктора 1600 кА/м, число импульсов 40 и время импульса 0,5 с позволяющие увеличить стойкость буровой коронки в 1,3 раза. - для повышения стойкости крестообразных буровых коронок наиболее рациональными параметрами магнитно-импульсного упрочнения являются: напряженность магнитного поля индуктора 1600 кА/м, число импульсов 45 и время импульса 0,5 с позволяющие увеличить стойкость буровой коронки в 1,2 раза. - для повышения стойкости штыревых буровых коронок наиболее рациональными параметрами магнитно-импульсного упрочнения являются: напряженность магнитного поля 1600 кА/м, число импульсов 50 и время импульса 0,5 с позволяющие увеличить стойкость буровой коронки в 1,15 раза.
Предлагаемая технология магнитно-импульсного упрочнения применима для упрочнения любого режущего инструмента очистных и проходческих комбайнов, струговых установок, буровых установок (резцы, коронки, штанги, шарошечные долота и т.д.), оснащенных пластинами твердого сплава, естественными или искусственными алмазами, цельностального инструмента.
Установка предназначена также для упрочнения любого метало - и деревообрабатывающего инструмента (сверла, метчики, плашки, пилы, протяжки и т.д.), для повышения долговечности деталей горных, дорожных, строительных машин и комплексов (зубчатые рейки, шестерни, штоки, гидроцилиндры, клапаны, подшипники, зубья ковшей экскаваторов и т.д.).
Таким образом [59], магнитно-импульсное упрочнение металлов ведет к устранению грубой исходной структуры, причем часть карбида растворяется, а остальная создает мелкозернистую структуру, обеспечивая тем самым высокую прочность и износостойкость. Проведенные промышленные исследования показали, что после магнитно-импульсного упрочнения стойкость буровых коронок повышается в 1, 15-1,33 раза [62,63,64]. Достигнутый эффект при испытании различного бурового и горного инструмента обусловлен тем, что: - повышается общая прочность изделия; - повышается усталостная прочность; - уменьшаются остаточные термические напряжения; - не происходит перегрева изделия вследствие повышения коэффициента теплопроводности инструмента или детали; - после магнитно-импульсного упрочнения уменьшается скорость роста микротрещин трущихся поверхностей, в узлах трения скольжения происходит "магнитная цементация" микротрещин и улучшается магнитная смазка рабочей поверхности микроколлоидными продуктами износа материалов детали или изделия. Выявленные параметры бурового инструмента необходимо внедрять в горный инструмент на всех предприятиях ПО "Возрождения".
Пути дальнейшего совершенствования пород оразрушающего инструмента
Перспективными для контроля стойкости инструментов горных машин являются электромагнитные методы, которые являются бесконтактными, позволяют получать информацию в виде электрических сигналов. Механические и электрофизические свойства материалов заложены на уровне структуры материала и взаимосвязаны. Не случайно, одно из основных направлений развития средств диагностики материалов - поиск возможностей определения неких механических характеристик материала, связанных с его напряжённым состоянием, по параметрам физических полей, используемых для диагностики. Поэтому определение свойств материала при проведении диагностики сводится к измерению изменений неких параметров используемых физических полей. Иными словами, если на объект исследования, обладающий некоторыми заранее неизвестными способностями сопротивляться внешним воздействиям, оказать воздействие физическим полем, имеющим известные или заданные параметры, то изменения параметров используемого поля, вызванные реакцией объекта, будут представлять «отпечаток» его свойств в области, заданной типом физического поля. При этом, «отголоски» реакции будут видны и в пространстве других полей, но как косвенные «отпечатки» или вторичная реакция. Принципиально важными параметрами полей, вводимых в материал для исследования его свойств, являются энергетические параметры и, в первую очередь, интенсивность (средняя по времени энергия переносимая вводимым полем через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения энергии) и мгновенная мощность (мощность поля в данный момент времени). Вводимое в исследуемый материал поле, взаимодействуя с собственными полями материала, меняет его свойства. При этом характер, величина изменений определяются динамическим соотношением энергий взаимодействующих полей. Все изменения в структуре материала в процессе деформирования разрушения, зарождение и развитие микроповреждений отражаются в соответствующих изменениях электрофизических параметров. Применение электромагнитного метода диагностики, как дополняющего традиционные методики оценки остаточного ресурса инструмента горных машин позволит находить нарушения сплошности, оценить химический состав металла, установить металлографическую структуру основного металла, определить величину зерна, оценить особенности структурных включений и химико-термического воздействия на поверхностные слои и твёрдость металла, проанализировать кинетику потери прочности и усталостные процессы, измерить остаточные и рабочие напряжения в металле, оценить интеркристаллитную коррозию и вязкостное трение. Комплексная оценка вышеперечисленных факторов позволит более корректно прогнозировать потерю прочности инструмента, их усталостное разрушение.
Технология комплексной обработки инструмента горных машин, включающая операцию контроля фактического напряженно-деформированного состояния объекта, обеспечивает гарантированное управление уровнем концентрации остаточных механических напряжений и релаксацию концентраторов механических напряжений, а также управление градиентом механических напряжений (для конструкционных сталей - разности главных механических напряжений). Такая технология позволит перейти от оценки технического состояния и прогнозирования ресурса инструмента к управлению её эксплуатационными свойствами.
Определение экономической эффективности разработанной в рамках настоящей диссертационной работы по выбору рациональных режимных параметров магнитно-импульсной обработки буровых коронок, направленных на уменьшение интенсивности изнашивания буровых коронок, осуществлялось по данным эксплуатации буровых станков КОММАНДО-110 на месторождении "Возрождение".
В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи, заключающейся в разработке математической модели напряжённого состояния буровой коронки и зависимостей изменения её стойкости от параметров магнитно-импульсного упрочнения, позволяющих повысить производительность буровых станков.
В результате теоретических и экспериментальных исследований лично автором получены результаты и сделаны следующие выводы:
1. На технические и технологические показатели эффективности работы буровых установок существенное влияние оказывает буровой инструмент. В связи с низкой стойкостью буровых коронок производительность станка падает, а вместе с ней уменьшается количество пробуренных погонных метров. Это связано с высокой концентрацией внутренних напряжений в буровых коронках. Уменьшение или ликвидация концентраторов внутренних напряжений дает возможность повысить стойкость буровых коронок и тем самым повысить количество пробуренных погонных метров.
2. Разработана математическая модель напряжённого состояния буровой коронки, позволяющая определить уровень внутренних напряжений в ней с учётом физико-механических характеристик материала, теплового эффекта и геометрии зон контакта ударника и коронки и установить, что из всего типоразмерного ряда проанализированного инструмента наименьший уровень внутренних напряжений в процессе работы, имеют штыревые буровые коронки.
3. На крепких породах целесообразно использовать буровые коронки штыревого типа, имеющие наименьшую концентрацию внутренних напряжений в режущей кромке, что повышает производительность буровых установок.
4. Способом повышения стойкости буровых коронок является метод магнитно-импульсного упрочнения. Установлены зависимости стойкости долотчатых, крестообразных и штыревых коронок от основных параметров магнитно-импульсного упрочнения (таких как напряженность магнитного поля индуктора, числа импульсов, частота импульса), позволяющие обосновать рациональные параметры магнитно-импульсного упрочнения повышающие стойкость буровых коронок.
5. Установлены зависимости изменения стойкости буровых коронок по притуплению режущей кромки их твердосплавного вооружения, учитывающие влияние конструкций коронок и параметров их магнитно-импульсного упрочнения, представлены в виде соответствующих корреляционных зависимостей.
6. Рациональными технологическими параметрами магнитно-импульсного упрочнения для долотчатых коронок являются: напряженность магнитного поля индуктора 1600 кА/м, число импульсов 40 и время импульса 0,5 с; для крестообразных коронок - напряженность магнитного поля индуктора 1600 кА/м, число импульсов 45 и время импульса 0,5 с; для штыревых коронок -напряженность магнитного поля индуктора 1600 кА/м, число импульсов 50 и время импульса 0,5 с. позволяющие увеличить стойкость буровых коронок от 1,12 до 1,3 раз.
