автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Выбор и обоснование метода повышения стойкости буровых коронок

На правах рукописи

Сухорукова Софья Евгеньевна

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ БУРОВЫХ КОРОНОК

Специальность: 05.05.06 - «Горные машины»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

Москва 2013

005540011

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, профессор Шахова Кира Ивановна

доктор технических наук, профессор Подэрни Роман Юрьевич

профессор кафедры «Горные машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»

Ведущая организация

кандидат технических наук, доцент Черных Владимир Геннадьевич заведующий кафедрой «Технология и комплексы горных, строительных и металлургических производств» ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова»

ОАО «Объединенные машиностроительные технологии» (г. Москва)

Защита диссертации состоится «19» декабря 2013 г. в 12°° часов на заседании диссертационного совета Д212.128.09 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский пр., д.6, ауд. Б-251.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет».

Автореферат разослан «19» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, -<г профессор \ к кДХ

Шешко Евгения Евгеньевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

На современном этапе развития горнодобывающей отрасли растут объемы добычи полезных ископаемых. При ведении подземных работ с использованием установок бурильных шахтных пропорционально увеличению объемов добычи растет расход буровых коронок. Как показывает практика эксплуатации бурильных установок, ресурс отечественных буровых коронок, оснащенных элементами из твердого сплава, ниже, чем у зарубежных аналогов.

Удельный расход коронок при бурении напрямую зависит от их ресурса. Затраты на буровой инструмент составляют 60-65% от эксплуатационных затрат на бурение. Буровая коронка, оснащенная элементами из твердого сплава, практически не подлежит ремонту и в случае износа подлежит замене на новую. Поэтому увеличение износостойкости бурового инструмента является актуальной научно-практической задачей, имеющей большое значение для горного машиностроения.

В диссертационной работе исследован буровой инструмент, оснащенный вольфрамокобальтовым твердым сплавом, проанализированы особенности его износа и разрушения, предложены методы и режимы их высокоэнергетической обработки, которые приводят к увеличению ресурса бурового инструмента.

Цель работы: увеличение стойкости бурового инструмента, оснащенного элементами из твердого сплава, за счет изменения его физико-механических и эксплуатационных свойств.

Идея работы: повышение стойкости буровых коронок достигается благодаря повышению твердости материала зубков, при сохранении пластичности, а также обеспечением качества соединения зубок-корпус коронки путем обработки высокоэнергетическими методами воздействия.

Объектом исследований является породоразрушающий инструмент установок бурильных шахтных - буровые коронки, оснащенные твердосплавными элементами.

Научные положения, выносимые на защиту

1.Повышение долговечности твердосплавного вооружения бурового инструмента достигается изменением структуры твердого сплава за счет измельчения размеров зерна карбида вольфрама от средне- и крупнозернистых до субмикронных и ультрадисперсных.

2. Рост долговечности твердосплавного вооружения бурового инструмента происходит за счет повышения микротвердости твердого сплава высокоэнергетическим воздействием.

3. Качество соединения зубок-корпус коронки обеспечивается увеличением площади контакта посредством снижения шероховатости поверхности твердосплавного зубка буровой коронки за счет использования в комплексе высокоэнергетических и механических воздействий.

Научная новизна результатов исследований

1. Разработан комплексный критерий для оценки износостойкости твердосплавного бурового инструмента, включающий в себя микротвердость материала зубков, форму и размер карбидного зерна твердого сплава, интенсивность напряжения в вершине трещины и крепость буримой породы.

2. Установлены зависимости микротвердости и размеров зерна армирующих зубков буровых коронок от метода высокоэнергетического воздействия и времени обработки.

3. Разработан метод комплексной магнитно-импульсной обработки твердосплавных зубков буровых коронок, позволяющий снизить шероховатость и повысить качество соединения зубок-корпус коронки.

Научное значение работы

Установлены зависимости износостойкости твердосплавных зубков буровых коронок от их микротвердости, формы и размеров карбидного зерна и интенсивности напряжения в вершине трещины, а также микротвердости, размеров зерна и качества поверхности от методов высокоэнергетической обработки буровых коронок.

Практическое значение работы

Разработана методика выбора режимов обработки твердосплавных буро-

2

вых коронок высокоэнергетическими воздействиями с целью повышения их эксплуатационных характеристик.

Реализация выводов и результатов работы

1. Методика обработки твердосплавных буровых коронок принята для внедрения на заводе-изготовителе буровых коронок - ЗАО ПСК «Сталь-Трест» (Московская область, г. Апрелевка).

2. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Технология машиностроения и ремонта горных машин» МГГУ и используются при чтении дисциплин «Триботехника и эксплуатационная надежность», «Производство горных машин».

Достоверность и обоснованность результатов исследований, научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- анализом научно-исследовательских работ по теме диссертации;

- представительным объемом статистической выборки результатов измерений;

- методами обработки результатов измерений, выполненными с использованием современных ЭВМ и программных продуктов с допустимым уровнем достоверности полученных результатов (достоверность 95%).

Результаты теоретических расчетов подтверждены их удовлетворительной сходимостью с результатами экспериментов по абразивному износу и статистикой отказа коронок (расхождение 5%).

Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.05.06 - «Горные машины» (пункт 5 «Повышение долговечности и надежности горных машин и оборудования»).

Методы научных исследований

В работе применялись методы анализа и обработки эксплуатационной информации с использованием математического аппарата теории вероятностей и математической статистики, методы теории надежности технических систем, а также проводились экспериментальные исследования отказов буровых коронок, их износа, изменений структуры и физико-механических свойств.

Личный вклад автора

1. Установление зависимостей между упрочняющим воздействием на буровые коронки и сроком их службы.

2. Установление оптимальных режимов высокоэнергетических воздействий на твердосплавные буровые коронки для увеличения их стойкости.

3. Разработка методики комплексной обработки обработки твердосплавных зубков буровых коронок механическими и высокоэнергетическими воздействиями.

Апробация работы: результаты и основные положения диссертационной работы докладывались на следующих международных научно-технических конференциях: Международный симпозиум «Неделя горняка» (2011, 2012, 2013 г.); научной конференции «Ломоносовские чтения» (МГУ 2010, 2011 г.); Конференции молодых ученых НИИ механики МГУ (2010 г.).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 9 научных статей, в том числе 3 публикации - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы: диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 32 рисунка, 23 таблицы, библиографический список из 123 наименований и 3 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследований, изложены идея, цель, задачи и методы исследований, охарактеризованы научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные защищаемые положения, приведена информация о реализации результатов исследований, исходных материалах, личном вкладе автора, об апробации диссертационной работы, ее объеме и структуре.

В первой главе проведен анализ современного бурового оборудования и проблемы повышения долговечности его породоразрушающего инструмента (ПРИ) - буровых коронок.

Решением задачи по увеличению срока службы твердосплавного бурового инструмента занимались такие ученые, как Солод Г.И., Солод В.И., Кан-тович Л.И., Морозов В.И. Пастоев И.Л., Родина Т.Н. и др.

В создание теоретических основ эксплуатации твердосплавного инструмента большой вклад внесли отечественные ученые: Панов B.C., Чувилин A.M., Креймер Г.С., Ибатуллин И.Д., Огар П.М., а также зарубежные исследователи Киффер Р., Шварцкопф П., и др.

В главе приведены факторы, определяющие эксплуатационные показатели ПРИ, на основании которых проанализированы методы повышения долговечности изделий из твердых сплавов (рис. 1), произведены выбор и обоснование перспективных направлений исследований по повышению работоспособности твердосплавного инструмента. Показано, что наиболее перспективными методами повышения долговечности твердосплавных зубков являются методы высокоэнергетического воздействия.

Рис. 1. Методы повышения долговечности изделий из твердых сплавов

Во второй главе проанализированы современные представления о структуре и физико-механических свойствах твердых сплавов и на их основе произведен выбор объектов и методов исследования. Выдвинута гипотеза,

5

что в качестве высокоэнергетических методов воздействия целесообразно применять магнитно-импульсную обработку (МИО), обработку быстрыми электронами и гамма-квантами. Здесь же представлена методика обработки твердосплавного инструмента высокоэнергетическими излучениями, выделены основные физико-механические параметры, которые необходимо контролировать.

По результатам промышленных испытаний коронок на шахтах месторождения Курской магнитной аномалии установлено, что основной причиной выхода из строя буровьк коронок типа КНШ являются износ и последующая поломка их твердосплавного вооружения (рис.2).

Рис. 2. Вид буровых коронок типа КНШ до и после работы на шахтной бурильной установке (УБШ-228) по породам с крепостью f=16 и абразивностыо а=19-К30 а) новая коронка; б) коронка с изношенным твердым сплавом; в) коронка с выкрошенным (разрушенным) твердым сплавом

Железная руда, добываемая на шахтах Курской магнитной аномалии имеет крепость f=12-H6 по шкале Протодьяконова и относится к категории «в высшей степени крепких» пород, классу «скальных трудноразрушимых»

Для испытаний были отобраны буровые коронки КНШ 40-25, оснащенные зубками из твердого сплава ВК8. Результаты дефектоскопии показали, что большинство коронок вышло из строя в результате износа, выкрашивания, поломки или потери элементов твердого сплава, табл. 1.

Твердосплавные зубки марки ВК для оснащения буровых коронок получают методом порошковой металлургии из смеси карбида вольфрама и

кобальта. Зерна карбида вольфрама в твердом сплаве связаны между собой в карбидный «скелет» (рис. 3), обусловливающий его прочность. Кобальт присутствует в виде тонких прослоек и также образует «скелет», обеспечивающий пластичность. Количественное соотношение и взаимное расположение этих «скелетов» определят ряд физико-механических и эксплуатационных свойств зубков из твердого сплава.

Таблица 1

Результаты промышленных испытаний твердосплавных буровых коронок

Абразивность породы Причина выхода из строя

Износ твердосплавного вооружения Поломка и потеря зубков Поломка корпуса коронки

Среднеабразивные IV класс (а= 19-30) 71% 23% 6%

Характерными условиями работы этих сплавов являются:

^неравномерность распределения пород по крепости, наличие полостей в буримых пластах и, как следствие, переменные нагрузки на инструмент;

2) высокие контактные нагрузки;

3) постоянный контакт с абразивной средой буримой породы;

4) коррозионная среда.

В сумме все эти факторы приводят к созданию повышенных напряжений в зоне контакта. Такое сложное нагружение вызывает возникновение следующих процессов (табл. 2).

Эти процессы становятся причиной выхода из строя элементов твердосплавного вооружения. С выкрашиванием одного элемента нагрузка перераспределяется на остальные твердосплавные элементы буровой коронки, нагружая их сверх нормы, что приводит к преждевременному выходу из строя всего бурового инструмента. Срок службы буровой коронки в конечном счете определяется износостойкостью его твердосплавного вооружения.

Таблица 2

Характерные виды износа твердосплавных зубков коронок

Характер износа Иллюстрация Причина

Пластическая деформация (о чем свидетельствуют следы «пропахивания» после разрушения) т Слишком высокая температура в зоне контакта с разрушаемой породой в сочетании с высоким давлением

Выкрашивание мелких частиц сплава из режущей кромки т 1. Слишком хрупкая марка твердого сплава 2. Геометрия зубка не обеспечивает достаточной прочности

Образование и рост трещин (может происходить как по границе зерна так и внутри самого зерна, распространению трещины препятствует кобальтовый каркас) ' \ ' Термические трещины в результате температурных колебаний, вызванных прерывистым резанием

Поломка твердосплавного зубка ® 1. Слишком хрупкая марка твердого сплава 2. Чрезмерная нагрузка на зубок 3. Геометрия зубка не обеспечивает достаточной прочности 4. Слишком малые размеры зубка

Наиболее приемлемым для оценки износостойкости хрупкого материала является использование зависимости с учетом коэффициента интенсивности напряжения в вершине трещины, твердости и размера карбидного зерна:

КУВН1/2

/„ — ак -

где а - коэффициент, учитывающий форму зерна

к - коэффициент, учитывающий крепость буримой горной породы; К1с — интенсивность напряжения в вершине трещины, МПа-м"2; Н - твердость, МПа; Отс - размер карбидного зерна, м.

Все входящие в выражение параметры изменяются в широких пределах и, следовательно, изменяют величину износостойкости. Одним из основных параметров, влияющих на износостойкость, является размер карбидного зерна, который легко определяется при исследовании микроструктуры. Классификацию твердых сплавов можно вести по размерам зерна (дисперсности) карбидной фазы в сплаве.

Наилучшими свойствами, пригодными для ведения горных работ по породам с крепостью 12-48, обладают зубки из твердых сплавов, попадающих в категории № 1-3 (табл. 3). Для получения размеров, характерных для этих категорий, применяются инновационные технологии получения нанофазного порошка, различные режимы технологии спекания и обработки готовых изделий. Изменение размеров карбидных составляющих приводит к изменению интенсивности изнашивания и срока службы (долговечности) инструмента, изготовленного по таким технологиям.

Твердые сплавы с размером карбидного зерна 0,07-0,49 мкм подвержены разрушению со следами пластической деформации, а сплавы с размером зерен \¥С 1,2-2,9 мкм характеризуются выдавливанием связующей фазы с последующим выкрашиванием карбида.

При абразивном изнашивании, характерном для горного инструмента, износостойкость определяется отношением твердости абразива к твердости материала. Поэтому увеличение твердости твердого сплава при измельчении зерна приводит к увеличению долговечности только при сохранении пластичности.

Помимо размера карбидного зерна, следует учитывать и величину кобальтовой прослойки:

Л = асОшс , где Я - толщина кобальтовой прослойки, м;

а - коэффициент, учитывающий форму зерна \¥С;

с - содержание кобальта, %;

Ошс - размер карбидного зерна, м.

Моделирование процесса измельчения структуры материла зубков буровых коронок показало изменение величины кобальтовой прослойки в зависимости от размера зерна карбида вольфрама для сплава ВК8 (табл. 3).

Таблица 3

Зависимость величины кобальтовой прослойки

от размеров зерна карбида вольфрама_

№ п/п Категория сплава Размер зерна Dwc, мкм Размер Со-прослойки Л, мкм

1 Нанокристаллические <0,1 0,004

2 Ультрадисперсные 0,2-0,5 0,01-0,024

3 Субмикронные 0,8-1,5 0,045-0,084

4 Среднезернистые 2,0-3,0 0,128-0,192

5 Крупнодисперсные 4,0-6,0 0,29-0,432

6 Особо крупнозернистые 8,0-15,0 0,64-1,2

Из таблицы следует, что средний размер участков кобальтовой фазы снижается с уменьшением размера зерна карбида.

Уменьшение толщины кобальтовой прослойки приводит к увеличению межфазной границы и затрудняет вырывание зерен карбида, увеличивая тем самым износостойкость твердого сплава и, как следствие, срок службы твердосплавного инструмента.

Проведенный анализ показывает, что для повышения долговечности твердосплавного инструмента необходимо повышать, помимо износостойкости, пластические свойства и усталостную прочность твердого сплава при сохранении остальных механических свойств. Таким образом, для увеличения стойкости твердосплавных зубков необходимо разработать методы и установить технологические режимы высокоэнергетических воздействий для измельчения структуры и изменения свойств твердого сплава.

Буровые коронки типа КНШ оснащаются зубками из спеченного твердого сплава марки ВК8 производства Кировоградского завода твердых сплавов и их зарубежных аналогов.

В отечественной и мировой практике одним из основных контролируемых параметров для зубков твердого сплава являются твердость

и микротвердость. В состоянии поставки зубки имеют HV=1120-И 716 Н/мм2 в зависимости от марки твердого сплава и его производителя.

Минимальная вводимая энергия для смещения дислокаций в кристаллической решетке твердосплавных зубков буровых коронок, должна быть эквивалентна 0,67 МэВ и не превышать энергию разрушения, эквивалентную 3,25 МэВ.

В третьей главе приведены методика и оборудование для проведения эксперимента с целью определения необходимых свойств твердого сплава, приведены результаты исследований влияния облучения малыми дозами гамма-квантов и электронов на долговечность ПРИ. Выдвинута гипотеза, что причиной недостаточной долговечности отечественного твердосплавного инструмента является несовершенство микроструктуры твердого сплава.

Применение высокоэнергетических воздействий приводит к образованию в твердом сплаве структур, обладающих повышенной износостойкостью, изменению его физико-механических свойств и увеличивает прогнозируемый срок службы буровых коронок.

В качестве высокоэнергетических методов обработки твердосплавных зубков буровых коронок были использованы: облучение у-квантами, облучение быстрыми электронами и магнитно-импульсная обработка.

Гамма-излучение представляет собой фотоны, т.е. электромагнитную волну, несущую энергию. В лабораторных условиях обработка гамма-излучением была проведена с помощью рентгеновской установки. Рентгеновское излучение аналогично гамма-излучению, но оно получено искусственно в рентгеновской трубке.

Облучение образцов твердосплавных зубков буровых коронок у-квантами с энергией 661 кэВ проводилось от изотопа цезия Cs. Были установлены зависимости микротвердости зубков твердого сплава ВК8 от продолжительности облучения у-квантами (рис. 3) и стойкость эффекта во времени (рис. 4).

а

s

5 1000

1 3,1 10 31 100 316

Время облучения тобл.сек

Рис. 3. Зависимость микротвердости зубков твердого сплава ВК8 от продолжительности облучения у-квантами

Время после облучения t, мес

Рис. 4. Стойкость эффекта повышения микротвердости после облучения у-квантами

Другим видом воздействия являлось облучение быстрыми электронами (ß-излучение), испускаемыми радиоизотопным источником Sr90+Y90. Характерной особенностью этого источника является широкий энергетический спектр электронов, простирающийся от 0,63 до 2,27 МэВ.

Сущность процесса электронно-лучевого воздействия состоит в том, что кинетическая энергия сформированного в вакууме электронного пучка превращается в тепловую в зоне обработки. Так как диапазоны мощности и концентрации энергии в луче велики, то практически возможно получение всех видов термического воздействия на материалы: нагрев до заданных температур, плавление и испарение с очень высокими скоростями.

Рассчитана величина энергии, которую необходимо ввести в твердый сплав для начала процесса изменения его структуры и свойств. Она составила 0,67 МэВ. Для определения режимов установки-источника нужно определить, какая часть испускаемой энергии воспринимается твердосплавным зубком.

Максимальное количество энергии передается покоящимся частицам при лобовом ударе. В этом случае, пренебрегая массой электрона по сравнению с массой протона, получаем, что твердосплавный зубок воспринимает порядка 70% испускаемой энергии.

Облучение твердого сплава ВК8 быстрыми электронами вызывает дробление блоков до наноразмеров и уменьшение микродеформаций, что

приводит в большинстве случаев к возрастанию предела текучести, т.е. к упрочнению материала.

Были установлены зависимости микротвердости зубков твердого сплава ВК8 от продолжительности облучения быстрыми электронами (рис. 5) и стойкость эффекта во времени (рис. 6).

31 100 316 Время облучения гобл.чае

Рис. 5. Зависимость микротвердости зубков твердого сплава ВК8 от продолжительности облучения быстрыми электронами

Вре.ия после облучения (, мес

Рис. 6. Стойкость эффекта повышения микротвердости после облучения быстрыми электронами

Магнитно-импульсная обработка буровых коронок проводилась на объемном источнике магнитных импульсов - ПИОМ-1. Выявлены оптимальные режимы обработки: произведение 3 импульсов, по 500 В и 1000 В.

Были установлены зависимости микротвердости зубков твердого сплава ВК8 от напряжения источника (рис. 7) и стойкости эффекта во времени (рис. 8).

1

1

2000

Г

с. 1500

i

1

1 2 1000

500

;оо\з

Напряженней,;

Рис. 7. Зависимость микротвердости зубков твердого сплава ВК8 от напряжения при магнитно-импульсной обработке

Время после облучения I, лес

Рис. 8. Стойкость эффекта повышения микротвердости после магнитно-импульсной обработки

Результаты исследований по трем методам обработки сведены в табл. 4.

Таблица 4

Изменение свойств твердого сплава ВК8 в зависимости от метода обработки

№ п/п Состояние Величина микротвердости HV, Н/мм2 Микроструктура зубков твердого сплава ВК8 Размер зерна Dwc, мкм

1 В исходном состоянии 1456±36 f.rr.J,:.J. ¿Я"* '•onV f, • V. 1,4-2,6

'/ - i-

2 После облучения ■у-квантами 2120±123 0,2-1,8

3 После облучения быстрыми электронами 2210±78 :'' ~ < ч'. ';. ■ ? '•>- • t'- - 0,1-0,8

4 После магнитно-импульсной обработки 2087±97 ' <ev, и 'с '" t' 0,1—1,2

В четвертой главе выполнен анализ шероховатости поверхности зубков из твердого сплава и ее влияния на качество контакта корпус буровой коронки - твердосплавный зубок.

Анализ причин выхода буровых коронок из строя показал, что до 11 % случаев приходится на потерю твердосплавного вооружения и 6% на поломку корпуса. Таким образом, до 17% случаев выхода буровых коронок из строя вызваны несовершенством контакта системы корпус коронки - твердосплавный зубок.

Фактическая площадь пятна контакта корпуса буровой коронки с ее твердосплавным вооружением в 3-5 раз меньше номинальной площади контакта, что не позволяет обеспечить требуемое качество соединения и ресурс буровой коронки.

Параметры шероховатости поверхности твердосплавных зубков буровой коронки вычислены на базовой длине, с фильтрацией волнистости, бочкообразности и др. параметров. Были исследованы твердосплавные зубки для оснащения буровых коронок отечественного и зарубежного производства (табл. 5).

Таблица 5

Результаты измерений шероховатости зубков твердого сплава в зависимости от производителя

№ п/п Производитель Диаметр зубка, мм Шероховатость Яа

1 КЗТС 12,0 0,783

2 АЙазСорсо 9 0,223

3 12,7 0,16

4 БапсЫк 12,0 0,124

5 Ма^аЦв 14,0 0,129

6 Е1етеп1 14,0 0,221

Определено, что актуальной задачей является повышение качества зубков отечественного производства.

Для этих целей были применены различные методы обработки твердосплавных зубков буровых коронок и получены результаты, представленные на рис. 6.

Наиболее эффективным методом является обработка галтовкой с последующей магнитно-импульсной обработкой. Разработана методика

и составлен Технологический регламент производственного предприятия ЗАО ПСК «СтальТрест» (г.Апрелевка, Московская область).

0.9 | «

1«

I «л

I 0.1

о

0,783

= 0,566

0,461 0,458

0,419

— — 0316 —

— 0,223

1 состоянии поставки

Галтовка

Шлифовка МИО 500В МИО 1000В МИО 500В + МИО 1000В +

галт галт

Метод обработки

Рис. 6. Зависимость значений шероховатости поверхности твердосплавных зубков буровых коронок от метода их обработки.

1.6583 мкм Т| I (3.1147мкм)

I -0.1817

РрВ|в,:'г4^ р.те 10.334

" '. 00 0.8313

2 418 мм (1597 мм) 0 02' I (дл-па трассы) ■ 1 763 м*

мампямпимммяяяммшиммнвш

ОН ... . 5527*,02

Ьр-20 861 1р- 7 8

0.0327 мкм Трасса 1 из 1 [2205 измерений с шагрм 1.000 мкм] | (0.1854 мкм]

;.:

0.0000 мим ! -0.0132 мкм . (-0.0132 мкм)

ттаят

) -0.0927 мкм I (0-0)

„шшажи

' !' 0.0 2.349 мм 4.553 б) _ _. ........ ....

(2.204 мм] 0.00- I. (длинатрассы)"- 2204 1.

ИХ ' ' я.иких .■ 1002; ? Dp.23.4tK",":'. 1р-2.№ "

Рис. 7. Изменение шероховатости поверхности зубка из твердого сплава до (а) и после (б) комплексной обработки галтовкой с последующей магнитно-импульсной

обработкой

Предложенная методика обработки позволила понизить шероховатость поверхности твердосплавных зубков буровых коронок, увеличить опорную кривую и площадь пятна контакта и в конечном счете на 23% сократить вероятность вылета (потери) дорогостоящего твердосплавного зубка буровой коронки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований в диссертационной работе дано решение актуальной научно-практической задачи по увеличению износостойкости породоразрушающего инструмента - буровых коронок, заключающейся в установлении зависимостей, позволяющих выбирать метод обработки твердосплавного вооружения буровых коронок, что имеет большое значение для горного машиностроения.

Основные выводы, научные и практические результаты работы, полученные лично автором, заключаются в следующем:

1. Установлено, что 71% буровых коронок выходит из строя вследствие износа их твердосплавного вооружения, 23% - из-за поломки и потери твердосплавных зубков и только 6% - из-за поломки стальных корпусов буровых коронок.

2. Разработан критерий оценки износостойкости буровых коронок, учитывающий микротвердость твердосплавного вооружения буровой коронки, форму и размер зерна карбида вольфрама, интенсивность напряжения в вершине трещины и условия работы бурового инструмента.

3. Установлена зависимость микротвердости твердого сплава от методов и режимов высокоэнергетического воздействия на твердосплавный буровой инструмент.

4. Установлены зависимости размеров зерна А^С, твердости, шероховатости от интенсивности потока и продолжительности облучения - для быстрых электронов и у-квантов - напряжение и число импульсов - для МИО.

5. Установлена зависимость увеличения ресурса буровой коронки от методов ее обработки. По теоретическим расчетам срок службы коронки возрастет на 36%.

6. Рассчитана величина энергии, которую необходимо ввести для изменения структуры, свойств и качества поверхности твердосплавных зубков. Она эквивалентна 0,67 МэВ.

7. Энергия для изменения структуры и свойств твердосплавных зубков может быть введена высокоэнергетическими методами: облучением

17

у-квантами, быстрыми электронами, магнитно-импульсной обработкой. Наиболее технологичным методом, обеспечивающим необходимые свойства, является МИО.

8. Экспериментальные исследования подтвердили теоретические предпосылки: срок службы коронки, облученной МИО, увеличился на 39%, облученной быстрыми электронами - на 27%, гамма-квантами - на 32%.

9. Разработана методика обработки твердосплавных зубков буровых коронок, принятая для реализации на ЗАО ПСК «СтальТрест», ее реализация позволила на 23% сократить вероятность вылета (потери) твердосплавного зубка.

Основные научные результаты диссертации опубликованы

в следующих работах: Статьи, опубликованные в ведущем рецензируемом научном журнале, входящем в перечень ВАК

1. Сухорукова С.Е. Критерий оценки износостойкости твердосплавного бурового инструмента // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. - № 9. Отдельные статьи - С. 1-6.

2. Сухорукова С.Е. Изменение структуры и свойств вольфрамокобальто-вых твердосплавных зубков буровых коронок высокоэнергетическими воздействиями // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2013. - № 9. Отдельные статьи - С. 7-10.

3. Сухорукова С.Е. Обеспечение качества соединения корпуса буровой коронки и его твердосплавного вооружения // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. - № 9. Отдельные статьи - С. 11-14.

Статьи, опубликованные в других изданиях

4. Сухорукова С.Е. Повышение долговечности породоразрушающего инструмента за счет изменения свойств твердого сплава /К.И. Шахова / Научный вестник МГГУ, № 5, 08. 2010 г.

5. Сухорукова С.Е. Нагрузочные кривые микротвердости, измеренные на режущих пластинах твердого сплава ВК6, облученных быстрыми электронами // В.Н. Аникин, A.M. Борисов, И.В.Голубцов, Д.А. Иванов, А.Б. Коршунов, О.М. Кугаенко, К.И. Шахова / Ломоносовские чтения. - М.: МГУ, 2010.-С. 24.

6. Сухорукова С.Е. Немонотонные зависимости микротвердости образцов твердых сплавов ВК6 и ВК8 от времени их облучения быстрыми электронами // Е.А. Агуреева, В.Н. Аникин, A.M. Борисов, Э.Н. Вологдин, И.В. Голубцов, Д.А.Иванов, H.A. Карпов, А.Б. Коршунов, В.Н. Семенов, К.И. Шахова / Ломоносовские чтения. - М.: МГУ, 2010. - С. 20.

7. Сухорукова С.Е. Старение режущих пластин твердого сплава ВК6, облученных быстрыми электронами// В.Н. Аникин, A.M. Борисов, И.В. Голубцов, Д.А. Иванов, H.A. Карпов, А.Б. Коршунов, К.И. Шахова// Ломоносовские чтения 2010. - М.: МГУ, 2010. - С. 23.

8. Сухорукова С.Е. Увеличение долговечности твердосплавного инструмента за счет упрочнения его оснащения // Неделя горняка: «Современные технологии в горном машиностроении» / Труды семинара №23. - М.: МГГУ, 2011.-С. 424-427.

9. Сухорукова С.Е. Повышение качества режущего инструмента с твердосплавными элементами // К.И. Шахова // Неделя горняка: «Современные технологии в горном машиностроении» / Труды семинара №22. - М.: МГГУ, 2012.-С. 345-350.

Подписано в печать «14» ноября 2013 г. Формат 60x90/16

Объем п.л._Тираж 100 экз._Заказ № 426

Отпечатано в ОИУП МГГУ, Москва, Ленинский пр., д.6

Министерство образования и науки Российской Федерации Московский государственный горный университет

На правах рукописи

0ШН5и996

СУХОРУКОВА СОФЬЯ ЕВГЕНЬЕВНА

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ БУРОВЫХ КОРОНОК

Специальность: 05.05.06 - «Горные машины»

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

профессор, к.т.н. Шахова Кира Ивановна

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.

Глава I. Анализ современного бурового оборудования и его породоразрушающего инструмента - буровых коронок.

1.1. Анализ современного бурового оборудования и проблем повышения долговечности его породоразрушающего инструмента (ПРИ) - буровых коронок...................................................11

1.2. Методы повышения долговечности изделий из твердых сплавов, выбор и обоснование перспективных направлений исследований по повышению работоспособности твердосплавного бурового инструмента.....................................................................20

1.3. Выводы по I главе.............................................................22

Глава II. Определение основных параметров для изменения структуры и свойств твердосплавного бурового инструмента.

2.1. Анализ выхода из строя буровых коронок типа КНШ, оснащенных

зубками из твердого сплава при эксплуатации на месторождениях Курской магнитной аномалии...............................................23

2.2. Разработка критерия оценки износостойкости буровых коронок, с

учетом микротвердости материала зубков, формы и размера карбидного зерна твердого сплава, интенсивности напряжения в вершине трещины и крепости буримой породы...........................................................................28

2.3. Определение диапазона основных параметров микроструктуры материала твердосплавного зубка.........................................31

2.4. Расчет величины энергии, необходимой для изменения структуры

материала твердосплавного зубка..........................................33

2.5. Выводы по II главе..............................................................36

2

Глава III. Повышение долговечности твердосплавных зубков буровых коронок высокоэнергетическими воздействиями.

3.1. Методика проведения экспериментальных работ...................37

3.2. Результаты экспериментальной работы по установлению влияния режимов и продолжительности гамма-излучения на изменение основных физико-механических характеристик твердосплавного зубка буровой коронки.......................................................................................45

3.3. Результаты экспериментальной работы по установлению влияния режимов и продолжительности облучения быстрыми электронами на изменение основных физико-механических характеристик твердосплавного зубка буровой коронки....................................................................51

3.4. Результаты экспериментальной работы по установлению влияния режимов и продолжительности магнитно-импульсной обработки на изменение основных физико-механических характеристик твердосплавного зубка буровой коронки...................................................................53

3.5. Сравнительные результаты различных методов высокоэнергетических воздействий...................................................61

3.6. Выводы по III главе.........................................................63

Глава IV. Обеспечение качества контакта корпус коронки -твердосплавный зубок

4.1. Анализ шероховатости поверхности зубков из твердого сплава и ее влияния на качество контакта корпус буровой коронки -твердосплавный зубок......................................................65

4.2.Методика и оборудование для определения шероховатости.......70

4.3. Результаты экспериментальной работы по влиянию высокоэнергетической обработки на шероховатость твердосплавных зубков.....................................................75

4.4. Методика обработки твердосплавных зубков буровых коронок.........................................................................79

4.5. Выводы по IV главе........................................................80

Заключение................................................................................81

Список использованной литературы............................................83

Приложения

Приложение 1. Программа подготовки шлифов из твердого сплава....96 Приложение 2. Микроструктуры твердосплавных зубков буровых

коронок....................................................................................99

Приложение 3. Методика обработки твердосплавных зубков буровых коронок...................................................................................105

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

На современном этапе развития горнодобывающей отрасли во всем мире растут объемы добычи полезных ископаемых. При ведении подземных работ с использованием установок бурильных шахтных пропорционально увеличению объемов добычи растет расход буровых коронок.

Как показывает практика эксплуатации установок бурильных шахтных, ресурс отечественных буровых коронок, оснащенных элементами из твердого сплава, ниже, чем у зарубежных аналогов.

Удельный расход коронок при бурении напрямую зависит от их ресурса. При ведении горных работ затраты на буровой инструмент составляют до 60-65% [90] от эксплуатационных затрат на бурение.

Широкое распространение при бурении шпуров получили буровые коронки типа КНШ. Буровые коронки этого типа представляют собой цилиндрический стальной корпус, вооруженный элементами (зубками) из твердого сплава.

В случае износа или выхода из строя буровой коронки в процессе эксплуатации, она подлежит замене на новую, так как буровые коронки, вооруженные вольфрамокобальтовыми твердыми сплавами практически не подлежит ремонту.

Поэтому увеличение износостойкости бурового инструмента является актуальной научно-практической задачей, имеющей большое значение для горного машиностроения.

В диссертационной работе исследован буровой инструмент, оснащенный вольфрамокобальтовым твердым сплавом. На основе результатов производственных испытаний проанализированы особенности его износа, разрушения и выхода из строя. Определены параметры, влияющие на стойкость твердосплавного бурового инструмента.

Проанализированы современные методы изменения структуры и свойств твердосплавных зубков буровых коронок. Рассмотрены современные инновационные методы обработки твердосплавного бурового инструмента, определены оптимальные их режимы. Решена задача по повышению качества контакта между твердосплавным зубком буровой коронки и ее стальным корпусом.

Цель работы: увеличение стойкости бурового инструмента, оснащенного элементами из твердого сплава, за счет изменения его физико-механических и эксплуатационных свойств.

Идея работы: повышение стойкости буровых коронок достигается благодаря повышению твердости материала зубков, при сохранении пластичности, а также обеспечением качества соединения зубок-корпус коронки путем обработки высокоэнергетическими методами воздействия.

Объектом исследований является породоразрушающий инструмент установок бурильных шахтных - буровые коронки, оснащенные твердосплавными элементами.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Повышение долговечности твердосплавного вооружения бурового инструмента достигается изменением структуры твердого сплава за счет измельчения размеров зерна карбида вольфрама от средне- и крупнозернистых до субмикронных и ультрадисперсных.

2. Рост долговечности твердосплавного вооружения бурового инструмента происходит за счет повышения микротвердости твердого сплава высокоэнергетическим воздействием.

3. Качество соединения зубок-корпус коронки обеспечивается увеличением площади контакта посредством снижения шероховатости поверхности твердосплавного зубка буровой коронки за счет использования в комплексе высокоэнергетических и механических воздействий.

Научная новизна результатов исследований

1. Разработан комплексный критерий для оценки износостойкости твердосплавного бурового инструмента, включающий в себя микротвердость материала зубков, форму и размер карбидного зерна твердого сплава, интенсивность напряжения в вершине трещины и крепость буримой породы.

2. Установлены зависимости микротвердости и размеров зерна армирующих зубков буровых коронок от метода высокоэнергетического воздействия и времени обработки.

3. Разработан метод комплексной магнитно-импульсной обработки твердосплавных зубков буровых коронок, позволяющий снизить шероховатость и повысить качество соединения зубок-корпус коронки.

Научное значение работы

Установлены зависимости износостойкости твердосплавных зубков буровых коронок от их микротвердости, формы и размеров карбидного зерна и интенсивности напряжения в вершине трещины, а также микротвердости, размеров зерна и качества поверхности от методов высокоэнергетической обработки буровых коронок.

Практическое значение работы

Разработана методика выбора режимов обработки твердосплавных буровых коронок высокоэнергетическими воздействиями с целью

повышения их эксплуатационных характеристик.

Реализация выводов и результатов работы

1. Методика обработки твердосплавных буровых коронок принята для внедрения на заводе-изготовителе буровых коронок - ЗАО ПСК «Сталь-Трест» (Московская область, г. Апрелевка).

2. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Технология машиностроения и ремонта горных машин» МГГУ и используются при чтении дисциплин «Триботехника и эксплуатационная надежность», «Производство горных машин».

Достоверность и обоснованность результатов исследований, научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- анализом научно-исследовательских работ по теме диссертации;

- представительным объемом статистической выборки результатов измерений;

- методами обработки результатов измерений, выполненными с использованием современных ЭВМ и программных продуктов с допустимым уровнем достоверности полученных результатов (достоверность 95%).

Результаты теоретических расчетов подтверждены их удовлетворительной сходимостью с результатами экспериментов по абразивному износу и статистикой отказа коронок (расхождение 5%).

Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.05.06 - «Горные машины» (пункт 5 «Повышение долговечности и надежности горных машин и оборудования»).

Методы научных исследований

В работе применялись методы анализа и обработки эксплуатационной

информации с использованием математического аппарата теории

8

вероятностей и математической статистики, методы теории надежности технических систем, а также проводились экспериментальные исследования отказов буровых коронок, их износа, изменений структуры и физико-механических свойств.

Личный вклад автора

1. Установление зависимостей между упрочняющим воздействием на буровые коронки и сроком их службы.

2. Установление оптимальных режимов высокоэнергетических воздействий на твердосплавные буровые коронки для увеличения их стойкости.

3. Разработка методики комплексной обработки обработки твердосплавных зубков буровых коронок механическими и высокоэнергетическими воздействиями.

Апробация работы: результаты и основные положения диссертационной работы докладывались на следующих международных научно-технических конференциях: Международный симпозиум «Неделя горняка» (2011, 2012, 2013 г.); научной конференции «Ломоносовские чтения» (МГУ 2010, 2011 г.); Конференции молодых ученых НИИ механики МГУ (2010 г.).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 9 научных статей, в том числе 3 публикации - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы: диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 32 рисунка, 23 таблицы, библиографический список из 123 наименований и 3 приложения.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ЕГО ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА - БУРОВЫХ КОРОНОК.

1.1. Анализ современного бурового оборудования и его

породоразрушающего инструмента (ПРИ) - буровых коронок.

На современном этапе развития горнодобывающей отрасли широкое распространение получило ударное разрушение пород механическим способом. Наиболее широко оно используется при бурении, целью которого является создание в породном массиве скважин или шпуров.

На угольных предприятиях РФ, вращательный способ бурения коронками занимает около 28% от всех объемов бурения [90]. При этом в ближайшие годы планируется расширение области применения ударно-вращательного способа бурения.

В настоящее время для этого способа бурения применяются следующие станки:

- ударно-вращательного бурения перфораторами;

- ударно-вращательного бурения погружными пневмоударниками;

- вращательного бурения резцовыми коронками;

- вращательного бурения шарошечными долотами.

Задача по бурению шпуров подземным и открытым способом решается при использовании станков ударно-вращательного бурения и установок бурильных шахтных.

При проведении подземных горных выработок, строительстве

тоннелей, а также при ведении очистных работ в рудниках применяются

установки бурильные шахтные. Они предназначены для бурения шпуров в

11

породах различной крепости. Бурильные установки позволяют полностью механизировать процесс бурения, частично механизировать процессы заряжения шпуров и крепления горных выработок и улучшить санитарно-гигиенические условия труда и.

Бурильные установки разделяют [120] на фронтальные и радиальнофронтальные. Фронтальными установками бурят шпуры вдоль оси выработки, а радиально-фронтальными - вдоль оси и перпендикулярно оси выработки.

Установки бурильные шахтные классифицируются по следующим признакам:

1. По типу применяемых бурильных головок: вращательного действия, вращательно-ударного действия, ударно-вращательного действия;

2. По роду потребляемой энергии: пневматические, гидравлические, электрические, комбинированные;

3. По типу ходовой части: пневмошинные, колесно-рельсовые, гусеничные.

В таблице 1 проведен сравнительный анализ отечественных буровых установок и их зарубежных аналогов, наиболее часто эксплуатируемых на отечественных горнодобывающих предприятиях:

Таблица 1.1.

Установки бурильные шахтные.

УБШ-228 А^аэ Сорсо ВООМЕЯ 104 8апсКчк С)иа8аг 1Б

Зона бурения (высота* ширина), м 4,0x4,0 4,72x4,76 4,4x5,5

Коэффициент крепости буримых пород,/ 6-20 <20 <20

Глубина бурения шпуров, м <2,8 2,5-3,7 <3,7

Число бурильных машин 1 1 1

Тип бурильной машины 505-04.06.0000 СОР 1838 НЬ510

Тип ходовой части пневмошинный пневмошинный пневмошинный

Длина, м 8,3 9,71 9,09

Ширина, м 1,6 1,22 1,2

Высота, м 2,1-2,38 1,985-2,685 1,95-2,75

Масса, т 7,5 12,5 9,1

Установка бурильная шахтная УБШ-228 предназначена для бурения шпуров диаметром 38-51 мм, глубиной <2,8 м в горных выработках сечением 5-16 м\ в породах с крепостью/= 6-20.

На рисунке 1.1 представлен общий вид установки бурильной шахтной УБШ-228:

Рис. 1.1. Установка бурильная шахтная УБШ-228 а) - внешний вид; б) - в условиях эксплуатации.

Стоимость производства буровых работ в крепких породах на колеблется в пределах 16-36% от общей стоимости выемки 1 т горной массы. В свою очередь, расходы на буровзрывные работы складываются из расходов на взрывчатые вещества (до 45-50%) и на эксплуатацию станка (40-45%) [133].

В свою очередь затраты на сменный породоразрушающий инструмент составляют до 70% от стоимости эксплуатации буровой установки. Таким образом видно, что стоимость породоразрушающего инструмента в конечном счете существенно влияет на стоимость выемки 1 т горной массы.

При бурении в породах мягкой и средней твердости (I-VIII и частично IX категорий) широко применяется твердосплавный инструмент в форме буровой коронки. Основными конструктивными элементами такого инструмента является стальной корпус в виде тела цилиндрической формы, имеющий рабочую часть, вооруженную твердосплавными зубками и резьбовую часть для соединения с колонковой или бурильной трубой. [24]

Решением задачи по увеличению срока службы твердосплавного бурового инструмента занимались такие ученые, как Солод Г.И., Солод В.И., Кантович Л.И., Морозов В.И. Пастоев И.Л., Родина Т.Н. и др.

В создание теоретических основ эксплуатации твердосплавного инструмента большой вклад внесли отечественные ученые: Панов B.C., Чувилин A.M., Креймер Г.С., Ибатуллин И.Д., Огар П.М., а также зарубежные исследователи Киффер Р., Шварцкопф П., и др.

К факторам, влияющим на эффективность бурения, можно отнести (рис. 1.З.).

Основными факторами, определяющими эксплуатационные показатели породоразрушающего инструмента — твердосплавных буровых коронок, являются характерные условия их работы:

1) неравномерность распределения пород по крепости, наличие полостей в буримых пластах, и, как следствие, переменные нагрузки на инструмент;

2) высокие контактные нагрузки;

3) постоянный контакт с абразивной средой буримой породы;

4) коррозионная среда.

Рис. 1.2. Факторы, влияющие на эффективность бурения.

На буровой штанге исполнительного органа установки бурильной шахтной крепится буровая коронка. Общий вид исследуемых буровых коронок типа КНШ представлен на рисунке 1.4.

Рис. 1.3. Исполнительный орган установки бурильной шахтной, оснащенный твердосплавной бу