Введение к работе
Актуальность работы. Одним из путей .дальнейшего повышения эффективности ударного бурения шпуров и скважин, наиболее распространенного вида бурения при подземной добыче полезных ископаемых, является совершенствование методов исследования и обеспечения заданных свойств конструктивных элементов буровых твердосплавных коронок. Возможности интенсификации процесса бурения и эксплуатации бурильных машин ударного действия в оптимальных режимах ограничены вследствие значительного рассеяния характеристик надежности буровых коронок и снижения фактических ее значений относительно расчетных или регламентированных нормативно-технической документацией. Статистический анализ данных горных предприятий о надежности буровых коронок показал, что основной причиной ее снижения является недостаточная долговечность и износостойкость породоразру-шающих вставок из твердых сплавов группы WC-Co.
Над решением задач создания и повышения надежности буровых коронок ударного действия работают научно-исследовательские, про-ектно-конструкторские организации, а также ряд высших учебных заведений России.
Большой вклад в решение этой проблемы внесли Андреев В.Д., Блохин B.C., Дворников Л.Т., Зайцев В.Н., Иванов К.И., Кантович Л.И., Клочко Н.А., Крыщенко Н.Д., Кудря Н.А., Латышев В.А., Патрикеева Э.М., Чувилин A.M., Яновский И.И. и др. Научные основы создания армирующих твердосплавных материалов и изделий для буровых коронок ударного действия и методов их упрочнения изложены в трудах Александровой Л.И., Кармалюка В.И., Коняшина Н.Ю., Куклина Л.Г., Линенко-Мельникова Ю.П., Лисовского А.Ф., Лошака М.Г., Чапоро-вой И.Н., Повидайло В.А., Триандафилида И.И., Щетилиной Е.А., Хае-та Г.М., Юрьевича Р.В. и др.
Однако до настоящего времени буровая коронка ударного действия не является в достаточной мере изученным объектом с точки зрения расчета и формирования заданных эксплуатационных свойств конструк^ тивных элементов.
Многими исследователями отмечается, что в действующей нормативно-технической документации на буровые коронки и армирующие твердосплавные изделия технические требования к параметрам качества не отражают реальных условий изготовления и эксплуатации коронок. Для большинства типов серийных коронок характерно снижение прочности твердосплавных армирующих изделий после пайки коронок. Нормированные характеристики надежности коронок и конструктивных элементов определены без учета исходных физико-механических свойств материалов и изменения их состояния в процессе изготовления и эксплуатации коронок.
Имеющаяся информация о реальном качестве армирующих изделий не позволяет обоснованно назначить соответствующие требования к прочности, размерной точности, способам обработки, износостойкости и дол-
говечности твердосплавного оснащения буровых коронок из-за отсутствия данных об исходном напряженном состоянии и циклической прочности твердосплавных армирующих изделий, о влиянии технологии изготовления и условий их эксплуатации. Кроме того, технические требования к обеспечению надежности твердосплавного оснащения методами упрочнения разработаны без учета конструктивно-технологического исполнения и условий эксплуатации коронок, в результате эффективность упрочнения имеет значительный разброс. При отсутствии вероятностной оценки нормирование показателей надежности конструктивных элементов буровых коронок не дает достоверной информации о достигнутом эффекте упрочнения.
В условиях изнашивания, циклических нагрузок и переточек породо-разрушаюшей части коронок устойчивость упрочненного слоя контактных поверхностей изменяется во времени эксплуатации. Этот процесс сопровождается изменением нагруженного объема породоразрушающих вставок коронок и напряженного состояния в поверхностном слое.
Учитывая технологические возможности методов объемного и поверхностного упрочнения армирующих изделий изменять в широком диапазоне упруго-пластические свойства материала, необходимо установить граничные условия его предельного напряженного состояния.
Как показывает опыт решения подобных исследовательских задач, эффект упрочнения армирующих изделий в коронках, достаточно надежно оценивается по изменению остаточных технологических напряжений в макрообъеме и микроструктурных составляющих материала изделия (напряжений I и II рода) , так как величина и характер этих напряжений тесно связаны с изменением его прочностных свойств при любом упрочняющем воздействии.
Приведенная исходная информация по теме исследований показывает, что теоретическое обоснование и разработка методов обеспечения заданных свойств буровых коронок является актуальной проблемой.
Связь темы диссертации с государственымн научными программами.
Исследования проводилисьв рамках комплексной научно-технической программы "Надежность конструкций"(приказ N659 от 13.И.81 г.Минвуза РСФСР) по темам 46-201-83 (N гос.рег. 1830038558),46-201-82 (N гос.рег. 01825056630),46-201-84 (N гос.рег.01820075042), отраслевых программ по темам 46-206-82 (N гос.рег. 01820075042) , 46-206-82 (N гос.рег. 01850019958) и программы ГКНТ 0.08.01 на 1987-1990гг.
Цель работы. Научное обоснование рациональных конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров, методов моделирования и обеспечения заданных свойств надежности буровых коронок ударного действия и их приспособленности к условиям циклического нагружения и изнашивания при бурении крепких пород.
Задачи исследований.
-экспериментальное обоснование параметров конструкции и способа изготовления твердосплавных вставок с дифференцированными свойствами износостойкости и прочности армирующего материала по сечению вставок;
-исследование и выбор параметров упрочняющей обработки твердосплавных вставок при изготовлении коронок, обеспечивающих повышение размерной точности, прочности и технологичности элементов паяного и прессового армирования.
-научное обоснование и выбор рациональных параметров упрочнения коронок в соответствии с изменением циклической нагруженности и состояния поверхностного слоя породоразрушающих вставок;
-теоретическое обоснование граничных условий упрочнения твердо-сплавких вставок при изготовлении и эксплуатации коронок по остаточным напряжениям I и II рода в армирующем материале;
-статистическое моделирование, выбор рациональных параметров эксплуатации, разработка технических условий обеспечения и расчет структурной надежности буровых коронок.
Идея работы. Основана на использовании в конструкции, технологии изготовления и эксплуатации буровых коронок принципа адаптивности породоразрушающей части к условиям обработки, нагружения и изнашивания, обеспечивающего более высокий уровень надежности при существующих конструкционных материалах.
Методы исследований. Исследования проводились с использованием методов физического и математического моделирования состояния буровой коронки при изготовлении и эксплуатации, численных методов прикладной математики, вычислительного и физического экспериментов, стендовых и промышленных испытаний.
Основные положения, вынесенные на защиту:
1. Установленные закономерности и причинно-следственные связи
конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров с надеж
ностью буровых коронок , в частности:
характер и факторы разрушения конструктивных элементов буровых коронок;
оценка эффективности применяемых методов формирования заданных физико-механических свойств элементов армирования коронок.
-
Вероятностная модель структурной надежности буровой коронки.
-
Научно-технологические основы упрочняющей обработки буровых коронок, в том числе:
— обоснование и эффективность методов объемного и поверхностно
го упрочнения твердосплавных вставок;
влияние методов обработки твердосплавных вставок перед пайкой буровых коронок на прочностные характеристики и размерную точность элементов паяного соединения;
влияние напряжений пайки коронок на эффективность упрочнения твердосплавных вставок;
обоснование методов и средств упрочнения твердосплавных вставок и буровых коронок;
— аналитическая и численная модели остаточного напряженно-де
формированного состояния (НДС) твердосплавных породоразрушающих
вставок коронок.
4. Численные и статистические модели эксплуатационных свойств
разработанных конструктивно-технологических вариантов буровых коро
нок, в том числе:
вероятностные модели и нормированные показатели безотказности и долговечности упрочненных буровых коронок;
закономерности изнашивания упрочненных буровых коронок.
5. Разработанные в итоге исследований конструкция породоразру-
шающей вставки повышенной размерной точности, прочности и износо
стойкости, способы изготовления и упрочнения породоразрушающих вста
вок с дифференцированными свойствами сплава по сечению, технологиче
ские процессы и оборудование для упрочнения, а также нормативно-
технические требования, как основа создания буровых коронок с заданны
ми свойствами.
Научная новизна результатов заключается в следующем:
1. Установлены закономерности изменения физико-механических
свойств элементов армирования и надежности буровых коронок в процессе
изготовления и эксплуатации, показывающие возможность направленного
формирования адаптивных свойств конструктивных элементов коронки.
-
Разработана аналитическая модель структурной надежности буровых коронок, раскрывающая численными методами причинно-следственную связь параметров конструкции, изготовления и эксплуатации с надежностью структурных элементов коронки, и показывающая возможность повышения ее надежности путем структурного, временного и нагрузочного резервирования наиболее "ненадежных" элементов.
-
Проведен феноменологический анализ факторов упрочнения породоразрушающих вставок в буровых коронках, показывающий, что в зависимости от исходных физико-механических характеристик армирующего материала и соответствующего упруго-пластического состояния можно сформировать заданные (расчетные) технологические, прочностные и эксплуатационные свойства вставок.
-
Разработаны аналитическая и численная модели остаточного НДС породоразрушающих вставок при армировании коронок, устанавливающие связь технологических параметров с остаточными напряжениями в поверх-
ностном слое и структурных элементах материала вставок и позволяющие прогнозировать поля напряжений, деформаций, перемещений и режимов термомеханического воздействия на армирующие материалы.
-
Проведено численное и статистическое моделирование состояния элементов буровых коронок при их изготовлении и эксплуатации, позволяющее прогнозировать структурную надежность коронок.
-
Разработан комплекс научно-технических решений по созданию буровых коронок ударного действия с заданными параметрами прочности, долговечности и размерной точности для расширенной области бурения.
Научное значение работы состоит в установлении закономерностей изменения физико-механических свойств элементов армирования и надежности буровых коронок в процессе их изготовления и эксплуатации, феноменологической оценке эффекта упрочнения конструктивных элементов коронок, разработке методики определения структурной надежности коронки, создании математической и численной моделей НДС упрочненных армирующих изделий и разработке статистических и численных моделей надежности упрочненных коронок.
Практическое значение работы заключается в разработке методики определения структурной надежности буровых коронок при их проектировании, изготовлении и эксплуатации; конструкции, способов изготовления и комбинированного упрочнения твердосплавных породоразрушающих вставок с дифференцированными технологическими, механическими и три-бологическими свойствами по сечению вставок и повышенной размерной точностью; методики расчета оптимальных технологических режимов упрочнения и заданных параметров микроструктуры твердосплавных вставок; нормативно-технической документации (ГОСТ 6086-85, ТУ 48-19-301-19, ТУ 24-8-1030-77, ТУ 8-574-76 и техпроцессы), используемой при конструировании и технологической подготовке производства буровых коронок; определении нормативных показателей надежности (вероятности безотказной работы, гамма-процентного ресурса, рейсовой проходки до предельного износа и др.) упрочненных буровых коронок различных конструкций, адаптированных к расширенной области горно-технических условий бурения шпуров и скважин.
При совокупном использовании перечисленных разработок долговечность буровых коронок ударного действия повышается в 2-2,5 раза.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются:
— в теоретических исследованиях - корректностью постановки задач и использованием апробированных ранее методов, фундаментальных положений материаловедения, теории старения и динамики бурильных машин, математических теорий моделирования; учетом важнейших физических особенностей буровых коронок; сходимостью результатов теоретиче-
ских. исследований по разработанным моделям и методикам с данными, полученными в экспериментах и промышленных испытаниях;
в экспериментальных исследованиях - использованием высокоточных измерительных и измерительно-регистрирующих приборов и вычислительной техники, прошедших нормативную метрологическую экспертизу; статистической обработкой результатов по методикам Госстандарта РФ; приемлемой точностью результатов экспериментальных исследований модельных образцов буровых коронок и их сходимостью с результатами теоретических исследований;
в натурных исследованиях - необходимым и достаточным объемом промышленных испытаний коронок с контрольными наблюдениями (пробурено 15000 м шпуров и скважин), данными промышленной эксплуатации 100000 буровых коронок и междуведомственными испытаниями; статистической обработкой данных промышленных испытаний и приемлемыми значениями статистических характеристик результатов.
Реализация результатов работы. Основные положения представленной диссертации и разработанная при участии автора научно-техническая документация и рекомендации использованы и внедрены:
НИПИгормаш, ВНИИТС, специализированным бюро самоходного горного оборудования, ГИПРОмашобогащение - при конструировании, ЦНИИТтяжмаш и ЗапсиббурНИПИ - при технологической подготовке производства буровых коронок;
Кузнецким, Дарасунским, Кыштымским, Самаркандским заводами, АООТ "Уралбурмаш", заводом АООТ НИПИгормаш, - в производстве буровых коронок;
Березовским и Богословским рудоуправлениями - в эксплуатационных условиях;
— в учебном процессе - при подготовке горных инженеров-
механиков по специальности 17.01 "Горные машины и оборудование"
по дисциплинам "Надежность горных машин", "Ремонт горных ма
шин" , "Теория старения машин".
Подтвержденный актами и другими документами экономический эффект от внедрения указанных научно-технических разработок по уровню цен на 1996 год составляет 8 млрдрублей.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и получили одобрение на выездном заседании секции научного совета ГКНТ "Новые методы разрушения горных пород" (г. Свердловск, 1975 г.); научно-технических конференциях "Проблемы повышения стойкости бурового инструмента" (г. Новокузнецк, 1975 г.), "Пути совершенствования производства твердосплавного и алмазного бурового инструмента и расширение областей его применения" (г. Москва, г. Самарканд, 1979 г.); областной научно-технической конференции молодых ученьи и специалистов "Пути повышения конструктивной прочности металлов и сплавов" (г. Свердловск,
-
г.); международном семинаре "Сверхтвердые материалы" (г. Киев,
-
г.); семинаре ИСМ АН УССР "Эффективный горный породоразру-шающий инструмент" (г. Киев, 1986 г,); координационных совещаниях по республиканской научно-технической программе "Надежность конструкций" (г. Свердловск, 1984 и 1986 гг.); областном семинаре СПТБ Оргприм-твердосплав "Эффективность использования твердосплавного бурового инструмента на горных предприятиях" (г. Свердловск, 1984 г.); VI Всесоюзной конференции по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов (г.Свердловск, 1986 г.); I Всесоюзной научно-технической конференции "Композиционные материалы в породоразрушающих инструментах" (г. Иваново-Франковск, 1987 г.); научно-технических советах и секциях специализированных институтов и организаций (СКБ СГО, 1981 г.; ЦНИИТтяжмаш, 1981 г.; ЗапсибоурНИПИ, 1988 г.; НИПИгормаш, 1996 г.).
Результаты исследовательских, технологических и конструкторских работ по внедрению упрочняющей обработки в производстве буровых коронок на пяти заводах экспонировались на ВДНХ в 1976 г. с изданием брошюры.
Публикации- По материалам диссертации опубликовано 37 работ, в том числе 18 статей, 7 тезисов докладов, 1 брошюра, 8 авторских свидетельств, 2 учебных пособия, 1 реферат отчета о НИР, в которых изложены основные научные положения, выводы и рекомендации.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.