Способы увеличения срока службы бурового инструмента

Анализ отказов бурового инструмента:

В последние годы буровые инструменты моей страны быстро развивались, и была сформирована серия продуктов со своими собственными характеристиками, такими как буровые коронки с зубьями колонного типа, твердосплавные интегральные буровые коронки, чрезвычайно прочные буровые коронки, карбид K610, сверхпрочная сталь для бурового инструмента Ни-Кр-Мо, гофрированные и трапециевидные буровые штанги ∅38 и т. д., со значительно улучшенным качеством и сроком службы. Однако качество массового производства все еще нестабильно, и буровые инструменты выходят из строя рано. Причины анализируются следующим образом:

1. Сверло

Формы повреждений бурового долота в основном включают аномальный износ и нормальный износ, такой как осколки, сломанные зубья, внутреннее удаление зубьев, выпячивание корпуса сверла и трещины. В моей стране долгое время использовались прямые буровые долота старого образца. После сломов средний остаточный размер лезвия в середине детали из сплава составляет более 12 мм, а нормальный показатель составляет менее 5%. Выпячивание, износ перевернутого конуса, сломанная шейка, трещины и падающие фрагменты в твердых породах часто составляют более 80% использования бурового долота. Основная причина заключается в том, что крыло лезвия бурового долота слишком тонкое, а относительная толщина крыла составляет всего 1,16. Оно не износостойкое, имеет быстрый радиальный износ и плохую геометрическую стабильность формы. Стальной корпус лезвия имеет недостаточное зажимное усилие на листе сплава, что приводит к падению листа, взрывная скважина не круглая, сопротивление вращению большое, а износ лезвия бура усугубляется. Старая прямая головка сверла имеет глубину конического отверстия 32 мм, а глубина вставки наконечника сверла составляет менее 24 мм. Коническое отверстие неглубокое. Под действием высокочастотной и высокоударной нагрузки положительное давление на единицу площади стенки брюк легко превысит предел прочности стального корпуса головки сверла и вызовет расширение брюк или растрескивание брюк. Во-первых, начиная с внутренней стенки отверстия брюк, образуется тангенциальная остаточная деформация растяжения, в результате чего стенка брюк расширяется, образуя форму трубы, неплотное соединение и отваливание брюк. Когда твердость стали корпуса брюк слишком высока, чтобы вызвать растрескивание брюк, система выброса порошка плохая, и происходит повторное дробление, что увеличивает износ головки сверла.

Основными формами повреждений головки сверла с шаровидным зубом являются выпадение кромочного зуба, выпадение сломанного зуба, растрескивание брюк, снятие колпачка и поломка талии. Согласно статистике отказов шведских шаровидных буровых коронок ∅48 мм, пробуренных гидравлическими перфораторами COP1038HD в Китайском университете геологических наук, 37% зубьев были потеряны, 28,3% зубьев были сломаны и 13,2% зубьев были сломаны. При бурении отверстий в твердом граните пневматическими перфораторами 7655 было потеряно 22,7% зубьев, 35,4% зубьев были сломаны и 26,4% зубьев были сломаны. Полевые испытания показывают, что зубья потеряны и сломаны. Это происходит потому, что зубья подвергаются эксцентрическому напряжению, которое крайне неравномерно распределено, и зубья подвергаются различному радиальному окружному давлению, что заставляет зубья выдерживать напряжение, а зубья подвергаются различному радиальному окружному давлению, что заставляет зубья плохо выдерживать напряжение и приводит к поломке зубов. Из-за высокой твердости основания сверла посадка с натягом между зубьями и отверстиями остается неизменной. При фиксации из-за высокой твердости отверстия зуба упругопластическая деформация плохая. Когда зубья фиксируются под давлением, легко образуются микротрещины. Поскольку порода бурится с большей скоростью, они расширяются в разных направлениях, что приводит к неравномерному дроблению сплавных зубьев. По мере увеличения количества ударов по сверлу с зубьями колонны пластическая деформация стенки отверстия зуба продолжает увеличиваться, в результате чего на устье отверстия зуба появляется раструб, что приводит к снижению силы фиксации зубьев и легко вызывает срыв зуба. Кроме того, из-за небольшого зазора между зубчатыми отверстиями низкая твердость корпуса сверла также усугубляет обдирку зубьев. Поскольку твердый сплав является хрупким материалом, неизбежные поры, включения и другие источники микротрещин внутри него будут продолжать расширяться и разрушаться в процессе миллионов ударов при бурении породы. Влияние корпуса сверла высокой твердости на зубья из твердого сплава намного больше, чем у корпусов сверл средней и низкой твердости. Чем ниже твердость корпуса сверла, тем меньше влияние силы давления на производительность твердого сплава. Однако снижение твердости корпуса сверла приведет к недостаточной силе фиксации зубьев и обдирке зубьев. Кроме того, это связано с такими факторами, как материал, производительность флюса, операция сварки и способ использования.

Более 80% изломов стального корпуса сверла происходят на границе между торцом наконечника сверла и дном штанов сверла, а излом зубчатого сверла колонного типа происходит вдоль нижнего интерфейса отверстия зуба. Из закона передачи волн напряжения видно, что область между торцом наконечника сверла и дном штанов является областью, где сопротивление волны резко меняется. Усталостное разрушение, вызванное отражением волны напряжения и мутацией поперечного сечения, часто усугубляется такими факторами, как неправильный выбор стали, необоснованное проектирование геометрических параметров структуры, неправильный выбор производственного процесса и неправильные методы использования.

2. Буровая штанга

Буровые штанги подвергаются всесторонним знакопеременным напряжениям, в основном состоящим из ударного напряжения, изгибающего напряжения и коррозионного напряжения во время эксплуатации. Поэтому буровая штанга должна иметь высокую усталостную прочность, ударопрочность, коррозионную стойкость, а также низкую чувствительность к надрезам и скорость роста трещин. Формы повреждений буровых штанг включают недостаточную твердость конца рукоятки небольшой буровой штанги, вызывающую нагромождение сверху; чрезмерную твердость, вызывающую взрыв сверху; износ резьбы шатуна; а также усталостное разрушение и хрупкое разрушение.

Разрушение буровой штанги является основной формой отказа. Усталостное разрушение - это трещины, вызванные накоплением повреждений при повторяющемся напряжении. Обычно оно возникает из-за слабых частей материала, таких как неметаллические включения, пузыри, белые пятна, рубцы, обезуглероживание, коррозионные трещины внутри материала; плохой материал и термическая обработка, например, науглероженный сердечник буровой штанги слишком твердый, плохая закалка приводит к трещинам и трещинам на конце хвостовой ручки; из-за конструктивных причин, таких как неправильная форма резьбы буровой штанги, плохая посадка втулки и резьбы, плохая посадка конуса и хвостовой ручки, трещины и поломки; неправильное использование, такое как следы от молотка, плохая смазка соединений и коррозия буровой стали и т. д., которые вызывают трещины и поломки. Помимо расширения этих трещин, усталостное разрушение буровой штанги происходит после длительного процесса разработки. Лечение усталостного разрушения буровой штанги можно разделить на три этапа: под действием циклического напряжения некоторые части буровой штанги производят пластическую деформацию в виде скольжения, и появляются микротрещины, которые постепенно перерастают в макротрещины под повторным действием циклического напряжения; на втором этапе эффективная площадь буровой штанги уменьшается с развитием макротрещин; на третьем этапе, когда поперечное сечение буровой штанги уменьшается до напряжения, эквивалентного пределу прочности, она ломается. Усталостное разрушение буровой штанги шатуна в основном происходит у основания резьбы, и трещина развивается от внешней поверхности внутрь; усталостное разрушение малой буровой штанги, внутренняя усталостная трещина образуется на поверхности отверстия для воды буровой штанги и постепенно развивается наружу, а внешняя усталостная трещина образуется на поверхности буровой штанги и постепенно развивается внутрь. Усталостное разрушение малой игольчатой ​​штанги в основном происходит в пределах 300~400 мм перед воротником.

В процессе бурения горных пород в шахтах небольшое количество сломанных буровых штанг не имеет следов усталости на поверхности излома, как правило, показывая состояние яркой кристаллической поверхности, что часто называют хрупким изломом. Это в основном из-за дефектов буровой штанги, таких как включения, вмятины, следы от молотка или чрезмерные изменения поперечного сечения, а также раструб, полученный во время ковки, неправильной термической обработки и других факторов, приводящих к низкой прочности буровой штанги, плохой пластичности или большой концентрации напряжений, что заставляет трещину развиваться чрезвычайно быстро и легко вызывать раннее хрупкое разрушение буровой штанги.

Способы увеличения срока службы сверлильного инструмента

1. Улучшить качество дизайна

Определение разумных структурных параметров и постоянная разработка новых разновидностей являются предпосылками для улучшения срока службы инструмента сверла. В течение многих лет использовалось прямое сверло старого образца. Основной причиной его короткого срока службы является необоснованная конструкция изделия, которая проявляется в небольшой относительной толщине крыла, мелком коническом отверстии, плохом эффекте выброса порошка, нестабильной геометрической форме, легком получении ранней цилиндрической деформации и необоснованных геометрических параметрах листа твердого металла. Поэтому трудно улучшить на основе первоначальной конструкции, и прямое сверло старого образца следует устранить как можно скорее.

В лопастных сверлах широко используются радиально расположенные цельные прямые, трехлопастные, крестообразные и Х-образные сверла. Чем больше лопастей у сверла, тем выше износостойкость. Крестообразное сверло имеет на 30~50% большую шлифовальную площадь, чем прямое сверло, но изготовление и шлифование сложны и дороги. Относительная толщина крыла предпочтительно составляет 1,6~2,2, а поперечное сечение канавки для отвода порошка и общая площадь поперечного сечения отверстия для воды должны быть равны или больше поперечного сечения центрального отверстия буровой штанги. Часто используется расположение с 3 отверстиями, а диаметр центрального отверстия немного больше. Разумная структура корпуса должна иметь угол зазора 2°~3° на головке и переход в виде дуги окружности или конуса с радиусом кривизны R=30~80 мм между конической поверхностью и цилиндрической поверхностью хвостовика удлиненного корпуса брюк. Малое сверло диаметром менее 45 мм соединяется с буровой штангой с помощью конического соединения, а сверло диаметром более 45 мм соединяется с помощью гофрированной или композитной трапециевидной резьбы. Скорость бурения горных пород обратно пропорциональна квадрату диаметра сверла. Однако для того, чтобы разумно использовать технологию и улучшить качество и срок службы сверла, частота шлифования сверла может быть увеличена до 15 раз. Для того, чтобы уменьшить радиальный износ сверла, можно увеличить площадь контакта между лезвием сверла и стенкой отверстия, чтобы сделать выброс порошка гладким, можно разумно определить угол зазора листа сплава, а также можно соответствующим образом увеличить толщину листа сплава.

Форма коронки зуба колонны бурового долота с колонным зубом в основном полусферическая. Скорость бурения породы высокая. При вдавливании в породу поверхность зуба относительно прочная и долговечная при сжимающем напряжении. Размер диаметра зуба должен учитывать достаточное растягивающее напряжение, прочность фиксированных зубьев и возможность расположения зубьев. Количество зубьев должно учитывать эффективное разрушение породы, возможность расположения зубьев, достаточную прочность и удобную повторную заточку. Из анализа отказов известно, что напряженное состояние боковых зубьев плохое, а боковые зубья ломаются и ломаются. Следующие меры могут быть приняты для уменьшения повреждения боковых зубьев и продления срока службы бурового долота с колонным зубом.

(1) Укрепите боковые зубья и правильно выберите форму зубьев, диаметр зубьев и высоту зубьев. Диаметр средних зубьев и боковых зубьев в настоящее время составляет 9,65~9,95 мм. Диаметр боковых зубьев может быть увеличен до 10,65~10,95 мм для повышения ударной прочности и износостойкости, а диаметр средних зубьев может быть уменьшен до 8,65~8,95 мм для облегчения расположения боковых зубьев и снижения затрат.

(2) Соответствующее уменьшение угла наклона боковых зубьев способствует улучшению напряженного состояния и повышению ударопрочности боковых зубьев. За рубежом часто используют углы наклона 30°~35°, которые можно уменьшить до 20°~25°, увеличивая площадь контакта между внешней поверхностью боковых зубьев и породой, а также способствует самозатачиванию боковых зубьев и улучшению радиальной износостойкости бурового долота. Средние зубья немного выше боковых зубьев, чтобы облегчить центрирование и открыть боковые свободные поверхности для боковых зубьев, чтобы улучшить эффективность разрушения породы. Для мягких пород с низкой радиальной абразивностью угол наклона должен быть небольшим.

(3) Правильно выберите зазор сварки и интерференцию фиксированных зубцов, чтобы увеличить фиксирующую силу зубцов колонны. Когда интерференция мала, сила затяжки уменьшается. Когда интерференция немного больше, в отверстии зубца появятся царапины. Если зубец будет еще больше увеличен, он не будет вдавливаться. Когда он слишком большой, зубец легко сломается, и иногда корпус сверла будет разбухать и ломаться. Если шероховатость поверхности отверстия зубца увеличивается, коэффициент трения увеличивается, чтобы увеличить силу затяжки, что является осуществимой мерой. Используя пластиковое гнездо (обычно используемый медный материал H62Y) в качестве посредника, гнездо и отверстие переходно совпадают, и зубцы совпадают с интерференцией. Когда зубцы подвергаются холодному прессованию, гнездо сжимается друг против друга под действием силы фиксации зуба, и гнездо подвергается пластической деформации, а шероховатая поверхность зубцов отверстия вклинивается друг в друга, тем самым увеличивая силу сцепления (статическое трение) между зубцами отверстия и достигая прочного фиксированного зуба.

(4) Боковые зубья выбираются из высокопрочного цементированного карбида и подвергаются горячей изостатической обработке для эффективного предотвращения поломки зубьев. Усиление стального корпуса сверла повышает абразивную стойкость стального корпуса.

(5) Рациональное расположение зубьев, максимально возможное увеличение количества боковых зубьев, улучшение системы выброса порошка, сохранение переднего отверстия для воды и большого зазора трехканавочной двухотверстий системы выброса порошка, высокая эффективность выброса порошка, снижение повторного дробления каменного порошка, снижение потребления энергии и продление срока службы бурового долота.

Для бурения неглубоких скважин используются шестигранные пустотелые стали B19, B22, B25, что составляет около 80~85% от общего использования пустотелой стали; для бурения глубоких скважин используются круглые или шестигранные пустотелые стали D32, D38, B25, B32, что составляет 15~20%. Шестигранные буровые штанги имеют хорошую жесткость, большой зазор для выпуска порошка и легко катятся.

Улучшить структуру буровой штанги, например, буровую штангу с полной резьбой, предложенную компанией Ингерсолл Рэнд Компания в США, которая обрабатывается методом прокатки, поверхностной закалки, улучшает прочность и износостойкость, большой угол наклона винтовой линии, хорошую самоблокировку и легкую разборку и сборку. Когда соединительный конец изнашивается, его можно отрезать, снять фаску и использовать повторно, что увеличивает срок службы в 3–4 раза. Буровая штанга СПИДРОД компании Самдвик Компания в Швеции использует резьбовой соединительный стержень, отменяет втулку соединительного стержня, устраняет зазор поверхности соединения, значительно улучшает выравнивание и жесткость соединения, сохраняет линейность сверлильного отверстия и экономит энергию.

Улучшение внешнего вида и качества упаковки сверлильного инструмента, продуманная разработка внешнего вида, формы и структуры упаковки могут эффективно защитить сверлильный инструмент, придать ему эстетичный вид и продлить срок его службы.

2. Выбирайте качественные материалы

При выборе материалов для сверлильного инструмента следует учитывать прочность и износостойкость, хорошую жесткость и износостойкость, достаточно высокую усталостную прочность, низкую чувствительность к усталостным надрезам, высокую способность зажимать листы сплава и определенную коррозионную стойкость. Хорошие эксплуатационные характеристики, легкость резки, хорошую закаливаемость и прокаливаемость, хорошую свариваемость. Это соответствует национальным условиям, низкой цене и постарайтесь использовать меньше Ни и Кр. Результаты метода выбора стали для сверлильного инструмента на основе нечеткой математики рекомендуются следующим образом:

(1) Сталь 24SiMnNi²CrMo — это новый тип стали, который имитирует шведскую сталь ФФ710 и имеет лучшие обычные механические свойства, свойства разрушения и комплексную оценку. Средний срок службы отечественного девятизубого колонного бурового долота ∅50 в дорожном проекте составляет 715,2 м/шт., а максимальный срок службы — 901,4 м/шт., что близко к сроку службы шведского колонного бурового долота ∅48 в проекте — 760 м/шт. Это также хороший материал для буровых штанг. Средний срок службы гидравлической тележки гидравлического бурового станка Меркурий 300 в железном руднике составляет 152,4 м/шт., а срок службы бурового хвостовика — 609 м/шт., что на 76% выше срока службы французского бурового хвостовика 23CrNi³Мо — 345 м/шт.;

(2) Средняя совокупная длина буровой штанги из стали 40SiMnMoV составляет 1225,4 м, что близко к зарубежному уровню;

(3) Срок службы малой буровой штанги из сплава 55SiMnMo близок к уровню 250 м шведской малой буровой штанги из сплава 95CrMo;

(4) Средний срок службы буровой штанги из стали 35SiMnMoV может достигать 300 м/шт. Вышеуказанная сталь подвергается термической обработке путем закалки, отпуска, отжига, нормализации и т. д. для образования бейнитной стали с высокой усталостной прочностью и вязкостью.

Для индукционной пайки неподвижных деталей и неподвижных зубьев малых и средних сверл в качестве материала корпуса сверла используется 40MnMoV. Срок службы производимых крестовых и колонных сверл с гофрированной резьбой ∅50 близок к сроку службы шведских сверл. Для колонных сверл с горячими закладными зубьями предпочтительна сталь 45NiCrMoV.

Выбор материалов из твердого сплава должен быть адаптирован к механическим свойствам породы и типу буровой установки. Обычно для чрезвычайно прочных пород и буровых установок с большой ударной силой используются твердые сплавы с высоким содержанием кобальта, такие как YJo и YG13C; для твердых пород в основном используются YJ¹, YK25 и YG11C; для рудных пород средней твердости используются YG8C и YJ²; а для мягких пород используются YJ³ и YG6. Коэффициент линейного расширения кобальтовой фазы в твердом сплаве примерно в 3 раза больше, чем у карбида вольфрама. Внутреннее напряжение, возникающее при быстром нагреве и охлаждении, приведет к растрескиванию того же интерфейса. Поэтому, независимо от процесса изготовления, сварки и шлифования, следует избегать резкого нагрева и охлаждения твердого сплава.

Припой на основе серебра широко используется в иностранной пайке наконечников сверл. Он имеет низкую температуру плавления, мало влияет на производительность стального корпуса и твердого сплава, высокую прочность сварки и низкое сварочное напряжение. Моя страна должна проводить исследования и разработки для удовлетворения потребностей открытия рынков внешней торговли. В настоящее время припои на основе меди, такие как 105, 801 и СБ-1, в основном используются на основе эффективности бурения горных пород и срока службы.