МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ ПУТЁМ УПРОЧНЕНИЯ РАБОЧЕЙ ЧАСТИ ПОГРУЖНОГО ПНЕВМОУДАРНИКА

АННОТАЦИЯ

Установлена актуальная проблема значительного отставания в развитии бурения отечественными погружными пневмоударниками, связанная с неспособностью оказывать высокое давление сжатого воздуха на буровой инструмент. Рассмотрены основные методы повышения эффективности ударно-вращательного бурения путём упрочнения рабочей части современного погружного пневмоударника. Представлены методы упрочнения и критерии выбора материала основных рабочих элементов пневмоударника. Описаны процессы испытаний деталей после методов их упрочнения. Приведены результаты экспериментального исследования с помощью специального лабораторного оборудования. Показано, что с применением технологии изотермической закалки поршня пневмоударника в 1,5 раза увеличивается циклическая трещиностойкость в сравнении со сталью, претерпевающей закалку и отпуск. Подтверждены экспериментальные исследования в упрочнении магнитно-импульсной обработкой штырей бурового инструмента пневмоударника, при которой значения износа образцов, предварительно обработанных при температуре 1000 °С, значительно меньше, чем значения износа образцов без использования метода упрочнения. Доказано, что достижение необходимых параметров высокопроизводительного бурения пневмоударником можно осуществить с помощью рационального выбора режимов упрочнения его соударяющихся деталей. В дальнейшем, полученные опытным путем технологии упрочнения материалов, найдут широкое применение в производственных условиях.

ABSTRACT

The current problem of a significant lag in the development of drilling with domestic down-the-hole hammers, associated with the inability to apply high compressed air pressure to the drilling tool, has been established. The main methods for increasing the efficiency of rotary impact drilling by strengthening the working part of a modern down-the-hole hammer are considered. Methods of hardening and criteria for selecting the material of the main working elements of an air hammer are presented. The processes of testing parts after methods of their hardening are described. The results of an experimental study using special laboratory equipment are presented. It has been shown that using the technology of isothermal hardening of the pneumatic hammer piston, the cyclic crack resistance increases by 1.5 times in comparison with steel undergoing hardening and tempering. Experimental studies have been confirmed in the strengthening of pins of an air hammer drilling tool by magnetic pulse treatment, in which the wear values ​​of samples pre-treated at a temperature of 1000 °C are significantly less than the wear values ​​of samples without using the hardening method. It has been proven that achieving the necessary parameters for high-performance drilling with an air hammer can be achieved using a rational choice of hardening modes for its impacting parts. In the future, experimentally obtained technologies for strengthening materials will find wide application in production conditions.

Ключевые слова: бурение, погружной пневмоударник, поршень, буровая коронка, упрочнение, надежность, эффективность

Keywords: drilling, down-the-hole hammer, piston, drill bit, hardening, reliability, efficiency

Введение

Основным процессом при разведке и разработке месторождений полезных ископаемых, их добычи открытым и подземным способом, а также проведение строительных работ, путём сооружения горной выработки является проходка бурением. Наиболее перспективным способом бурения твёрдых и наиболее твёрдых пород является ударно-вращательный способ, исполняемый с помощью погружных ударных машин.

Бурение пород погружным пневмоударником производится вращающимся породоразрушающим инструментом с нанесением на него одночастотных ударов. При этом, выступы, образующиеся в углублении, режут штыри постоянно вращающегося бурового инструмента. Эффективность бурения горной породы данным способом заключается в образовании комплекса статических и динамических нагрузок, за счёт которых формируется процесс смятие–резание, а также дробление–скалывание [1].

Пневмоударное бурение имеет ряд достоинств перед своим главным конкурентом в области разрушения горных пород – шарошечным, которое осуществляет бурение скважин вращательным способом. Воздействие на забой скважины при бурении ударно-вращательным способом в гораздо большей степени, чем при шарошечном бурении, обеспечивает разрушение горного массива за счёт сдвиговых напряжений и не приводит к переизмельчению обуреваемой породы, что снижает энергоемкость и увеличивает скорость бурения скважин [2]. Также, при пневмоударном бурении время, затраченное на текущие и капитальные ремонты в течение года на 30-35% меньше, что позволяет буровой машине затрачивать большее количество времени на образование горной выработки (примерно 18 дней в году).

В настоящее время отечественные пневмоударники значительно отстают в развитии от зарубежного уровня. Это связанно с неспособностью оказывать высокое давление сжатого воздуха на буровой инструмент, что сильно отражается на производительности бурения. Эффективность бурения пропорционально влияет на ударную мощность пневмоударника, а с ней и на частоту ударов, что ставит перед рынком отечественной продукции проблему подбора надежного бурового оборудования, давление сжатого воздуха которого будет находиться в пределах 2-2,5 МПа, вместо прежних 0,5-0,8 МПа. [3]

Исследования, проведенные на предприятии НАО «НИПИГОРМАШ», подтверждают, что для создания условий наиболее производительного разрушения горных пород должны устанавливаться требования к показателям надежности рабочих элементов ударной машины. Рост уровня данного показателя можно осуществить с правильным подбором технологий упрочнения рабочей части пневмоударника, то есть поршня и буровой коронки. [4]

I. Выбор материалов и режимов упрочнения поршня

1. Для работы погружных пневмоударников на высоком давлении сжатого воздуха крайне важно подобрать высокопрочные материалы с применением термообработки для его основного рабочего элемента - поршня. При росте энергоносителя высокого давления создаются напряжения между соударяющимися деталями (поршнем и коронкой), а это, в свою очередь, влияет на срок службы исполнительного органа бурового станка.

В качестве эталонного примера высокопрочного материала поршня, можно отнести ударник иностранного аналога, мирового лидера по производству погружных пневмоударников, шведской компании «Atlas Copco». Производитель изготавливает современные ударные элементы высокого давления из конструкционной легированной стали. Высокий уровень углерода поверхностного слоя поршня (0,8%) тесно связан с дополнительной химико-термической обработкой (цементацией), которая формирует упрочненный слой толщиной до 1.5 мм и твердость HRC 57-59. Это позволяет получить поверхность с высокой трещиностойкостью, а также с сопротивлением изнашиванию. Сердцевина поршня сформирована структурой отпущенного мартенсита с твердостью 44-46 HRC. Для дальнейшего анализа технологии упрочнения будет использован образец поршня пневмоударника DMR4-DHD340A из легированной конструкционной стали 40Х2Н2МА. (рис.1)

Рисунок 1. Поршень пневмоударника DMR4-DHD340A, изготавливаемый предприятием АО «Машиностроительный холдинг» на базе предприятия НАО «НИПИГОРМАШ»

2. Вопрос продления срока службы и повышения эффективности поршня, работающего в условиях циклических нагрузок, связан не только с выбором высоконадежного материала, но и с использованием упрочнения. Задача решается с применением нового метода изотермической закалки, вместо использования традиционной закалки с отпуском, которая не гарантирует оптимальный ресурс работы пневмоударника при проходке в породах высокой крепости. [5]

С помощью системы математического моделирования «Solidworks Simulation», которая позволяет вычислить величину напряжений, потерю устойчивости, а также получить термический анализ детали, был произведен выбор режимов термообработки. При изотермической закалке образец поршня доводили до нагрева температуры 850 °С при последующем охлаждении в расплаве солей с температурой 350-400 °С и выдержкой 40 мин. После проведения термической обработки, образец был испытан на сопротивление разрушению за счёт циклического растяжения и сжатия, благодаря гидравлической разрывной машине 300DX Instron. Исследования осуществляли при частоте 480 ударов в минуту с энергией удара 5 Дж. Целью испытания было выявление в образце трещин и времени до полного разрушения.

Таблица 1.

Механических свойства стали 40Х2Н2МА после различных режимов термического упрочнения

По результатам испытаний на сопротивление разрушению, удалось выяснить, что исследуемый образец стали, упрочненный с помощью изотермической закалки имеет значительное преимущество по трещиностойкости в сравнении с аналогичной сталью, претерпевающей традиционную для поршня пневмоударника закалку и отпуск. (табл.1). Это связано с тем, что в условиях сжатия – сталь, приобретающая структуру нижнего бейнита оказывает высокое сопротивление усталостному разрушению, в сравнении со сталью термообработанной закалкой с отпуском. Высокая долговечность стали в структуре нижнего бейнита обоснована тем, что при закалке мартенсит формируется гораздо быстрее, чем при бейните, а это, в свою очередь, влияет на создание структуры, которая будет менее подвержена дефектам. [6,7]

II. Исследование конструкции и выбор режима упрочнения буровой коронки

1. Важным элементом при пневмоударном бурении является буровой инструмент (буровая коронка), которой производится непосредственное разрушение горной породы. Как правило, при бурении на высоком давлении сжатого воздуха для бурового инструмента используются штыри, запрессованные в буровую коронку. В России штыри бурового инструмента изготавливают, как правило, из марок твердого сплава на основе карбида вольфрама (ВК8, ВК10, ВК16), которые имеют различный профиль рабочей части: баллистический или сферический, в зависимости от скорости проходки.

Рисунок 2. Конструкция буровой коронки пневмоударника DMR4-DHD340A:

1 – продувочный канал; 2 – державка; 3 – корпус коронки; 4 – твердосплавный штырь

Для исследования конструкции бурового инструмента рассмотрим буровую коронку пневмоударника DMR4-DHD340A (рис.2). Штыри бурового долота выполнены из марки твердого сплава DP65, благодаря которому обеспечивается ударостойкость, долговечность при высокой износостойкости. Прочность штыря создается за счет сочетания остаточных напряжений сжатий материала и смягчения промежуточной зоны с высоким содержанием кобальта [8,9]. Сферический профиль рабочей части долота позволяет совершать бурение на забой скважины с высокой скоростью, что положительно сказывается на экономии и производительности бурения. 

2. Для обеспечения высокой эффективности и долговечности бурового инструмента при интенсивном бурении скважин на высоком давлении необходимо применение метода упрочнения, позволяющего обрабатывать твердосплавные материалы. Перспективным направлением повышения надежности твердосплавного режущего инструмента значится комбинированная магнитно-импульсная обработка. Метод основан на том, что предварительно нагретая обрабатываемая поверхность получает воздействие импульсов магнитного поля.

В качестве исследуемого объекта были использованы образцы твердосплавного штыря марки DP65. Образцы были помещены в индукционную печь, где происходил предварительный нагрев высокочастотным током до температуры 1120 °С. После чего образцы были направлены в индуктор для магнитно-импульсной обработки, где происходило воздействие магнитного поля на материал, с величиной магнитной индукции, равной 1,7 Тл, которая соответствует магнитному насыщению кобальта. С окончанием обработки материала, образцы выдерживались на неметаллическом вкладыше (для снижения избыточной энергии) в течении 24 ч. После всех термических операций были проведены тесты на износостойкость с помощью электроэрозионного оборудования.

Таблица 2.

Износ твердосплавных зубков марки ВК8 после комбинированной МИО.

По результатам исследований были получены значения, которые занесены в таблицу (табл.2). Из данных таблицы следует, что значения износа образцов, которые предварительно обработаны при температуре 1000 °С, значительно меньше, чем значения износа образцов без использования метода упрочнения. Это объясняется ростом твердости на поверхности образцов, а также снижением остаточного и усталостного напряжения в структуре материалов. При предварительном нагреве образцов до температуры 800 и 900 °С, значения износа близки со значениями образцов, которые не подвергались магнитно-импульсной обработке. Это связано с тем, что магнитно-импульсная обработка, в данном случае, имеет несущественное влияние на износостойкость материала штырей твердого сплава.

Выводы

Благодаря упрочнению методом изотермической закалки, у поршня пневмоударника значительно повысились такие показатели, как: трещиностойкость, ударная вязкость, прочность. Данная технология, формирующая у стали структуру нижнего бейнита, рекомендована в качестве метода упрочнения деталей с повышенными ударными нагрузками, у которых максимальное напряжение не превышает 400 МПа.

Упрочнение методом магнитно-импульсной обработки подтвердили рост износостойкости твердосплавных штырей с предварительным нагревом при температуре 1000 °С. Данный способ считается многообещающим для добывающей промышленности, в связи с этим важно расширять номенклатуру буровых инструментов с твердосплавными режущими элементами для дополнительных исследований, направленных на поиск оптимального режима комбинированной магнитно-импульсной обработки.  

На основании проведенных исследований, можно сделать вывод о том, что достижение необходимых параметров высокопроизводительного бурения пневмоударником можно осуществить за счёт рационального выбора режимов упрочнения его соударяющихся деталей. В дальнейшем, полученные опытным путем технологии упрочнения материалов найдут широкое применение в производственных условиях.

Список литературы:

1. Нескромных В.В. Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ: учеб. пособие. Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2016. – 396 с.  
2. Yang Y., Liao H., Xu Y. Theoretical investigation of the energy transfer efficiency under percussive drilling loads // Arabian Journal of Geosciences, 2019. - Vol. 12. - № 5. - Р. 1-8.
3. Опарин В.Н., Тимонин В.В., Карпов В.Н. Количественная оценка эффективности процесса разрушения горных пород при ударно-вращательном бурении скважин // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2016. № 6. С. 60-74.
4. Муравьев В.И., Бахматов П.В., Фролов А. В., Григорьев В.В. Перспективные металлургические и технологические процессы производства конструкционных материалов: учеб. пособие. М.: Инфра-Инженерия, 2021. – 328 с.
5. Попов, А. А., Жилякова, М. А., Зорина, М. А. Фазовые и структурные превращения в металлических сплавах: учеб. пособие. Екатеринбург: Уральский федеральный университет, 2018. – 316 с.
6. Mohanad Alabdullah, Ashwin Polishetty, Junior Nomani and Guy Littlefair. Effect of Microstructure on Chip Formation during Machining of Super Austenitic Stainless Steel // International Journal of Materials Forming and Machining Processes, 2017. – Vol. 4. - №1. – P. 18
7. Панов В.С., Еремеева Ж.В. Технология, свойства и области применения спеченных твердых сплавов: учеб. пособие. М.: Инфра-Инженерия, 2021. - 148 с.
8. Тимонин В.В., Карпов В.Н. Оценка процесса разрушения горных пород при ударно-вращательном бурении скважин // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. 2016. № 3. С. 172-176 
9. Белянкина, О. В. Материаловедение горного машиностроения: учеб. пособие. Москва: МИСИС, 2019. — 96 с.