Основные закономерности изнашивания сталей при трении о горные породы

Рабочая поверхность деталей горного оборудования и инструмента выполняются чаще всего из углеродистых, инструментальных и цементированных сталей, соответствующие термической и химической обработке, при этом упрочняют рабочую поверхность, а также используют твердые сплавы.

Сталь марки У8А и 20ХН3А.

N_уд < 8,0 Вт/мм², выделяют три области изнашивания.

Зависимость скорости изнашивания от удельной мощности.

Теоретическая область изнашивания N_уд < 0,4 Вт/мм².

Рис. Характерные зависимости скорости изнашивания стали от удельной мощности при трении об обломочные (1) и о кристаллические (2) осадочные породы:

I,II - области изнашивания

Первая область изнашивания (для рассматриваемой схемы N_уд <0,4 Вт/мм²). Скорость изнашивания не зависит от парамет­ров реализуемой мощности, т. е. от соотношения нагрузки и ско­рости скольжения. Эта область изнашивания характерна для нор­мальных (не аварийных) условий работы деталей горных машин и бурильного инструмента, а также для породоразрушающего инструмента, работающего при малых частотах вращения и низ­ких удельных нагрузках. В первой области зависимость а от N_уд линейная (рис. VI.2, /) за исключением начального участка при N_уд<0,1 Вт/мм². Приближенно можно принять зависимость а от N_уд в виде

а=A_оN_уд. (VI.9)

Экспериментально установлено, что максимальное отклонение измеренного значения а от полученной прямой не более 20 %.

Вторая область изнашивания. Переход от первой области из­нашивания ко второй характеризуется для обломочных пород «скачком» скорости изнашивания, а для кристаллических пород — нарушением линейной зависимости а от N_ya (рис. VI.2, //).

На рис. VI.3 приведены характерные зависимости а от N_ya для подгрупп пород, наиболее часто встречаемых при бурении скважин. Из рис. VI.3 видно, что для обломочных пород эти зависимости можно описать линейным уравнением

а = AN_yд + В при v_c = const, (VI. 10)

где А и В — экспериментальные коэффициенты; v_c — скорость сколь­жения.

Экспериментально показано, что зависимость а от N_yд для кри­сталлических пород можно представить в виде

a = AN^k_уд, (VI.11)

где А и k —экспериментальные коэффициенты.

В процессе работы породоразрушающего инструмента по мере увеличения реализуемой удельной мощности, что соответствует увеличению нагрузки при постоянной частоте вращения, наблюда­ется не только количественное, но и качественное изменение про­цесса разрушения пород, возникающее после достижения предель­ного напряженного состояния, т. е. определенного удельного дав­ления на контакте металл — горная порода. При испытаниях на износ одинаковая мощность Л/_уд может быть получена для разных соотношений удельного давления и скорости скольжения и, следо­вательно, могут быть получены не только разные скорости разру­шения породы, но и разный вид разрушения.

Рис. VI.3. Зависимости a от N_yn для стали марки 2ОХНЗА во второй области изнашивания при разрушении обломочных (а) и кристаллических (б) пород: 7—песчаник; 2 — алевролит; 3 — аргиллит; 4 — доломит; 5 — известняк; 6 — ангидрит

Экспериментальная проверка показала, что в случае кристал­лических осадочных пород влияние изменения скорости скольжения на характер зависимости а от N _уя несущественно, а для обломоч­ных горных пород эта зависимость имеет вид

а= υ ₀ (A'N_yu + B'). (VI. 12)

Переход от одной скорости скольжения к другой осуществляют, используя простое соотношение

a₁/a₂=v_c1/v_c2 (VI.13)

Третья область изнашивания наблюдалась только при разру­шении наиболее твердых пород и обусловлена потерей устойчи­вости и сдвигом рабочей поверхности образцов металла и элемен­тов вооружения. В этой области скорость изнашивания с уве­личением N_уд возрастает особенно резко (рис. VI.4).

Из выражения (VI.4) следует, что при одинаковой удельной мощности с уменьшением скорости скольжения увеличивается нормальная нагрузка, а следовательно, растут и напряжения сдви­га. Поэтому с уменьшением скорости скольжения снижается критическая мощность, при которой наблюдается потеря устойчивости рабочей поверхности металла. Этот вывод подтверждается экспе­риментально. В то же время из рис. VI.4 видно, что при уменьше­нии скорости скольжения в 7 раз (от 1,4 до 0,2 м/с) критическая мощность уменьшилась в 2 раза.

Следовательно, в случае высоко-

оборотных режимов изнашивания

потеря устойчивости наблюдается

при меньших нагрузках, чем в

случае низкооборотных режимов.

Вторая область изнашивания

характерна для работы элементов

вооружения долот. В третьей

области изнашивания часто ра­ботают долота при высокооборот­ных способах бурения и сравнительно редко —при низкооборотных. Работа долот в этой области изнашивания малоэффективна. Рис. VI.4. Зависимость а от N_уд при разрушении доломита в условиях потери устойчивости рабочей поверхности образца стали.

Режим изнашивания: / — низкооборотный,

v_c = 0,2 м/с; 2 —высокооборотный, v_c = = 1,4 м/с.

Дата добавления: 2014-01-07