Modi per migliorare la durata degli utensili di perforazione delle rocce
Analisi dei guasti degli utensili di perforazione delle rocce:
Negli ultimi anni, gli utensili per la perforazione di rocce del mio Paese si sono sviluppati rapidamente e sono stati sviluppati una serie di prodotti con caratteristiche specifiche, come punte per trapano a colonna, punte integrali in metallo duro, punte per trapano da roccia estremamente resistenti, carburo K610, acciaio per utensili da perforazione ad altissima resistenza Ni-Cr-Mo, aste di perforazione ondulate e trapezoidali ∅38, ecc., con qualità e durata significativamente migliorate. Tuttavia, la qualità della produzione di massa è ancora instabile e gli utensili per perforazione si deteriorano precocemente. Le cause sono analizzate di seguito:
1. Punta da trapano
I danni alla punta da trapano includono principalmente usura anomala e normale, come frammenti, denti rotti, rimozione di denti interni, rigonfiamenti del corpo della punta e fratture. Il mio paese utilizza da tempo punte da trapano dritte di vecchio tipo. Dopo la demolizione, la lama residua media al centro del pezzo in lega è superiore a 12 mm e il tasso normale è inferiore al 5%. Rigonfiamenti, usura a cono rovesciato, rottura della parte centrale, crepe e caduta di frammenti in rocce dure rappresentano spesso oltre l'80% dell'utilizzo della punta da trapano. Il motivo principale è che l'ala della lama della punta da trapano è troppo sottile e il suo spessore relativo è di soli 1,16. Non è resistente all'usura, presenta una rapida usura radiale e una scarsa stabilità geometrica. Il corpo in acciaio della lama ha una forza di serraggio insufficiente sulla lamiera in lega, che ne causa il distacco, il foro di esplosione non è rotondo, la resistenza alla rotazione è elevata e l'usura della lama del trapano è aggravata. La vecchia testa di perforazione di forma dritta ha una profondità del foro conico di 32 mm e la profondità di inserimento della punta del trapano è inferiore a 24 mm. Il foro conico è poco profondo. Sotto l'azione di carichi ad alta frequenza e ad alto impatto, la pressione positiva per unità di area della parete del pantalone supererà facilmente la resistenza massima del corpo in acciaio della testa di perforazione e causerà l'espansione o la rottura del pantalone. Innanzitutto, partendo dalla parete interna dell'apertura del pantalone, si genera una deformazione residua tangenziale a trazione, che causa l'espansione della parete del pantalone, la formazione di una forma a tromba, l'allentamento della connessione e la caduta del pantalone. Quando la durezza dell'acciaio del corpo del pantalone è troppo elevata per causare la rottura del pantalone, il sistema di scarico della polvere è inadeguato e si verificano ripetuti schiacciamenti, che aumentano l'usura della testa di perforazione.
Le principali forme di danno alla testa della punta con denti sferici sono la caduta del dente di taglio, la caduta del dente rotto, la rottura del pantalone, la rimozione del cappuccio e la rottura della vita. Secondo le statistiche di guasto delle punte da trapano svedesi con denti sferici da ∅48 mm forate con perforatrici idrauliche da roccia COP1038HD presso la China University of Geosciences, il 37% dei denti è andato perso, il 28,3% dei denti è andato rotto e il 13,2% dei denti è andato rotto. Durante la perforazione di fori nel granito duro con 7655 perforatrici pneumatiche da roccia, il 22,7% dei denti è andato perso, il 35,4% dei denti è andato rotto e il 26,4% dei denti è andato rotto. I test sul campo dimostrano che i denti sono andati persi e rotti. Questo perché i denti sono sottoposti a sollecitazioni eccentriche, distribuite in modo estremamente irregolare, e a diverse pressioni circonferenziali radiali, che li rendono meno resistenti alle sollecitazioni e ne causano la rottura. Grazie all'elevata durezza della base della punta, l'interferenza tra i denti e i fori rimane invariata. Durante il fissaggio, a causa dell'elevata durezza del foro del dente, la deformazione elasto-plastica è scarsa. Quando i denti vengono fissati sotto pressione, si generano facilmente microfratture. Man mano che la roccia viene forata a velocità maggiore, si espandono in direzioni diverse, con conseguente schiacciamento irregolare dei denti in lega. Con l'aumentare del numero di impatti sulla punta del trapano per denti a colonna, la deformazione plastica della parete del foro del dente continua ad aumentare, causando la formazione di una svasatura all'imboccatura del foro del dente, con conseguente diminuzione della forza di fissaggio dei denti e facile rottura del dente. Inoltre, a causa della ridotta interferenza tra i fori del dente, la bassa durezza del corpo della punta aggrava ulteriormente la rottura del dente. Poiché il carburo cementato è un materiale fragile, gli inevitabili pori, inclusioni e altre microfratture al suo interno continueranno a espandersi e rompersi durante il processo di milioni di impatti durante la perforazione. L'influenza dell'elevata durezza del corpo della punta sui denti in carburo cementato è molto maggiore rispetto a quella dei corpi delle punte a media e bassa durezza. Minore è la durezza del corpo della punta, minore è l'influenza della forza di pressione sulle prestazioni del carburo cementato. Tuttavia, una riduzione della durezza del corpo della punta comporterà una forza di fissaggio dei denti insufficiente e la loro scheggiatura. Inoltre, è correlato a fattori quali il materiale, le prestazioni del flusso, il tipo di saldatura e il metodo di utilizzo.
Oltre l'80% delle fratture del corpo in acciaio della punta da trapano si verifica al confine tra la superficie terminale della punta e il fondo del foro, mentre la frattura della punta del dente della colonna si verifica lungo l'interfaccia inferiore del foro del dente. Dalla legge di trasmissione delle onde di stress, si può osservare che l'area tra la superficie terminale della punta e il fondo del foro è l'area in cui la resistenza all'onda cambia improvvisamente. La frattura da fatica causata dalla riflessione delle onde di stress e dalla mutazione della sezione trasversale è spesso aggravata da fattori quali la selezione impropria dell'acciaio, una progettazione irragionevole dei parametri della struttura geometrica, una selezione inappropriata del processo di produzione e metodi di utilizzo impropri.
2. Asta di perforazione
Le aste di perforazione sono sottoposte a sollecitazioni alternate complesse, composte principalmente da sollecitazioni da impatto, sollecitazioni di flessione e sollecitazioni da corrosione durante il funzionamento. Pertanto, l'asta di perforazione deve presentare un'elevata resistenza alla fatica, agli urti e alla corrosione, nonché una bassa sensibilità all'intaglio e una bassa velocità di propagazione delle cricche. I danni alle aste di perforazione includono: durezza insufficiente dell'estremità dell'impugnatura della piccola asta di perforazione, che causa l'accumulo della parte superiore; durezza eccessiva, che causa l'esplosione della parte superiore; usura della filettatura della biella; frattura da fatica e frattura fragile.
La frattura dell'asta di perforazione è la principale forma di cedimento. La frattura da fatica è causata dall'accumulo di danni sotto stress ripetuto. Solitamente origina dalle parti deboli del materiale, come inclusioni non metalliche, bolle, macchie bianche, cicatrici, decarburazione, cricche da corrosione all'interno del materiale; materiale e trattamento termico scadenti, come l'anima dell'asta di perforazione cementata troppo dura, una tempra inadeguata che produce cricche e crepe all'estremità dell'impugnatura; motivi di progettazione come una forma impropria della filettatura dell'asta di perforazione, un accoppiamento inadeguato di manicotto e filettatura, un accoppiamento inadeguato di cono e impugnatura, cricche e rotture; uso improprio come segni di martello, scarsa lubrificazione dei giunti e corrosione dell'acciaio da perforazione, ecc., che causano cricche e rotture. Oltre all'espansione di queste cricche, la frattura da fatica dell'asta di perforazione si verifica dopo un lungo processo di sviluppo. Il trattamento della frattura da fatica dell'asta di perforazione può essere suddiviso in tre fasi: sotto l'azione di sollecitazioni cicliche, alcune parti dell'asta di perforazione producono una deformazione plastica sotto forma di scorrimento e compaiono microcricche, che si sviluppano gradualmente in macrocricche sotto l'azione ripetuta delle sollecitazioni cicliche; nella seconda fase, l'area efficace dell'asta di perforazione si riduce con la formazione di macrocricche; nella terza fase, quando la sezione trasversale dell'asta di perforazione si riduce a una sollecitazione equivalente alla resistenza a trazione, si rompe. La frattura da fatica dell'asta di perforazione della biella di collegamento si verifica principalmente alla radice della filettatura e la cricca si sviluppa dalla superficie esterna verso l'interno; nella frattura da fatica dell'asta di perforazione piccola, la cricca da fatica interna si genera sulla superficie del foro di drenaggio dell'asta di perforazione e si sviluppa gradualmente verso l'esterno, mentre la cricca da fatica esterna si genera sulla superficie dell'asta di perforazione e si sviluppa gradualmente verso l'interno. La frattura da fatica dell'asta di perforazione piccola si verifica principalmente entro 300~400 mm prima del collare.
Durante la perforazione di rocce nelle miniere, un piccolo numero di aste di perforazione rotte non presenta segni di fatica sulla superficie di frattura, mostrando generalmente una superficie cristallina brillante, spesso definita frattura fragile. Ciò è dovuto principalmente a difetti nell'asta di perforazione, come inclusioni, intaccature, segni di martello o eccessive variazioni della sezione trasversale, nonché alla svasatura a campana prodotta durante la forgiatura, a un trattamento termico improprio e ad altri fattori, che determinano una scarsa resistenza dell'asta di perforazione, una scarsa plasticità o un'elevata concentrazione di stress, che causa la formazione di cricche estremamente rapida e la conseguente frattura fragile precoce dell'asta di perforazione.
Modi per migliorare la durata dell'utensile da trapano
1. Migliorare la qualità del design
La definizione di parametri strutturali ragionevoli e lo sviluppo continuo di nuove varianti sono i prerequisiti per migliorare la durata dell'utensile di perforazione. Per molti anni, è stata utilizzata la vecchia punta dritta. La causa principale della sua breve durata è il design non ragionevole del prodotto, che si manifesta nel piccolo spessore relativo dell'ala, nel foro conico poco profondo, nello scarso effetto di scarico della polvere, nella forma geometrica instabile, nella facile produzione di deformazioni cilindriche precoci e nei parametri geometrici non ragionevoli della lamiera di metallo duro. Pertanto, è difficile apportare miglioramenti sulla base del design originale e la vecchia punta dritta dovrebbe essere eliminata il prima possibile.
Le punte a lama utilizzano ampiamente punte a lama intera diritte, a tre lame, a croce e a X disposte radialmente. Maggiore è il numero di lame della punta, maggiore è la resistenza all'usura. La punta a croce ha una superficie di rettifica superiore del 30-50% rispetto alla punta a lama dritta, ma la produzione e la rettifica sono complesse e costose. Lo spessore relativo delle ali è preferibilmente compreso tra 1,6 e 2,2 mm, e la sezione trasversale della scanalatura di drenaggio della polvere e l'area totale della sezione trasversale del foro di drenaggio dell'acqua devono essere uguali o superiori alla sezione trasversale del foro centrale dell'asta di perforazione. Spesso viene utilizzata una disposizione a 3 fori, con un diametro del foro centrale leggermente maggiore. La struttura ragionevole del corpo prevede un angolo di spoglia di 2°-3° in testa e una transizione ad arco circolare o conico con un raggio di curvatura R=30-80 mm tra la superficie conica e la superficie cilindrica di coda del corpo dei pantaloni estesi. La punta di perforazione piccola con diametro inferiore a 45 mm è collegata all'asta di perforazione tramite un attacco conico, mentre la punta di perforazione con diametro superiore a 45 mm è collegata tramite una filettatura trapezoidale ondulata o composita. La velocità di perforazione della roccia è inversamente proporzionale al quadrato del diametro della punta. Tuttavia, per utilizzare la tecnologia in modo razionale e migliorare la qualità e la durata della punta, la frequenza di rettifica della punta può essere aumentata fino a 15 volte. Per ridurre l'usura radiale della punta, è possibile aumentare l'area di contatto tra la lama della punta e la parete del foro per rendere uniforme lo scarico della polvere, determinare in modo ragionevole l'angolo di fessura della lamiera di lega e aumentarne opportunamente lo spessore.
La forma della corona del dente a colonna della punta per denti a colonna è prevalentemente emisferica. La velocità di perforazione della roccia è elevata. Quando si preme nella roccia, la superficie del dente è relativamente resistente e durevole sotto sforzo di compressione. La dimensione del diametro del dente deve tenere conto di una sufficiente sollecitazione di trazione, della fermezza dei denti fissi e della possibilità di disposizione dei denti. Il numero di denti deve tenere conto di un'efficace rottura della roccia, della possibilità di disposizione dei denti, di una resistenza sufficiente e di una facile riaffilatura. Dall'analisi dei guasti, è emerso che le condizioni di stress dei denti laterali sono scarse e che questi ultimi sono spesso rotti. Per ridurre il danneggiamento dei denti laterali e prolungare la durata della punta per denti a colonna, è possibile adottare le seguenti misure.
(1) Rafforzare i denti laterali e selezionare correttamente la forma, il diametro e l'altezza dei denti. Il diametro dei denti centrali e laterali è attualmente compreso tra 9,65 e 9,95 mm. Il diametro dei denti laterali può essere aumentato a 10,65 e 10,95 mm per migliorare la resistenza agli urti e all'usura, mentre il diametro dei denti centrali può essere ridotto a 8,65 e 8,95 mm per facilitare la disposizione dei denti laterali e ridurre i costi.
(2) Ridurre opportunamente l'angolo di inclinazione dei denti laterali contribuisce a migliorare le condizioni di stress e ad aumentare la resistenza all'impatto dei denti laterali. Nei paesi stranieri si utilizzano spesso angoli di inclinazione di 30°~35°, che possono essere ridotti a 20°~25°, aumentando l'area di contatto tra la superficie esterna dei denti laterali e la roccia, favorendo inoltre l'autoaffilatura dei denti laterali e migliorando la resistenza all'usura radiale della punta. I denti centrali sono leggermente più alti dei denti laterali per facilitare il centraggio e creare superfici laterali libere per i denti laterali, migliorando così l'efficienza di frantumazione della roccia. Per rocce tenere con bassa abrasività radiale, l'angolo di inclinazione dovrebbe essere ridotto.
(3) Selezionare correttamente la fessura di saldatura e l'interferenza dei denti fissi per aumentare la forza di fissaggio dei denti della colonna. Quando l'interferenza è piccola, la forza di serraggio si riduce. Quando l'interferenza è leggermente maggiore, appariranno dei graffi nel foro del dente. Se il dente viene ulteriormente allargato, non verrà premuto. Quando è troppo grande, il dente è facile da rompere e talvolta il corpo della punta si gonfia e si rompe. Se la rugosità superficiale del foro del dente viene aumentata, il coefficiente di attrito viene aumentato per aumentare la forza di serraggio, il che è una misura fattibile. Utilizzando un nesting in plastica (comunemente utilizzato in rame H62Y) come intermediario, il nesting e il foro vengono accoppiati transitoriamente e i denti vengono accoppiati per interferenza. Quando i denti vengono pressati a freddo, il nesting viene premuto l'uno contro l'altro sotto l'azione della forza di fissaggio del dente e il nesting subisce una deformazione plastica e la superficie ruvida dei denti del foro si incunea l'una nell'altra, aumentando così la forza di legame (attrito statico) tra i denti del foro e ottenendo un dente fisso stabile.
(4) I denti laterali sono selezionati in metallo duro ad alta tenacità e sottoposti a trattamento isostatico a caldo per prevenirne efficacemente la rottura. Il rinforzo del corpo in acciaio della punta ne aumenta la resistenza all'abrasione.
(5) Disposizione ragionevole dei denti, aumentare il numero di denti laterali il più possibile, migliorare il sistema di scarico della polvere, mantenere il foro dell'acqua anteriore e il grande sistema di scarico della polvere a tre scanalature e due fori, elevata efficienza di scarico della polvere, ridurre la frantumazione ripetuta della polvere di roccia, ridurre il consumo di energia e prolungare la durata della punta del trapano.
Le aste di perforazione per fori poco profondi utilizzano acciaio cavo esagonale B19, B22, B25, che rappresenta circa l'80-85% dell'acciaio cavo utilizzato; le aste di perforazione per fori profondi utilizzano acciaio cavo rotondo o esagonale D32, D38, B25, B32, che rappresenta il 15-20%. Le aste di perforazione esagonali hanno una buona rigidità, un ampio spazio di scarico della polvere e sono facili da rotolare.
Migliorare la struttura dell'asta di perforazione, come l'asta di perforazione a filettatura completa proposta dalla Ingersoll Rand Company negli Stati Uniti, che viene lavorata mediante laminazione e trattamento di tempra superficiale, migliorandone la tenacità e la resistenza all'usura, l'ampio angolo d'elica, un buon autobloccaggio e una facile smontaggio e montaggio. Quando l'estremità di collegamento è usurata, può essere tagliata, smussata e riutilizzata, aumentandone la durata di 3-4 volte. L'asta di perforazione SPEEDROD della Samdvik Company in Svezia adotta una biella filettata, elimina il manicotto di collegamento, elimina il gioco superficiale del giunto, migliora notevolmente l'allineamento e la rigidità del collegamento, mantiene la linearità del foro di perforazione e consente di risparmiare energia.
Migliorando la qualità dell'aspetto e dell'imballaggio dell'utensile da trapano, progettando bene la forma dell'aspetto e la struttura dell'imballaggio, è possibile proteggere efficacemente l'utensile da trapano, abbellirlo e prolungarne la durata utile.
2. Selezionare materiali di alta qualità
La selezione dei materiali per gli utensili da trapano deve tenere conto di tenacità e resistenza all'usura, buona rigidità e resistenza all'usura, elevata resistenza alla fatica, bassa sensibilità all'intaglio da fatica, elevata capacità di serraggio di lamiere in lega e una certa resistenza alla corrosione. Sono inoltre necessarie buone prestazioni di processo, facilità di taglio, buona temprabilità e saldabilità. È in linea con le condizioni nazionali, ha un prezzo contenuto e cerca di utilizzare meno Ni e Cr. I risultati del metodo di selezione dell'acciaio per utensili da trapano basato su calcoli fuzzy sono i seguenti:
(1) L'acciaio 24SiMnNi²CrMo è un nuovo tipo di acciaio che imita l'acciaio svedese FF710 e presenta le migliori proprietà meccaniche convenzionali, proprietà di frattura e una valutazione completa. La durata media della punta a colonna a nove denti ∅50 di produzione nazionale utilizzata nel progetto stradale è di 715,2 m/pezzo, mentre la durata massima è di 901,4 m/pezzo, valore prossimo alla durata utile della punta a colonna svedese ∅48 utilizzata nel progetto, pari a 760 m/pezzo. È anche un buon materiale per aste di perforazione. La durata utile media del carrello idraulico della perforatrice idraulica Mercury 300 nella miniera di ferro è di 152,4 m/pezzo, mentre la durata utile della coda di perforazione è di 609 m/pezzo, il 76% superiore alla durata utile della coda di perforazione francese 23CrNi³Mo, pari a 345 m/pezzo;
(2) La lunghezza media cumulativa dell'asta di perforazione realizzata in acciaio 40SiMnMoV è di 1225,4 m, che è vicina al livello estero;
(3) La durata utile della piccola asta di perforazione realizzata in 55SiMnMo è vicina al livello di 250 m della piccola asta di perforazione svedese 95CrMo;
(4) La vita utile media della barra di perforazione realizzata in 35SiMnMoV può raggiungere i 300 m/pezzo. L'acciaio sopra descritto viene trattato termicamente mediante tempra, rinvenimento, ricottura, normalizzazione, ecc. per formare un acciaio bainitico con elevata resistenza alla fatica e tenacità.
Per la brasatura a induzione di pezzi fissi e punte da trapano di piccole e medie dimensioni, viene utilizzato il 40MnMoV come materiale del corpo della punta. La durata utile delle punte da trapano con filettatura ondulata e denti a croce e a colonna ∅50 prodotte è simile a quella delle punte da trapano svedesi. Per le punte da trapano con denti a colonna e denti incorporati a caldo, si preferisce l'acciaio 45NiCrMoV.
La selezione dei materiali in carburo cementato deve essere adattata alle proprietà meccaniche della roccia e al tipo di perforatrice. Solitamente, i carburi cementati ad alto contenuto di cobalto, come YJo e YG13C, vengono utilizzati per rocce estremamente tenaci e per perforatrici con elevata potenza d'impatto; YJ¹, YK25 e YG11C sono utilizzati principalmente per rocce dure; YG8C e YJ² sono utilizzati per rocce minerali di media durezza; e YJ³ e YG6 sono utilizzati per rocce tenere. Il coefficiente di dilatazione lineare della fase di cobalto nel carburo cementato è circa 3 volte superiore a quello del carburo di tungsteno. Le tensioni interne generate durante il riscaldamento e il raffreddamento rapidi causeranno la rottura della stessa interfaccia. Pertanto, indipendentemente dal processo di produzione, saldatura e rettifica, è necessario evitare il riscaldamento e il raffreddamento improvvisi del carburo cementato.
La lega per saldatura a base d'argento è ampiamente utilizzata per la brasatura di punte di trapano all'estero. Ha un basso punto di fusione, un impatto minimo sulle prestazioni del corpo in acciaio e del carburo cementato, un'elevata resistenza alla saldatura e un basso stress di saldatura. Il mio Paese dovrebbe impegnarsi in ricerca e sviluppo per soddisfare le esigenze di apertura dei mercati esteri. Attualmente, le leghe per saldatura a base di rame come 105, 801 e SB-1 sono principalmente utilizzate per l'efficienza di perforazione delle rocce e la durata.
