Применение композиционных материалов для шарошек бурильных долот

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оренбургский государственный университет, г. Оренбург

Применение композиционных материалов для шарошек бурильных долот

Рябинина О.Н.

Перспективным направлением в совершенствовании шарошечных бурильных долот является применение в опорах шарошек подшипников скольжения, вместо используемых в настоящее время подшипников качения. В связи с этим как в нашей стране, так и за рубежом ведутся интенсивные исследования по разработке и выбору подшипниковых материалов, созданию новых конструкций подшипников скольжения и опор шарошек с их применением.

Успешное развитие этого направления предполагает комплекс научно-исследовательских работ по созданию, выбору и промышленному опробованию износостойких материалов, удовлетворяющих условиям работы опоры шарошки на забое.

Институтом проблем материаловедения АН Украины на основе лабораторных и стендовых исследований большого числа различных износостойких пар трения и поисковых опытов по созданию материалов разработаны и рекомендованы для промышленного опробования новые подшипниковые композиционные материалы.

Результаты стендовых исследований показали, что долговечность подшипников из композиционных материалов возрастает в кратное число раз по сравнению с подшипниками, применяемыми в настоящее время в долотах серии АН. Промышленную проверку эксплуатационных свойств пары трения, разработанной на основе композиционных материалов, проводили на опытных образцах долот.

Опытные долота анализировали на износ его отдельных элементов. Из рис. 1 можно заключить, что вооружение опытных долот работоспособно. Исключением является полный износ зубьев вершины и катастрофический износ зубьев третьего ряда (от вершины) первой шарошки.

Рис. 1. Характерный вид износа вооружения шарошек долота Э56

Существенный износ (разрушение) зубьев выявлен также на третьем ряду от вершины третьей шарошки. Из 16 зубьев сломаны 9, а остальные сколоты и сильно изношены. Учитывая, что указанный износ повторяется в обоих отработанных долотах, следует пересмотреть конструкцию вооружения долота 2АН269, 9СЗГ с точки зрения распределения нагрузок на указанные венцы зубьев и степень перекрытия ими забоя.

Радиальный люфт в опоре шарошек достигал 4 мм, но шарошки, кроме одной в долоте № 1, вращались на подшипниках плавно, без заклинивания. Струйные насадки износа не имели и сохранились в своих гнездах. Уплотнительные манжеты в виде металлического кольца остались только на двух лапах, на других - отсутствовали совсем. Резиновые колпачки, предназначенные для выравнивания давления в системе подачи смазки в опору долота, разрушены и с наружной стороны забиты породой. Смазка в опорах шарошек и маслокарманах не сохранилась.

Износ опор шарошек исследовали после разборки долота. Для разборки выфрезеровывали замковый палец и извлекали из опоры шары. При вскрытии опор установлено следующее: сколы и разрушения шаров отсутствуют, диаметр шаров практически не изменился. Вид износа цапфы приведен на рис. 2, из которого видно, что поверхность шарикового подшипника имеет характер усталостногo выкрашивания, а рабочие поверхности подшипника скольжения - вид абразивного изнашивания.

Рис. 2. Характерный вид износа цапфы долота Э56

Анализ изнашивания деталей осевого упора показывает, что наплавка стеллита на торце цапфы работала удовлетворительно, а подпятник, запрессованный в дно полости шарошки, в пяти случаях из шести разрушен. При этом, естественно, всю осевую нагрузку на цапфу воспринимал шариковый подшипник. Кроме того, продукты разрушения подпятника в виде зерен с высокой твердостью попадали на рабочие поверхности других подшипников и способствовали их преждевременному износу. В частности, продукты разрушения пяты и следы их отрицательного действия обнаружены на рабочих поверхностях малого подшипника скольжения.

Подшипники скольжения из композиционных материалов, впервые опробованные в промышленных условиях, показали удовлетворительные результаты. Следы схватывания и задиры на рабочих поверхностях отсутствовали. Более того, выявлена способность пластичной матрицы «вбирать в себя» продукты износа и абразивные частицы.

Разработка эффективных методов получения антифрикционных износостойких материалов, в частности для опор скольжения шарошечных бурильных долот, является актуальной проблемой. Композиционный антифрикционный материал, разработанный в Институте проблем материаловедения АН Украины для этих целей, обладает высокой работоспособностью, однако технология его изготовления относительно сложна и трудоемка [1].

Мы изучили возможность использования электроразрядного спекания (ЭРС) для изготовления материалов этого класса, поскольку данный метод не требует применения специальных газовых сред и дорогостоящих флюсов.

Спекание производили при помощи пульсирующего электрического тока с частотой переменной составляющей 2-6 тыс. Гц, который пропускали через предварительно спрессованное и уплотненное изделие под давлением 3-8 Мн/м2, на установке, изготовленной в ИПМ АН Украины. Спекали в течение короткого промежутка времени за счет интенсивного выделения большого количества тепла при ионных столкновениях в межчастичной среде и на поверхности частиц [2-4]. Величина прикладываемого при этом давления определялась природой спекаемого объекта.

Для изготовления исследуемых материалов использовали порошок бронзы БрО10 с дисперсностью частиц 160 мкм, гранулы твердых сплавов - сормайта и стеллита, плакированных бронзой, в виде трех фракций - мелкой, средней и крупной. Содержание гранул твердых сплавов в материале составляло от 40 до 60%.

Для спекания материалов применяли матрицу, изготовленную из асбестоцемента. Пуансонами-электродами служила сталь 3Х2В8Ф, покрытая графитной смазкой. Трибометрические характеристики и износостойкость исследуемых материалов определяли при трении без смазки на машине трения М-22М, скоростях скольжения 0,75-6 м/с и ступенчатом нагружении по 0,1 МПа через промежутки времени, в течение которых стабилизируются температура и сила трения. В качестве контртел использовали ролики диаметром 40 мм, изготовленные из стали Р18 (HRС 60-62).

Механические и трибометрические свойства исследуемых материалов сравнивали со свойствами оловянной бронзы БрО10. Результаты исследования свидетельствуют о том, что изготовленные ЭРС материалы бронза - стеллит и бронза - сормайт обладают в 1,5-2 раза более высоким пределом прочности, чем бронза БрО10.

При испытаниях по определению трибометрических свойств преимущество бронзы - стеллита и бронзы - сормайта, изготовленных ЭРС, наиболее четко проявилось при повышенных скоростях скольжения - выше 4 м/с. Так, при скорости скольжения 6 м/с коэффициент трения и суммарный износ контртела и материала с наполнителями меньше, а несущая способность примерно вдвое больше, чем у бронзы БрОl0 (см. таблицу).

Результаты исследования изучаемых материалов

Наблюдения за процессом трения и состоянием рабочих поверхностей показали, что существенное снижение износа и коэффициента трения при повышенной скорости скольжения этих материалов связано с образованием на поверхностях трения вторичных структур - окислов - в результате повышения температуры в зоне трения более 250 ^оС. В этом случае размеры фракций наполнителя и его содержание не оказывают существенного влияния на характеристики трения и изнашивания.

При малых скоростях скольжения - 0,75-2 м/с, в случае отсутствия вторичных структур, суммарный износ материала и контртела снижается с увеличением размера фракций и содержания наполнителя примерно вдвое при некотором увеличении коэффициента трения (таблица). При трении со смазкой несущая способность материала бронза-сормайт при скорости скольжения 6 м/с достигает 65-70 Мн/м². (650700 кгс/см²), что в 2,5 раза превышает несущую способность бронзы БрОl0.

Спеченные антифрикционные материалы бронза - стеллит и бронза - сормайт, изготовленные ЭРС, обладают более высокими трибометрическими свойствами и износостойкостью, чем бронза БрО10.

В условиях трения без смазки преимущества материалов бронза - стеллит и бронза - сормайт наиболее четко проявляются при повышенных скоростях скольжения (более 4м/с).

При трении со смазкой несущая способность материала бронза-сормайт в 2,5 раза превышает несущую способность бронзы БрО10.

Композиционные материалы в состав которых входят износостойкие зерна, равномерно распределенные в пластичной матрице, обладающей свойствами твердой смазки, могут быть использованы как подшипниковые материалы в шарошечных долотах.

Испытание опытных образцов долот с подшипниками скольжения из композиционных материалов показало, что такие долота обеспечивают по сравнению с серийными двухкратное увеличение проходки при одновременном повышении механической скорости бурения.

Список литературы

подшипник износостойкий материал шарошка

1. Заболотный Л.В. Сейфи Р.Н. Климанов А.С. Губарев А.С. Разработка и исследование композиционных материалов для опор шарошечных бурильных долот. - Технология и организвция производства, 1975, № 9, с. 69.

2. Пат. 14573 (Яп.) Метод спекания / Иноуэ Киеси. - Опубл. 1.9.68.

3. Иноуэ Киеси, Исияма Масааки. Электроискровое спекание твердых сплавов. - Киндзоку (Metals), 1967, 37, № 7, с. 77-81.

4. Федороченко И.М., Буренков Г.Л., Райченко А.И., Хриенко А.Ф. Сплавообразование при электроразрядном спекании порошковых смесей. - ДАН СССР, 1976, 227, № 4, с. 844.

Размещено на Allbest.ru