Технологія формування показників призначення елементів бурового поставу комбайнів для прохідки підняттєвих гірничих виробок

Реферат: Технологія формування показників призначення елементів бурового поставу комбайнів для прохідки підняттєвих гірничих виробок, при якій мірні відрізки товстостінної трубної заготовки або цільнометалевої поковки з конструкційної легованої сталі піддають високому відпусканню, забезпечують оптимальні рівні твердості для облаштування конструктивів, включаючи шліфування, і подальшої обробки шляхом азотування, нарізають конструктиви. Перед азотуванням елементи поставу піддають загартуванню до значень твердості поверхні і серцевини металу, достатньої для надання серцевині потенційної енергії протидії деформаційним впливам оббурьованої гірничої породи, процесу буріння та зменшення її твердості після азотування. Після цього азотують поверхні виробів, включаючи поверхню промивального каналу. UA 117054 U (12) UA 117054 U UA 117054 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до машинобудівного забезпечення гірничобудівних галузей, зокрема як сукупність процесів виготовлення елементів бурового поставу з використанням хіміко-термічної обробки штанг, стабілізаторів, шпинделів комбайнів для прохідки підняттєвих гірничих виробок, призначених для будівництва шахтних стовбурів, рудникових міжгоризонтних з'єднань, вентиляційних, енергетичних, перепускних трубопроводів та іншої номенклатури гірничих виробок. Специфічними особливостями вказаних елементів бурового поставу є їх значні маса, одинична і сумарна довжина, величини напірного зусилля на оббурювану гірничу породу і крутного моменту, також природна реакційність на них породи у вигляді радіальних впливів при прохідці похилих свердловин і особливо тріщинуватих порід. Останнє суттєво впливає на збереження (відхилення) заданого напрямку бурової свердловини. Згідно з даними[1, 2, 3, 4] на діючому обладнанні маса окремого відрізку (штанги) бурового поставу як правило перевищує 340 кг, при найменших діаметрі 203 мм, довжині 750 мм, загальній довжині бурового поставу 91 метрів. Які в свою чергу на різних модифікаціях відповідно досягають 500 кг, 327 мм, 1524 мм та 920 метрів з передаванням на гірничу породу забою потужності від 110 до 448 кВт, напірного зусилля від 1385 до 8923 кН та крутного моменту від 64,4 до 540 кНм. При цьому діаметр пілотної свердловини лежить в межах від 229 до 381 мм, при діаметрі буримого стовбура від 1000,0 до 6000,0 мм та масі поставу з розбурювачем від 52000,0 кг (для комбайна 2КВА [2]) до 320000,0 кг (для Robbins 123RM [1]) і забезпеченні напрямку прохідки в межах 90  15   30  . Наведені показники є характерними для комбайнів типу Robbins Atlas Сорсо (Швеція), 1KB, 2КВА, 2КВ3000 (Україна), 2KB (Росія) та верстатів УСБШ-250А для буріння вибухових свердловин відкритих розробок. Процес взаємодії розбурювача з гірничою породою в силу крокуючого її руйнування зубками шарошки має неперервно постійно імпульсивний характер із знакозмінними коливаннями крутного моменту величиною до 2,3 значень номінального моменту привідного двигуна комбайна [5]. Останнє призводить до затягування різьбових з'єднань секцій поставу, для розбирання яких згідно з [5] необхідно прикласти момент величиною до 5 значень номінального моменту. Крім того, на буровий постав мають місце корозійні та ерозійні впливи промивальної мінералізованої рідини і оббурюваної породи. Які визначають необхідність надання металу елементів поставу антикорозійних і антиерозійних властивостей. Перелік умов роботи бурового поставу обумовлює формування вимог до використовуваного металопрокату та забезпечення технологічного вміння використання потенційних його можливостей. Як правило, для елементів бурового поставу застосовують хромонікелеві сталі з високим вмістом силіцію та марганцю, які призначені для роботи в умовах дії знакозмінних навантажень та потребують відповідної термічної обробки. В реальному виробництві елементів поставу використовують сталі 30(35) ХГСА, 35ХМ, 30ХГТ по ГОСТ 4543-71 [6] у вигляді прокату товстостінних бурових труб (товщина стінки >50 мм) для виготовлення штанг та стабілізаторів і цільнометалевих поковок для виготовлення шпинделів. При цьому власне штанги складають основу бурового поставу, стабілізатори по конструкції близькі до штанг, але облаштовані по зовнішній поверхні твердосплавними зубками з сумарним розміром, близьким до діаметра пілотної свердловини. Останнім забезпечують збереження заданого напрямку похилої свердловини також при дії на робочий орган (шарошку чи розбурювач) радіально відхиляючих породних впливів. Шпинделі призначені для приєднання бурового поставу до приводного редуктора і каналізації промивальної рідинноповітряної суміші. Названі елементи для з'єднання їх у власне буровий постав облаштовані зовнішніми і внутрішніми конічними трапеційноупорними різьбами, тобто відповідно ніпелем та муфтою з їх бездозірним взаємним з'єднанням. Відомо спосіб формування показників призначення бурових штанг шляхом конструкторськотехнологічного забезпечення, при якому штангову заготовку створюють зварюванням у єдине ціле не менше трьох трубних елементів. При цьому внутрішній і зовнішній елементи піддають закалюванню, а середнім - технологічно забезпечують підвищену в'язкість [7]. Наведена технологія має складне машинобудівне виконання, лише локальне забезпечення надійності власне поставу штанги, споживча закінченість, в тому числі конструктивних елементів (ніпель, муфта, різьба, фрагменти монтажно-ключового захоплення - лиски), відсутня. В свою чергу з'єднання зварюванням складових елементів призведе до зміни структури металу, тобто до появи, як наслідок, місцевого концентратора і зниження надійності виробу. 1 UA 117054 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Відомий процес формування конструктивних елементів бурових штанг згідно з [8], при якому технологічно керовано регламентують температуру заготовки і її пластичну деформацію. Останнім досягають обмеження концентраційних впливів, але питання споживчої закінченості залишається поза рішенням. Спосіб виготовлення бурових штанг згідно з [9] також регламентує технологію їх виготовлення з товстостінної трубної заготовки з формуванням конструктивів і хіміко-термічної обробки зовнішньої поверхні виробу. Недоліком даного способу є обмежена область застосування штанг через неповне використання потенційних можливостей сталі із-за відсутності технологічного впливу на промивальний канал в частині протидії корозії, втомленесному руйнуванню в надрізах, концентраторах, мікротріщинах. В свою чергу, відомий процес хіміко-термічної обробки поверхні промивального каналу бурових штанг, при якому в процесі виготовлення конструктивно і технологічно забезпечують проходження вказаним каналом напірного потоку каталітично обробленого аміаку заданої дисоціації, продуктивності, концентрації, температури і тиску [10]. Останнім досягають дифузійного замулювання порізів, концентраторів, мікротріщин та анулювання їх впливів на надійність виробів. Але питання технологічного формування параметрів серцевини металу штанги теж залишилися поза вирішенням. Найбільш близьким технічним рішенням – найближчим аналогом заявленої корисної моделі за цільовим використанням виробів, технологічним операціям виготовлення та їх послідовностей, близькості виконання, споживчим показникам, енергетичним в експлуатації потокам, вимогам показників породоруйнування, надійності і ресурсу є спосіб виготовлення бурових штанг, при якому з товстостінної трубної заготовки з легованої сталі виконують поділ на нормативно технологічні відрізки, останні піддають відпусканню до оптимальної рівності значення твердості поверхні і серцевини, чим забезпечують технологічну комфортність виготовлення конструктивних елементів та досягненню заданих вимог твердості поверхні при хіміко-термічній обробці штанги шляхом каталітичного газового азотування з використанням активованого аміаку [11]. Споживча закінченість виробів, сформованих згідно з технологією найближчого аналога, входить в протиріччя при реалізації даної технології на штангах бурового поставу прохідницьких комбайнів. Останнє є результатом неоднакової твердості поверхні заготовки і її серцевини після виконання хіміко-термічної обробки. Наведені вище специфічні особливості свідчать, що в реальних умовах на постав діють три види деформації: - осьова, від напірного зусилля на оббурювану породу, значення якого по знаку залежить від довжини підняттєвої виробки і сумарного впливу при цьому маси става; - крутильна, як результат взаємодії крутного моменту і реакції оббурюваної породи; - зсувна, як результат буріння похилої свердловини та дотичної дії на буровий постав його маси і тріщинуватої породи. Кожна з названих деформацій потребує від (твердості) металопрокату запасу протидії його потенційної енергії Wп , значення якої повинно перевищувати суму енергій деформацій Wп  45 50 55 2  2 Mк D 2  2    2 2E 8GQ p 2G [12], де  - напруга в металі від розтягувальної (стискальної) сили маси поставу та напірного зусилля; E - модуль Юнга; Mк - крутний момент від приводу комбайна; D - діаметр штанги; G - модуль зсуву; Q - полярний момент інерції перерізу штанги;   - напруга в металі від відхиляючої (дотичної) дії власне маси поставу та впливу тріщинуватої породи. При цьому сумарний вплив енергії деформацій не повинен, за умови цілісності поставу і повернення його у первинне положення після призупинення дії деформаційних сил, створювати напругу в елементах поставу більшою межі пружності [12]. 2 UA 117054 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Наведене не знайшло рішення в технології – найближчому аналогу. В свою чергу відомо, згідно з наробками авторів, дана вимога посилюється після хіміко-термічної обробки поверхонь з причини зменшення твердості серцевини металу виробів. Останнє в реальних умовах досягає 20 % від комфортної твердості в HRC28-33 одиниць і не знайшло відображення у рекомендаціях спеціалізованих довідників. Як правило "В общем виде технологический процесс изготовления азотируемых изделий из конструкционных сталей может быть представлен в виде следующих последовательных этапов: 1) предварительной термической обработки, цель которой - придать стали требуемые механические свойства (комфортної твердості для последующей обробки - авт.); 2) механической обработки детали, включая шлифование; 3) защиты мест, не подлежащих азотированию; 4) азотирования; 5) окончательного шлифования…" (Термическая обработка в машиностроении. Справочник. М., "Машиностроение, 1980; 783с, с. 328). Таким чином специфічні особливості роботи елементів бурового поставу прохідницьких комбайнів, недоліки аналогів і найближчого аналога заявленої корисної моделі є основою для формування її задачі та відмітної частини формули. Задача корисної моделі - розширення функціональних можливостей, області використання, підвищення надійності і продуктивності комбайнів для прохідки підняттєвих виробок. Поставлена задача вирішується завдяки сукупності технологічних операцій при виготовленні елементів бурового поставу комбайнів для прохідки підняттєвих виробок, при якій мірні відрізки товстостінної трубної заготовки або цільнометалевої поковки з конструкційної легованої сталі піддають високому відпусканню, забезпечують оптимальні рівні твердості для облаштування конструктивних елементів, включаючи шліфування, і подальшої обробки шляхом каталітичного газового азотування, нарізають конструктивні елементи, згідно з корисною моделлю, перед азотуванням елементи поставу піддають загартуванню до значень твердості поверхні і серцевини металу, достатньої для надання серцевині потенційної енергії протидії деформаційним впливом оббурюваної гірничої породи, процесу буріння та зменшення її твердості після азотування, а після чого азотують поверхні виробів, включаючи поверхню промивального каналу. В результаті реалізації пропонованої технології елементи бурового поставу набувають властивості, після призупинення багаторазових широкого спектра деформацій величиною до межі пружності, повернення їх геометрії у початковий стан, теж виключені впливи на їх геометрію температурних напруг від ковальства або прокату з одночасовим надбанням через азотування протидії корозійним та ерозійним впливам і зносостійкості в цілому, які разом підіймають надійність комплексу та його продуктивність. Крім того, дана технологія може бути використана при виготовленні валів прокатних станів, вальців кромкозгинальних верстатів, млинів будівельної індустрії, плунжерів великовантажних циліндрів тощо, які по своїх режимах, використаних сталях, показниках призначення, близькі до умов експлуатації бурового поставу прохідницьких комбайнів. Пропоноване технічне рішення призначене для використання у виробництві машинобудівних виробів, здійснене за допомогою конструктивних легованих сталей на діючому термічному і металообробному обладнанні, по своїй якості і технічному рівню вироби є імпортозамінною і експортноспроможною продукцією; рішення здійснене на засадах визнаних наукових методів і при його реалізації в гірничій галузі забезпечується досягнення практичного результату. Суть корисної моделі пояснюється описом технологічних операцій на прикладі виготовлення елементів бурового поставу прохідницького комбайна з використанням конструкційної легованої сталі 30ХГСА (Труби ГОСТ8731-87…8734-75 и др.; Поковки и кованые заготовки ГОСТ 8479-70, ГОСТ1138-71 [6]). З використанням стрічковопильного верстата з товстостінного трубного прокату чи ковальських виробів виконують поділ на мірні відрізки заготовок елементів поставу. Останні піддають високому відпусканню через їх нагрівання до температури, нижчої А г1 (критичне значення температури з діаграми "вуглець-залізо" рівної для сталі 30ХГСА 670 °C [6]), витримкою при цій температурі і подальшого охолодження повітрям навколишнього середовища. В реальному процесі вказана температура відпускання виробів зі сталі 30ХГСА лежить в межах 500-680 °C, питомий час нагрівання при цій температурі складає з розрахунку за 1 хвилину 1° на 2 мм діаметра виробу. Охолодження виконують до температури навколишнього середовища, умовно прийнятої за 20 °C. При цьому твердість, межі міцності, плинності і пружності зменшуються, а пластичність і в'язкість збільшуються. Вказаним формують твердість заготовки в цілому до комфортних значень HRC28-33 одиниць для подальшого нарізання різьби, монтажних лисок і зняття з її поверхні зневуглецевого прошарку. Одночасно з 3 UA 117054 U 5 10 15 20 25 30 35 40 виконанням відпускання досягають анулювання в металі залишкових (заважаючих) після прокату та ковальства температурних напруг. Процес виконують в захисній атмосфері пічки з використанням інертного газу. На відміну від найближчого аналога і довідкових (технічної літератури) рекомендацій після нарізання конструктивів та шліфування поверхні штанг і шпинделів, облаштування стабілізаторів твердосплавними вставками, виконують їх загартування. Вироби нагрівають до температури, вищої за Ас3 (критичне значення температури з діаграми "вуглець-залізо", рівної для сталі 30ХГСА 830 °C [6]), витримкою при цій температурі, подальшого власне загартування з охолодженням у машинному (індустріальному) маслі та відпускання при відповідній температурі з охолодженням у воді [6]. В реальному процесі температура загартування для даної сталі лежить в межах 860-880 °C (Ас3+30…50 °C), питомий час нагрівання складає теж 1 °C за хвилину на глибину 2 мм діаметра виробу, атмосфера в пічці насичена інертним газом. Після досягнення заданих температури і витримки при ній виробів виконують підстужування до температури 780-800 °C (Ас3-50…30 °C), охолоджують в машинному маслі, формуючи межу твердості HRC45-51 одиниць. Кінцевою технологічною операцією є азотування виробів, суміщеною з середнім відпусканням, при якій досягають твердості поверхонь 920HV одиниць при глибині азотованого прошарку 0,9мм, температурі 560-540 °C. Твердість серцевини при цьому, згідно з наробками авторів, набуде значень HRC37-41 одиниць і разом із твердістю поверхонь є достатньою для протидії деформаційним, корозійним і ерозійним впливам на елементи бурового поставу прохідницького комбайна. Технологія напрацьована в умовах підприємства ТОВ "Енергопромпостач" з використанням пічки СШЦМ-8.26/10И2+ та каталітично активованого аміаку і інертних газів. Джерела інформації: 1 Подземное горно-шахтное оборудование фирмы Atlas Copco. Установки для бурения восстающих Atlas Copco Robbins. www.atlascopco.ua. 2 Каталог научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ института ВНИПИрудмаш. 1990 год. E-mail ©ndpi.kr.ua. 3 Буровой комбайн 2KB. Рекламный проспект ОАО "Приаргунское производственное горнохимическое объединение", Корпорация ТВЭЛ, Россия, E-mail: uprav@krasnokamensk.ru. 4 Станки СБШ-250МНА-32 и УСБШ-250А. Рекламный проспект ОАО "Криворожский завод горного машиностроения", E-mail: ntravevs@alba.dp.ua. 5 SU 1071729, Е21В 4/04, 07.02.1984. 6 Марочник сталей и сплавов. В.Г. Сорокин и др., М., "Машиностроение", 1989, 640 с, с. 208214. 7 BRD 1229945, Е21С, 08.12.1966. 8 UA 52524, Е21В 17/00; С23С 8/24, 25.08.2010. 9 UA10725, С23С 8/24; Е21В 17/00; В21Н 3/04; Е21В 19/06, 25.12.1996. 10 UA101301, Е21В 17/00; С23С 8/26; С21Д 9/08; В05С 7/04, 10.09.2015. 11 RU 2463361, С21Д 8/10; Е21В 17/00; С23С 8/24, 10.10.2012. 12 Справочник по физике. М., "Наука", 1968, 939 с, с. 201-206. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 Технологія формування показників призначення елементів бурового поставу комбайнів для прохідки підняттєвих гірничих виробок, при якій мірні відрізки товстостінної трубної заготовки або цільнометалевої поковки з конструкційної легованої сталі піддають високому відпусканню, забезпечують оптимальні рівні твердості для облаштування конструктивів, включаючи шліфування, і подальшої обробки шляхом азотування, нарізають конструктиви, яка відрізняється тим, що перед азотуванням елементи поставу піддають загартуванню до значень твердості поверхні і серцевини металу, достатньої для надання серцевині потенційної енергії протидії деформаційним впливам оббурьованої гірничої породи, процесу буріння та зменшення її твердості після азотування, а після чого азотують поверхні виробів, включаючи поверхню промивального каналу. 55 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4