Möglichkeiten zur Verbesserung der Lebensdauer von Gesteinsbohrwerkzeugen
Fehleranalyse von Gesteinsbohrwerkzeugen:
In den letzten Jahren haben sich die Gesteinsbohrwerkzeuge in China rasant weiterentwickelt. Es sind zahlreiche Produkte mit eigenen Merkmalen entstanden, wie z. B. Säulenzahnbohrer, Hartmetall-Integralbohrer, extrem robuste Gesteinsbohrer, K610-Hartmetall, ultrahochfester Ni-Cr-Mo-Bohrwerkzeugstahl, gewellte und trapezförmige Bohrstangen (∅38) usw., die sich durch deutlich verbesserte Qualität und Lebensdauer auszeichnen. Die Qualität der Massenproduktion ist jedoch weiterhin instabil, und die Bohrwerkzeuge versagen frühzeitig. Die Gründe hierfür werden wie folgt analysiert:
1. Bohrer
Zu den Schadensarten des Bohrers zählen hauptsächlich abnormaler und normaler Verschleiß wie Fragmente, Zahnbrüche, innere Zahnentfernung, Aufwölbung des Bohrkörpers und Brüche. In meinem Land werden seit langem gerade Bohrer alter Bauart verwendet. Nach der Verschrottung beträgt die durchschnittliche Restklinge in der Mitte des Legierungsstücks mehr als 12 mm, und die normale Rate liegt unter 5 %. Aufwölbung, umgekehrter Kegelverschleiß, gebrochene Taille, Risse und herabfallende Fragmente in hartem Gestein machen oft mehr als 80 % des Bohrerverbrauchs aus. Der Hauptgrund dafür ist, dass der Klingenflügel des Bohrers zu dünn ist und die relative Flügeldicke nur 1,16 beträgt. Er ist nicht verschleißfest, weist einen schnellen radialen Verschleiß auf und weist eine schlechte geometrische Formstabilität auf. Der Klingenstahlkörper klemmt nicht ausreichend auf das Legierungsblech, wodurch das Blech abfällt, das Sprengloch unrund ist, der Rotationswiderstand groß ist und der Verschleiß der Bohrklinge verstärkt wird. Der herkömmliche, gerade Bohrkopf hat eine Kegelbohrungstiefe von 32 mm, die Einstecktiefe der Bohrspitze beträgt weniger als 24 mm. Die Kegelbohrung ist flach. Unter Einwirkung von Hochfrequenz- und Stoßbelastungen überschreitet der Überdruck pro Flächeneinheit der Hosenwand leicht die Bruchfestigkeit des Stahlkörpers des Bohrkopfs und kann zu einer Ausdehnung oder Rissbildung der Hosenwand führen. Zunächst entsteht, ausgehend von der Innenwand der Hosenöffnung, eine tangentiale Zugverformung, die die Hosenwand ausdehnt, eine Trompetenform bildet, die Verbindung löst und die Hosenwand abfallen lässt. Ist die Härte des Stahlkörpers zu hoch, um Risse zu verursachen, ist das Pulveraustragssystem schlecht, und es kommt zu wiederholtem Zerdrücken, was den Verschleiß des Bohrkopfs erhöht.
Die häufigsten Schäden am Kugelzahnbohrkopf sind Zahnkantenverlust, Zahnbruchverlust, Rissbildung im Schaft, Kappenablösung und Bruch im Schaft. Laut der Ausfallstatistik schwedischer Kugelzahnbohrer mit ∅48 mm, die mit hydraulischen Gesteinsbohrern COP1038HD an der China University of Geosciences gebohrt wurden, gingen 37 % der Zähne verloren, 28,3 % der Zähne brachen und 13,2 % der Zähne waren gebrochen. Beim Bohren von Löchern in hartem Granit mit pneumatischen Gesteinsbohrern 7655 gingen 22,7 % der Zähne verloren, 35,4 % der Zähne brachen und 26,4 % der Zähne waren gebrochen. Feldversuche zeigen, dass Zähne verloren gehen und gebrochen sind. Dies liegt daran, dass die Zähne exzentrischen, extrem ungleichmäßig verteilten Belastungen ausgesetzt sind und unterschiedlichen radialen Umfangsdrücken ausgesetzt sind. Dies führt zu einer schlechten Belastbarkeit der Zähne und zu Zahnbrüchen. Aufgrund der hohen Härte des Bohrerbodens bleibt die Presspassung zwischen Zähnen und Bohrungen unverändert. Beim Fixieren ist die elastisch-plastische Verformung aufgrund der hohen Härte der Zahnbohrungen schlecht. Werden die Zähne unter Druck fixiert, entstehen leicht Mikrorisse. Bei schnellerem Bohren dehnen sich diese in verschiedene Richtungen aus, was zu einem unregelmäßigen Zerdrücken der Legierungszähne führt. Mit zunehmender Anzahl von Schlägen auf den Säulenzahnbohrer verstärkt sich die plastische Verformung der Zahnbohrungswand. Dadurch entsteht eine trichterförmige Öffnung an der Öffnung der Zahnbohrung. Dies verringert die Fixierkraft und kann zu Zahnabnutzung führen. Die geringe Härte des Bohrerkörpers aufgrund des geringen Übermaßes zwischen den Zahnbohrungen begünstigt zudem die Zahnabnutzung. Da Hartmetall ein sprödes Material ist, dehnen sich die darin unvermeidlichen Poren, Einschlüsse und anderen Mikrorissquellen durch Millionen von Schlägen beim Bohren ins Gestein weiter aus und brechen. Der Einfluss eines Bohrerkörpers mit hoher Härte auf die Hartmetallzähne ist deutlich größer als der eines Bohrerkörpers mit mittlerer oder niedriger Härte. Je geringer die Härte des Bohrerkörpers, desto geringer ist der Einfluss der Druckkraft auf die Leistung des Hartmetalls. Eine Verringerung der Härte des Bohrerkörpers führt jedoch zu einer unzureichenden Fixierkraft der Zähne und zum Ablösen der Zähne. Darüber hinaus hängt dies von Faktoren wie Material, Flussmittelleistung, Schweißverfahren und Verwendungsmethode ab.
Mehr als 80 % der Brüche im Stahlkörper eines Bohrers treten an der Grenze zwischen der Stirnfläche der Bohrspitze und dem Boden der Bohrhose auf, während Brüche bei Säulenzahnbohrern entlang der unteren Schnittstelle des Zahnlochs auftreten. Aus dem Übertragungsgesetz von Spannungswellen lässt sich ersehen, dass sich der Wellenwiderstand im Bereich zwischen der Stirnfläche der Bohrspitze und dem Boden der Hose plötzlich ändert. Ermüdungsbrüche, die durch Spannungswellenreflexion und Querschnittsveränderung verursacht werden, werden häufig durch Faktoren wie falsche Stahlauswahl, unzulässige Auslegung der geometrischen Strukturparameter, ungeeignete Auswahl des Herstellungsverfahrens und unsachgemäße Verwendungsmethoden verschlimmert.
2. Bohrstange
Bohrstangen sind während des Betriebs umfassenden Wechselbelastungen ausgesetzt, die hauptsächlich aus Schlag-, Biege- und Korrosionsbeanspruchung bestehen. Daher muss die Bohrstange eine hohe Dauerfestigkeit, Schlagfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit sowie geringe Kerbempfindlichkeit und Risswachstumsrate aufweisen. Zu den Schadensbildern an Bohrstangen gehören unzureichende Härte am Griffende der kleinen Bohrstange, was zu einer Aufhäufung der Bohrspitze führt; übermäßige Härte, die zu einer Explosion der Bohrspitze führt; Gewindeverschleiß der Pleuelstange sowie Ermüdungs- und Sprödbruch.
Bohrstangenbrüche sind die häufigste Ausfallursache. Ermüdungsbrüche sind Risse, die durch die Anhäufung von Schäden unter wiederholter Belastung entstehen. Sie entstehen in der Regel in schwachen Teilen des Materials, wie nichtmetallischen Einschlüssen, Blasen, weißen Flecken, Narben, Entkohlung und Korrosionsrissen im Material; mangelhaftes Material und Wärmebehandlung, wie z. B. ein zu harter aufgekohlter Bohrstangenkern oder mangelhaftes Abschrecken, führen zu Rissen und Brüchen am Ende des Bohrstangengriffs; Konstruktionsgründe wie eine ungeeignete Gewindeform der Bohrstange, eine schlechte Passform von Hülse und Gewinde oder eine schlechte Passform von Konus und Bohrstangengriff können zu Rissen und Brüchen führen; unsachgemäße Verwendung wie Hammerschläge, mangelhafte Schmierung der Verbindungen und Korrosion des Bohrstahls usw. führen zu Rissen und Brüchen. Neben der Ausdehnung dieser Risse tritt nach einem langen Entwicklungsprozess ein Ermüdungsbruch der Bohrstange auf. Die Behandlung von Ermüdungsbrüchen an Bohrstangen lässt sich in drei Phasen unterteilen: Unter zyklischer Belastung verformen sich einige Teile der Bohrstange plastisch durch Schlupf, und es entstehen Mikrorisse, die sich unter wiederholter zyklischer Belastung allmählich zu Makrorissen entwickeln. Im zweiten Schritt verringert sich die effektive Querschnittsfläche der Bohrstange durch die Bildung von Makrorissen. Im dritten Schritt bricht die Bohrstange, wenn ihr Querschnitt auf eine der Zugfestigkeit entsprechende Spannung reduziert wird. Ermüdungsbrüche an Pleuelstangen treten meist am Gewindegrund auf und verlaufen von außen nach innen. Bei kleinen Bohrstangen entstehen innere Ermüdungsrisse an der Oberfläche des Bohrlochs und breiten sich allmählich nach außen aus. Äußere Ermüdungsrisse an der Oberfläche der Bohrstange verlaufen allmählich nach innen. Ermüdungsbrüche an kleinen Nadelstangen treten meist 300–400 mm vor dem Bund auf.
Beim Gesteinsbohren in Bergwerken weisen einige wenige gebrochene Bohrstangen keine Ermüdungsspuren auf der Bruchoberfläche auf, sondern weisen in der Regel eine helle Kristalloberfläche auf, die oft als Sprödbruch bezeichnet wird. Dies ist hauptsächlich auf Defekte in der Bohrstange zurückzuführen, wie z. B. Einschlüsse, Vertiefungen, Hammerspuren oder übermäßige Querschnittsveränderungen, sowie auf die beim Schmieden entstehende Trichteröffnung, unsachgemäße Wärmebehandlung und andere Faktoren. Dies führt zu geringer Festigkeit der Bohrstange, geringer Plastizität oder hoher Spannungskonzentration, wodurch sich Risse extrem schnell entwickeln und leicht zu einem frühen Sprödbruch der Bohrstange führen können.
Möglichkeiten zur Verbesserung der Lebensdauer des Bohrwerkzeugs
1. Verbessern Sie die Designqualität
Die Festlegung sinnvoller Strukturparameter und die kontinuierliche Entwicklung neuer Varianten sind die Voraussetzungen für eine längere Lebensdauer des Bohrwerkzeugs. Seit vielen Jahren wird der herkömmliche gerade Bohrer verwendet. Der Hauptgrund für seine kurze Lebensdauer ist das ungünstige Produktdesign. Dies äußert sich in der geringen relativen Flügeldicke, dem flachen Kegelloch, der schlechten Pulveraustragswirkung, der instabilen geometrischen Form, der leichten Entstehung frühzeitiger zylindrischer Verformungen und ungünstigen geometrischen Parametern des Hartmetallblechs. Daher ist eine Verbesserung auf Basis des ursprünglichen Designs schwierig, und der herkömmliche gerade Bohrer sollte so schnell wie möglich ersetzt werden.
Bei Blattbohrern werden häufig radial angeordnete, gerade, dreiblättrige, kreuzförmige und x-förmige Bohrer aus einem Stück verwendet. Je mehr Blätter der Bohrer hat, desto höher ist seine Verschleißfestigkeit. Der kreuzförmige Bohrer hat eine 30–50 % höhere Schleifleistung als der geradlinige Bohrer, aber die Herstellung und das Schleifen sind komplizierter und teurer. Die relative Flügeldicke beträgt vorzugsweise 1,6–2,2, und der Querschnitt der Pulverablaufnut und die Gesamtfläche des Wasserlochquerschnitts müssen gleich oder größer als der Querschnitt des Mittellochs der Bohrstange sein. Oft wird eine 3-Loch-Anordnung verwendet, und der Durchmesser des Mittellochs ist etwas größer. Eine sinnvolle Körperstruktur hat einen Freiwinkel von 2–3° am Kopf und einen kreisbogenförmigen oder kegelförmigen Übergang mit einem Krümmungsradius von R=30–80 mm zwischen der konischen Oberfläche und der zylindrischen Schwanzoberfläche des verlängerten Hosenkörpers. Kleine Bohrer mit einem Durchmesser unter 45 mm werden über eine Konusverbindung mit der Bohrstange verbunden, Bohrer mit einem Durchmesser über 45 mm über ein gewelltes oder zusammengesetztes Trapezgewinde. Die Bohrgeschwindigkeit ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Bohrerdurchmessers. Um die Technologie sinnvoll einzusetzen und die Qualität und Lebensdauer des Bohrers zu verbessern, kann die Schleiffrequenz des Bohrers auf das 15-fache erhöht werden. Um den radialen Verschleiß des Bohrers zu reduzieren, kann die Kontaktfläche zwischen Bohrerblatt und Bohrlochwand vergrößert werden, um einen gleichmäßigen Pulveraustrag zu gewährleisten, den Spaltwinkel des Blechs gezielt zu bestimmen und die Blechdicke entsprechend zu erhöhen.
Die Kronenform des Säulenzahns des Säulenzahnbohrers ist meist halbkugelförmig. Die Bohrgeschwindigkeit ist hoch. Beim Einpressen ins Gestein ist die Zahnoberfläche unter Druckspannung relativ fest und widerstandsfähig. Die Größe des Zahndurchmessers sollte ausreichende Zugspannung, Festigkeit der festen Zähne und die Möglichkeit der Zahnanordnung berücksichtigen. Die Anzahl der Zähne sollte einen effektiven Gesteinsbruch, die Möglichkeit der Zahnanordnung, ausreichende Festigkeit und ein bequemes Nachschleifen berücksichtigen. Aus der Schadensanalyse geht hervor, dass der Spannungszustand der Seitenzähne schlecht ist und die Seitenzähne brechen. Die folgenden Maßnahmen können ergriffen werden, um Schäden an den Seitenzähnen zu reduzieren und die Lebensdauer des Säulenzahnbohrers zu verlängern.
(1) Verstärken Sie die Seitenzähne und wählen Sie Zahnform, Zahndurchmesser und Zahnhöhe richtig aus. Der Durchmesser der Mittelzähne und der Seitenzähne beträgt derzeit 9,65 bis 9,95 mm. Der Durchmesser der Seitenzähne kann auf 10,65 bis 10,95 mm erhöht werden, um die Schlagfestigkeit und Verschleißfestigkeit zu verbessern. Der Durchmesser der Mittelzähne kann auf 8,65 bis 8,95 mm reduziert werden, um die Anordnung der Seitenzähne zu erleichtern und die Kosten zu senken.
(2) Eine geeignete Reduzierung des Neigungswinkels der Seitenzähne trägt zur Verbesserung der Spannungsverhältnisse und der Schlagfestigkeit der Seitenzähne bei. Im Ausland werden häufig Neigungswinkel von 30–35° verwendet. Dieser kann auf 20–25° reduziert werden, wodurch die Kontaktfläche zwischen der Außenfläche der Seitenzähne und dem Gestein vergrößert wird. Dies fördert zudem die Selbstschärfung der Seitenzähne und verbessert die radiale Verschleißfestigkeit des Bohrers. Die mittleren Zähne sind etwas höher als die Seitenzähne, um die Zentrierung zu erleichtern und seitliche Freiflächen für die Seitenzähne zu schaffen, was die Gesteinsbrechleistung verbessert. Für weiches Gestein mit geringer radialer Abrasivität sollte der Neigungswinkel klein sein.
(3) Die richtige Wahl des Schweißspalts und des Übermaßes der festen Zähne erhöht die Haltekraft der Säulenzähne. Bei geringem Übermaß verringert sich die Anzugskraft. Bei etwas größerem Übermaß entstehen Kratzer in der Zahnbohrung. Wird der Zahn weiter vergrößert, lässt er sich nicht einpressen. Ist der Übermaß zu groß, bricht der Zahn leicht, und der Bohrerkörper quillt auf und bricht. Eine erhöhte Oberflächenrauheit der Zahnbohrung erhöht den Reibungskoeffizienten und damit die Anzugskraft. Dies ist eine sinnvolle Maßnahme. Durch eine Kunststoffverschachtelung (üblicherweise H62Y-Kupfer) als Zwischenstück werden Verschachtelung und Bohrung übergangsweise angepasst, und die Zähne werden übermaßangepasst. Beim Kaltpressen der Zähne werden die Verschachtelungen unter der Einwirkung der Zahnhaltekraft gegeneinander gepresst. Dabei verformen sich die Verschachtelungen plastisch, und die raue Oberfläche der Bohrungszähne verkeilt sich ineinander. Dadurch erhöht sich die Haftkraft (Haftreibung) zwischen den Bohrungszähnen und ein fester Zahnsitz wird erreicht.
(4) Die Seitenzähne bestehen aus hochfestem Hartmetall und werden einer heißisostatischen Behandlung unterzogen, um Zahnbrüche wirksam zu verhindern. Die Verstärkung des Bohrerstahlkörpers erhöht dessen Abriebfestigkeit.
(5) Sinnvolle Zahnanordnung, größtmögliche Erhöhung der Anzahl der Seitenzähne, Verbesserung des Pulveraustragssystems, Beibehaltung des vorderen Wasserlochs und des Pulveraustragssystems mit großem Spalt, drei Nuten und zwei Löchern, hohe Pulveraustragseffizienz, Reduzierung des wiederholten Zerkleinerns von Gesteinspulver, Reduzierung des Energieverbrauchs und Verlängerung der Lebensdauer des Bohrers.
Für Flachlochbohrstangen wird sechseckiger Hohlstahl B19, B22 und B25 verwendet, der etwa 80–85 % des gesamten Hohlstahlverbrauchs ausmacht. Für Tieflochbohrstangen wird runder oder sechseckiger Hohlstahl D32, D38, B25 und B32 verwendet, der 15–20 % ausmacht. Sechseckige Bohrstangen zeichnen sich durch eine hohe Steifigkeit, einen großen Pulveraustrittsspalt und ein leichtes Rollen aus.
Verbesserte Bohrstangenstruktur, wie beispielsweise die Vollgewinde-Bohrstange der US-amerikanischen Ingersoll Rand Company. Diese wird durch Rollformung und Oberflächenhärtung hergestellt, verbessert die Zähigkeit und Verschleißfestigkeit, bietet einen großen Steigungswinkel, gute Selbsthemmung und lässt sich leicht zerlegen und montieren. Bei Verschleiß des Verbindungsendes kann es abgeschnitten, abgeschrägt und wiederverwendet werden, was die Lebensdauer um das Drei- bis Vierfache erhöht. Die SPEEDROD-Bohrstange der schwedischen Firma Samdvik verwendet eine Gewindestange, verzichtet auf die Pleuelhülse und eliminiert das Spiel an der Verbindungsfläche. Dadurch werden die Ausrichtung und Steifigkeit der Verbindung deutlich verbessert, die Geradlinigkeit des Bohrlochs bleibt erhalten und Energie gespart.
Durch die Verbesserung der Erscheinungs- und Verpackungsqualität des Bohrwerkzeugs und die gute Gestaltung der Erscheinungsform und Verpackungsstruktur kann das Bohrwerkzeug wirksam geschützt, verschönert und die Lebensdauer des Bohrwerkzeugs verlängert werden.
2. Wählen Sie hochwertige Materialien
Bei der Auswahl der Bohrwerkzeugmaterialien sollten Zähigkeit und Verschleißfestigkeit, gute Steifigkeit und Verschleißfestigkeit, ausreichend hohe Dauerfestigkeit, geringe Ermüdungskerbempfindlichkeit, hohe Klemmfähigkeit von Legierungsblechen und eine gewisse Korrosionsbeständigkeit berücksichtigt werden. Gute Prozesseigenschaften, leichtes Schneiden, gute Härtbarkeit und gute Schweißbarkeit sind wichtig. Es entspricht den nationalen Bedingungen, ist günstig und versucht, weniger Ni und Cr zu verwenden. Die Ergebnisse der auf Fuzzy-Mathematik basierenden Bohrwerkzeugstahl-Auswahlmethode werden wie folgt empfohlen:
(1) 24SiMnNi²CrMo-Stahl ist ein neuer Stahltyp, der dem schwedischen FF710-Stahl nachempfunden ist und die besten herkömmlichen mechanischen Eigenschaften, Brucheigenschaften und eine umfassende Bewertung aufweist. Die durchschnittliche Lebensdauer des im Inland produzierten ∅50-Säulenbohrers mit neun Zähnen im Straßenbauprojekt beträgt 715,2 m/Stück, die maximale Lebensdauer 901,4 m/Stück und liegt damit nahe an der Lebensdauer des schwedischen ∅48-Säulenbohrers im Projekt von 760 m/Stück. Er ist auch ein gutes Material für Bohrstangen. Die durchschnittliche Lebensdauer des hydraulischen Laufwagens des hydraulischen Gesteinsbohrers Mercury 300 im Eisenbergwerk beträgt 152,4 m/Stück und die Lebensdauer des Bohrendes 609 m/Stück, was 76 % höher ist als die Lebensdauer des französischen 23CrNi³Mo-Bohrendes von 345 m/Stück.
(2) Die durchschnittliche Gesamtlänge der Bohrstange aus 40SiMnMoV-Stahl beträgt 1225,4 m und liegt damit nahe am ausländischen Niveau.
(3) Die Lebensdauer der kleinen Bohrstange aus 55SiMnMo liegt nahe an der von 250 m der kleinen schwedischen Bohrstange aus 95CrMo.
(4) Die durchschnittliche Lebensdauer der Bohrstange aus 35SiMnMoV kann 300 m/Stück erreichen. Der obige Stahl wird durch Abschrecken, Anlassen, Glühen, Normalisieren usw. wärmebehandelt, um bainitischen Stahl mit hoher Dauerfestigkeit und Zähigkeit zu bilden.
Für das Induktionslöten von festen Teilen und festen Zähnen kleiner und mittelgroßer Bohrer wird 40MnMoV als Bohrerkörpermaterial verwendet. Die Lebensdauer der hergestellten Kreuz- und Säulenzahn-Wellgewindebohrer mit ∅50 mm liegt nahe an der schwedischer Bohrer. Für Säulenzahnbohrer mit heiß eingebetteten Zähnen wird 45NiCrMoV-Stahl bevorzugt.
Die Auswahl des Hartmetallmaterials muss an die mechanischen Eigenschaften des Gesteins und den Gesteinsbohrertyp angepasst werden. Üblicherweise werden Hartmetalle mit hohem Kobaltgehalt wie YJo und YG13C für extrem hartes Gestein und Gesteinsbohrer mit hoher Schlagkraft verwendet; YJ¹, YK25 und YG11C werden hauptsächlich für hartes Gestein verwendet; YG8C und YJ² für mittelhartes Erzgestein; und YJ³ und YG6 für weiches Gestein. Der lineare Ausdehnungskoeffizient der Kobaltphase in Hartmetall ist etwa dreimal so hoch wie der von Wolframkarbid. Die beim schnellen Erhitzen und Abkühlen entstehenden inneren Spannungen führen zu Rissen an der Grenzfläche. Daher sollte das plötzliche Erhitzen und Abkühlen von Hartmetall, unabhängig von der Herstellung, dem Schweißen und dem Schleifen, vermieden werden.
Silberbasiertes Lot wird häufig zum Löten von Bohrspitzen im Ausland verwendet. Es hat einen niedrigen Schmelzpunkt, beeinträchtigt die Leistung von Stahlkörpern und Hartmetall kaum, verfügt über eine hohe Schweißfestigkeit und geringe Schweißspannung. Mein Land sollte Forschung und Entwicklung betreiben, um den Anforderungen der Erschließung ausländischer Handelsmärkte gerecht zu werden. Derzeit werden aufgrund der Effizienz und Lebensdauer des Gesteinsbohrens hauptsächlich kupferbasierte Lote wie 105, 801 und SB-1 verwendet.
