Các cách cải thiện tuổi thọ của dụng cụ khoan đá
Phân tích lỗi của các công cụ khoan đá:
Trong những năm gần đây, công cụ khoan đá của nước tôi đã phát triển nhanh chóng và một loạt các sản phẩm đã được hình thành với các đặc điểm riêng của chúng, chẳng hạn như mũi khoan răng cột, mũi khoan tích hợp cacbua, mũi khoan đá cực kỳ cứng, cacbua K610, thép công cụ khoan cường độ cực cao Ni-Cr-Mo, thanh khoan hình thang và hình lượn sóng ∅38, v.v., với chất lượng và tuổi thọ được cải thiện đáng kể. Tuy nhiên, chất lượng sản xuất hàng loạt vẫn không ổn định và các công cụ khoan bị hỏng sớm. Các lý do được phân tích như sau:
1. Mũi khoan
Các dạng hư hỏng của mũi khoan chủ yếu bao gồm hao mòn bất thường và hao mòn bình thường như mảnh vỡ, răng gãy, loại bỏ răng bên trong, thân mũi khoan phồng lên và gãy. Nước tôi đã sử dụng mũi khoan thẳng kiểu cũ trong một thời gian dài. Sau khi loại bỏ, lưỡi dao còn lại trung bình ở giữa miếng hợp kim là hơn 12mm và tỷ lệ bình thường là dưới 5%. Phình, mòn hình nón ngược, eo bị gãy, nứt và các mảnh vỡ rơi xuống trong đá cứng thường chiếm hơn 80% mức sử dụng mũi khoan. Lý do chính là cánh lưỡi của mũi khoan quá mỏng và độ dày cánh tương đối chỉ là 1,16. Nó không chống mài mòn, có độ mòn xuyên tâm nhanh và độ ổn định hình dạng hình học kém. Thân thép của lưỡi dao không đủ lực kẹp vào tấm hợp kim, khiến tấm kim loại rơi ra, lỗ nổ không tròn, lực cản quay lớn và làm trầm trọng thêm tình trạng mài mòn của lưỡi khoan. Đầu khoan thẳng cũ có độ sâu lỗ côn là 32mm, độ sâu lắp mũi khoan nhỏ hơn 24mm. Lỗ côn nông. Dưới tác động của tải trọng tần số cao và tác động mạnh, áp suất dương trên một đơn vị diện tích của thành quần sẽ dễ dàng vượt quá cường độ cực đại của thân thép đầu khoan và gây ra sự giãn nở của quần hoặc nứt quần. Đầu tiên, bắt đầu từ thành trong của lỗ quần, biến dạng kéo dư tiếp tuyến được tạo ra, khiến thành quần giãn nở, tạo thành hình kèn, kết nối lỏng lẻo và quần rơi ra. Khi độ cứng của thép thân quần quá cao gây ra nứt quần, hệ thống xả bột kém và xảy ra tình trạng nghiền nát lặp đi lặp lại, làm tăng độ mài mòn của đầu khoan.
Các dạng hư hỏng chính của đầu khoan răng bi là răng cạnh rơi ra, răng gãy rơi ra, nứt quần, tháo mũ và gãy eo. Theo thống kê về sự cố của mũi khoan răng bi Thụy Điển ∅48mm được khoan bằng máy khoan đá thủy lực COP1038HD tại Đại học Khoa học Địa chất Trung Quốc, 37% răng bị mất, 28,3% răng bị gãy và 13,2% răng bị gãy. Khi khoan lỗ trên đá granit cứng bằng máy khoan đá khí nén 7655, 22,7% răng bị mất, 35,4% răng bị gãy và 26,4% răng bị gãy. Các thử nghiệm thực địa cho thấy răng bị mất và gãy. Điều này là do răng phải chịu ứng suất lệch tâm, phân bố cực kỳ không đều và các răng phải chịu các áp suất chu vi hướng kính khác nhau, khiến răng phải chịu ứng suất và các răng phải chịu các áp suất chu vi hướng kính khác nhau, khiến răng chịu ứng suất kém và gây ra răng bị gãy. Do độ cứng của đế mũi khoan, độ khít giữa răng và lỗ không thay đổi. Khi cố định, do độ cứng của lỗ răng cao, biến dạng đàn hồi-dẻo kém. Khi răng cố định dưới áp lực, các vết nứt nhỏ dễ hình thành. Khi đá được khoan với tốc độ nhanh hơn, chúng sẽ giãn nở theo các hướng khác nhau, dẫn đến việc nghiền nát không đều các răng hợp kim. Khi số lần va chạm vào mũi khoan răng trụ tăng lên, biến dạng dẻo của thành lỗ răng tiếp tục tăng, khiến miệng chuông xuất hiện ở miệng lỗ răng, dẫn đến lực cố định răng giảm và dễ gây ra hiện tượng bong răng. Ngoài ra, do sự va chạm nhỏ giữa các lỗ răng, độ cứng thấp của thân mũi khoan cũng làm trầm trọng thêm tình trạng bong răng. Vì cacbua xi măng là vật liệu giòn, nên các lỗ rỗng, tạp chất và các nguồn vết nứt nhỏ khác không thể tránh khỏi bên trong nó sẽ tiếp tục giãn nở và vỡ ra trong quá trình khoan đá hàng triệu lần va chạm. Ảnh hưởng của thân mũi khoan có độ cứng cao lên răng cacbua xi măng lớn hơn nhiều so với ảnh hưởng của thân mũi khoan có độ cứng trung bình và thấp. Độ cứng của thân mũi khoan càng thấp thì ảnh hưởng của lực ép lên hiệu suất của cacbua xi măng càng nhỏ. Tuy nhiên, việc giảm độ cứng của thân mũi khoan sẽ dẫn đến lực cố định răng không đủ và răng bị tước. Ngoài ra, nó còn liên quan đến các yếu tố như vật liệu, hiệu suất thông lượng, thao tác hàn và phương pháp sử dụng.
Hơn 80% các vết nứt của thân thép mũi khoan xảy ra ở ranh giới giữa mặt cuối của mũi khoan và đáy quần khoan, và vết nứt của mũi khoan răng cột xảy ra dọc theo giao diện dưới cùng của lỗ răng. Từ định luật truyền sóng ứng suất, có thể thấy rằng khu vực giữa mặt cuối của mũi khoan và đáy quần là khu vực mà sức cản sóng thay đổi đột ngột. Gãy mỏi do phản xạ sóng ứng suất và đột biến mặt cắt ngang thường trầm trọng hơn do các yếu tố như lựa chọn thép không phù hợp, thiết kế thông số cấu trúc hình học không hợp lý, lựa chọn quy trình sản xuất không phù hợp và phương pháp sử dụng không đúng cách.
2. Thanh khoan
Thanh khoan phải chịu ứng suất thay đổi toàn diện chủ yếu bao gồm ứng suất va đập, ứng suất uốn và ứng suất ăn mòn trong quá trình vận hành. Do đó, thanh khoan phải có độ bền mỏi cao, khả năng chống va đập, khả năng chống ăn mòn, độ nhạy khía và tốc độ phát triển vết nứt thấp. Các dạng hư hỏng của thanh khoan bao gồm độ cứng không đủ của đầu tay cầm của thanh khoan nhỏ gây ra hiện tượng chồng chất đỉnh; độ cứng quá mức gây ra nổ đỉnh; độ mòn ren của thanh truyền; và gãy mỏi và gãy giòn.
Gãy cần khoan là dạng hỏng hóc chính. Gãy do mỏi là vết nứt do tích tụ hư hỏng dưới ứng suất lặp đi lặp lại. Thường bắt nguồn từ các bộ phận yếu của vật liệu, chẳng hạn như tạp chất không phải kim loại, bong bóng, đốm trắng, sẹo, thoát cacbon, vết nứt do ăn mòn bên trong vật liệu; vật liệu và xử lý nhiệt kém, chẳng hạn như lõi cần khoan cacbon hóa quá cứng, tôi kém tạo ra vết nứt và vết nứt ở đầu tay cầm đuôi; do các lý do thiết kế như hình dạng ren cần khoan không phù hợp, ống lót và ren không vừa vặn, côn và tay cầm đuôi không vừa vặn, nứt và vỡ; sử dụng không đúng cách như vết búa, bôi trơn mối nối kém và ăn mòn thép khoan, v.v., gây ra vết nứt và vỡ. Cũng như sự mở rộng của các vết nứt này, gãy do mỏi của cần khoan xảy ra sau một quá trình phát triển dài. Quá trình xử lý gãy do mỏi của cần khoan có thể chia thành ba giai đoạn: dưới tác động của ứng suất tuần hoàn, một số bộ phận của cần khoan tạo ra biến dạng dẻo dưới dạng trượt và xuất hiện các vết nứt nhỏ, dần dần phát triển thành các vết nứt lớn dưới tác động lặp đi lặp lại của ứng suất tuần hoàn; ở giai đoạn thứ hai, diện tích hiệu dụng của thanh khoan giảm đi khi phát triển các vết nứt vĩ mô; ở giai đoạn thứ ba, khi mặt cắt ngang của thanh khoan giảm xuống ứng suất tương đương với độ bền kéo, nó sẽ gãy. Gãy mỏi của thanh khoan thanh truyền chủ yếu xảy ra ở gốc ren và vết nứt phát triển từ bề mặt ngoài vào bên trong; gãy mỏi của thanh khoan nhỏ, vết nứt mỏi bên trong được tạo ra trên bề mặt lỗ nước của thanh khoan và dần dần phát triển ra ngoài, và vết nứt mỏi bên ngoài được tạo ra trên bề mặt của thanh khoan và dần dần phát triển vào bên trong. Gãy mỏi của thanh kim nhỏ chủ yếu xảy ra trong vòng 300 ~ 400mm trước cổ áo.
Trong quá trình khoan đá trong mỏ, một số ít thanh khoan bị gãy không có vết mỏi trên bề mặt gãy, thường biểu hiện trạng thái bề mặt tinh thể sáng, thường được gọi là gãy giòn. Điều này chủ yếu là do các khuyết tật trên thanh khoan, chẳng hạn như tạp chất, vết lõm, vết búa hoặc thay đổi quá mức ở mặt cắt ngang, cũng như miệng chuông tạo ra trong quá trình rèn, xử lý nhiệt không đúng cách và các yếu tố khác, dẫn đến độ bền của thanh khoan thấp, độ dẻo kém hoặc tập trung ứng suất lớn, khiến vết nứt phát triển cực kỳ nhanh chóng và dễ gây ra gãy giòn sớm của thanh khoan.
Các cách để cải thiện tuổi thọ của dụng cụ khoan
1. Cải thiện chất lượng thiết kế
Xác định các thông số cấu trúc hợp lý và liên tục phát triển các giống mới là điều kiện tiên quyết để cải thiện tuổi thọ của dụng cụ khoan. Trong nhiều năm, mũi khoan thẳng kiểu cũ đã được sử dụng. Lý do chính khiến tuổi thọ ngắn của nó là thiết kế sản phẩm không hợp lý, thể hiện ở độ dày cánh tương đối nhỏ, lỗ hình nón nông, hiệu ứng xả bột kém, hình dạng hình học không ổn định, dễ tạo ra biến dạng hình trụ sớm và các thông số hình học không hợp lý của tấm kim loại cứng. Do đó, rất khó để cải thiện trên cơ sở thiết kế ban đầu và mũi khoan thẳng kiểu cũ nên được loại bỏ càng sớm càng tốt.
Mũi khoan lưỡi dao sử dụng rộng rãi các mũi khoan thẳng, ba lưỡi, hình chữ thập và hình chữ X nguyên khối được sắp xếp theo hướng xuyên tâm. Mũi khoan càng có nhiều lưỡi thì khả năng chống mài mòn càng cao. Mũi khoan hình chữ thập có độ mài cao hơn 30~50% so với mũi khoan hình thẳng, nhưng quá trình chế tạo và mài phức tạp và tốn kém. Độ dày cánh tương đối tốt nhất là 1,6~2,2 và mặt cắt ngang của rãnh thoát bột và tổng diện tích mặt cắt ngang của lỗ nước phải bằng hoặc lớn hơn mặt cắt ngang của lỗ trung tâm thanh khoan. Bố trí 3 lỗ thường được sử dụng và đường kính lỗ trung tâm lớn hơn một chút. Cấu trúc thân hợp lý là có góc hở 2°~3° ở đầu và chuyển tiếp cung tròn hoặc hình nón với bán kính cong R=30~80mm giữa bề mặt hình nón và bề mặt hình trụ đuôi của thân quần dài mở rộng. Mũi khoan nhỏ có đường kính nhỏ hơn 45mm được kết nối với thanh khoan bằng kết nối hình nón, và mũi khoan có đường kính lớn hơn 45mm được kết nối bằng ren hình thang gợn sóng hoặc composite. Tốc độ khoan đá tỷ lệ nghịch với bình phương đường kính mũi khoan. Tuy nhiên, để sử dụng công nghệ hợp lý và cải thiện chất lượng và tuổi thọ của mũi khoan, tần suất mài mũi khoan có thể tăng lên 15 lần. Để giảm độ mài mòn xuyên tâm của mũi khoan, có thể tăng diện tích tiếp xúc giữa lưỡi mũi khoan và thành lỗ để làm cho bột xả trơn tru, có thể xác định hợp lý góc khe hở của tấm hợp kim và có thể tăng độ dày của tấm hợp kim một cách thích hợp.
Hình dạng vương miện của răng trụ của mũi khoan răng trụ chủ yếu là hình bán cầu. Tốc độ khoan đá cao. Khi ép vào đá, bề mặt răng tương đối chắc và bền dưới ứng suất nén. Kích thước đường kính răng nên xem xét ứng suất kéo đủ, độ cứng của răng cố định và khả năng sắp xếp răng. Số lượng răng nên xem xét khả năng phá đá hiệu quả, khả năng sắp xếp răng, độ bền đủ và mài lại thuận tiện. Từ phân tích hỏng hóc, có thể biết rằng tình trạng ứng suất của răng bên kém, răng bên bị gãy và vỡ. Có thể thực hiện các biện pháp sau để giảm hư hỏng của răng bên và kéo dài tuổi thọ của mũi khoan răng trụ.
(1) Tăng cường răng bên và lựa chọn đúng hình dạng răng, đường kính răng và chiều cao răng. Đường kính răng giữa và răng bên hiện tại là 9,65~9,95mm. Đường kính răng bên có thể tăng lên 10,65~10,95mm để tăng cường độ va đập và khả năng chống mài mòn, đường kính răng giữa có thể giảm xuống 8,65~8,95mm để thuận tiện cho việc sắp xếp răng bên và giảm chi phí.
(2) Giảm góc nghiêng răng bên một cách thích hợp có lợi cho việc cải thiện tình trạng ứng suất và tăng cường khả năng chống va đập của răng bên. Các nước ngoài thường sử dụng góc nghiêng 30°~35°, có thể giảm xuống còn 20°~25°, tăng diện tích tiếp xúc giữa bề mặt ngoài của răng bên và đá, đồng thời có lợi cho việc tự mài của răng bên và cải thiện khả năng chống mài mòn xuyên tâm của mũi khoan. Răng giữa cao hơn một chút so với răng bên để tạo điều kiện định tâm và mở ra các bề mặt tự do bên cho răng bên để cải thiện hiệu quả phá đá. Đối với đá mềm có độ mài mòn xuyên tâm thấp, góc nghiêng nên nhỏ.
(3) Chọn đúng khe hở hàn và sự giao thoa của răng cố định để tăng lực cố định của răng cột. Khi sự giao thoa nhỏ, lực siết chặt sẽ giảm. Khi sự giao thoa lớn hơn một chút, các vết xước sẽ xuất hiện ở lỗ răng. Nếu răng tiếp tục mở rộng, nó sẽ không bị ép vào. Khi quá lớn, răng dễ bị gãy và đôi khi thân khoan sẽ bị phồng lên và gãy. Nếu độ nhám bề mặt của lỗ răng tăng lên, hệ số ma sát được tăng lên để tăng lực siết chặt, đây là một biện pháp khả thi. Sử dụng một lồng nhựa (vật liệu đồng H62Y thường dùng) làm trung gian, lồng và lỗ được ghép nối tạm thời và các răng được ghép nối giao thoa. Khi các răng được ép lạnh, lồng được ép vào nhau dưới tác động của lực cố định răng và lồng bị biến dạng dẻo và bề mặt thô của răng lỗ được nêm vào nhau, do đó làm tăng lực liên kết (ma sát tĩnh) giữa các răng lỗ và đạt được một răng cố định chắc chắn.
(4) Răng bên được chọn từ hợp kim cacbua xi măng có độ bền cao và được xử lý đẳng tĩnh nóng để ngăn ngừa hiệu quả răng bị gãy. Việc gia cố thân thép của mũi khoan làm tăng khả năng chống mài mòn của thân thép.
(5) Bố trí răng hợp lý, tăng số lượng răng bên nhiều nhất có thể, cải thiện hệ thống xả bột, giữ lại lỗ nước phía trước và hệ thống xả bột ba rãnh hai lỗ có khoảng cách lớn, hiệu suất xả bột cao, giảm việc nghiền bột đá nhiều lần, giảm tiêu thụ năng lượng và kéo dài tuổi thọ của mũi khoan.
Thanh khoan đá lỗ nông sử dụng thép rỗng lục giác B19, B22, B25, chiếm khoảng 80~85% lượng thép rỗng sử dụng; thanh khoan đá lỗ sâu sử dụng thép rỗng tròn hoặc lục giác D32, D38, B25, B32, chiếm 15~20%. Thanh khoan lục giác có độ cứng tốt, khe hở xả bột lớn và dễ cán.
Cải thiện cấu trúc của thanh khoan, chẳng hạn như thanh khoan ren toàn phần do Công ty Ingersoll Rand tại Hoa Kỳ đề xuất, được xử lý bằng phương pháp cán tạo hình, xử lý làm cứng bề mặt, cải thiện độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn, góc xoắn lớn, tự khóa tốt và tháo lắp dễ dàng. Khi đầu nối bị mòn, có thể cắt bỏ và vát mép và tái sử dụng, giúp tăng tuổi thọ sử dụng lên 3~4 lần. Thanh khoan SPEEDROD của Công ty Samdvik tại Thụy Điển sử dụng thanh truyền có ren, hủy bỏ ống lót thanh truyền, loại bỏ khe hở của bề mặt mối nối, cải thiện đáng kể sự liên kết và độ cứng của mối nối, duy trì tính tuyến tính của lỗ khoan và tiết kiệm năng lượng.
Cải thiện chất lượng hình thức và chất lượng bao bì của dụng cụ khoan, thiết kế hình dạng hình thức và cấu trúc bao bì tốt, có thể bảo vệ dụng cụ khoan hiệu quả, làm đẹp dụng cụ khoan và kéo dài tuổi thọ của dụng cụ khoan.
2. Chọn vật liệu chất lượng cao
Việc lựa chọn vật liệu dụng cụ khoan phải xem xét đến độ bền và khả năng chống mài mòn, độ cứng và khả năng chống mài mòn tốt, độ bền mỏi đủ cao, độ nhạy khía mỏi thấp, khả năng kẹp tấm hợp kim cao và khả năng chống ăn mòn nhất định. Hiệu suất quy trình tốt, dễ cắt, khả năng tôi và khả năng tôi tốt, khả năng hàn tốt. Phù hợp với điều kiện quốc gia, giá thành thấp và cố gắng sử dụng ít Ni và Cr hơn. Kết quả của phương pháp lựa chọn thép dụng cụ khoan dựa trên toán học mờ được khuyến nghị như sau:
(1) Thép 24SiMnNi²CrMo là loại thép mới bắt chước thép FF710 của Thụy Điển và có các tính chất cơ học thông thường, tính chất gãy và đánh giá toàn diện tốt nhất. Tuổi thọ trung bình của mũi khoan cột chín răng ∅50 sản xuất trong nước trong Dự án Đường bộ là 715,2m/chiếc và tuổi thọ tối đa là 901,4m/chiếc, gần với tuổi thọ của mũi khoan cột ∅48 của Thụy Điển trong dự án là 760m/chiếc. Đây cũng là vật liệu thanh khoan tốt. Tuổi thọ trung bình của xe đẩy thủy lực của máy khoan đá thủy lực Mercury 300 trong Mỏ sắt là 152,4m/chiếc và tuổi thọ của đuôi khoan là 609m/chiếc, cao hơn 76% so với tuổi thọ đuôi khoan 23CrNi³Mo của Pháp là 345m/chiếc;
(2) Chiều dài tích lũy trung bình của thanh khoan làm bằng thép 40SiMnMoV là 1225,4m, gần với mức nước ngoài;
(3) Tuổi thọ của cần khoan nhỏ làm bằng 55SiMnMo gần bằng mức 250m của cần khoan nhỏ 95CrMo của Thụy Điển;
(4) Tuổi thọ trung bình của thanh khoan làm bằng 35SiMnMoV có thể đạt tới 300m/cái. Thép trên được xử lý nhiệt bằng cách làm nguội, ram, ủ, thường hóa, v.v. để tạo thành thép bainit có độ bền mỏi và độ dẻo dai cao.
Đối với các chi tiết cố định hàn cảm ứng và các mũi khoan có răng cố định cỡ nhỏ và vừa, vật liệu thân mũi khoan là 40MnMoV. Tuổi thọ của mũi khoan ren sóng răng chéo và răng cột ∅50 được sản xuất gần bằng tuổi thọ của mũi khoan Thụy Điển. Đối với mũi khoan răng cột có răng nhúng nóng, thép 45NiCrMoV được ưu tiên.
Việc lựa chọn vật liệu carbide xi măng phải phù hợp với các tính chất cơ học của đá và loại máy khoan đá. Thông thường, carbide xi măng có hàm lượng coban cao như YJo và YG13C được sử dụng cho các loại đá cực kỳ cứng và máy khoan đá có lực va đập lớn; YJ¹, YK25 và YG11C chủ yếu được sử dụng cho các loại đá cứng; YG8C và YJ² được sử dụng cho các loại đá quặng có độ cứng trung bình; và YJ³ và YG6 được sử dụng cho các loại đá mềm. Hệ số giãn nở tuyến tính của pha coban trong carbide xi măng gấp khoảng 3 lần so với carbide vonfram. Ứng suất bên trong sinh ra trong quá trình nung nóng và làm nguội nhanh sẽ khiến cùng một giao diện bị nứt. Do đó, bất kể trong quá trình sản xuất, hàn và mài, cần tránh nung nóng và làm nguội đột ngột carbide xi măng.
Hàn bạc được sử dụng rộng rãi trong hàn mũi khoan nước ngoài. Nó có điểm nóng chảy thấp, ít ảnh hưởng đến hiệu suất của thân thép và cacbua xi măng, cường độ hàn cao và ứng suất hàn thấp. Nước tôi nên tiến hành nghiên cứu và phát triển để đáp ứng nhu cầu mở rộng thị trường thương mại nước ngoài. Hiện nay, các loại hàn gốc đồng như 105, 801 và SB-1 chủ yếu được sử dụng dựa trên hiệu quả khoan đá và tuổi thọ sử dụng.
