Факторы, влияющие на показатели изнашивания

 

Показатели изнашивания зависят от большого числа одновремен­но действующих факторов, к основным из которых относятся:

• вид и свойства трущихся поверхностей,

• режим трения,

• вид и свойства среды, в которой работают детали или инструменты.

Свойства поверхностей прежде всего характеризуются соотноше­нием твердостей контактирующих тел и их шероховатостью. На рис. 6.2 приведена характерная зависимость скорости изнашивания металла а_м от отношения Н_а / Н_м, где Н_а – микротвердость абразивной поверхности; Н_м - микротвер­дость металла. Из рис. 6.2 видно, что с увеличением Н_а / Н_м скорость изнашивания сначала медленно, а затем все быстрее возрастает. Наибольший рост наблюдается вблизи границы Н_а / Н_м ≈ 1. При дальней­шем росте Н_а / Н_м рост скорости изнашивания затухает. В области I (Н_а / Н_м < 1 ) изнашивание металла обусловлено усталостными процес­сами, а в области II (Н_а / Н_м > 1 ) - пластическими деформациями, царапанием и даже резанием металла выступами абразивной по­верхности.

 

Твердое тело, обладающее шероховатой поверхностью, является носителем концентраторов напряжений. Шероховатость определяет величи­ну фактического контактного давления P_к на контакте трения. Величина P_к   может превысить предел текучести р_о изнашиваемого тела уже при небольших нормальных нагрузках (усилиях прижатия тел). В этом случае произойдет абразивное изнашивание поверхности твердого тела (появление царапин). Ecли P_к < р_о   обеих поверхностей, то скорости их изнашивания будут весьма малы.

Например, корундовая абразивная шкурка имеет весьма большую шероховатость, обуслов­ленную зернами корунда с острыми кромками. Такая поверхность способна царапать закаленную сталь при сравнительно небольшой нормальной нагрузке. В то же время отполированные камни корунда являются хорошими подшипниками, например, для осей часов, вы­полненных из закаленной стали. Эти пары трения благодаря малой шероховатости корунда и малому коэффициенту трения обладают весьма высокой стойкостью, т.е. имеют очень маленькую скорость изнашивания.

Режим трения зависит от давления одной детали на поверхность другой детали или другого объекта, например, горной породы, скорос­ти относительного перемещения, характера приложения нагрузки, частоты взаимодействия и т.п. Исследования А.И.Спивака, А.Н.Попова показали, что режим трения при изучении абразивности горных пород может быть задан   удельной мощностью трения

N_уд   =  f P v_t ,                                                             (6.4) 

 

где P - давление на поверхностях трения;

v_t - скорость относитель­ного перемещения контактирующих тел;

В большинстве случаев детали машин и бурильный инструмент должны работать в заданном режиме при минимальных затратах энергии на трение о горные породы, в тоже время породоразрушающий инструмент предназначен для концентрированной реализации энергии, подведенной к забою скважины для разрушения горной породы. Энергия реализуется рабочими поверхностями вооружения долот в процессе взаимодействия с горной породой. Высокая энергоемкость разрушения горных пород обусловливает очень тяжелый режим трения породоразрушающих инструментов, высокую скорость их изнашивания и низкую долговечность.

При экспериментальном изучении абразивности пород примени­тельно к условиям бурения скважин необходимо воспроизводить или моделировать условия изнашивания в широком диапазоне изменения режима работы. Верхние границы диапазона обусловлены режимом изнашивания породоразрушающего инструмента.

Для условий циклического взаимодействия элементов вооруже­ния шарошечных долот режим работы может быть охарактеризован средней удельной мощностью N_yд, определяемой по формуле

N_уд = A₁ν/S,                                                               (6.5)

 

где А₁ - работа, совершаемая элементом вооружения долота за одно взаимодействие с породой;

v - частота взаимодействия;

S - рабочая поверхность элемента вооружения долота.

Среда характеризуется главным образом смазывающей и охлаж­дающей способностью. Детали горного оборудования и инструмента чаще всего работают в воздушной среде, в среде углеводородных жидкостей (масла, промывочные жидкости на нефтяной основе), в воде и водных растворах, а также в различных эмульсиях.

Смазывающая способность среды непосредственно влияет на удельную мощность трения, так как чем выше смазывающая способ­ность, тем ниже коэффициент трения в формуле (6.4). Охлаждающая способность среды влияет на температуру поверхностей трения, т.е. на их твердость и физико-химичес-кую активность.

 

Влияние состава, строения и свойств горных пород

                                              на их абразивность

 

В первой области изнашивания определяющими абразивность кристаллических осадочных горных пород факторами являются твердость породообразующих минералов (см. рис. 6.2) и наличие в горной породе рассеянных кремнистых материалов, представленных в виде примесей или обломков кварца и халцедона. С увеличением количества и размеров обломков этих примесей абразивность горной породы возрастает. Для обломочных горных пород наряду с содержа­нием названных твердых минералов большую роль играют размеры и окатанность обломков и твердость горных пород. Чем больше размер обломков и чем хуже они окатаны, тем выше абразивность породы. Наличие глинистого материала без примеси твердых минералов снижает абразивность горных пород.

Твердость кристаллических осадочных горных пород влияет на их абразивность неоднозначно и этим влиянием часто можно пренебречь. Абразивность же обломочных горных пород с уменьшением твердости существенно увеличивается. Это обусловлено более интенсивным разрушением породы и обновлением ее абразивной поверхности. Пористость горной породы влияет на ее шероховатость и твердость. Логично предположить, и это подтверждено экспериментально, что с увеличением пористости абразивность горной породы возрастает.

Во второй области изнашивания абразивность кристаллических горных пород наиболее существенно зависит от наличия в них приме­сей и обломков кремнистых материалов. Твердость горных пород влияет неоднозначно. Это влияние обусловлено характером разруше­ния горной породы на поверхности трения. При переходе от поверх­ностного истирания породы к ее усталостному разрушению вплоть до первого скачка хрупкого разрушения абразивность породы возрастает, что обусловлено увеличением и непрерывным восстановлением шероховатости абразивной поверхности. Однако дальнейшее увели­чение интенсивности разрушения породы ведет к уменьшению ее абразивности, так как работа трения совершается не только на границе металл - порода, а во всем объеме области разрушения горной по­роды.

На абразивность обломочных горных пород наиболее существен­ное влияние оказывают следующие факторы:

1) средний размер зерен и обломков, слагающих горную породу, d, мм;

2) содержание обломков и зерен твердых минералов (кварца, кремня, халцедона и др.) с, %;

3) абсолютная пористость породы   т, %;

4) предел текучести породы р_о, МПа.

Наиболее существенное и однозначное влияние на абразивность пород оказывает размер и содержание сла­гающих ее зерен и обломков. Влияние пористости и твердости породы неоднозначно. С увеличением пористости породы растет ее шерохо­ватость, но снижается прочность закрепления абразивных зерен. Отсюда следует и неоднозначность влияния пористости при разных режимах изнашивания. С увеличением предела текучести первой группы их абразивность несколько снижается, а абразивность пород второй группы - возрастает. Такое неоднозначное влияние обуслов­лено, по-видимому, тем, что для пород первой группы более важно обновление абразивной поверхности, а для пород второй группы прочность закрепления абразивных зерен и обломков.

 

Влияние среды на абразивное изнашивание стали

 

Среда вызывает различные химические, адсорбционные и диф­фузные эффекты на поверхностях трения и в поверхностных слоях изнашиваемых тел. Все эти эффекты приводят к образованию между поверхностями двух тел тонкой прослойки ("третьего тела"; по терми­нологии И.В. Крагельского), имеющей свойства существенно отличаю­щиеся от свойств исходных тел. Свойства "третьего тела" определяют смазочную способность сред.

          

                    Смазочная способность среды

Под смазочной способностью понимается способность среды создавать "третье тело" с низким сопротивлением сдвигу и высоким сопротивлением сжатию.

В качестве показателя относительной смазочной способности сред принимаем коэффициент трения пары металл - горная порода, опреде­ляемый по формуле (6.9). В качестве базовых для сравнения приняты коэффициенты трения сталь - горная порода при промывке водой (табл. 6.2).

Из табл. 6.2 видно, что по мере увеличения удельной мощности коэффициенты трения вначале возрастают, достигая максимального значения, а затем монотонно уменьшаются. Исследования показали, что рост коэффициента трения наблюдается при поверхностном исти­рании и в переходной области. С развитием хрупкого разрушения горных пород происходит монотонное уменьшение коэффициента трения. Этой области изнашивания соответствует и значительное термическое разупрочнение поверхности стали.

На рис. 6.4, а приведены зависимости коэффициента трения сталь - доломит от N _уд для условий высокооборотного режима работы при продувке воздухом и промывке водой, глинистым раствором и раст­вором на нефтяной основе (РНО).

При реализации малой и средней удельных мощностей смазочная способность рассматриваемых сред весьма различна. С ростом N _удпод влиянием усиливающегося теплового воздействия и шероховатости разрушаемой породы происходит все более интенсивное разрушение "третьего тела", что ведет к сближению коэффициентов трения.

Снижение коэффициента трения при бурении позволит при сохра­нении забойной мощности двигателя увеличить нагрузку на долото и тем самым повысить скорость разрушения горной породы.

 

                     Охлаждающая способность среды

Промывочные жидкости и воздух в порядке снижения охлаждающей способности располагаются в ряд: вода,глинистый раствор, РНО, воздух (Табл.3). При низких температурах охлаждае­мой поверхности вода и глинистый раствор имеют гораздо лучшую охлаждающую способность, чем РНО и тем более воздух. Следовательно, при прочих равных условиях в данных средах объемная температура инструмента будет минимальной, а скорость теплоотвода от рабочей поверхности элементов вооружения в глубь металла - максимальной. Относительная охлаждающая способность сред при темпе­ратуре выше Т_к сближается.

Таблица 3