Опыт эксплуатации бурового инструмента на высокое давление сжатого воздуха производства АО «Машиностроительный холдинг»

В.В. Люханов, директор АО «Машиностроительный Холдинг»

С.Б. Алферов, директор по продажам АО «Машиностроительный Холдинг»

За плечами специалистов АО «Машиностроительный холдинг» (АО «МХ») двенадцатилетний опыт эксплуатации пневмоударного бурового инструмента на различных горнодобывающих предприятиях с весьма разнообразными горно-геологическими и технологическими условиями. Благодаря накопленному опыту буровой инструмент АО «МХ» постоянно совершенствуется и обладает высокой степенью надежности и производительности. Мы надеемся, что данная статья будет полезна техническим специалистам горнодобывающих предприятий, так как срок службы бурового инструмента зависит не только от качества выпускаемой продукции АО «МХ», но и от качества эксплуатации бурового оборудования и бурового инструмента.

Бурение пневмоударным инструментом на высокое давление сжатого воздуха является сложным процессом передачи энергии путем соударения бойка пневмоударника с буровой коронкой при значительной скорости перемещения бойка и высокой частоте ударов по хвостовику коронки (1100–2500 ударов/мин.).

При этом буровой став под воздействием вращателя и податчика бурового станка совершает вращение и осевое давление на буровой инструмент в регламентированных диапазонах. Разрушенная порода удаляется из скважины отработанным воздушным потоком. При каждом ударе в деталях пневмоударника и в буровой коронке возникают упругие волны деформаций сжатия и растяжения.

Основной причиной преждевременного выхода из строя тяжелонагруженных деталей пневмоударников и буровых коронок является нарушение правил эксплуатации и обслуживания. В данной статье мы хотим заострить внимание технических специалистов горнодобывающих предприятий на особенностях эксплуатации и основных причинах выхода из строя пневмоударного бурового инструмента, для того чтобы в процессе буровых работ было как можно меньше непредвиденных и аварийных ситуаций.

Рис. 1 Хорошо отработавший боёк и сломанный боёк пневмоударника DMR4 DHD340A с прижогами из за отсутствия смазки

Рис. 1 Хорошо отработавший боёк и сломанный боёк пневмоударника DMR4 DHD340A с прижогами из за отсутствия смазки

Рис. 1 Хорошо отработавший боёк и сломанный боёк пневмоударника DMR4 DHD340A с прижогами из за отсутствия смазки

Одним из первых опытных образцов инструмента на высокое давление сжатого воздуха стал пневмоударник DMR4DHD340A, испытания которого пришлись на зимний период. В результате первого запуска пневмоударника был совершен целый ряд нарушений, которые привели к поломке бойка (рис.1, 2).

Рис. 2 Поломка тяжелонагруженных деталей пневмоударников из за нарушения системы подачи масла

Рис. 2 Поломка тяжелонагруженных деталей пневмоударников из за нарушения системы подачи масла

Рис. 2 Поломка тяжелонагруженных деталей пневмоударников из за нарушения системы подачи масла

На поверхности ударника (рис. 1, 2) невооруженным глазом хорошо видны следы прижогов, свидетельствующие о сильном нагреве поверхностного слоя при трении деталей в условиях повышенных скоростей и нагрузок. Основной причиной появления такого прижога является недостаточность или полное отсутствие смазки. Проанализировав данную ситуацию совместно с машинистами буровых установок, мы выявили, что при установке нового пневмоударника также была заменена старая буровая штанга на новую, которую предварительно не продули со смазкой. В результате чего в процессе бурения смазочное (пневматическое) масло достаточно продолжительный период не попадало в пневмоударник, так как в первую очередь масло равномерно распределяется по всей буровой штанге в виде так называемого «стенового потока». Характерные поломки данного вида часто встречаются при нарушении системы подачи смазки, которые не так-то просто обнаружить.

Также данную ситуацию усугубил еще один фактор – начало бурения холодным пневмоударником. В условиях холодного климата необходимо производить продувку, которая предварительно прогревает пневмоударник, тем самым расширив зазор между деталями.

Следующим фактором по количеству встречаемых поломок является неправильное размещение зажимного приспособления для замены буровых коронок на цилиндре пневмоударника. В последнее время всё чаще встречаются буровые станки, оснащенные гидравлическим ключом, достаточно большое усилие которого при неправильном размещении приводит к смятию цилиндра пневмоударника. Данная ситуация усугубляется при значительном износе наружного диаметра пневмоударника. Смятие цилиндра сопровождается потерей внутреннего диаметра с последующим подклиниванием и поломкой бойка пневмоударника. Чтобы избежать повреждения цилиндров при зажиме гидравлическим ключом, необходимо строго соблюдать рекомендации производителя по разборке пневмоударников, которые заключаются в правильном размещении зажима под различные типы ключей на цилиндре (рис. 3), размеры которых (А, В, С и D) прописаны в руководстве по эксплуатации и обслуживанию и поставляются с каждым типом пневмоударников.

Рис. 3 Места зажима погружных пневмоударников для развинчивания резьбовых соединений

Рис. 3 Места зажима погружных пневмоударников для развинчивания резьбовых соединений

На многих горнодобывающих предприятиях замена коронки осуществляется без гидравлических ключей ручным способом, с помощью кувалды. Чтобы ослабить затяжку резьбы данным способом, очень важным моментом является недопущение удара по цилиндру, а только строго по поводковому патрону. В результате несоблюдения данного указания происходит поломка цилиндра, а именно появление трещины в местах вмятин от удара или между ними, особенно если пневмоударник уже изношен (рис. 4).

Рис. 4 Трещина на цилиндре пневмоударника DML6,5 QL60 из за неправильного откручивания поводкового патрона

Рис. 4 Трещина на цилиндре пневмоударника DML6,5 QL60 из за неправильного откручивания поводкового патрона

Для облегчения любого метода открутки кувалдой или гидравлическим ключом необходимо вначале уменьшить силы трения в витках резьбы. Для этого необходимо обстучать пневмоударник без вращения по специально подготовленной поверхности (деревянная доска) либо по скальной породе.

Резьбовые соединения в буровом инструменте должны осуществлять не только легкую открутку/закрутку соединяемых звеньев (адаптер, штанга, переходник, пневмоударник), но и обладать достаточно хорошей надежностью, ведь профиль резьбы в процессе бурения постоянно воспринимает изгибающие и ударные нагрузки. Специалисты АО «МХ» предъявляют к резьбовым соединениям самые высокие требования по качеству изготовления, но на практике в силу тяжелых условий бурения и неправильной эксплуатации возможен выход деталей по резьбовой части.

Так, например, при эксплуатации 6 дюймового пневмоударника DML6,5-QL60 на некоторых карьерах у буровых станков серии DM45 отсутствуют кронштейны для фиксации мачты.

Рис. 5 Поломка адаптера из за неправильной эксплуатации

Рис. 5 Поломка адаптера из за неправильной эксплуатации

Рис. 5 Поломка адаптера из за неправильной эксплуатации

В результате при бурении наклонных скважин в неблагоприятных условиях (разруха, трещиноватость) мачта станка отклоняется от заданной оси скважины, что приводит к поломке адаптера (рис. 5). Даже небольшое отклонение мачты станка, которое не воспринимается человеческим глазом, приводит к увеличению изгибающих моментов става в десятки раз. Поломка адаптера в данном случае является частным случаем, так как при больших изгибающих усилиях неизвестно, какая из деталей става первая выйдет из строя. Особенно опасным моментом в данной ситуации является возможность потери бурового инструмента в скважине.

При эксплуатации пневмоударного бурового инструмента на различных рудниках очень часто встречаются ситуации по нарушению режимов бурения и, как следствие, постоянные поломки бурового инструмента и непредвиденные аварийные ситуации. В основном нарушения связаны с завышением усилия подачи и оборотов бурового става, которые приводят к сильным изгибающим напряжениям и сопровождаются повышенной вибрацией мачты, при этом повреждаются не только буровой инструмент, но и вращатель и механизм подачи бурового станка.

Основными причинами завышения режимов бурения является то, что машинисты буровых станков проработали много лет на установках шарошечного типа бурения и в силу привычки не могут приспособиться к иному методу бурения. Некоторые машинисты осознанно нарушают правила эксплуатации для увеличения механической скорости бурения в ущерб стойкости инструмента.

Весьма распространённым фактором преждевременного выхода из строя бурового инструмента является несоответствие смазки условиям эксплуатации. На некоторых рудниках встречаются случаи использования для смазки бурового инструмента гидравлического или, и того хуже, отработанного масла.

Особым эксплуатационным условием пневмоударного бурения является подача сжатого воздуха от компрессора, который забирает воздух из атмосферы. Атмосферный воздух обладает определённой влажностью, которая в компрессоре преобразуется в водяной пар. Решающее влияние на влагосодержание атмосферного воздуха оказывают температура и давление окружающей среды. Чем выше температура воздуха, тем большее количество влаги может содержаться в единичном объеме воздуха. Однако повышение давления воздуха, то есть его сжатие, приводит к снижению способности растворять в себе водяной пар, а присутствие воды в системе увеличивает износ деталей и приводит к образованию коррозии.

Отличительной чертой пневматического масла от всех других видов масел является то, что в его состав входят противозадирные, антикоррозийные и адгезионные добавки, обеспечивающие прочную смазывающую пленку, устойчивую к появлению высоких температур. Масляная пленка предотвращает образование коррозии на металлических деталях, снижает износ трущихся поверхностей, а также связывает и отводит частицы влаги, загрязнения и продукты износа с рабочих поверхностей пневмоударника.

Основными параметрами выбора марки пневматического масла являются кинематическая вязкость и температура окружающей среды. Рекомендации по соотношению данных параметров указаны в таблице. Экономическая ситуация в России заставляет горнодобывающие предприятия приспосабливаться к новым условиям – к условиям жесткой экономии. Так, например, горнодобывающие предприятия вынуждены искать новые пути сокращения затрат, которые порой являются неоправданными.

Рекомендации по соотношению кинематической вязкости и температуры окружающей среды

Одним из таких примеров является, когда диаметр буровой коронки не соответствует характеристикам пневмоударника, а подходящий инструмент стоит намного дороже. В силу спроса импортные производители и их дилеры предоставляют данные коронки, но не предоставляют гарантии от преждевременного выхода из строя бурового инструмента.

Рис. 6 Скол сектора головной части буровой коронки из за несоответствия типоразмера применяемого пневмоударника

Рис. 6 Скол сектора головной части буровой коронки из за несоответствия типоразмера применяемого пневмоударника

Рис. 6 Скол сектора головной части буровой коронки из за несоответствия типоразмера применяемого пневмоударника

На некоторых рудниках применяют буровые коронки диаметром 203 мм совместно с шестидюймовыми пневмоударниками. Такое сочетание диаметра коронки и пневмоударника является крайне нежелательным, так как с повышением диаметра коронок возрастают и ударные нагрузки, приводящие к таким поломкам как скол сектора головной части (рис. 6) или лопнувший цилиндр пневмоударника (рис. 7). В результате для бурения скважин 203 мм наиболее подходящими являются восьмидюймовые пневмоударники, такие как DML8-QL80 с буровыми коронками КНШ-203 QL80 компании АО «МХ».

Рис. 7 Лопнувший цилиндр шестидюймового пневмоударника в результате применения буровой коронки с повышенным диаметром

Рис. 7 Лопнувший цилиндр шестидюймового пневмоударника в результате применения буровой коронки с повышенным диаметром

Одним из основных путей сокращения затрат является повышение эксплуатационной стойкости и предотвращение преждевременного выхода из строя инструмента. Так, например, основной причиной выхода из строя погружных пневмоударников является повышенный абразивный износ наружных поверхностей поводкового патрона и нижней части цилиндра (рис. 8).

Рис. 8 Повышенный абразивный износ наружных поверхностей бурового инструмента

Рис. 8 Повышенный абразивный износ наружных поверхностей бурового инструмента

Рациональными решениями для повышения длительности работы деталей в данном случае являются:

1. Применение при эксплуатации пневмоударников двух поводковых патронов, которые необходимо чередовать в зависимости от износа. Например: первый поводковый патрон отрабатывает 2000 м, дальше производится при смене буровой коронки замена поводкового патрона на новый, который отрабатывает до истирания пропорционально цилиндру, затем снова устанавливается первый поводковый патрон. Данная процедура увеличивает ресурс цилиндра за счет перераспределения абразивного потока, тем самым как бы прикрывая на цилиндре зону с наибольшим износом (рис. 9).

Рис. 9 Увеличение ресурса цилиндра за счет применения поводкового патрона с большим наружным диаметром

Рис. 9 Увеличение ресурса цилиндра за счет применения поводкового патрона с большим наружным диаметром

Рис. 10 Образование вертикальных каналов, смежных с продувочными пазами буровой коронки

Рис. 10 Образование вертикальных каналов, смежных с продувочными пазами буровой коронки

2. На поводковых патронах в процессе бурения образуются вертикальные каналы, смежные с продувочными пазами буровой коронки (рис. 10). При замене буровой коронки необходимо менять ориентацию поводкового патрона относительно продувочных пазов, чтобы увеличить ресурс самого патрона (рис. 11). Смещение продувочных пазов осуществляется за счет применения на поводковых патронах многозаходной резьбы.

Рис. 11 Смещение продувочных пазов для увеличения ресурса

Рис. 11 Смещение продувочных пазов для увеличения ресурса

3. Пневмоударники типа DMS и DML производства АО «МХ» обладают дополнительным конструкторским решением в области увеличения эксплуатационного ресурса, а именно симметричным (реверсивным) цилиндром, что в свою очередь позволяет за счет переворота увеличить срок службы цилиндра на 20–40 %. Переворачивать цилиндр необходимо до достижения предельного значения износа, которое указано в руководстве по эксплуатации и обслуживанию данных пневмоударников.

Горно-геологические условия на различных рудниках весьма разнообразны, очень часто встречаются породы, при бурении которых объема сжатого воздуха, подаваемого с компрессора, не хватает для интенсивной очистки скважины. Например, присутствие воды с некоторыми минералами делает породу очень вязкой и прочной. В связи с этим АО «МХ» использует в конструкциях погружных пневмоударников возможность настройки дополнительной продувки путем замены пробки на дроссель. Правильный выбор необходимого дополнительного продувочного воздуха регламентируется размером дросселя и давлением сжатого воздуха в сети. Данная зависимость прописана в руководстве по эксплуатации и обслуживанию на каждый тип погружного пневмоударника производства АО «МХ».

Учитывая разнообразные эксплуатационные условия горнодобывающих предприятий, компания АО «МХ» постоянно совершенствует как конструктивные решения, так и различные практические подходы по вопросам обеспечения долговечности бурового инструмента.

Ключевые слова: буровой инструмент, высокое давление сжатого воздуха, погружной пневмоударник, опыт эксплуатации, рудники.

Журнал "Горная Промышленность"№1 (131) 2017, стр.54