Абразивность горных пород

В горном деле под абразивностью горных пород понимают их способность изнашивать металлы при трении. Изнашивание - процесс преимущественно механический (усталостные явления на поверхностях трения, их деформирование, царапание, резание), а поэтому показатели абразивности горных пород рассматриваются как показатели их механических свойств.

Под изнашиванием понимается постепенное изменение формы и размеров детали или инструмента в процессе работы. Результат изнашивания, проявляющийся в виде отделения частиц твердого тела или остаточной деформации его поверхности, называется износом.

В технике используются, в основном, два показателя изнашивания:

1) интенсивность изнашивания - износ, приходящийся на единицу работы трения; 2) скорость изнашивания - износ в единицу времени.

а = W/t_o , (1.8)

где а - скорость изнашивания; W - износ в любых единицах, например, в мг, мм, мм³ и т.д.; t_o - время изнашивания твердого тела.

Факторы, влияющие на изнашивание.Вид и показатели изнашивания зависят от большого числа факторов, к основным из которых относятся: свойства трущихся поверхностей (шероховатость, соотношение твердостей), режим трения, вид и свойства среды, в которой работают детали или инструменты.

Режим трения характеризуется контактным давлением, скоростью относительного перемещения изнашиваемых поверхностей, характером приложения нагрузки, частотой взаимодействия и др. Первые две характеристики режима могут быть заданы обобщенным показателем - удельной мощностью трения N_уд:

N_уд = fpv_t , (1.9)

где р - давление на поверхностях трения; f - коэффициент трения; v_t - скорость относительного перемещения изнашиваемых поверхностей.

Среда характеризуется, главным образом, смазывающей и охлаждающей способностями. Детали горного оборудования и инструмента чаще всего работают в воздушной среде, в воде и водных растворах, в среде углеводородных жидкостей (масла, буровые растворы на нефтяной основе), а также в различных эмульсиях. От смазывающей способности зависит величина N_уд, т.к. чем лучше смазывающая способность среды, тем ниже коэффициент трения. Вся работа трения, в конечном счете, переходит в тепло, вызывая нагрев рабочих поверхностей и изменяя их свойства. Чем лучше охлаждающая способность среды, тем меньше нагрев рабочих поверхностей. Наилучшей охлаждающей способностью обладают вода и водные растворы.

Области изнашивания закаленной стали.Рабочие элементы деталей горного оборудования и инструментов выполняются чаще всего из инструментальных или цементируемых сталей, которые подвергаются соответствующей термической или химико-термической обработке. Нередко применяют упрочнение рабочих поверхностей твердым сплавом или выполняют рабочие элементы из твердого сплава.

Рассмотрим основные закономерности изнашивания металлов на примере закаленных цементируемых сталей, используемых для изготовления шарошек буровых долот. Изучение проведено по схеме изнашивания вращающегося диска применительно к условиям работы бурильного и шарошечного породоразрушающего инструментов, для которых характерен периодический контакт с горной породой. Схема изнашивания приведена на рис.1.4,а. Образец из испытываемого металла в виде диска 1 прижат к горной породе 2 силой Р и изнашивается при заданной частоте вращения за счет трения скольжения о горную породу.

а б

Рис. 1.4. Схема изнашивания вращающегося диска (а) и зависимости

скорости изнашивания стали от удельной мощности трения (б):

1 – диск; 2 – горная порода; 3 – подвод охлаждения; 4 – вид зависимости

для обломочных пород; 5 – вид зависимости для кристаллических пород

Испытания проводятся с промывкой или продувкой 3. В случае определения показателей абразивности горных пород диск охлаждается водой, а при изучении влияния среды на износ - соответствующим охлаждающим агентом. Изнашивание ведется при равномерной подаче горной породы со скоростью v_п и при непрерывной записи момента трения. В качестве показателя принята скорость изнашивания металла

а = dR/dt,

где R - радиус диска, т.е. а - скорость уменьшения радиуса диска, а в качестве параметра режима работы - удельная мощность трения N_уд:

N_уд = , (1.10)

где М - момент трения; n - частота вращения диска, об/с; b - ширина рабочей поверхности диска.

По результатам испытаний строятся зависимости а от N_уд, характерный вид которых приведен на рис. 1.4,б.

В изученном диапазоне изменения удельной мощности трения до

8 Вт/мм² выделены три области изнашивания стали по существенному изменению характера зависимости а от N_уд.

В первой области изнашивания ( N_уд < 0,4 Вт/мм²) скорость линейно зависит от удельной мощности трения, т.е.

а = А₀ N_уд , (1.11)

где А₀ - экспериментальный параметр уравнения изнашивания (1.11). Эта область характерна для нормальных (неаварийных) условий работы деталей горного оборудования и бурильного инструмента.

Вторая область изнашивания (от N_уд1 до N_уд2)обусловлена началом уменьшения твердости стали под действием тепла трения (термическим разупрочнением стали). Поэтому эту область изнашивания нередко называют тепловой. Переход от первой области ко второй для обломочных горных пород характеризуется скачком скорости изнашивания, а зависимость а от N_уд принимает вид

а = А N_уд + В, (1.12)

где А и В - экспериментальные параметры уравнения изнашивания, зависящие от абразивности горной породы.

В случае кристаллических осадочных горных пород при переходе из первой области изнашивания во вторую нарушается линейность зависимости а от N_уд, которая принимает вид

а = АN_уд^k , (1.13)

где А и k - экспериментальные параметры, также зависящие от абразивности породы.

Вторая область изнашивания характерна для работы элементов вооружения породоразрушающих инструментов, т.к. забойная мощность, ограниченная первой областью изнашивания, не обеспечивает приемлемую скорость разрушения горной породы. Ширина второй области зависит от твердости горной породы. Чем тверже порода, тем уже вторая область.

Третья область изнашивания (на рис. 2.4,б при N_уд > N_уд2) наблюдается только при разрушении наиболее твердых пород. Под действием тепла трения разупрочнение поверхности металла приводит к такому снижению сопротивления металла сдвигу, что оно становится меньше сопротивления сдвигу горной породы, и изнашивание металла приобретает катастрофический характер, а скорость изнашивания резко возрастает. Эта область изнашивания возникает при нарушении режима смазывания и охлаждения, и нередко ее называют областью катастрофического изнашивания, так как в этом случае детали или инструменты весьма быстро выходят из строя.

Скорость изнашивания твердого сплава при разрушении горных пород в 60…100 раз меньше, чем скорость изнашивания закаленной стали, и прямо пропорциональна удельной мощности трения. Однако при N_уд > 4 Вт/мм² наблюдается резкое увеличение скорости изнашивания твердого сплава, связанное с выкрашиванием, а далее и с хрупким его разрушением. Следовательно, твердый сплав, как и закаленная сталь, не может надежно работать при больших удельных мощностях трения, соответствующих третьей области изнашивания стали.