礦用牙輪鉆頭軸承系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

明偉方

武鋼中冶工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司，中國·湖北 武漢 430083

礦用三牙輪鉆頭；軸承系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 引言

礦用三牙輪鉆頭是露天礦山鑿巖穿孔的主要工具，廣泛應(yīng)用于鐵礦、銅礦、煤礦等各類露天礦山的開采，主要由牙爪、牙輪及其它多種小零件組成，大體可分為軸承系統(tǒng)、破碎系統(tǒng)及排蹅冷卻系統(tǒng)。其工作原理是牙輪鉆頭與鉆機(jī)上的鉆桿連接，隨同鉆桿旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)與巖體接觸的牙輪滾動(dòng)。牙輪繞牙爪軸線自轉(zhuǎn)，同時(shí)繞鉆頭中心公轉(zhuǎn)。牙輪外錐體上的硬質(zhì)合金齒，依靠鉆機(jī)的鉆壓及牙輪旋轉(zhuǎn)附加沖擊載荷，以壓碎、沖擊、剪切和刮削等不同形式吃入并破碎巖石，整個(gè)鉆頭在旋轉(zhuǎn)過程中不斷向下推進(jìn)。

牙輪鉆頭軸承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其徑向結(jié)構(gòu)一般由大滾柱-滾珠-小滾柱三列軸承構(gòu)成，承受徑向力；其軸向結(jié)構(gòu)由一、二止推等兩道止推面構(gòu)成，承受軸向力。礦用牙輪鉆頭在較惡劣的條件下工作，軸承受力狀況較為復(fù)雜。因此，優(yōu)化軸承結(jié)構(gòu)，合理分配軸承各部分的載荷，改善軸承受力狀態(tài)十分關(guān)鍵。從國際上礦山反映的大量失效鉆頭的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，80%的失效形式表現(xiàn)為軸承系統(tǒng)的早期失效。軸承系統(tǒng)常見的損壞類型有：（1）軸頸的疲勞剝落與磨損導(dǎo)致滾柱軸承失落和牙輪卡軸；（2）滾柱歪斜或橫置，引起軸承卡死；（3）滾珠磨損與碎裂引起軸承損壞。

因此要提高鉆頭的使用壽命，首要的是提高其軸承系統(tǒng)的工作壽命，其關(guān)鍵在于合理地確定軸承系統(tǒng)及其相關(guān)部分的結(jié)構(gòu)和尺寸，提高牙輪鉆頭的設(shè)計(jì)質(zhì)量。論文正是從結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)角度，探討了提高牙輪鉆頭軸承系統(tǒng)工作壽命的三種新方案。

2 新型密封結(jié)構(gòu)

2.1 傳統(tǒng)非密封結(jié)構(gòu)的礦用牙輪鉆頭

礦用牙輪鉆頭采用壓氣排蹅，傳統(tǒng)的非密封結(jié)構(gòu)鉆頭軸承無法保存潤滑油脂，以達(dá)到良好的潤滑，工作條件較為惡劣，軸承易于摩擦發(fā)熱。因此，采用壓風(fēng)冷卻吹洗軸承是傳統(tǒng)礦用牙輪鉆頭的重要特點(diǎn)。鉆機(jī)工作過程中，壓風(fēng)通過鉆桿輸入內(nèi)腔，其中70%左右的壓風(fēng)由牙爪側(cè)邊三個(gè)可更換的噴嘴吹至孔底，將巖蹅由孔壁與鉆桿之間的環(huán)形空間排至地表。30%左右的壓風(fēng)則通過鉆頭牙爪主通風(fēng)引入軸承系統(tǒng)，牙風(fēng)再通過牙爪軸頸上的各風(fēng)道、風(fēng)溝，逸散熱量，冷卻軸承。當(dāng)排蹅風(fēng)量不足時(shí)，巖蹅?cè)菀走M(jìn)入軸承，極大加速滾柱及其跑道和軸頸的磨損，軸承的徑向間隙顯著增大，引起滾柱打橫卡住牙輪。

良好的潤滑是軸承正常工作的關(guān)鍵。從一定意義上說，改善了潤滑條件就意味著提高了軸承系統(tǒng)的壽命。非密封結(jié)構(gòu)鉆頭由于受潤滑條件的制約，其壽命自然大打折扣。

圖1 傳統(tǒng)非密封結(jié)構(gòu)

圖2 新型密封結(jié)構(gòu)

2.2 新型密封結(jié)構(gòu)礦用牙輪鉆頭

新型密封結(jié)構(gòu)礦用牙輪鉆頭采用耐高溫、綜合性能好的氰化丁晴O 型圈密封。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，得出壓縮比13-17%比較好，既有足夠的磨損補(bǔ)償余量，也不會(huì)因摩擦阻力過大而加快磨損。密封圈與軸頸松套，密封圈在自由狀態(tài)下，內(nèi)環(huán)與牙爪軸頸之間保留0.40-0.60 毫米的合理間隙，以防止其處于拉伸狀態(tài)，產(chǎn)生橡膠元件熱縮冷脹的“焦耳效應(yīng)”，影響密封效果。牙爪主通風(fēng)管中存儲(chǔ)一定的潤滑脂，鉆頭工作時(shí)，由于鉆頭的基體溫度升高，潤滑脂會(huì)溶解，并通過與主通風(fēng)孔相通的毛細(xì)孔緩慢流入軸承系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對軸承系統(tǒng)的連續(xù)潤滑。

2.3 新型密封結(jié)構(gòu)礦用牙輪鉆頭的效果

傳統(tǒng)的非密封結(jié)構(gòu)礦用牙輪鉆頭軸承無法保存潤滑油脂，完全是干摩擦，軸承工作狀態(tài)很差，早期失效快。采取新型密封結(jié)構(gòu)后，前期很長一段時(shí)間，軸承系統(tǒng)都有潤滑脂潤滑，極大改善了軸承的工作狀態(tài)，大大提高了軸承的使用壽命。尤其是當(dāng)O 型密封圈失效、潤滑脂流失后，壓風(fēng)仍然能同非密封結(jié)構(gòu)的鉆頭一樣，正常通過主通風(fēng)孔進(jìn)入軸承系統(tǒng)，冷卻軸承，從而使軸承壽命繼續(xù)延長一段時(shí)間。

3 新型摩擦副結(jié)構(gòu)

3.1 傳統(tǒng)摩擦副結(jié)構(gòu)

圖3 傳統(tǒng)摩擦副結(jié)構(gòu)

提高止推軸承的工作壽命，必須對構(gòu)成止推副的軸承材料進(jìn)行合理的選擇，使其具有良好的適配性。所選的材料應(yīng)使止推軸承具有良好的減磨、耐磨、抗咬合性、摩擦順應(yīng)性和嵌入性。但沒有一種材料能全面具備這些性能。傳統(tǒng)礦用牙輪鉆頭技術(shù)中，牙輪一止推面采用硬質(zhì)合金的止推塊，耐磨性好但咬合行性差；牙輪二止推面鑲銀錳合金柱，咬合性好但抗磨性差；牙爪一、二止推面都堆焊碳化鎢、鈷鉻鎢等耐磨合金。

圖4 新型摩擦副結(jié)構(gòu)

3.2 新型摩擦副結(jié)構(gòu)

新型摩擦副結(jié)構(gòu)，在牙輪一止推面的止推塊上鑲一顆銀錳合金，在牙輪二止推面上間隔鑲銀錳合金柱和硬質(zhì)合金柱，從而使止推摩擦副既耐磨又具有良好的咬合性，極大地改善了止推軸承的工作狀況，從而提高了整個(gè)軸承系統(tǒng)壽命。

3.3 新型摩擦副結(jié)構(gòu)的效果

硬質(zhì)合金硬度高、耐磨性好，但咬合性差；銀錳合金作為一種固體潤滑劑，硬度低，耐磨性差，但咬合性特別好。本技術(shù)方案對這兩種合金取長補(bǔ)短，巧妙地同時(shí)使用在止推摩擦副中，各發(fā)揮自己的優(yōu)點(diǎn)，效果非常好。

3.4 具體實(shí)施方式

在硬質(zhì)合金止推塊上鑲一顆銀錳合金柱，起固體潤滑作用。止推塊整體固在牙輪一止推孔中，作為牙輪一止推面。牙輪二止推面上鑲固5 顆銀錳合金柱、5 顆硬質(zhì)合金柱。改進(jìn)后的牙輪一止推面、二止推面都既耐磨又有良好的咬合性。止推塊上的孔燒結(jié)時(shí)直接成型，牙輪二止推面上的孔在普通立鉆上鉆出，硬質(zhì)合金柱、銀錳合金柱均以一定的過盈量冷壓進(jìn)入孔中。

4 新型迷宮式爪背保護(hù)結(jié)構(gòu)

4.1 傳統(tǒng)爪背保護(hù)結(jié)構(gòu)

礦用牙輪鉆頭磨損的特點(diǎn)之一是爪背磨損，特別是爪尖的磨損。爪尖磨損會(huì)導(dǎo)致滾柱軸承外露，巖蹅進(jìn)入軸承，加速軸承跑道的磨損，從而引起滾柱掉出或打橫，牙輪脫落或卡死，鉆頭報(bào)廢。因此，要保護(hù)軸承系統(tǒng)，就必須保護(hù)好牙爪的爪尖部位。傳統(tǒng)的爪背保護(hù)主要有：（1）在爪尖邊緣堆焊“L”形表面硬化材料（碳化鎢）等以抗磨；（2）爪背下部鑲嵌平頂圓柱硬質(zhì)合金齒以抗磨；（3）爪尖邊緣堆焊“L”形表面硬化材料，在其上部再鑲嵌平頂圓柱硬質(zhì)合金齒，采取雙重保護(hù)措施；（4）在設(shè)計(jì)上適當(dāng)增加牙輪底徑，增大牙輪背錐面，或改變背錐幾何形狀，改善爪背工作條件，以減輕或延緩爪背的磨損。但由于受鉆頭尺寸的限制，爪尖的最薄弱處特別薄，無論是堆焊還是鑲合金齒都非常困難，從而出現(xiàn)爪尖最薄弱處卻偏偏得不到有效保護(hù)的矛盾狀況[1]。

4.2 新型迷宮式爪背保護(hù)結(jié)構(gòu)

新型迷宮式爪背保護(hù)結(jié)構(gòu)的鉆頭在牙爪“C”點(diǎn)平面處車一止口，在牙輪背錐底平面車一止口槽，牙爪的止口與牙輪的止口槽組成一個(gè)所謂的“迷宮”結(jié)構(gòu)，這樣一來，爪尖就被巧妙地嵌入到迷宮中，能得到牙輪背錐的有效保護(hù)。

牙爪的爪尖部位的保護(hù)強(qiáng)化，歸根到底就是對鉆頭軸承系統(tǒng)的保護(hù)強(qiáng)化，從而提高礦用牙輪鉆頭的整體壽命。

圖5 新型迷宮式結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

礦用牙輪鉆頭作為礦山開采中不可修復(fù)的較昂貴的易耗品，占礦山總穿孔成本很大的比重。不斷提高礦用牙輪鉆頭整體壽命，降低礦山生產(chǎn)成本，是礦山越來越急迫的要求。而提高牙輪鉆頭軸承系統(tǒng)工作壽命無疑是提高鉆頭整體壽命的關(guān)鍵。從設(shè)計(jì)的角度來講，一切的技術(shù)方法和措施，都應(yīng)該圍繞著提高鉆頭軸承系統(tǒng)壽命來進(jìn)行。隨著新材料、新工藝的不斷進(jìn)步，礦用牙輪鉆頭軸承系統(tǒng)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)也將會(huì)進(jìn)一步得到優(yōu)化、提高。