牙輪鉆機(jī)破巖作用機(jī)理及受力分析

秦學(xué)文 劉鳳龍

（包鋼鋼聯(lián)股份有限公司巴潤(rùn)礦業(yè)分公司,內(nèi)蒙古 包頭 014080）

牙輪鉆機(jī)使用的合理工作制度，取決于適應(yīng)被穿鑿的礦巖物理機(jī)械特性，選擇穿孔參數(shù)。由大量的實(shí)際統(tǒng)計(jì)資料表明，鉆具的損壞、磨損、過(guò)早報(bào)廢等情況，除了與操作者有關(guān)外，還與鉆具的質(zhì)量有關(guān)。各礦山都將鉆具列為“大宗消耗件”，除了價(jià)格昂貴外，還會(huì)造成廢孔，效率低下，成本上升。鉆具主要由鉆桿、穩(wěn)桿器、牙輪鉆頭組成。每項(xiàng)過(guò)早損壞，都會(huì)造成其它項(xiàng)受力負(fù)載和動(dòng)作的改變，使鉆機(jī)設(shè)備振動(dòng)和負(fù)荷加大，導(dǎo)致提前損壞。因此，對(duì)礦用牙輪鉆頭的力學(xué)研究十分重要。相對(duì)于傳統(tǒng)的彈塑性強(qiáng)度理論和解析方法而言，基于有限元方法的仿真分析和研究，是礦用牙輪鉆頭研究領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。

一、礦用牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)

由于牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)的特殊性及在孔底運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，使得人們對(duì)它的研究還不是很深入，尤其對(duì)移軸牙輪鉆頭的研究時(shí)間比較短，在移軸牙輪嚙合圖的繪制、運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究方面的文獻(xiàn)還很少，而在動(dòng)力學(xué)方面的研究大都基于鉆頭為剛性體、巖石為彈性體的假設(shè)，這并不能夠真實(shí)合理的反映牙輪鉆頭與巖石之間的相互作用。

（一）牙掌

牙掌是一個(gè)形狀復(fù)雜的鍛造零件。其主要部位是各部軸承的軸頸、掌背、以及牙掌體上部與鉆桿相聯(lián)接的螺紋部分。通常爪尖是整個(gè)牙掌的薄弱部分，為了減小掌背的磨損，在掌背與孔壁之間有一30～5的夾角，并在爪尖外表面處堆焊一層硬質(zhì)合金粉，且鑲嵌一些平頭的硬質(zhì)合金柱。對(duì)于牙掌的設(shè)計(jì)比較難把握主要是因?yàn)槠淇臻g結(jié)構(gòu)關(guān)系復(fù)雜，形狀及不規(guī)則所造成的。

（二）牙輪

牙輪由牙輪體和合金柱齒兩部分組成，在牙輪外表面上鉆有若干排齒孔，并用冷壓的方法將硬質(zhì)合金柱齒壓入齒孔內(nèi)構(gòu)成了一排排的齒圈，為了各牙輪之間的嚙合及排碴的需要，在各齒圈之間車有齒槽。其中合金柱齒是鉆頭上直接與巖石作用的部分，是牙輪鉆頭破碎巖石的主要零部件，目前應(yīng)用在鉆頭上的硬質(zhì)合金柱齒按形狀可分為球形齒、錐形齒、楔形齒、鑿形齒等。

（三）軸承

軸承是牙輪鉆頭的重要部件，其作用是保證牙輪靈活的轉(zhuǎn)動(dòng)，將鉆機(jī)施加在鉆頭上的軸壓力和扭矩傳遞給牙輪，使合金柱齒能夠有效地破碎巖石。目前礦用牙輪鉆頭中最通用的是滾柱一滾珠一滑動(dòng)軸承套所組成的軸承組。滾柱軸承和滑動(dòng)軸承只承受徑向載荷，滾珠軸承主要起鎖固作用，固定牙輪和牙掌軸頸的相對(duì)位置。

二、牙輪鉆機(jī)鉆頭分析

（一）牙輪鉆機(jī)破巖作用機(jī)理

礦用牙輪鉆頭主要用于大型露天礦和大型土石工程中的穿孔作業(yè)，通過(guò)牙輪鉆機(jī)帶動(dòng)牙輪鉆頭垂直向下鑿孔。其破巖機(jī)理是：通過(guò)推壓和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)給鉆頭施加高鉆壓和扭矩，使巖石在靜壓、少量沖擊和剪切作用下破碎。當(dāng)?shù)V巖較軟時(shí)，主要通過(guò)推壓作用，鉆頭沖擊礦巖，再加以牙輪鉆頭的旋轉(zhuǎn)剪切作用，達(dá)到破碎巖石的目的；當(dāng)?shù)V巖較為堅(jiān)硬時(shí)，鉆機(jī)施加足夠大的軸壓作用在牙輪鉆頭上，將鑲嵌在牙輪上的合金齒嵌入巖土表層，同時(shí)主機(jī)鉆桿帶動(dòng)牙輪鉆頭做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在摩擦力作用下帶動(dòng)三個(gè)牙輪分別圍繞各自的牙爪軸頸作自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生強(qiáng)大的剪切力，從而使礦巖破碎。

（二）牙輪鉆頭的運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)

一般研究牙輪鉆頭運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)，會(huì)把鑲嵌有牙齒的真實(shí)牙輪簡(jiǎn)化成光面錐輪來(lái)研究。但是光面錐輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不能真實(shí)地反映牙輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，由此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來(lái)的牙輪鉆頭的動(dòng)載荷也會(huì)不太準(zhǔn)確。以單錐多齒圈牙輪為對(duì)象，從理論上推導(dǎo)了牙輪軸在鉆頭軸線方向上的加速度、著地齒的滑動(dòng)速度和牙齒對(duì)孔底的沖擊速度等全部運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)表達(dá)式，較為科學(xué)地表達(dá)了在極堅(jiān)硬礦巖條件下鉆頭的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。牙齒對(duì)孔底的沖擊速度為：

（三）牙輪鉆頭的有限元

1.鉆頭作用在軟巖上時(shí)的力學(xué)模型。當(dāng)牙輪鉆頭作用在較軟的礦巖上時(shí)，其主要破巖作用絕大部分來(lái)源于鉆桿帶動(dòng)鉆頭所進(jìn)行的推壓作用，牙輪鉆頭旋轉(zhuǎn)所帶來(lái)的剪切力僅僅只起到了加強(qiáng)破巖效果的作用，故我們忽略鉆頭旋轉(zhuǎn)的剪切力，對(duì)軸向力進(jìn)行分析.

2.牙輪鉆頭作用在硬巖上時(shí)的力學(xué)模型。當(dāng)鉆頭作用在硬巖上時(shí)，強(qiáng)大的軸壓使牙輪上的合金齒嵌入巖土表層，強(qiáng)大軸壓和旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生擠壓和剪切交變復(fù)合作用力，通過(guò)合金齒將巖石破碎，從而達(dá)到穿孔的目的。對(duì)鉆頭進(jìn)行擠壓和剪切復(fù)合受力分析，即建立鉆頭的受軸向壓縮力和扭矩剪力的雙向應(yīng)力狀態(tài)模型：

對(duì)于微元立方體內(nèi)組合應(yīng)力大小的求解，采用莫爾應(yīng)力圓的方法，如圖2所示，由軸向拉應(yīng)力σ 和剪切應(yīng)力τ，根據(jù)軸向壓應(yīng)力σ 和剪切應(yīng)力τ和以上關(guān)系可以求出其組合應(yīng)力在微元立方體內(nèi)的大小關(guān)系。

通過(guò)對(duì)牙輪鉆頭作用在軟巖和硬巖兩種不同巖性的礦巖時(shí)的碎巖機(jī)理的分析，建立相應(yīng)的力學(xué)模型，得出了相關(guān)的函數(shù)關(guān)系式，對(duì)于改進(jìn)牙輪鉆機(jī)的鉆進(jìn)效率和選擇合適的牙輪鉆頭及鉆進(jìn)方式有著積極的意義。通過(guò)建立鉆頭微元立方體，對(duì)牙輪鉆頭的受力進(jìn)行了分析，得出了鉆頭的屈服扭矩公式，為牙輪鉆機(jī)的受力提供了理論依據(jù)，有利于保證作業(yè)安全和提高鉆孔效率。