钎头的接头形式及其对能量传递效率的影响

1、钎头的接头形式及其对能量传递效率的影响钟勇，邢军，宋守志(东北大学 长源与土木匸程学院辽宁 沈阳110004)摘耍：在忏头的破岩规律研究的基础上，运用波动力学理论分析了不同接头形 式钎头的结构特点、能屋传递机制及英淆岩能呈分布规律创新提出了螺旋副连接 钎头。螺旋厠连接钎头可仃效匹配钎头单位刃长所获紂的凿岩能a分布与所需耍 的破岩能就分布，能斌传递效率奇"丁业考核证实：与传统接头形式的钎头相比.螺 旋副连接钎头凿岩速度可提髙28.5%42.4%。关惟诃：钎头；连接形式；能虽分布；能呈传递中图分类号:TD421.2'5文献标识码：A© 1994-2010 China A

2、cademic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 基金项目：国家科技部“十五”科技攻关课fi(2001BA609A-10)作者简介：钟 勇(1974-)，男.四川内江人博I:研究生，主耍从韦凿岩钎具方面的研究。26凿岩机械气动工J1,2005(4)在冲击凿入系统中，钎头的一端通过 接头与钎杆连接,获得凿岩机冲击能 端在炮孔中与岩石相碰撞

3、，冲击凿入岩石。 在帶岩过程中，一部分冲击能以应力波的 形式向岩石传递，用J：岩石的破碎；另一部 分冲击能以应力波的形式向钎尾端反射， 消耗钎血中，导致钎几疲劳破坏。有研究 衷明，冲击凿入系统的能届传递效率不仅 取决丁凿岩机貝本身的性能、钎杆对冲击 能的传递特性及被蒂岩石破碎特性，还与 钎头对冲击能的传递特性令很大关系因 此，研究钎头的结构特点、能斎:传递机制及 其凿岩能彊分布规律，对提高冲击凿入系 统的能51传递效率具有巫耍意义。忖前，在高效凿岩钎具研究领域，不少 学若就入射波形、接头能起传递特性和岩 石动力破碎特性等问题进行了深入细致研 究，并得出一些冇益结论，但就钎头形式对 能杲传递效率

4、的影响的研究很少进行，未 见相关报道。本文运用波动力学理论，分析 了不同接头形式钎头的凿岩能帚分布，以 期能探索出单位刃长所获得的凿岩能罠分 布与所需耍的破岩能磺分布相匹配的钎头 接头形式，促进我国高效滋岩钎n的研制。1钎头破岩特点及其破岩能量 分布以一字型片状硬质合金钎头为例，在 钎头労入岩石的过程中，经过凿岩机的每 一次打击，钎头在岩石上或深或浅钻搭出 一个印痕，在相邻两次冲击中间,钎头借助 齒岩机的转钎机构转动一个转角”。这样， 在两次冲击所形成的印痕之间，钎头在岩 石上诂帶出一个扇形块。扇形块并对应点 的周向距离，沿炮孔的径向方向,在圆心点 处近似重合，随离开圆心点距离的增加其 距离逐

5、渐加大，在周边上最大，如A-A'、如图1所示。这就意味着，钎头单位刃长所担负的 破岩面积，沿钎头的径向方向，在圆心点处 最小，随离开恻心点距离的増加逐渐加大， 在周边上最大。因此，钎头单位刃长所担负 的破岩面积表现为中间小周边大。曲岩石破碎理论山可知，在凿岩过程 中，钎头一单付刃氏所需耍的破岩能吊，山单 位刃长所担负的破岩体积和凿碎比功的乘 积决定。即： E 賞二 rhpa（ 1 ）式中 £： w 钎头单位刃长所需耍的 破岩能 K , kg in/cmr扇形块各对应点离开圆心点 距离，cmB 每次冲击后转角，0h 单次冲击凿深，cma凿碎比功,kg m/cm3R钎头半径由式（

6、1）可得，钎头单位刃长所需耍的 破岩能最，沿钎头的径方向，在圆心点处般 小，随离开圆心点距离的增加逐渐加大，在 钎头的周边上最大。因此，钎头单位刃长所 凿岩机械气动工2005（ 4）需耍的破岩能彊分布农现为屮间小周边 大，如图2所示。图2钎头破岩能虽分布2钎头结构特点及其凿岩能量 分布2.1应力波的边界效应凿岩机冲击能是以应力波的形式传递 到钎头的。由波动力学理论（2I,当入射（纵） 波IF入射到钎头与岩石接触点时，根据入 射点位置不同分别产生垂I入射效应或倾 斜入射效应。当入射（纵）波IF垂直入射时，将产生 两个新波：反射纵波C和透射纵波位如图 3所乐。反射纵波C与入射（纵）波0传递 方向相

7、反，将携带约10%的能量向凿岩机 端反姑，造成钎几破损；诱射纵波E与入知 （纵）波W传播方向相同，将携带约90%的 能量向钎头端透射，用于破碎岩石。附W入射（纵）波CC反射纵波4E透射纵波图3乘賣入射效应当入射（纵）波W倾斜入射时，将产生 四个新波：反射纵波C,反射横波，透射 纵波E,透射横波F,如图4所示。反射纵 波C和反射横波与入射（纵）波附传播27W入射（纵）波 C反射纵波I）反对横波E透射纵波F透射横波I)cw钎头总空面图4倾斜入射效应方向相反，将携带约10%50%的能帚向凿 岩机端反射，造成钎貝破损；透射纵波E和 透射横波F与入射（纵）波W传播方向相 同，将携带约50%90%的能向钎

8、头端透 射，用于破碎岩石。从能量传递效率來看，应使反射回钎 杆中的能量越小越好。研究表明，钎头反射 波的能竜除与入射波形、岩石动力破碎特 性及两者匹配程度有关外，不同接头形式 钎头的结构特点及其凿岩能*分布对其能 呈传递效率影响显著。2.2传统钎头在冲击凿入系统中，钎头和钎杆的现 有连接形式或采用锥体连接、或采用CS套 筒连接、或采用螺纹连接°下而分别就 这三种连接形式，钎头的结构特点、能最传 递机制及比常岩能最分布作深入剖析。対于锥体连接钎头.当制有锥孔的钎 头和制有锥体的钎杆通过锥体连接时，钎 头锥孔的内锥面和钎杆锥体的外傩面受内 外表面间的摩擦力作用相互顶紧，钎头锥 孔的底端而

9、恳空，钎头锥孔的内锥面就是 承载面，如图5所示。对于CS套筒连接钎头，肖制有阳螺纹 的钎头和制有阳螺纹的钎杆通过CS套筒 连接时，钎头阳螺纹的顶端面和钎杆阳螺 纹的顶端面被CS套筒拧紧，钎头阳螺纹终 了处空刀槽的底端而悬空，钎头阳螺纹的 顶端而就是承载;面，如图6所示。对J- MF螺纹连接钎头，当制有阴螺2«锥体连接钎头的结构特点惟体 钎杆C钎头悬空而CS螺纹承载面钎杆图6 CS套筒连接钎头的结构特点纹的钎头与制有阳螺纹的钎杆通过MF螺 纹连接时，钎头阴螺纹的底端面和钎杆阳 螺纹的顶端而被MF螺纹拧紧，钎头阴螺 纹的底端面悬空，钎头阴螺纹终了处空刀 槽的底端面就是承载面,如图7所示。

10、上述三种钎头连接形式，均以承我面 中心聚集能最，在凿岩机凿入岩石做功的 瞬间，应力波或沿钎头锥孔内锥面（锥体连 接）、或沿钎头阳螺纹的顶端而（CS套筒连 接）、或沿钎头阴螺纹终处空刀槽的底瑞 螺纹连接）传递，垂肖入射点发牛在雷岩机械气动工具.2005（4）图7 MF螺纹连接钎头的结构持点钎头中心部位，其余各部位均产生倾斜入 射。这样，钎头单位刃长所获得的凿岩能 屉，沿钎头的径向方向，在圆心点处最人， 随离开圆心点距离的增加逐渐减小，在周 边上最小。因此，钎头单位刃长所获得的凿 岩能磧分布表现为中间大周边小，如图8 所示。图8传统钎头凿岩能吊分布综合上述分析，对J：传统钎头，在圆心 点处，单位刃

11、K所负担的破岩面积垠小，所 需耍的破岩能磧也最小，而传递到此处的 凿岩能崑反而最大；在周边上，单位刃长所 负担的破岩面积最大，所需耍的破岩能定 也最大，向传递到此处的凿岩能起反而最 小。这就便得钎头单位刃长所获得的凿岩 能届分布与所需耍的破岩能®分布不匹 配，严巫彩响到钎头的能量传递效率。从能鼠传递效率來看，应使钎头单位 刃长所获得的凿岩能鼠分布与所需耍的破凿岩机械气动工具，2005(4) 岩能最分布相匹配。因此，改进钎头的结 构，«入研究钎头能帚传递机制，探索钎头 单位刃长所获得的的岩能虽分布与所盂要 的破岩能駁分布相匹配的钎头连接形式， 就成为高效带岩钎具研制的新方向。

12、2.3螺旋副连接钎头本文创新提出采用螺旋副连接来实 现钎头和钎杆的连接，研究表明，螺旋副连 接钎头单位刃长所获得的世岩能最分布与 所需耍的破岩能昼分布相匹配，可实现高 效凿岩。对丁螺旋副连接钎头，当制有阴螺纹 的钎头与制有阳螺纹的钎杆通过螺旋副连 接时，钎头阴螺纹的顶端面和钎杆阳螺纹 终了处空刀槽的顶端面被螺旋副接头拧 紧，钎头阴螺纹的顶端面悬空，钎头阴螺纹 终了处空刀槽的底端而为承戟而，如图9这种钎头连接形式，以承我而周边聚 集的能最，在凿岩机凿入岩石做功的瞬间， 应力波沿钎头阴螺纹的顶端柱面传递，垂 直入射点发生在钎头周边上，其余各部位 均产生倾斜入射。这样，钎头单位刃长所获 得的

13、4;岩能园，沿钎头的径向方向，在圆心 点处最小，随离开圆心点距离的增加逐渐 增大，在周边上最大。因此，钎头单位刃长29 所获得的凿岩能§分布表现为中间小周边 人，如图10所示。这就保证了钎头单位刃 氏所获得的凿岩能彊分布与所需耍的破岩 能宣分布相匹配，可显著提高钎头能吊传 递效率。,、H 钎头半径AE.蒂岩能嚴11 B Aa b ii 7r阳10螺旋副连接钎头凿岩能址分布从能乱传递效率来看，螺旋副连接钎 头匹配了钎头单位刃长所获得的潜岩能駁 分布与所需要的破岩能駅分布，反射波能 磺可控制在5%以下，能£1大限度的利用以 应力波形式传递到钎头的凿岩机冲击能 ?：0 W此，螺旋

14、副连接钎头就成为高效凿岩 钎具发展的新途径。3新型结构钎头试制与工业考核情况依掘螺昨副连接钎头结构特点和能吊 传递机制分析，开展了螺旋副连接钎头试 制与工业考核。对比凿岩试验均在鲁中矿山公司小官 庄铁矿E-322米水平试验矿块进行。该矿 矿石为岛温热液接触交代矽卡岩型磁铁 矿，岩石为中细粒坚硕紫红色微风化花岗 岩,/二1214。试验小宜径一字型钎头采用 7655凿岩机，中直径X型钎头采用YGZ- 90气动凿岩机，气压为0.5 MPa,水压 0.2MPa0.3 MPa,如表 1 所示。考孩结果表明，螺旋副连接钎头的凿 岩速度明显优J：传统连接形式钎头，工业 考核统计平均凿岩速度：小直径字型钎 头

15、达到1'30"/山，中直径X型钎头达到1' 35"/m,较传统接头形式钎头凿岩效率分别3()表1螺旋副连钎头与传统钎头考核结果型号孔径连接形式凿毎米岩孔 所需时间小直径一字 熨钎头</>40T26螺旋副i3(r锥体206”中直径X別钎头Q89T45螺旋副135"MF螺纹2rirR32套筒2V5”提高 28.5%、27.4%和 42.4%。4结论(1) 钎头单位刃长所担负的破岩彊， 沿钎头的径向方向，在圆心点处最小，随 离开圆心点距离的增加逐渐加大，在周边 上最大，单位刃长所需耍的破岩能起分布 表现为中间小周边大。(2) 传统连接形式钎头

16、入射应力波在 承戯面中心部位垂直入射，齒岩能园以承 叔而中心聚集，单位刃长所获得的i!S岩能 龟分布表现为中间大周边小，与钎头单位 刃长所需耍的破岩能磧分布不匹配，彩响 到钎头的能量传递效率。(3) 螺旋副连接钎头入射应力波在承 载血周边上垂苴入射，凿岩能最以承栽面 周边聚集，单位刃t所获得的凿岩能量分 布表现为中间小周边大，与钎头单位刃长 所需耍的破岩能杲分布相匹配，钎头的能 氟传递效率高。(4) 匚业考核证实，螺旋副连接钎头 的凿岩能最分布合理，能嚴传递效率高， 较传统接头形式钎头凿岩效率分别提高 28.5% ,27.4%和 42.4%。(木文内容受我国发明专利权保护.发明专利 申请号：2

17、OO31O1O3887.9)参考文献：1 徐小荷，余 潍岩石破碎学M.北朮:煤炭丁业 出版 1984.11雷岩机械气动工具,2005(4)2 宋守志固体介质中的应力波M北京：煤炭I： 业出版社.1989.103 宋守志等.一种可匹配雷岩能盘的钎头|P.中 国：发明爭利中请号:200310103887.9,2003.10李连华.It海仁.宋守吉等.国家“ I五”科技攻 关课題“大何距集中化无底柱采矿新工艺研 究”签定资料|Z山东威海 2004.10© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All ri

18、ghts reserved, © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, Bit Joint Forms and Effect on Energy Transferring EfficiencyZhong Yong, Xing Jun ,Song Shouzhi(Kesoure and Civil Engineering College, Northeastern University ,Shenyang 110004, Liaoning, China )Ab

19、stract：In this paper, on the grounding of study on the bill fracturing rock law> the structural feature,energy transferring mechanism and energy (listributing characteristics of bits with differ joint fbnn is analyzed based on the stress-wave theory, and the screw-pair jointing bit, which can mat

20、ch the energy distributing between the needed rock-breaking energy and the achieved rock- drilling energy on unit length chisekcutting-edge Js innovutively brought forward. It can achieve the high energy transferring efficiency. In(lustr)f ex|>en!nentation proves that the nx k-drilling velocity o

21、f screwjointing bit is higher than that of traditional jointing form bits, mounting 28.5%42.4%.Key Words：bit , joint form , energy (listributing . energyr transferring© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 高扭矩大推力锚杆锚索钻机研制成功© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 由江阴市矿山器材厂和兖州矿业（集 团）公司兴隆庄煤矿共同开发研制的一种 MYQ-85J系列'（动锚杆锚索钻机，开创了 高扭矩、大推力锚杆锚索钻装机具的彳j业 先例，已经由专家通过了技术鉴定。MYQ-85J系列气动锚杆锚索钻机可以 进行扭矩、推力、钻速的不同组合，垠大