牙轮钻机破岩作用机理及受力分析

牙轮钻机破岩作用机理及受力分析

内蒙古包头市014080Summary：牙轮钻机合理的工作制度取决于被射孔岩石的物理力学特性和射孔参数的选择。大量实际统计数据表明，钻具的损坏、磨损和过早报废与钻具质量和操作人员有关。各矿山都将钻具列为“大宗消耗件”，除了价格昂贵外，还会造成废孔，效率低下，成本上升。钻具主要由钻杆、扶正器和牙轮钻头组成。每一次过早损坏都会改变其他物品的载荷和作用，增加钻井设备的振动和载荷，导致过早损坏。因此，研究矿用牙轮钻头的力学性能非常重要。与传统的弹塑性强度理论和解析方法相比，基于有限元方法的仿真分析和研究是矿用牙轮钻头研究领域的重要发展趋势之一。Keys：牙轮钻机；破岩机理；有限元；受力；牙轮钻头是牙轮钻机工作时进行破碎岩石的工具，它的性能优劣将直接影响钻孔质量、钻孔速度和钻孔成本。牙轮钻头在孔底的运动是非常复杂的，特别是牙轮钻头与岩石的相互作用机理尚。矿用牙轮钻机是露天矿山开采的主要穿孔设备之一。广泛用于冶金、煤炭、化工、建材等工业部门的大中型露天矿山钻凿炮孔。牙轮钻机穿孔原理，主要是通过其回转、加压机构使钻具回转，并给钻头施加轴向压力，由这种动压和静压产生的应力，使岩石破碎（剪碎和压碎），同时用压缩空气将岩渣排出，形成炮孔。通过对矿用牙轮钻头牙爪进行瞬态动力学研究，以新的钻头运动学和动力学模型为基础对矿用牙轮钻头牙爪进行有限元力学数值模拟。一、矿用牙轮钻头结构由于牙轮钻头结构的特殊性及在孔底运动的复杂性，使得人们对它的研究还不是很深入，尤其对移轴牙轮钻头的研究时间比较短，在移轴牙轮啮合图的绘制、运动学的研究方面的文献还很少，而在动力学方面的研究大都基于钻头为刚性体、岩石为弹性体的假设，这并不能够真实合理的反映牙轮钻头与岩石之间的相互作用。1.牙掌。牙掌是一个形状复杂的锻造零件。其主要部位是各部轴承的轴颈、掌背、以及牙掌体上部与钻杆相联接的螺纹部分。通常爪尖是整个牙掌的薄弱部分，为了减小掌背的磨损，在掌背与孔壁之间有一30～5的夹角，并在爪尖外表面处堆焊一层硬质合金粉，且镶嵌一些平头的硬质合金柱。对于牙掌的设计比较难把握主要是因为其空间结构关系复杂，形状及不规则所造成的。2.牙轮。牙轮由牙轮体和合金柱齿两部分组成，在牙轮外表面上钻有若干排齿孔，并用冷压的方法将硬质合金柱齿压入齿孔内构成了一排排的齿圈，为了各牙轮之间的啮合及排碴的需要，在各齿圈之间车有齿槽。其中合金柱齿是钻头上直接与岩石作用的部分，是牙轮钻头破碎岩石的主要零部件，目前应用在钻头上的硬质合金柱齿按形状可分为球形齿、锥形齿、楔形齿、凿形齿等。3.轴承。轴承是牙轮钻头的重要部件，其作用是保证牙轮灵活的转动，将钻机施加在钻头上的轴压力和扭矩传递给牙轮，使合金柱齿能够有效地破碎岩石。目前矿用牙轮钻头中最通用的是滚柱一滚珠一滑动轴承套所组成的轴承组。滚柱轴承和滑动轴承只承受径向载荷，滚珠轴承主要起锁固作用，固定牙轮和牙掌轴颈的相对位置。二、提高高钻架牙轮钻机的效率改进1.加压封闭链和行走末级链的寿命和产品质量的可靠性有待迸一步提高。为此,有必要设计专用链条并采取措施,减小封闭链的摆动,以提高链条寿命和可靠性。2.回转减速器空心轴上、下密封、加压轴承的结构及空心轴下部调节螺母的螺纹强度有待进一步改进。应对回转减速器进行计划维修,以保证可靠性。3.钻机配套件的匹配也有待进一步研究。从使用情况看,岩渣粒度较小,有重复破碎现象。因而,压气排渣系统的排渣能力仍然有所提高。4现有的技术经济指标有待完善。目前,生产单位大都按产量指标进行考核,而有关设备的指标仅作为考核的保证指标。实践表明,这种考核办法往往会出现只抓产量,而忽视设备的运行管理与维护,从而使设备损坏机会增多,能源、材料消耗大等现象,这样就能保证对设备进行合理的维护,减少设备故障率,提高钻机的生产率。三、牙轮钻机钻头分析1.牙轮钻机破岩作用机理。矿用牙轮钻头主要用于大型露天矿和大型土石工程中的穿孔作业，通过牙轮钻机带动牙轮钻头垂直向下凿孔。其破岩机理是：通过推压和回转机构给钻头施加高钻压和扭矩，使岩石在静压、少量冲击和剪切作用下破碎。当矿岩较软时，主要通过推压作用，钻头冲击矿岩，再加以牙轮钻头的旋转剪切作用，达到破碎岩石的目的；当矿岩较为坚硬时，钻机施加足够大的轴压作用在牙轮钻头上，将镶嵌在牙轮上的合金齿嵌入岩土表层，同时主机钻杆带动牙轮钻头做旋转运动，在摩擦力作用下带动三个牙轮分别围绕各自的牙爪轴颈作自转运动，产生强大的剪切力，从而使矿岩破碎。牙轮钻机钻头的相关分析2.牙轮钻头的运动的运动学分析。一般研究牙轮钻头运动学的观点，会把镶嵌有牙齿的真实牙轮简化成光面锥轮来研究。但是光面锥轮的运动规律不能真实地反映牙轮的运动规律，由此基础上推导出来的牙轮钻头的动载荷也会不太准确。以单锥多齿圈牙轮为对象，从理论上推导了牙轮轴在钻头轴线方向上的加速度、着地齿的滑动速度和牙齿对孔底的冲击速度等全部运动学参数表达式，较为科学地表达了在极坚硬矿岩条件下钻头的运动规律。牙齿对孔底的冲击速度为：式中：Ｚ·———Ｇ齿落地的瞬间，牙轮轴的纵向速度，ｍｍ／ｓ；ω———牙轮的自转角速度，ｒ／ｓ；φ———牙轮锥体半顶角，（°）；β———牙轮轴与钻头轴的交角，即轴倾角，（°）；ｒ———牙轮大端齿圈半径，ｍｍ；δ２———两齿之间的半齿间角，（°）；此计算结果为负值，方向向下。3.牙轮钻头的有限元分析。（1）钻头作用在软岩上时的力学模型。当牙轮钻头作用在较软的矿岩上时，其主要破岩作用绝大部分来源于钻杆带动钻头所进行的推压作用，牙轮钻头旋转所带来的剪切力仅仅只起到了加强破岩效果的作用，故我们忽略钻头旋转的剪切力，对轴向力进行分析，建立钻头的纵向力学模型：式中：ＦＲ———钻头与岩石间的作用力（可以称为全钻压），ＭＰａ；ｗ１———钻柱作用在钻头上的动载荷，ｋｇ；ｗ２———静钻压，ＭＰａ；ｍ１———钻头质量，ｋｇ；ａ———钻头加速度，ｍ／ｓ２；ｇ———重力加速度，ｍ／ｓ２。（2）牙轮钻头作用在硬岩上时的力学模型。当钻头作用在硬岩上时，强大的轴压使牙轮上的合金齿嵌入岩土表层，强大轴压和旋转产生挤压和剪切交变复合作用力，通过合金齿将岩石破碎，从而达到穿孔的目的。对钻头进行挤压和剪切复合受力分析，即建立钻头的受轴向压缩力和扭矩剪力的双向应力状态模型：图1钻头微元立方体所受应力示意图对于微元立方体内组合应力大小的求解，采用莫尔应力圆的方法，如图1所示，由轴向拉应力σ和剪切应力τ，根据轴向压应力σ和剪切应力τ和以上关系可以求出其组合应力在微元立方体内的大小关系。根据图2中△ＡＣＤ可知；图2钻头微元立方体莫尔应力圆分析图根据轴向压应力σ和剪切应力τ和以上关系可以求出其组合应力在微元立方体内的大小关系如下；由第四强度理论可知：式中：Ｄ———钻头直径，ｍ；Ｍｎ———钻头旋转时的扭矩，Ｎ·ｍ。将可得双向应力状态下，钻头的屈服扭矩为：总之，通过对牙轮钻头作用在软岩和硬岩两种不同岩性的矿岩时的碎岩机理的分析，建立相应的力学模型，得出了相关的函数关系式，对于改进牙轮钻机的钻进效率和选择合适的牙轮钻头及钻进方式有着积极