牙輪鉆機破巖作用機理及受力分析

牙輪鉆機破巖作用機理及受力分析

內蒙古包頭市014080Summary：牙輪鉆機合理的工作制度取決于被射孔巖石的物理力學特性和射孔參數(shù)的選擇。大量實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，鉆具的損壞、磨損和過早報廢與鉆具質量和操作人員有關。各礦山都將鉆具列為“大宗消耗件”，除了價格昂貴外，還會造成廢孔，效率低下，成本上升。鉆具主要由鉆桿、扶正器和牙輪鉆頭組成。每一次過早損壞都會改變其他物品的載荷和作用，增加鉆井設備的振動和載荷，導致過早損壞。因此，研究礦用牙輪鉆頭的力學性能非常重要。與傳統(tǒng)的彈塑性強度理論和解析方法相比，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域的重要發(fā)展趨勢之一。Keys：牙輪鉆機；破巖機理；有限元；受力；牙輪鉆頭是牙輪鉆機工作時進行破碎巖石的工具，它的性能優(yōu)劣將直接影響鉆孔質量、鉆孔速度和鉆孔成本。牙輪鉆頭在孔底的運動是非常復雜的，特別是牙輪鉆頭與巖石的相互作用機理尚。礦用牙輪鉆機是露天礦山開采的主要穿孔設備之一。廣泛用于冶金、煤炭、化工、建材等工業(yè)部門的大中型露天礦山鉆鑿炮孔。牙輪鉆機穿孔原理，主要是通過其回轉、加壓機構使鉆具回轉，并給鉆頭施加軸向壓力，由這種動壓和靜壓產(chǎn)生的應力，使巖石破碎（剪碎和壓碎），同時用壓縮空氣將巖渣排出，形成炮孔。通過對礦用牙輪鉆頭牙爪進行瞬態(tài)動力學研究，以新的鉆頭運動學和動力學模型為基礎對礦用牙輪鉆頭牙爪進行有限元力學數(shù)值模擬。一、礦用牙輪鉆頭結構由于牙輪鉆頭結構的特殊性及在孔底運動的復雜性，使得人們對它的研究還不是很深入，尤其對移軸牙輪鉆頭的研究時間比較短，在移軸牙輪嚙合圖的繪制、運動學的研究方面的文獻還很少，而在動力學方面的研究大都基于鉆頭為剛性體、巖石為彈性體的假設，這并不能夠真實合理的反映牙輪鉆頭與巖石之間的相互作用。1.牙掌。牙掌是一個形狀復雜的鍛造零件。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合金粉，且鑲嵌一些平頭的硬質合金柱。對于牙掌的設計比較難把握主要是因為其空間結構關系復雜，形狀及不規(guī)則所造成的。2.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合金柱齒壓入齒孔內構成了一排排的齒圈，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，目前應用在鉆頭上的硬質合金柱齒按形狀可分為球形齒、錐形齒、楔形齒、鑿形齒等。3.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動，將鉆機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軸承套所組成的軸承組。滾柱軸承和滑動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位置。二、提高高鉆架牙輪鉆機的效率改進1.加壓封閉鏈和行走末級鏈的壽命和產(chǎn)品質量的可靠性有待迸一步提高。為此,有必要設計專用鏈條并采取措施,減小封閉鏈的擺動,以提高鏈條壽命和可靠性。2.回轉減速器空心軸上、下密封、加壓軸承的結構及空心軸下部調節(jié)螺母的螺紋強度有待進一步改進。應對回轉減速器進行計劃維修,以保證可靠性。3.鉆機配套件的匹配也有待進一步研究。從使用情況看,巖渣粒度較小,有重復破碎現(xiàn)象。因而,壓氣排渣系統(tǒng)的排渣能力仍然有所提高。4現(xiàn)有的技術經(jīng)濟指標有待完善。目前,生產(chǎn)單位大都按產(chǎn)量指標進行考核,而有關設備的指標僅作為考核的保證指標。實踐表明,這種考核辦法往往會出現(xiàn)只抓產(chǎn)量,而忽視設備的運行管理與維護,從而使設備損壞機會增多,能源、材料消耗大等現(xiàn)象,這樣就能保證對設備進行合理的維護,減少設備故障率,提高鉆機的生產(chǎn)率。三、牙輪鉆機鉆頭分析1.牙輪鉆機破巖作用機理。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)，通過牙輪鉆機帶動牙輪鉆頭垂直向下鑿孔。其破巖機理是：通過推壓和回轉機構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?shù)V巖較軟時，主要通過推壓作用，鉆頭沖擊礦巖，再加以牙輪鉆頭的旋轉剪切作用，達到破碎巖石的目的；當?shù)V巖較為堅硬時，鉆機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，同時主機鉆桿帶動牙輪鉆頭做旋轉運動，在摩擦力作用下帶動三個牙輪分別圍繞各自的牙爪軸頸作自轉運動，產(chǎn)生強大的剪切力，從而使礦巖破碎。牙輪鉆機鉆頭的相關分析2.牙輪鉆頭的運動的運動學分析。一般研究牙輪鉆頭運動學的觀點，會把鑲嵌有牙齒的真實牙輪簡化成光面錐輪來研究。但是光面錐輪的運動規(guī)律不能真實地反映牙輪的運動規(guī)律，由此基礎上推導出來的牙輪鉆頭的動載荷也會不太準確。以單錐多齒圈牙輪為對象，從理論上推導了牙輪軸在鉆頭軸線方向上的加速度、著地齒的滑動速度和牙齒對孔底的沖擊速度等全部運動學參數(shù)表達式，較為科學地表達了在極堅硬礦巖條件下鉆頭的運動規(guī)律。牙齒對孔底的沖擊速度為：式中：Ｚ·———Ｇ齒落地的瞬間，牙輪軸的縱向速度，ｍｍ／ｓ；ω———牙輪的自轉角速度，ｒ／ｓ；φ———牙輪錐體半頂角，（°）；β———牙輪軸與鉆頭軸的交角，即軸傾角，（°）；ｒ———牙輪大端齒圈半徑，ｍｍ；δ２———兩齒之間的半齒間角，（°）；此計算結果為負值，方向向下。3.牙輪鉆頭的有限元分析。（1）鉆頭作用在軟巖上時的力學模型。當牙輪鉆頭作用在較軟的礦巖上時，其主要破巖作用絕大部分來源于鉆桿帶動鉆頭所進行的推壓作用，牙輪鉆頭旋轉所帶來的剪切力僅僅只起到了加強破巖效果的作用，故我們忽略鉆頭旋轉的剪切力，對軸向力進行分析，建立鉆頭的縱向力學模型：式中：ＦＲ———鉆頭與巖石間的作用力（可以稱為全鉆壓），ＭＰａ；ｗ１———鉆柱作用在鉆頭上的動載荷，ｋｇ；ｗ２———靜鉆壓，ＭＰａ；ｍ１———鉆頭質量，ｋｇ；ａ———鉆頭加速度，ｍ／ｓ２；ｇ———重力加速度，ｍ／ｓ２。（2）牙輪鉆頭作用在硬巖上時的力學模型。當鉆頭作用在硬巖上時，強大的軸壓使牙輪上的合金齒嵌入巖土表層，強大軸壓和旋轉產(chǎn)生擠壓和剪切交變復合作用力，通過合金齒將巖石破碎，從而達到穿孔的目的。對鉆頭進行擠壓和剪切復合受力分析，即建立鉆頭的受軸向壓縮力和扭矩剪力的雙向應力狀態(tài)模型：圖1鉆頭微元立方體所受應力示意圖對于微元立方體內組合應力大小的求解，采用莫爾應力圓的方法，如圖1所示，由軸向拉應力σ和剪切應力τ，根據(jù)軸向壓應力σ和剪切應力τ和以上關系可以求出其組合應力在微元立方體內的大小關系。根據(jù)圖2中△ＡＣＤ可知；圖2鉆頭微元立方體莫爾應力圓分析圖根據(jù)軸向壓應力σ和剪切應力τ和以上關系可以求出其組合應力在微元立方體內的大小關系如下；由第四強度理論可知：式中：Ｄ———鉆頭直徑，ｍ；Ｍｎ———鉆頭旋轉時的扭矩，Ｎ·ｍ。將可得雙向應力狀態(tài)下，鉆頭的屈服扭矩為：總之，通過對牙輪鉆頭作用在軟巖和硬巖兩種不同巖性的礦巖時的碎巖機理的分析，建立相應的力學模型，得出了相關的函數(shù)關系式，對于改進牙輪鉆機的鉆進效率和選擇合適的牙輪鉆頭及鉆進方式有著積極