牙輪鉆頭早期損壞的原因及解決辦法分析

李 鑫

（甘肅鏡鐵山礦業有限公司，甘肅張掖 734000）

0 引言

隨著我國經濟建設不斷進步發展，我國礦產資源產量也在加速開采發掘中得到進一步提高。牙輪鉆頭是開展開采作業過程中最關鍵的核心組件之一，其主要作業關鍵指標是軸壓、轉速和排碴風量。從單個組件成本消耗方面來說，牙輪鉆頭在作業過程中所消耗的資金量大約是整個鉆孔開采過程總量的50%以上，所以說鉆頭有效工作周期的長短對于整臺牙輪鉆機的經濟性有決定性的作用。牙輪鉆頭的工作環境惡劣，很容易在開展鉆孔的作業中產生故障、問題，據不完全統計數據，牙輪鉆機排碴風量對整個牙輪鉆頭的使用壽命影響最大。甘肅鏡鐵山礦業有限公司長期使用的有KY-250D 和KY310B兩種型號牙輪鉆機，下面主要以KY-250D 為主要研究對象來進行探析。

1 KY-250D 牙輪鉆機工作原理

KY-250D 牙輪鉆機主要由行走機構、回轉機構、主傳動機構、A 型架軸、張緊裝置、鉆桿架、液壓系統等關鍵購進和模塊組成。其鉆頭是三牙型的，是鉆孔的關鍵刀具利器，在工作時利用自身旋轉、反復沖擊從而擊穿堅硬的石塊。設備主體借助鉆桿傳遞出巨大的扭矩，帶動鉆頭形成足夠的軸向壓力和回轉力，從而能持續擊穿巖石。而碎石被鉆桿中心孔和鉆頭噴嘴輸出強力壓縮空氣吹出，從而形成類似炮筒孔柱。

KY-250D 牙輪鉆機機重105 t，其關鍵性能參數見表1。

表1 KY-250D 牙輪鉆機關鍵性能參數

2 KY-250D 牙輪鉆頭早期損壞的原因

牙輪鉆機作業階段，如果遇到雨天或者深層的礦巖，鉆孔的廢石渣將難以及時排出，這時就必須把鉆桿多次提高以方便石渣能夠排出。按照過去一段時間鉆頭的穿孔進尺深度和破損情況數據分析來看，國內生產的牙輪鉆頭進尺約310～350 m；而進口合資生產的牙輪鉆頭進尺約560～600 m，由軸承損壞引發的牙輪鉆頭破損或者報廢的概率達80%以上，軸承早期損壞的情況（是指工作時間少于30 h）約是總量的30%。常見的牙輪鉆頭早期損壞情況主要分為3 類，分別是軸承早期磨損、牙爪爪尖早期損壞、牙齒和牙輪的早期損壞。

2.1 軸承早期磨損

軸承早期磨損主要的問題特征主要有3 種。

（1）軸頸位置處的磨損明顯，嚴重情況下會直接剝落，導致徑向鉆桿和軸承之間的間隙大幅增加，滾柱無法有效卡住鉆桿直接滑落下去或者滾柱橫向形成傾角卡死在鉆桿上，導致牙輪無法作業。

（2）滑動軸承因為混入雜質導致咬合不順或發生高溫后產生焊死現象，這樣就會導致末端的牙輪無法有效運行、產生卡軸問題，在運動過程中出現鉆孔位置偏移中心并且偏向磨損嚴重。

（3）滾柱端部與軸頸之間產生非正常的磨損，導致空間間隙顯著增加，滾柱在旋轉方向上會出現明顯歪斜或者嚴重的橫置問題，牙輪無法正常工作。

軸承早期磨損的原因，首先是鉆頭設計技術水平不夠高，存在設計上的不足。其次，鉆頭制作工藝方面的不足也是其中因素之一。究其主要原因，應該是推進軸施加的壓力過大，導致軸承位置的摩擦系數大幅提升，軸承承受了巨大的摩擦力，在運轉中就會因為摩擦作用產生大量的熱量，要么就是鉆頭內部的擋碴管沒有固定住、未發揮作用，使鉆出的石渣混入到鉆頭軸承間隙中反復與滾珠發生碾壓和摩擦，導致鉆頭軸承產生的熱量無法散發出去，很容易導致軸承報廢。還有就是吹風口的壓力不足，用于冷卻的壓縮通風在穿過軸承部位時未起不到預想的作用，將直接導致軸承難以及時散出集聚的熱量，軸承表面就會附著很多巖石的粉末，時間久了軸承所能發揮出來的作用就大大降低，造成損壞甚至報廢。發生該問題比較典型的原因就是在鉆水孔或未采用干式除塵方式。

2.2 牙爪爪尖早期磨損

在開始鉆孔作業前期，牙輪牙爪爪尖在意外情況下出現超預期的磨損，此時滾柱就失去保護外露出來，多數時候會掉出來。但是在該情形下，鉆頭的軸承不會遭到損壞、保存完整，牙輪外錐不會被磨損，而且合金齒不會出現明顯的磨損，但此時石渣會不受阻止地侵入到軸承內部、損壞軸承。

根據發生的磨損數據分析來看，多數情況下導致牙爪爪尖出現較早磨損問題的原因主要有：①設計方案不合理，在結構保護裝置的性能強度上未做好詳細的計算，導致無法發揮正常的保護作用；②制造工藝落后，在該關鍵部件制作工藝水平與國際先進水平有一定差距；③開展鉆孔作業時，未及時發現鉆桿已經產生彎曲現象，穩桿器在施工中過度磨損無法發揮穩定作用；④在一些礦石巖層有很強的腐蝕作用，對設備產生影響，產生巖層松動、穿孔表層浮碴筱蓋、礦巖整體性差致孔壁掉塊等使用問題。

2.3 牙齒和牙輪的早期損壞

在牙輪鉆孔作業前期，牙齒和牙輪的早期損壞也是比較常見的現象。一般出現該問題時，多數情況下是錐尖出現異常嚴重的磨損、摘頂，部分錐尖已經崩斷掉落，牙輪的殼體已經出現明顯的磨損問題，更嚴重的情況就是牙輪、牙齒在應力的作用下發生折斷現象。

根據經驗分析來看，牙輪錐尖磨損、出現摘頂現象的根本原因，主要是軸承受的壓力太大、鉆孔推進的回轉速度過快以及中硬鉆頭在質地較為柔軟的巖石作業過程出現問題。此時，滑動軸承位置無法提供有效的冷卻作用，端部熱量集聚較多。牙輪殼體出現異常快速磨損問題是由于排出石渣的效率不佳影響，石渣會在鉆孔環境中反反復復作用。中硬鉆頭牙齒折斷的問題多數是由于作業環境中的遭遇堅硬或極堅硬礦巖。

由上述分析可以發現，整個施工過程中牙輪鉆頭產生問題的過程是復雜且多變的，對于影響其使用壽命的各類原因要做好認真分析，及時找出相應的解決方案對開展實際應用來說更具有促進作用。

3 應對KY-250D 牙輪鉆頭早期損壞的解決辦法

3.1 應對軸承早期磨損的解決辦法

軸承早期磨損問題出現后，要及時根據排出石渣的量來確定問題的根源是推進軸壓力太大還是風壓不足導致的：當排出石渣大顆粒明顯偏多時而空壓機的工作壓力正常時，基本上可以判定是軸推進壓力太大的原因，這時要及時調整壓力數值，以有效減輕牙輪鉆頭軸承的磨損；當遇到排出碎石顆粒正常而空壓機工作壓力不足時，表明風量滿足要求、風壓不符合要求，這時則要及時調整噴嘴直徑提升風的壓力，以達到冷卻軸承的目的；如果排出的石渣無明顯大顆粒而風管無漏風，則表明空壓機損壞、需盡快換新。空壓機的風量要保障在孔壁與鉆桿構間有足夠大的回風量，其大小要保持適宜：風量過大，碎石會加快鉆頭的磨損進程；而風量過小，偏大的顆粒難以有效排除，導致鉆孔效率低。

鉆孔作業時，一方面要提前勘察現場實際情況，及時調整牙輪鉆頭工作軸壓力，確保鉆頭作業破碎礦巖周圍區域內，避免軸壓力失控導致鉆頭軸承早期失效；另一方面要加強對現場作業過程的監控，定時檢查擋碴管緊固情況，同時還注意優化鉆頭軸承的工作狀態，以延長牙輪軸承的使用壽命。

3.2 應對牙爪爪尖早期磨損的解決辦法

（1）穩桿器通常會因為磨損嚴重造成鉆桿作業過程出現嚴重晃動，牙爪的爪尖很快就會出現問題，因此必須確保穩桿器的工作順利，才能使鉆頭高效推進作業。如果鉆桿單側彎曲，也會導致鉆頭早期損壞問題出現，此時必須第一時間更換鉆桿，確保下一步操作順利。

（2）如果風量不足時，可以參考軸承早期磨損中對排碴風量的計算和經驗判斷。如果整個風管系統密封性良好，就必須換新或者維修空壓機才能解決問題。

（3）為了避免浮渣落入鉆孔內導致牙爪爪尖早期磨損，要督促鉆機工作場地管理和操作人員按章施工，認真負責，清理干凈碎渣后方可繼續作業。如果礦巖整體性不佳、容易脫落，那么在鉆機推進過程中適當加人黃黏土，將礦巖固住，避免碎渣掉人孔損壞牙爪爪尖。

3.3 應對牙齒和牙輪的早期損壞的解決辦法

鉆孔作業階段，對于硬巖石來說，牙齒吃入深度較淺、牙輪振幅大，沖擊破碎巖石效果好；而對于軟巖和中硬巖石，牙齒吃人深度較深、牙輪振幅較小，沖擊破碎效果較差。所以在設計鉆頭設計時，為克服硬和極硬巖石不利條件，要注意鉆頭設計成不超頂、不移軸結構。牙齒多數情況下要按照球形或者錐形來設計，開展鉆孔作業時，牙輪是呈現滾動運動，借助振動沖擊力完成鉆孔作業；如果是軟巖和中硬巖石，鉆頭設計制作就要按照移軸、復錐或超頂結構來完成，牙齒采用楔形齒或銑齒，開展鉆孔作業時牙輪同時滾動滑動，利用剪切力來完成破石作業。

但是要特別注意一點，就是要根據地質情況設計選取對應的鉆頭結構。如果牙齒采用楔形齒或銑齒，用于硬或極硬巖石情況就很容易導致斷齒和輪尖磨禿。同樣，球形或錐形牙齒用于鉆孔軟巖或中硬巖時，很容易產生牙輪禿頂、摘頂及牙輪殼體的腐蝕等問題。所以，設計工作必須要結合實際情況開展選型。

從國外先進國家對合金牙輪鉆頭研究數據來看，破碎巖石的效果與牙齒鉆孔作業周期有關，轉速較低的情況下，鉆進速度和鉆具轉速是正比關系；但是轉速提升、鉆進速度不改變，整個鉆機設備就會出現嚴重振動問題，鉆頭軸承發熱磨損而早期失效；而且沖擊載荷持續上升時，容易使牙輪齒被擊破折斷而導致鉆頭早期失效。所以在鉆頭的選擇上，要結合實際地質情況設定合理的轉速，才能延長鉆頭使用壽命。

4 結束語

本文以KY-250D 牙輪鉆頭為例，分析了其早期損壞的原因及應對解決辦法，希望可以對提高牙輪鉆頭使用壽命提供有效的參考和幫助。