牙輪鉆機破巖作用機理及受力分析

秦學文 劉鳳龍

（包鋼鋼聯股份有限公司巴潤礦業分公司,內蒙古 包頭 014080）

牙輪鉆機使用的合理工作制度，取決于適應被穿鑿的礦巖物理機械特性，選擇穿孔參數。由大量的實際統計資料表明，鉆具的損壞、磨損、過早報廢等情況，除了與操作者有關外，還與鉆具的質量有關。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、穩桿器、牙輪鉆頭組成。每項過早損壞，都會造成其它項受力負載和動作的改變，使鉆機設備振動和負荷加大，導致提前損壞。因此，對礦用牙輪鉆頭的力學研究十分重要。相對于傳統的彈塑性強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域的重要發展趨勢之一。

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。

（一）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。

（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、牙輪鉆機鉆頭分析

（一）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，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。當礦巖較軟時，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；當礦巖較為堅硬時，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，產生強大的剪切力，從而使礦巖破碎。

（二）牙輪鉆頭的運動的運動學

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律不能真實地反映牙輪的運動規律，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律。牙齒對孔底的沖擊速度為：

（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.

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模型：

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2所示，由軸向拉應力σ 和剪切應力τ，根據軸向壓應力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。

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的意義。通過建立鉆頭微元立方體，對牙輪鉆頭的受力進行了分析，得出了鉆頭的屈服扭矩公式，為牙輪鉆機的受力提供了理論依據，有利于保證作業安全和提高鉆孔效率。