钎头的接头形式及其对能量传递效率的影响
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
"东北大学资源与土木工程学院!辽宁沈阳
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摘要!在钎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&能量传递机制及其凿岩能量分布规律!创新提出了螺旋副连接钎头%螺旋副连接钎头可有效匹配钎头单位刃长所获得的凿岩能量分布与所需要的破岩能量分布!能量传递效率高%工业考核证实(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高$%&’()#$&#(%
关键词!钎头$连接形式$能量分布$能量传递中图分类号!*+#$!&$,’
文献标识码!-
在冲击凿入系统中!钎头的一端通过接头与钎杆连接!获得凿岩机冲击能$另一端在炮孔中与岩石相碰撞!冲击凿入岩石%在凿岩过程中!一部分冲击能以应力波的形式向岩石传递!用于岩石的破碎$另一部分冲击能以应力波的形式向钎尾端反射!消耗于钎具中!导致钎具疲劳破坏%有研究表明!冲击凿入系统的能量传递效率不仅取决于凿岩机具本身的性能&钎杆对冲击能的传递特性及被凿岩石破碎特性!还与钎头对冲击能的传递特性有很大关系%因此!研究钎头的结构特点&能量传递机制及其凿岩能量分布规律!对提高冲击凿入系统的能量传递效率具有重要意义%
目前!在高效凿岩钎具研究领域!不少学者就入射波形&接头能量传递特性和岩石动力破碎特性等问题进行了深入细致研
究!并得出一些有益结论!但就钎头形式对能量传递效率的影响的研究很少进行!未见相关报道%本文运用波动力学理论!分析了不同接头形式钎头的凿岩能量分布!以期能探索出单位刃长所获得的凿岩能量分布与所需要的破岩能量分布相匹配的钎头接头形式!促进我国高效凿岩钎具的研制%
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钎头破岩特点及其破岩能量
分布
以一字型片状硬质合金钎头为例!在
钎头凿入岩石的过程中!经过凿岩机的每一次打击!钎头在岩石上或深或浅钻凿出一个印痕!在相邻两次冲击中间!钎头借助凿岩机的转钎机构转动一个转角!%这样!在两次冲击所形成的印痕之间!钎头在岩石上钻凿出一个扇形块%扇形块各对应点
基金项目!国家科技部)十五*科技攻关课题"$""!.-/"0-1!"’
作者简介!钟勇"!02#1’!男!四川内江人!博士研究生!主要从事凿岩钎具方面的研究%
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凿岩机械气动工具!!""!""#
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渐加大!在周边上最大!如!"!!$
需要的破岩能量分布表现为中间小周边大!如图/所示%
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((钎头半径%(
((凿岩能量!-破(
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钎头破岩能量分布
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钎头结构特点及其凿岩能量
分布
应力波的边界效应
凿岩机冲击能是以应力波的形式传递
钎头破岩特点
到钎头的%由波动力学理论&/’!当入射*纵#波&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直入射效应或倾斜入射效应%
当入射*纵#波&垂直入射时!将产生两个新波&反射纵波’和透射纵波!!如图
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!随离开圆心点距离的增加逐渐加大!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%
由岩石破碎理论&%’可知!在凿岩过程中!钎头单位刃长所需要的破岩能量!由单位刃长所担负的破岩体积和凿碎比功的乘积决定%即&
.所示%反射纵波’与入射*纵#波&传递方向相反!将携带约%01的能量向凿岩机端反射!造成钎具破损+透射纵波!与入射*纵#波&传播方向相同!将携带约201的
能量向钎头端透射!用于破碎岩石%
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式中
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破岩能量!)*)+,-+
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由式*%#可得!钎头单位刃长所需要的破岩能量!沿钎头的径方向!在圆心点处最小!随离开圆心点距离的增加逐渐加大!在钎头的周边上最大%因此!钎头单位刃长所
凿岩机械气动工具!!""!""#
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图$
垂直入射效应
当入射*纵#波&倾斜入射时!将产生四个新波&反射纵波’!反射横波(!透射纵波!!透射横波)!如图3所示%反射纵波’和反射横波*与入射*纵#波&传播
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钎头悬空面
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倾斜入射效应
承载面锥体钎杆
方向相反!将携带约!"#$%"#的能量向凿岩机端反射!造成钎具破损$透射纵波!和透射横波"与入射%纵&波#传播方向相同!将携带约%"#$&"#的能量向钎头端透射!用于破碎岩石’
从能量传递效率来看!应使反射回钎杆中的能量越小越好’研究表明!钎头反射波的能量除与入射波形(岩石动力破碎特性及两者匹配程度有关外!不同接头形式钎头的结构特点及其凿岩能量分布对其能量传递效率影响显著’
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图’
锥体连接钎头的结构特点
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钎头悬空面
!"!传统钎头
在冲击凿入系统中!钎头和钎杆的现
有连接形式或采用锥体连接(或采用’(套筒连接(或采用)*螺纹连接’下面分别就这三种连接形式!钎头的结构特点(能量传递机制及其凿岩能量分布作深入剖析’
对于锥体连接钎头!当制有锥孔的钎头和制有锥体的钎杆通过锥体连接时!钎头锥孔的内锥面和钎杆锥体的外锥面受内外表面间的摩擦力作用相互顶紧!钎头锥孔的底端面悬空!钎头锥孔的内锥面就是承载面!如图%所示’
对于’(套筒连接钎头!当制有阳螺纹的钎头和制有阳螺纹的钎杆通过’(套筒连接时!钎头阳螺纹的顶端面和钎杆阳螺纹的顶端面被’(套筒拧紧!钎头阳螺纹终了处空刀槽的底端面悬空!钎头阳螺纹的顶端面就是承载面!如图+所示’
对于)*螺纹连接钎头!当制有阴螺
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’(螺纹
承载面钎杆
%&套筒连接钎头的结构特点
纹的钎头与制有阳螺纹的钎杆通过)*螺纹连接时!钎头阴螺纹的底端面和钎杆阳螺纹的顶端面被)*螺纹拧紧!钎头阴螺纹的底端面悬空!钎头阴螺纹终了处空刀槽的底端面就是承载面!如图,所示’
上述三种钎头连接形式!均以承载面中心聚集能量!在凿岩机凿入岩石做功的瞬间!应力波或沿钎头锥孔内锥面"锥体连接&(或沿钎头阳螺纹的顶端面"’(套筒连接&(或沿钎头阴螺纹终了处空刀槽的底端面")*螺纹连接&传递!垂直入射点发生在
凿岩机械气动工具!!""!""#
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岩能量分布相匹配$因此!改进钎头的结构!深入研究钎头能量传递机制!探索钎头单位刃长所获得的凿岩能量分布与所需要的破岩能量分布相匹配的钎头连接形式!
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钎头承载面
就成为高效凿岩钎具研制的新方向$
!"#螺旋副连接钎头
本文创新提出采用螺旋副连接"#$来实
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悬空面钎杆
现钎头和钎杆的连接!研究表明!螺旋副连接钎头单位刃长所获得的凿岩能量分布与所需要的破岩能量分布相匹配!可实现高效凿岩$
对于螺旋副连接钎头!当制有阴螺纹
图%&’螺纹连接钎头的结构特点
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面为承载面!如图%所示$
钎头中心部位!其余各部位均产生倾斜入射$这样!钎头单位刃长所获得的凿岩能量!沿钎头的径向方向!在圆心点处最大!随离开圆心点距离的增加逐渐减小!在周边上最小$因此!钎头单位刃长所获得的凿岩能量分布表现为中间大周边小!如图!所示$
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&&钎头半径!&
&&凿岩能量!"破&
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传统钎头凿岩能量分布
综合上述分析!对于传统钎头!在圆心点处!单位刃长所负担的破岩面积最小!所需要的破岩能量也最小!而传递到此处的凿岩能量反而最大%在周边上!单位刃长所负担的破岩面积最大!所需要的破岩能量也最大!而传递到此处的凿岩能量反而最小$这就使得钎头单位刃长所获得的凿岩能量分布与所需要的破岩能量分布不匹配!严重影响到钎头的能量传递效率$
从能量传递效率来看!应使钎头单位刃长所获得的凿岩能量分布与所需要的破
凿岩机械气动工具!!""!""#
图(
螺旋副连接钎头的结构特点
这种钎头连接形式!以承载面周边聚集的能量!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$这样!钎头单位刃长所获得的凿岩能量!沿钎头的径向方向!在圆心点处最小!随离开圆心点距离的增加逐渐增大!在周边上最大$因此!钎头单位刃长
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所获得的凿岩能量分布表现为中间小周边大!如图!"所示$这就保证了钎头单位刃长所获得的凿岩能量分布与所需要的破岩能量分布相匹配!可显著提高钎头能量传递效率$
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((钎头半径"(
((凿岩能量!#破(
表!型号小直径一字
型钎头
螺旋副连钎头与传统钎头考核结果孔径
连接形式
凿每米岩孔所需时间
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锥体
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中直径0型钎头
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螺旋副连接钎头凿岩能量分布
从能量传递效率来看!螺旋副连接钎头匹配了钎头单位刃长所获得的凿岩能量分布与所需要的破岩能量分布!反射波能量可控制在#$以下!能最大限度的利用以应力波形式传递到钎头的凿岩机冲击能量$因此!螺旋副连接钎头就成为高效凿岩钎具发展的新途径$
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!单位刃长所需要的破岩能量分布表现为中间小周边大$
"+’传统连接形式钎头入射应力波在承载面中心部位垂直入射!凿岩能量以承载面中心聚集!单位刃长所获得的凿岩能量分布表现为中间大周边小!与钎头单位刃长所需要的破岩能量分布不匹配!影响到钎头的能量传递效率$
"%’螺旋副连接钎头入射应力波在承载面周边上垂直入射!凿岩能量以承载面周边聚集!单位刃长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要的破岩能量分布相匹配!钎头的能量传递效率高$
"’’工业考核证实!螺旋副连接钎头的凿岩能量分布合理!能量传递效率高!较传统接头形式钎头凿岩效率分别提高
%
新型结构钎头试制与工业考核情况
依据螺旋副连接钎头结构特点和能量
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)*%++米水平试验矿块进行$该矿矿石为高温热液接触交代矽卡岩型磁铁矿!岩石为中细粒坚硬紫红色微风化花岗岩!!,!+-!’$试验小直径一字型钎头采用
&’(
./##凿岩机!中直径0型钎头采用12345"气动凿岩机!气压为"6#789!水压"6+789-"6%789!如表!所示$
考核结果表明!螺旋副连接钎头的凿岩速度明显优于传统连接形式钎头!工业考核统计平均凿岩速度%小直径一字型钎头达到!!%"":;!中直径0型钎头达到!!
+
"本文内容受我国发明专利权保护!发明专利申请号%+""%!"!"%
参考文献!
&!(徐小荷!余静6岩石破碎学&7(6北京>煤炭工业
出版社!!5
凿岩机械气动工具!!""!""#
%#":;!较传统接头形式钎头凿岩效率分别
#$
UPV宋守志M固体介质中的应力波UWV北京&煤炭工
业出版社!BXQXMBC
UDV李连华!甘海仁!宋守志等M国家’十五(科技攻
关课题)大间距集中化无底柱采矿新工艺研究(鉴定资料U4VM山东威海!PCCDMBC
UYV宋守志等M一种可匹配凿岩能量的钎头UZVM中
国&发明专利申请号&PCCYBCBCYQQ[MX!PCCYMBC
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高扭矩大推力锚杆锚索钻机研制成功
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
锚预紧力的难题!拓宽了此类钻机的应用范围!提高了锚杆的支护质量,在兴隆庄煤矿的井下使用表明&新研制的这种钻机可以适应不同岩性条件下的钻孔作业!当煤岩的硬度在!^R"_MR的时候!钻孔速度可以达到
W6\]QR%系列气动锚杆锚索钻机!开创了
高扭矩+大推力锚杆锚索钻装机具的行业先例!已经由专家通过了技术鉴定,
W6\]QR%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!最大的扭矩能够达到PBQ@-*!其推力要比普通的锚杆钻机高出大约PCS左右!完全满足了目前矿山采用锚杆+锚索支护时钻孔深+扭矩高的要求!既可以钻顶板的锚杆孔!还能够搅拌和安装树脂药卷类的锚杆锚索!实现了螺母的一次性拧紧!解决了多年来国内的普通锚杆钻机无法完成硬岩顶板和锚索深孔作业以及紧固螺母一次性达到初
凿岩机械气动工具!!""!""#
PMR*‘*"’左右.其部件的通用互换性强!而
价格仅为进口大扭矩锚杆锚索钻机的三分之一,专家们指出&由于该钻机是以压缩空气为动力源的!只要煤巷的迎头具备压缩空气源的煤矿井下均可以使用!在常规的作业条件下工作效率提高了PCS!十分有利于矿井的高产高效建设!值得尽快推广应用!以取得更加显著的经济效益和社会效益,
"山东兖州矿务局设计研究院李剑峰报道#
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