凿岩机钎头防卡钎原理及防治原理

洛 阳 理 工 学 院

液压凿岩钻车钎头以及卡钎的

原

理

与

防

治

措

施

班级：B090604 学号：B09060425 姓名：张鹏

液压凿岩钻车是用于钻凿炮孔的一种设备，它的核心部件是具有冲击和转钎两大功能的液压凿岩机。钻车液压系统提供的压力油驱动凿岩机转钎机构的液压马达旋转，带动钎杆和钎头旋转；同时在压力油作用下，活塞做高频往复运动，这种高频往复冲击运动作用于转钎机构的钎尾末端，通过钎杆把冲击能传递到钎头。推进油缸也在液压

系统作用下，把整个液压凿岩机沿着导轨向前推进，冲击能被传递到岩石上，岩石破碎。 钎头

岩石钎头是直接接触破碎矿岩部分，要求形状结构合理，凿速高，耐磨，强度高，寿命长，排粉性好，修磨方便，成本低，钎头一般由钎头体和合金片组成。一般可分为整体钎子和活动钎子。

整体钎子：传递冲击能量损失小，凿岩效率高；但修磨时搬运工作量大。

活动钎子：可以更换钎头，提高钎杆的利用率，钎头修磨时可减少钎杆的搬运量。

钎头形状( 根据合金片排列和形状分)：

（1）片状：一字钎头（制造修理简单，易卡钎）；十字钎头（不易卡钎，多用于中深孔）；X形（炮孔呈圆形，用于中深孔），及其它形状：二字形，Y形，T形等。

（2）：炮孔圆，岩屑颗粒粗，凿速高，减少合金片消耗，广泛推广使用。

钎头构造

（1）刃角α，刃角大小与钻速、耐磨有关，刃角小，转速高，但不耐磨，用于软岩；对于硬岩， α取大值，但α必须小于岩石的自然破碎角（110°），一般α=100°～ 110° 。

（2）隙角β（图1)，钎头体两侧面的倾角，β过大，易于磨损，过小，易于卡钎，对合金片钎头β=3~5°。

（3）钎刃的曲率半径R，R保证合金片两端不产生应力集中和弯曲，R=120~180mm（图1）

（4）排粉槽和吹洗孔：一般布置于钎头的顶部（图2）和侧部（图1） 钎头材料

（1）钎头体要求耐冲击，抗疲劳破坏，改用40Cr钢或27~30Si，Mn，Mo，V钢制造，可减少断裂，涨裤现象。

（2）质合金片

材质采用钨-钴合金制作，此合金性能具有高硬度，高耐磨性、高抗压强度，又有一定的韧性（钴），抗弯，抗拉强度高。多用YG系列（还有YJ系列）,钴含量高，韧性高，抗冲击和抗弯强度高，硬度和耐磨性低，故必须根据岩性选用牌号，见表2-2(P26)。此外，碳化钨的晶粒对合金片性能也有影响。合金片形状有长片状（用于一字形钎头，用于硬岩）；短片状（用于多刃钎头，适用于裂隙发育岩石）；柱状（用于柱齿钎头，中硬以下的岩石）。

凿岩机的卡钎原理级防卡措施

在凿岩作业时，当转钎阻力矩M2大于凿岩机液压系统所能提供的最大扭转力矩时，出现卡钎。尽管目前各种凿岩控制系统中都设置有自动防卡钎功能，但由于岩石结构的复杂性，易卡钎地矿段的存在(如裂缝、空洞或者岩石性质差异太大的过渡区)，卡钎现象仍无法杜绝。卡钎事故一旦发生，就需要费时处理被卡的钎头和钎杆，大大影响了凿岩效率，而在许多情况下，卡钎后是无法排除的，即钻头和钎杆卡在孔壁中，向下无法继续钻进，向上无法提钻，因此只能放弃已经钻进孔内的钎杆和钻头，重新另外开孔，增加了凿岩的直接成本。设计一种合理有效的防卡钎系统，对提高液压凿岩设备工作可靠性具有非常重要的意义。

1 卡钎机理和防卡思路

液压凿岩机钻进过程中，钻具所承受的阻力矩M 主要有：

1)两次冲击岩瘤的剪切阻力矩M1；

2)球柱齿端部与孔底岩石摩擦所形成的摩擦阻力矩M2；

3)钻具外缘与钻孔壁间岩粉摩擦力所形成的分布阻力矩M3。

总阻力矩为

由上式可知，增大钻机推进油压P ，会直接导致M1和M2的增大，使总扭转阻力矩Mz急剧增大。因此，调节推进力的大小，可直接调控钻机所需输出的扭转力矩，有效地预防卡钎。监控扭转阻力矩的大小，实时地由扭转阻力矩控制推进力矩的大小是自动防卡钎的基本思路。

从式(1)还可看出，当采用重冲击时，会使钻头弧形齿破碎的岩坑增大，直接使M1和M3增大，总阻力矩M：增大。因此，采用轻冲击也是减少卡钎发生的一种有效方法。

凿岩钻机提供的转钎力矩为T，T由回转阻力矩决定，即

另一方面，转钎力矩可表述为

式中：轴为机械效率；P 为进油腔压力；Pb为马达回油腔压力； 为马达排量。

由式(3)可知凿岩钻机输出扭矩T与系统压力差P 一p 呈正比关系，随系统油压压力差的增大而增大。由式(2)可知扭转系统油压的变化又实时地反映出扭转阻力矩的变化，因此可用扭转系统油压P的变化判断转钎力和扭转阻力矩的大小。同理，可用钻机推进油压P 判断钻机推进力的大小。Pa和Pb的压力大小是否超过某一临界值是进行卡钎判断的根本依据，本文研究的问题就是针对不同卡钎的种类来确定这一临界值。

凿岩钻孔时，扭转阻力矩可表述为

式中：M2为第一次冲击接触时间内钎杆受阻变形的扭矩，G为扭切弹性模量，w 为抗扭截面模量，R为钎杆半径，，z为马达转速，z为钎杆长度，t为第一次应力波的接触时间。

由式(4)可知，当冲击能一定时，接触时间t是定值，则扭转阻力矩随着转速n的增大而增大。由于抗剪强度是随岩石性质变化的，

要

实现凿岩过程的顺利进行，应使扭转阻力矩Mz始终小于凿岩机液压系统所能提供的最大阻力矩Tmax ，才能保证凿岩工作的顺利进行，否则将会出现卡钎。因此，根据凿岩工况，适时地调整转钎的转速n ，也是预防卡钎的一种有效方法。

综上所述，“轻推”、“轻打”、“减慢转速”都是出现卡钎迹象后有效的防卡钎措施。而判断是否将会出现卡钎，则是依据Pz和Pt的变化率(单位时间内的变化量)和变化量的大小进行判定。“变化率”需由计算机进行监控，“变化量”的控制则可由液压系统方便地实现。 卡钎种类判定和防卡方法

根据凿岩实践经验，可将凿岩卡钎按其产生的原因和特征分为3种基本类型，即工、Ⅱ、Ⅲ类卡钎。

(图1～4为回转油压Pz和钻进油压Pzm随时间的变化特征图，其中，P为系统油压，Pzm为正常转钎的最大油压，t0为卡钎前兆点时间，t1为卡钎出现点时间，t2为最大转钎和推进压力点时间。) I类卡钎— — 溶洞卡钎

当钎头突然凿人溶洞，由溶洞内的碎石将钎头卡死而引起的卡钎，称为“溶洞卡钎”。

钎头进入溶洞后，由于

突然失去岩石的推进阻

力和转钎阻力矩，推进

力和转钎力矩会突然减

小，推进速度突然增大，

出现卡钎之后，推进阻

力和转钎阻力矩突然增

大。此类卡钎是由溶洞

内的碎石将钎头卡死所

致，且碎石常卡在钎头和钎杆的连接处，因钎头的外径大于钎杆的外径，故一旦出现卡钎，钎头就很难拔出。实践表明，此类卡钎是一种最难处理的卡钎。其表现特征见图1。

防I类卡钎时推进压力随回转压力变化的规则如图2所示。

由图2可知，正常

推进压力为Pt0，出现

卡钎趋势时，回转压

力增大。当回转压力

增大至防I类卡钎临界

回转压力Pz1时，推进

压力随回转压力的增

大而相应减小；当回

转压力达到Pz1'时，推

进压力降为最小推进压力，钻头的轴向压力达到最小值。

防I类卡钎的自动处理过程如下：减小推进和回转速度，当Pt值在Pt0正常波动范围内，Pz

Ⅱ类卡钎——缓变卡钎

Ⅱ类卡钎也称排渣卡钎，是由于排渣不畅或岩石性质不均等原因而引起的卡钎。排渣不畅使不能及时排出的岩渣逐渐增多，岩渣对转钎运动的阻力矩逐渐增大，凿岩穿孔速度也逐渐降低；另一种原因是当钎头进人性质不均的岩石时，钎头会因径向受力不均而偏移原来的方向，使炮孔弯曲，转钎阻

力矩随钎头的继续凿人而

逐渐增大。其表现特征如图

3所示。

防Ⅱ类卡钎的处理方

法是：使推进和回转速度随

回转压力的增大而无级减

小，当回转压力回到正常波

动范围时，恢复正常钻进。

Ⅲ类卡钎— — 裂隙卡钎

当钎头进入裂隙后，由

于裂隙给转钎运动突然的

阻力矩，该阻力矩超过系统

能提供的最大转钎力矩，使转钎力矩突然增大至最大值，称为裂隙卡钎。这种卡钎出现时，炮孔与钎杆之间的岩石和碎石少，凿岩机回退，钎头较易拔出。钎头拔出后，转钎阻力减小，转钎运动继续，凿岩机再次推进时，由于钎头相对裂隙的位置改变，钎头便有可能不再进人裂隙，并将裂隙两侧的岩石击碎，而使钎头穿越该卡钎区，故此类卡钎比前两类易于处理。其表现特征如图4所示。

防Ⅲ类卡钎的处理方法为：潜孔钻机立刻回退，当回转压力Pz

随着社会的日益进步，工程量的增大，在隧道施工中，凿岩台车的作用越来越大，而提高凿岩车的效率越来越重要。这就需要设计出好的钎头和尽量防治钎头的卡钎，设计一种合理有效的防卡钎系统，对提高液压凿岩设备工作可靠性具有非常重要的意义。