牙轮钻机破岩作用机理及受力分析

秦学文 刘凤龙

（包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司,内蒙古 包头 014080）

牙轮钻机使用的合理工作制度，取决于适应被穿凿的矿岩物理机械特性，选择穿孔参数。由大量的实际统计资料表明，钻具的损坏、磨损、过早报废等情况，除了与操作者有关外，还与钻具的质量有关。各矿山都将钻具列为“大宗消耗件”，除了价格昂贵外，还会造成废孔，效率低下，成本上升。钻具主要由钻杆、稳杆器、牙轮钻头组成。每项过早损坏，都会造成其它项受力负载和动作的改变，使钻机设备振动和负荷加大，导致提前损坏。因此，对矿用牙轮钻头的力学研究十分重要。相对于传统的弹塑性强度理论和解析方法而言，基于有限元方法的仿真分析和研究，是矿用牙轮钻头研究领域的重要发展趋势之一。

一、矿用牙轮钻头结构

由于牙轮钻头结构的特殊性及在孔底运动的复杂性，使得人们对它的研究还不是很深入，尤其对移轴牙轮钻头的研究时间比较短，在移轴牙轮啮合图的绘制、运动学的研究方面的文献还很少，而在动力学方面的研究大都基于钻头为刚性体、岩石为弹性体的假设，这并不能够真实合理的反映牙轮钻头与岩石之间的相互作用。

（一）牙掌

牙掌是一个形状复杂的锻造零件。其主要部位是各部轴承的轴颈、掌背、以及牙掌体上部与钻杆相联接的螺纹部分。通常爪尖是整个牙掌的薄弱部分，为了减小掌背的磨损，在掌背与孔壁之间有一30～5的夹角，并在爪尖外表面处堆焊一层硬质合金粉，且镶嵌一些平头的硬质合金柱。对于牙掌的设计比较难把握主要是因为其空间结构关系复杂，形状及不规则所造成的。

（二）牙轮

牙轮由牙轮体和合金柱齿两部分组成，在牙轮外表面上钻有若干排齿孔，并用冷压的方法将硬质合金柱齿压入齿孔内构成了一排排的齿圈，为了各牙轮之间的啮合及排碴的需要，在各齿圈之间车有齿槽。其中合金柱齿是钻头上直接与岩石作用的部分，是牙轮钻头破碎岩石的主要零部件，目前应用在钻头上的硬质合金柱齿按形状可分为球形齿、锥形齿、楔形齿、凿形齿等。

（三）轴承

轴承是牙轮钻头的重要部件，其作用是保证牙轮灵活的转动，将钻机施加在钻头上的轴压力和扭矩传递给牙轮，使合金柱齿能够有效地破碎岩石。目前矿用牙轮钻头中最通用的是滚柱一滚珠一滑动轴承套所组成的轴承组。滚柱轴承和滑动轴承只承受径向载荷，滚珠轴承主要起锁固作用，固定牙轮和牙掌轴颈的相对位置。

二、牙轮钻机钻头分析

（一）牙轮钻机破岩作用机理

矿用牙轮钻头主要用于大型露天矿和大型土石工程中的穿孔作业，通过牙轮钻机带动牙轮钻头垂直向下凿孔。其破岩机理是：通过推压和回转机构给钻头施加高钻压和扭矩，使岩石在静压、少量冲击和剪切作用下破碎。当矿岩较软时，主要通过推压作用，钻头冲击矿岩，再加以牙轮钻头的旋转剪切作用，达到破碎岩石的目的；当矿岩较为坚硬时，钻机施加足够大的轴压作用在牙轮钻头上，将镶嵌在牙轮上的合金齿嵌入岩土表层，同时主机钻杆带动牙轮钻头做旋转运动，在摩擦力作用下带动三个牙轮分别围绕各自的牙爪轴颈作自转运动，产生强大的剪切力，从而使矿岩破碎。

（二）牙轮钻头的运动的运动学

一般研究牙轮钻头运动学的观点，会把镶嵌有牙齿的真实牙轮简化成光面锥轮来研究。但是光面锥轮的运动规律不能真实地反映牙轮的运动规律，由此基础上推导出来的牙轮钻头的动载荷也会不太准确。以单锥多齿圈牙轮为对象，从理论上推导了牙轮轴在钻头轴线方向上的加速度、着地齿的滑动速度和牙齿对孔底的冲击速度等全部运动学参数表达式，较为科学地表达了在极坚硬矿岩条件下钻头的运动规律。牙齿对孔底的冲击速度为：

（三）牙轮钻头的有限元

1.钻头作用在软岩上时的力学模型。当牙轮钻头作用在较软的矿岩上时，其主要破岩作用绝大部分来源于钻杆带动钻头所进行的推压作用，牙轮钻头旋转所带来的剪切力仅仅只起到了加强破岩效果的作用，故我们忽略钻头旋转的剪切力，对轴向力进行分析.

2.牙轮钻头作用在硬岩上时的力学模型。当钻头作用在硬岩上时，强大的轴压使牙轮上的合金齿嵌入岩土表层，强大轴压和旋转产生挤压和剪切交变复合作用力，通过合金齿将岩石破碎，从而达到穿孔的目的。对钻头进行挤压和剪切复合受力分析，即建立钻头的受轴向压缩力和扭矩剪力的双向应力状态模型：

对于微元立方体内组合应力大小的求解，采用莫尔应力圆的方法，如图2所示，由轴向拉应力σ 和剪切应力τ，根据轴向压应力σ 和剪切应力τ和以上关系可以求出其组合应力在微元立方体内的大小关系。

通过对牙轮钻头作用在软岩和硬岩两种不同岩性的矿岩时的碎岩机理的分析，建立相应的力学模型，得出了相关的函数关系式，对于改进牙轮钻机的钻进效率和选择合适的牙轮钻头及钻进方式有着积极的意义。通过建立钻头微元立方体，对牙轮钻头的受力进行了分析，得出了钻头的屈服扭矩公式，为牙轮钻机的受力提供了理论依据，有利于保证作业安全和提高钻孔效率。