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凿岩钎头结构与能量传递效率研究
2012-03-15
运用波动力学理论分析了传统钎头结构的能量传递机制与凿岩能量分布特点,结果表明:传统钎头的应力波垂直入射点发生在钎头中心,其余各部位均产生倾斜入射,钎头的凿岩能量分布表现为中间大两边小,与钎头的破岩能量需求不匹配。新型钎头采用创新的螺旋副连接柱面承载结构,可实现钎头的凿岩能量重新分布,具有钎头的凿岩能量分布与钎头的破岩能量需求匹配程度好、能量传递效率高等特点。
Series No. 350  金 属 矿 山 总 第 350期   August2005 METAL M INE 2005年 第 8期 3 凿 岩 钎 头 结 构 与 能 量 传 递 效 率 研 究 钟勇邢军宋 守 志 (东 北 大 学 ) 摘 要 运 用 波 动 力 学 理 论 分 析 了 传 统 钎 头 结 构 的 能 量 传 递 机 制 与 凿 岩 能 量 分 布 特 点 ,结 果 表 明 :传 统 钎 头 的 应 力 波 垂 直 入 射 点 发 生 在 钎 头 中 心 ,其 余 各 部 位 均 产 生 倾 斜 入 射 ,钎 头 的 凿 岩 能 量 分 布 表 现 为 中 间 大 两 边 小 ,与 钎 头 的 破 岩 能 量 需 求 不 匹 配 。 新 型 钎 头 采 用 创 新 的 螺 旋 副 连 接 柱 面 承 载 结 构 ,可 实 现 钎 头 的 凿 岩 能 量 重 新 分 布 , 具 有 钎 头 的 凿 岩 能 量 分 布 与 钎 头 的 破 岩 能 量 需 求 匹 配 程 度 好 、能 量 传 递 效 率 高 等 特 点 。 关 键 词 凿 岩 钎 头 钎 头 结 构 能 量 分 布 能 量 传 递 效 率 Study on the Dr ill2bit Structure and Energy Transferring Efficiency Zhong Yong  Xing Jun  Song Shouzhi ( N ortheastern University) AbstractThe energy transfermechanism and drilling energy distribution characteristics of traditional bit structure are analysed using wave2mechanics theory. The results show the the stress2wave vertical incident point is on the center of drill bit and on other parts is a slant incidence. The drilling energy is the highest at the center of drill bit and decreases radiately from the center to the brim, which doesn′t match the rock2breaking drilling energy demand. The new2style drill bit adopts an innovative screw pair2jointed cylindrical surface bearing structure to realize a redistribution of drilling energy and is char2 acterized by well2matched drilling energy distribution and rock2breaking energy demand, and high energy transfer efficien2 cy. WWW.KY114.CN KeywordsD rill bit, B it structure, Energy distribution, Energy transfer efficiency   在 具 有 接 头 的 冲 击 凿 入 系 统 中 ,钎 尾 、钎 杆 和 钎 1凿 岩 钎 头 破 岩 特 点 [ 1 ] ,钎 头 破 岩 所 需 能 量 由 凿 碎 头 通 过 CS或 MF接 头 连 成 钎 具 组 ,用 于 传 递 凿 岩 机 冲 击 能 和 扭 矩 。 钎 尾 端 固 定 于 凿 岩 机 的 旋 转 套 筒 内 ,承 受 活 塞 冲 击 和 转 钎 扭 矩 ;钎 头 端 与 钎 连 接 ,在 炮 孔 中 与 岩 石 相 碰 撞 。 接 杆 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 结 构 及 其 凿 岩 能 量 分 布 特 点 ,对 提 高 钎 头 凿 入 效 率 和 接 杆 能 量 传 递 效 率 具 有 重 要 意 义 。 由 岩 石 破 碎 理 论 岩 石 体 积 和 凿 碎 比 功 的 乘 积 决 定 ,即 E = π R va, 4 2 (1) 式 中 , E为 钎 头 破 岩 所 需 能 量 , kg/m; R为 钻 孔 半 径 , 3 cm; a为 凿 碎 比 功 , kg分 m /cm ; v为 凿 岩 速 度 ,m / s。 钎 头 破 岩 量 沿 钻 孔 半 径 方 向 随 距 钻 孔 中 心 距 离 2 R增 大 呈 R 趋 势 增 大 , 表 现 为 中 间 小 两 边 大 。由 式 ( 1) 可 得 , 钎 头 破 岩 所 需 能 量 也 沿 钻 孔 半 径 方 向 随 2 距 钻 孔 中 心 半 径 R增 大 呈 R 趋 势 增 大 ,表 现 为 中 间 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 深 入 细 致 研 究 并 得 出 一 些 有 益 结 论 ,但 就 钎 头 结 构 对 凿 入 效 率 的 研 究 进 行 很 少 ,未 见 相 关 报 道 。 本 研 究 运 用 冲 击 钻 进 波 动 理 论 ,分 析 钎 头 结 构 对 凿 岩 能 量 分 布 的 影 响 ,以 期 能 探 索 出 钎 头 凿 岩 能 量 分 布 与 破 岩 能 量 需 求 相 匹 配 的 钎 头 结 构 ,促 进 我 小 两 边 大 ,如 图 1所 示 。 3 国 家 “ 十 五 ”科 技 攻 关 课 题 (2001BA609A - 10)“ 大 间 距 集 中 化 无 底 柱 采 矿 新 工 艺 研 究 ”资 助 。 钟 勇 (1974 - ) ,男 ,东 北 大 学 土 木 与 资 源 工 程 学 院 , 110004 辽 宁 省 # 沈 阳 市 东 北 大 学 265 信 箱 。 国 高 效 凿 岩 钎 具 的 研 制 。 分 18分 © 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net   钟 勇 等 :凿 岩 钎 头 结 构 与 能 量 传 递 效 率 研 究 2005年 第 8期 螺 纹 的 底 端 面 为 承 载 面 ,如 图 4所 示 。 图 1钎 头 破 岩 量 与 破 岩 能 量 需 求 R - 钻 孔 半 径 ; E - 破 岩 能 量 需 求 2 传 统 凿 岩 钎 头 结 构 及 性 能 分 析 2 . 1  应 力 波 的 边 界 效 应 (图 2) 图 3CS螺 纹 连 接 钎 头 能 量 传 递 及 凿 入 能 量 分 布 W - 入 射 波 ; C - 反 射 纵 波 ; D - 反 射 横 波 ; E - 透 射 纵 波 ; F - 透 射 横 波 ; 1 - 钎 杆 ; 2 - 钎 头 ; 3 - CS接 头 ; 4 - 承 载 面 ; r - 钎 头 半 径 ; E - 凿 入 能 量 分 布 图 2应 力 波 的 边 界 效 应 W - 入 射 波 ; C - 反 射 纵 波 ; D - 反 射 横 波 ; E - 透 射 纵 波 ; F - 透 射 横 波 [ 2 ] ,当 凿 岩 机 输 出 功 率 以 应 力 波 由 波 动 力 学 理 论 的 形 式 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 波 W 垂 直 入 射 时 ,将 产 生 2个 新 波 :反 射 (纵 ) 波 与 透 射 (纵 ) 波 E。当 入 射 波 W 倾 斜 入 射 时 ,将 产 生 个 新 波 :反 射 纵 波 C,反 射 横 波 D,透 射 纵 波 E,透 射 横 图 4M F螺 纹 连 接 钎 头 能 量 传 递 及 凿 入 能 量 分 布 C W - 入 射 波 ; C - 反 射 纵 波 ; D - 反 射 横 波 ; E - 透 射 纵 波 ; F - 透 射 横 波 ; 1 - 钎 杆 ; 2 - 钎 头 ; 3 - MF接 头 ; 4 4 - 承 载 面 ; r - 钎 头 半 径 ; E - 凿 入 能 量 分 布 这 种 以 承 载 面 中 心 聚 集 的 能 量 ,在 凿 岩 机 凿 入 WWW.KY114.CN 波 F。反 射 纵 波 C和 反 射 横 波 D与 入 射 波 W 传 递 方 向 岩 石 做 功 的 瞬 间 ,应 力 波 的 垂 直 入 射 点 发 生 在 钎 头 中 心 ,其 余 各 部 位 均 产 生 倾 斜 入 射 ,钎 头 所 获 得 的 凿 岩 能 量 E随 着 距 钎 头 中 心 距 离 r增 大 呈 逐 渐 减 小 趋 势 ,如 图 3、4所 示 。 这 就 使 得 钎 头 从 钎 杆 获 得 的 凿 岩 能 量 分 布 与 钎 头 破 岩 所 需 能 量 不 匹 配 ,严 重 影 响 到 钎 头 能 量 传 递 效 率 。 相 反 ,将 携 带 约 5% ~ 15% 能 量 传 向 凿 岩 机 端 反 射 , 造 成 钎 具 破 损 ;透 射 纵 波 E和 透 射 横 波 F与 入 射 波 W 传 递 方 向 相 同 ,透 过 钎 头 传 递 给 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 。 有 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 ,钎 头 结 构 及 其 凿 岩 能 量 分 布 对 凿 入 效 率 影 响 显 著 。 从 能 量 传 递 效 率 来 看 ,探 索 与 孔 底 破 岩 能 量 需 求 相 匹 配 的 钎 头 结 构 ,进 一 步 完 善 钎 头 凿 岩 能 量 供 给 与 破 岩 能 量 需 求 匹 配 程 度 ,就 成 为 高 效 凿 岩 钎 具 研 制 领 域 的 新 方 向 。 2 . 2传 统 凿 岩 钎 头 结 构 及 凿 岩 能 量 分 布 在 具 有 接 头 的 冲 击 凿 入 系 统 中 ,普 遍 采 用 CS 或 MF接 头 实 现 钎 杆 和 钎 头 的 连 接 。 下 面 分 别 就 采 3 螺 旋 副 连 接 钎 头 结 构 及 性 能 分 析 由 上 述 分 析 可 知 ,对 于 CS (MF)螺 纹 连 接 凿 岩 用 CS和 MF接 头 连 接 的 钎 头 的 结 构 特 点 和 由 此 而 钎 头 ,以 钎 头 中 心 区 域 为 承 载 面 的 结 构 特 点 ,导 致 钎 头 凿 岩 能 量 分 布 呈 以 钎 头 中 心 最 大 、沿 半 径 方 向 向 周 边 逐 减 ,而 钎 头 孔 底 破 岩 能 量 需 求 则 呈 以 钎 头 周 边 最 大 、沿 半 径 方 向 向 周 边 逐 增 。 因 此 ,如 何 克 服 这 一 矛 盾 正 成 为 接 杆 凿 岩 高 效 化 的 瓶 颈 。 本 研 究 采 用 螺 旋 副 连 接 结 构 来 实 现 高 效 凿 石 钎 头 。 引 起 的 钎 头 凿 岩 能 量 分 布 特 点 做 深 入 剖 析 。 对 于 CS螺 纹 连 接 钎 头 ,当 套 管 与 制 有 阳 螺 纹 的 钎 头 和 钎 杆 连 接 时 ,钎 头 和 钎 杆 的 阳 螺 纹 的 顶 端 面 被 CS接 头 拧 紧 ,螺 杆 端 面 就 是 承 载 面 ,如 图 3所 示 。 对 于 MF螺 纹 连 接 钎 头 ,当 制 有 阴 螺 纹 的 钎 头 与 制 有 阳 螺 纹 的 钎 杆 连 接 时 ,钎 杆 阳 螺 纹 的 顶 端 面 顶 紧 钎 头 阴 螺 纹 的 底 端 面 被 MF接 头 拧 紧 ,钎 头 阴 对 于 螺 旋 副 连 接 钎 头 ,当 制 有 阴 螺 纹 的 钎 头 与 (下 转 第 59页 ) 分 19分 © 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net   李 明 等 : ANSYS软 件 在 尾 矿 坝 稳 定 性 分 析 中 的 应 用 研 究 2005年 第 8期 6 7 8 陈 守 义 1浅 议 上 游 法 细 粒 尾 矿 堆 坝 问 题 1岩 土 力 学 , 1995 (9) : 70 75 证 矿 山 企 业 正 常 生 产 做 一 些 理 论 性 的 铺 垫 工 作 ,希 望 能 对 存 在 此 类 问 题 的 矿 山 和 企 业 提 供 一 点 理 论 上 的 指 导 和 实 际 意 义 上 的 帮 助 。 ~ 王 凤 丽 ,等 1在 ANSYS中 建 立 复 杂 有 限 元 模 型 1哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报 , 2003 (6) : 22~ 24 景 英 仁 ,等 1赤 泥 筑 坝 技 术 研 究 1西 部 探 矿 工 程 , 2001 (9) : 111~ 参 考 文 献 1 13 9徐 宏 达 1我 国 尾 矿 库 病 害 事 故 统 计 分 析 1工 业 建 筑 , 2001 (1) : 69 71 10张 建 华 1德 兴 铜 矿 西 源 排 土 场 高 台 阶 排 土 稳 定 性 研 究 1金 属 矿 , 2003 (2) : 24~ 27 1 2 3 4 5 张 培 安 1浅 谈 尾 矿 库 的 安 全 技 术 管 理 1中 国 钼 业 , 2002 (12) : 48 51 龚 曙 光 ,等 1ANSYS基 础 应 用 及 范 例 分 析 1北 京 :机 械 工 业 出 版 , 2003 蓝 宇 1等 ,大 型 有 限 元 分 析 软 件 ANSYS1应 用 科 技 , 2000 (6) : 2~ 15 谭 建 国 1使 用 ANSYS 6. 0进 行 有 限 元 分 析 1北 京 :北 京 大 学 出 版 , 2002 王 友 海 ,等 1大 型 有 限 元 分 析 软 件 ANSYS的 特 点 1建 筑 机 械 000 (9) : 29~ 31 ~ ~ 社 山 11魏 作 安 ,等 1细 粒 尾 矿 堆 积 坝 加 固 设 计 与 研 究 1金 属 矿 山 , 2003 (8) : 54~ 60 1 12王 进 学 ,等 1神 经 网 络 预 测 尾 矿 沉 积 规 律 的 方 法 1金 属 矿 山 2003 (7) : 9~ 12 , 社 , (收 稿 日 期 2005206220) 2 ( 上 接 第 19页 ) 量 分 布 与 钎 头 破 岩 所 需 能 量 相 匹 配 ,反 射 波 能 量 控 制 在 5%以 下 ,最 大 限 度 地 利 用 以 应 力 波 形 式 传 递 到 钎 头 的 凿 岩 机 冲 击 能 量 ,可 显 著 提 高 钎 头 凿 入 效 率 和 接 杆 能 量 传 递 效 率 。 制 有 阳 螺 纹 的 钎 杆 连 接 时 ,钎 杆 阳 螺 纹 终 了 处 空 刀 槽 的 端 面 顶 紧 钎 头 阴 螺 纹 的 顶 端 面 被 螺 旋 副 接 头 拧 紧 ,钎 头 阴 螺 纹 的 顶 端 柱 面 为 承 载 面 ,钎 杆 阳 螺 纹 端 头 在 工 作 状 态 下 都 是 自 由 面 ,即 悬 空 面 。 螺 旋 副 连 接 钎 头 扬 弃 了 传 统 钎 头 依 靠 钎 杆 阳 螺 纹 的 顶 端 面 顶 紧 钎 头 的 阳 螺 纹 顶 端 面 (CS连 接 )或 钎 杆 阳 螺 纹 的 顶 端 面 顶 紧 钎 头 阴 螺 纹 底 端 面 (MF连 接 )的 传 统 传 4结 论 (1) 钎 头 破 岩 能 量 需 求 E以 钻 孔 周 边 最 大 , 由 2 钻 孔 中 心 向 外 随 半 径 R增 大 呈 R 增 大 ,表 现 为 中 间 小 两 边 大 。 WWW.KY114.CN 力 方 式 ,以 钎 头 阴 螺 纹 的 顶 端 面 承 载 。 在 凿 岩 机 凿 (2) 传 统 螺 纹 连 接 凿 岩 钎 头 以 阳 螺 纹 螺 杆 端 面 为 承 载 面 ,或 以 阴 螺 纹 的 底 端 面 为 承 载 面 ,钎 头 凿 岩 能 量 分 布 E以 钎 头 周 边 最 小 ,由 钎 头 中 心 向 外 随 半 入 岩 石 做 功 的 瞬 间 ,应 力 波 经 钎 头 阴 螺 纹 的 柱 面 传 递 ,垂 直 入 射 点 发 生 在 钎 头 外 缘 ,其 余 各 部 位 均 产 生 倾 斜 入 射 ,所 获 得 的 凿 岩 能 量 E随 着 距 钎 头 中 心 距 径 r增 大 呈 逐 渐 减 小 趋 势 ,表 现 为 中 间 大 两 边 小 ,与 钎 头 孔 底 破 岩 能 量 需 求 不 匹 配 。 3) 螺 旋 副 连 接 凿 岩 钎 头 以 钎 头 阴 螺 纹 的 顶 端 离 r增 大 呈 增 大 趋 势 ,如 图 5所 示 。 ( 面 为 承 载 面 ,钎 头 凿 岩 能 量 分 布 E以 钎 头 周 边 最 小 , 由 钎 头 中 心 向 外 随 半 径 r增 大 呈 逐 渐 增 大 趋 势 , 表 现 为 中 间 小 两 边 大 ,与 钎 头 孔 底 破 岩 能 量 需 求 匹 配 。 ( 4) 采 用 螺 旋 副 连 接 结 构 ,钎 头 柱 面 承 载 ,凿 岩 能 量 分 布 合 理 ,凿 入 效 率 高 。 参 考 文 献 图 5螺 旋 副 连 接 钎 头 能 量 传 递 及 凿 入 能 量 分 布 W - 入 射 波 ; C - 反 射 纵 波 ; D - 反 射 横 波 ; E - 透 射 纵 波 ; F - 透 射 横 波 ; 1 - 钎 杆 ; 2 - 钎 头 ; 3 - 接 头 ; 1徐 小 荷 ,余 静 1岩 石 破 碎 学 1北 京 :煤 炭 工 艺 出 版 社 , 1984 2宋 守 志 . 固 体 介 质 中 的 应 力 波 ,北 京 :煤 炭 工 艺 出 版 社 , 1989 4 - 承 载 面 ; 5 - 悬 空 面 ; r - 钎 头 半 径 ; E - 凿 入 能 量 分 布 (收 稿 日 期 2005206218) 这 种 钎 头 结 构 可 保 证 钎 头 从 钎 杆 获 得 的 凿 岩 能 欢 迎 投 稿 欢 迎 订 阅 分 59分 © 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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