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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