牙轮钻机-1

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1、第五章 牙轮钻机,第一节 牙轮钻机的发展概况 牙轮钻机是在旋转钻机的基础上发展起来的一种近代新型钻孔设备。1907年，美国石油工业部门开始使用牙轮钻机钻凿油井和天然气井。1939年，开始试用于露天矿。我国从1958年起研制牙轮钻机，自1976年定型并批量生产HYZ-250C牙轮钻机后，牙轮钻机的研制和应用迅速发展起来。下图是洛阳矿山机械工程设计院设计的KY系列牙轮钻机。,KY系列牙轮钻机 三牙轮钻头,由于采用新型材料和使用压气为动力，大大提高了钻头的寿命，钻孔效率等指标极其优越，故得到广泛使用。穿爆能力一般在300500万T/年台，最大的达到1000万T/年台以上，孔径达到445mm。 我国起

2、步较晚，上世纪60年代开始研制，很快掌握了其设计及制造技术，并有多种型号的产品问世和投入使用。 目前在国内露天矿山中未被广泛使用的原因： 1.穿爆能力太大，而目前国内露天矿山的规模普遍较小 2.钻孔的辅助时间长 3.投资较大，使用成本高 4.工人的技术水平要求较高,第二节 牙轮钻头的构造,牙轮钻孔方法开始到现在，经过了较长的发展过程，相继使用过各种类型的牙轮钻头。目前在金属矿山中，广泛使用的是三牙轮钻头。 一、三牙轮钻头的构造 三牙轮钻头主要是由牙爪、牙轮、轴承组成。三个牙爪和并在一起，焊接成一个整体。三个牙轮分别套在三个牙爪下端的轴颈上。滚珠从牙爪背上的塞销孔送入滚珠轴承跑道内。当滚珠装满后

3、，将塞销插入销孔内，并将塞销尾部堵焊载牙爪背上。滚珠则将牙轮限定在牙爪轴颈上。为了防止轴经过热和被异物堵塞，矿用牙轮钻头采用压气或气水混合物冷却并吹洗轴承。有中空钻杆通入钻头的压缩空气或气水混,合物，大部分经中央喷管喷出。用于排碴；少部分经由轴承风道进入滚珠轴承跑道和小轴端部，用以冷却和吹洗轴承。为了防止突然停风时岩碴倒流入轴承风道，在钻头内腔安装有止逆阀。,主要组成： 牙爪 牙轮 轴承组,牙轮,牙爪,三 牙 轮 钻 头 的 构 造,1.牙爪 组成： 爪背角（1305） 保护作用 爪尖： 为提高抗磨能力，焊接合金粉或合金柱 轴承轴颈 钻机施加给钻头的轴压力，通过轴颈及轴承传给牙轮 角一般为50

4、55,2.牙轮,布齿方式： 一般是中间齿圈采用自洁式布齿（即各牙轮的中间齿圈相间布置，互不重复）；内齿圈部分重复；边齿圈相互重复。 布齿原则： 使各齿圈上齿痕能全部覆盖孔底，并使牙轮与孔底接触的齿数相等，以使三个牙轮轴承的负荷均匀。,二、三牙轮钻头的类型 矿用三牙轮钻头，按照钻头上凿岩刃具-牙轮上牙齿的不同，可分为：铣齿钻头和柱齿钻头；按排碴时吹风方式的不同，分为：中心吹风排碴式和旁测吹风排碴式钻头。,牙轮的类型： 单锥牙轮 复锥牙轮,3.轴承组 作用： 保证牙轮灵活地转动，并把钻机施加给钻头上的轴压力和扭矩传给牙轮。 组成： 滚柱 滚珠 滑动衬套 装配形式： 各自的作用：,滚柱,滚珠,滑动衬

5、套,三牙轮钻头1,三牙轮钻头2,三牙轮钻头3,三牙轮钻头4,三、结构参数 牙轮钻头主要结构参数： 钻头直径D 轴倾角 孔底角,牙轮钻头的主要结构参数有：钻头直径、轴倾角、孔底角。 轴倾角、孔底角、牙轮主锥角有如下关系： 式中 为孔底角， 为轴倾角， 为牙轮主锥角。,第三节 牙轮钻头运动学及其凿岩原理,工作时，加压机构通过钻杆给钻头施以很高的轴向压力，牙轮则被牙在孔底上。当回转供风机构使钻具以一定的转速回转时，钻头上的各个牙轮，既绕钻杆轴线公转，又可以绕本身轴线自转。,一、牙轮钻头的纵向振动及凿岩原理 1. 纵向振动的产生,事实上牙齿在锥面外是有一定高度的。钻孔时，牙轮绕本身轴线旋转而滚动，交替

6、地由二个齿着地变为一个齿着地，如上图所示。 当A、B两齿同时着地时，齿圈中心C的位置最低；当B齿离地变为A齿着地后，齿圈中心逐渐升高，齿圈中心达到最高位置后，随着牙轮的继续转动又逐渐降低，直至与下一个齿同时着地。牙轮不停地滚动，齿圈中心则周而复始地运动在最高位置和最低位置之间。可见，由于牙齿的存在，使牙轮连同整个钻进部件作纵向振动。,牙轮钻凿岩原理,压碎,凿碎,剪碎,轴压静载荷,纵向振动动载荷,滑动剪切力,牙轮钻机钻孔时，依靠加压机构和回转机构给钻头施加的轴压力和回转力矩，使岩石在轴压静载荷和纵向振动动载荷以及滑动剪切力的联合作用下，被牙轮上的牙齿压碎、凿碎和剪碎，于是形成钻孔。,牙轮钻孔时，

7、着地齿在轴压力的作用下，牙齿会吃入岩石某一个深度，减小了牙轮纵向振动的振幅。试验研究表明，对于硬岩牙齿吃入深度较浅，纵向振幅大，冲击破碎岩石的效果好；而对于软岩和中硬岩牙齿吃入深度较深，纵向振幅小，冲击破碎的效果较差。,牙轮钻凿岩原理,二、牙轮的运动分析 确定牙轮的运动参数，一是为钻头的设计提供指导性参数，另外帮助其选择或布置牙轮钻头，以期获得最佳的破岩效果。 几点假设： 1.只考虑钻头上一个单锥牙轮运动，孔底角0 2.钻杆匀速转动 3.孔底为刚体 4.不超顶不移轴和移轴布置时牙轮做纯滚动，超顶布置时，牙轮由于轴压力的作用获得最佳转速。,1.不超顶，不移轴布置,(牙轮锥体的顶点落在钻杆轴线上，

8、称为不超顶不移轴布置） 由于是不超顶不移轴布置，故牙轮绕顶点O转动，在轴压力作用下，牙轮以较大的正压力作用在牙轮与孔底的接触线上OM上，钻头转动时，作用在OM线上的正压力产生足够大的摩擦力，致使牙轮不产生滑动，即接触线上任一点没有绝对速度。,参考系,2. 移轴布置 牙轮轴线OA相对于钻头X轴线移动一垂直距离s，称为移轴布置。,移轴引起牙轮沿接触线方向滑动，滑动速度的大小与移轴距和钻杆转速成正比；当牙轮锥半顶角和钻杆转速相同时，移轴布置与不超顶不移轴布置的牙轮转速大小相等。,3. 超顶布置 （牙轮轴线与钻杆轴线相交，但顶点不重合） 牙轮与孔底接触线上除了一点上绝对速度为零，其余都有绝对速度，即产

9、生滑动。,一、牙轮的运动分析及其转速的计算 1、不超顶不移轴布置 式中 为牙轮锥半顶角， 为牙轮大端半径， 为钻孔半径。 2、移轴布置 3、超顶布置,二、牙轮的纵向运动 A齿着地后，齿圈中心逐渐升高，齿圈中心达到最高位置后，随着牙轮的继续转动又逐渐降低，直至与下一个齿同时着地。牙轮不停的滚动，齿圈中心则周而复始的运动在最高位置和最低位置之间。可见，由于牙齿的存在，是牙轮连同整个钻进部件作纵向振动。,三、牙轮钻头的凿岩原理 牙轮钻机钻孔时，依靠加压机构和回转机构给钻头施加的轴压力和回转力矩，岩石在轴压静载荷和纵向振动动载荷以及滑动剪切力的联合作用下，被牙轮上的牙齿压碎、凿碎、剪碎，于是形成钻孔。

10、牙轮钻孔时，着地齿在轴压力作用下，牙齿会吃入岩石某一个深度，减小了牙轮纵向振动的振幅。,第四节 KY-250A型牙轮钻机,KY-250A型牙轮钻机是在KY-250型牙轮钻机的基础上改进完善后的新型牙轮钻机。他能在f=620的岩石中钻垂直孔，孔径为220250mm，孔深为17m。适用于大中型露天矿山。,一、钻具 钻具由上钻杆、下钻杆、压轮钻头组成。钻干是由无缝钢管和两端的街头焊接而成的中空杆件。,二、钻架和机架 钻架为型钢焊接的空间绗架，是断面为“ ”字形的开口架。机架式钻机各种机构和装置的安装基础。它是以工字钢为主梁的焊接结构。,三、回转供风机构 回转供风机构是由回转减振装置、减速器、直流电动

11、机、进风管等组成。回转供风机构的作用是驱动钻具回转，并将压气输送给中空钻杆。,四、加压提升机构 KY-250A型牙轮钻机的主传动机构是把原KY-250型牙轮钻机的850型和500型两个减速器合为一个立式主减速器，用7.5KW滑差电机和55KW鼠笼式交流电机分别经减速器和两个不同速比的链条带动两个气胎离合器来实现两种提升、加压力和两种提升加速度。并由两个气胎离合器，经三级连传动来实现机器的行走。 当钻机行走时，操纵气阀使快、慢速加压提升气胎离合器脱开，主制动器自动抱住制动轮，回转小车便可停止在任意高度上。,（一）主传动机构,1.滑差电机 2.齿式加压离合器,4.制动器,（二）封闭链条传动系统,五

12、、行走机构 KY-250A型牙轮钻机采用履带自行式行走机构，由底盘和行走传动机构组成。行走机构与加压提升机构共用主传动机构。,六、节卸及存放钻杆机构 在使钻架落下或检修回转小车放下来。因此，要把钻杆拆开，并将上下钻杆分别存放起来。节卸及存放钻杆机构，主要是由液压卡头和钻杆架组成。,七、液压千斤顶 液压千斤顶是用来抬起并调平钻机，使钻机钻孔作业时支承在稳固的基础上。此外，利用液压千斤顶抬起机身，便于检修钻机底部。,第五节 牙轮钻机工作参数的确定,牙轮钻机的工作参数主要有轴压力、钻具转速、回转功率及排碴风量。 一、轴压力的确定 一般情况的经验公式 式中 -合理的轴压力，KN； -使用的钻头直径，m

13、m； -试验用钻头直径， =214mm。 前苏联使用的经验公式 （N） -钻头直径，mm。,二、钻具转速的确定 （r/min） 式中 -牙轮大端直径； -钻头直径； -牙轮大端齿圈上的齿间弧长。,三、回转功率 计算回转功率的经验公式 式中 -回转功率； -钻头直径； -轴压力； -钻头转速； -表征岩石特征的常数。,四、钻孔速度 估算钻进速度的经验公式 式中 -钻进速度； -轴压力； -钻具转速； -钻头直径； -普氏硬度系数。,第六节 牙轮钻机的发展趋势,牙轮钻机的发展趋势主要有以下几个方面： 一、静态交流变频传动将成为回转传动的主要方式 二、加压和提升完全共用遗传动系统 三、整个小车式回转

14、加压提升系统可能取代封闭链条齿条式回转加压提升系统 四、底部回转顶部加压方式还有发展前途 五、加大钻孔直径 六、采用高钻架,ky-310A型牙轮钻机,KY-250D牙轮钻机,牙轮钻机,一章 1.岩石有哪些物理机械性质 2.坚固性系数的物理意义 3.机械破碎岩石的方法 4.流体压力对破碎漏斗形成机理的影响 二章 1.凿岩机的成孔原理 2.凿岩机的类型（按安装方式分） 3.风动凿岩机的主要组成，主要区别有那些 4.进入YT-23凿岩机的气路有几条，各支路压力的流动路线 5.定压（压差）配气和定程配气 6.活阀、碗装阀和无阀配气，那个能量利用率高且耗气量小 7.内外转钎机构的特点 8.风动凿岩机有那

15、些主要性能参数，分析这些参数时作了那些假定。 9.影响凿岩机冲击效率的关键因素 10.液压凿岩机的特点,三章 1.凿岩钻车的特点 2.CGJ2Y型钻车主要组成部分，工作机构包括那些 3.直角坐标支臂，极坐标支臂 4.钻车的推进器有那些形式，各具有的特点 5.液压自动平移机构的特点及原理 6.选择凿岩钻车应考虑的因素 7.确定凿岩钻车类型和台数的方法 四章 1.潜孔钻机的特点 2.J200B型冲击器的特点，防空打孔起何作用 3.井下潜孔钻机使用范围和主要组成 4.KQ200型潜孔钻机工作机构的组成 5.提升调压机构的工作原理 6.为何轴压力和钻具转速不能过高或过低 7.确定排渣风量的原则,五章 1.三牙轮钻头的构造 2.矿用三牙轮钻头的布齿原则和方法 3.轴承组组成及作用 4.牙轮布置方式，那种转速大，根据运动学分析，说明在使用上的区别 5.KY250型牙轮钻机的传动系统分为几个部分 6.KY250型牙轮钻机加压提升机构的作用 7.确定牙轮钻机工作参数的作用,