再论我国小直径钎具的锥体连接

再论我国小直径钎具的锥体连接再论我国小直径钎具的锥体连接张国榉 张汉斌中中国国地地质质大大学学（（武武汉汉））掘掘进进工工程程研研究究所所2008 年 10 月 27 日·井岗山第十四届全国钎钢钎具年会论文- 1 -再论我国小直径钎具的锥体连接张国榉张国榉 张汉斌张汉斌（中国地质大学[武汉]掘进工程研究所）内容摘要：内容摘要：我国年耗一字、三刃、十字、球齿、 复合型系列锥体连接钎头约 5000 万支，年耗锥体 连接钎杆约 8 万吨由于采用旧式锥体连接的苏 式老一字形钎头的传统影响，使许多钎具生产厂 和采掘部门，持续半个多世纪对钎头锥孔和钎梢 的工作与受力状况存在着误解，因而对国内科研 部门早在 1980 年就正式提出以新型锥体连接为 特征的钎头、钎杆研究成果，以及以瑞典、日本产 品为代表的先进锥体连接技术，长期视而不见人 们总是依据旧习惯，提出一些想当然的“理由”，企 图一点一滴地把新事物拖回原来的轨道他他们们未未 能科学、能科学、严肃严肃地地对对待国待国际标际标准（准（ISO1718- 1974、 、1991）关于）关于钎头锥钎头锥孔和孔和钎钎梢小端直径极限偏梢小端直径极限偏 差差值值、 、钎钎梢插入深度、孔底直壁梢插入深度、孔底直壁间间隙区、以及隙区、以及锥锥孔孔 深度的深度的严严格格规规定，使国定，使国产产小小钎头长钎头长期高度偏矮、期高度偏矮、锥锥 孔孔 7°锥锥面到底、孔深偏浅、面到底、孔深偏浅、钎钎梢偏短，致使梢偏短，致使钎钎梢插梢插 深不足，梢孔之深不足，梢孔之间间不能形成全面均衡接触（不能形成全面均衡接触（钎钎梢端梢端 面在面在锥锥孔孔锥锥面之内），梢孔表面接触面之内），梢孔表面接触应应力力过过高，高，钎钎 梢工作形成梢工作形成严严重的前重的前紧紧后松的后松的“钻钻牛角尖牛角尖”现现象，象， 由此造成由此造成频频繁的断梢、断腰和繁的断梢、断腰和裤裤体体胀胀裂与裂与钎头丢钎头丢 失事故，工人失事故，工人劳动劳动条件条件恶恶化，浪化，浪费费触目惊心。

触目惊心这也 人为地降低了本具优势的我国小钎头在国际钎具 市场的形象，削弱了它的竞争能力现在，我们应 当在新的认识高度基础上幡然弃旧图新，认真引 用国内外先进钎具科研成果，一丝不苟地积极创 造条件，严格贯彻执行最新的钎头、钎杆国家标准 （GB6480、GB6481）和国际标准（ISO1718-1991）， 以进一步提高我国锥体连接钎具的社会、经济效 益，并为加速其现代化步伐和大批量进入国际市 场而奋斗 关键词关键词：旧式锥体连接 新型锥体连接 梢端直径 孔底直壁间隙 钎梢插深 锻制钎梢、 机制钎梢1．落后、过时的苏式老一字形钎头我国锥体连接小直径钎头的历史，是从上世 纪五十年代初进口苏联钎头和引进苏联技术开始 的当时采用 B25 高碳钢钎杆，钎头外形尺寸为钎头直径×高度×裤体外径=φ46×62×φ38， 锥孔尺寸为孔口直径×锥角×孔深=φ25×7° ×32，镶 BK-15 旧式一字形合金片其外貌和几 何参数，见图图 1 1图图 1 苏式老一字形钎头外貌及几何参数苏式老一字形钎头外貌及几何参数（引自前苏联《采矿手册》1952 年莫斯科第一版；1954年重工业出版社北京第一版）该钎头高 62mm，锥孔口直径 25mm，孔深 32mm，锥角 7°，锥面直达孔底。

所用 B25 钎杆 钎梢小端直径 φ22mm，钎梢插深≤25mm除材质、 制造工艺、使用技术均较落后之外，其主要的几 何缺陷有四：①①锥孔太浅，孔底无直壁间隙区：锥孔太浅，孔底无直壁间隙区： 使钎梢和裤壁受力恶化；②②相对翼厚值太小：相对翼厚值太小：固 片不牢，炮眼不圆，几何形状稳定性差；③③排粉排粉 系统不良：系统不良：大小端径差值小，排粉通道不畅，钻 速慢，磨损快，易出现倒锥和圆柱化变形；④④旧旧 式合金片几何参数不合理：式合金片几何参数不合理：刃弧半径和片高过大， 易发生崩刃掉角，且合金有效利用率低其综合其综合 结果是：钻速慢、寿命短、钢材与合金浪费严重结果是：钻速慢、寿命短、钢材与合金浪费严重 通常其硬岩寿命只有通常其硬岩寿命只有 30m30m 左右，常以胀裤、裂裤、左右，常以胀裤、裂裤、 断腰、倒锥、圆柱化变形和脱碎片等方式早期报断腰、倒锥、圆柱化变形和脱碎片等方式早期报 废2．风靡世界的瑞典、日本钎头上世纪六十至七十年代，B22 合金钢钎杆逐 步取代 B25 高碳钢钎杆而居于主导地位瑞典、- 2 -日本、芬兰和西欧国家的小直径片状系列锥体连 接钎头，也以其几何结构参数比较合理、材质优 良、制造工艺先进和使用方法正确而风靡世界。

以瑞典 Sandvik、Secoroc，日本《三菱》 、 《东洋》、 《古河》 、 《东芝》 ，西欧《Boart》 ，芬兰 Kometa 等著名钎具公司为代表，其产品牢牢地控制着国 际钎具市场，详见图图 2 2图图 2 2 国际钎具市场流行的瑞典、日本、芬兰片状系列小直径锥体连接钎头外貌国际钎具市场流行的瑞典、日本、芬兰片状系列小直径锥体连接钎头外貌这些钎头直径为 φ36~φ42mm，平均高度 76.6mm（一字形75.8；十字形77） ，平均锥孔深度 53mm，平均裤体外径φ32mm（φ22锥孔为φ31.75; φ25 锥孔为 φ32.5） 其几何结构参数其几何结构参数 的显著特点之一，是普遍采用了带直壁的深锥孔，的显著特点之一，是普遍采用了带直壁的深锥孔， 使钎梢插入深度达到了使钎梢插入深度达到了 34~47mm，又保证了钎，又保证了钎 梢与锥孔全锥面均衡接触，从而既降低了钎梢与梢与锥孔全锥面均衡接触，从而既降低了钎梢与 锥孔表面的接触应力，又消除了钎梢工作时因出锥孔表面的接触应力，又消除了钎梢工作时因出 现现““钻牛角尖钻牛角尖””现象引起的前紧后松，和梢端局现象引起的前紧后松，和梢端局 部应力集中。

部应力集中这种新型锥体连接参数，使看起来 更为细长的钎梢，确更加经久耐用因为此时钎 梢通过锥孔壁传递的凿岩机活塞的冲击力，在更大的梢孔接触面上被均匀分布了，钎梢与锥孔壁 的弹塑性变形也相应减小，冲击能的有效利用率 提高，纯钻速将有所增加此外，细长钎梢还使 梢孔之间的同轴度改善，连接可靠，拆卸方便 （普遍使用卸钎器拆卸钎头） ，并能在提高钎头 腰部裤壁厚度的同时，进一步降低了钎头裤体直 径总之，新型锥体连接参数总结了国内外半个新型锥体连接参数总结了国内外半个 多世纪的实践经验，能有效地提高钎头的穿孔速多世纪的实践经验，能有效地提高钎头的穿孔速 度，延长钎杆和钎头的使用寿命，改善工人的劳度，延长钎杆和钎头的使用寿命，改善工人的劳 动条件，增进采掘作业的社会、经济效益动条件，增进采掘作业的社会、经济效益国际 标准 ISO1718-1991 规定的钎梢和锥孔连接参数， 见图见图 3 3 -图图 3 锥体连接钎梢和锥孔的几何参数锥体连接钎梢和锥孔的几何参数（引自国际标准 ISO1718-1991）经验表明：锥角 α 愈小，胀裤力将增加， 连接可靠而拆卸较难；锥角 α 愈大，胀裤力减 小，连接松弛而拆卸较易。

通常小功率凿岩机多采 用7°或更小的一些的锥角；岩石较硬，凿岩机 功率较大或钻车凿岩，多采用 12°锥角瑞典的 经验还表明：为了更好改善钎梢与锥孔的连接质 量，提高钎头锥孔的外观质量和防腐蚀能力，他 们在对钎头锥孔壁喷涂锌、铝等软金属涂层的同 时，还以+9′的偏差值，用精磨方法加工钎梢 在精心设计、精心制作和正确使用条件下， 瑞典小直径锥体连接十字形钎头在斯德哥尔摩花 岗岩中的保证寿命，可达 150m 以上；而日本、 芬兰一字形钎头的硬岩保证寿命，也可达 100m 以上它们的穿孔速度也是一流的，正常报废残 留刃高可降至 8mm 以下 ““感觉到的东西，我们不一定理解它只有感觉到的东西，我们不一定理解它只有 理解了的东西，才能更深刻地感觉它理解了的东西，才能更深刻地感觉它 ”瑞典、 日本钎头能以其一流的内在质量、外观质量、包 装质量和高昂价格风靡世界，皆源于一丝不苟的 科学态度和对技术精益求精对此，我们应当如 芒在背，及早猛醒3．新型锥体连接的梢孔受力分析新型锥体连接钎梢和锥孔的工作与受力状态， 如图图 4 4 所示图图 4 4 新型锥体连接钎梢与锥孔的受力和工作状态新型锥体连接钎梢与锥孔的受力和工作状态由于裤体钢材为塑性材料，按第三强度理论， 裤口内壁危险点的近似计算应力:][))((264. 02 32 3232 213rrrrHKaQctgrKKr式中：Q—钎刃承受的冲击力（N）—锥孔锥角（4.8°,7°,12°）a r —裤体半径（mm） r2——梢端半径（mm） r3 ——孔口半径（mm） H —钎梢插入锥孔深度（mm）)2()mm(223 atgrrHK1—动载系数。

考虑冲击载荷的影响，其 值可取 2~3K2—载荷加大系数考虑钎梢楔入时和工 作中裤壁承受的预应力，以及操作中附加外载的 影响，可通过静力卸钎试验测定，其值可取1.2~1.4 K3—钎梢与裤壁接触紧密程度系数加工 精细，锥孔壁加有紫铜皮衬垫或喷涂有软金属涂 层的钎头，K3值最大可达 1.0—r循环特征下的交变载荷许用应力][（MPa） 可根据裤体钢材静载许用应力+1对称 循环许用应力-1和循环待性 r 值计算确定 （1）式可以定性地说明：胀裤或裂裤的发 生，首先涉及到岩性、凿岩设备、风压、轴推力 等，这属于合理选择钎头，使之与工作条件相适 应的问题，实质上是钎头品种的系列化问题；其 次，涉及到破岩效率（纯钻速高低） 、裤体几何 结构（钎梢插深、锥孔角度、裤壁厚度） 、钎头 体钢材的强度，这是由钎头几何参数、材质和制 造工艺所决定的钎头本身的质量问题；最后，也 涉及到钎梢与锥孔的配合精度、钎梢与孔壁之间 的密合程度、装卸钎头的方式、合理的钎头修磨 规范、凿岩工技术熟练程度等，这属于使用技术 方面的问题显然，当其他因素固定时，钎头高当其他因素固定时，钎头高 度不够，锥孔偏浅，锥孔底几何结构不合理，钎度不够，锥孔偏浅，锥孔底几何结构不合理，钎 梢插深梢插深 H 值过小，是导致胀裤、裂裤、断腰、断值过小，是导致胀裤、裂裤、断腰、断 梢的重要原因。

梢的重要原因4．1980 年以来我国小直径锥体连接 钎头的四次技术突破(MPa) (1) (1)- 4 -应当说，我国钎具科技界对旧式锥体连接苏 式老一字钎头在质量、品种方面的落后状况，早 在上世纪六十年代就已注意到了为此，在几何 结构参数、材质、制造工艺、使用技术四个方面， 进行了长期的综合研究，取得了突出的成绩 1978 年科学春天到来之后，在年科学春天到来之后，在““淘汰老一字钎头，淘汰老一字钎头， 消灭手锤卸钎消灭手锤卸钎””的口号下，的口号下，1980 年地质部组织了年地质部组织了 ““新型硬质合金钎头及使用技术的研究新型硬质合金钎头及使用技术的研究””项目鉴项目鉴 定会，提供了三种新型一字形钎头、两种新型十定会，提供了三种新型一字形钎头、两种新型十 字型钎头和字型钎头和 DY-I 型滑锤式卸钎器产品，其使用型滑锤式卸钎器产品，其使用 效果达到了同类瑞典、日本产品水平，取得了我效果达到了同类瑞典、日本产品水平，取得了我 国片状系列锥体连接小直径钎头现代化事业的第国片状系列锥体连接小直径钎头现代化事业的第 一次技术突破现已遍及全国的新型马蹄一字形一次技术突破现已遍及全国的新型马蹄一字形 钎头，即以此为起点。

图钎头，即以此为起点图 5、图图 6，反映了七十 年代末我国新型小直径钎头就已达到的水平：一 字形钎头硬岩寿命过 100m；十字形钎头硬岩寿 命大于 150m这一指标，已经稳定地达到七十 年代末瑞典 Secoroc 公司在技术座谈中提出的保 证寿命水平 1984 年，地矿部召开了年，地矿部召开了““沉底式感应钎焊小沉底式感应钎焊小直径球齿及三刃形钎头的研究直径球齿及三刃形钎头的研究””项目鉴。