《第4章 牙輪鉆機(jī).鐢?shù)瀛愭暀妗堟暀瀛﹁錃g.鐢?shù)瀛愭暀妗堟暀瀛﹁錃g.ppt》由會(huì)員分享，可在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)《第4章 牙輪鉆機(jī).鐢?shù)瀛愭暀妗堟暀瀛﹁錃g.鐢?shù)瀛愭暀妗堟暀瀛﹁錃g.ppt（71頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)趨R文網(wǎng)上搜索。

1、第 4 章 牙輪鉆機(jī),目錄/本章主要內(nèi)容,4.1 牙輪鉆頭,4.2 KY-310A型牙輪鉆機(jī),4.3 牙輪鉆機(jī)選型,4.1 牙輪鉆頭,三牙輪鉆頭由切削元件（牙輪）、軸承和鉆頭體（牙掌）三個(gè)主要部分組成，如圖4-2所示。 牙輪安裝在軸承上，繞著軸承芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承芯軸則與牙掌連成一體。 當(dāng)鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，具有一定軸芯偏移和軸芯傾角的牙輪將產(chǎn)生沖擊、擠壓和刮削作用，在地層中產(chǎn)生最佳的鉆進(jìn)效果。 三片牙掌12組裝焊接成一只鉆頭，鉆頭一般采用英制圓錐管螺紋與鉆桿連接。三個(gè)牙輪l分別套在三個(gè)牙掌下端的軸頸10上。滾珠6從牙掌背上的塞銷(xiāo)孔送入滾珠軸承跑道內(nèi)，滾珠將牙輪限定在牙爪軸頸上。將塞銷(xiāo)11尾部堵焊在牙掌背

2、上。,圖4-2 牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)圖1-牙輪；2-止推塊；3-襯套；4-耐磨合金止推圓柱；5-軸承二道止推臺(tái)肩耐磨合金堆焊層； 6-滾珠；7-硬質(zhì)合金柱；8-平頭合金柱； 9-滾柱； 10-軸頸；11-塞銷(xiāo)；12-牙掌；13-軸承風(fēng)道；14-止逆閥座；15-閥片；16-閥蓋；17-閥桿；18-閥蓋窗孔；19-導(dǎo)向套；20-彈簧；21-墊圈；22-螺母；23-硬質(zhì)合金堆焊層；24-合金柱,4.1.1 牙輪鉆頭的基本結(jié)構(gòu),4.1 牙輪鉆頭,牙掌下部有一定傾角的軸頸10，與牙輪內(nèi)孔組成軸承副。軸頸承受載荷，需要較高的耐磨性及硬度，同時(shí)基體內(nèi)部又需要有足夠的強(qiáng)度及耐沖擊韌性。為保證鉆頭能夠承受鉆進(jìn)時(shí)的動(dòng)、靜

3、載荷及孔壁巖石的磨損，在牙掌背部鑲有合金柱24，在掌端焊有硬質(zhì)合金堆焊層23。 為了防止軸承過(guò)熱和被異物堵塞，采用壓氣或氣水混合物冷卻并吹洗軸承。由中空鉆桿通入鉆頭的壓縮空氣或氣水混合物，大部分經(jīng)中央噴管?chē)姵?，用于排碴；少部分?jīng)由軸承風(fēng)道13進(jìn)入滾珠軸承跑道和小軸端部，用以冷卻和吹洗軸承。為了防止突然停風(fēng)時(shí)巖碴倒流入軸承風(fēng)道，在鉆頭內(nèi)腔安裝有止逆閥。,圖4-2 牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)圖1-牙輪；2-止推塊；3-襯套；4-耐磨合金止推圓柱；5-軸承二道止推臺(tái)肩耐磨合金堆焊層； 6-滾珠；7-硬質(zhì)合金柱；8-平頭合金柱； 9-滾柱； 10-軸頸；11-塞銷(xiāo)；12-牙掌；13-軸承風(fēng)道；14-止逆閥座；15-

4、閥片；16-閥蓋；17-閥桿；18-閥蓋窗孔；19-導(dǎo)向套；20-彈簧；21-墊圈；22-螺母；23-硬質(zhì)合金堆焊層；24-合金柱,4.1.1 牙輪鉆頭的基本結(jié)構(gòu),4.1 牙輪鉆頭,（1） 牙掌 如圖4-3所示，牙掌是一個(gè)形狀復(fù)雜的異形體，其主要部分是各軸承的軸頸2、3、4，掌背9以及牙掌體上部與鉆桿相聯(lián)接的螺紋8。軸頸軸線(xiàn)與鉆頭軸線(xiàn)的夾角叫做軸傾角，一般為5055。 為減少掌背9的磨損，它與孔壁之間有1305的夾角。為了增強(qiáng)掌尖1的抗磨損能力，在其外表堆焊一薄層硬質(zhì)合金粉，并鑲焊一些平頭合金柱。,圖4-3 牙掌的構(gòu)造1-掌尖；2-滾柱軸承軸頸；3-滾珠軸承軸頸；4-滑動(dòng)軸承軸頸；5-軸承表面

5、與端面耐磨合金堆焊層； 6-軸承風(fēng)道；7-連接定位銷(xiāo)孔；8-螺紋； 9-掌背； 10-小軸端面,4.1.1 牙輪鉆頭的基本結(jié)構(gòu),4.1 牙輪鉆頭,（2） 牙輪 在圖4-2中，牙輪1是用合金鋼經(jīng)過(guò)模鍛而成的錐體，牙輪錐體或直接銑出楔形形成銑齒鉆頭（圖4-4a），或在牙輪外錐面的齒圈上鑲裝大小、形狀不同的硬質(zhì)合金柱構(gòu)成鑲齒鉆頭（圖4-4b）。 鑲齒鉆頭的硬度和抗磨性比銑齒鉆頭高，使用壽命較長(zhǎng)，尤其是破碎具有研磨性的硬地層，效果更好，其適用地層范圍廣、進(jìn)尺深、鉆速高。鑲齒鉆頭齒形有球形、錐形、楔形、勺形、錐勺形、偏頂勺形、平頭形、圓頂楔形等10多種。鉆頭齒形、大小、數(shù)量、長(zhǎng)短取決于所鉆地層的硬度，地

6、層越軟，則牙齒越大、越尖、數(shù)量越少；反之，地層越硬，牙齒越小、越短、數(shù)量越多。因此，需根據(jù)不同地層、不同巖性的破碎機(jī)理，選用與其相適應(yīng)的牙輪鉆頭。,a b圖4-4 鑲齒牙輪鉆頭和銑齒牙輪鉆頭a-銑齒牙輪鉆頭；b-鑲齒牙輪鉆頭,4.1.1 牙輪鉆頭的基本結(jié)構(gòu),4.1 牙輪鉆頭,沿軸頸軸線(xiàn)方向至鉆頭軸線(xiàn)，每只牙輪外錐面布置外、中、內(nèi)三道齒圈，各道齒圈之間有一定寬度的齒槽，以滿(mǎn)足排渣需要。 牙輪布齒原則： 一是鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)一周，各齒圈上的牙齒齒痕能完全覆蓋孔底，不留下未被破碎的凸起； 二是為保持三牙輪負(fù)載均勻和磨損均衡，各牙輪任何時(shí)候接觸孔底的齒數(shù)相等； 三是為避免孔底巖石重復(fù)破碎，牙輪重復(fù)滾動(dòng)時(shí)，牙齒

7、不落入其它齒已經(jīng)破碎的舊坑內(nèi)； 四是為使鉆頭自洗，各牙輪的中間齒圈相間布置，互不重復(fù)，內(nèi)齒圈部分重復(fù)，外齒圈相互重復(fù)。,a b圖4-4 鑲齒牙輪鉆頭和銑齒牙輪鉆頭a-銑齒牙輪鉆頭；b-鑲齒牙輪鉆頭,4.1.1 牙輪鉆頭的基本結(jié)構(gòu),4.1 牙輪鉆頭,牙輪外錐面具有兩種至多種錐度。單錐牙輪僅由主錐和背錐組成，這種牙輪在井底的運(yùn)動(dòng)為純滾動(dòng)，適用于硬地層鉆進(jìn)；復(fù)錐牙輪由主錐、副錐和背錐組成，復(fù)錐牙輪有一個(gè)或兩個(gè)副錐，這種牙輪在井底工作除了滾動(dòng)外，還產(chǎn)生滑動(dòng)，用于較軟地層的鉆進(jìn)。牙輪錐面結(jié)構(gòu)形式如圖4-5。 在圖4-2中，在牙輪背錐上鑲嵌有硬質(zhì)合金柱7、平頭合金柱8，防止背錐磨損。牙輪內(nèi)腔設(shè)有滾柱跑道、

8、滾珠跑道、滑套和止推塊空腔。,圖4-5 牙輪錐面結(jié)構(gòu)形式a-單錐；b、c-復(fù)錐1-主錐；2-副錐；3-背錐,4.1.1 牙輪鉆頭的基本結(jié)構(gòu),4.1 牙輪鉆頭,滾動(dòng)軸承有“滾柱（大軸）滾珠（中軸）滾柱（小軸）止推”和“滾柱（大軸）滾珠（中軸）滑動(dòng)（小軸）止推”兩種結(jié)構(gòu)形式。 K（寬齒）系列鉆頭為非密封式滾動(dòng)軸承，屬礦用牙輪鉆頭，采用壓氣冷卻鉆頭，軸承工作壽命較高。 滑動(dòng)軸承目前也有“滑動(dòng)（大軸）滾動(dòng)（滾珠，中軸）滑動(dòng)（小軸）止推”和“滑動(dòng)（大軸）滑動(dòng)（或卡簧，中軸）滑動(dòng)（小軸）止推”兩種結(jié)構(gòu)形式。,圖4-6 牙輪鉆頭的軸承結(jié)構(gòu)a-滾動(dòng)軸承；b-滑動(dòng)軸承；c-卡簧滑動(dòng)軸承1-大軸承；2-中軸承；3

9、-小軸承；4-止推軸承；5-卡簧,4.1.1 牙輪鉆頭的基本結(jié)構(gòu),4.1 牙輪鉆頭,牙輪鉆頭的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4-7所示。 軸傾角的大小，直接影響牙輪軸承的受力狀況和軸承的強(qiáng)度。減小軸傾角，可以使軸承的徑向負(fù)荷減小。隨著巖石硬度的提高，軸壓力必須增大。為了減小軸承的徑向負(fù)荷以延長(zhǎng)鉆頭的壽命，可適當(dāng)?shù)販p小軸傾角。但是軸傾角減小后，相鄰兩牙輪之間的軸間角減小了，軸承的結(jié)構(gòu)尺寸也隨之減小，從而削弱了軸承的強(qiáng)度。從增加軸承尺寸來(lái)提高軸承強(qiáng)度的方法來(lái)說(shuō)，希望盡量增大軸傾角。礦用牙輪鉆頭軸傾角多采用54。 主錐孔底角應(yīng)保證有足夠的軸向推力。當(dāng)牙輪磨損后，可通過(guò)止推軸承的磨損并在軸向推力的作用下，使牙輪向外

10、移位，保證鉆孔直徑不因牙輪的圈損而變小。 軸傾角、孔底角、主錐角三者滿(mǎn)足:=+-90,圖4-7 牙輪鉆頭主要結(jié)構(gòu)參數(shù)D-鉆頭直徑；-軸傾角；-孔底角；-主錐角；-副錐角；M-主錐超頂值；C-牙掌基準(zhǔn)值；e-裝配間隙；S-移軸值；H-牙輪高度,4.1.2 牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)參數(shù),4.1 牙輪鉆頭,牙輪鉆頭的破巖作用，不僅與牙輪錐面結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，而且與牙輪的布置形式密切相關(guān)。 （1）相關(guān)術(shù)語(yǔ) 將牙輪間的牙齒齒圈布置成互相嵌合，一個(gè)牙輪的齒圈之間積存的巖屑由另一個(gè)牙輪齒圈的牙齒剔除，這種方式稱(chēng)作牙輪鉆頭的自洗。 牙輪由兩個(gè)或兩個(gè)以上不同錐度的椎體組成，稱(chēng)為復(fù)錐。復(fù)錐牙輪包括主錐和副錐。不同椎體錐頂不一致

11、，主錐錐頂與鉆頭軸線(xiàn)重合，而副錐頂?shù)难由炀€(xiàn)是超頂?shù)?。牙輪的錐頂超過(guò)了鉆頭軸線(xiàn)，稱(chēng)為超頂。超過(guò)的距離稱(chēng)為超頂距。復(fù)錐牙輪由于牙輪線(xiàn)速度不再作直線(xiàn)分布，同時(shí)由于副錐是超頂?shù)?，因而產(chǎn)生滑動(dòng)。超頂距愈大，滑動(dòng)量愈大。 將牙輪軸線(xiàn)水平移動(dòng)一定距離，使其不與鉆頭軸線(xiàn)相交，稱(chēng)為移軸。但三個(gè)牙輪軸線(xiàn)在鉆頭中央相交成一個(gè)三角形。三角形愈大，移軸愈大，滑動(dòng)愈大。 根據(jù)牙輪鉆頭是否具備自洗功能，和鉆孔時(shí)是否需要采用復(fù)錐、超頂、移軸實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)，牙輪的布置形式有非自洗不移軸不超頂布置、自洗超頂不移軸布置和自洗超頂移軸布置，以適應(yīng)不同硬度巖層的鉆進(jìn)。,4.1.3 牙輪的布置形式,4.1 牙輪鉆頭,（2）非自洗無(wú)滑動(dòng)布置 如

12、圖4-8所示，三牙輪軸線(xiàn)與主錐母線(xiàn)交于牙輪鉆頭軸線(xiàn)，不移軸、不超頂布置。 牙輪在孔底的運(yùn)動(dòng)屬純滾動(dòng)，無(wú)滑動(dòng)。牙輪的齒圈不與相鄰牙輪齒圈嵌合，確定齒寬時(shí)不受輪齒圈限制。但各牙輪間要保持一定的間隙，牙輪尺寸須適當(dāng)縮小，因而牙輪體積較小。 這種布置形式適合硬地層鉆進(jìn)。,圖4-8 牙輪非自洗不移軸不超頂布置,4.1.3 牙輪的布置形式,4.1 牙輪鉆頭,（3）自洗超頂不移軸布置 如圖4-9所示，牙輪軸線(xiàn)交于鉆頭軸線(xiàn)，屬不移軸。但主錐超頂布置，牙輪在孔底具有切向滑動(dòng)。各牙輪齒圈相互嵌合，具有自洗功能。 由于相鄰牙輪齒圈之間存在間隙，會(huì)形成孔底環(huán)狀突起，但在鉆進(jìn)軟地層時(shí)影響不大。 這種布置形式適合軟及中硬

13、地層鉆進(jìn)。,圖4-9 牙輪自洗超頂不移軸布置,4.1.3 牙輪的布置形式,4.1 牙輪鉆頭,（4）自洗超頂移軸布置 如圖4-10所示，牙輪齒圈相互嵌合，牙輪具有自洗功能；牙輪采用超頂布置，牙輪可在孔底產(chǎn)生切向滑動(dòng)；同時(shí)牙輪移軸布置，牙輪產(chǎn)生徑向滑動(dòng)，可消除孔底環(huán)狀突起。 這種布置形式適合軟地層鉆進(jìn)。,圖4-10 牙輪自洗超頂移軸布置,4.1.3 牙輪的布置形式,4.1 牙輪鉆頭,牙輪鉆頭的破巖作用，與其在孔底的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)。 牙輪鉆頭工作時(shí)，每個(gè)牙輪既繞牙輪軸自轉(zhuǎn)，又繞鉆頭軸線(xiàn)公轉(zhuǎn)；牙輪中心既隨鉆頭的推進(jìn)而下降，并因牙齒單、雙齒交替著地引起牙輪及鉆頭產(chǎn)生縱向振動(dòng)；牙齒既在巖石上滾動(dòng)，

14、又可能同時(shí)存在軸向和切向滑動(dòng)。從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度分析，牙輪鉆頭在孔底的運(yùn)動(dòng)是包括上述四種運(yùn)動(dòng)形式的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。 （1）牙齒的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn) 牙輪鉆頭依靠牙齒破碎巖石，牙輪鉆頭工作時(shí)，固定在牙輪上的牙齒隨鉆頭一起繞鉆頭軸線(xiàn)作順時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)作公轉(zhuǎn)。公轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速就是鉆桿或動(dòng)力鉆具的旋轉(zhuǎn)速度。牙輪上各圈牙齒公轉(zhuǎn)的線(xiàn)速度各異，外圈齒公轉(zhuǎn)的線(xiàn)速度最大。 牙輪鉆頭工作時(shí)，牙齒繞牙輪軸線(xiàn)作逆時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)稱(chēng)為自轉(zhuǎn)。牙輪自轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速與鉆頭轉(zhuǎn)速即公轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速以及牙齒對(duì)井底的作用有關(guān)。 牙輪以及牙輪上牙齒的自轉(zhuǎn)是破碎巖石時(shí)牙齒與孔底巖石之間相互作用的結(jié)果。,4.1.4 牙輪鉆頭的工作原理,4.1 牙輪鉆頭,（2）牙

15、輪鉆頭的縱向振動(dòng) 如圖4-11所示，鉆頭工作時(shí)，牙輪滾動(dòng)，牙齒與孔底的接觸以單齒、雙齒交錯(cuò)進(jìn)行。單齒接觸孔底時(shí)（圖中位置1），牙輪的中心處于最高位置O；雙齒接觸孔底時(shí)（圖中位置2和1），則牙齒的中心下降至O。 牙輪在滾動(dòng)過(guò)程中，牙輪中心的位置不斷上下變換，使鉆頭沿軸向作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即鉆頭的縱向振動(dòng)。鉆頭的縱向振動(dòng)使牙齒產(chǎn)生沖擊力，以沖擊方式破碎巖石。 同時(shí)，由于孔底坑洼不平以及凸臺(tái)的存在，疊加了鉆頭在孔底振幅較大的低頻振動(dòng)。鉆頭在孔底的縱向振動(dòng)，使鉆桿不斷壓縮與伸張，周期變化的彈性能通過(guò)牙齒轉(zhuǎn)化為沖擊作用，與靜載壓入一起形成了鉆頭對(duì)地層的沖擊、壓碎作用，這是牙輪鉆頭破巖的主要形式。,圖4-1

16、1 牙輪鉆頭的縱向振動(dòng),4.1.4 牙輪鉆頭的工作原理,4.1 牙輪鉆頭,為了提高牙輪鉆頭對(duì)中硬和軟巖層的破碎效率，除了要求牙齒對(duì)孔底巖石有沖擊、壓碎作用外，還要求有一定的剪切作用。剪切作用主要是通過(guò)牙輪在孔底滾動(dòng)的同時(shí)，還發(fā)生牙齒相對(duì)孔底巖石的滑動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。產(chǎn)生滑動(dòng)的主要因素有三個(gè)，即超頂、復(fù)錐和移軸。當(dāng)牙輪錐頂不與鉆頭軸線(xiàn)重合時(shí)就有滑動(dòng)產(chǎn)生。 （3）牙輪超頂和復(fù)錐引起切向滑動(dòng) 牙輪超頂和復(fù)錐均會(huì)引起牙輪在孔底的切向滑動(dòng)，如圖4-12所示。,圖4-12 牙輪超頂和復(fù)錐引起切向滑移速度合成圖a-牙輪超頂引起切向滑移速度合成圖；b-牙輪復(fù)錐引起切向滑移速度合成圖b-牙輪鉆頭公轉(zhuǎn)角速度；-牙輪自轉(zhuǎn)角速度；vbx-鉆頭公轉(zhuǎn)線(xiàn)速度；vcx-牙輪自轉(zhuǎn)線(xiàn)速度；vsx-牙輪相對(duì)于巖石的滑動(dòng)速度；ba-牙輪與孔底巖石接觸母線(xiàn)；c-超頂距；M-純滾動(dòng)點(diǎn),4.1.4 牙輪鉆頭的工作原理,4.1 牙輪鉆頭,如圖4-12a，三個(gè)牙輪的軸線(xiàn)均通過(guò)鉆頭中心，但其錐頂均超出鉆頭中心一定距離c（超頂布置）的牙輪鉆頭，牙輪鉆頭公轉(zhuǎn)角速度為b，牙輪自轉(zhuǎn)角速度為。 牙輪與孔底巖石接觸母線(xiàn)ba上任意點(diǎn)x，由b引起的的速度Vb