第5章牙轮钻机

1、 让人真正得到全面发展，这是教育理让人真正得到全面发展，这是教育理论的核心和本质问题；论的核心和本质问题； 如何塑造社会发展进步所需要的人，如何塑造社会发展进步所需要的人，这是教育的本质问题。这是教育的本质问题。 武汉理工大学武汉理工大学 机电工程学院机电工程学院 武汉理工大学武汉理工大学 机电工程学院机电工程学院 第一节 牙轮钻机的发展概况牙轮钻机的发展概况第二节 牙轮钻头的类型牙轮钻头的类型第三节 牙轮钻头运动学及凿岩原理牙轮钻头运动学及凿岩原理第四节 KY250A型牙轮钻机型牙轮钻机第六节 牙轮钻机的发展牙轮钻机的发展第五节 牙轮钻机工作参数的确定牙轮钻机工作参数的确定 我国从1958年

2、起研制牙轮钻机，自1976年定型并批量生产HYZ-250C牙轮钻机以后，牙轮钻机的研制和应用迅速发展起来。首先研制了KY系列牙轮钻机，钻孔范围为120310mm，有五种机型，其中KY-250钻机已有近五十台应用于各种大型露天矿，其性能相当于美国45-R钻机；近年来，又开发了YZ系列牙轮钻机，钻孔范围为90380mm，有三种机型。其中YZ-35、YZ-55钻机的性能与美国的同类型产品45-R、60-R钻机不相上下，且略高于原苏联同类型钻机250MH、C320的水平。当前，我国牙轮钻机的设计、制造水平和钻孔技术己经达到了世界先进水平。国产牙轮钻机的技术特征列于表5-1。国外牙轮钻机的技术特征列于表

3、5-2。 三牙轮钻头由切削元件（牙轮），轴承和钻头体（牙爪）三个主要部分组成。牙轮安装在轴承上，绕着轴承芯轴转动，轴承芯轴则与钻头体连成一体，当钻头转动时，具有一定轴芯偏移和轴芯倾角的牙轮将产生挤压挤压，铲凿铲凿和刮削刮削作用，在地层中产生最佳的钻进效果。比较主要部件是牙爪、牙轮和轴承主要部件是牙爪、牙轮和轴承。三。三个牙爪个牙爪12合并在一起，焊接成一个合并在一起，焊接成一个整体。与钻杆连接的端部螺纹，一整体。与钻杆连接的端部螺纹，一般为英制圆锥管螺纹。三个牙轮般为英制圆锥管螺纹。三个牙轮l分分别套在三个牙爪别套在三个牙爪12下端的轴颈下端的轴颈10上。滚珠上。滚珠6从牙爪背上的塞销孔送从牙

4、爪背上的塞销孔送入滚珠轴承跑道内，滚珠将牙轮限入滚珠轴承跑道内，滚珠将牙轮限定在牙爪轴颈上。将塞销定在牙爪轴颈上。将塞销11尾部堵尾部堵焊在牙爪背上。焊在牙爪背上。 为了防止轴承过热和被异物堵塞，为了防止轴承过热和被异物堵塞，采用压气或气水混合物冷却并吹洗采用压气或气水混合物冷却并吹洗轴承。由中空钻杆通入钻头的压缩轴承。由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；少部分经由喷管喷出，用于排碴；少部分经由轴承风道轴承风道13进入滚珠轴承跑道和小进入滚珠轴承跑道和小轴端部，用以冷却和吹洗轴承。为轴端部，用以冷却和吹洗轴承。为了防止突然停风

5、时岩碴倒流入轴承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。风道，在钻头内腔安装有止逆阀。 牙爪是形状复杂的异形体。其主要部牙爪是形状复杂的异形体。其主要部分是各轴承的轴颈分是各轴承的轴颈2、3、4，爪背，爪背9以及牙爪体上部与钻杆相联接的螺纹以及牙爪体上部与钻杆相联接的螺纹8。轴颈轴线与钻头轴线的夹角。轴颈轴线与钻头轴线的夹角叫叫做轴倾角，一般为做轴倾角，一般为5055。 为了减少爪背为了减少爪背9的磨损，在爪背与的磨损，在爪背与孔壁之间有孔壁之间有1305的夹角。为的夹角。为了增强爪尖了增强爪尖1的抗磨损能力，在爪尖的抗磨损能力，在爪尖外表堆焊一薄层硬质合金粉，并镶焊外表堆

6、焊一薄层硬质合金粉，并镶焊一些平头合金柱一些平头合金柱(如图如图5-2)。 钻机施加给钻头上的轴压，通过轴钻机施加给钻头上的轴压，通过轴颈及轴承传给牙轮。为了增强轴颈的颈及轴承传给牙轮。为了增强轴颈的耐磨性，在轴颈耐磨性，在轴颈4和小轴端面和小轴端面10上堆上堆焊有耐磨合金层焊有耐磨合金层5。 在牙轮的外表面上在牙轮的外表面上钻有若干排孔，用冷钻有若干排孔，用冷压方法将硬质合金柱压方法将硬质合金柱压入孔内。压入孔内。 每一排柱齿都构成每一排柱齿都构成一个齿圈。各齿圈之一个齿圈。各齿圈之间有一定宽度的齿槽，间有一定宽度的齿槽，满足排渣需要。满足排渣需要。 在背锥上在背锥上镶嵌有平头镶嵌有平头硬质

7、合金柱硬质合金柱7、8，防，防止背锥磨损。止背锥磨损。牙轮内部设有滚柱跑道、滚珠跑道、滑套和止推块空腔。 各牙轮的中间齿圈相间布置，互不重复自洁式布齿。内齿圈部分重复；内齿圈部分重复；边齿圈相互重复；边齿圈相互重复；布齿原则布齿原则各齿圈上的柱齿齿痕能完全各齿圈上的柱齿齿痕能完全覆盖孔底；覆盖孔底；各牙轮任何时候接触孔底的各牙轮任何时候接触孔底的齿数相等齿数相等三牙轮负载均匀；三牙轮负载均匀； 牙轮钻头按轴承的类型一般分为两类：滑动轴承钻头和滚动轴承钻头，具有滑动滚珠轴承结构的钻头叫滑动轴承钻头滑动轴承钻头，而具有滚柱滚珠轴承结构的钻头叫滚动轴承钻头滚动轴承钻头。 为了防止钻井液进入轴承，并适

8、应各种不同转速的要求，密封轴承钻头采用了特殊的密封件材料和结构。在钻进作业时，储存在压力补偿储油密封系统中的润滑脂，不断的供给轴承，减少了磨擦扭矩和磨损。为了延长钻头寿命，承受极大冲击载荷的轴承采用优质合金钢材制成，并对轴承表面进行特殊热处理。在牙轮内孔表面嵌有能减少磨擦的合金，在轴颈上焊有抗咬合的耐磨合金，因此滑动轴承的使用寿命较长。密封轴承密封轴承 三牙轮钻头按齿形分为两大类：铣齿钻头铣齿钻头和镶齿钻镶齿钻头头。为了在具有不同硬度的各类地层中钻进，铣齿钻头的切削齿和镶齿钻头中所用的硬质合金齿被加工成各种不同的形状和尺寸。（川石牌）三牙轮钻头所用的镶齿有以下几种：球形，锥球形，瓢形，偏顶瓢形

9、，多边形，平头形以适应各类地层。（川石牌）三牙轮钻头的硬度分为七个等级：极软，软，中软，中等，中硬，硬，极硬等，铣齿钻头的硬度等级分别由数字1至7代表，镶齿钻头的硬度等级分别由数字11至77代表。正确选择适合地层硬度等级的齿形正确选择适合地层硬度等级的齿形是获得最大机械钻速的关键。是获得最大机械钻速的关键。 最佳的布齿位置和齿所选用的优质硬最佳的布齿位置和齿所选用的优质硬质合金钢材，有助于钻头在钻进中获得质合金钢材，有助于钻头在钻进中获得最大效率；最大效率； 选用最佳密封压缩量、具有特殊密封选用最佳密封压缩量、具有特殊密封结构的优化密封设计，有效地提高了轴结构的优化密封设计，有效地提高了轴承密

10、封的性能；承密封的性能； 改善的外排齿结构和表面硬化处理的改善的外排齿结构和表面硬化处理的裙部使钻头具有更好的规径保护；裙部使钻头具有更好的规径保护； 可限制压差并防止泥沙堵塞传压孔的可限制压差并防止泥沙堵塞传压孔的先进贮油补偿结构增加轴承润滑的可靠先进贮油补偿结构增加轴承润滑的可靠性；性； 牙爪轴头堆焊耐磨合金材料，牙轮内牙爪轴头堆焊耐磨合金材料，牙轮内孔表面进行特殊工艺处理，因此提高轴孔表面进行特殊工艺处理，因此提高轴承承载能力和延长使用寿命。承承载能力和延长使用寿命。 1.SHJ系列镶齿钻头不仅保留了系列镶齿钻头不仅保留了SH系列钻头的优点，而且采用系列钻头的优点，而且采用了世界最新的金

11、属密封技术，了世界最新的金属密封技术，确保轴承密封更有效，更持久，确保轴承密封更有效，更持久，适应更高转速；适应更高转速；2.采用最佳的布齿结构和选用采用最佳的布齿结构和选用优质硬质合金齿材料有助于钻优质硬质合金齿材料有助于钻头在钻进中获得最大效率；头在钻进中获得最大效率；3.牙爪轴颈堆焊耐磨合金材料，牙爪轴颈堆焊耐磨合金材料，牙轮内孔表面进行特殊工艺处牙轮内孔表面进行特殊工艺处理。因此提高了轴承承载能力、理。因此提高了轴承承载能力、延长了使用寿命。延长了使用寿命。 1.SHT系列镶齿钻头不仅保留了系列镶齿钻头不仅保留了SH系列镶齿钻头的优点，而且采用系列镶齿钻头的优点，而且采用了最新的了最新

12、的GT技术，大幅度的增加钻头的规径保护能力和机械转速；技术，大幅度的增加钻头的规径保护能力和机械转速；2.切削元件采用最新的瓢形硬质合金齿，具有更大的直径和出刃高切削元件采用最新的瓢形硬质合金齿，具有更大的直径和出刃高度，提高了钻进速度；度，提高了钻进速度；3.特殊的橡胶密封结构和新型的胶圈材料加强了大轴密封系统的可特殊的橡胶密封结构和新型的胶圈材料加强了大轴密封系统的可靠性，延长了密封寿命；靠性，延长了密封寿命；4.新型的压差式储油密封补偿系统更可靠。新型的压差式储油密封补偿系统更可靠。 1.特殊的钻头结构适合于矿山钻进使用；特殊的钻头结构适合于矿山钻进使用；2.最佳齿面结构设计使钻头既具有

13、最大的最佳齿面结构设计使钻头既具有最大的井底覆盖率，又增大了牙轮体间的排屑通井底覆盖率，又增大了牙轮体间的排屑通道，因此钻头钻进更平稳，能保持更高的道，因此钻头钻进更平稳，能保持更高的钻进速度；钻进速度；3.轴承具有更高的负荷强度，更强的耐磨轴承具有更高的负荷强度，更强的耐磨性，适应更快的转速和具有更长的使用寿性，适应更快的转速和具有更长的使用寿命；命；4.SK系列的三牙轮钻头使用压缩空气作系列的三牙轮钻头使用压缩空气作为穿孔介质。合理的喷嘴角度不仅增加排为穿孔介质。合理的喷嘴角度不仅增加排屑率，而且将喷屑对牙轮的冲蚀减至最小；屑率，而且将喷屑对牙轮的冲蚀减至最小；5.牙爪背部镶嵌平头硬质合金

14、保径齿，牙牙爪背部镶嵌平头硬质合金保径齿，牙爪裙部敷焊碳化钨耐磨合金粉以延缓规径爪裙部敷焊碳化钨耐磨合金粉以延缓规径磨损。磨损。 XMP系列滚动密封轴承镶齿钻头1.优化牙轮齿面结构布置和优选硬优化牙轮齿面结构布置和优选硬质合金齿材料、齿形，有助于提高质合金齿材料、齿形，有助于提高牙轮齿的破岩效率。牙轮齿的破岩效率。2.滚动加钢球锁紧牙轮轴承结构，滚动加钢球锁紧牙轮轴承结构，具有承受较高钻压和适应高转速的具有承受较高钻压和适应高转速的能力。能力。3.止推轴承副表面焊敷耐磨合金和止推轴承副表面焊敷耐磨合金和减磨处理，提高了钻头承受轴向载减磨处理，提高了钻头承受轴向载荷和止推面抗咬合的能力。荷和止推

15、面抗咬合的能力。4.加强牙轮外排齿，牙爪裙部焊敷加强牙轮外排齿，牙爪裙部焊敷高耐磨合金增强钻头保径。高耐磨合金增强钻头保径。 090 轴倾角轴倾角的大小的大小，直接影响着牙轮轴承的受力状况和轴承的强度。减小轴倾角，可以使轴承的径向负荷减小。随着岩石硬度的提高，轴压力必须增大。为了减小轴承的径向负荷以延长钻头的寿命，而适当地减小轴倾角。但是轴倾角减小后，相邻两牙轮之间的轴间角减小了，轴承的结构尺寸也随之减小，从而削弱了轴承的强度。从增加轴承尺寸来提高轴承强度的方法来说，希望尽量增大轴倾角。矿用牙轮钻头的轴倾角多采用=54。 孔底角孔底角应保证有足够的轴向推力。当牙轮磨损后，可通过止推轴承的磨损并

16、在轴向推力的作用下，使牙轮向外移位，保证钻孔直径不因牙轮的磨损而变小。 牙轮钻头使用中常见的问题是规径的极度磨损，牙轮钻头使用中常见的问题是规径的极度磨损，这一问题的严重性随着地层硬度的增加而增加。为这一问题的严重性随着地层硬度的增加而增加。为了加强规径保护，在牙轮规径面嵌有硬质合金保径了加强规径保护，在牙轮规径面嵌有硬质合金保径齿，并且在钻头裙部和钢齿钻头的齿面焊敷耐磨性齿，并且在钻头裙部和钢齿钻头的齿面焊敷耐磨性强的合金材料。强的合金材料。 钻井液是直接影响钻井工作成功的最重要因素之钻井液是直接影响钻井工作成功的最重要因素之一。在操作中所需要的钻井液随不同的钻井条件而一。在操作中所需要的钻

17、井液随不同的钻井条件而不断更换。川石牌三牙轮钻头适合在所有钻井液中不断更换。川石牌三牙轮钻头适合在所有钻井液中工作工作。 工作时，加压机构通过钻杆给钻头施以很工作时，加压机构通过钻杆给钻头施以很高的轴向压力，牙轮则被压在孔底上。当回高的轴向压力，牙轮则被压在孔底上。当回转供风机构使钻具以一定的转速回转时，钻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。以绕本身轴线自转。 在设计牙轮钻头时，需要确定牙轮的运动学参数；在选用牙轮钻头时，必须了解因牙在选用牙轮钻头时，必须了解因牙轮的布置方式不同，致使运动状态不同，

18、其轮的布置方式不同，致使运动状态不同，其破碎岩石的效果也不同。破碎岩石的效果也不同。 牙轮在孔底的运动是非常复杂的，其运动学参数不仅与钻杆的运动参数、轴压力、牙轮布置方式、牙轮形状有关，而且还与孔底的环境、轴承的好坏、钻杆的变形等因素有关。(1)只考虑钻头上一个单锥牙轮的运只考虑钻头上一个单锥牙轮的运动，钻头的孔底角为零；动，钻头的孔底角为零；(2)钻杆匀速转动；钻杆匀速转动；(3)孔底为刚体；孔底为刚体；(4)不超顶不移轴布置和移轴布置的不超顶不移轴布置和移轴布置的牙轮作纯滚动，超顶布置的牙轮由于牙轮作纯滚动，超顶布置的牙轮由于轴压力的作用获得最大转速。轴压力的作用获得最大转速。 牙轮锥体的

19、牙轮锥体的顶点落在钻顶点落在钻杆轴线上，杆轴线上，称为不超顶称为不超顶不移轴布置。不移轴布置。 假设假设牙轮锥体的牙轮锥体的顶点落在钻顶点落在钻杆轴线上，杆轴线上，称为不超顶称为不超顶不移轴布置。不移轴布置。 以牙轮轴以牙轮轴OA为动参考系，则为动参考系，则OA轴连同牙轮轴连同牙轮绕钻杆轴线的转动为牵连运动，牙轮绕绕钻杆轴线的转动为牵连运动，牙轮绕OA轴轴的自转为相对运动。根据运动的合成原理，的自转为相对运动。根据运动的合成原理，有有 LTHvvv动点的相对速度矢量动点的相对速度矢量 动点的牵连速度矢量动点的牵连速度矢量 动点的绝对动点的绝对速度矢量速度矢量 孔底接触线孔底接触线Om上的最外一

20、点上的最外一点m，其，其vT、vL方向如方向如图所示，它们在图所示，它们在x轴上的投影为零轴上的投影为零 0LxTxHxvvv0LyTyHyvvv0LTrR0LTrnRnsinTTLnrRnn牙轮锥半顶角牙轮锥半顶角牙轮锥体的顶点落在钻杆轴线上，称为不超顶不移轴布置。牙轮锥体的顶点落在钻杆轴线上，称为不超顶不移轴布置。牙轮作纯滚动，牙轮作纯滚动，m点的绝对速度在点的绝对速度在y轴上的投影为零轴上的投影为零 牙轮转速牙轮转速钻杆转速钻杆转速牙轮轴线牙轮轴线OA相对于钻头相对于钻头X轴线移动一垂直轴线移动一垂直距离距离s，称为移轴布置。，称为移轴布置。 点m的速度为 、 ，将它们投影到x轴上，有

21、TvLvTTLxTxHxsmOvvvsinm点在x方向的绝对速度，即沿接触线方向的滑动速度，负号表示速度方向为所设x轴的负方向，mm/s； 移轴距，mm Om与x轴正向的夹角， 同样，根据假设(4)，对于m点 0HyLyTyvvv0cosLTrmO03030LTnrmomonmo sinTTLnnrmon 移轴引起牙轮沿接触线方向滑动，滑动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。与不超顶不移轴布置的牙轮转速大小相

22、等。 结论结论牙轮轴线与钻杆轴线相交，但锥顶点不在钻杆牙轮轴线与钻杆轴线相交，但锥顶点不在钻杆轴线上，对副锥来说就是超顶布置轴线上，对副锥来说就是超顶布置 设超顶量为设超顶量为K，以锥顶点，以锥顶点0为原点，建立坐标系。为原点，建立坐标系。TTKxv)(sinLLxv此两式即为此两式即为 、 的分布函数，它们的方向和在接触线上的分布函数，它们的方向和在接触线上的分布如图中的速度图所示。由图可见，的分布如图中的速度图所示。由图可见， 、 在在x轴上的轴上的投影为零，所以投影为零，所以 0LxTxHxvvvTvLv速度矢量在速度矢量在y方向上的分量表达式方向上的分量表达式 TLTLTLyTyHyK

23、xxKxvvv)sin(sin)(TvLv由叠加后的速度图可见，在接触由叠加后的速度图可见，在接触线上存在一个绝对速度为零的纯线上存在一个绝对速度为零的纯滚动点滚动点o“。令上式的左边为零，。令上式的左边为零，可求得这个纯滚动点的坐标为可求得这个纯滚动点的坐标为LTvvLvTvsinLTTKx对于在接触线上到锥顶点对于在接触线上到锥顶点0的距离为的距离为x的点，其牵连速度和相的点，其牵连速度和相对速度的大小分别为对速度的大小分别为LTvvTvLv当当x=K时，则时，则L=0，此时牙轮卡死不转；当，此时牙轮卡死不转；当x增大时，增大时，L亦增大，纯滚动点亦增大，纯滚动点O向大端方向移动。当纯滚动

24、点向大端方向移动。当纯滚动点处于接触线右端点处于接触线右端点m时，牙轮的转速最大，此时时，牙轮的转速最大，此时sinrmoxsinmaxTLsinmaxTLnnrKsin1或称为牙轮最大转速时的速度降低系数 超顶布置使牙轮的转速比不超顶不移轴布置时降低了，而且在超顶布置使牙轮的转速比不超顶不移轴布置时降低了，而且在接触线上除一个纯滚动点外，其余各点在截圆切线方向上有滑动。接触线上除一个纯滚动点外，其余各点在截圆切线方向上有滑动。结论结论sinLTTKx代入得 sinTTLnrRnn不超顶不移轴布置时 上述运动分析中，为了简化问题，把牙上述运动分析中，为了简化问题，把牙轮看作是光面锥轮。轮看作是

25、光面锥轮。 事实上事实上牙齿在锥面外是有一定高度的。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，交钻孔时，牙轮绕本身轴线旋转而滚动，交替地由二个齿着地变为一个齿着地，如图替地由二个齿着地变为一个齿着地，如图所示。所示。 当当A、B两齿同时着地时，齿圈中心两齿同时着地时，齿圈中心C的的位置最低；当位置最低；当B齿离地变为齿离地变为A齿着地后，齿齿着地后，齿圈中心逐渐升高，齿圈中心达到最高位置圈中心逐渐升高，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，至与下一个齿同时着地。牙轮不停地滚动，齿圈中

26、心则周而复始地运动在最高位置和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，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。使牙轮连同整个钻进部件作纵向振动。 牙轮钻机钻孔时，依靠加压机构加压机构和回转机构回转机构给钻头施加的轴压力和回转力矩轴压力和回转力矩，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、凿压碎、凿碎和剪碎碎和剪碎，于是形成钻孔。 牙轮钻孔时，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

27、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。压碎压碎凿碎凿碎剪碎剪碎轴压静载荷轴压静载荷纵向振动动载荷纵向振动动载荷滑动剪切力滑动剪切力 为了提高钻孔效率，对于硬及极硬对于硬及极硬的岩石，的岩石，常采用牙轮作纯滚动运动的牙轮作纯滚动运动的不超顶不移距的钻头不超顶不移距的钻头，以便能充分地利用牙齿着地时的冲击力来破碎岩石，其破岩过程如图5-15所示， 对于软岩和中硬岩石，对于软岩和中硬岩石，应使牙轮除滚动之外，还有一定程度的滑动，以借助牙齿的刮削作用剪切破碎一部分岩石，故多采用移轴布置或复锥牙轮钻头，其破岩过程如图5-16所示。 此外，破碎岩石的效果优劣，不仅与岩石的性质岩石

28、的性质和牙轮的运动状态牙轮的运动状态有关，而且还与牙齿的齿形牙齿的齿形等因素有关。试验研究表明，在硬和坚硬而且有研磨性的脆性岩石中，宜采用球形齿和锥球齿；在软岩中宜采用楔形齿或铣齿。主要由钻具、钻架与主要由钻具、钻架与机架、回转供风机构、机架、回转供风机构、加压提升机构、接卸加压提升机构、接卸及存放钻杆机构、起及存放钻杆机构、起落钻架机构、稳车千落钻架机构、稳车千斤顶、行走机构、除斤顶、行走机构、除尘系统、司机室和机尘系统、司机室和机棚的净化装置以及风、棚的净化装置以及风、水、油、电的控制系水、油、电的控制系统等部分组成。统等部分组成。构造特点：构造特点：以三牙轮钻头作钻具，滑架式顶部回转，钻

29、具转速能无级调节无级调节，封闭链条齿条连续加压，进给速度能无级无级调节调节，可选用干式或湿式除尘并具有履带自行式行走机构。KY-250A型钻机的型钻机的传动系统示意图传动系统示意图 钻孔时，回转机构带动钻具回转，钻孔时，回转机构带动钻具回转，加压机构通过封闭链条向钻头施加轴加压机构通过封闭链条向钻头施加轴压力并推进钻具，进行连续凿岩压力并推进钻具，进行连续凿岩；由由空压机供给的压缩空气，通过回转供空压机供给的压缩空气，通过回转供风机构进人中空钻杆，然后由钻头的风机构进人中空钻杆，然后由钻头的喷嘴喷向孔底，岩碴沿钻杆与孔壁之喷嘴喷向孔底，岩碴沿钻杆与孔壁之间的环形空间吹到孔外。当钻完一个间的环形

30、空间吹到孔外。当钻完一个钻孔后，开动行走机构使钻机移位，钻孔后，开动行走机构使钻机移位，再钻另一个钻孔。再钻另一个钻孔。 钻具由上钻杆、下钻杆及牙轮钻头组成。钻杆是由无缝钢管和两端的接头焊接而成的中空杆件。钻杆的构造如图所示。下钻杆的下端圆锥管螺纹与钻头相联接，上端的圆锥管螺纹与上钻杆或回转供风机构的回转接头相联接;而上钻杆的上端只与回转接头联接。为了保证排碴风速，应适当选择钻杆外径。通常当钻直径220mm孔时，采用外径为180mm或194mm的钻杆，而钻直径250mm孔时，采用外径为2l9mm的钻杆。钻架：钻架：型钢焊接的字型空间架 内装钻杆架、液压卡头、链条张紧装置等。前立柱：前立柱：上焊

31、有齿条，是回转小车上下的轨道；也是加压提升传动系统的支撑。用两个锥型销轴7用来固定钻架。钻机长距离运行时，将钻架落放在托架6上，钻架立起后，作用：钻机各种机构和装置的安装基础。机架机架结构：以工字钢为主梁的焊接结构。组成：A型架、托架、平台等。直流电机减速器进风管回转减振装置加压齿轮 回转供风机构的作用是回转供风机构的作用是驱动钻具回转，并将压气驱动钻具回转，并将压气输送给中空钻杆。回转机输送给中空钻杆。回转机构原动机是构原动机是ZYZ-50/15型型直流电机，由磁放大器供直流电机，由磁放大器供电并调速，钻具转速能在电并调速，钻具转速能在088r/min范围内无级调范围内无级调节。因此，能很好

32、地满足节。因此，能很好地满足在不同岩石硬度条件下对在不同岩石硬度条件下对钻具调速的要求。左、右钻具调速的要求。左、右立板立板13和和4安装在减速器安装在减速器2的两边，其间装有一对导的两边，其间装有一对导向链轮向链轮8和一对大链轮和一对大链轮11。大链轮装在横轴大链轮装在横轴7上，横轴上，横轴的两端安装有可以沿着钻的两端安装有可以沿着钻架两边的齿条滚动的加压架两边的齿条滚动的加压齿轮齿轮6。当封闭链条带动大。当封闭链条带动大链轮链轮11转动时，整个回转转动时，整个回转小车就沿钻架立柱升降。小车就沿钻架立柱升降。 气缸断气、弹簧制动 为了防止因封闭链条断裂而造成回转小车坠落事故，在KY一250A

33、型钻机上设置了回转小车防坠装置。在回转小车一对大链轮的轮毂上，各装一套如图5-23所示的防坠制动器，作为断链时回转小车防坠的执行机构。 张紧状态断链状态 在两付链条张紧均衡装置上，两个上在两付链条张紧均衡装置上，两个上链轮轴链轮轴4的外端各装一个擦板的外端各装一个擦板5，在上，在上链轮轴滑动导槽的下边安装一个与擦板链轮轴滑动导槽的下边安装一个与擦板对应的断链信号开关对应的断链信号开关6，作为断链信号，作为断链信号的引出机构。当钻机正常工作时，图的引出机构。当钻机正常工作时，图5-24中的上链轮轴仅在导槽的上部至中中的上链轮轴仅在导槽的上部至中部移动，在提升状态时处于导槽的上部部移动，在提升状态

34、时处于导槽的上部；当封闭链条断裂时，链条对张紧均衡装当封闭链条断裂时，链条对张紧均衡装置的张力同时消失，上链轮轴在上弹簧置的张力同时消失，上链轮轴在上弹簧3的作用下下移，使轴端所带擦板的作用下下移，使轴端所带擦板5触触动断链信号开关动断链信号开关6，发出断链信号，使，发出断链信号，使控制防坠制动器的电磁气阀切断气源。控制防坠制动器的电磁气阀切断气源。图图5-23中的气缸中的气缸1由快速排气阀排气，由快速排气阀排气，制动器则在缸内弹簧力的作用下紧急制制动器则在缸内弹簧力的作用下紧急制动，回转小车自动停止下坠。动，回转小车自动停止下坠。 用于加压和进给传动用于行走和提升 当封闭链条传递轴压或提升力

35、时，为了防止松边跳链，在每条封闭链条上都装有张紧均衡装置张紧均衡装置。张紧均衡装置由上弹簧8、下弹簧16、框架7、上链轮凹和下链轮巧以及油缸6等组成，框架的一端同油缸活塞杆联接、油缸耳座同钻架铰接在-起;框架的另一端为自由端。框架可由油缸带动起落。左、右两个油缸共用一个油路系统，即两油缸的前腔相通，后腔也相通。在左右两个框架上各装有上链轮和下链轮，链轮轴可以沿着框架上的长槽上下滑动。 钻机工作之前，先操纵油缸将弹簧压缩，使各链轮轴均处于长槽的上端，链条呈预紧状态。加压时，封闭链条2反时针方向运动，a为紧边，b为松边，上弹簧8便将上链轮10沿长槽压下，使松边保持必要的拉力；提升时，封闭链条顺时针

36、方向运动，b为紧边，a为松边，下弹簧16将下链轮15沿长槽压下，使松边a亦受有必要的拉力。 在加压或提升中，当一侧链条受力大于另一侧时，受力大的链条就将这边的链轮和框架一起抬高，以致顶动油缸活塞，使油缸上腔的油压升高。于是，通过联通油路向另侧油缸上腔排油，推动另侧油缸活塞下移，从而压下另侧的框架，拉紧了原来受力较小的链条，直到两条链条受力均衡为止。此外，通过油缸的后腔油压，可以反映钻孔时的轴压大小，当链条工作时，弹簧还起到缓冲和减震的作用。 该机构的作用是推进钻具并给该机构的作用是推进钻具并给钻具以足够大的轴压力，以及实钻具以足够大的轴压力，以及实现回转小车连同钻具的快速提升现回转小车连同钻具

37、的快速提升和下放。如图和下放。如图5-18所示，加压时所示，加压时合上加压齿轮离合器合上加压齿轮离合器29，打开主，打开主制动器制动器35，同时使行走气胎离合，同时使行走气胎离合器器18和和28排气，快、慢速加压提排气，快、慢速加压提升气胎离合器升气胎离合器12或或13充气，然后充气，然后开动滑差电机开动滑差电机30，则动力经立式，则动力经立式主减速器主减速器33、链轮、链轮15或或34、链、链轮轮14、36和和10、封闭链条、封闭链条8，从，从而驱动大链轮而驱动大链轮2，使回转小车以一，使回转小车以一定速度向下加压。提升时只要使定速度向下加压。提升时只要使加压齿轮离合器加压齿轮离合器29脱开

38、，并开动脱开，并开动提升行走电机提升行走电机17，传动过程与加，传动过程与加压时相同，就可实现钻进部件的压时相同，就可实现钻进部件的快速升降。快速升降。 牙轮钻机的工作参数 轴压力钻具转速排碴风量回转功率正确地选择和调配工作参数，即确定合理的穿孔工作制度，对提高钻孔效率、延长钻具使用寿命和降低钻孔成本具有极重要的意义两种工作制度高轴压、低转速的工作制度轴压为300600kN，转速为0150r/min 低轴压、高转速的工作制度 轴压为150300kN，转速为250350r/min 目前，对于牙轮钻机的各项工作参数，尚不能用理论计算的方法来确定，只能在大量钻孔实践的基础上，对影响工作参数的主要因素

39、作定性的分析，或提出一些经验公式来计算合理的工作参数，为建立最佳的工作制度提供参考。 根据牙轮钻头的破岩原理，岩石是在轴压的静载荷和牙轮滚动时的冲击动载荷联合作用下破碎的。加在钻具上的轴压力愈大，破碎岩石的体积愈大，钻进速度愈快。 当轴压力增大到一定程度时，钻进速度增加的速率变缓。这是因为轴压力过高，牙齿吃入岩石较深，使牙轮的振幅减小，削弱了冲击破碎效果；并且，轴压力过高还会恶化孔底排渣状况，降低钻速，加速钻头轴承的磨损，甚至折断牙齿，降低钻头寿命。因此，对于钻凿一定性质的岩石，需要选择一个合理的轴压力。 经验公式 (kN) 0DDfKp 使用的钻头直径，mm 试验用钻头的直径；D。=214m

40、m 岩石普氏硬度系数 经验系数，K=1315 对于露天矿用牙轮钻机，其合理的轴压力可按下列经验公式求得 p=(60一70)fD (N) 两个经验公式都没有考虑到钻头结构因素的影响。如牙轮牙齿越钝，所需的轴压越大；此外，当岩石有裂隙或夹块时，钻机会发生剧烈振动，应适当减小轴压。 钻进速度不仅与轴压力有关，而且与钻具的转速有关。实践表明，在一定转速范围内，钻进速度随钻具转速的增加而增加。但是，转速过高时，钻进速度下降，而且会引起回转机构的强烈振动或造成机件的损坏。关于钻具的最优转速问题，国内外都在进行试验探讨，并提出了各种不同的看法。 60TLDnV牙轮大端齿圈的圆周速度。mm/s； 钻头直径，m

41、m； 钻杆转速，r/min。 考虑到速度损失的系数，实验测得为0.95。 牙轮大端齿圈上牙齿与岩石的接触时间为 ZVdVLtLL牙轮大端直径，mm； 牙轮大端齿圈上的牙齿数 牙轮大端齿圈的齿间弧长，L=d/Z； DtZdnT95. 060（r/min）当牙齿与岩石的接触时间t=0.020.03s时，钻杆的转速应为 DZdnT)31602100(国内外牙轮钻机的钻具转速多为0150r/min。低转速用于钻大孔径孔、硬岩及接卸钻杆；高转速则用于小孔径或软岩。 （r/min）回转机构的输出功率主要消耗在以下几个方面：回转机构的输出功率主要消耗在以下几个方面：使牙轮滚动和滑动破岩所需的功率；牙轮滑动时

42、，用于克服牙齿与孔底的摩擦力所需的功率；用于克服钻杆、钻头与孔壁的摩擦力所需的功率；用于克服钻头轴承的摩擦力所需的功率等。这些耗功因素都与岩石的物理机械性质、钻孔直径、钻具施于孔底的轴压力、回转速度、钻头的结构型式及新旧程度、孔底排渣状况诸因素有关。 美国休斯公司在实验室的大量实验的基础上，总结出下列计算回转功率的经验公式 5 . 11096. 0PDKnNT钻头直径，cm； 轴压力，kN； 钻头转速，r/min； 表征岩石特性的常数，见表5-4。 （kW ） 从影响回转功率的因素来看，经验公式的构成形式是合理的，应用起来也比较简便。但没有计入排渣状况、钻头构造及钻头磨损后对功率的影响。其计算

43、结果比实际使用值小。 实际上，由于在钻孔过程中负荷频繁波动，特别是当发生卡钻事故或卸钻杆时，需要的回转扭矩往往达到正常钻孔时的3倍以上。因此，回转机构原动机的功率及机件的强度都应设计得足够大，以便在正常钻孔时，只使用额定功率(扭矩)的三分之二左右，而处理卡钻或卸钻杆时，则利用原动机的过负荷能力。 牙轮钻机的钻进速度是表征钻机是否先进的主要指标。钻孔时工作制度是否合理也反映在钻进速度上。国外一些研究者，提出了不少反映钻进速度与钻孔工作参数之间关系的经验公式。苏联的勒，阿捷宾格尔根据对露天牙轮钻机钻孔工作制度的研究，整理出以下估算钻进速度的经验公式 DfPnVT375. 0 这一经验公式比较全面地

44、反映了钻进速度与几个主要钻孔参数的一般关系，计算结果比较接近实际。但事实上，影响钻进速度的因素还有很多。如排碴用介质、排渣风量、钻头型式及新旧程度、岩石的可钻性等等。 钻进速度，cm/min 轴压力，kN 钻具转速，r/min 钻头直径，cm 普氏硬度系数 在大型露天矿中，牙轮钻机取代了钢绳冲击式钻机和潜孔钻机，成为最主要的钻孔设备。随着现代科学技术的发展，特别是微电子技术的发展，牙轮钻机必将进一步发展和完善，实现其现代化。 现代计算机辅助工程、计算机模拟技术、有限元应力应变分析技术、弹性断裂力学、诊断和监测技术等技术，为科学地设计、制造和使用牙轮钻机创造了有利条件。牙轮钻机的发展趋势主要有以

45、下几个方面。 牙轮钻机发展的根本目标在于提高性能、增加可靠性和操作的灵活性、降低使用费用、提高经济效益。 一、交流变频传动将成为回转传动的主要方式一、交流变频传动将成为回转传动的主要方式 目前，牙轮钻机的回转传动普遍采用可控硅或磁放大供电和调速的直流传动系统，这种系统完全能满足牙轮钻机钻孔工艺上的需要，但价格较高。交流变频传动系统不仅能满足无级宽范围调速、反转以及产生较高力矩的要求，而且由于没有换向器和电刷使得维护方便，能适应质量较差的矿山电网。 二、加压和提升共用一个传动系统二、加压和提升共用一个传动系统 由于提升和加压速度的差别相当大，而现行的直流传动系统的调速范围又比较窄，所以通常不得不采用两个