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东北史学硕士学位论文摘要 r 3 4 管式轻型凿岩钎杆理论与试验研究 摘要 传统锥形连接凿岩钎杆，由于机加工和热处理过程中存在的缺陷以及钎杆承 受的疲劳交变应力，常因局部早期破损而整体失效。本文分析了影响轻型凿岩钎 杆寿命的内因和外因，将传统的整体钎杆变为组合式钎杆。钎杆由充当领盘作用 的钎尾及杆体组成。实现钎杆和钎尾互换配合使用，杆体经端部加工可多次重复 使用，使矿山钎钢消耗量降低1 5 2 0 以上。 传统凿岩钎杆传递凿岩应力波的承载面，或者是锥形连接钎杆的锥形，或者 是阳螺纹的杆顶端面，或者是m f 钎扦的螺母底面。这种以承载面中心聚集的能 量，在凿岩机凿入岩石做功的瞬间，应力波的垂真入射点发生在钎头中心，使钎 头中心处获得的凿入岩石能量最大；钎头其余各部位，均产生倾斜入射，所获得 的凿入岩石能量，随着距钎头中心距离增大，其数量越来越小，这种获得到的凿 入能量分布与破碎岩石所需能量相悖。本文分析了各类凿岩机配套钎杆传递凿岩 冲击能量的效率因素，扬弃了套管螺纹连接钎杆和m f 钎杆的传统传力方式，采 用螺旋副连接钎杆。在结构上确保传递螺旋副中柱面承载，使阳螺纹的螺杆端头 悬空，依靠螺旋副使两个钎杆间的承载面拧紧，实现应力波的垂直入射；柱面承 载的应力波传抵凿岩钎头上，可以使应力波垂直入射点发生在钎头外缘，可保证 获得的凿入岩石能量与凿入岩石所需的能量相匹配。因而可使每个钎杆接头能量 损失可降低到5 以下，凿岩机凿岩速度加快，钻孔深度明显增加。 传统凿岩钎杆在工作中不仅承受着很高的拉压应力，而且还承受由于弯曲波 和纵波的迭加在全波中构成高值弯曲应力，使钎杆产生横向眼动，导致钎杆的失 效。本文分析了凿岩钎杆传递凿岩冲击能量中应力构成，指出弯曲应力也是导致 钎杆失效的主要因素，采用管式钎杆。尽可能加大钎杆危险断面处的外径尺寸， 使其大于3 0 m m ，并且直径小于与之配合的钎头直径6 1 0 m m ，壁厚小于2 5 m m 的薄壁管结构。管式轻型凿岩钎杆外径比传统锥体连接钎杆直径增大3 1 ，8 ，其 理论抗弯曲疲劳寿命是传统锥体连接钎杆抗弯曲疲劳寿命的22 8 倍。 关键词：管式凿岩钎杆螺旋副柱面承载腐蚀疲劳寿命 东北大学硕士学位论文 t h e o r e t i c a l & e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h o nt h er 3 4 t u b u l a r t y p el i g h td r i l l i n g r o d a b s t r a c t t r a d i t i o n a li n s e r ta n db u t t o nd r i l l i n gr o d ， b e c a u s eo ft h eb u g si nt h ep r o c e s so f h e a tt r e a t m e n ta n dm a c h i n i n ga sw e l la st h ef a t i g u ea l t e r n a t i n gs t r e s si nt h er o d ，o f t e n o c c u l 。si n t e g e ri n v a l i d a t i o nb yr e a s o no f p a r ti n v a l i d a t i o na h e a do fs c h e d u l et h ep a p e r a n a l y s e st h ei n t e r n a la n d e x t e r n a lr e a s o n so f i n f l u e n c i n g o nt h el i g h td r i l l i n gr o d s l i f e s p a n ， a n dt r a n s f o r m st h et r a d i t i o n a l i n t e g e r r o d i n t oa s s e m b l e dr o dt h e a s s e m b l e dr o d i sc o m p o s e do ft h et a i la n dt h eb o d y i tc a nr e a l i z et h ei n t e r c h a n g i n g a n dc o n j u g a t i n gu s eb e t w e e nt h et a i la n dt h eb o d y ，a n dt h eb o d yc a nb er e p e a t l yu s e d b yr e p a r i n gt h es c r e wo f t h er o ds oi tc a l lr e d u c et h ed r i l l i n g - s t e e lc o n s u m p t i o nb y m o r et h a n15 一2 0 i nt r a n s f e r r i n gt h ed r i l l i n ge n e r e g y ，t h et r a d i t i o n a ld r i l l i n gr o d ，sp r e s s u r ef a c e i st h ec o n ef o rt r a d i t i o n a li n s e r ta n db u t t o nd r i l l i n gr o d ，t h et a i le n di n t e r f a c eo fm a l e t h r e a df o rb u t ta n dc o l l a rj o i n td r i l l i n gr o d o rt h eu n d e r s i d eo fn u tf o rf e m a l ea n dm a l e s c r e wt h r e a dd r i l l i n gr o da tt h em o m e n to f t h ed r i f t i n gm a c h i n ed r i f t i n gi n t or o c k ， t h es t r e s sw a v e sv e r t i c a li n c i d e n c ep o i n to c c u r sa tt h ec e n t e ro fd r i l l i n gb i ta n dt h e o t h e r so c c u ri n c l i n ei n c i d e n c es o ，t h e e n e r g yd i s t r i b u t i n gf o r r n t h a tr a l l y i n gp o i n ti s t h ec e n t e ro f p r e s s u r ef a c ee n a b l et h a tt h ec e n t e ro fd r i l l i n gb i t o b t a i n st h em a x i m a l e n e r g i e sa n d t h a tt h ee n e r g i e sd i m i n i s hw i t ht h ei n c r e a s i n go fd i s t a n c ef r o mt h ec e n t e r o f d r i l l i n gb i t t h ee n e r g yd i s t r i b u t i n gf o r mo f d r i l l i n gi sc o n t r a r yt ot h ee n e r g y n e e d o fb i tc r u s h i n gr o c k st h e p a p e ra n a l y s e st h ee f f i c i e n c yf a c t o r st h a tt h er o d sm a t c h i n g w i t ha l lk i n d so ft h e d r i f t i n g m a c h i n e st r a n s f e rt h e d r i l l i n g i m p a c t e n e r g i e s ， d e v e l o p st h eu s e f u la n dd i s c a r d st h eu s e l e s so f b u t ta n dc o l l a rj o i n td r i l l i n gr o d a n d f e m a l ea n dm a l es c r e wt h r e a dd r i l l i n gr o d ， a n da d o p t st h es c ：r e w p a h j o i n td r i l l i n g 1 o di ns t r u c t u r e ，e n s u r i n gt h ec e n t r a lc y l i n d e ro f s c r e w p a i rl o a d b e a r i n g ，m a k i n g t h et a i le n di n t e r f a c eo fm a l et h r e a dh a n gi nt h ea i r ，d e p e n d i n go nt h es c r e w p a i rt o s c r e wd o w nt h ep r e s s u r ef a c eb e t w e e nt h et w or o d s ，a n d r e a l i z i n gt h es t r e s sw a v e s v e r t i c a li n c i d e n c ew h e nt h es t r e s sw a v eo ft h ec e n t r a lc y l i n d e ro fs c r e w p a i r l o a d b e a r i n ga r r i v e st h ed r i l l i n gb i t ，i tc a ne n s u r et h a tt h es t r e s sw a v e sv e a i c a l 东北大学硕士学住论丈 a b s tr s ：cl i n c i d e n c ep o i n to c c u r sa tt h ee d g eo fd r i l l i n gb i t ， a n dt h a tt h ee n e r g yd i s t r i b u t i n g f o r mo f d r i l l i n gi sm a t c h i n gw i t ht h ee n e r g yn e e do f b i tc r u s h i n gr o c k ss o ， i tc a n f a r t h e s tm a k eu s eo f t h ee n e r g yt h a ti st r a n s f e r r e df r o mt h ed r i f l i n gm a c h i n i n gb yt h e r o dt h ec e n t r a lc y l i n d e ro f s c r e w p a i rl o a d - b e a r i n gr o d c a nd e c r e a s et h ee n e r g yl o s s t ol e s st h a n5 ，a c c e l e r a t et h ed r i l l i n gv e l o c i t yo f d r i l l i n gm a c h i n i n ga n dd i s t i n c t l y i n c r e a s et h ed r i l l i n gd e e p n e s s d u r i n gd r i l l i n g ，t r a d i t i o n a ld r i l l i n gr o d e n d u r en o to n l yh i g h l yp u l ls t r e s sb u t a l s oh i g h l yf l e x u r a ls t r e s sf r o mt h ea c c u m u l a t i v et o t a lo ft h ev e r t i c a lw a v ea n dt h e f l e x u r a lw a v ew h i c hp r o m p t st h er o d t ov i b r a t e h o r i z o n t a l l y a n dl e a d st h er o d t o i n v a l i d a t et h ep a p e ra n a l y s e st h es t r e s s c o m p o s k i o ni nt h er o d i nt h ep r o c e s so f t r a n s f e r r i n gt h ed r i l l i n ge n e r g y ，p o i n to u tt h a tt h ef l e x u r a l s t r e s si st h em a i n l y r e a s o nw h i c hl e a dt h er o d t oi n v a l i d a t ea n da d o p t st h et u b ed r i l l i n gr o d t r y i n gt o e n l a r g et h ed i a m e t e ro f t h er o d a tt h ed a n g e rs e c t i o n ，l a r g e rt h a n3 0 r a ma n dl i t t l e r t h a n t h e m a t c h i n g b i tb y 6 l o m m ，a n d t h e t h i c k n e s so f t h e t u b e i s l e s s t h a n 2 5 m m t h ed i a m e t e ro ft u b ed r i l l i n gr o d i sl a r g e rt h a nt h et r a d i t i o n a li n s e f ta n db u t t o nd r i l l i n g r o d b y3 18 a n dt h el i f e s p a no f t h er o d i s22 8t i m e st h a nt h a to ft h et r a d i t i o n a li n s e r t a n db u t t o nd r m i n gr o d k e y w o r d ：t u b ed d r i l l i n gr o d ，s c r e w - p a i r ，c e n t r a lc y l i n d e rl o a d b e a r i n g ，e r o d ea n d f a t i g u el i f e s p a n 1 1 i 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 本人签名：多) 丰勇 日期：, 9 o - 0 3 、，叉 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 基本定义 毖岩鼹城f l 】奁岩石中钻凿炮毳辩，可分为3 耱渣岩形式。馨：圆转凿岩、冲 击式凿岩和冲击回转式凿岩。凿岩方式按照钻凿炮孔的直径和炮孔深度，可分为 4 , t l 弪( d 5 lm m ) 、中魏经( 5 鞠瑙 7 6 m m ) ；以及泼孑l ( 6 m ) 、中深孑l ( 6 m 1 5 m ) j f n 深孔( 1 5 m ) 答若干种凿岩方式，每种凿岩方式都要 配怒不同黪骜岩掇缀窝骜岩蟹曩。 钎具包括钎头、钎杆、接杆套、钎尾以及整体钎杆等。钎具 2 是一个细长的 耪传系统，奁岩石熊裂熬翡按露矿凌东褒镳条静下，承受黉拉、嚣、夸、糖释活 塞的高频冲击，常以应力腐蚀疲劳断裂的方式失效。因此，凿岩钎县是所有机械 类王其中，受力条件最鸷嚣，健鬻寿命最簿，鏊磷王监必务熬大鬟消耗工疑。 本文所述的“凿岩钎具”主要鼹指小孔径浅孔冲击回转式凿岩中所选用的凿 砉错孝子器镑蓬，下文统称“1 1 3 4 管式轻奎辫岩镑移”。 1 2 冲击凿岩的发展史 冲击凿岩在国民经济各部门中占有重蘩的地位，是冶众矿山、煤炭采掘、桥 粱隧道、她质勘探、油气搽采乃至阑防工糕中不可姣少的破碎方式，对资源琵发 能源利用具有十分骥要的意义。 中国楚毽冥四大文明专霪之一。足予筝来，懿努勇敢憋我莺各族太民，创造 了光辉灿烂的古代科学文化。顿钻( 冲击钻) 是冲击原理的最初应用，凿成了世 器上第一1 2 1 予寒深天然气势饔釜势( 1 8 3 5 年叁贡黎海著滚1 0 0 1 4 2 m ) 。孛藿考 代的凿井术传到西方后，对石油的钻采，对人类文明进步越到了非常大的推动作 露。 1 8 5 7 年8 月3 1 日，在法国和慧大利间的塞尼山峰隧邋采用了压缩空气做动 力熬骜岩撼，藏功魏避嚣1 y 凿砉器璨蔽，楚人类把棒击蒙联鑫真正翡祝辍纯方嚣 做尝试转化的实践性标志。 嚣一年，g e r m a i ns o m m i l l e r 塞验磅箭了第一螽“活塞式”甏麓穰i ，穗把钎 杆剩活塞固定在一起，由尉者带着撞击，以凿出所需的眼孔，机器重达2 8 0 k g ， 每分铸撞蚤次鼗终为2 0 0 3 0 0 ，铎符直径为4 0 m m ，每分锑能幸丁2 0 3 0 m m 。 1 8 9 6 年，c e o g el e y n e r 成功地制造出了和现在工作方式相仿的锤击式凿岩 梳。以活塞锤击钎麓，耨髓潼转嚣钎头而酸碎岩石，不仅使凿岩祝本身重鬃减轻 东北大学硕士学位论文第一章绪论 很多，也使冲击频率猛增至2 0 0 0 次分左右。 1 9 2 3 年，德圈k 施律太尔发明w c c o 硬质合金。二次世界大战之后，普 遍用于凿岩钎具( 钎头和整钎) ，凿岩爆破技术成了人类征服岩石的主要手段。 7 0 年代初期，针对液压凿岩机的出现，投入实力从事球齿钎头的研究开发。 8 0 年代随着液压凿岩机冲击功率的提高，开始重型球齿钎头和钎杆开发，根据 不同的岩石类型，开发了不同类型的钎具品种。 1 3 我国凿岩钎具发展史 我国现代凿岩钎具工业的建设，是从解放后引进原苏联技术开始的。1 9 5 0 年轧出了中空钎钢；1 9 5 1 年生产出凿岩用硬质合金和硬质合金钎头；1 9 5 4 年生 产出第一台风动凿岩机。 5 0 年代末，原东北工学院徐小荷教授所著冲击式凿岩及其工具一书， 吹响了我国凿岩钎具现代化的号角。 6 0 年代中期以来，北京地质学院开始了新型钎钢的研究；以北京钢铁研究 总院翁宇庆、徐曙光同志为首的冶金部钎钢技术工作队和钎钢陵术协作组，经过 1 0 多年的艰苦努力，以钎钢一书为标志，完成了以s i - m n m o 系合金钎钢， 更新普通碳素钎钢的换代工作。 7 0 年代以来，中国地质大学、中南工业大学、原北京钢铁学院、长沙矿山 研究院、西北矿冶研究院、中国科学院金属研究所、株洲硬质合金厂、东北大学、 等单位，在新型凿岩硬质合金、新型钎头及新型焊料、n i c r m o 系钎具钢及检 测技术、重型钎杆的开发方面，为我国钎具工业的发展均做出了重大贡献。 8 0 年代初，投向钎具产品的企业不断增多，生产品种类型也不断增加。同 时各项钎具生产和科研项目也开始取得成效，并转化为生产力。 到了9 0 年代，我国钎具工业生产形成了一定的规模，产品类型也基本上满 足了各项基础建设工程的需求，一部分产品开始批量出口，形成了我国自己的凿 岩钎具工业生产体系。 值得指出的是： ( 1 ) 中南工业大学在代钴合金的研制方面，代钴水平达到了5 0 以上，已 处于世界前沿，产品质量稳定，在一般坚硬、中硬岩石中，其片状系列产品具有 显著的市场优势。 ( 2 ) 中国地质大学( 武汉) 掘进工程研究所凿岩钎具研究室，从6 0 年代开 始从事冲击式凿岩钎具的研究，先后研究成功：新型硬质合金钎头及其使用技术； 沉底式感应钎焊小直径球齿及三刃形钎头；重型液压凿岩机用中直径十字、球齿 东北走学硕士学位论文第一肇绪论 形螺纹连接钎头；极坚韧岩石用特重型钎头；钻车凿岩用中大直径( 5 1 1 2 7 m m ) 片状和球齿系列钎头；球齿形系列硬质合金整体钎杆；4 0 s i m n c r n i m o 耨犁钎钢 及镪棒遘接蟹杼；笺合片齿系捌镑头；复合片齿系列整锊。提毯的“媛岩有效、 排粉及时、几何形状稳定、坚固耐磨、材料利用经济、转动避退灵活、拆卸方便 连接可禳、所钻炮孔圆直、制造方便、形态美溉等”钎具设计l o 项原则和“小 透巍羧惫”、“一次毒渡”懿球蕊锊头设跨理论，解凌了中夺壹径球蠢疑头懿淘 齿和质黼稳定性难题，为我国小唐径球齿钎头的发展奠定了+ 藻础。 ( 3 ) 贵阳钢厂生产的n i c r 。m o 系“钻孔法”b 2 2 、b 2 5 优质钎钢，为开拓 我国整铥帮枣镑释戆嚣内岁 枣场抒下了楚努萋萋窭。 ( 5 ) 湖北威宁肇夏公司采用中频电加热和六辊精轧成型的“热穿。热轧法” 工艺生产i s o 7 2 2 标准规定的h 1 9 、h 2 2 、h 2 5 、h 2 8 、h 3 2 、h 3 8 、h 4 5 、d 3 2 、 d 3 8 、d 4 5 稻d 5 1 全帮瑟耱，其缀过6 m 涤势式气体渗碳炉处理鹚重型锈 母，平 均寿命可稳定在t 0 0 0 m 以上，为藏型钎杆国产化做出了贡献。 上炼成果表明，在凿岩钎具的几何结构参数、材质、制造工艺和使用技术方 露，国产钎具的质量、最种发生了质鲍飞跃，缨小了与世界先进水平的差鼹，著 置在锊舆设诗理论秘额产品开发等方面，显示t 自己兹特琶和创造。 1 4 我国凿岩钎具发展中存在的问题 国鼯喾岩钎具蠢蛹戆年吝量：l 曩1 0 0 钇美元。臻典s a n d v i k 、s c c c o r o c 饕霆嚣 名牌钎鼹公司凭僭技术和经济优势，大都进口中国的廉价钨矿砂，而高价出口硬 质合金钎具成品。瑞舆s a n d v i k 公司9 0 年代初的统计资料称，其钎具年销售额 达2 4 亿荧元。 我麓年产刃其帮赣岩锌其鬻硬度合金约7 0 0 0 t ，产量詹缎界首位，矮最已接 近国际先进水平。垒国采掘工程部门现用的片状和球齿系列钎具的年耗缀约为 2 0 0 0 万支，年产值约为8 l o 亿元( 其中，年糯直径4 0 r a m 左右锥体连接舒头 约1 5 0 0 万支，年耗h 2 2 六角形镶髂连接钎秆2 万随殴上) 。 与先进国家同类产品相比，我国钎具产品尚存在着寿命煽，产品规格少，生 产技术陈旧等问题。全国钎杆的舒检结果表明，我国钎具质爨状况仍十分令人担 烧，这瞧是国产舞其不镌大瓤薰冷爨鬻门熬主鼗嚣因 引。 1 4 1 钎钢质量现状 中空镪是制造凿装钎杼的主要原材料，其餍量优劣直接影e 彝钎符的使用寿 命。黝年代良来，辍着采摇设备祝壤纯程度的提高，戳及髓岩辊穰商大麓纯、 东北大学硕士学位论文第一章绪论 液压化、高速化发展的趋势，中空钢材制作的钎杆所承受的冲击载荷不断增加。 但从目前市场上中空钢类型来看，结构尺寸仍然是1 9 5 1 m m 范围内，而6 5 r a m 、 7 6 m m 、8 9 m m 圆形大孔径中空钢用量较少。 我国主要生产中空钢的厂家有7 8 家，其中以贵阳特殊钮i 有限责任公司( 原 贵阳钢厂) 产量最大，品种规格最全。此外还有抚顺、涟源、成宁、唐山、西宁、 韶关、蒙阴等厂家。 我国中空钢材与国际上先进水平的同类产品相比，仍然存在较大的差距。 b 1 9 、b 2 2 、b 2 5 钎钢质量不过关，是我国整钎不能发展和出 i 的直接原因。 要刻克服目前我国钎钢质量的问题 4 ，应加快5 5 s i m n m o 钢热处理工艺性能 研究，推广应用n i c r m o 系新钢种、电渣钢或精炼钢坯料、采用高洁净度的炉 外精炼钢法。 1 4 2 钎杆质量现状 国产钎杆普遍存在寿命短，并且质量不稳定，已成为我国采掘工业发展和钎 具出口的主要制约因素。 1 4 2 1 小直径硬质合金整体钎杆 小直径硬质合金整体钎是一种常用于小孔径浅孔凿岩的钎具产品。通常采用 1 9 m m 、2 2 r a m 、2 5 m m 六角中空钢制造。每支整体钎都有特定的长度和钎头直径， 在钻凿不同深度的炮孔时，需要若干支不同钎头直径、不同长度杆体的钎杆组成 的钎具组进行凿岩。 整体钎具有钻速快，使用中传递能量效果好，钎头直径下限不受限制等特点。 其关键在于钎杆和钎头寿命相互匹配，即：当钎头直径磨损到极限直径时，钎杆 也要达到使用寿命极限。 在欧洲、澳大利亚、南非及南美等国的露天石场二次爆破、巷道回采时的凿 岩中多采用整体钎。我国的矿山及工程项目中使用整体钎较少。大部分钎具厂生 产的整体钎用于出口。 1 4 2 2 锥形连接中空六角形钎杆 这种产品是目前国内产量最大的钎具产品之一，也是国内地下矿山和施工项 目中大量使用的凿岩钎具。 与整体钎相比，锥体连接钎杆的锥体连接处存在着能量损耗。据资料介绍， 冲击应力波在杆体中一次往返后的能量损耗，锥形钎比整体钎高5 左右。同时， 钎杆的锥体连接部位是钎具组中的薄弱环节，如果加工或使用不当都会增加钎具 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的破坏性。 国内生产企业和科研单位从7 0 年代开始，就对锥体连接钎杆进行了一系列 的研究【5 j i “。在材质、锻钎技术、设备、热处理及工作载荷机理、破损分析等方 面都取得了很大进展。但是，我国的钎杆产品与瑞典、日本等先进国家相比，从 原材料选用、加工设备、制造工艺等都有所不同，因而其成品质量存在较大的差 距，最终体现在凿岩寿命较短且稳定性较差，甚至其寿命相差一倍以上。以贵阳 z k 5 5 s i m n m o “铸管法”钎杆( 7 。) 锥体连接钎杆为例，在单轴抗压强度o 。 = 2 0 0 m p a 左右的坚硬花岗岩中，用气腿式凿岩机和4 0 r a m 十字型钎头凿孔，其 工业统计首锻次平均寿命约为6 0 m ；国外以瑞典“钻：m 法”f 加不锈钢内 衬) z t 0 8 ( 4 0 s i m n c r n i m o ) 钎杆为代表约为1 5 0 m 。 据统计，目前我国生产钎杆的企业约2 0 家，年产锥体连接钎杆约2 万t ( 见 表l 一1 ) 。我国锥体连接钎杆生产按现行的g b t 6 4 8 1 9 4 标准执行，产品种类以 b h 2 2 m m 六角钎杆为主。贵阳特殊钢有限责任公司生产的锥体连接钎杆占全国 锥体连接钎杆总产量的6 0 6 5 。 表1 1 我国锥体连接钎杆年生产量 t a b l e l1t h ea n n u a l o u t p u t o f t r 砸t i o n a li n s e r ta n db u t t o n d r i l l i n gr o d i nc h i n a 1 4 2 3 螺纹连接钎杆 螺纹钎杆包括接杆钎杆、轻型接杆钎杆、钻车钎杆和m f 钎杆等。这类钎杆 的特点是通过杆体上的螺纹将钎尾、钎杆、套管、钎头连接成一个凿岩钎具组。 钎具组对连接螺纹的基本要求 7 1 是：连接紧密、能量传递效果好、耐磨性强及拆 卸方便等。目前常用的螺纹形式有波形螺纹和梯形螺纹两种，而复合螺纹很少采 用。 国外钎具厂多数生产螺纹连接杆：b 2 5 m m 、b 2 8 m m 、b 3 2 m m 、b 3 8 m m 、b 4 5 m m 六角形钎杆和d 3 2 m m 、d 3 8 m m 、d 4 5 m m 、d 5 1 m m 圆形钎杆。采用的中空钢木才 大部分为n i - c r - m o 系合金钢。制钎工艺、机加工设备、热处理设备都比较先进， 使用寿命也比较理想。据资料介绍，欧洲几家钎具厂生产的r 3 2 h 3 2 一r 3 8 ，长度 5 5 2 5 m m 的六角钎孝干，配用凿岩钻车使用，以瑞典s a n d v i k 公司的“钻孔法”钎 杆为代表，在斯堪的纳维皿地区花岗岩的凿岩寿命均达到1 2 0 0 - - 一1 5 0 0 m 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 7 0 年代中期，我国使用螺纹钎杆种类最多的是r 3 2 m m x l 2 0 0 r a m 井下采矿台 车( 钻架) 用接杆钎杆。8 0 年代，随着进口液压凿岩台车数量的增加，螺纹连 接钎杆( 主要是钻车用钎杆) 的需求量逐年增长。从9 0 年代初开始，我国螺纹 连接钎杆的产量开始有所增加( 见表12 ) ，市场占有率也曾一一度上升。以咸宁 z k l 8 c r n i 3 m o v “热穿一热轧法”t 4 5 一d 4 5 x 3 6 0 0 m m - t 4 5 梯形螺纹连接钎杆为例， 在单轴抗压强度o 。= 2 0 0 m p a 左右的坚硬花岗岩中，用a t l a s c o p c o 公司的 r o c 7 1 2 - h c 0 1 露天钻车c o p l 2 3 8 液压凿岩机和8 9 t 4 5 球齿钎头向下凿孔，其工 业统计平均寿命约为1 0 0 0 m 。 表12 我国螺纹钎杆年产量 t a b l e l2t h ea n n u a lo u t p u to f s c r e w j o i n td r i l l i n gr o d k tc h i n a 1 5 研究本文的意义 以精确的计算理论载荷谱，预估钎杆的疲劳寿命，通过计算机优选钢种技术 方案，采用高质量、高性能的f f 7 1 0 ( 2 7 s i m n c r 2 n i m o ) 凿岩钎具钢；根据b h 2 2 凿岩钎杆失效部位分析，深入研究钎杆中应力波传播特点和孔底能量分布规律， 扬弃了传统钎杆结构，创造了柱面承载组合( 整体) 管式抗弯耐疲劳钎杆。 组合钎杆实现钎杆和钎尾互换配合使用，杆体经端部加工可多次重复使用， 钎钢消耗量小；柱面承载钎杆钎具系统结构合理，凿岩能量传递过程中能实现垂 直透射效应，能量损耗少，凿岩效率高；抗弯耐疲劳管式钎杆管径比同等效重量 同质锥体连接钎杆直径大3 0 以上，钎杆疲劳弯曲应力水平明显降低，抗弯曲耐 疲劳寿命显著提高。 r 3 4 管式轻型凿岩钎杆其机加工、热处理水平适合于国内的工业和装备水 平；在多种钎钢条件下，均表现出比传统锥体连接更优越的性能；对7 6 5 5 等各 类轻型风动凿岩机均有明显效果。其整体寿命达到当代国际先进水平，可全面提 高凿岩小钎杆使用寿命，为国家实现可观的经济效益和社会效益； r 3 4 管式轻型凿岩钎杆的研制为进一步研制高效、长寿命中深孑l 按杆凿岩钎 东北大学硕士学位论文第一章绪论 稃帮重黧液压管式营岩钎抨积累经验，为凿岩钎蒸的更灏抉代开辟新的途径。该 项技术的推，1 应用，可使国产重型凿岩钎杆整体海命达到当代国际先进水平，替 代连日，具有葙警大的节汇和翅汇潜力。 7 东北大学硕士学位论文第二章冲击凿岩理论基础 第二章冲击凿岩理论基础 2 1 冲击凿岩系统模型 凿岩系统模型可简化为“活塞一钎杆一岩石”。如图2 - 1 所示 。3 、 囊 1 活塞2 钎杆( 钎头) 3 岩石 图2 1 冲击凿岩系统模型示意图 f 逸2 1t h ed i a g r a r t m ：a t i cd r 嘲o f i m p a c td r i l l 吨s y s t e mm o d e l 该模型简单明了地表示出了冲击凿岩系统各个组成及其相互关系。 2 2 冲击凿岩破岩特点 无论是静力作用压头侵入岩石( 静力，系指一个加载速度较应力波的传递速 度来的慢的外加载荷) 或冲击压头凿入岩石，岩石在破坏过程中却普遍存在下列 特征【8 】： 1 在压头侵入的前方存在有承压柱 压头在外加载荷作用下侵入岩石；起先，压头前后的岩石出现不同程度的弹 性变形，同时随着外加载荷的增大随之出现裂纹，最后将这部分岩石粉碎( 或使 其发生显著的塑性变形) 而构成一个球状或锥状的承压柱。 2 压头呈跃进式的侵入 压头侵入岩石的深度不是随外加载荷的加大而连续的加大的，而是当压头下 方出现承压柱后，压力进一步加大的同时，在承压柱的四周出现裂纹，裂纹随压 力加大慢慢的向外扩张，当扩张到岩石的表面时，岩石就突然出现破碎，压头瞬 间侵入，使深度突然性的增加。这个过程随压力的不断加大而不断的重复；凿深 也一次又一次的加深，构成跃进式的压头侵入。 3 岩石破碎角日大体上保持为一常量 这由于破碎角。和岩石的性质、压头的形状和大小无关，但和压头下岩石应 力分布有关。一般角在1 2 0 1 4 0 。c 范围内变化。 4 岩石破碎的产生是冲击力作用的结果 8 东北大学, 页- k - 学位论文第二章冲击凿岩理论基础 冲击力区别静压力，其明显特征是作用力在极短的时间内有很大的变化幅 度，几十微秒( “s ) 作用力由零上升至几吨，再经过几百s 又重新下降至零。 2 3 碰撞理论运用于冲击凿岩的研究 在六十年代，冲击凿岩的计算都是利用牛顿理论的碰撞原理。应用碰撞理论 研究凿岩速度的实质就是：把活塞冲击钎杆，并通过钎秆使钎头凿入岩石的过程， 看成由质量不同的物体( 活塞与钎杆以及钎杆与岩石) * l e a f 碰撞的结果。 由文献”，可得刚体碰撞凿入效率： 巧2 ( 1 + 。2 ( 1 一嘻i i ； 将上面的形式变换一下得： 玎。1 + e 2 甄1 聃m 式中： m 一活塞质量； n 1 钎杆质量： e 一复形系数； 在凿岩机的类型和岩石都是确定的情况下，影响凿岩机效率，也就是直接影 响凿岩机凿速的主要原因是冲击效率h 值的变化。由于钎杆质量的改变使冲击效 率n 发生变化，也就是凿岩机的有效冲击功发生变化。 由文献m 】，在冲击功对凿岩机凿岩速度的影响研究中认为：当冲击功很小时， 则岩石破碎比功异常的大，随着冲击功的增大它逐渐减小，当冲击功达到一个相 当数值后，破碎比功趋于一个波动范围不大的稳定值。 一般来说，凿岩机的冲击功都远超过这个相当稳定数值，所以可以认为凿岩 速度与冲击功大小成正比。现在，我们假定其它条件相同，只有冲击效率n 影响 着冲击功的大小，所以，只要求得冲击效率的变化情况，就相应的知道凿岩速度 变化的情况，即： 圪一叩。 v r 式中： r l c 一钎杆质量等于零时的冲击效率。 东北大学硕士学位论文第- _ 二章冲击凿岩理论基础 n 定钎杆质量时的冲击效率； v c 钎杆长度等于零时的凿岩效率； v 一定钎杆质量时的凿岩效率。 由以上分析可知“活塞一钎杆一岩石”冲击凿入系统的凿入效率( 凿岩速度) 与活塞质量和钎杆质量的比值、活塞和钎杆接触条件密切相关。 2 4 波动理论运用于冲击凿岩的研究 冲击凿岩理沦取得飞跃发展是波动理论巨大推动的成果。r 一维应力波理沦的 发展尽管有一百多年的历史，但波动理论运用于冲击凿岩的研究却是近几十年的 事。 二二| i 世纪三十年代，d o n e l l 和d a l l 运用波动理论最初尝试冲击凿岩的研究。 由于对钎杆中入射应力波和岩石凿入特性缺乏实质性认识，发展一直很缓慢。 二十世纪五十年代，f i s c h e r 和a r n d t 通过示波器清楚的观察到钎杆中的入反 射波后，加强了对波的认识和研究步伐。认真分析了钎杆中的入射应力波形，对 冲击钻进过程进行了全面的理论分析，正确合理的解释了冲击钻进过程。 二十世纪六十年代到九十年代里，经过日本的高岗三郎、速水博秀，中国的 徐小荷教授，瑞典的f i s h e r hc 和美国的f a i r h n s t c 等人的研究和发展，完善了 冲击钻进波动理论的体系结构，建立了对冲击凿入系统比较精确的描述。 波动理论指出了冲击凿岩的本质和能量的传递过程，即：当钎尾受力之后， 力是以波的形式在杆内传递，也就是能量也以波的形式在杆惠传递。 2 4 1 动载荷作用下岩石物理力学性质 凿岩遇到的岩石是多种多样的，包括岩浆岩、沉积岩、变质岩。组成岩石的 矿物成分、颗粒度大小、结构、构造、胶结物的性质、以及岩石的破坏变质程度 都不一样，这些因素反映在岩石的物理力学性质上便有很大的差别。无论是在静 载还是在动载条件下，岩石的力学性质都跟这些因素息息相关。冲击回转破碎岩 石是一种以动载破碎为主的钻进方法，因此，在此主要阐述动载作用下的岩石力 学性质。 2 4 1 1 强度 一般把强度理解为固体抵抗机械破坏的能力。就同一种岩石而言并非定值， 它和岩石本身结构、存在环境等密切相关。 岩石的动载强度和静载强度有本质的区别。岩石受静载达到强度极限前，外 东北大学硕士学位论文第二章冲击凿岩理论基础 载解除后，岩石受力变形以声速恢复到静止状态。而岩石受动载时，虽然卸除载 荷，但岩石质点由于受到动载的运动状态恢复到静止状态必须持续一个过程。而 且，岩石的动载强度值和外载作用的速度相关，作用速度很快，强度响应增加。 另一方面，岩石内部因外力所引起的应力状态，会随时间以某一速度减弱( 松弛) 。 所以当外力作用时，如果由外力引起的应力增长速度超过了物体内部因松弛而引 起的应力减弱速度，则外力作用速度的影响将会体现出来，此时岩石强度将与外 力作用速度有关。 岩石固体的动载变形是以质点扰动传播的过程实现的，即所谓的波动传播。 冲击能量以波动传播的形式经过系统各个构件，最后到达岩石引起岩石的变形破 坏。因此岩石的动载强度指标，一般不能象静载强度那样用单一的方法表示，而 是用一些综合指标来衡量。 ( 1 ) 岩石动弹性模量及动泊松比 由波动方程e = c 2 p 得，当纵波的传播速度为c 。时，则动弹性模量e d 为： e d = c ：p 当横波的传播速度为c s 时，则动剪切模量g d 为： g d = c ：p 相应地，动泊松比为： 舻捅c 2 2 c 2 = 等 式中： c s 、c p 一横波与纵波的传播速度； p 一岩石密度； r 。c s c p ； 由此可知，岩石内纵横波速的大小决定它的动泊松比。 ( 2 ) 岩石冲击强度参数 一般用动应力强度和冲击破碎单位体积的能耗来表示。应用虎克定律，可得 出相应的结果：由于，日= q p ，且应变量表示为：t2 嚣，则应力可以表示 成： 0 2 e d x s z 2p c p 2 s z 东密走学碟士学位静文第二章冲击凿岩理论基础 即 = 肛，鲁 式中： 詈一蟥点破碎对初始飞教速殿； a 一总的位移。 破碎擎位体积岩石能耗为：南。等 式中： a d 破碎单位体积岩石的能耗； v 一总冲击髓鬃； p d 岩石总体积。 2 4 1 2 硬度 岩石戆硬度通豢被认为是抵捷其毽物髂压入麴反按憋性，有魍也被认镁是物 体抵抗分敝的能力，用分散过程中消耗形成新表面所需的功进行波示。它和外载 馋雳有缀大熬关系。动载幸筝用下懿疆度懿之为动骥凄，虫子魏载( 净击载耱) 在 岩石接触袭面能造成很大的凿入力，加之动载加载速度很快，岩石中的破碎变形 不戆充分扩疑到较大兹钵积，放嚣动载破碎单建铬获岩石舞漤裁豹戆量爱增掇， 肖就是说，动硬腹要相应大于静硬度。 2 霹1 3 弹性、脆性和塑性 弹性是岩石变形特性之一，揩作用于岩石的辨力撤除之后，变形消失，岩石 又恢复弼原来的形状和体积。塑性是指岩石在外力作用下，只发生形状和大小的 改变，丽没有破坏的产生。脆性驰塑性网4 好相反，脆性是指岩石在外力作用f ， 鼹至破坏发生都没有形状的改变。 对予岩石来说，由予矿物组成、结构构造等方面的特点，其弹塑性及脆性和 其他材料有很大的区别。载荷性质同样影响岩石的这些性质，对于同一种岩石， 裁蓿藏加速度不鄹，低速时可能为塑性体，高速嚣寸又表现为腿性。如大避装在缓 慢加载时表现为骥性体，在高速虢荷( 冲击) 作用下则表现为脆性体。根据固体 力学理论，岩石形变时款性质从下式可知； 非阱嗉 式中： 东北大学硕士学位论文第二章冲击凿岩理论基础 e 一弹性模量 n 一粘滞系数 t 一载倚作用时间 x 一形变 。一应力 当载荷速度增大时，作用时间减小，上式等号右边第二部分增大，岩石的应 力很快接近或超过强度极限，发生脆性变形；当缓慢加载时，应力增长较慢，产 生塑性形变。因此，可以认为，岩石随加载速度增大，塑性降低，岩石由塑性体 转为脆性体。 2 4 1 4 研磨性 岩石对工具的磨损能力，称为岩石的研磨性。常用工具的研磨量进行表示。 静压回转钻进时的岩石研磨性和施加的正压力、相对滑动速度( 回转速度) 及所做的摩擦功成正比。而冲击回转钻进时，正压力小，回转速度低，故所做的 摩擦功小，从这些方面来说，岩石的研磨性对工具的磨损作用就降低，延长了冲 击回转钻头的使用寿命。但冲击载荷下岩石的研磨性另有其自己的特点：不仅包 括由岩石研磨性所引起的损耗外，还包括由冲击载荷引起的钻头冲击磨损，其中 冲击磨损尤为重要，相关因素也较多，诸如冲击时间、冲击能量、冲击频率、岩 石性质等等。 一般而言，随着冲击时间增加，钻头磨损量跟着增加；随着冲击能量增加， 开始钻头的磨损量增加，当冲击能量增至一定程度，达到可以将磨粒凿碎，岩石 表面被压实，岩石表面的研磨性降低，钻头磨损量又下降；继后继续增加冲击能 量，压实的表面被压碎，又导致岩石表面研磨性增加，从而绝对磨损量又开始增 加；组成矿物