牙轮钻机选型设计.doc

呼伦贝尔学院 工程技术学院 10级采矿一班露天矿牙轮钻机选型设计说明书设计课题：露天矿牙轮钻机选型设计专业班级： 2010级采矿工程一班 学生姓名： 贾磊 2010171121 指导教师： 孟爱国 学生成绩： 露天矿牙轮钻机选型已知条件：见表格要求：（1）计算所需设备的数量。 （2）完成表格填空。（3）列出两种设备的技术规格和工作参数。参考文献：（1）、李晓豁.露天采矿学机械M. 北京：冶金工业出版社，2010.9（2）、吴顺川.露天采矿学M. 长沙：中南大学出版社，2010.11（3）、孟爱国老师经典课堂笔记1、牙轮钻机1.1 概述 牙轮钻机是一种近代钻孔设备，多用于大型露天矿山。半个世纪以来，露天穿孔设备经历了“磕头钻”、喷火钻、冲击（潜孔）钻的发展，最终牙轮钻机以钻孔孔径大、穿孔效率高、成本低，安全可靠和使用范围广等优点成为大、中型露天矿目前普遍使用的穿孔设备。随着露天矿山大型化和数字化，国外牙轮钻机也在向大型化和自动化、智能化发展，穿孔直径由早期的270mm、311mm逐步向更大孔径发展。如美国BI公司49R型孔径达406mm，59R孔径达到444mm，P&H公司100XP和120A分别达到349mm和559mm，以适应特大型重型金属矿山的穿孔作业,但大型露天矿使用最多的炮孔直径仍为310380mm。1.2基本原理牙轮钻机钻孔时，依靠加压、回转机构通过钻杆，对钻头提供足够大的轴压力和回转扭矩，牙轮钻头在岩石上同时钻进和回转，对岩石产生静压力和冲击动压力作用。牙轮在孔底滚动中连续地挤压、切削冲击破碎岩石，有一定压力和流量流速的压缩空气经钻杆内腔从钻头喷嘴喷出，将岩渣从孔底沿钻杆和孔壁的环形空间不断地吹至孔外，直至形成所需孔深的钻孔。1.3牙轮钻机的主要结构特征1.3.1钻具牙轮钻机钻具主要有牙轮钻头、钻杆、稳杆器和回转稳定器。1）牙轮钻头(1)构造：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，铲凿和刮削作用，在地层中产生最佳的钻进效果。（2）工作原理：钻机通过钻杆给钻头施加足够大的轴压力和回转扭矩，牙轮钻头转动时，各牙轮又绕自身轴滚动，滚动的方向与钻头转动方向相反。牙轮齿在加压滚动过程中，对岩石产生碾压作用；由于牙轮齿以单齿和双齿交替地接触岩石，当单齿着地时牙轮轴心高，而双齿着地时轴心低，如此反复进行，使岩石受到周期性冲击作用；又由于牙轮的超顶、退轴（3个牙轮的锥顶与钻头中心不重合）、移动（3个牙轮的轴线不交于钻头中心线）和牙轮的复锥形状、使牙轮在孔底工作时还产生一定的滑动，对岩石产生切削作用。因此，牙轮钻头破碎岩石实际上是冲击、碾压和切削的复合作用。2）钻杆作用：把钻压和扭矩传递给钻头。钻头的长度有不同的规定。采用普通钻架时，钻杆的长度为9.2m、9.9m。采用高顶钻架时，考虑的到底部磨碎较快，仍用短钻杆。钻孔过程中，上下两杆交替与钻头连接，已达到两根钻杆均匀磨损。3)稳杆器（1）作用：稳杆器是牙轮钻进时防止钻杆及钻头摆动、炮孔歪斜、保护钻机工作构件少出故障和延长钻头寿命的有效工具。国内穿孔实践表明，牙轮钻进必须配备稳杆器。 （2）分类：稳杆器有两种形式：辐条式及滚轮式。辐条式稳杆器由四根用耐磨材料做成辐条焊在稳杆器上。有时在辐条上镶有硬质合金柱齿。辐条式稳杆器适用于岩石普氏坚固性系数f16的中等磨蚀性的矿岩。不宜用于钻凿倾斜炮孔。滚轮式稳杆器上装有3个滚轮。滚轮表面镶有硬质合金柱齿。由于滚轮摩擦阻力小，故滚轮式稳杆器使用寿命长。适用于岩石硬度高和磨蚀性强的矿岩。特别适用于斜炮孔钻进。4）回转稳定器回转机构与钻杆连接采用钻杆连接器。现多采用减震器，可以吸收钻孔时钻杆的轴向和径向振动，使钻机工作平衡，提高钻头寿命。2、选型原则：2.1 牙轮钻机是露天矿技术先进的钻孔设备，使用于各种硬度矿岩的钻孔作业，设计大中型矿山设备首选牙轮钻机。2.2中硬以上硬度的矿岩选用牙轮钻机钻孔优于其他钻孔设备。2.3在满足矿山年钻孔量的同时，牙轮钻机选型还要保证设计生产要求的钻孔直径、孔深、倾角及其他参数。2.4根据矿区自然地理条件选择设备及配套部件。2.5动力条件。一般选用电动（经济）。2.6工作可靠，寿命长，价格便宜，零部件供货周期长，应综合分析对比。3、设备选型计算3.1确定型号 1）、设计和生产中矿山采剥量和矿山规模与钻孔直径有如表31关系： 表31 采剥总量与钻孔直径关系 采剥总量/万t40050060010001500200030004000钻孔直径/mm200250250310310380380450经上述查表则确定该煤矿钻孔直径选250310mm；2）、牙轮钻机选择与爆破总量、岩石性质、装运设备等因素相关，见表32 表32 牙轮钻机选择 炮孔直径/mm岩石硬度中硬坚硬极硬250KY250YZ3545RKY250YZ3545RYZ35310YZ5560R（）KY31060R（）YZ5560R（）经上述1）和2）查证所得，此煤矿东西采场钻孔机械选择KY250和KY310牙轮钻机。3.2主要参数计算3.2.1钻机转速钻具的转速对钻孔速度有直接影响，在一定范围内，钻速越高钻孔速度越快，但钻速太高将造成回转机构强烈震动，不仅降低钻头的使用寿命，也降低钻孔速度。目前，国内外牙轮钻机的钻具速度多为0150r/min，低转速用于接卸钻杆、大孔径和硬的钻孔，高转速则用于小孔径和软岩钻孔。则选KY250牙轮钻机转速90r/min，选KY310牙轮钻机转速80r/min。3.2.2轴压力合理的轴压力可根据下式计算： 或 P=（0.060.07） 式中 岩石的坚固性系数； 试验系数，=1.31.5； 试验用钻头的直径，=214mm。如果牙轮的牙齿较钝，所需的轴压力应加大；如果岩石有裂隙或夹块，应适当减小轴压，以减轻钻机的振动。则牙轮钻机的轴压力为： 矿石： 岩石： 3.2.3钻具转矩根据美国休斯公司的试验分析，钻具的转矩M（Nm）可由下式计算： M=29.6D 式中 k-岩石特性系数，见表3-3 P-轴压力，表3-3 岩石特性系数岩石种类最软软中软中硬最硬抗压强度/MPa17.556210475则牙轮钻机的钻具扭矩为： 矿石：M=29.6D=29.66250=1027.87 岩石：M=29.6D=29.66310=1259.33.2.4排渣风量目前，牙轮钻机多采用低压（0.350.4MPa）大风量的压气排渣。 式中 k 考虑漏风系数，取k=1.11.5； D 钻杆外径；岩渣的悬浮速度，m/s。3.2.5 钻孔速度钻孔速度是反映牙轮钻机先进性和工作制度合理性的主要指标，其大小与钻孔参数、排渣介质、钻头形式及其新旧程度、岩石的可钻性等有关。牙轮钻机的钻进速度可以下公式估算： 式中 轴压，kN； 钻具的转速，r/min；钻头的直径，mm； 矿岩的硬度系数。 则牙轮钻机的钻进速度： 矿石： KY250牙轮钻机的钻进速度为 岩石： KY310牙轮钻机的钻进速度为 3.2.6回转功率回转功率N(kW)推荐经验公式：式中 岩石特性系数，按表3-3选取。则牙轮钻机的回转功率为： 矿石： 岩石： 4、穿孔设备数量的计算4.1牙轮钻机的台班生产能力牙轮钻进的台班生产能力即是每台钻机每一班在工作日内钻进的米数，计算如下：式中 牙轮钻机台班生产能力，m/(台.班)； 牙轮钻机的钻进速度，cm/min; 每班工作时间，h，取8；钻机台班时间利用系数，取0.40.5；则牙轮钻机的台班生产能力为： KY250牙轮钻机的台班生产能力为 KY310牙轮钻机的台班生产能力为4.2牙轮钻机的台年综合效率 式中 牙轮钻机的台年钻机效率，万m/台年； 牙轮钻机的年工作利用率，一般取0.8； N一年所有的工作日，取360； 则牙轮钻机的台年综合效率: KY250牙轮钻机的台年综合效率为 KY310牙轮钻机的台年综合效率为4.3确定需求的设备数量 露天矿牙轮钻机的数量取决与矿山设计年采剥总量、所选定钻机的设计年穿孔效率与每米炮孔的爆破量有关，可按下式计算： 式中 设计的矿山年采剥总量，t； 每台牙轮钻机的年穿孔效率，m/a； 每米炮孔的爆破量，t/m； 费孔率，一般取5%；计算钻机设备数量时，每米炮孔爆破的矿（岩）量，一般应按设计的矿（岩）石爆破孔网参数分别计算，有事也可参照表按下表41选取； 表41 每米孔爆破量参考指标 炮孔直径/mm矿岩种类每米孔爆破量/mm250矿岩100140岩石90130310矿岩120150岩石100130KY250牙轮钻机在东西采场各所需量是，则 取整=1 取整=2KY310牙轮钻机在东西采场各所需量是，则取整=8取整=11那么东西各采场所需设备是，,则东采场 =+=1+8=9台西采场 =+=2+11=13台整个煤矿 M=+=9+13=22台式中 ，东采场各种型号牙轮钻机所需数量，台； ，西采场各种型号牙轮钻机所需数量，台；5、矿山深孔爆破参数及钻机数量计算表表51 矿山深孔爆破参数及钻机数量计算表 单位东采场西采场备注矿石岩石矿石岩石矿石硬度F=126凿岩量万t58841658825390岩石的硬度F=105万m3163.521340.95245.271735.35段高m12121212孔径mm250 310 250 310孔距m7.587.58排距m5.565.56孔深m14141414超深2m延米爆量m3/m35.3641.1435.3641.14t/m125.42127.68125.42127.68年穿孔米数万m4.8734.317.344.45%废孔率万m39.1851.7年穿孔个数个3477245065216317132798336929钻机效率万m/台年4.94.354.94.35计算台数台18211合计台数台913总台数台22牙轮钻头金属密封环表面喷涂WC-Co涂层耐磨性研究摘要金属密封环的密封稳定性直接影响到牙轮钻头的使用寿命,利用等离子喷涂技术在牙轮钻头金属密封环材料20CrNiMo合金钢表面喷涂WC-Co硬质涂层,以期提高其表面耐磨性能,从而提高牙轮钻头的寿命。用显微硬度仪测试涂层的硬度,用MFT24000型高速往复摩擦磨损实验机对涂层进行耐磨性能实验,并用扫描电镜( SEM) 、X射线衍射仪(XRD)分析了涂层的截面形貌和相结构。结果表明:等离子喷涂WC-Co涂层后,试样表面硬度显著提高,摩擦因数减小,抗磨损性能大幅提高。关键词牙轮钻头;金属端面密封;等离子喷涂;WC-Co涂层;耐磨性能引言从1909年美国人HowardHughes发明两牙轮钻头算起,牙轮钻头在全世界已经使用100年了。居世界领先水平的美国四大油气钻井用牙轮钻头生产厂家(Baker Hughes Christensen、Smith Bits、ReedHycalog、Security DBS)一直非常重视对牙轮钻头轴承系统的应用基础研究,面对世界范围内油气钻井作业要求牙轮钻头向高转速发展的趋势,近十多年来纷纷推出了各自的高转速滚动轴承牙轮钻头,抢占国际市场。我国的牙轮钻头生产从进口仿制起步并取得长足发展,但规格系列和质量与国外产品相比还存在较大差距。通过对油气钻井现场大量失效滚动轴承牙轮钻头的解剖分析表明,滚动轴承系统的失效主要由2个方面的原因引起:第一是密封结构首先失效,致使轴承本体因剧烈的磨粒磨损而随即失效;第二是密封结构完好时轴承本体的接触疲劳失效。因此,提高牙轮转头金属密封的稳定性是防止轴承失效的有效方法。国内外学者研究表明,喷涂硬质涂层是提高牙轮钻头密封效果的有效方法之一。本文是利用等离子喷涂( PlasmaSp raying)技术,在牙轮钻头金属密封环用钢20CrNiMo表面喷涂WC-Co涂层,从而提高其表面耐磨性能,以期提高轴承使用寿命。1、实验方法1.1等离子喷涂将20CrNiMo合金钢棒材用线切割机切割成为20mm的试样,并对其进行渗碳淬火处理,使其表层硬度达到HRC55。喷涂涂层前先用砂纸将表面磨光,以除去表面的油污和锈斑,再进行喷砂处理,使表面具有一定粗糙度之后用超声波清洗仪清洗试样表面,并用丙酮清洗试样,等表面吹干后,将试样固定在旋转工作台上,试样距喷枪的距离为80mm,具体喷涂工艺见表1。表1 等离子喷涂工艺粉末电压/V电流/A主气流量/ (Lmin - 1 )送粉速率/ ( gmin - 1 )WC-Co65404080100 1.2检测方法用S250MK3型英国剑桥扫描电子显微镜( SEM)观察试样截面显微组织,用Rigaku D /max 2500型X射线衍射仪(XRD)分析了涂层相结构,用HMV21T型数字式智能显微硬度计测量了涂层的显微硬度。磨损实验采用中国科学院兰州物理所研制的MFT24000型的高速往复摩擦磨损实验机,检测喷涂前后试样在干摩擦条件下的摩擦磨损性能。摩擦副件采用直径4.75mm的淬火GCr15钢球,硬度HRC62。载荷100N,往复频率5Hz,往复距离5mm,试验温度(202),相对湿度65% 5% ,滑动时间5min。2 结果与分析2.1 试样截面显微组织及显微硬度图1是试样经过等离子喷涂后的截面显微组织形貌SEM照片,图中菱形压痕为检测显微硬度时留下的痕迹。从图中可以看出WC-Co涂层与基体结合紧密,厚度约为260m。图1试样截面显微组织SEM照片由图2可以看出,试样经等离子喷涂WC2Co涂层后,表面显微硬度显著增加,表面涂层硬度最大值为1183HV。20CrNiMo基体的平均硬度约为630.0HV,涂层的平均硬度约为1150.0HV。图2试样显微硬度曲线2.2 WC-Co涂层XRD图3为试样的XRD图谱,可知涂层由WC相和W2C相组成。这是因为等离子喷涂过程中,颗粒以很高的速度撞击基材上,散热速度很大,可以达到10,是一种典型的快速凝固过程,从而在涂层中易形成亚稳相W2C。图3试样XRD图谱2.3耐磨损性能图4是原始20CrNiMo合金及等离子喷涂后涂层的摩擦因数曲线。由于等离