牙轮钻机基本参数的选择

牙轮钻机基本参数的选择

王庆磊 刘磊

内蒙古包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司 内蒙古包头市 014080

摘要：大型牙轮钻机总体参数设计是否合理，对整个钻机的性能起着至关重要的作用。目前国内牙轮钻机总体设计采用仿制设计，手工计算，方案多，工作量大，周期长。因为忙于技术工作，影响创新思维的发挥，整体设计没有形成标准和规范。因此，对牙轮钻机总体参数实施规范化设计，形成一套逐步完善的总体设计软件是非常必要的。

关键词：牙轮钻机；基本参数；选择；

牙轮钻机的主要工作参数是指钻机工作时钻具作用在孔底岩石上的轴压力、 钻头转速、 排碴风量和回转扭矩。 正确合理地选择这些参数, 不仅可以提高钻孔效率、 延长钻具使用寿命, 而且还可以降低钻孔成本。

一、牙轮钻机液压系统常见的故障原因

牙轮钻机液压系统常见故障如不能动作、速度低、动作无力、爬行、冲击等，除设计、制造缺陷外，大多是由于系统油液中所含污染杂质和老化衰变引起的。液压系统的失效形式及原因主要有以下三种。（1）液压油污染：当液压油污染内部有杂质进入泵或马达时，泵或马达可能完全被卡死，杂质进入滑阀时能阻止阀芯无法动作；当一个阀的控制节流孔被杂质堵住时会出现突然失效，例如一个阀体可能因为细小淤泥而无法工作。（2）过热或进入空气：当液压泵把油液转变为压力油时，空气和水分就会助长热的增加而引起过热；而这些物质聚积油中造成零件的加速磨损和腐蚀，且它们粘附在精加工零件表面上还会使零件失去原有功能。油液因过热变稀还会使传动工作变迟缓。空气进入油中除引起过热外，也会有相当数量空气在压力下被溶于油内，造成系统压力不稳，损坏零件，严重时会导致整个系统损坏。此外，油中含有许多泡沫会增加总体积，将造成油箱或储油器的溢油现象。（3）零部件损坏：是磨料磨损、腐蚀、气蚀、混气、冲刷磨损或表面疲劳的结果，它们都会使系统元件内泄漏增加，降低其效率或精度，最终导致液压系统出现突发故障。通过以上三种故障原因分析可以看出，液压油作为液压系统中动力传递的介质，不但要有良好的润滑性、抗氧化性、粘温性等性能，还要具有较高的清洁度，因此，保证油质、防止液压系统的污染是进行主动维护的关键。

二、保证液压系统目标清洁度的措施

1.新油加注及油品的更换。由于某些新油的清洁度达不到使用要求，所以新油必须通过高精度的过滤机过滤后才能注入液压系统。这样不仅提高了油品的清洁度，而且提高了设备保养效率，阻止了污染物进入液压系统。对于使用时间较长的液压系统，由于其系统内部积聚了大量的细小污染物（油泥），因此，应根据液压系统的污染情况，在油品更换时，适时地对液压系统进行冲洗。冲洗可使用低粘度油液或在提高油液温度的情况下以高流速冲洗系统，并检测系统清洁度水平，直至达到系统目标清洁度为止。

2.液压系统的密封。正常使用的液压系统，外界污染主要是通过加油口、油箱通气孔、工作油缸活塞防尘密封圈进入系统内部，因此，在日常维护中，应保证油箱盖密封良好，通气口应配置隔离式通气过滤器或采取其他方式防止空气中的灰尘进入系统。活塞杆防尘密封圈的作用是清除附着在活塞杆上的灰尘及杂物，设备在作业中，若大颗粒物质直接撒落到活塞杆上会造成活塞杆表面损伤，再经活塞杆伸缩损坏活塞杆密封圈，使其密封失效，造成漏油。因此，应采取防污染措施，防止尘土和污物直接落到活塞杆上。

3.液压系统检修注意事项。维修液压系统时，系统打开就有了污染物侵入的机会，因此，系统维修过程中要注意防尘与密封，禁止在污染场合进行。

4.选用优质滤清器。液压系统原滤清器难以达到清洁度标准的，应更换优质高精度滤清器。

5.液压油的机外过滤。机外过滤是利用高精度滤油机通过外循环对在用的液压油进行过滤净化，这样可以弥补部分液压系统过滤装置的过滤精度和纳污能力不足的缺陷。没有条件对液压油进行清洁度检测的，可实行定期机外过滤。过滤周期可取为液压系统滤清器的更换周期或其1/2。

三、主参数的选择

为了使钻机能在各种不同性质的岩石中钻孔,并获得理想的钻孔效果,要求牙轮钻机的主参数能有一个可调的范围,以便根据不同的地质条件进行人工的或自动的调整,获得最佳的钻孔工作制度和最优的工作效率。

1.轴压力。轴压力是钻头牙齿压入岩石形成破碎坑的原动力,是影响钻孔速度的主要因素。对于具有一定机械强度的岩石,轴压力越大,钻孔速度就越高。当轴压力增大到钻头牙齿全部嵌入破岩后,钻孔速度就不再提高,反而增加了钻头的磨损。实践证明,轴压力既不能太小也不能太大,因此可以说,就一定的岩种而言,应存在一个最佳的轴压力值,它取决于岩石的坚固性系数、钻头的直径和钻头质量。对铁矿开采进行的详细研究表明,只要能够精确地确定出岩石的单轴抗压强度,就可以在钻孔速度与岩石强度之间建立一定的关系。另外,这些研究证实了钻孔速度与轴压力和转速成线性关系,其结果可表示为:

式中:v——钻孔速度,m/h;

c——单轴抗压强度,M Pa;

k——岩石系数;

n——钻头转速,r/min;

——轴压力,kg/m m。

式中经多年验证是可靠的,只是它是基于较硬铁矿的研究而建立的。对于较软岩石,用式得到的钻孔速度比实际钻孔速度要低很多,而且,当岩石抗压强度小于69M Pa时,误差很大。这是由于随岩石强度的降低岩石断裂性质变化所致,但是无论岩层结构如何,钻孔速度与轴压力和转速仍然保持线性关系。对不同的岩层结构必须采用不同的岩石系数,

2.钻头转速。在一定范围(200r/min)内,钻孔速度与钻头的转速成正比关系。因此,现在有观点认为在最佳轴压力下追求最高转速,钻头转速与钻孔速度的关系可表示为上式。然而,应当指出钻孔速度与转速的正比关系不是无限的,原因如下: 岩石的破碎有一个过程,需要一定的时间,钻头牙齿与岩石间的接触时间不应小于0.02s～0.03s,硬岩的时限应长,软岩的时限应短,否则只能产生低效的疲劳破碎,为了保证接触时间,钻大孔径、硬岩孔时应采用较小的转速; 牙轮钻机有自己的振动模态,当钻头转速与钻机的固有频率合拍时,钻机将发生共振,损坏机件; 钻头快速旋转时,牙轮对孔底产生很大的加速度冲击,对合金齿和轴承起着破坏作用。所以,钻头生产厂家都推荐了合理的转速范围。

3.排碴风量、应保证足够的风量用于排除孔底岩碴,并冷却钻头轴承与牙轮。排碴风量的大小直接影响钻孔速度和钻头寿命,合理的排碴风量取决于钻杆与孔壁之间环形空间内的回风速度,这个回风速度必须大于最大颗粒岩碴在孔内空气中的悬浮速度(即临界沉降速度)。根据国内外的经验,回风速度大约为25.4m/s,最低不小于15.3m/s,对于比重较大的某些铁矿,回风速度甚至超过45.7m/s。一般情况下,排碴风量Q(m 3/s)计算公式为:

式中:D0——钻孔直径,m;

d0——钻杆外径,m;

a——漏风系数,a=1.1～1.5;

v回风——回风速度,m/s。

排碴情况的好坏,主要取决于排碴风量。足够的排碴风量为提高轴压力和钻头转速、保持在合理钻孔制度下工作创造了条件。如果排碴风量不变,增加单位轴压力和钻头转速,钻孔清洗指标就会降低,从而影响钻孔速度。因此,只有增加排碴风量,才能允许轴压力和转速的增加。

总之，要想获得较经济的钻孔速度,必须合理选择钻机的各主要工作参数,全面了解影响钻孔速度的因素,进而准确地估算钻孔速度。

参考文献：

[1]王乾.关于牙轮钻机基本参数的选择.2019.

[2]张长波.牙轮钻机工作参数的研究及优化设计.2020.