CZ-150型高风压潜孔冲击器和钻头的研制与应用

CZ-巧0型高风压潜孔冲击器和钻头的研制与应用-长沙矿山研究院；石荣球．；；·，·，—·；：．·：；·；；!；!·．本文叙述了CZ-150型潜孔冲击器的翠计方案选型、结构设计、主要工作参数计算与测试；潜孔钻头的设计及结构、断裂金相分析、硬质合金选型及固齿工艺；介绍了冲击器主要零件和钻头的热处理工艺；评价了潜孔钻具现场应用效果。；．；?!’!提高潜孔凿岩的工作风压是提高潜孔凿岩效率、降低消耗的重要途径。据资料介绍，潜孔凿岩的速度与风压的关系即尸oc户3／9。·60年代以来，’国外高风压潜孔凿岩技术得到了迅速发展，风压由土MPa提高到2．4MPa，甚至更高。?o年代末至80年代初，我国陆续从美国、瑞典等国家引进了高风压潜孔钻机和钻具，用于穿凿水井和地下矿山大直径深孔采矿萨特别是F。D·Q采矿方法的试验成功与推广，；高风压潜孔凿岩得以迅速发展，钻具的消耗逐渐增加j从国外进口钻具，价格昂贵，而且耗费大量外汇。80，年代初，中国有色金属工业总公司下达了开展高风压潜孔钻具研究的任务，首先对引进的国外冲击器和钻头进行仿制。冲击器的仿制是成功的，但其结构较复杂，加工工艺性较差，使用不便，故障多，；特别是钻头寿命短，平均154 m，仅为进口钻头平均寿命的土／4。1984年，中国有色金属工业总公司又以‘六五”攻关延续项目下达继续开展高风压潜孔钻具研究的任务，长沙矿山研究院、凡口铅锌矿、株洲硬质合金厂研究所等单位共同协作，在多年从事低风压潜孔钻具研究的基础上，吸取了仿制进口钻具的实践经验，根据我国国情，进行了OZ：-150型高风压潜孔冲击器和钻头的研制和现场试验，圆满地完成了攻关任务，取得了良好的技术经济效果。；；·；金属矿山(3)1989·．·：．-—、CZ-工50型高风压冲击器(一)设计方案选型—；：；；根据一般经验，在高风压条件下，为节约能耗，要求冲击器耗气量要小，故多采用无阀冲击器。但是，对1MPa左右的工作气压；在中硬或中硬以下的岩层中穿凿深孔，；冲击器耗气量小，会使排碴困难，吼底岩碴产生重复破碎，浪费冲击能，甚至不能连续钻进，影响凿岩效率。JO-150型冲击器耗气量较小，在凡口铅锌矿现场使用中，在／＝8的岩层中钻进深孔时，必须钻进与提钻排碴交替进行，影响了穿孔效率。同时，提钻排碴时，压气仍在不断消耗，这时消耗的压气并没有破碎岩石作功。因此，在这种情况下，冲击器耗气量小就没有实际意义二；针对凡口铅锌矿的凿岩条件，以及JO-150型冲击器实际使用效果和：[MPa左右的气压条件，采用了耗气量较大的有阀冲击器设计方案。这种冲击器除了耗气量较大以外，它具有单次冲击能大，排碴好，凿岩工时利用率高，能有效地提高穿孔效率；减少卡钻事故；同时国产VY2．2／5-15型增压机能力也完全能满足要求。(二)结构设计OZ-iS0型高风压冲击器是在J-150型低压冲击器结构的基础上进行设计的，它吸取了J-159型冲击器中心排气、板阀配气、寿命长等优点，并参照国内外冲击器的某些特点，对主要工作参数和具体结构以及选材、热处理工艺等方面都作了重要改进。特别是为减少短路压气损耗，在结构上采取了一定的措施。土．加大活塞工作断面，提高单次冲击能。在风压确定的前提下，欲加大单次冲击能，只有加大活塞行程和增加活塞工作面积，而加大活塞行程，又会使得冲击频率下降，因此最好的办法是加大活塞工作面积。潜孔冲击器的外径受炮孔尺寸的限制，其活塞面积的增大，必须考虑内、外气缸的结构强度和冲击器与炮孔壁之间的环形排碴间隙而定，经计算本冲击器结构设训·确定活塞直径为1041D111，活塞工作断面比原来提高26yG，冲击能也相应提高。2．加大活塞末速度，提高冲击频率。在风压和活塞工作面积一定的情况下，增加活塞冲击末速度，可提高每秒钟冲击次数，从而增大输出功率。但是，冲击末速度的增加，会使活塞和钻头体中的冲击应力相应增加，根据波动力学理论，冲击应力与冲击能大小无关，而与冲击末速度成正比。因此，在冲击末速度增加后，使得活塞和钻头体中增加所达到的最大值，应在活塞和钻头体材质的安全允许范围。国外冲击活塞的末速度已超过10m／9，本设计经过应力计算后确定GZ-150型活塞冲击末速度为9m／g，打破冲击末速度一般不超过8m／g的常规概念。3．配气杆与阀座设计成一体。J-150型配气杆与阀座采用紧配合连接，同心度差，活塞经常撞击配气杆，配气杆折断严重。另一方面，配气杆经常脱出，将阀盖顶起，阀片行程改变，前、后气室窜气，冲击器无法正常工作。本设计将配气杆与阀座设计成一整体，同心度得到了保证，从而使上述问题都得到了根本解决，再也没有发生配气杆断裂现象。4．改进配气系统结构。J-150型冲击器在工：作过程中，风压高有时会出现冲击频率不正常现象，特别是在深孔条件下，有时竟出现活塞不冲击钎尾而是悬空振动。·出现这种现象，主要是因为活塞冲程时，由于内、外缸之间的环形空间增大了前气室容积，前气室压缩比不够，加之活塞中心孔直径偏小，后气室压力不能迅速下降，阀片难以及时换向所致。虽采取了在阀盖上钻小孔，让高压气直通前气室，帮助提高前气室的压缩比，在室内调试时效果不错，但冲击器工作风压有高有低，在不同炮孔深度内，排气阻力也不一，这一措施并不都能收到理想的效果，而且前室高压气进入，会增大活塞冲击时的背压，影响冲击能。东北工学院曾在解决单-200型冲击器类似情况时，在阀片上方安装一压力弹簧，使冲击器正常工作问题得到了解决。国外也有利用高压气推阀的实例。因此，本冲击器在阀盖上设计了一环形气室与高压气接通，环形气室面积为6．40m9，在土MPa工作风压下，作用在阀片上侧的压力为548N，帮助阀片快速换向；加大活塞中心孔，由原来的手28加；大至吵34，使后气室的排气道面积增大了489S；，减小了后气室排气阻力，加快了排气速度。此外，对环形气道断面和前后气室密封长度也作·了调整。改进后的配气结构，使冲击器在各种—使用条件下，工作正常，性能稳定。6．改进卡钎装置结构。；土)改进前、后卡钎装置结构。国外钻头与冲击器连接都采用置于卡钎套末端的卡环来连接，拆卸钻头时，必须拧下卡钎套，钻头和冲击；器的连接固然可靠，但钻头拆卸比较困难。而’J-150型冲击器是采用在卡钎套上安装圆键，-柱销联合锁紧装置(图1-1)。这种连接装置结—构简单，操作方便，钻头装、卸容易，但在生产实践中，柱销从变断面／1处断裂严重。柱销断，圆1；图重柱销改进前(工)改进后(U)结构金属矿山(3)DS9。键会退出，从而使钻头掉入孔，造成废孔。选用过不同材料做柱销，依然断裂。经认真分析，发现是卡钎装置结构上的缺陷造成柱销折断。经过对柱销受力情况的分析，本设计将柱销结构作了改进(图1-11)。!；2)两种柱销的受力分析。如图土所示，原柱销大头长，小头短，且大头与大孔的配合间隙小，小头与小孔的配合间隙大，·柱销受力如图1-Ib所示。柱销在圆键的作用力9的!作用下，，由于小孔与柱销小头间隙大，F力所产生的力矩全部作用在变断面丑上，而变断面／1处经热，处理后往往存有残余应力，加上这个力矩的作用，柱销就从变断面处断裂占改进后的柱销结·构，由于柱销大头较短，且与大孔间隙大，在9…·力作用时，柱销大头不受力，在变断面。／L处也不受力，9力需要将柱销从山处切断，那是周，。难的。改进后的柱销受力情况如图1-IIb所底从两种柱销受力图可见，改进后的柱销所承受的由9力产生的力矩要比改进前的柱销所承受的力矩小得多，且不作用在变断面／l上，又无．残余应力的影响。改进后的柱销，从根本上解决了断裂问题。·．，6．改钢阀片为尼龙阀片。在冲击器工作过程中，阀片来回撞击阀座和阀盖与之配合的凸台面。由于钢阀片重量大，往往将阀盖和阀座的凸台打堆，造成阀片行程增大，冲击器工：作，性能下降：钢阀片容易碎裂；阀盖和阀座的寿命·短。采用尼龙作阀片材料，它重量轻，韧性好，寿命长，换向灵活，且对阀盖和阀座的凸台面不会有损伤，大大延长了阀盖和悯座的使用寿命，保持冲击器最优的工作性能。7．改进了逆止阀结构。加长了逆止阀导向。长度，改斜面密封为平面密封，逆止阀上、下活!动自如，工作可靠，；使用效果好，冲击器反碴情况大大减少。(三)结构图与主要工作参数土．结构图(图2)·，2。主要工作参数计算与测试的结果(表主、2)。．金属矿山(3)19sg?图2CZ-150型冲击器结构置一接头卜—(fO”形密封圈J一密封圈卜逆止阀J一弹簧6一调整圈7一胶垫J一胶垫座9一阀座10一阀片Ii一导向杆52一阀座13--~Id一内缸5卜活塞56一衬塞17—压簧销J卜弹塞59一柱销5A…圆键22一卡钎套Z2—钻头表矍工作参数计算结果风压(MPa)0．6．●10．512冲击能(J)冲击频率(H2)耗气量(m’／s)活塞末速度(m／s)．3401．310．166．．750．358．)8．70．429．42表露工作参数测试结果注：采用微机测试系统对冲击器性能参数实现头时、同步测试的各项参数结果．·3．工作参数随气压变化曲线(图3)，表明实测的0Z-150型冲击器的冲击能和冲击频率与设计计算结果基本吻合。 d6810·尽压(bar)图3工作参数随气压变化曲线—10一O897一·Pq·一165— l—6O一9456一L99·一·55一O上一触 l凹5—96·一·54—0土一胎3S4—72·一·43—0土CZ-捣0型潜孔钻头(一)钻头设计1．长度和重量的确定。0Z-150型潜孔钻头是与0Z-150型高风压冲击器配套使用的，钻头长度与重量，必须考虑与冲击器活塞长度与重量的匹配关系。0Z-150型冲击器的活塞长320mm，重土6．3kg。国外潜孔钻头一般都比活塞长且重。根据实验资料，采用长钻头比采用短钻头时，活塞中应力有所下降，但钻头中应力增加，功比耗增大，凿入效率下降。根据以往的经验，钻头体的强度是主要矛盾，因此本设计为了减小钻头中的应力，降低功比耗，提高凿入效率，选择了钻头长度短于活塞长度的设计方案。因为活塞中应力有所增加，考虑到冲击器活塞的冲击末速度达到了9m／日，钻头过短，会使活塞中应力增加过多，为确保活塞也能有较高的寿命，经综合考虑，确定钻头长290mm，钻头重2土kg，活塞和钻头的长度和重量之比分别为土．1和0．r3。2．钻头体头部结构。土)边齿的倾角。国外钻头头部多采用边齿为35。的斜面，其余各圈齿都布置在中间大乎面上，这种钻头边齿的轴向分力大(图4A)；，有利于提高凿岩效率，同时边齿沿斜面方面的剪切力也较小，有利于防止合金齿的折断。但这种钻头，(1)由于边齿倾角较小，硬质合金齿突出钻头体外侧的宽度(6)较小，钻头抗磨损能力差；(2)边齿齿根距钻头体外侧的厚度小，不仅影响柱齿的固紧力，而且当钻头体外侧磨损后，齿根易外露，产生掉齿；G)边齿与第二圈齿的夹角大，为35。，齿顶间距大，一，二圈齿负担重，磨损快。这些都会降低钻头寿命。基于以上考虑，本设计采用双斜面的头部结构(图4B)，边齿倾角为40。。+第二圈齿倾角为20。，其余各圈齿布置在中间平面上，这种结构有以下优点：第一、二圈齿之间的夹角和齿顶间距均相等，各圈齿负担比较均匀，孔底不会留“岩墙”；边齿倾图4钻头体头部结构角大，合金齿突出钻头体外侧较多，边齿抗磨损好，有利于提高钻头寿命；边齿齿根距钻头体外侧的厚度大，这不仅提高边齿的固紧力，而且在钻头体外侧磨损的情况下，齿根不易外鼠也提高了钻头使用寿命。但这种钻头，边齿轴向分力稍有减小，作用在边齿上的剪切分力会略有增加。·在冲击器单次冲击能和硬质合金齿韧性足够的条件下。从提高钻头寿命考虑，这种结构是合理的。2)端部排气孔。钻头端部的排气孔，设计为对称的两个两孔口中心距为r土'lqOl"lq·，孔径为26mm。孔径大，排气阻力小。两孔对称布置对吹扫孔底岩碴有利。对于钻头体的强度，在设计中给予了足够的重视。3)排碴槽设计。端部排气孔和钻头体周边之间没有设计相贯通的沟槽，使从钻头端部排出来的废气经由齿间空隙将孔底岩碴向周边吹扫，有利于及时吹走已破碎的岩碴，减少重复破碎，提高钻进速度。为有效地排走已吹扫至孔底周边的岩碴，以及减小钻头在炮孔内的回转阻力，在钻头头部周边设计有六个排碴槽，也是成对称布置。在端部两排气孔的连线上，钻头周边没有设计排碴沟槽，这是为保证钻头体头部强度，防止钻头头部对半开裂。·3．钎尾结构。钎尾采用花键结构，依靠花键传递扭矩。钎尾的直径是在考虑卡钎套的柱销孔设计的要求后，尽可能地加大钎尾断面，以增加钎尾强度。4．钻头结构(图①。5．硬质合金选型及固齿工艺。潜孔钻头用的硬质合金必须满足两个条件：一是有足够的金属矿山(3)lQ60图6钻头结构强度，二是要有良好的耐磨性。多年来，我国矿用硬质合金主要采用Y0110合金，但它不是一种理想的矿用合金，并限制了矿用钻头寿命的提高。近年来，株洲硬质合金厂研究所在硬质合金热处理工艺研究方面取得大的进展，为Og~-i50型钻头研制了一种新型硬质合金——Y正R4合金，这种硬质合金是在·yG80硬质合金的基础上，用热处理的方法使YG80合金中的粘结相的晶型和成份发生变化，控制．-00向芦-Cb的转变，·使高温下获得的面心组织冻结下来，从而改善硬质合金性能，经过热处理后的YGsO；冶金；，·既具有原合釜的毹磨性，又提高了韧性。据室内性能测定，’抗弯强度提高了约10gI；，特别是冲击疲劳韧性提高了130咒。这种合金在0Z—：160型钻头上的应用，取得了良好的使用效果。—在硬质合金形状的选择上，要选用既具有较好的强度，又具有较好耐磨性的球形柱齿。硬质合金齿与钻头体的固定，采用过盈冷压工艺。在保证齿孔质量的前提下，这一工艺的核心就是如何正确选取过盈量。合理的过盈量是固齿质量的保证。．过盈量小，抱紧力低，易掉齿；过盈量大，齿和齿孔都会产生较大的内应力，在外力作用T真钻头体易产生裂纹；当过盈量过大时，产生冲压剪切作用，根本达不到过盈固紧的目的。过盈量的选va,应根据齿孔的光洁度，锥度和椭吼钻头体的硬度，柱齿是否磨光等因素综合考虑，齿和孔必须逐个测量单配。(二)钻头断裂原因的解剖分析第乙批共试制了六个钻头，四个钻头断裂，而且断的部位都一榣·都在主排气孔和两支排气孔相交断面处。钻头平均寿命仅115m，最高224m，最低60m。在相同凿岩条件T真国外钻头平均寿命达600m，最高达；900余米。为了查明CZ,150塑钻头早期断裂的原因，寻找与国外钻头的差距，将嘲个OZ-160型断钻头和一个进口钻头进行解剖分析。土．化学成份分析《表3)。表；3中的断钻头碳、磷含量均达到标准含量的上限。国外钻头体中磷含量较低，且含有3咒的Ni。·2．机械性能检验。在钻头头部和尾部分别；取样，加工成拉伸和冲击韧性试艴韧性试样开梅氏糟口，检验结果如表；4。表8化学成份含量(％)分析结果钻头材质；!：·＼-，；；；；；；：：．?-；i：；；芜，；素；：，。C；殴Mn1

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