CN1306143C - 一种柱面承载管式钎杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱面承载管式钎杆。所述钎杆比传统同类规格钎杆的直径大于10%以上，且近于与同类钎杆等效重量的同质管状材料制成的柱面承载管式钎杆结构，所述管式钎杆与凿岩机、钎头之间，管式钎杆之间，采用螺旋副连接，所述的螺旋副连接中的螺杆端头，在工作状态下都是自由面，即悬空面结构。本发明采用螺旋副连接的承载面，可实现柱面承载管式钎杆传递凿入能量的应力波垂直入射，可确保减少应力波传递过程中的能量损失；管式钎杆直径显著大于同类钎杆直径，其抗弯截面系数大，使疲劳弯曲在低应力的水平上循环，为大幅度提高凿岩钎杆的使用寿命开辟了新途径。

Description

一种柱面承载管式钎杆

技术领域

本发明属于凿岩机械配套的传递能量工具，特别适用于各种凿岩机使用的钎杆。

背景技术

凿岩机是最常用的工程设备。各类凿岩机配套用的钎杆，概括起来有三种(张国榉等编著，凿岩钎具的设计、制造和应用，湖南科学技术出版社，1988年10月，P12-130)：其一是锥形连接钎杆，适用于浅孔，它依靠六角形钎肩与凿岩机连接，依靠带有锥体的另一端与钎头相连接。其二是螺纹连接钎杆，适用于钻凿中深孔，通过具有螺母作用的套管，将钎杆与凿岩机连接；另一端通过钎杆端头的阳螺纹与钎头连接；随着孔深的增加，通过套管将钎杆一根一根地连接起来，凿完孔后再一一卸掉，以便从钻孔中取出钎头。其三是MF钎杆，即一端为阳螺纹，另一端为阴螺纹的钎杆，这种螺纹钎杆连接取消了套管。

这三种结构的凿岩钎杆，在百余年来的应用实践中，存在以下不足(宋守志、徐小荷，钎杆寿命的理论分析，金属学报，Vol.22 No5.P580)：

1.锥形连接钎杆，在制造过程中，其加热区边界产生冶金缺口，改变了钎杆的金相组织，造成了钎杆的危险断面。

2.锥形连接钎杆，在凿岩工作过程中，钎杆与钎头的锥形连接处，存在着轴向滑动，摩擦生热，使此处钎杆成为强度的薄弱环节；同时由于产生能量耗散，影响凿岩效率。

3.螺纹连接钎杆，当套管与制有阳螺纹的两根钎杆连接时，其螺杆端面就是承载面，两个钎杆的接触端面虽被套管拧紧，但凿岩机发出的应力波由主动钎杆阳螺纹传到套管上的阴螺纹，再由套管传递给被动钎杆的阳螺纹，这一过程要经历两次应力波传播效应。这种应力波传播效应，属于倾斜入射(宋守志编著，固体介质中的应力波，煤炭工业出版社，1989年6月，P74-123)。当应力波入射到螺纹倾斜面上，如图1所示，钎杆中入射波W产生四个新波：其一为反射纵波C，其二为反射横波D，其三为透射纵波E，其四为透射横波F。其一与其二新波，与入射波的传递方向相悖，将携带约5-15％能量传向凿岩钎头的反方向，只有其三和其四新波向着钎头方向传递。凿岩应力波每经过一个钎杆接头，其能量损失为10-25％(徐小荷编著，岩石破碎学，煤炭工业出版社，1986年11月，P176)

4.MF钎杆的缺陷在于，虽然传递凿岩机能量是通过钎杆末端阳螺纹连接另一根钎杆末端阴螺纹实现能量传递。其中阳螺纹的顶端面顶紧阴螺纹的底面。由于中间省去了连接套管，实际上仅产生一次应力波的倾斜入射效应，其能量损失为10～15％。

5.上述三种凿岩机配套钎杆，传递凿岩应力波的承载面，如图2所示，通过锥形连接钎杆的锥形；或者通过阳螺纹的杆顶端面，如图3所示；或者通过MF钎杆的螺母底面，如图4所示。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，应力波的垂直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。

6.锥形连接钎杆的危险断面是位于距钎杆撞击面约200mm处的冶金缺口处。对于螺纹连接钎杆，其中包括MF钎杆，其危险断面是阳螺纹终端的螺纹内径处。根据钎杆的失效方式是湿式弯曲疲劳(宋守志、徐小荷，用计算机预估钎杆疲劳寿命的研究，钢铁，Vol.22 No.3，P1-5)，其弯曲应力：

                       σ＝M/W                    (A)

式中M为钎杆承载弯矩；W为钎杆的抗弯截面系数。对于中空钎杆抗弯截面系数(编委会，机械工程师手册，机械工业出版社，1989年7月，P4-119)：

                 W＝0.0982×(D⁴-d⁴)/D             (B)

式中，D为钎杆危险断面的外径；d为钎杆内孔直径。对于上式，因传统钎杆的d尺寸一般很小，所以可以近似认为W∝D³。从理论上分析，钎杆阳螺纹的内径处D最小，根据弯曲应力校核，此处W最小，由式(A)可知：此处σ最大，是危险断面。因而可以推论：尽可能加大钎杆危险断面处的外径D的尺寸，将大幅降低根据(A)式确定的该处疲劳弯曲应力水平，这样可以显著提高钎杆的抗疲劳能力，这无疑是提高凿岩钎杆寿命的最佳途径。由此推论，对于传统的中空钎杆，当外径D尽可能增大后，但D增大的极限尺寸应小于钎头直径6～10mm，这样其断面形状就成了管状了。这种钎杆型式应对抗弯疲劳，无疑是一种最有效的实际步骤。

发明内容

本发明的目的是提供一种减少传递凿岩能量消耗、高效、轻质和长寿命的钎杆，以突破当前钎具行业传统的凿岩钎杆结构模式

本发明所述一种柱面承载管式钎杆，所述钎杆比传统同类规格钎杆的直径大于10％以上，且与同类钎杆等效重量的同质管状材料制成的柱面承载管式钎杆结构，所述管式钎杆与凿岩机、钎头之间，管式钎杆之间，采用螺旋副连接，所述的螺旋副连接中的螺杆端头，在工作状态下都是自由面，即悬空面结构。

如上所述的一种柱面承载管式钎杆，钎杆为直径大于30mm，并且直径小于与之配合的钎头直径6-10mm，壁厚小于25mm的薄壁管结构。

如上所述的一种柱面承载管式钎杆，螺旋副采用方形、锯齿形、波形和梯形螺纹中的一种结构。

如上所述的一种柱面承载管式钎杆，小直径锥形连接钎杆采用整体管式螺纹连接方式，将其中一端制成薄壁外六角钎肩与凿岩机连接，其另一端依靠螺旋副与钎头连接，其承载工作面或者是管式钎杆端面，或者是管式钎杆的螺纹阳螺纹空刀槽端面。

如上所述的一种柱面承载管式钎杆，管式钎杆螺旋副采用薄壁管筒钎杆的局部壁厚镦粗结构，其两端分别是阴、阳螺纹；或采用厚壁管材结构，车制螺旋副的阴、阳螺纹后，采用保护焊接措施，将其分别焊接到管式钎杆杆体的两端。

如上所述的一种柱面承载管式钎杆，对于钎头尾部为阳螺纹的螺纹连接管式钎杆，钎杆体阴螺纹的端面为承载面，即锁紧面；对于钎头尾部为阴螺纹的螺纹连接管式钎杆，阳螺纹终了处空刀槽部位的端面为承载面。

本发明与传统的钎杆结构相比，具有如下优点和积极效果：

1.所研究的管式钎杆，扬弃了MF钎杆，依靠阳螺纹顶紧螺母底面的传统传力方式，如图4所示，本发明在结构上确保传递螺旋副中柱面承载，参见图5、6、7和8所示，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，每个钎杆接头能量损失可降低到5％以下，可使凿岩机凿岩速度加快，钻孔深度明显增加。

2.由于管式钎杆外径比传统钎杆直径增大10％以上，当危险断面的外径增大后，其抗弯截面系数加大，使疲劳弯曲在低应力的水平上循环，则可以显著提高管式钎杆的使用寿命。

下面通过实例进一步阐述本发明的特点：

实例1小直径管式钎杆

                            小直径管式钎杆试验数据

组别	规格	钎头直径	连接方式	岩石坚固系数f	凿岩速度(时间/米)	钎杆寿命(米/根)	失效方式
								发明	Φ34	Φ40	T26	12-14	1分50秒	208	磨损
对比	H22	Φ40	锥形	12-14	2分35秒	86	折断*、**

实例2接杆式管式钎杆

                            接杆管式钎杆试验数据

组别	规格	钎头直径	连接方式	岩石坚固系数f	凿岩速度(时间/米)	钎杆寿命(米/根)	失效方式
								发明	Φ55	Φ76	T45	12-14	2分40秒	1200	磨损
对比	Φ32	Φ70	R32	12-14	3分20秒	750	螺纹处断裂*、**

*宋守志等，用计算机预估钎杆疲劳寿命的研究[J]，钢铁，1986(3)：30-34。

**张国榉等编著，《凿岩钎具的设计、制造和选用》，湖南科学技术出版社，1988.10，P146～156。

附图说明

图1是应力波在螺纹表面上的传递效应示意图；

图2是钎具中心聚集能量的一种传统连接方式结构示意图；

图3是钎具中心聚集能量的另一种传统连接方式结构示意图；

图4是钎具中心聚集能量的第三种传统连接方式结构示意图；

图5是本发明的由锥形连接演变的柱面管式钎杆结构示意图；

图6是本发明的螺纹连接和MF连接钎杆演变的管式钎杆结构示意图；

图7是本发明的钎头尾部的阳螺纹的管式钎杆结构示意图；

图8是本发明的钎头尾部为阴暗螺纹的管式钎杆结构示意图。

具体实施方式

图1反映的是应力波在螺纹表面上的传递效应示意图，其中W是入射波、C是反射纵波、D是反射横波、E是适射纵波、F是透射横波。图2、3、4是传统的钎头联接示意图，其中1是钎头、2是钎杆、3-1、3-2、3-3是承载面。

本发明的主要技术方案：

1.将锥形连接的钎杆改为螺纹连接，这种结构钎杆如图5所示。其中钎杆2一端用六角钎肩与凿岩机相连接，钎杆2的另一端通过螺纹与钎头1相连接。图5中3-4是承载面。

2.对通常的螺纹连接钎杆和MF钎杆，实质性的改变是：尽可能加大管式钎杆的外径，通常其直径下限大于30mm，其直径上限小于钎头直径6-10mm，并在结构上确保管式钎杆柱面是应力波效应的承载面3-5，如图6所示。

3.本技术方案提出的承载面上应力波传递效应为垂直入射，反射瞬间只生成一个反射纵波和一个透射纵波，能量损耗在5％以下；由于柱面承载的应力波传抵凿岩机钎头上，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；而且校核危险断面的弯曲应力，近于与管式承载面外径的三次方成反比，则安全系数显著提高。

本发明的具体制造方法包括以下步骤：

1.将现有规格的六角中空或圆柱中空的钎钢，其形状均改为近于等效重量的直径大于30mm以上的管式钎钢。

2.管式钎杆壁厚小于25mm。

3.将锥形连接的小直径钎杆(通常包括B22、B25、B35等六角钎杆规格)改为螺纹连接，即钎杆2的一端用六角钎肩与凿岩机相连接，它的另一端用螺旋副与钎头1连接，其结构参见图5。当钎头1体尾部为阳螺纹时，结构设计保证钎杆2杆体端面为传递应力波的承载面3-6，如图7所示。当钎头体尾部为阴螺纹时，结构设计保证管式钎杆阳螺纹终了处空刀槽部位的端面为承载面3-7，如图8所示。

4.对于采用螺纹连接的钎杆，其中包括现行使用的MF钎杆，演变成直径大于30mm管式钎杆，壁厚小于25mm，其结构设计中确保管式钎杆其阴螺纹的端头平面或者是其阳螺纹终了处空刀槽部位的端面为传递应力波的承载面。对于其钎杆的两头螺纹部位，如图7所示和图8所示，可采用将薄壁管筒钎杆素材的局部壁厚镦粗，再分别车制阳、阴螺纹；或者用厚壁管材，分别车制螺旋副的阳、阴螺纹，而后采用保护焊接措施，将其分别焊接到管式钎杆体的两端。图7、8中3-6、3-7为承载面。

5.管式钎杆采用螺旋副连接，其螺纹种类可分为方形、锯齿形、波形和梯形螺纹；其螺杆顶端面，在连接过程中始终保持为悬空面(即为自由面)。

6.不改变传统钎杆所采用的金属材料及热处理制度。

Claims (6)

1.一种柱面承载管式钎杆，其特征在于：所述钎杆比传统同类规格钎杆的直径大10％以上，采用与传统钎杆具有同等重量、同质量材料的管状材料制成柱面承载管式钎杆结构，所述管式钎杆与凿岩机、钎头之间，管式钎杆之间，采用螺旋副连接，所述的螺旋副连接中的螺杆端头，在工作状态下都是自由面，即悬空面结构。

2.如权利要求1所述的一种柱面承载管式钎杆，其特征在于：钎杆为直径大于30mm，并且直径小于与之配合的钎头直径6-10mm，壁厚小于25mm的薄壁管结构。

3.如权利要求1所述的一种柱面承载管式钎杆，其特征在于：螺旋副采用方形、锯齿形、波形和梯形螺纹中的一种结构。

4.如权利要求1所述的一种柱面承载管式钎杆，其特征在于：小直径锥形连接钎杆采用整体管式螺纹连接方式，将其中一端制成薄壁外六角钎肩与凿岩机连接，其另一端依靠螺旋副与钎头连接，其承载工作面或者是管式钎杆端面，或者是管式钎杆的螺纹阳螺纹空刀槽端面。

5.如权利要求1所述的一种柱面承载管式钎杆，其特征在于：管式钎杆螺旋副采用薄壁管筒钎杆的局部壁厚镦粗结构，其两端分别是阴、阳螺纹；或采用厚壁管材结构，车制螺旋副的阴、阳螺纹后，采用保护焊接措施，将其分别焊接到管式钎杆杆体的两端。

6.如权利要求1所述的一种柱面承载管式钎杆，其特征在于：对于钎头尾部为阳螺纹的螺纹连接管式钎杆，钎杆体阴螺纹的端面为承载面，即锁紧面，对于钎头尾部为阴螺纹的螺纹连接管式钎杆，阳螺纹终了处空刀槽部位的端面为承载面。

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