李 鑫

（甘肅鏡鐵山礦業(yè)有限公司，甘肅張掖 734000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)不斷進(jìn)步發(fā)展，我國礦產(chǎn)資源產(chǎn)量也在加速開采發(fā)掘中得到進(jìn)一步提高。牙輪鉆頭是開展開采作業(yè)過程中最關(guān)鍵的核心組件之一，其主要作業(yè)關(guān)鍵指標(biāo)是軸壓、轉(zhuǎn)速和排碴風(fēng)量。從單個組件成本消耗方面來說，牙輪鉆頭在作業(yè)過程中所消耗的資金量大約是整個鉆孔開采過程總量的50%以上，所以說鉆頭有效工作周期的長短對于整臺牙輪鉆機(jī)的經(jīng)濟(jì)性有決定性的作用。牙輪鉆頭的工作環(huán)境惡劣，很容易在開展鉆孔的作業(yè)中產(chǎn)生故障、問題，據(jù)不完全統(tǒng)計數(shù)據(jù)，牙輪鉆機(jī)排碴風(fēng)量對整個牙輪鉆頭的使用壽命影響最大。甘肅鏡鐵山礦業(yè)有限公司長期使用的有KY-250D 和KY310B兩種型號牙輪鉆機(jī)，下面主要以KY-250D 為主要研究對象來進(jìn)行探析。

1 KY-250D 牙輪鉆機(jī)工作原理

KY-250D 牙輪鉆機(jī)主要由行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、主傳動機(jī)構(gòu)、A 型架軸、張緊裝置、鉆桿架、液壓系統(tǒng)等關(guān)鍵購進(jìn)和模塊組成。其鉆頭是三牙型的，是鉆孔的關(guān)鍵刀具利器，在工作時利用自身旋轉(zhuǎn)、反復(fù)沖擊從而擊穿堅硬的石塊。設(shè)備主體借助鉆桿傳遞出巨大的扭矩，帶動鉆頭形成足夠的軸向壓力和回轉(zhuǎn)力，從而能持續(xù)擊穿巖石。而碎石被鉆桿中心孔和鉆頭噴嘴輸出強(qiáng)力壓縮空氣吹出，從而形成類似炮筒孔柱。

KY-250D 牙輪鉆機(jī)機(jī)重105 t，其關(guān)鍵性能參數(shù)見表1。

表1 KY-250D 牙輪鉆機(jī)關(guān)鍵性能參數(shù)

2 KY-250D 牙輪鉆頭早期損壞的原因

牙輪鉆機(jī)作業(yè)階段，如果遇到雨天或者深層的礦巖，鉆孔的廢石渣將難以及時排出，這時就必須把鉆桿多次提高以方便石渣能夠排出。按照過去一段時間鉆頭的穿孔進(jìn)尺深度和破損情況數(shù)據(jù)分析來看，國內(nèi)生產(chǎn)的牙輪鉆頭進(jìn)尺約310～350 m；而進(jìn)口合資生產(chǎn)的牙輪鉆頭進(jìn)尺約560～600 m，由軸承損壞引發(fā)的牙輪鉆頭破損或者報廢的概率達(dá)80%以上，軸承早期損壞的情況（是指工作時間少于30 h）約是總量的30%。常見的牙輪鉆頭早期損壞情況主要分為3 類，分別是軸承早期磨損、牙爪爪尖早期損壞、牙齒和牙輪的早期損壞。

2.1 軸承早期磨損

軸承早期磨損主要的問題特征主要有3 種。

（1）軸頸位置處的磨損明顯，嚴(yán)重情況下會直接剝落，導(dǎo)致徑向鉆桿和軸承之間的間隙大幅增加，滾柱無法有效卡住鉆桿直接滑落下去或者滾柱橫向形成傾角卡死在鉆桿上，導(dǎo)致牙輪無法作業(yè)。

（2）滑動軸承因?yàn)榛烊腚s質(zhì)導(dǎo)致咬合不順或發(fā)生高溫后產(chǎn)生焊死現(xiàn)象，這樣就會導(dǎo)致末端的牙輪無法有效運(yùn)行、產(chǎn)生卡軸問題，在運(yùn)動過程中出現(xiàn)鉆孔位置偏移中心并且偏向磨損嚴(yán)重。

（3）滾柱端部與軸頸之間產(chǎn)生非正常的磨損，導(dǎo)致空間間隙顯著增加，滾柱在旋轉(zhuǎn)方向上會出現(xiàn)明顯歪斜或者嚴(yán)重的橫置問題，牙輪無法正常工作。

軸承早期磨損的原因，首先是鉆頭設(shè)計技術(shù)水平不夠高，存在設(shè)計上的不足。其次，鉆頭制作工藝方面的不足也是其中因素之一。究其主要原因，應(yīng)該是推進(jìn)軸施加的壓力過大，導(dǎo)致軸承位置的摩擦系數(shù)大幅提升，軸承承受了巨大的摩擦力，在運(yùn)轉(zhuǎn)中就會因?yàn)槟Σ磷饔卯a(chǎn)生大量的熱量，要么就是鉆頭內(nèi)部的擋碴管沒有固定住、未發(fā)揮作用，使鉆出的石渣混入到鉆頭軸承間隙中反復(fù)與滾珠發(fā)生碾壓和摩擦，導(dǎo)致鉆頭軸承產(chǎn)生的熱量無法散發(fā)出去，很容易導(dǎo)致軸承報廢。還有就是吹風(fēng)口的壓力不足，用于冷卻的壓縮通風(fēng)在穿過軸承部位時未起不到預(yù)想的作用，將直接導(dǎo)致軸承難以及時散出集聚的熱量，軸承表面就會附著很多巖石的粉末，時間久了軸承所能發(fā)揮出來的作用就大大降低，造成損壞甚至報廢。發(fā)生該問題比較典型的原因就是在鉆水孔或未采用干式除塵方式。

2.2 牙爪爪尖早期磨損

在開始鉆孔作業(yè)前期，牙輪牙爪爪尖在意外情況下出現(xiàn)超預(yù)期的磨損，此時滾柱就失去保護(hù)外露出來，多數(shù)時候會掉出來。但是在該情形下，鉆頭的軸承不會遭到損壞、保存完整，牙輪外錐不會被磨損，而且合金齒不會出現(xiàn)明顯的磨損，但此時石渣會不受阻止地侵入到軸承內(nèi)部、損壞軸承。

根據(jù)發(fā)生的磨損數(shù)據(jù)分析來看，多數(shù)情況下導(dǎo)致牙爪爪尖出現(xiàn)較早磨損問題的原因主要有：①設(shè)計方案不合理，在結(jié)構(gòu)保護(hù)裝置的性能強(qiáng)度上未做好詳細(xì)的計算，導(dǎo)致無法發(fā)揮正常的保護(hù)作用；②制造工藝落后，在該關(guān)鍵部件制作工藝水平與國際先進(jìn)水平有一定差距；③開展鉆孔作業(yè)時，未及時發(fā)現(xiàn)鉆桿已經(jīng)產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象，穩(wěn)桿器在施工中過度磨損無法發(fā)揮穩(wěn)定作用；④在一些礦石巖層有很強(qiáng)的腐蝕作用，對設(shè)備產(chǎn)生影響，產(chǎn)生巖層松動、穿孔表層浮碴筱蓋、礦巖整體性差致孔壁掉塊等使用問題。

2.3 牙齒和牙輪的早期損壞

在牙輪鉆孔作業(yè)前期，牙齒和牙輪的早期損壞也是比較常見的現(xiàn)象。一般出現(xiàn)該問題時，多數(shù)情況下是錐尖出現(xiàn)異常嚴(yán)重的磨損、摘頂，部分錐尖已經(jīng)崩斷掉落，牙輪的殼體已經(jīng)出現(xiàn)明顯的磨損問題，更嚴(yán)重的情況就是牙輪、牙齒在應(yīng)力的作用下發(fā)生折斷現(xiàn)象。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析來看，牙輪錐尖磨損、出現(xiàn)摘頂現(xiàn)象的根本原因，主要是軸承受的壓力太大、鉆孔推進(jìn)的回轉(zhuǎn)速度過快以及中硬鉆頭在質(zhì)地較為柔軟的巖石作業(yè)過程出現(xiàn)問題。此時，滑動軸承位置無法提供有效的冷卻作用，端部熱量集聚較多。牙輪殼體出現(xiàn)異常快速磨損問題是由于排出石渣的效率不佳影響，石渣會在鉆孔環(huán)境中反反復(fù)復(fù)作用。中硬鉆頭牙齒折斷的問題多數(shù)是由于作業(yè)環(huán)境中的遭遇堅硬或極堅硬礦巖。

由上述分析可以發(fā)現(xiàn)，整個施工過程中牙輪鉆頭產(chǎn)生問題的過程是復(fù)雜且多變的，對于影響其使用壽命的各類原因要做好認(rèn)真分析，及時找出相應(yīng)的解決方案對開展實(shí)際應(yīng)用來說更具有促進(jìn)作用。

3 應(yīng)對KY-250D 牙輪鉆頭早期損壞的解決辦法

3.1 應(yīng)對軸承早期磨損的解決辦法

軸承早期磨損問題出現(xiàn)后，要及時根據(jù)排出石渣的量來確定問題的根源是推進(jìn)軸壓力太大還是風(fēng)壓不足導(dǎo)致的：當(dāng)排出石渣大顆粒明顯偏多時而空壓機(jī)的工作壓力正常時，基本上可以判定是軸推進(jìn)壓力太大的原因，這時要及時調(diào)整壓力數(shù)值，以有效減輕牙輪鉆頭軸承的磨損；當(dāng)遇到排出碎石顆粒正常而空壓機(jī)工作壓力不足時，表明風(fēng)量滿足要求、風(fēng)壓不符合要求，這時則要及時調(diào)整噴嘴直徑提升風(fēng)的壓力，以達(dá)到冷卻軸承的目的；如果排出的石渣無明顯大顆粒而風(fēng)管無漏風(fēng)，則表明空壓機(jī)損壞、需盡快換新?？諌簷C(jī)的風(fēng)量要保障在孔壁與鉆桿構(gòu)間有足夠大的回風(fēng)量，其大小要保持適宜：風(fēng)量過大，碎石會加快鉆頭的磨損進(jìn)程；而風(fēng)量過小，偏大的顆粒難以有效排除，導(dǎo)致鉆孔效率低。

鉆孔作業(yè)時，一方面要提前勘察現(xiàn)場實(shí)際情況，及時調(diào)整牙輪鉆頭工作軸壓力，確保鉆頭作業(yè)破碎礦巖周圍區(qū)域內(nèi)，避免軸壓力失控導(dǎo)致鉆頭軸承早期失效；另一方面要加強(qiáng)對現(xiàn)場作業(yè)過程的監(jiān)控，定時檢查擋碴管緊固情況，同時還注意優(yōu)化鉆頭軸承的工作狀態(tài)，以延長牙輪軸承的使用壽命。

3.2 應(yīng)對牙爪爪尖早期磨損的解決辦法

（1）穩(wěn)桿器通常會因?yàn)槟p嚴(yán)重造成鉆桿作業(yè)過程出現(xiàn)嚴(yán)重晃動，牙爪的爪尖很快就會出現(xiàn)問題，因此必須確保穩(wěn)桿器的工作順利，才能使鉆頭高效推進(jìn)作業(yè)。如果鉆桿單側(cè)彎曲，也會導(dǎo)致鉆頭早期損壞問題出現(xiàn)，此時必須第一時間更換鉆桿，確保下一步操作順利。

（2）如果風(fēng)量不足時，可以參考軸承早期磨損中對排碴風(fēng)量的計算和經(jīng)驗(yàn)判斷。如果整個風(fēng)管系統(tǒng)密封性良好，就必須換新或者維修空壓機(jī)才能解決問題。

（3）為了避免浮渣落入鉆孔內(nèi)導(dǎo)致牙爪爪尖早期磨損，要督促鉆機(jī)工作場地管理和操作人員按章施工，認(rèn)真負(fù)責(zé)，清理干凈碎渣后方可繼續(xù)作業(yè)。如果礦巖整體性不佳、容易脫落，那么在鉆機(jī)推進(jìn)過程中適當(dāng)加人黃黏土，將礦巖固住，避免碎渣掉人孔損壞牙爪爪尖。

3.3 應(yīng)對牙齒和牙輪的早期損壞的解決辦法

鉆孔作業(yè)階段，對于硬巖石來說，牙齒吃入深度較淺、牙輪振幅大，沖擊破碎巖石效果好；而對于軟巖和中硬巖石，牙齒吃人深度較深、牙輪振幅較小，沖擊破碎效果較差。所以在設(shè)計鉆頭設(shè)計時，為克服硬和極硬巖石不利條件，要注意鉆頭設(shè)計成不超頂、不移軸結(jié)構(gòu)。牙齒多數(shù)情況下要按照球形或者錐形來設(shè)計，開展鉆孔作業(yè)時，牙輪是呈現(xiàn)滾動運(yùn)動，借助振動沖擊力完成鉆孔作業(yè)；如果是軟巖和中硬巖石，鉆頭設(shè)計制作就要按照移軸、復(fù)錐或超頂結(jié)構(gòu)來完成，牙齒采用楔形齒或銑齒，開展鉆孔作業(yè)時牙輪同時滾動滑動，利用剪切力來完成破石作業(yè)。

但是要特別注意一點(diǎn)，就是要根據(jù)地質(zhì)情況設(shè)計選取對應(yīng)的鉆頭結(jié)構(gòu)。如果牙齒采用楔形齒或銑齒，用于硬或極硬巖石情況就很容易導(dǎo)致斷齒和輪尖磨禿。同樣，球形或錐形牙齒用于鉆孔軟巖或中硬巖時，很容易產(chǎn)生牙輪禿頂、摘頂及牙輪殼體的腐蝕等問題。所以，設(shè)計工作必須要結(jié)合實(shí)際情況開展選型。

從國外先進(jìn)國家對合金牙輪鉆頭研究數(shù)據(jù)來看，破碎巖石的效果與牙齒鉆孔作業(yè)周期有關(guān)，轉(zhuǎn)速較低的情況下，鉆進(jìn)速度和鉆具轉(zhuǎn)速是正比關(guān)系；但是轉(zhuǎn)速提升、鉆進(jìn)速度不改變，整個鉆機(jī)設(shè)備就會出現(xiàn)嚴(yán)重振動問題，鉆頭軸承發(fā)熱磨損而早期失效；而且沖擊載荷持續(xù)上升時，容易使牙輪齒被擊破折斷而導(dǎo)致鉆頭早期失效。所以在鉆頭的選擇上，要結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況設(shè)定合理的轉(zhuǎn)速，才能延長鉆頭使用壽命。

4 結(jié)束語

本文以KY-250D 牙輪鉆頭為例，分析了其早期損壞的原因及應(yīng)對解決辦法，希望可以對提高牙輪鉆頭使用壽命提供有效的參考和幫助。