矿用钎杆的改进

[摘要]传统的矿业开采建设使用钎杆和钻头作业，总出现偏离，夹钎，断裂等现象，我针对这些不足，以我在煤矿机械行业工作的实践，现在把钎杆改为螺纹的形式，就随时把碎末由螺纹排出，避免了挤压现象，所以避免了夹钎断裂的现象。

[关键词]螺纹钎杆； 磨损失效； 断裂失效； 受力状态

中图分类号： TD421 文献标识码：文章编号：

螺纹联接钎具包括钎杆、联接套、钎尾和钎头，广泛应用于水电、水利、铁道、高速公路等大型工程项目的凿岩工程，在铁矿、煤矿、有色金属矿、建筑工程采石及水泥矿山也有大量的应用。近年来，在大型炼铁高炉的出铁口也得到越来越多的应用。尤其是80年代以来，国际上重型液压凿岩机械的迅速发展以及我国改革开放后的经济高速增长，许多大型工程项目和基本建设项目引进了大量重型液压凿岩机械，使我国重型钎具（几乎全部是螺纹联接钎具）的消耗以每年8%～15%的速度增长。

螺纹钎杆的失效一般分为三大类：一类是磨损失效，即钎杆在工作状态下钎杆受到磨损（主要是钎杆的螺纹部位），随着工作时间的延长，磨损量逐渐加大，最终使螺纹部位失去联接作用而失效。杆体部位在工作状态下也受岩壁和岩屑的磨损，改变了外形并减小了尺寸，但这种磨损速度很慢，一般很少遇到杆体磨损失效。另一类是断裂失效，即钎杆在工作状态下由于内在的缺陷或外界的因素造成钎杆断裂不能继续使用而失效。第三类是使用操作失效，即在凿岩过程中，钎杆被卡死在岩孔内，岩石爆破后钎杆被炸成异形弯曲而不能继续使用，或钎杆内孔被岩屑堵塞而不能继续使用。这三类失效中，断裂失效占比重最大，磨损失效占比重较小，而操作失效在矿山和工地也很常见。断裂失效之所以占比重大，与钎杆的受力状态和工作条件恶劣有关。断裂失效的部位，最常见的是螺纹部位和螺纹与杆体的过渡区。杆体部位的断裂（不多见）常常与中空钢的质量和缺陷有关。

1 螺纹钎杆的受力状态和工作条件

1.1 高频拉压应力

在凿岩时，螺纹钎杆主要承受凿岩机活塞的高频冲击和推进器推力的共同作用，同时在冲击凿岩的瞬间，岩石也产生一反作用力经钎头传给钎杆。所以，钎杆在凿岩过程中承受轴向的高频压缩压力和高频拉伸应力，这两种以应力波形式出现的高频应力是造成钎杆断裂或疲劳破坏的主要因素。

1.2 扭转应力

在钻凿岩石时，由凿岩机带动整套钎具旋转，而钎杆的自重、岩屑和岩壁的阻碍、孔底岩石的阻力等，都使钎杆在凿岩时承受扭转应力。但经各种计算和测量，这种扭转应力远远小于轴向拉压应力。

1.3 弯曲应力

螺纹钎杆是一种细长件，细长比在30～160之间，大多数在大功率凿岩机械和深孔凿岩的情况下使用。螺纹钎杆又分为两大类，一类是接杆钎杆，主要用于露天凿岩（工作方式是向下式）和地下矿（岩）石的开采（工作方式是向上式），属于中深孔凿岩，炮孔深度在6～50 m，工作时多根钎杆用联接套联接起来使用。因此，接杆钎杆在向下（一般为垂直状态）作业时，其受力主要是凿岩机的冲击力、推力和钎杆组的自重力；垂直向上作业时，主要受凿岩机冲击力、推力和钎杆组的自重力；斜向上作业时，如凿扇形炮孔，除了上述受力之外，还受斜向分力和自重力所产生的弯曲应力的影响。另一类是钻车钎杆，主要应用于平巷凿岩，属于浅孔凿岩，炮孔深度小于6 m。由于钻车钎杆是单支水平方向作业，其受力主要是凿岩机冲击力、推力及钎杆自重产生的弯曲应力。应当指出，在相同规格（直径）的情况下，钻车钎杆的细长比大于接杆钎杆的细长比，而且钻车钎杆又是单支水平作用，所以，钻车钎杆工作时所受弯曲应力要比接杆钎杆所受的弯曲应力大得多，而且钻车钎杆的寿命相对要低于接杆钎杆的寿命。

1.4 湿式凿岩对钎杆的腐蚀作用

露天凿岩一般采用孔口捕尘或者防尘保护的干式凿岩，而地下凿岩、井巷工程和部分向下凿岩绝大部分采用湿式凿岩。湿式凿岩所用的水，酸碱度一般在pH=5～8之间，无论是酸性、碱性或中性水都对钎杆产生腐蚀作用，而且钢的腐蚀疲劳强度要低于干疲劳强度。所以，水的腐蚀作用降低了钎杆的疲劳强度，这是促使钎杆寿命降低的另一个重要因素。

1.5 炮孔岩壁和岩粉的磨损

无论是干式或湿式凿岩，凿岩中的钎杆外表面都受到炮孔岩壁、岩屑和岩粉的磨损，使钎杆直径变小，六角形钎杆的局部甚至被磨成圆形，减小了受力面积，但因同时磨掉了钎杆外表面的疲劳源微小裂纹，减小了疲劳裂纹的形成和扩展，所以，这种磨损对钎杆寿命的影响较小；而岩屑或岩粉进入到钎杆的螺纹部位，因岩石的硬度都高于钢的硬度，所以形成了磨粒磨损，大大加速了螺纹部位的磨损，从而降低了钎杆的寿命。

各种螺纹结构的钎杆在不同的工作条件和受力状态下，经过一段时间使用最终都会导致钎杆的失效。钎杆的失效一般分为正常失效和非正常失效。正常失效又分为疲劳断裂失效和磨损失效。非正常失效是指早期脆断或非疲劳脆断。在凿岩过程中因卡钎拔不出或卡钎后放炮炸弯或操作不当而断裂等都属于不正常报废，不属于本文讨论范围。

螺纹钎杆的失效部位一般在螺纹部位、杆体和螺纹与杆体的过渡区（俗称过程槽）。归纳起来，失效形式有：螺纹部位的内疲劳、外疲劳和外表面磨损等三种失效形式；过渡槽的外疲劳、内疲劳两种失效形式；杆体的外疲劳、内疲劳和外表面磨损等三种失效形式。

早期脆断或非疲劳脆断的非正常失效在杆体、过渡槽和螺纹部位都有可能产生。

钎杆的螺纹与联接套螺纹联接，两者再分别联接钎尾螺纹和钎头螺纹，构成了钎具组合。当螺纹上紧后，螺纹之间仍存在间隙。在高频冲击作用下，内外螺纹之间也产生高频撞击，在其接触点（线或面）上产生相互滑动摩擦，因而产生高热。在散热不良使产生高热的速度大于散热速度时，接触部位会软化或降低硬度，加快了接触点的磨损，形成磨损坑。在高频冲击应力的持续作用下，造成了应力集中，在最大应力集中的磨损坑中形成了疲劳源，随后是疲劳源的扩展，形成疲劳裂纹，最终造成了钎杆的失效。

另外，在钎杆螺纹与联接套接触处还会由于高热而出现冷焊点烧损即烧蚀坑，个别甚至达到金属熔化程度而形成熔蚀坑，这些烧蚀坑或熔蚀坑更容易形成疲劳源而导致钎杆失。

针对上述情况，现在把钎杆做成以下形式，钎杆是中空的外壁为光滑的圆柱型或六角型通过一端的外螺纹和另一端的内螺纹使多根钎杆首尾相连使用，钻头的直径大于钎杆的直径，理论上钻头钻的孔和钎杆之间有同心圆的间隙，高压水通过钎杆到钻头流出冷却钻头再带走钻头钻下的碎末。但由于钻头遇到区部硬岩后会偏离原有的方向，使钎杆偏离中心而靠向钻孔壁而使排出的碎末挤压在一侧而出现夹钎现象，见下图：

图一 图二 图三

1.矿层；2.钻头；3.钎杆；4.钻头钻下的碎末；5.局部较硬岩石；6.钎杆上的螺纹。

图一中钻头在均匀的矿层中钻下的碎末由钎杆两侧排出。

图二中钻头在均匀的矿层遇到了局部较硬的岩石，钻头发生偏转，钻下的碎末由钎杆的一侧排出，就很可能造成夹钎杆的事。

图三中的钎杆上因为有螺纹，排出的碎末在螺纹中导出，减少了夹钎的可能。

现在的钎杆使用六角钢外型，虽有使排出的碎末在变化的间隙中运到的特点，但还是很可能出现夹钎的问题，做成图三的形式，则可以避免很多问题，就随时把碎末由螺纹排出，避免了挤压现象，所以避免了夹钎断裂的现象，从而延长了钎杆的寿命。

参考文献

[1]. 严浩波，波形螺纹钎杆的复合强韧化处理--金属热处理，1982年第03期

[2] 刘老师，中国波形螺纹钎杆行业发展研究报告（2012年最新版）

作者简介：孙茜，（1985.3-），女，辽宁沈阳人，2007年7月毕业于沈阳工业大学，现就职于三一重型装备有限公司，孙女士对煤矿机械，液压元件等方面有很深的造诣。