牙轮钻机稳定性分析及其CAD

【摘要】牙轮钻机是目前大中型公路工程、水电工程及露天矿山广泛采用的主要穿孔设备,之所以得到广泛的应用，是因为牙轮钻机具有穿孔效率高、成本低、安全可靠等优点。

【关键词】现状 概念 稳定性措施 应用举例

中图分类号： TE922 文献标识码： A 文章编号：

引言

随着牙轮钻机的广泛使用，随之而来的各种问题也接连出现，对于牙轮钻机的正常使用最重要的问题就是如何解决牙轮钻机在使用中的稳定性问题。

二．概念

由于牙轮钻机在不同环境穿孔作业时,工作面和台阶坡道差别较大,尤其在某些处于剥离阶段的台阶和工作面,其不平度和坡度变化较大,远远超过钻机标定的规定。牙轮钻机是目前大中型公路工程、水电工程及露天矿山广泛采用的主要穿孔设备，他具有穿孔效率高、成本低、安全可靠等优点。但由于牙轮钻机在不同环境穿孔作业时，工作面和台阶坡道差别较大，尤其在某些处于剥离阶段的台阶和工作面，其不平度和坡度变化较大，远远超过钻机标定的规范，这时必须考虑钻机的纵向和侧向稳定问题。

牙轮钻机即一种钻孔设备，多用于大型露天矿山。半个世纪以来，露天穿孔设备经历了“磕头钻”、喷火钻、冲击（潜孔）钻的发展，最终牙轮钻机以钻孔孔径大、穿孔效率高等优点成为大、中型露天矿目前普遍使用的穿孔设备。

牙轮钻机钻孔时，依靠加压、回转机构通过钻杆，对钻头提供足够大的轴压力和回转扭矩，牙轮钻头在岩石上同时钻进和回转，对岩石产生静压力和冲击动压力作用。牙轮在孔底滚动中连续地挤压、切削冲击破碎岩石，有一定压力和流量流速的压缩空气经钻杆内腔从钻头喷嘴喷出，将岩渣从孔底沿钻杆和孔壁的环形空间不断地吹至孔外，直至形成所需孔深的钻孔。

钻孔发生偏斜

1、钻孔偏斜：钻孔的施工过程中的实际空间位置偏离设计空间位置，即偏离设计轴线，称之为钻孔偏斜或孔斜。

2、钻孔空间形态三要素：钻孔深度、钻孔的顶角（或倾角）及钻孔方位角决定了钻孔在地下空间的位置，这三个因素称钻孔空间形态三要素。

3、孔斜的条件：钻孔发生偏斜的根本原因是粗径钻具在孔内歪倒，其轴线偏离钻孔轴线。而能使其歪倒的条件主要是：孔壁间隙大，为它提供空间条件；同时还要有倾倒力矩为它提供歪倒动力，再就是一个固定的歪倒方向。

出现这种现象的原因有三个方面：

第一个方面原因：地质因素，一是岩石的各向异性在钻头处产生歪倒力使粗径钻具倾斜而导致孔斜；二是钻进软硬夹层时，钻头处产生钻压差或钻头沿岩石节理面滑移；三是钻进中遇到溶洞或大裂隙；四是在卵砾石层中钻进。

第二个方面的原因是：设备安装时不合乎要求，主要表现在基台不稳固或发生偏斜；开孔时没有校正钻机的顶角和方位角，致使开孔即发生偏斜；另外钻机立轴过度磨损旷动太大也是一个因素。

第三个也是最重要的，问题归根结底是稳定性不好。第二个方面是钻进工艺及操作方面的原因：换径不带导向或粗径钻具本身就弯曲；冲洗液量大冲刷孔壁使孔壁间隙过大，造成粗径钻具或岩心管与钻孔轴线产生偏斜角；采用的钻压过大与转速过快，钻杆柱受轴心压力及回转的影响而呈挠曲状态影响了钻具的稳定性，促使粗径钻具歪倒。

三．行走机构的稳定性和钻孔的稳定性

行走机构承受着钻机的重量和各种行走载荷，它经常行驶在高低不平的矿场上。为了增加钻机的稳定性，减少其偏斜和颠簸，改善履带的受力状态，应使钻机的重心位置靠近在履带行走机构的几何中心上。在结构上多采用平台上与履带装置三点支承、后桥驱动、刚性连接和前桥摆动的布置方式。因此，行走机构的传动系统也布置在平台的后方。

钻架进行平地穿孔，此时千斤顶顶起，整个钻机履带离地，钻机调平，钻架立起，小车在顶部，钻架垂直。平地穿孔时，必须保持机身不得以前部千斤顶为中心转动，以保证对炮孔的同心度，当穿孔时，轴压力足够大时，往往将钻机千斤顶顶起，使机身成为三点支撑，此时千斤顶支撑反力RB=0，所以钻机稳定无倾翻。

四．稳定性的预防措施：

针对上面的原因，可以制定如下的预防措施。

1、地质因素方面，可通过掌握地层的岩性与偏斜规律和特点，施工初级定向孔来解决。

2、工艺方面可采用合理的钻进工艺及操作方法来减小钻速差和偏斜力达到预防目的。

3、在设备安装与开孔方面，把基台设置在牢固的硬盘上并保持钻机周正；不使用立轴旷动的钻机；开孔前检查立轴倾角与方位角是否符合地质要求；开孔时随钻孔加深而及时加长岩心管；换径时带导向并逐级加长岩心管；孔口管要下正因牢等加以预防。

上世纪八十年代后期九十年代初，牙轮钻机就在国内矿山中得到应用，葛洲坝易普力股份有限公司经过几年的使用，已经初步掌握了运用牙轮钻机定向钻孔的设计与施工，并成功地应用于实际生产施工当中，但随着地质条件的复杂化，技术人员与熟练工人的水平影响，对于牙轮钻机的使用一直处于经验的积累阶段。

四．应用举例

目前葛洲坝易普力股份有限公司使用的阿特拉斯·科普柯生产的DM45牙轮钻机，是世界上较为先进的穿孔设备。钻机采用柴油燃动力，顶部回转，液压回转马达——封闭链条——齿轮齿条连续加压，高钻架，电、气、液联合操纵，压气排渣工作机构,可在f≥5的各种矿岩上穿凿200mm、孔深为0～50米的爆破炮孔。适用于冶金、有色、煤炭、化工等各种大型、特大型露天矿山穿孔作业，也可用于大型水电工程、道路建设工程、军事工程等穿孔作业。

DM45牙轮钻机型号参数 表1

从表1中我们可以看出DM45牙轮钻机的相关参数是能够满足目前国际上标准采矿要求的。在国际标准采矿爆破台阶高度有12m、15m、20m、30m、45m。其中30-45m台阶是吊斗铲工艺；其它高度台阶是电铲或液压铲工艺。世界主要钻机制造厂家的钻机钻杆长度有4m、6m、9.1m、10.7m、12.2m。其中4-6m的钻机均为小孔径钻机；9.1-10.7m的钻机为大型钻机。大型钻机钻架（按标准行程）长度有65英尺（19.8m）、60英尺（18.2m）、50英尺（15.2m）、40英尺（12.2m）、35英尺（10.7m）、30英尺（9.1m）。综合前述钻杆、爆破台阶、钻架长度可以看出，对于采矿业最常用的15m台阶，完全实现单杆成孔的钻机钻架长度为65英尺（19.8m）和60英尺（18.3m）.其它钻架长度的钻机不能够实现单杆一次成孔，而只能两杆或三杆成孔。

在实际的矿山深孔台阶爆破当中我们得出的相关参数见表2

矿山深孔爆破参数及钻机数量计算表表2

五．安全比较及选择

由以上分析结果，穿孔作业可以满足保证平地和斜坡上垂直穿孔的防转动和滑动。行走运行尤其在斜坡道上钻机的上下坡道，理论上其稳定性系数K在钻机允许的15%(8.530)范围内均大于1.2。但由于钻机在不平和坡度局部突然变大的情况下，设备摆动，钻架的扭动很大，要求安全可靠性更高.除防止倾翻外.还必须防止由于激烈扭摆振动引起设备零部件的损坏，为此必须选择K值大的运行方式。

（1）钻机在坡道上运行:钻架水平，小车在钻架下部、钻机前侧处于坡道的上坡方向，即图3所示，不允许图4所示的运行。

(2)在平地工作面较长距离走车，必须钻架水平，小车在钻架下部。

(3)临时升降相邻的一个台阶，短距离行走，钻架立起必须小车在钻架下部，钻机后侧处于坡道的上坡方向，如图5，不允许小车在钻架上部，绝对不允许图6所示的运行方式。)

六．结束语

通过对牙轮钻机稳定性分析，明确了其规范操作的要求，为生产生活中等的实际应用提供了理论基础。CAD系统虽然功能较为简单，但是应用于钻机总体设计中也为生产的发展带来了很大的便利，随着经济的发展，我国的科研人员必将会研发出更加方便好用的技术。

参考文献:

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