专利名称：一种可匹配凿岩能量的钎头的制作方法
技术领域：
本发明属于凿岩机配套钎具系统的凿碎岩石的冲击作功工具。
背景技术：
在凿岩工具由手工向机械操作演化进程中，大抵经历百余年的变迁1813年出现了以蒸汽为动力的凿岩机；1868年首型风动凿岩机用于隧道掘进(张维华等编译，国外液压凿岩机，煤炭工业出版社，1987年6月，P1-15)，工业用的液压凿岩机是上世纪七十年代开始生产并得到广泛应用(吉林大学、山东新城金矿合编，地下矿山无轨采矿设备，吉林科学技术出版社，1994年11月，P21～213)。时至今日，在岩土工程中全部实现了机械化凿岩，其风动和液压凿岩机，性能有别，在不同施工领域，各领风骚。
任何机械均由三部分组成发动机构、传动机构和工作机构。凿岩机是发动机构，钎杆是传动机构，依靠工作机构——钎头，完成凿岩(眼)最终任务。最初的钎头，是凿岩钎杆的一个端头，经锻造而成；直到1923年，德国人发明了用WC和Co材料，经高温烧结而成硬质合金(以下简称合金)，于1938年在德国首先应用锲形钎刃的合金活钎头，并于二战后逐渐普及到全世界(张国榉等著，硬质合金复合片刃钎具，中国地质大学出版社，1997年3月，P1-30)、(张国榉著，钻车凿岩用中大直径钎头，中国地质大学出版社，1995年6月P5-83)，至此几经改进，硬质合金活钎头风靡全球。
先进的凿岩机装配了有“工业牙齿”之称的硬质合金钎头，钻凿炮孔已成易事，炮孔装填的化学炸药，其威力无比，使采掘效率成百倍地提高，由此成就了矿业的大发展，导致人类征服岩石实力迅速增长和世界基础工业的飞速发展。半个世纪以来，全世界每一个角落，无时无刻都在大量消耗着硬质合金钎头。目前全世界每年消耗中小直径钎头近亿只，中国每年消耗钎头(中小直径)约1500万只。
目前国内外应用的凿岩钎头，按硬质合金的形状，可分为片状系列和球齿系列。这两种系列使用范围相互交叉，片状系列孔径多数限定在Φ40～Φ102mm范围；球齿系列通常孔径在Φ32～Φ127mm范围内均有应用。
在习以为常的凿岩作业中，钎头的钎刃在钻凿孔底的相邻两次冲击中间，因机械约束迫使钎刃扭转了一个转角，这样在两次冲击所形成的印痕之间，如图1所示，各对应点的周向距离，在圆心点近似重合，随离开圆心点距离的增加，其距离也加大，参见图1中的A-A′、B-B′、H-H′，在炮孔的周边上，其距离最大。这就意味着，在钎头的径向方向上，离开圆心点越远，片状钎头单位刃长上，或者球齿钎头对应的合金柱齿，所担负破碎的面积，逐渐加大，在周边处最大。
从凿岩能量传递分析，凿岩机传递到钎刃的破碎岩石能量，是以应力波形式传递的，并且沿径向方向分布不均匀(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，P25-215)。在目前现存的凿入系统中，钎杆与钎头的承载工作面3-1及钎刃的不同位置，凿入应力波的效应如图2所示。当入射(纵)波传递到钎刃时，只有沿钎头轴心线方向是垂直入射，此瞬间入射应力波约90％的能量变成透射(纵)波凿入岩石；当离开钎头轴心线上的O点，应力波倾斜入射到钎刃上，则生成四个新波其一为反射纵波C，其二为反射横波D，这两个波将反射回到钎头体内部，携带着约10～50％的能量，并向着凿岩的悖向传递，对于凿岩无贡献；其三生成透射纵波E，其四生成透射横波F，这些透射波比处于中心位置的垂直入射时产生透射波的能量要小，愈靠近钎刃边缘愈小。
综上分析，不难发现，处于钎刃中心处的单位钎刃长度或者对应的合金柱齿，其负担的破碎面积很小，但此处传递到钎刃上用于凿碎岩石的透射波能量反而最大；处于钎头边缘处，单位钎刃长度上，或者相对的合金柱齿上，所负担的破碎面积最大，而此处传递到钎刃上用于破碎岩石的总能量(透射波能量)，反而最小。根据凿入岩石的破碎规律(徐小荷等编著，岩石破碎学，煤炭工业出版社，1986年5月，P1-200)，当凿入岩石的能量(冲击功)，对于每种岩石来说，有三个层次，如图3所示首先当能量小于门槛值Ao时，钎刃只能在岩石上凿下一条条伤痕，孔底岩石不能产生崩碎坑，凿下来的岩粉很细，这个区域称为伤痕区；其次当能量大于Ao，但小于临界冲击功Ac时，可能凿下来的岩石细粉，也可能凿下来粗大颗粒，形成崩落坑，这个区域称为不稳定区；其三当能量大于Ac时，钎刃凿岩时出现裂纹与粗大颗粒并俱的跃进式破碎现象，即称为破碎区。如果钎刃边缘上传递到岩石上实际用于凿岩能量比Ac小，凿碎岩石则处于上述的第一或第二种破碎区域，此时不但破碎效果不佳，而且对钎头边缘的磨损相当严重。观察正常报废的钎头，绝大多数是其心部硬质合金及其钎头基体相当完好，但其边缘部位，无论硬质合金还是钎头体，均磨损严重，直至迫使钎头整体报废。
到目前为止，虽然硬质合金钎头发展气势不可阻挡，但无论片状或是球齿系列钎头，均遇到了三大未解决的难题1.钎刃外缘磨损严重，钎头愈大，问题愈严重。片状钎头表现是外缘钝化快；球齿系列钎头周边合金柱齿磨损激烈，经常伴有碎齿、掉齿发生。
2.由于钎头周边处的硬质合金所负担的破碎面积最大，而传递到该处的凿岩能量最小，造成钎刃破碎岩石所需要的凿入能量与实际所得到的能量本末失衡，往往造成钎头外缘处于伤痕破裂区，这势必加速其外缘部位的硬质合金和钎头周边的加速磨损。
3.硬质合金的利用率不高，绝大多数失效钎头的中心部位硬质合金基本完好，尚有许多剩余寿命，但周边上的硬质合金磨损严重，从而造成整体报废，这必将显著影响硬质合金的利用率。
发明内容
本发明目的是提供一种调整凿入能量分布在沿其径向方向获得的凿入岩石能量与钎头沿径向方向实际需要的能量相匹配的钎头。
本发明所述一种可匹配凿岩能量的钎头，钎头与钎杆采用螺旋副连接，所述螺旋副的螺杆选取钎头体尾部或选择与其连接的钎杆端部，所述螺杆顶端面是悬空面，当钎头体尾部作为螺母时，钎头体尾部端面为承载面，即锁紧面，当钎头体尾部作为螺杆时，可以选择其钎头体外缘，即螺杆腰部的空刀槽处端面作为承载面。
如上所述的一种可匹配凿岩能量的钎头，所述螺旋副采用方形、锯齿形、波形和梯形螺纹中的一种结构。
如上所述的一种可匹配凿岩能量的钎头，在钎头工作端部位背面与钎头体腰部衔接面的周边上可配置4齿以上的硬质合金，其轴心线与钎头轴心线夹角大于30°。
本发明与传统的钎头相比，具有如下优点和积极效果依据凿岩基本规律及应力波凿入反射原理，可以使钎刃的破岩需要能量与实际提供能量相匹配，使钎刃的边缘冲击能大于Ac，务使该区域处于凿入破碎区，减少钎头边缘合金磨损，并实现与其中心部位合金近于同步磨损，提高合金的利用效率，由于凿入能量匹配，将提高凿岩速度；对于大直径钎头，承载面上镶有防堵合金，可有效防止堵孔卡钎现象。
下面通过实例进一步阐述本发明的特点。
实例1 小直径一字型马蹄钎头小直径一字型马蹄钎头试验数据
实例2 中直径X型钎头中直径X型钎头试验数据
**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，P65～113。
图1是钎刃钻凿孔底印痕图；图2是传统钎头的钎刃中心处应力波的垂直入射效应及纤刃其它位置倾斜入射波效应图；图3是凿入岩石的冲击功与凿碎比功的关系图；图4是本发明的钎头匹配凿岩能量原理图；图5是传统钎头匹配凿岩能量原理图；图6是本发明的尾部为螺杆钎头与钎杆螺旋副的结构示意图；图7是本发明的尾部为螺母钎头与钎杆螺旋副的结构示意图；图8是本发明的装配有防卡钎的匹配能量钎头结构示意图。
具体实施例方式
本发明新结构钎头的制造方法原理，如图4所示。其中环形面积为承载工作面3-2，其实线为钎刃上获得的分布曲线，其虚线为单位钎刃上破碎岩石所需的能量分布。
本发明的主要技术方案钎头1与凿岩钎杆2，采用螺纹连接，依靠在传递凿岩能量过程中，改变垂直反射发生的位置，实现凿入能量与破岩所需能量之间的匹配关系。
本发明的具体制造方法1.钎头与钎杆采用螺纹副连接，其螺纹种类可分为方形、锯齿形、波形和梯形螺纹。
2.本发明与目前已存在的螺纹连接实质区别在于，传统的螺纹连接是通过螺杆顶端扣紧螺母孔底部，形成承载面3-3如图5所示，使应力波垂直反射发生在钎刃中心处；本发明是经螺旋副使钎头体外壁边缘起支撑作用，如图6、7所示，可保证应力波垂直反射点发生在钎刃外缘附近的边界处3-4、3-5。
3.对于钎头体螺纹连接的承载面当钎头体尾部作为螺母时，可以选择钎头体尾部端面作为承载面(锁紧面)3-5，如图7所示；当钎头体尾部作为螺杆时，可以选择其钎头体腰部外缘，即螺杆空刀槽处端面作为承载面3-4，如图6所示。在螺旋副传动中，对于螺杆而言，它的顶端面始终是悬空面(即为自由面)。
4.对于直径大于Φ51mm钎头，为防止凿软岩时，孔壁塌落造成碎石堵孔，出现难卸钎杆以致卡钎现象，可在钎头工作端部位背面与钎头体腰部衔接面的周边上镶有数量为4齿以上的硬质合金防卡齿4，如图8所示。防堵孔硬质合金，其轴心线与钎头轴心线夹角大于30°，其位置可设计在承载工作面3-6上，也可选择在3-6面的上方。用于发生碎石堵孔时，凿碎堵孔石块，可确保钎杆的卸换。
权利要求
1.一种可匹配凿岩能量的钎头，其特征在于钎头与钎杆采用螺旋副连接，所述螺旋副的螺杆选取钎头体尾部或选择与其连接的钎杆端部，所述螺杆顶端面是悬空面；当钎头体尾部作为螺母时，钎头体尾部端面为承载面，即锁紧面；当钎头体尾部作为螺杆时，可以选择其钎头体外缘，即螺杆腰部的空刀槽处端面作为承载面。
2.按照权利要求1所述的一种可匹配凿岩能量的钎头，其特征在于所述螺旋副采用方形、锯齿形、波形和梯形螺纹中的一种结构。
3.按照权利要求1所述的一种可匹配凿岩能量的钎头，其特征在于在钎头工作端部位背面与钎头体腰部衔接面的周边上可配置4齿以上的硬质合金，其轴心线与钎头轴心线夹角大于30°。
全文摘要
本发明公开了一种可匹配凿岩能量的钎头，所述钎头与钎杆采用螺旋副连接，螺旋副的螺杆选取钎头体尾部或选择与其连接的钎杆端部，所述螺杆顶端面是悬空面。当钎头体尾部作为螺母时，钎头体尾部端面为承载面，即锁紧面；当钎头体尾部作为螺杆时，可以选择其钎头体外缘，即螺杆腰部的空刀槽处端面作为承载面。其特点是利用钎头与钎杆螺旋副连接的承载工作面，改变以应力波形式传递凿岩能量时，垂直入射发生的位置，实现沿钎头径向方向凿入岩石需要能量与所能提供能量的匹配关系，使其更符合岩石破碎规律，提高能量利用率，加速凿岩速度，减少钎刃外缘过度磨损，提高钎头使用寿命，具有重要的经济效益和社会效益。
文档编号E21B10/36GK1619094SQ20031010388
公开日2005年5月25日 申请日期2003年11月20日 优先权日2003年11月20日
发明者宋守志, 唐春安, 邢军, 张国联, 邱景平, 钟勇, 徐小荷 申请人:东北大学纤具开发研究中心