2008年12月礦業(yè)安全與環(huán)保第35卷增刊ZYW一1200R型鉆機螺旋鉆桿的參數(shù)設(shè)計詹夫勇(煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院，重慶400037)摘要：以ZYW一1200R型鉆機的螺旋鉆桿為研究對象，重點介紹了螺旋鉆桿的接頭、葉片螺旋升角及螺距的設(shè)計過程；簡要地說明了該螺旋鉆桿在松藻礦務(wù)局的試驗情況，驗證了螺旋鉆桿參數(shù)設(shè)計的正確性。關(guān)鍵詞：突出松軟煤層；螺旋鉆桿；螺旋鉆進；葉片；螺距中圖分類號：TDTl2+63文獻標識碼：A文章編號：10084495(2008)S1一000902ZYW一1200R型鉆機是用于突出松軟煤層鉆進瓦斯抽排放孔的專業(yè)鉆機，采用螺旋鉆進工藝，利用三翼硬質(zhì)合金擴孔鉆頭，能有效地防止和減少突出松軟煤層鉆進過程中垮孔、抱鉆及噴孔等孔內(nèi)事故的發(fā)生，極大地提高突出松軟煤層瓦斯抽排放孔的成孔率。螺旋鉆桿是突出松軟煤層鉆機螺旋鉆進的重要部件，是鉆機與鉆頭動力傳遞的重要環(huán)節(jié)。該鉆桿將鉆機的輸出轉(zhuǎn)矩和推進力傳遞到鉆頭，使煤體破落，鉆頭切下的煤屑通過螺旋鉆桿的葉片向孔外輸送，鉆桿在輸煤過程中，由于煤屑間及煤屑與葉片間的相互擠壓作用，造成對煤巖的二次破碎。因此，在進行螺旋鉆桿的參數(shù)設(shè)計時，應(yīng)從多方面考慮，通過螺旋鉆桿的優(yōu)化設(shè)計，選擇合理的接頭形式及螺旋參數(shù)，才能提高塊煤率和輸煤效果，從而有效地防止垮孔、抱鉆及噴孔等孑L內(nèi)事故的發(fā)生，以達到提高突出松軟煤層鉆進成孔率的目的。筆者在對螺旋鉆桿輸煤機制進行分析研究的基礎(chǔ)上，以鉆桿接頭形式、葉片螺旋升角、導(dǎo)程等參數(shù)為設(shè)計變量，同時考慮了浮煤量、塊煤率及能耗等因素的影響，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，以使螺旋鉆桿的參數(shù)更能符合工作的要求。1螺旋鉆桿的參數(shù)設(shè)計11螺旋鉆桿鉆進的基本原理螺旋鉆進技術(shù)是根據(jù)螺旋葉片連續(xù)排渣的機制，在突出松軟煤層中鉆進瓦斯抽排放孔的鉆進技術(shù)，由于其使用了壓風(fēng)干式排渣，減少了沖洗液對孔收稿日期：20080123；20080806修回作者簡介：唐大勇(1卅)，男，重慶永川人，碩士，工程師，從事鉆機設(shè)計工作。電話：02365239391，Email：tdylq126coino壁的沖刷作用，有力地維護了鉆孔的穩(wěn)定性，使成孑L率大大提高。在鉆孔施工時，回轉(zhuǎn)液壓馬達通過變速箱體，把回轉(zhuǎn)運動傳遞給鉆機主軸，主軸通過水辮總成及u型銷與鉆桿、鉆頭相連，并帶動鉆桿及鉆頭旋轉(zhuǎn)。在推進機構(gòu)推進力及動力頭回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的雙重作用下，煤體被切割撕碎；同時，螺旋鉆桿在孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)和推進，在螺旋葉片與孔壁相互擠壓的作用下，使破碎的煤屑沿螺旋葉片連續(xù)不斷地排出孑L#I-。利用這種鉆進技術(shù)，能夠使孔內(nèi)的瓦斯得以逐步釋放，從而有效地防止抱鉆、噴孔【lJ。12螺旋鉆桿的主要參數(shù)設(shè)計螺旋鉆桿的主要參數(shù)設(shè)計是指鉆桿接頭、葉片螺旋升角及螺距等參數(shù)的設(shè)計。鉆桿接頭的設(shè)計主要是指鉆桿接頭斷面尺寸的設(shè)計，同時要結(jié)合螺旋鉆桿芯管直徑及鉆機所能承受的最大負荷來確定，而螺旋鉆桿的芯管直徑是根據(jù)鉆孔施工要求及設(shè)備的能力來設(shè)計的，考慮到螺旋葉片在轉(zhuǎn)動中對孔壁的刮削作用，故螺旋鉆桿外徑應(yīng)小于所要施工鉆孔的直徑。葉片的螺旋升角設(shè)計主要是指葉片內(nèi)徑(即芯管直徑d)螺旋升角的設(shè)計，因為螺旋鉆桿的加工成形過程中，螺旋葉片是根據(jù)芯管直徑繞制出來的，故在設(shè)計葉片螺旋升角時，只需確定葉片內(nèi)徑的螺旋升角即可12】。螺旋葉片的螺距需根據(jù)鉆桿有效長度來確定，同時兼顧葉片螺旋升角的要求，只有當螺旋葉片升角與螺距匹配得較好時，螺旋鉆桿的排渣效率才會最高，即當鉆桿轉(zhuǎn)速一定時，同一時間內(nèi)鉆桿的排渣量最多。121鉆桿接頭的設(shè)計【3鉆桿接頭有錐螺紋、矩形螺紋、四方及六方等多種接頭形式。由于突出松軟煤層鉆機在鉆孔施工9萬方數(shù)據(jù)2008年12月礦業(yè)安全與環(huán)保第35卷增刊時，極易出現(xiàn)垮孔、抱鉆等孔內(nèi)事故，鉆機要時常反轉(zhuǎn)，故用螺紋連接方式顯然是不合理的(因為反轉(zhuǎn)就掉鉆桿)。因此，松軟煤層鉆機的鉆桿接頭就只能用四方和六方接頭形式。四方接頭和六方接頭截面受力圖見圖lnqkqf。蕊廠y猷差?qNg(a)四方接頭(b)六方接頭圖l四方接頭與六方接頭截面受力圖接頭的剪切應(yīng)力計算公式如下：1)四方接頭的剪切應(yīng)力r：譬(1)一尺2、172)六方接頭的剪切應(yīng)力r：筆掣(2)一R2、7式中：r為接頭的剪切應(yīng)力，MPa；T為鉆機的最大計算轉(zhuǎn)矩，Nm；R為截面的內(nèi)接圓半徑，in。由受力圖及剪切力計算公式可以看出，當四方接頭與六方接頭截面的內(nèi)接圓直徑相等時(即尺一定)，四方接頭的剪切應(yīng)力是六方接頭的17倍；同時，六方接頭橫截面積(S=33R22：26R2)比四方接頭的橫截面積(S2=2R2)要大30，故在同一起拔力，的作用下，六方接頭的拉應(yīng)力(盯。=FS。)比四方接頭的拉應(yīng)力(ar2=FIS：)小3000。因此，為保證螺旋鉆桿有較高的承載能力，其接頭形式采用受力較好的六方接頭。同時，為提高六方接頭表面的耐磨性及抗疲勞能力，可對其進行高頻淬火，以提高其表面硬度。122螺旋升角p的確定Ho為研究方便，假設(shè)螺旋葉片為等螺距、等直徑的單頭螺旋。在鉆孔施工時，煤屑在螺旋葉片的擠壓作用下，沿螺旋葉片排出孔外，在這一過程中，煤屑受到螺旋葉片的摩擦力作用。以煤屑顆粒為研究對象，可以作出煤屑在螺旋葉片中的受力圖(見圖2)。由煤屑力的三角形關(guān)系可求得：F=Qtan(p一妒)(3)式中：F為煤屑間的相互作用力，N；Q為葉片對煤屑的擠壓力，煤屑排出孔外的驅(qū)動力，N；盧為螺旋葉片10圖2在螺旋葉片中煤屑的受力圖的螺旋升角，(o)；妒為煤屑與螺旋葉片間的摩擦角，(。)。由式(3)可知，當p妒時，煤屑間的相互作用力F成為阻抗力，阻止煤屑加速運動，從而減緩了煤屑快速排出：fL夕l-；當盧妒時，煤屑間的相互作用力，成為部分驅(qū)動力，促使煤屑勻速或加速運動，從而加快了煤屑排出孔外。因此，為使煤屑沿螺旋葉片快速順利地排出孔外，必須使葉片的螺旋升角p小于煤屑與葉片間的摩擦角，即盧妒。于是有：tan盧tan妒。一般取煤屑與葉片間的摩擦系數(shù)：f=tan妒=046058則摩擦角=2470300，故葉片內(nèi)徑的螺旋升角的取值范圍盧2470。300。123螺距的確定【lz5“】為研究方便，取葉片一個螺距為研究對象，將葉片沿鉆桿中心線展開(見圖3)，盧為葉片內(nèi)徑的螺旋升角，P為葉片螺距，AB表示葉片內(nèi)徑展開長度，AC為葉片外徑展開長度，肋(CE)為葉片的螺距。故盧與螺距P及鉆桿軸直徑有以下三角關(guān)系：D彭釓、7-北d口C一，。D圖3葉片展開圖tanp=籌=而P由上可知，煤屑順利排出孔外的必要條件是：tanptan9=f=046058于是有：P7c(O46058)d=(144一182)d(下轉(zhuǎn)第13頁)萬方數(shù)據(jù)2008年12月礦業(yè)安全與環(huán)保第35卷增刊加工相對容易。根據(jù)實踐經(jīng)驗，公稱直徑225nlln及以上的管材適合用端面密封法，0200mill及以下的管材適合用外壁密封法。2非金屬管耐負壓性能試驗研究檢測系統(tǒng)建成后，選取了20余種不同規(guī)格、材質(zhì)的非金屬管進行試驗研究。部分有代表性的試驗數(shù)據(jù)見表3。表3檢測系統(tǒng)驗證試驗記錄在試驗過程中，發(fā)現(xiàn)該檢測系統(tǒng)存在一些問題，如過電流保護繼電器選用不當，對電動機的過流保護不及時，當真空泵堵轉(zhuǎn)時電動機被燒毀；個別管材尺寸不標準，密封不嚴密，改用80。真空封泥輔助密封，效果較好。試驗表明該檢測系統(tǒng)具備試驗壓力一00990MPa，試驗時間1999h可調(diào)的試驗?zāi)芰?。在試驗過程中，模擬各種狀況，密封的非金屬管泄漏后試驗?zāi)荞R上停止；即使真空泵堵轉(zhuǎn)，試驗也能及時停止。系統(tǒng)達到了設(shè)計要求，能夠滿足非金屬管耐負壓性能的試驗要求。3結(jié)語該系統(tǒng)可實現(xiàn)非金屬管材耐負壓性能試驗的自動控制，其性能可靠，成本低廉，操作簡單，易于推廣。還有一些可以改進的地方，如通過計算機采集信號，利用軟件可以更精確測量控制試驗壓力和試驗狀態(tài)。參考文獻：1李躍軍，于雙海井下固定式抽放瓦斯泵站設(shè)計及實施探究J華北科技學(xué)院學(xué)報，2006，3(1)(責(zé)任編輯l衛(wèi)蓉)(上接第10頁)根據(jù)以上條件，可選取葉片內(nèi)徑d=50mnl，螺距P=80mm，則螺旋鉆桿的葉片螺旋升角口=27o。2工業(yè)性能試驗2006年11月，該鉆桿在松藻礦務(wù)局打通一礦(突出礦井)進行工業(yè)性能試驗，鉆孔施工采用順煤層鉆進，鉆孔傾角為21。，孔徑為90舢，孔深為100200m。試驗進行了15d，完成5個鉆孔，其深度分別為1256，128，1032，202，120m，鉆機旋轉(zhuǎn)壓力為56MPa，推進壓力為24MPa，旋轉(zhuǎn)速度采用高速檔(轉(zhuǎn)速為280rmin)，除第4個孔在鉆進時遇到矸石而未成功外，其余4個孔均達到了鉆進要求；螺旋鉆桿的排渣情況相當順暢，沒有出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，這說明鉆桿按以上設(shè)計思路進行設(shè)計是合理的、也是成功的。3結(jié)論1)螺旋鉆桿的參數(shù)設(shè)計結(jié)合了以往鉆桿的設(shè)計經(jīng)驗，分析研究了煤屑與螺旋葉片間的相互作用，把機械原理的螺旋副原理應(yīng)用到了螺旋葉片的參數(shù)設(shè)計中，優(yōu)化了螺旋鉆桿的設(shè)計參數(shù)，這在工業(yè)性能試驗的實踐中得到了較好驗證。2)采用螺旋鉆進技術(shù)可有效地防止和減少抱鉆、噴孔及垮孔等孔內(nèi)事故的發(fā)生，即使發(fā)生抱鉆，也可通過反轉(zhuǎn)鉆桿的方法將鉆桿從孔內(nèi)退出，因此，螺旋鉆進對解決松軟突出礦井的瓦斯治理工作有著顯著的經(jīng)濟效益。3)螺旋鉆進技術(shù)對解決本煤層瓦斯抽放有著廣闊的應(yīng)用前景。在壓風(fēng)的配合下，螺旋鉆桿有比光鉆桿更強的排渣能力，提高了鉆進時的成孑L率。4)螺旋葉片焊接在鉆桿芯管上，不僅使螺旋鉆桿的排渣更加順暢，同時還增加了鉆桿的強度，有效地避免了鉆孔易出現(xiàn)鉆桿斷裂的現(xiàn)象。參考文獻：1李建平，張永忠，杜長龍螺旋鉆采煤