專利名稱：一種可匹配鑿巖能量的釬頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鑿巖機配套釬具系統(tǒng)的鑿碎巖石的沖擊作功工具。
背景技術(shù)：
在鑿巖工具由手工向機械操作演化進程中，大抵經(jīng)歷百余年的變遷1813年出現(xiàn)了以蒸汽為動力的鑿巖機；1868年首型風動鑿巖機用于隧道掘進(張維華等編譯，國外液壓鑿巖機，煤炭工業(yè)出版社，1987年6月，P1-15)，工業(yè)用的液壓鑿巖機是上世紀七十年代開始生產(chǎn)并得到廣泛應用(吉林大學、山東新城金礦合編，地下礦山無軌采礦設(shè)備，吉林科學技術(shù)出版社，1994年11月，P21～213)。時至今日，在巖土工程中全部實現(xiàn)了機械化鑿巖，其風動和液壓鑿巖機，性能有別，在不同施工領(lǐng)域，各領(lǐng)風騷。
任何機械均由三部分組成發(fā)動機構(gòu)、傳動機構(gòu)和工作機構(gòu)。鑿巖機是發(fā)動機構(gòu)，釬桿是傳動機構(gòu)，依靠工作機構(gòu)——釬頭，完成鑿巖(眼)最終任務(wù)。最初的釬頭，是鑿巖釬桿的一個端頭，經(jīng)鍛造而成；直到1923年，德國人發(fā)明了用WC和Co材料，經(jīng)高溫燒結(jié)而成硬質(zhì)合金(以下簡稱合金)，于1938年在德國首先應用鍥形釬刃的合金活釬頭，并于二戰(zhàn)后逐漸普及到全世界(張國櫸等著，硬質(zhì)合金復合片刃釬具，中國地質(zhì)大學出版社，1997年3月，P1-30)、(張國櫸著，鉆車鑿巖用中大直徑釬頭，中國地質(zhì)大學出版社，1995年6月P5-83)，至此幾經(jīng)改進，硬質(zhì)合金活釬頭風靡全球。
先進的鑿巖機裝配了有“工業(yè)牙齒”之稱的硬質(zhì)合金釬頭，鉆鑿炮孔已成易事，炮孔裝填的化學炸藥，其威力無比，使采掘效率成百倍地提高，由此成就了礦業(yè)的大發(fā)展，導致人類征服巖石實力迅速增長和世界基礎(chǔ)工業(yè)的飛速發(fā)展。半個世紀以來，全世界每一個角落，無時無刻都在大量消耗著硬質(zhì)合金釬頭。目前全世界每年消耗中小直徑釬頭近億只，中國每年消耗釬頭(中小直徑)約1500萬只。
目前國內(nèi)外應用的鑿巖釬頭，按硬質(zhì)合金的形狀，可分為片狀系列和球齒系列。這兩種系列使用范圍相互交叉，片狀系列孔徑多數(shù)限定在Φ40～Φ102mm范圍；球齒系列通?？讖皆讦?2～Φ127mm范圍內(nèi)均有應用。
在習以為常的鑿巖作業(yè)中，釬頭的釬刃在鉆鑿孔底的相鄰兩次沖擊中間，因機械約束迫使釬刃扭轉(zhuǎn)了一個轉(zhuǎn)角，這樣在兩次沖擊所形成的印痕之間，如圖1所示，各對應點的周向距離，在圓心點近似重合，隨離開圓心點距離的增加，其距離也加大，參見圖1中的A-A′、B-B′、H-H′，在炮孔的周邊上，其距離最大。這就意味著，在釬頭的徑向方向上，離開圓心點越遠，片狀釬頭單位刃長上，或者球齒釬頭對應的合金柱齒，所擔負破碎的面積，逐漸加大，在周邊處最大。
從鑿巖能量傳遞分析，鑿巖機傳遞到釬刃的破碎巖石能量，是以應力波形式傳遞的，并且沿徑向方向分布不均勻(宋守志編著，固體介質(zhì)中的應力波，煤炭工業(yè)出版社，1989年6月，P25-215)。在目前現(xiàn)存的鑿入系統(tǒng)中，釬桿與釬頭的承載工作面3-1及釬刃的不同位置，鑿入應力波的效應如圖2所示。當入射(縱)波傳遞到釬刃時，只有沿釬頭軸心線方向是垂直入射，此瞬間入射應力波約90％的能量變成透射(縱)波鑿入巖石；當離開釬頭軸心線上的O點，應力波傾斜入射到釬刃上，則生成四個新波其一為反射縱波C，其二為反射橫波D，這兩個波將反射回到釬頭體內(nèi)部，攜帶著約10～50％的能量，并向著鑿巖的悖向傳遞，對于鑿巖無貢獻；其三生成透射縱波E，其四生成透射橫波F，這些透射波比處于中心位置的垂直入射時產(chǎn)生透射波的能量要小，愈靠近釬刃邊緣愈小。
綜上分析，不難發(fā)現(xiàn)，處于釬刃中心處的單位釬刃長度或者對應的合金柱齒，其負擔的破碎面積很小，但此處傳遞到釬刃上用于鑿碎巖石的透射波能量反而最大；處于釬頭邊緣處，單位釬刃長度上，或者相對的合金柱齒上，所負擔的破碎面積最大，而此處傳遞到釬刃上用于破碎巖石的總能量(透射波能量)，反而最小。根據(jù)鑿入巖石的破碎規(guī)律(徐小荷等編著，巖石破碎學，煤炭工業(yè)出版社，1986年5月，P1-200)，當鑿入巖石的能量(沖擊功)，對于每種巖石來說，有三個層次，如圖3所示首先當能量小于門檻值A(chǔ)o時，釬刃只能在巖石上鑿下一條條傷痕，孔底巖石不能產(chǎn)生崩碎坑，鑿下來的巖粉很細，這個區(qū)域稱為傷痕區(qū)；其次當能量大于Ao，但小于臨界沖擊功Ac時，可能鑿下來的巖石細粉，也可能鑿下來粗大顆粒，形成崩落坑，這個區(qū)域稱為不穩(wěn)定區(qū)；其三當能量大于Ac時，釬刃鑿巖時出現(xiàn)裂紋與粗大顆粒并俱的躍進式破碎現(xiàn)象，即稱為破碎區(qū)。如果釬刃邊緣上傳遞到巖石上實際用于鑿巖能量比Ac小，鑿碎巖石則處于上述的第一或第二種破碎區(qū)域，此時不但破碎效果不佳，而且對釬頭邊緣的磨損相當嚴重。觀察正常報廢的釬頭，絕大多數(shù)是其心部硬質(zhì)合金及其釬頭基體相當完好，但其邊緣部位，無論硬質(zhì)合金還是釬頭體，均磨損嚴重，直至迫使釬頭整體報廢。
到目前為止，雖然硬質(zhì)合金釬頭發(fā)展氣勢不可阻擋，但無論片狀或是球齒系列釬頭，均遇到了三大未解決的難題1.釬刃外緣磨損嚴重，釬頭愈大，問題愈嚴重。片狀釬頭表現(xiàn)是外緣鈍化快；球齒系列釬頭周邊合金柱齒磨損激烈，經(jīng)常伴有碎齒、掉齒發(fā)生。
2.由于釬頭周邊處的硬質(zhì)合金所負擔的破碎面積最大，而傳遞到該處的鑿巖能量最小，造成釬刃破碎巖石所需要的鑿入能量與實際所得到的能量本末失衡，往往造成釬頭外緣處于傷痕破裂區(qū)，這勢必加速其外緣部位的硬質(zhì)合金和釬頭周邊的加速磨損。
3.硬質(zhì)合金的利用率不高，絕大多數(shù)失效釬頭的中心部位硬質(zhì)合金基本完好，尚有許多剩余壽命，但周邊上的硬質(zhì)合金磨損嚴重，從而造成整體報廢，這必將顯著影響硬質(zhì)合金的利用率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種調(diào)整鑿入能量分布在沿其徑向方向獲得的鑿入巖石能量與釬頭沿徑向方向?qū)嶋H需要的能量相匹配的釬頭。
本發(fā)明所述一種可匹配鑿巖能量的釬頭，釬頭與釬桿采用螺旋副連接，所述螺旋副的螺桿選取釬頭體尾部或選擇與其連接的釬桿端部，所述螺桿頂端面是懸空面，當釬頭體尾部作為螺母時，釬頭體尾部端面為承載面，即鎖緊面，當釬頭體尾部作為螺桿時，可以選擇其釬頭體外緣，即螺桿腰部的空刀槽處端面作為承載面。
如上所述的一種可匹配鑿巖能量的釬頭，所述螺旋副采用方形、鋸齒形、波形和梯形螺紋中的一種結(jié)構(gòu)。
如上所述的一種可匹配鑿巖能量的釬頭，在釬頭工作端部位背面與釬頭體腰部銜接面的周邊上可配置4齒以上的硬質(zhì)合金，其軸心線與釬頭軸心線夾角大于30°。
本發(fā)明與傳統(tǒng)的釬頭相比，具有如下優(yōu)點和積極效果依據(jù)鑿巖基本規(guī)律及應力波鑿入反射原理，可以使釬刃的破巖需要能量與實際提供能量相匹配，使釬刃的邊緣沖擊能大于Ac，務(wù)使該區(qū)域處于鑿入破碎區(qū)，減少釬頭邊緣合金磨損，并實現(xiàn)與其中心部位合金近于同步磨損，提高合金的利用效率，由于鑿入能量匹配，將提高鑿巖速度；對于大直徑釬頭，承載面上鑲有防堵合金，可有效防止堵孔卡釬現(xiàn)象。
下面通過實例進一步闡述本發(fā)明的特點。
實例1 小直徑一字型馬蹄釬頭小直徑一字型馬蹄釬頭試驗數(shù)據(jù)

實例2 中直徑X型釬頭中直徑X型釬頭試驗數(shù)據(jù)

**張國櫸等編著，《鑿巖釬具的設(shè)計、制造和選用》，湖南科學技術(shù)出版社，1988.10，P65～113。


圖1是釬刃鉆鑿孔底印痕圖；圖2是傳統(tǒng)釬頭的釬刃中心處應力波的垂直入射效應及纖刃其它位置傾斜入射波效應圖；圖3是鑿入巖石的沖擊功與鑿碎比功的關(guān)系圖；圖4是本發(fā)明的釬頭匹配鑿巖能量原理圖；圖5是傳統(tǒng)釬頭匹配鑿巖能量原理圖；圖6是本發(fā)明的尾部為螺桿釬頭與釬桿螺旋副的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明的尾部為螺母釬頭與釬桿螺旋副的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明的裝配有防卡釬的匹配能量釬頭結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明新結(jié)構(gòu)釬頭的制造方法原理，如圖4所示。其中環(huán)形面積為承載工作面3-2，其實線為釬刃上獲得的分布曲線，其虛線為單位釬刃上破碎巖石所需的能量分布。
本發(fā)明的主要技術(shù)方案釬頭1與鑿巖釬桿2，采用螺紋連接，依靠在傳遞鑿巖能量過程中，改變垂直反射發(fā)生的位置，實現(xiàn)鑿入能量與破巖所需能量之間的匹配關(guān)系。
本發(fā)明的具體制造方法1.釬頭與釬桿采用螺紋副連接，其螺紋種類可分為方形、鋸齒形、波形和梯形螺紋。
2.本發(fā)明與目前已存在的螺紋連接實質(zhì)區(qū)別在于，傳統(tǒng)的螺紋連接是通過螺桿頂端扣緊螺母孔底部，形成承載面3-3如圖5所示，使應力波垂直反射發(fā)生在釬刃中心處；本發(fā)明是經(jīng)螺旋副使釬頭體外壁邊緣起支撐作用，如圖6、7所示，可保證應力波垂直反射點發(fā)生在釬刃外緣附近的邊界處3-4、3-5。
3.對于釬頭體螺紋連接的承載面當釬頭體尾部作為螺母時，可以選擇釬頭體尾部端面作為承載面(鎖緊面)3-5，如圖7所示；當釬頭體尾部作為螺桿時，可以選擇其釬頭體腰部外緣，即螺桿空刀槽處端面作為承載面3-4，如圖6所示。在螺旋副傳動中，對于螺桿而言，它的頂端面始終是懸空面(即為自由面)。
4.對于直徑大于Φ51mm釬頭，為防止鑿軟巖時，孔壁塌落造成碎石堵孔，出現(xiàn)難卸釬桿以致卡釬現(xiàn)象，可在釬頭工作端部位背面與釬頭體腰部銜接面的周邊上鑲有數(shù)量為4齒以上的硬質(zhì)合金防卡齒4，如圖8所示。防堵孔硬質(zhì)合金，其軸心線與釬頭軸心線夾角大于30°，其位置可設(shè)計在承載工作面3-6上，也可選擇在3-6面的上方。用于發(fā)生碎石堵孔時，鑿碎堵孔石塊，可確保釬桿的卸換。
權(quán)利要求
1.一種可匹配鑿巖能量的釬頭，其特征在于釬頭與釬桿采用螺旋副連接，所述螺旋副的螺桿選取釬頭體尾部或選擇與其連接的釬桿端部，所述螺桿頂端面是懸空面；當釬頭體尾部作為螺母時，釬頭體尾部端面為承載面，即鎖緊面；當釬頭體尾部作為螺桿時，可以選擇其釬頭體外緣，即螺桿腰部的空刀槽處端面作為承載面。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種可匹配鑿巖能量的釬頭，其特征在于所述螺旋副采用方形、鋸齒形、波形和梯形螺紋中的一種結(jié)構(gòu)。
3.按照權(quán)利要求1所述的一種可匹配鑿巖能量的釬頭，其特征在于在釬頭工作端部位背面與釬頭體腰部銜接面的周邊上可配置4齒以上的硬質(zhì)合金，其軸心線與釬頭軸心線夾角大于30°。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可匹配鑿巖能量的釬頭，所述釬頭與釬桿采用螺旋副連接，螺旋副的螺桿選取釬頭體尾部或選擇與其連接的釬桿端部，所述螺桿頂端面是懸空面。當釬頭體尾部作為螺母時，釬頭體尾部端面為承載面，即鎖緊面；當釬頭體尾部作為螺桿時，可以選擇其釬頭體外緣，即螺桿腰部的空刀槽處端面作為承載面。其特點是利用釬頭與釬桿螺旋副連接的承載工作面，改變以應力波形式傳遞鑿巖能量時，垂直入射發(fā)生的位置，實現(xiàn)沿釬頭徑向方向鑿入巖石需要能量與所能提供能量的匹配關(guān)系，使其更符合巖石破碎規(guī)律，提高能量利用率，加速鑿巖速度，減少釬刃外緣過度磨損，提高釬頭使用壽命，具有重要的經(jīng)濟效益和社會效益。
文檔編號E21B10/36GK1619094SQ20031010388
公開日2005年5月25日 申請日期2003年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月20日
發(fā)明者宋守志, 唐春安, 邢軍, 張國聯(lián), 邱景平, 鐘勇, 徐小荷 申請人:東北大學纖具開發(fā)研究中心