牙轮钻机排渣用风参数探讨

曹海峰 邹峰

摘要：自牙轮钻机使用以来，技术人员对牙轮钻机排渣用风原理进行了研究分析，获得了合理的用风参数，提高了钻进速度及钻头寿命，降低了钻孔成本。

关键词：牙轮钻机；排渣；用风参数

牙轮钻机是露天矿开采的主要设备之一，其开发和研究始于70多年前。近年来，牙轮钻机发展迅速，其在各国矿山得到了推广使用。另外，排渣质量主要取决于排渣风量，而足够的排渣风量为提高轴压力、钻头速度、保持在合理的钻孔系统下工作创造了条件。

一、国内牙轮钻机发展现状与趋势

牙轮钻机是一种钻孔设备，多用于大型露天矿山。其优点为：①钻孔速度快,生产效率高。钻孔速度与钻具压力成比例增长,而增加钻具轴压并非困难,因此,牙轮钻机钻孔速度获得相当大的提高；②钻孔直径大,钻凿的炮孔深,可钻凿的孔径达250～455mm,孔深达15～50m；③适应范围广,应用前最好；④噪声低，对环境污染少，自动化程度高，作业条件好。

我国从20世纪60年代起研制牙轮钻机，1970年研制成功了我国第一台型号为HYZ-250、孔径230～250mm，顶部回转连续加压的滑架式牙轮钻机。后经多次修改，1977年改型为KY-250型。从1974年起我国陆续引进一批美国B-E公司的45-R和60-R(Ⅲ)，推动了我国自行研制牙轮钻机的发展过程。此后，一直到八十年代中期，我国陆续完成了KY型牙轮钻机的系列化。

YZ系列牙轮钻机是在我国大批引进美国牙轮钻机以后着手研制的，1980年初，原冶金部组织多个单位共同研制YZ-35型牙轮钻机，该钻机是在45-R型牙轮钻机基础上，针对引进钻机在我国多年使用中暴露的问题，吸收国外其他钻机的优点，以及我国同类钻机经验，进行设计研制。此后形成孔径150、250、310、380mm的YZ系列牙轮钻机。

国产牙轮钻机在20世纪末形成较完整的两大系列产品：KY系列和YZ系列。

近年来，国内钻机技术水平不断提高，广泛采用国外先进技术和元器件，钻机性能效率提高较快，逐步向国外先进技术靠拢。国内生产的牙轮钻机钻头不但己全部自给，而且质量还稳步上升，并先后出口到利比里亚、澳大利亚和加拿大等国。

但纵观我国牙轮钻机的设计发展历程发现，以往的牙轮钻机设计开发多为对国外牙轮钻机的吸收消化。我国的牙轮钻机设计自主性不强，还无较成型的设计标准。

此外，牙轮钻机发展趋势集中在：①规格的高效化和大型化。规格的高效化、大型化的主要表现是大孔径、高轴压、大功率回转、大排碴风量和提高总体参数；②系统向全自动化和智能化方向发展；③结构向形式多样、结构简化及高可靠性、高适应性发展；④操作向提高易维护和舒适性方向发展；

二、牙轮钻机工作原理和类型

牙轮钻机作为露天矿场的常用机械设备，其工作原理是通过钻头对地层碾压作用实现破碎岩层钻进，能在硬质岩层上钻开孔，具有钻进效率高、劳动强度小优点。牙轮钻机的应用，先要根据地质资料和地层特点，设计良好的钻采方案，再根据实际情况进行钻具配合优化。当前，牙轮钻机中可根据需要配备随钻测量仪器及电子数字自动显示仪等，可更好地把握钻机钻进情况，显示钻孔相关数据，有利于操作人员跟踪钻孔的开凿情况。在露天采矿等作业中牙轮钻机应用广泛，以三牙轮钻头牙轮钻机最常用，利用配套压缩空气实现排渣作业，优点是通过钻头在顶部回转，实现封闭链-齿条装置的连续加压，利用电机提供动力，借助传动装置实现牙轮钻具提升和钻机行走，还可借助液压马达进行钻机加压。

根据钻孔孔径及轴压力，牙轮钻机分为四种类型：小型、中型、大型、特大型。其中，小型牙轮钻机的钻孔直径≤150mm，轴压力≤200kN；中型牙轮钻机的钻孔直径≤280mm，轴压力≤400kN；大型牙轮钻机的钻孔直径≤380mm，轴压力≤550kN；特大型牙轮钻机的钻孔直径≤445mm，轴压力≤650kN。

三、螺杆式与滑片式空压机压风理论

螺杆式、滑片式空压机属于回转式正排量式,这两种空压机压缩腔最终风压,即额定风压由原来设计时确定的体积压缩比来决定。

但牙轮钻机的操作风压由牙轮钻头喷咀孔径决定,操作风压还因排渣条件的不同而不同,所以操作、额定风压不相等,操作风压总低于额足风压,高于额定风压是不允许。

四、风压

牙轮钻机空压机在排渣中,风压损失由三部分组成:①从空压机到钻头的排风管路压力损失；②风通过钻头轴承的压力损失；③风通过炮孔壁与钻杆间的环形空间压力损失。

根据在现场的测试结果,炮孔中的阻力损失约为0.2kg/cm²。根据公司资料,从空压机到钻头和炮孔口排风管路阻力约为0.7kg/cm²,因此可推算出从空压机到钻头的排风管路压力损失为0.5kg/cm²。

关于钻头轴承压力损失数值较复杂,此数值随钻头直径大小、轴承结构、通过风量不同而变,通过风量愈大,则压力降愈大。

牙轮钻头在钻进中,流往轴承风量由喷嘴来控制,喷嘴直径愈小,流往轴承风量愈大,轴承冷却效果愈好,如将喷嘴堵死,则空压机排出的风全部通过轴承,此时轴承冷却效果最好,空压机操作压力最高,空压机驱动电动机消耗的功率最多。

如将喷嘴直径加大,则流往轴承风量减少,轴承冷却效果降低。如喷嘴完全敞开,则流往轴承风量为零,此时操作风压最低,其数值等于排风管路及炮孔的阻力之和,空压机驱动电动机消耗功率最少。因此，空压机的操作风压与流往钻头轴承冷却风量由喷咀孔径来控制,最佳喷嘴孔径,确定了最佳操作风压值,此时电动机消耗功率最少,而轴承仍能得到足够冷却风量,如何来决定足够的冷却风量,需根据轴承损坏情况来决定,如牙轮钻头损坏不是由于供风不足所造成,则说明此时流过轴承的风量已足够。

风通过钻头喷嘴时,虽有摩擦损失,但数值小,可忽略不计。所以可认为在喷嘴处压力降基本上都转变为速度。

加大喷咀前压力即操作压力愈大,则吹喷速度愈大,矿渣上升初速愈大。可是,加大操作压力会增加电耗,多大的吹喷速度最合适,主要看被钻碎的矿渣能否及时排净,合理的吹喷速度与矿岩性质及钻进速度有关,矿岩的比重与颗粒愈大,钻进速度愈大,则要求吹喷速度也愈大,而过大吹喷速度会白白耗费电能。

另外,钻进时,有时会产生排渣堵塞现象,此时,如不及时排除,易产生夹钻,因此,要求空压机风压不但能满足冷却轴承、吹喷速度要求,还应能满足排碴堵塞要求,要想消除排渣堵塞现象,空压机需有较高风压。

一般在现场实际操作中,当产生排渣堵塞现象时,都将钻具来回提升,虽然这也是解决排渣堵塞的一个办法,但不如加大风压来得方便。很多牙轮钻机,为增加钻头稳定性,在钻杆上安装稳杆器,使炮孔中阻力增大,因此也要求适当提高风压。

五、风量与风速

我国电源周波为50赫兹,故空压机转速比国外低,排风量也随着降低。同时由于空压机磨损而产生泄漏及空压机余隙容积增大,也使排风量降低,一般为额定排风量的90%。此外，矿岩颗粒所需的悬浮速度与颗粒大小和比重有关。

风达到矿渣悬浮速度时,只能将矿渣悬浮到空中不沉降,要使矿渣得到加速度上升,风速还需加大。在钻孔实际操作中,常看到,随着炮孔深度的增加,从炮孔中排出矿渣粒度也逐渐减小。产生这种现象的原因是由于矿渣在上升中碰撞到炮孔壁与钻杆造成。被风带起的矿渣,在上升中,易与炮孔壁及钻杆相碰,孔愈深,碰撞机会愈多。碰撞后的矿渣,失去上升速度,掉回炮孔底,受钻头的二次研磨,颗粒变小,故炮孔愈深,排除矿渣颗粒愈小。所以,排渣颗粒的减小不是由于炮孔加深后,阻力加大,风的压降加大,风速减少所造成的。

参考文献：

[1]陈玉凡.矿山机械[M].北京:冶金工业出版社,2015.

[2]方必钧.牙轮钻机排碴用风参数探讨[J].矿山机械，2015(06).