凿岩台车钻进系统性能影响因素分析

钻进系统是凿岩台车的核心部分。正确设置、调整钻进系统工作参数，并选择合适的凿岩钎具，可以提高凿岩台车的使用性能，降低掘进作业成本。影响凿岩台车钻进性能的因素主要包括以下3个方面：一是钎具的结构，二是岩孔的冲洗速度，三是工作参数。

1．钎具

合理选用钎具有助于提高凿岩机钻孔凿岩效率、钻孔质量和使用寿命。凿岩机的钎具主要有钻头、钎杆以及钎尾等凿岩用具。

（1）钻头

一般来讲，钻头分为钮扣钻头、片状钻头、复合片齿钻头3种，本文仅介绍应用最为广泛的钮扣钻头。

钮扣钻头通常作一次性使用，其优点是：齿冠钝化缓慢，不需要中途更换和修磨钻头，有利于加速工程进度和减轻工人劳动强度；钻头最大直径不受限制，制造方便。其缺点是：不适用于钻凿单轴抗压强度高于350MPa的极坚韧的岩层；带有15°～45°外倾角的外侧钮扣承受弯曲应力，容易发生损坏；使用寿命较短，一般仅为片状钻头（反复修磨用）寿命的2/3，为复合片齿钻头的1/2～1/3。

纽扣钻头的钮扣数量、钮扣布置、钮扣形状，与凿岩效果的好坏有很大关系。钻头上钮扣的数目与钻头直径、结构形式和承受冲击能量大小有关，一般可分为4颗、7颗……14颗等多种。钮扣布置的原则是破岩有效、负担合理、磨损均匀、安装牢固、修磨方便，钮扣钻头所用钮扣的常见布置方式如图1所示。

钮扣的形状主要有子弹头状和球状2种，如图2所示。子弹头状钮扣拥有更高的凸起度，钻头穿透速率较高，钻孔的平直度远远高于球状钮扣钻头，凿岩钻孔清洗效果也较好。一般情况下，应优先选用配置子弹头状钮扣的钻头。但在某些坚硬且具有磨蚀性的岩层中钻凿时，应选用配置球状钮扣的钻头。因为在该类岩层中钻凿时，球状钮扣比子弹头状钮扣使用寿命长。若钮扣磨损严重，不仅会使凿岩机钻孔时穿透速率降低、钻孔偏差增大，还会引起钻头本体磨损加剧、旋转扭矩减小，钎具使用寿命降低。

（2）钎杆

钎杆横截面分2种：一是六角形截面，二是圆形截面。圆形截面钎杆与六角形钎杆相比，其优点是横截面积较大，制造材料用量多，钎杆的硬度较大，钻凿的孔偏差较小。圆形截面钎杆的缺点是对岩渣的冲洗效果较差，在岩石裂缝较多的岩层钻孔时，容易出现卡钻。尤其是在钻凿直径45mm以下的岩孔时，卡钻的危险更加严重。

钎杆主要有标准型和加速型2种类型，如图3所示。标准型钎杆两端都为外螺纹结构，其优点是结构简单、可靠，价格便宜。缺点是：与钎尾连接时必须通过连接套连接：螺纹连接容易松动，由此导致钎杆连接点的能量损失大。

加速型钎杆的一端为内螺纹，另一端为外螺纹，与标准型钎杆相比具有以下优点：一是穿透速率高，钎杆连接点的能量损失小；二是螺纹连接更加紧密，传递能量效果更好。其缺点是结构复杂，加工工艺要求高，且价格要比标准型钎杆高。一般来讲，选用钎杆应遵循2项原则：一是尽量选用具有完整耦合设计的可接长加速型钎杆；二是尽量选用与钻孔直径差不多的钎杆。

（3）钎尾

钎尾的主要作用是传递扭矩、推进压力、冲击压力，其不仅要能够承受冲击能量，还要承受钻孔时由于摩擦岩石而产生的旋转扭矩。

钎尾由特殊钢材制作，并经过渗碳处理。钎尾按结构可分为内螺纹钎尾和外螺纹钎尾2种。内螺纹钎尾连接僵硬、配合差，使用寿命短，仅适用于某些特定的机型，如可用于凿岩机推进梁有长度限制的场合。外螺纹钎尾配合精度高，应用广泛，使用寿命长，应优先选用。

2.岩孔冲洗速度

冲洗岩孔是指采用水或压缩空气（也可采用二者组合）将岩孔中的岩渣冲出或吹出。冲洗岩孔可以提高凿岩机钻进效率，延长凿岩机使用寿命。

岩孔冲洗速度不仅与钻头直径、钻头与钎杆的型号有关，还与岩渣质量、粒径、形状有关。球状岩渣比片状岩渣需要更大的冲洗速度。岩渣质量越大、直径越大，需要的冲洗速度越高。通常地下施工用水冲洗，地面施工用压缩空气冲洗。使用水冲洗时速度最小为0.5m/s，使用压缩空气（或水雾组合）时冲洗速度最小为10m/s。

凿岩机正常冲洗压力在0.6～1.8MPa，一般来说，冲洗压力越高，冲洗速度越快，冲洗效果越好。采用高冲洗压力，能及时更快地冲洗掉积于钻孔内的岩渣，减少能量损失和钎具消耗，提高钎具的使用效率及穿透力，从而提高钻进系统使用性能。

3.工作参数

钻孔时的冲击压力、冲击频率、推进压力、旋转速度等参数必须协调匹配，钻进系统才能获得最好的使用性能。在实际操作中，首先应给凿岩机设定合适的冲击压力，然后再根据冲击频率和钻头直径设置转速。

（1）冲击压力

冲击压力主要根据岩石的硬度进行调整，钻凿不同硬度的岩石，所需破岩的冲击压力不同。钻凿不同硬度岩石所需的冲击压力如图4所示

（2）冲击频率

高冲击能量与低频率结合或低冲击能量与高频率组合，均能产生同样的冲击功率，但产生的钻孔效果及钻孔效率不同，如图5所示。简而言之，冲击能量与岩石性质、钻孔尺寸有关。

若要提高凿岩的钻进性能，则需调整凿岩机活塞的冲程长度，通过调整凿岩机活塞的冲程长度，便能获得不同的冲击频率。钻凿不同硬度的岩石时所需冲击能量不同，为获得最佳的使用性能，应适时调整凿岩机活塞冲程。

（3）推进压力

推进压力要根据钻头直径、钻头类型、冲击压力和岩石状况等条件而定。设置前，应确保钎杆的螺纹连接没有间隙，否则会造成其不正常磨损。推进压力设置不能过高，否则会给钎杆带来过大的应力，同时增大卡钻的概率。当在质地较软的岩石中钻进时，可适当降低冲击压力，以免冲击压力超过所用推进器的最大推进压力。

（4）旋转速度

要选择合适的旋转速度，确保钻头在岩面上正常旋转，否则就有可能造成卡钻，并对钻头、钎杆及凿岩机的使用寿命造成不良影响。出现卡钻时，应适当降低冲击压力和推进压力，这样既能使钎具保持良好的穿透效率，又可延长钎具使用寿命。

软岩、中等硬度岩石、硬岩钻孔时所需的冲击能不同，岩石越硬，需要的冲击能越大。如果在软岩中使用高冲击能，势必会造成能量损失。在实际操作中，钻凿软岩、中等硬度岩石应采用低冲击压力、高冲击频率、高推进压力、高旋转速度，而钻凿硬岩则应采用高冲击压力、低冲击频率、低推进压力、低旋转速度。

（作者地址：山东省青州市范公亭南街12号士官学院教研部工程施工技术教研室262500)

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