牙轮钻机PPT优秀课件
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第五章 牙轮钻机
第一节 牙轮钻机的发展概况
牙轮钻机是在旋转钻机的基础上发展起来的一种近代新型 钻孔设备。1907年，美国石油工业部门开始使用牙轮钻机钻 凿油井和天然气井。1939年，开始试用于露天矿。我国从 1958年起研制牙轮钻机，自1976年定型并批量生产HYZ250C牙轮钻机后，牙轮钻机的研制和应用迅速发展起来。 下图是洛阳矿山机械工程设计院设计的KY系列牙轮钻机。
为牙轮主锥角。
第三节 牙轮钻头运动学及其凿岩原理
工作时，加压机构通过钻杆给钻头施以很高的轴向压力， 牙轮则被牙在孔底上。当回转供风机构使钻具以一定的转速 回转时，钻头上的各个牙轮，既绕钻杆轴线公转，又可以绕 本身轴线自转。
一、牙轮钻头的纵向振动及凿岩原理 1. 纵向振动的产生
事实上牙齿在锥面外是有一定高度的。钻孔时，牙轮绕本 身轴线旋转而滚动，交替地由二个齿着地变为一个齿着地， 如上图所示。
参考系
2. 移轴布置 牙轮轴线OA相对于钻头X轴线 移动一垂直距离s，称为移轴布 置。
移轴引起牙轮沿接触线方向滑动，滑 动速度的大小与移轴距和钻杆转速成正比； 当牙轮锥半顶角和钻杆转速相同时，移轴 布置与不超顶不移轴布置的牙轮转速大小 相等。
3. 超顶布置 （牙轮轴线与钻杆轴线相交，
但顶点不重合）
一、三牙轮钻头的构造
三牙轮钻头主要是由牙爪、牙轮、轴承组成。三个牙爪和 并在一起，焊接成一个整体。三个牙轮分别套在三个牙爪下 端的轴颈上。滚珠从牙爪背上的塞销孔送入滚珠轴承跑道内。 当滚珠装满后，将塞销插入销孔内，并将塞销尾部堵焊载牙 爪背上。滚珠则将牙轮限定在牙爪轴颈上。为了防止轴经过 热和被异物堵塞，矿用牙轮钻头采用压气或气水混合物冷却 并吹洗轴承。有中空钻杆通入钻头的压缩空气或气水混
滚柱 滚珠 滑动衬套
装配形式： 各自的作用：
滚 柱
滚 珠滑动衬
套
三牙轮钻头1
三牙轮钻头2
三牙轮钻头3
三牙轮钻头4
三、结构参数 牙轮钻头主要结构参数： 钻头直径D 轴倾角β 孔底角α
牙轮钻头的主要结构参数有：钻头直径、轴倾角、孔底角。
轴倾角、孔底角、牙轮主锥角有如下关系：
900
式中 为孔底角， 为轴倾角，
牙轮钻凿岩原理
二、牙轮的运动分析
确定牙轮的运动参数，一是为钻头的设 计提供指导性参数，另外帮助其选择或布置 牙轮钻头，以期获得最佳的破岩效果。
几点假设：
1.只考虑钻头上一个单锥牙轮运动，孔底角0 2.钻杆匀速转动 3.孔底为刚体 4.不超顶不移轴和移轴布置时牙轮做纯滚动，
超顶布置时，牙轮由于轴压力的作用获得最 佳转速。
二、三牙轮钻头的类型
矿用三牙轮钻头，按照钻头上凿岩刃具----牙轮上牙齿的 不同，可分为：铣齿钻头和柱齿钻头；按排碴时吹风方式的 不同，分为：中心吹风排碴式和旁测吹风排碴式钻头。
牙轮的类型：
单锥牙轮
复锥牙轮
3.轴承组
作用：
保证牙轮灵活地转 动，并把钻机施加给 钻头上的轴压力和扭 矩传给牙轮。
组成：
牙轮钻凿岩原理
轴压静载荷
纵向振动动载荷
滑动剪切力
压碎
凿碎
剪碎
牙轮钻机钻孔时，依靠加压机构和回转机构给钻头施
加的轴压力和回转力矩，使岩石在轴压静载荷和纵向振动 动载荷以及滑动剪切力的联合作用下，被牙轮上的牙齿压 碎、凿碎和剪碎，于是形成钻孔。
牙轮钻孔时，着地齿在轴压力的作用下，牙齿会吃入岩石 某一个深度，减小了牙轮纵向振动的振幅。试验研究表明，对 于硬岩牙齿吃入深度较浅，纵向振幅大，冲击破碎岩石的效果 好；而对于软岩和中硬岩牙齿吃入深度较深，纵向振幅小，冲 击破碎的效果较差。
合物，大部分经中央喷管喷出。用于排碴；少部分经由轴承 风道进入滚珠轴承跑道和小轴端部，用以冷却和吹洗轴承。 为了防止突然停风时岩碴倒流入轴承风道，在钻头内腔安装 有止逆阀。
主要组成： 牙爪 牙轮 轴承组
牙轮 牙爪
三 牙 轮 钻 头 的 构 造
1.牙爪 ►组成： ►爪背角（1˚30'～5˚）
保护作用 ►爪尖：
当A、B两齿同时着地时，齿圈中心C的位置最低；当B齿 离地变为A齿着地后，齿圈中心逐渐升高，齿圈中心达到最 高位置后，随着牙轮的继续转动又逐渐降低，直至与下一个 齿同时着地。牙轮不停地滚动，齿圈中心则周而复始地运动 在最高位置和最低位置之间。可见，由于牙齿的存在，使牙 轮连同整个钻进部件作纵向振动。
KY系列牙轮钻机
三牙轮钻头
由于采用新型材料和使用压气为动力，大大提高了钻头的寿命，钻孔效 率等指标极其优越，故得到广泛使用。穿爆能力一般在300～500万T/年台， 最大的达到1000万T/年台以上，孔径达到445mm。
我国起步较晚，上世纪60年代开始研制，很快掌握了其设计及制造技术 ，并有多种型号的产品问世和投入使用。
1.不超顶，不移轴布置
(牙轮锥体的顶点落在钻杆轴线上，称 为不超顶不移轴布置）
由于是不超顶不移轴布置，故牙 轮绕顶点O转动，在轴压力作用 下，牙轮以较大的正压力作用在 牙轮与孔底的接触线上OM上， 钻头转动时，作用在OM线上的 正压力产生足够大的摩擦力，致 使牙轮不产生滑动，即接触线上 任一点没有绝对速度。
为提高抗磨能力，焊接合金 粉或合金柱
►轴承轴颈
钻机施加给钻头的轴压力， 通过轴颈及轴承传给牙轮
►β角一般为50˚～55˚
2.牙轮
布齿方式：
一般是中间齿圈采用自洁式 布齿（即各牙轮的中间齿圈相 间布置，互不重复）；内齿圈 部分重复；边齿圈相互重复。
布齿原则：
使各齿圈上齿痕能全部覆盖孔 底，并使牙轮与孔底接触的齿 数相等，以使三个牙轮轴承的 负荷均匀。
牙轮与孔底接触线上除了一ห้องสมุดไป่ตู้点上绝对速度为零，其余 都有绝对速度，即产生滑 动。
一、牙轮的运动分析及其转速的计算
1、不超顶不移轴布置
式中
nL
RnT
r
nT
sin
为牙轮锥半顶角， r为牙轮大端半径，
目前在国内露天矿山中未被广泛使用的原因： 1.穿爆能力太大，而目前国内露天矿山的规模普遍较小 2.钻孔的辅助时间长 3.投资较大，使用成本高 4.工人的技术水平要求较高
第二节 牙轮钻头的构造
牙轮钻孔方法开始到现在，经过了较长的发展过程，相继 使用过各种类型的牙轮钻头。目前在金属矿山中，广泛使用 的是三牙轮钻头。
第一节 牙轮钻机的发展概况
牙轮钻机是在旋转钻机的基础上发展起来的一种近代新型 钻孔设备。1907年，美国石油工业部门开始使用牙轮钻机钻 凿油井和天然气井。1939年，开始试用于露天矿。我国从 1958年起研制牙轮钻机，自1976年定型并批量生产HYZ250C牙轮钻机后，牙轮钻机的研制和应用迅速发展起来。 下图是洛阳矿山机械工程设计院设计的KY系列牙轮钻机。
为牙轮主锥角。
第三节 牙轮钻头运动学及其凿岩原理
工作时，加压机构通过钻杆给钻头施以很高的轴向压力， 牙轮则被牙在孔底上。当回转供风机构使钻具以一定的转速 回转时，钻头上的各个牙轮，既绕钻杆轴线公转，又可以绕 本身轴线自转。
一、牙轮钻头的纵向振动及凿岩原理 1. 纵向振动的产生
事实上牙齿在锥面外是有一定高度的。钻孔时，牙轮绕本 身轴线旋转而滚动，交替地由二个齿着地变为一个齿着地， 如上图所示。
参考系
2. 移轴布置 牙轮轴线OA相对于钻头X轴线 移动一垂直距离s，称为移轴布 置。
移轴引起牙轮沿接触线方向滑动，滑 动速度的大小与移轴距和钻杆转速成正比； 当牙轮锥半顶角和钻杆转速相同时，移轴 布置与不超顶不移轴布置的牙轮转速大小 相等。
3. 超顶布置 （牙轮轴线与钻杆轴线相交，
但顶点不重合）
一、三牙轮钻头的构造
三牙轮钻头主要是由牙爪、牙轮、轴承组成。三个牙爪和 并在一起，焊接成一个整体。三个牙轮分别套在三个牙爪下 端的轴颈上。滚珠从牙爪背上的塞销孔送入滚珠轴承跑道内。 当滚珠装满后，将塞销插入销孔内，并将塞销尾部堵焊载牙 爪背上。滚珠则将牙轮限定在牙爪轴颈上。为了防止轴经过 热和被异物堵塞，矿用牙轮钻头采用压气或气水混合物冷却 并吹洗轴承。有中空钻杆通入钻头的压缩空气或气水混
滚柱 滚珠 滑动衬套
装配形式： 各自的作用：
滚 柱
滚 珠滑动衬
套
三牙轮钻头1
三牙轮钻头2
三牙轮钻头3
三牙轮钻头4
三、结构参数 牙轮钻头主要结构参数： 钻头直径D 轴倾角β 孔底角α
牙轮钻头的主要结构参数有：钻头直径、轴倾角、孔底角。
轴倾角、孔底角、牙轮主锥角有如下关系：
900
式中 为孔底角， 为轴倾角，
牙轮钻凿岩原理
二、牙轮的运动分析
确定牙轮的运动参数，一是为钻头的设 计提供指导性参数，另外帮助其选择或布置 牙轮钻头，以期获得最佳的破岩效果。
几点假设：
1.只考虑钻头上一个单锥牙轮运动，孔底角0 2.钻杆匀速转动 3.孔底为刚体 4.不超顶不移轴和移轴布置时牙轮做纯滚动，
超顶布置时，牙轮由于轴压力的作用获得最 佳转速。
二、三牙轮钻头的类型
矿用三牙轮钻头，按照钻头上凿岩刃具----牙轮上牙齿的 不同，可分为：铣齿钻头和柱齿钻头；按排碴时吹风方式的 不同，分为：中心吹风排碴式和旁测吹风排碴式钻头。
牙轮的类型：
单锥牙轮
复锥牙轮
3.轴承组
作用：
保证牙轮灵活地转 动，并把钻机施加给 钻头上的轴压力和扭 矩传给牙轮。
组成：
牙轮钻凿岩原理
轴压静载荷
纵向振动动载荷
滑动剪切力
压碎
凿碎
剪碎
牙轮钻机钻孔时，依靠加压机构和回转机构给钻头施
加的轴压力和回转力矩，使岩石在轴压静载荷和纵向振动 动载荷以及滑动剪切力的联合作用下，被牙轮上的牙齿压 碎、凿碎和剪碎，于是形成钻孔。
牙轮钻孔时，着地齿在轴压力的作用下，牙齿会吃入岩石 某一个深度，减小了牙轮纵向振动的振幅。试验研究表明，对 于硬岩牙齿吃入深度较浅，纵向振幅大，冲击破碎岩石的效果 好；而对于软岩和中硬岩牙齿吃入深度较深，纵向振幅小，冲 击破碎的效果较差。
合物，大部分经中央喷管喷出。用于排碴；少部分经由轴承 风道进入滚珠轴承跑道和小轴端部，用以冷却和吹洗轴承。 为了防止突然停风时岩碴倒流入轴承风道，在钻头内腔安装 有止逆阀。
主要组成： 牙爪 牙轮 轴承组
牙轮 牙爪
三 牙 轮 钻 头 的 构 造
1.牙爪 ►组成： ►爪背角（1˚30'～5˚）
保护作用 ►爪尖：
当A、B两齿同时着地时，齿圈中心C的位置最低；当B齿 离地变为A齿着地后，齿圈中心逐渐升高，齿圈中心达到最 高位置后，随着牙轮的继续转动又逐渐降低，直至与下一个 齿同时着地。牙轮不停地滚动，齿圈中心则周而复始地运动 在最高位置和最低位置之间。可见，由于牙齿的存在，使牙 轮连同整个钻进部件作纵向振动。
KY系列牙轮钻机
三牙轮钻头
由于采用新型材料和使用压气为动力，大大提高了钻头的寿命，钻孔效 率等指标极其优越，故得到广泛使用。穿爆能力一般在300～500万T/年台， 最大的达到1000万T/年台以上，孔径达到445mm。
我国起步较晚，上世纪60年代开始研制，很快掌握了其设计及制造技术 ，并有多种型号的产品问世和投入使用。
1.不超顶，不移轴布置
(牙轮锥体的顶点落在钻杆轴线上，称 为不超顶不移轴布置）
由于是不超顶不移轴布置，故牙 轮绕顶点O转动，在轴压力作用 下，牙轮以较大的正压力作用在 牙轮与孔底的接触线上OM上， 钻头转动时，作用在OM线上的 正压力产生足够大的摩擦力，致 使牙轮不产生滑动，即接触线上 任一点没有绝对速度。
为提高抗磨能力，焊接合金 粉或合金柱
►轴承轴颈
钻机施加给钻头的轴压力， 通过轴颈及轴承传给牙轮
►β角一般为50˚～55˚
2.牙轮
布齿方式：
一般是中间齿圈采用自洁式 布齿（即各牙轮的中间齿圈相 间布置，互不重复）；内齿圈 部分重复；边齿圈相互重复。
布齿原则：
使各齿圈上齿痕能全部覆盖孔 底，并使牙轮与孔底接触的齿 数相等，以使三个牙轮轴承的 负荷均匀。
牙轮与孔底接触线上除了一ห้องสมุดไป่ตู้点上绝对速度为零，其余 都有绝对速度，即产生滑 动。
一、牙轮的运动分析及其转速的计算
1、不超顶不移轴布置
式中
nL
RnT
r
nT
sin
为牙轮锥半顶角， r为牙轮大端半径，
目前在国内露天矿山中未被广泛使用的原因： 1.穿爆能力太大，而目前国内露天矿山的规模普遍较小 2.钻孔的辅助时间长 3.投资较大，使用成本高 4.工人的技术水平要求较高
第二节 牙轮钻头的构造
牙轮钻孔方法开始到现在，经过了较长的发展过程，相继 使用过各种类型的牙轮钻头。目前在金属矿山中，广泛使用 的是三牙轮钻头。