專利名稱：一種柱面承載管式釬桿的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鑿巖機(jī)械配套的傳遞能量工具，特別適用于各種鑿巖機(jī)使用的釬桿。
背景技術(shù)：
鑿巖機(jī)是最常用的工程設(shè)備。各類鑿巖機(jī)配套用的釬桿，概括起來有三種(張國櫸等編著，鑿巖釬具的設(shè)計、制造和應(yīng)用，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1988年10月，P12-130)其一是錐形連接釬桿，適用于淺孔，它依靠六角形釬肩與鑿巖機(jī)連接，依靠帶有錐體的另一端與釬頭相連接。其二是螺紋連接釬桿，適用于鉆鑿中深孔，通過具有螺母作用的套管，將釬桿與鑿巖機(jī)連接；另一端通過釬桿端頭的陽螺紋與釬頭連接；隨著孔深的增加，通過套管將釬桿一根一根地連接起來，鑿?fù)昕缀笤僖灰恍兜?，以便從鉆孔中取出釬頭。其三是MF釬桿，即一端為陽螺紋，另一端為陰螺紋的釬桿，這種螺紋釬桿連接取消了套管。
這三種結(jié)構(gòu)的鑿巖釬桿，在百余年來的應(yīng)用實(shí)踐中，存在以下不足(宋守志、徐小荷，釬桿壽命的理論分析，金屬學(xué)報，Vo1.22 No5.P580)1.錐形連接釬桿，在制造過程中，其加熱區(qū)邊界產(chǎn)生冶金缺口，改變了釬桿的金相組織，造成了釬桿的危險斷面。
2.錐形連接釬桿，在鑿巖工作過程中，釬桿與釬頭的錐形連接處，存在著軸向滑動，摩擦生熱，使此處釬桿成為強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)；同時由于產(chǎn)生能量耗散，影響鑿巖效率。
3.螺紋連接釬桿，當(dāng)套管與制有陽螺紋的兩根釬桿連接時，其螺桿端面就是承載面，兩個釬桿的接觸端面雖被套管擰緊，但鑿巖機(jī)發(fā)出的應(yīng)力波由主動釬桿陽螺紋傳到套管上的陰螺紋，再由套管傳遞給被動釬桿的陽螺紋，這一過程要經(jīng)歷兩次應(yīng)力波傳播效應(yīng)。這種應(yīng)力波傳播效應(yīng)，屬于傾斜入射(宋守志編著，固體介質(zhì)中的應(yīng)力波，煤炭工業(yè)出版社，1989年6月，P74-123)。當(dāng)應(yīng)力波入射到螺紋傾斜面上，如圖1所示，釬桿中入射波W產(chǎn)生四個新波其一為反射縱波C，其二為反射橫波D，其三為透射縱波E，其四為透射橫波F。其一與其二新波，與入射波的傳遞方向相悖，將攜帶約5-15％能量傳向鑿巖釬頭的反方向，只有其三和其四新波向著釬頭方向傳遞。鑿巖應(yīng)力波每經(jīng)過一個釬桿接頭，其能量損失為10-25％(徐小荷編著，巖石破碎學(xué)，煤炭工業(yè)出版社，1986年11月，P176)4.MF釬桿的缺陷在于，雖然傳遞鑿巖機(jī)能量是通過釬桿末端陽螺紋連接另一根釬桿末端陰螺紋實(shí)現(xiàn)能量傳遞。其中陽螺紋的頂端面頂緊陰螺紋的底面。由于中間省去了連接套管，實(shí)際上僅產(chǎn)生一次應(yīng)力波的傾斜入射效應(yīng)，其能量損失為10～15％。
5.上述三種鑿巖機(jī)配套釬桿，傳遞鑿巖應(yīng)力波的承載面，如圖2所示，通過錐形連接釬桿的錐形；或者通過陽螺紋的桿頂端面，如圖3所示；或者通過MF釬桿的螺母底面，如圖4所示。這種以承載面中心聚集的能量，在鑿巖機(jī)鑿入巖石做功的瞬間，應(yīng)力波的垂直入射點(diǎn)發(fā)生在釬頭中心，使釬頭中心處獲得的鑿入巖石能量最大；釬頭其余各部位，均產(chǎn)生傾斜入射，所獲得的鑿入巖石能量，隨著距釬頭中心距離增大，其數(shù)量越來越小，這種獲得到的鑿入能量分布與破碎巖石所需能量相悖。
6.錐形連接釬桿的危險斷面是位于距釬桿撞擊面約200mm處的冶金缺口處。對于螺紋連接釬桿，其中包括MF釬桿，其危險斷面是陽螺紋終端的螺紋內(nèi)徑處。根據(jù)釬桿的失效方式是濕式彎曲疲勞(宋守志、徐小荷，用計算機(jī)預(yù)估釬桿疲勞壽命的研究，鋼鐵，Vol.22 No.3，P1-5)，其彎曲應(yīng)力σ＝M/W (A)式中M為釬桿承載彎矩；W為釬桿的抗彎截面系數(shù)。對于中空釬桿抗彎截面系數(shù)(編委會，機(jī)械工程師手冊，機(jī)械工業(yè)出版社，1989年7月，P4-119)W＝0.0982×(D4-d4)/D(B)式中，D為釬桿危險斷面的外徑；d為釬桿內(nèi)孔直徑。對于上式，因傳統(tǒng)釬桿的d尺寸一般很小，所以可以近似認(rèn)為W∝D3。從理論上分析，釬桿陽螺紋的內(nèi)徑處D最小，根據(jù)彎曲應(yīng)力校核，此處W最小，由式(A)可知此處σ最大，是危險斷面。因而可以推論盡可能加大釬桿危險斷面處的外徑D的尺寸，將大幅降低根據(jù)(A)式確定的該處疲勞彎曲應(yīng)力水平，這樣可以顯著提高釬桿的抗疲勞能力，這無疑是提高鑿巖釬桿壽命的最佳途徑。由此推論，對于傳統(tǒng)的中空釬桿，當(dāng)外徑D盡可能增大后，但D增大的極限尺寸應(yīng)小于釬頭直徑6～10mm，這樣其斷面形狀就成了管狀了。這種釬桿型式應(yīng)對抗彎疲勞，無疑是一種最有效的實(shí)際步驟。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種減少傳遞鑿巖能量消耗、高效、輕質(zhì)和長壽命的釬桿，以突破當(dāng)前釬具行業(yè)傳統(tǒng)的鑿巖釬桿結(jié)構(gòu)模式本發(fā)明所述一種柱面承載管式釬桿，所述釬桿比傳統(tǒng)同類規(guī)格釬桿的直徑大于10％以上，且與同類釬桿等效重量的同質(zhì)管狀材料制成的柱面承載管式釬桿結(jié)構(gòu)，所述管式釬桿與鑿巖機(jī)、釬頭之間，管式釬桿之間，采用螺旋副連接，所述的螺旋副連接中的螺桿端頭，在工作狀態(tài)下都是自由面，即懸空面結(jié)構(gòu)。
如上所述的一種柱面承載管式釬桿，釬桿為直徑大于30mm，并且直徑小于與之配合的釬頭直徑6-10mm，壁厚小于25mm的薄壁管結(jié)構(gòu)。
如上所述的一種柱面承載管式釬桿，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)。
如上所述的一種柱面承載管式釬桿，小直徑錐形連接釬桿采用整體管式螺紋連接方式，將其中一端制成薄壁外六角釬肩與鑿巖機(jī)連接，其另一端依靠螺旋副與釬頭連接，其承載工作面或者是管式釬桿端面，或者是管式釬桿的螺紋陽螺紋空刀槽端面。
如上所述的一種柱面承載管式釬桿，管式釬桿螺旋副采用薄壁管簡釬桿的局部壁厚鐓粗結(jié)構(gòu)，其兩端分別是陰、陽螺紋；或采用厚壁管材結(jié)構(gòu)，車制螺旋副的陰、陽螺紋后，采用保護(hù)焊接措施，將其分別焊接到管式釬桿桿體的兩端。
如上所述的一種柱面承載管式釬桿，對于釬頭尾部為陽螺紋的螺紋連接管式釬桿，釬桿體陰螺紋的端面為承載面，即鎖緊面；對于釬頭尾部為陰螺紋的螺紋連接管式釬桿，陽螺紋終了處空刀槽部位的端面為承載面。
本發(fā)明與傳統(tǒng)的釬桿結(jié)構(gòu)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和積極效果1.所研究的管式釬桿，揚(yáng)棄了MF釬桿，依靠陽螺紋頂緊螺母底面的傳統(tǒng)傳力方式，如圖4所示，本發(fā)明在結(jié)構(gòu)上確保傳遞螺旋副中柱面承載，參見圖5、6、7和8所示，使陽螺紋的螺桿端頭懸空，依靠螺旋副使兩個釬桿間的承載面擰緊，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力波的垂直入射，每個釬桿接頭能量損失可降低到5％以下，可使鑿巖機(jī)鑿巖速度加快，鉆孔深度明顯增加。
2.由于管式釬桿外徑比傳統(tǒng)釬桿直徑增大10％以上，當(dāng)危險斷面的外徑增大后，其抗彎截面系數(shù)加大，使疲勞彎曲在低應(yīng)力的水平上循環(huán)，則可以顯著提高管式釬桿的使用壽命。
下面通過實(shí)例進(jìn)一步闡述本發(fā)明的特點(diǎn)實(shí)例1小直徑管式釬桿小直徑管式釬桿試驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)例2接桿式管式釬桿接桿管式釬桿試驗(yàn)數(shù)據(jù)

*宋守志等，用計算機(jī)預(yù)估釬桿疲勞壽命的研究[J]，鋼鐵，1986(3)30-34。
**張國櫸等編著，《鑿巖釬具的設(shè)計、制造和選用》，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1988.10，P146～156。


圖1是應(yīng)力波在螺紋表面上的傳遞效應(yīng)示意圖；圖2是釬具中心聚集能量的一種傳統(tǒng)連接方式結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是釬具中心聚集能量的另一種傳統(tǒng)連接方式結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是釬具中心聚集能量的第三種傳統(tǒng)連接方式結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明的由錐形連接演變的柱面管式釬桿結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明的螺紋連接和MF連接釬桿演變的管式釬桿結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明的釬頭尾部的陽螺紋的管式釬桿結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明的釬頭尾部為陰暗螺紋的管式釬桿結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1反映的是應(yīng)力波在螺紋表面上的傳遞效應(yīng)示意圖，其中W是入射波、C是反射縱波、D是反射橫波、E是適射縱波、F是透射橫波。圖2、3、4是傳統(tǒng)的釬頭聯(lián)接示意圖，其中1是釬頭、2是釬桿、3-1、3-2、3-3是承載面。
本發(fā)明的主要技術(shù)方案1.將錐形連接的釬桿改為螺紋連接，這種結(jié)構(gòu)釬桿如圖5所示。其中釬桿2一端用六角釬肩與鑿巖機(jī)相連接，釬桿2的另一端通過螺紋與釬頭1相連接。圖5中3-4是承載面。
2.對通常的螺紋連接釬桿和MF釬桿，實(shí)質(zhì)性的改變是盡可能加大管式釬桿的外徑，通常其直徑下限大于30mm，其直徑上限小于釬頭直徑6-10mm，并在結(jié)構(gòu)上確保管式釬桿柱面是應(yīng)力波效應(yīng)的承載面3-5，如圖6所示。
3.本技術(shù)方案提出的承載面上應(yīng)力波傳遞效應(yīng)為垂直入射，反射瞬間只生成一個反射縱波和一個透射縱波，能量損耗在5％以下；由于柱面承載的應(yīng)力波傳抵鑿巖機(jī)釬頭上，可以使應(yīng)力波垂直入射點(diǎn)發(fā)生在釬頭外緣，可保證獲得的鑿入巖石能量與鑿入巖石所需的能量相匹配；而且校核危險斷面的彎曲應(yīng)力，近于與管式承載面外徑的三次方成反比，則安全系數(shù)顯著提高。
本發(fā)明的具體制造方法包括以下步驟1.將現(xiàn)有規(guī)格的六角中空或圓柱中空的釬鋼，其形狀均改為近于等效重量的直徑大于30mm以上的管式釬鋼。
2.管式釬桿壁厚小于25mm。
3.將錐形連接的小直徑釬桿(通常包括B22、B25、B35等六角釬桿規(guī)格)改為螺紋連接，即釬桿2的一端用六角釬肩與鑿巖機(jī)相連接，它的另一端用螺旋副與釬頭1連接，其結(jié)構(gòu)參見圖5。當(dāng)釬頭1體尾部為陽螺紋時，結(jié)構(gòu)設(shè)計保證釬桿2桿體端面為傳遞應(yīng)力波的承載面3-6，如圖7所示。當(dāng)釬頭體尾部為陰螺紋時，結(jié)構(gòu)設(shè)計保證管式釬桿陽螺紋終了處空刀槽部位的端面為承載面3-7，如圖8所示。
4.對于采用螺紋連接的釬桿，其中包括現(xiàn)行使用的MF釬桿，演變成直徑大于30mm管式釬桿，壁厚小于25mm，其結(jié)構(gòu)設(shè)計中確保管式釬桿其陰螺紋的端頭平面或者是其陽螺紋終了處空刀槽部位的端面為傳遞應(yīng)力波的承載面。對于其釬桿的兩頭螺紋部位，如圖7所示和圖8所示，可采用將薄壁管筒釬桿素材的局部壁厚鐓粗，再分別車制陽、陰螺紋；或者用厚壁管材，分別車制螺旋副的陽、陰螺紋，而后采用保護(hù)焊接措施，將其分別焊接到管式釬桿體的兩端。圖7、8中3-6、3-7為承載面。
5.管式釬桿采用螺旋副連接，其螺紋種類可分為方形、鋸齒形、波形和梯形螺紋；其螺桿頂端面，在連接過程中始終保持為懸空面(即為自由面)。
6.不改變傳統(tǒng)釬桿所采用的金屬材料及熱處理制度。
權(quán)利要求
1.一種柱面承載管式釬桿，其特征在于所述釬桿比傳統(tǒng)同類規(guī)格釬桿的直徑大于10％以上，且與同類釬桿等效重量的同質(zhì)管狀材料制成的柱面承載管式釬桿結(jié)構(gòu)，所述管式釬桿與鑿巖機(jī)、釬頭之間，管式釬桿之間，采用螺旋副連接，所述的螺旋副連接中的螺桿端頭，在工作狀態(tài)下都是自由面，即懸空面結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種柱面承載管式釬桿，其特征在于釬桿為直徑大于30mm，并且直徑小于與之配合的釬頭直徑6-10mm，壁厚小于25mm的薄壁管結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種柱面承載管式釬桿，其特征在于螺旋副采用方形、鋸齒形、波形和梯形螺紋中的一種結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的一種柱面承載管式釬桿，其特征在于小直徑錐形連接釬桿采用整體管式螺紋連接方式，將其中一端制成薄壁外六角釬肩與鑿巖機(jī)連接，其另一端依靠螺旋副與釬頭連接，其承載工作面或者是管式釬桿端面，或者是管式釬桿的螺紋陽螺紋空刀槽端面。
5.如權(quán)利要求1所述的一種柱面承載管式釬桿，其特征在于管式釬桿螺旋副采用薄壁管筒釬桿的局部壁厚鐓粗結(jié)構(gòu)，其兩端分別是陰、陽螺紋；或采用厚壁管材結(jié)構(gòu)，車制螺旋副的陰、陽螺紋后，采用保護(hù)焊接措施，將其分別焊接到管式釬桿桿體的兩端。
6.如權(quán)利要求1所述的一種柱面承載管式釬桿，其特征在于對于釬頭尾部為陽螺紋的螺紋連接管式釬桿，釬桿體陰螺紋的端面為承載面，即鎖緊面，對于釬頭尾部為陰螺紋的螺紋連接管式釬桿，陽螺紋終了處空刀槽部位的端面為承載面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種柱面承載管式釬桿。所述釬桿比傳統(tǒng)同類規(guī)格釬桿的直徑大于10％以上，且近于與同類釬桿等效重量的同質(zhì)管狀材料制成的柱面承載管式釬桿結(jié)構(gòu)，所述管式釬桿與鑿巖機(jī)、釬頭之間，管式釬桿之間，采用螺旋副連接，所述的螺旋副連接中的螺桿端頭，在工作狀態(tài)下都是自由面，即懸空面結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用螺旋副連接的承載面，可實(shí)現(xiàn)柱面承載管式釬桿傳遞鑿入能量的應(yīng)力波垂直入射，可確保減少應(yīng)力波傳遞過程中的能量損失；管式釬桿直徑顯著大于同類釬桿直徑，其抗彎截面系數(shù)大，使疲勞彎曲在低應(yīng)力的水平上循環(huán)，為大幅度提高鑿巖釬桿的使用壽命開辟了新途徑。
文檔編號E21B17/042GK1619095SQ200310103889
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, 邢軍, 唐春安, 張國聯(lián), 邱景平, 鐘勇, 徐小荷 申請人:東北大學(xué)釬具開發(fā)研究中心