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(lái)有三種(張國(guó)櫸等編著，鑿巖釬具的設(shè)計(jì)、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(guò)具有螺母作用的套管，將釬桿與鑿巖機(jī)連接；另一端通過(guò)釬桿端頭的陽(yáng)螺紋與釬頭連接；隨著孔深的增加，通過(guò)套管將釬桿一根一根地連接起來(lái)，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(yáng)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(lái)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(bào)，Vo1.22 No5.P580)1.錐形連接釬桿，在制造過(guò)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(xiǎn)斷面。
2.錐形連接釬桿，在鑿巖工作過(guò)程中，釬桿與釬頭的錐形連接處，存在著軸向滑動(dòng)，摩擦生熱，使此處釬桿成為強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)；同時(shí)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(yáng)螺紋的兩根釬桿連接時(shí)，其螺桿端面就是承載面，兩個(gè)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(dòng)釬桿陽(yáng)螺紋傳到套管上的陰螺紋，再由套管傳遞給被動(dòng)釬桿的陽(yáng)螺紋，這一過(guò)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(gè)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(guò)一個(gè)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(guò)釬桿末端陽(yáng)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(yáng)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(guò)錐形連接釬桿的錐形；或者通過(guò)陽(yáng)螺紋的桿頂端面，如圖3所示；或者通過(guò)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(lái)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(xiǎn)斷面是位于距釬桿撞擊面約200mm處的冶金缺口處。對(duì)于螺紋連接釬桿，其中包括MF釬桿，其危險(xiǎn)斷面是陽(yáng)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(jì)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(duì)于中空釬桿抗彎截面系數(shù)(編委會(huì)，機(jī)械工程師手冊(cè)，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(xiǎn)斷面的外徑；d為釬桿內(nèi)孔直徑。對(duì)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(yáng)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(xiǎn)斷面。因而可以推論盡可能加大釬桿危險(xiǎn)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(wú)疑是提高鑿巖釬桿壽命的最佳途徑。由此推論，對(duì)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(duì)抗彎疲勞，無(wú)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(zhǎng)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(yáng)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(jiǎn)釬桿的局部壁厚鐓粗結(jié)構(gòu)，其兩端分別是陰、陽(yáng)螺紋；或采用厚壁管材結(jié)構(gòu)，車制螺旋副的陰、陽(yáng)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(duì)于釬頭尾部為陽(yáng)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(duì)于釬頭尾部為陰螺紋的螺紋連接管式釬桿，陽(yáng)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(yáng)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(yáng)螺紋的螺桿端頭懸空，依靠螺旋副使兩個(gè)釬桿間的承載面擰緊，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力波的垂直入射，每個(gè)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(xiǎn)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(guò)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(jì)算機(jī)預(yù)估釬桿疲勞壽命的研究[J]，鋼鐵，1986(3)30-34。
**張國(guó)櫸等編著，《鑿巖釬具的設(shè)計(jì)、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(yáng)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(guò)螺紋與釬頭1相連接。圖5中3-4是承載面。
2.對(duì)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(gè)反射縱波和一個(gè)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(xiǎn)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(yáng)螺紋時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證管式釬桿陽(yáng)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(duì)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(jì)中確保管式釬桿其陰螺紋的端頭平面或者是其陽(yáng)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(duì)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(yáng)、陰螺紋；或者用厚壁管材，分別車制螺旋副的陽(yáng)、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(guò)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(yáng)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(yáng)螺紋；或采用厚壁管材結(jié)構(gòu)，車制螺旋副的陰、陽(yáng)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(duì)于釬頭尾部為陽(yáng)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(duì)于釬頭尾部為陰螺紋的螺紋連接管式釬桿，陽(yáng)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(guò)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(hào)E21B17/042GK1619095SQ200310103889
公開日2005年5月25日 申請(qǐng)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(guó)聯(lián), 邱景平, 鐘勇, 徐小荷 申請(qǐng)人:東北大學(xué)釬具開發(fā)研究中心