柱齿钻头磨损的若干特点与规律

D0I:10.13374/i.issm1001-053x.1991.05.001 北京科技大学学报 第13卷第5(1)期 Vo1.13No.5(1) 1991年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sept.1991 柱齿钻头磨损的若干特点与规律 张宗贤· 摘要：根据对现场调查结果的分析，建立了钻头上硬质合金齿磨损体积与其摩接速度、 钻头寿命与合金齿磨损等一系列基本关系。实测与分析结果表明，硬质合金齿的磨损不仅彩 响钻头寿命，而且影响凿岩速度，钻头修磨不仅会提高钻头寿命，而且会显著增加遭岩速 度。最后指出，在不明显影响留岩效半的前提下立尽量降低钻机转速。 关键词：柱齿钻头，磨损，硬质合金 Some Characteristics and Law of Button Bit Wear Zhang Zongxian' ABSTRACT:An investigaton on in-situ indicated that the failures of but- ton bits were obviously controlled by their weares.Based on above investiga- tion,a few basic relations between the wear volumes of tungsten carbide bit buttons and move speeds,between bit lives and button weares,etc were obtai- ned.The investigated results showed that weares of bit buttons affected not only bit lives but drilling efficiency,and the trimming for used bits increased not only bit lives but drilling velocity. KEY WORDS:button bits,wear,tungsten carbide ◆ 根据对密云铁矿旷1985~1987年生产中连续使用的7批136只中170mm的试验柱齿钻头的 详细调查‘1)，发现仅仅因为磨损而报废的钻头（即钻头使用期间没有发生钻头体及硬质合 金齿的断裂等)占总数的16,3%。尤其是随钻头体质量的提高，这一比例逐渐提高，如上述 钻头的最后一批中该比例已高达66,7%。1988年底，作者对深圳越华等3个采石场使用的23 只中76mm柱齿钻头的调查表明该比例为40%。上述调查结果说明，不论是大中型潜孔柱齿钻 1990一11一17收稿 ·矿业研究所(Rescarch Institute of Mining in USTB) 403

第 1 3卷第。 ( I瑚 北 京 科 技 大 学 学 报 v 。 一 13 N o . 5 ( : ) z。。 l年 。 月 J o u r n a l o f U n i v e r s i t y o f S e i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e i j i n g s e P t . z。。 i 柱齿钻头磨损的若干特点 与规律 张 宗 贤 . ,到 r 摘 要 : 根 据对现场 调查结果 的分析 , 建立了钻头上硬质 合金齿磨损体积与其摩揍速度 、 钻 头寿命与 合金齿磨损 等一系列基本关系 。 实测与分析结果表明 , 硬质合金齿的磨损不仅影 响钻头 寿命 , 而且 影响凿岩速度 , 钻头修磨不仅会提高 钻头 寿命 , 而且会显 著 增 加 凿岩速 度 。 最后 指出 , 在不 明显影响凿岩效率的前提下应 尽量降低钻机转 速 。 关镇饲 : 柱齿钻头 , 磨损 , 硬质 合金 S O m e C h a r a e t e r i s t i e s a n d L a w o f B u t t o n B i t W e a r Z h a n g Z o n 夕劣 ` a n . A B ST R A C T : A n i n v e s t i g a t o n o n i n 一 s i t u i n d i e a t e d t h a t t h e f a i l u r e s o f b u t - t o n b i t s w e r e o b v i o u s l y e o n t r o l l e d b y t h e i r w e a r e s . B a s e d o n ab o v e i n v e s t i g a - t i o n , a f e w b a s i e r e l a t i o n s b e t w e e n t h e w e a r v o l u m e s o f t u n g s t e n e a r b i d e b i t b u t t o n s a n d m o v e s p e e d s , b e t w e e n b i t l i v e s a n d b u t t o n w e a r e s , e t e w e r e o b t a i - n e d . T h e i n v e s t i g a t e d r e s u l t s s h o w e d t h a t w e a r e s o f b i t b u t t o n s a f f e e t e d n o t o n l y b i t li v e s b u t d r i l li n g e f f i e i e n e y , a n d t h e t r i m m i n g f o r u s e d b i t s i o e r e a , e d n o t o n l y b i t l i v e s b u t d r i l li n g v e l o e i t y 。 K E Y W O RD S : b u t t o n b i t s , w e a r , t u n g s t e n e a r b i d e 匕 根据对 密云铁矿 1 9 8 5 一 1 9 87 年生 产中连续使用的 7 批1 36 只 小1 70 m 。 的 试验柱齿钻 头的 详细调 查 〔 ` ’ , 发 现仅仅因 为磨损而报废的 钻头 ( 即 钻头 使 用 期间没 有发 生钻头体及硬质合 今 金 齿的 断裂等 ) 占总数 的 1 6 。 3 % 。 尤其是 随钻头体质量的 提 高 , 这一 比例逐渐提高 , 如 上述 钻头的 最后一批中该 比例已高达 6 . 7 % 。 1 9 8 8 年底 , 作者对深圳 越华等 3 个采 石场使用的 23 只小7 6 m m 柱齿钻头的调 查表 明该比例 为 40 % 。 上述调查结果说明 , 不论是大中型潜孔 柱 齿钻 1 99 0一 1 1一 1 7 收稿 , 矿业 研究所 ( R e , e a r e h I n s t i t u t e o f M i n 呈n g 全n U s T B ) 40 3 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1991. 05. 001

头还是中小型柱齿钻头，磨损是导致钻头报废的重要因素。 根据对中170mm柱齿钻头磨损情况的调查分析〔1)，得到钻头上任一合金齿的磨损体积 与该合金齿摩擦速度成线性关系，并对此进行了初步讨论。但是，柱齿钻头的磨损还有哪些 特点与规律，磨损与钻头寿命、凿岩效率及凿岩机具的设计和使用有何关系等问题至今尚不 很清楚。本文根据近年来现场实验结果，试图对上述问题予以初步的分析，以便为凿岩机具 的改进及合理使用提供依据。 1钻头的磨损特点 冲击凿岩用柱齿钻头在连续转动过程受到有规律的间断性冲击而破碎岩石。钻头在受冲 击和旋转过程中被所接触的岩石摩擦而产生磨损，即钻头的磨损主要是冲击和旋转两部分组 成。此外，排气孔附近的部位因受到夹杂着岩碴的压缩空气的流动摩擦也引起磨损，在高风 压潜孔凿岩中这种磨损很明显，而在本文讨论的一般常用的中低风压冲击凿岩中这种现象并 不明显，可以略去不计。 从组成钻头的材料看，钻头体（指钢材部分）和硬质合金齿（以下简称合金齿）都产生 磨损。使用后的钻头体头部直径因磨损而变小，其顶部及合金齿也要磨掉一定厚度或高度。 现场实验表明，若钻头体热处理硬度太小，则其磨损太快，加大了合金齿外露长度，这 样易引起合金齿过早折撕，促使钻头早期报废：反之，若硬度过大，则钻孔加工困难，而且 钻头体使用过程易发生成块断裂。所以正常情况下当钻头体硬度适中时不会出现上述两种情 况，即钻头体与合金齿的磨损保持一定的匹配关系。在这种情况下，钻头的报废主要是因为 合金齿磨损到无法继续钻进的程度。图1是正常情况下报废的钻头的磨损情况。 图1典型的钻头磨损 Fig.I Typical wear of button bit 由图1看出，合金齿的磨损与它在钻头上的位置有关。离钻头中心轴越远的合金齿，其 磨损平面圆的直径越大，即磨损体积越大。柱齿钻头的合金齿都布置在钻头顶部以中心轴为 圆心的不同圆周上（通常按圆周大小分成不同圈）。图1中钻头的合金齿分布在7个不同圆 周（或圈)上。从圆心往外顺序分成7圈。最外圈称为边齿，其余称为中间齿。图1中第 6、7圈合金齿分别处在2个不与钻头对称轴垂直的斜面上，1一5圈中间齿则处在同一平 面上。很明显，1一5圈中间齿的磨损面是一个平面，第6圈的磨损面由两个不很明显的平 面组成。边齿则由两个明显不同的平面组成，一个与钻头体侧面大致平行，另一个与钻头顶 404

头 还 是 中小 型柱 齿 钻头 , 磨损 是 导致 钻头 报废的重要 因素 。 根 据对 小1 7 o m m 柱齿 钻头 磨 损情况 的调 查 分 析 〔 ` 〕 , 得 到钻头 上 任一 合金 齿的磨 损 体 积 与 该 合金齿摩擦速 度成线 性关系 , 并 对此 进行 了初步讨 论 。 但是 , 柱 齿 钻头的 磨损 还 有哪些 特 点与 规律 , 磨 损与钻头 寿命 、 凿岩效 率及 凿岩机 具 的设 计 和使 用有何关 系等问题 至今 尚不 很清楚 。 本 文根 据 近年来 现场 实验结果 , 试图对上述问题予以初步的分析 , 以便为凿岩机具 的改进及合理使用提供依据 。 1 钻 头的磨损特点 冲击凿岩 用柱齿 钻头 在连 续转动 过程 受到 有规律 的 间断性 冲击 而破 碎岩石 。 钻头在 受 冲 击和旋 转过 程 中被 所接触 的 岩石摩擦 而产 生磨 损 , 即 钻头 的磨 损主 要是 冲击 和旋转 两部分组 成 。 此 外 , 排 气孔附 近的部位 因受 到夹杂 着 岩碴 的压缩 空气的 流动摩 擦也 引起磨损 , 在 高风 压潜孔凿岩中这种磨损很 明显 , 而在本文讨论的一般 常用的 中低风 压 冲击 凿岩中这 种现象 并 不 明显 , 可 以略去 不计 。 从组 成钻 头的材 料看 , 钻头 体 ( 指钢材部分 ) 和硬 质合 金 齿 ( 以下简称 合金 齿 ) 都产生 磨损 。 使 用后 的钻头 体头 部直 径因磨损而 变小 , 其顶部及 合金 齿也 要磨 掉一 定厚 度 或高 度 。 现场实验 表明 , 若钻 头体热处 理硬 度太小 , 则 其磨 损太 快 , 加大了合金 齿外 露长度 , 这 样 易 引起合金 齿 过早 折断 , 促 使钻头 早 期报废 ; 反 之 , 若 硬 度过大 , 则 钻孔加 工 困难 , 而且 钻 头体使 用过 程 易发生成 块断 裂 。 所 以正常情况下 当钻 头体硬 度适中时 不会 出现 上述两 种情 况 , 即 钻头体 与合 金 齿的磨损保 持一 定 的匹配 关 系 。 在 这种 情况下 , 钻头 的报 废主 要是 因为 合金 齿磨 损 到无法 继续 钻 进的程 度 。 图 1 是 正常 情况下 报废 的 钻头 的磨 损情况 。 月 馨 图 1 典型 的钻 头 磨损 F 19 . 1 T y p i e a l w e a r o f b u t t o n b i t 由 图 1 看 出 , 合金 齿的磨 损 与它在 钻头 上 的位 置有 关 。 离钻头 中心轴越 远的合 金齿 , 其 磨 损平 面 圆的直 径越 大 , 即磨 损体 积越 大 。 柱齿钻 头 的合金 齿都 布 置在 钻头顶 部 以 中心 轴为 圆心的 不 同圆 周上 ( 通 常按 圆周 大小 分成 不 同圈 ) 。 图 1 中钻头 的 合金齿 分布在 7 个 不 同圆 周 ( 或 圈 ) 上 。 从 圆心往 外顺序分 成 7 圈 。 最 外 圈称为边 齿 , 其余 称 为 中 间 齿 。 图 1 中第 6 、 7 圈合金 齿 分别 处在 2 个不与钻 头 对称 轴垂 直的斜面 上 , 1 一 5 圈中间齿 则处在 同一 平 面上 。 很 明显 , 1 一 5 圈 中间齿的磨 损 面是一 个平面 , 第 6 圈的磨损面 由两个 不很 明显的 平 面组 成 。 边齿 则由两个明显 不 同的平面 组成 , 一 个与钻 头 体侧 面大 致平行 , 另一 个 与钻头 顶 4 0 4

平面大致平行。 2中间齿的磨损规律 根据中170mm潜孔柱齿钻头1一5圈中间齿磨损情况的实测分析，得到任一中间齿的磨 损体积V,和它的线速度u的关系为1： V:=a+bu (1) a、b均为待定参数。当“=0时V,=a,即a表示位于钻头旋转轴上的合金齿的磨损体积。根 据钻头的磨损特点，可以认为a主要是冲击产生的磨损。因此α可能与该合金齿所承受的冲击 能量、使用时间、合金齿形状、大小、抗冲击磨损的性能以及岩石的某些性质等有关。同 理，可以认为bu主要是旋转引起的磨损，b越大旋转磨损量越大。b可能与该合金齿承受的扭 矩、轴压力、作业时间、合金齿形状、大小和耐磨性以及岩石性质等有关。对于一定的钻 机，在作业中转速n几乎是常数，因此任一中间齿的线速度为“=πnR/30。R是该合金齿在 钻头顶部所在圆周的半径。将这一关系代入式(1)得： VmR (2) 令b。=πbn/30,则式(2)还可写成： V:=a+boR (8) 方程(1)、(2)、(3)是完全等价的。这与R.S,Montgomery在实验室得到的关于单个合金齿 在一定正压力作用下边移动边冲击的方程基本一致：2)。该文得到的结果是每次冲击移动后 总的磨损体积等于冲击产生的磨损与移动产生的磨损之和，并且总磨损体积与冲击功和移动 功均成正比。 对于两组10只中170mm潜孔钻头c1),2只中76mm和1只中90mm柱齿钻头的实测与回归 结果，见图2。图中每条曲线是N个钻头的实测平均值回归分析的结果。表明除170mm 外，76mm和90mm两种不同规格、用于不同类型凿岩机上的柱齿钻头的合金齿磨损也服 从方程(3)，即同样服从方程(2)和(1)。这表明根据本170mm钻头得到的结果也运于其它不 同规格的冲击式或冲击旋转式凿岩柱齿钻头。需要说明，因为每只中76mm钻头交叉在液压和 风动两种工作参数不全相同（如钻机转速）的钻机上使用，因此为便于比较，在此选择式(3) 的形式对比。 上述结果表明，对任一中间齿，其距钻头中心轴越远，磨损面积越大。另一方面，钻机 转速越高，合金齿磨损越快。对于探讨整个钻头的磨损特点与规律来说，上面关于单个合金 齿的结果是不够的。 根据图2第1组5只钻头（在转速为29.2r/min的钻机上作业)的磨损实测平均值和各 圈合金齿数，得到任一圈所有合金齿磨损体积VR与该圈合金齿运动速度“的回归方程为： VR=Ae (4) A,B为常数。当4=0时VR=A,A代表位于钻头中心轴上合金齿的磨损体积。根据前面的 405

髻平面 大致 平行 。 2 中间齿的磨损 规律 根 据 小1了。 m m 潜 孔 柱齿 钻头 i 一 5 圈中间齿 磨损情况 的 实测分析 , 得 到任一 中间齿的磨 损体积V , 和它 的线 速度 。 的 关系为 〔 ” : V ` 二 a + b u ( 1 ) a 、 b均为待定参 数 。 当。 = o 时 V ` = 。 , 即 。 表示位于 钻头旋 转轴 上的合金齿 的 磨 损 体积 。 根 据钻头的 磨 损特点 , 可 以认为 a 主要 是 冲击 产生 的 磨损 。 因此 a 可能与 该合金齿所 承受的 冲击 能量 、 使 用时间 、 合金 齿形状 、 大小 、 抗 冲击 磨 损的性能 以及 岩石的某 些 性 质 等 有关 。 同 理 , 可以 认为 bu 主要 是旋转 引起的磨损 , b越 大旋转磨 损量 越大 。 b可 能与 该合金 齿承 受的扭 矩 、 轴压 力 、 作 业时间 、 合金齿 形状 、 大 小和耐磨性 以及 岩石性 质 等 有 关 。 对于 一定 的钻 机 , 在作 业中转速 n 几乎是 常数 , 因此任一 中间 齿的 线速 度 为 。 二 叮 n R / 3 0 。 R 是 该合金 齿在 钻头顶部所在圆周的半径 。 将这一 关系代 人 式 ( l) 得 : V ` = 。 + 命 “ · R ( 2 ) 令b 。 = 二 b n / 3 0 , 则式( 2) 还 可写 成 : V 、 = a + 6 。 R ( 3 ) 方程 ( 1 ) 、 ( 2 ) 、 ( 3) 是完全等价 的 。 这与 R . S 。 M On gt o m o yr 在实验 室 得 到的关 于单 个合金齿 在一定 正压力 作 用下 边移动边 冲击 的 方程 基 本一致 ` “ ’ 。 该文 得到 的结果是每次 冲击移 动后 总的 磨损 体积等 于 冲击产 生的磨 损 与移 动产生 的磨 损之 和 , 并且总 磨 损体积与 冲击功 和移动 功 均 成正比 。 对于 两组 10 只小17 0 m m 潜孔钻头 〔 ” , 2 只小76 m m 和 1 只小90 m m 柱齿 钻头 的 实测 与回 归 结果 , 见 图 2 。 图 中每条 曲线是 N 个钻头 的实 测平均值回 归 分析的结 果 。 表 明 除 功1 7 o m m 外 , 小了6 m m 和中9 0 m nr 两种 不同规 格 、 用于 不同 类型 凿 岩机 上的 柱齿 钻头的 合金 齿 磨 损也服 从方 程 ( 3) , 即 同样服 从方程 ( 2) 和 ( 1 ) 。 这表 明根据 小1 7 o m m 钻头 得 到的结 果也 适 于其它 不 同规 格的 冲击 式 或冲 击旋转式凿 岩柱 齿 钻头 。 需要说 明 , 因为每只小76 m m 钻头 交 叉 在液压 和 风动 两种工作 参数 不全 相同 ( 如钻机 转速 )的 钻机上 使用 , 因此 为便于 比较 , 在 此 选择 式 ( 3) 的形 式对 比 。 上述给果 表明 , 对 任一 中间齿 , 其距钻头 中心 轴越 远 , 磨损面 积 越大 。 另一 方面 , 钻机 转速 越高 , 合金齿 磨 损越快 。 对 于 探讨整 个 钻头的 磨损 特 点与规律来 说 , 上面关于 单个合金 齿的 结果 是不够的 。 根据图 2 第 1 组 5 只 钻头 ( 在转速 为29 . 2r / m in 的 钻机 上作 业 ) 的 磨 损实 测 平 均值和 各 圈合金 齿数 , 得到任 一 圈所 有合金 齿磨 损体积v * 与该 圈合金 齿运 动速度 “ 的 回归 方程为 : V * = A e B “ ( 4 ) 滩 , 刀为常数 , 当“ = 0时 V * = A , A 代表 位于钻头 中心轴上 合金齿的磨损体积 。 根据 前面的 4 0 5

ob 500 160 400 120 300 80 200 ●0 40 100 10 2030 40 50 10 20 30 R/mm 40 50 R/mm 图2V:与R的关系 图8VR与R的关系（图中1、2、3曲战说明同图2） Fig.2 Relationship between Vi and R Fig.3 Relationship between VR and R 1一中170mm(N=5):2-中170mm(N=5) 3-90mm(N=1):4-中76mm(N=2) 分析，可以认为A主要是位于钻头中心轴上的合金齿（只可能是一个）由于冲击引起的磨 损，即应当有A=a。根据方程(4)，A对于VR有显著影响。B的大小决定着磨损曲线的上升 快慢程度。B越大，V增加越快。关于影响B的因素并不能肯定主要取决于旋转，尚有待进 一步深入研究。由第一组钻头得到的回归曲线的A=28.25,B=0.019。根据u与n的关系， 可将(4)写成： Vn=A3io (5) 若令B,=πBm/30则式(5)为 PR=Ae”。R (6) 将图2中第1,2,3组8种不同规格的钻头实测结果按V与R的关系绘成图3，可见回 归曲线与实测结果基本吻合。表明方程(4)一(6)适用于各种冲击式柱齿钻头。 3磨损与钻头使用寿命的关系 图4是4批34只Φ170mm潜孔钻头边齿在钻头直径方向的磨损厚度W与钻头平均寿命T 之间关系的实测分析结果。实线为回归曲线，其方程为： T=A W5 (7) 式中A1、B:均为常数。图4中回归曲线的A1=332m,B1=1.06,即该曲线近似于直线。 图4所涉及的4批钻头的结构参数、材质、工艺等基本相同，合金齿采用YA85型。方程(7) 说明钻头寿命是可以用边齿的径向磨损厚度估算的。 除了边齿外，还可以用中间齿的磨损来表达钻头的寿命。图5是根据图2中第1,2组 406

尸 I 」 声沪户 斗 } } 爵 尸 J 专 ` . 广 / 5 2 多 1 4 0 0 0 0 0 尸 / mm D 5 2 枷咖 3 1 000 . 。 是借踌 V 图 Z ` R 与 的关系 V 图 3 二 R 与 的关系 图中 1 ( 、 2 、 ) 2 曲线说 明同图 3 g i F . R 2 e l a t i o 且 s h l b p e t w e e n n a 犷 ` d g i R F . R s e l a t i o n s h b i p e t w n V , a n e e d R . x一小i 7 0 m 爪 ( N = 5 ) ; 2一小i 7 0 m 址 ( N = 5 ) 3一小9 0 m m ( N = 1 ) , 4一小7 6 m m ( N = 2 ) 分析 , 可以认为 A 主要是 位于钻头 中心轴上的 合金齿 ( 只 可能是一 个) 由于 神 击 引 起 的磨 损 , 即应 当有 A 二 。 。 根据 方程 ( 4 ) , A 对于犷 , 有显 著影响 。 B 的 大小决定着磨损曲线 的上升 快慢程度 。 B 越大 , V , 增 加越快 。 关 于影响 B 的因素并不能肯定主要 取决 于 旋转 , 尚有待进 一步深人研 究 。 由第一组钻头得到的回 归 曲线 的 A 二 28 . 25 , B 二 。 . 0 1 9 。 根据 “ 与 。 的关系 , 可将 (4 )写成 : 犷 * 一 击兴 , ( 5) 若令B 。 = 万 B n/ 3 O则式 ( 5) 为 犷 , = H e B 。 刀 ( 6 ) 将图 2 中第 1 , 2 , 3 组 3 种 不同 规格 的 钻头实测 结果按 犷 , 与 R 的关 系 绘 成 图 3 , 可见 回 归 曲线与实测结 果基本吻合 。 表明方程 ( 4) 一 ( 6) 适用于 各种 神击 式柱 齿钻头 。 3 磨损与钻头使用寿命的 关系 图 4 是 4 批 34 只 中1 7 o m m 潜孔钻头边齿 在钻头直径 方向的磨 损厚 度砰与钻头 平均寿命 T 之 间关系的实测 分析结 果 。 实线 为回 归 曲线 , 其方程 为 : T = A l 牙 B i ( 7 ) 式中 A : 、 B ; 均 为 常数 。 图 4 中回 归 曲线的 A ; = 3 2 m , B : 二 1 . 06 , 即 该 曲线近 似 于直 线 。 图 4 所涉及 的 4 批钻头的 结构参数 、 材质 、 工艺等基本相 同 , 合金 齿采用 Y A 8 5型 。 方程 ( 7) 说明钻头寿命是可 以 用边齿 的径向磨 损厚 度估算的 。 除了边齿外 , 还可以 用中间齿的磨损来 表达钻头的寿命 。 图 5 是根据 图 2 中第 1 , 2 组 4 0 6

700 550 W=8 W=15 500 600 450 0s7 500h 4001 Y=4 400 350 300 1,0 1.2 1,4 1,6 W:/mm 200 0.2 0,61.01.41.8 b 图4钻头寿命与边齿磨损厚度的关系 图5钻头寿命与参数b的关系 Fig.4 The relationship between bit life Fig.5 The relationship between bit life and wear depth of outside buttons and parameter b 共10只170mm钻头的磨损实测计算得到的钻头平均寿命T与任一合金齿磨损曲线的斜率b的 关系，回归方程为： T=A2652 (8) 这个结果说明还可以由任一中间齿的磨损来估算钻头寿命。由式(1)可将式(8)写成 T=4:() (9) 或 T=AC302门： (10) 根据上述方程知，任一中间齿磨损体积Ψ越大，钻头寿命越高，对于一定的凿岩系统， 在不改变其他条件的情况下，钻机转速越大钻头寿命越低。 4磨损与凿岩效率的关系 作者对深圳越华采石场使用的中76mm柱齿钻头进行了现场凿速标定。采场由致密灰色 花岗岩组成。所标定的钻头交叉使用在两台液压和风动凿岩机上。它们的工作参数和效率有 所不同，为了有较好的可比性，只标定用在同一风动凿岩机上的钻头，以其在每个钻孔（每 孔深12m,每根杆长3m)中最后一根杆的纯凿岩速度（杆长除以纯凿岩时间）为比较的基本 数据，并剔除钻头在处理根底和穿凿大块等特殊情况下的数据。所标定的3只钻头（编号为 1#,2#,3*)纯凿岩速度V与各钻头穿孔总长度L的关系见图6。 407

00 DO 多心少勺,` 三 \ r卜 1 书 口 N 二 e 配 二 15 ~ } { 一 . 门 _ / 袱 : 」 _ : ` ” l ` l . 砂 ) 叼帅 l卜 / 1 Z . _ _ / ~ . 不 - 门曰 . 甘n 70印 0 , b 呀 且 2 已 6 图 4 钻头寿命与边齿磨损厚度的关系 F 1 9 ` 4 T h e r e l 么 t i o n , h i P b e t w e e n b i t l i f e a n d w e a r d e P t h o f o u t s i d e b u t t o n s 图 6 钻头寿命与参 数石的关系 F i g . S T 五 e r e l a t i o n s h i P b e t w e e n b i t l i f e a n d P a r a ln e t e r ` 共10 只小1 7 o m m 钻 头的磨损 实测计算得 到的 钻头 平均 寿命 T 与任一合 金 齿磨损 曲线的斜率b的 关系 , 回 归方程 为 : T = A , b 刀 : ( s ) 这个结果说明 还可 以 由任一中间齿的磨损来估算钻头寿命 。 由式 ( 1) 可将式 ( 8) 写成 二 一 , l 二 乙二竺 、 ’ 2 、 “ I ( 9 ) 或 ( 1 0 ) 沙 、 . T J = A Z 〔 3 0 (犷 ` 一 a ) 万 n R 根 据上述方 程知 , 任 一 中间齿磨损体积犷 `越大 , 钻 头寿命 越 高 , 对于一定的 凿岩系统 , 在不改 变其他 条 件的情况下 , 钻机 转速 : 越大钻头寿命越低 。 4 磨损与凿岩效率的 关 系 作者对深圳 越华采石场 使用的柳 6 m m 柱齿 钻 头 进行了现 场 凿速标 定 。 采 场 由致密灰色 花岗岩组 成 。 所标定的 钻头交 叉使用在 两台液压和 风 动凿岩机上 。 它 们 的工 作 参数和 效 率有 所不 同 , 为 了有较 好的 可 比性 , 只标定 用在 同一风动 凿岩机上 的钻 头 , 以 其在 每个钻孔 ( 每 孔深 12 m , 每 根 杆长 3 m ) 中最 后一根 杆的 纯凿 岩速度 ( 杆长除 以纯凿 岩 时 间) 为 比较 的基本 数据 , 并剔除 钻头在处理根底 和穿凿大块等特殊情况下的数据 。 所标定 的 3 只钻头 ( 编号 为 飞 # , 2 # , 3 # ) 纯凿岩速 度V 与 各钻头穿孔总长度L 的关 系见图 6 。 40了

20 16 14 72 50--.90 130 170 210 250 I/m ● 图6凿岩速度与穿孔总长度的关系 Fig.6 The relationship between drilling velocity and the total drilled length 图中曲线发生突变处是钻头修磨过程。显然，如果钻头不修磨，凿岩速度会随穿孔总长 度增加而逐渐降低，而修磨后钻头的凿速都有显著提高。为进一步说明凿速会随穿孔长度增 加而降低，现将4只中170mm钻头边齿在不同穿孔长度时测量的径向磨损列于表1。表中 100m磨耗指平均钻进100m时边齿磨损的厚度。表1证明，钻头穿孔长度越大，百米磨耗越 大。即合金齿磨损速度越快。 图1钻头边齿百米磨耗量 Table 1 The wear depth of the outside bit buttons per one hundred meters of the drilled hole length 钻头号 钻头寿命(m) 测量边齿磨损时钻头穿孔总长度(m) 边齿百米磨耗(mm) 1 563 411 1.52 563 2.00 369 1.02 2 685 456 1.18 559 1.20 396 324 1.65 396 1.89 474 353 】.23 474 1.29 上述结果表明，随着钻头穿孔长度增加，磨损逐渐加快，从而凿岩速度降低。因此，磨 损大的钻头在一定凿岩时间内穿孔长度必然小于磨损小的钻头在同一时间内的值。另一方 面，在这同一时间内钻头上每颗合金齿所受的冲击次数、冲击能量及旋转次数等并不变化。 所以尽管同一时间内磨损大的钻头穿孔长度小于磨损小的钻头，但它的磨损并不减少。这 样，钻头不修磨寿命越高，凿岩速度越低，磨损越严重，所以钻头必须修磨。 5结 论 (1)磨损对钻头寿命有一定控制作用，并严重影响凿岩效率，因此，柱齿钻头必须修 408

户 书炭 致 1 卜, 、 、 , } ! l , 一 朽f全`. f饭/ 刃m/ 图 6 凿岩速度与穿孔 总长度的关系 F i g . 6 T h e r e l a t i o n s h i P b e t w e e n d r i l l i n g v e l o e i t v a o d t h e t o t a l d r i l ] e d l e n g t h 图 中曲线发生突 变处 是钻头修磨过程 。 显然 , 如果钻 头不修磨 , 凿岩速 度会随穿孔总长 度增加而逐渐降低 , 而修磨后钻头 的凿速都有 显著提高 。 为进一步说 明凿速会 随 穿孔长度增 加而 降低 , 现将 4 只小1 7 o m m 钻头边齿在不同穿孔长 度时测量 的径向 磨 损 列 于 表 1 。 表 中 1 0 o m 磨耗指平均钻进1 0 0 m 时边齿磨损的厚 度 。 表 1 证明 , 钻头穿孔长 度越大 , 百 米磨 耗越 大 。 即 合金齿磨损速度越快 。 图 1 钻头 边齿百米磨 耗 皿 T a b l e 1 T h e w e a r d e p t h o f t h e o u t s i d e b i t b u t t o n s p e r o n e h u n d r e d m e t e r s o f t h e d r i l l e d h o l e l e n g t h 城 钻头 号 钻头寿命 ( m ) 测量边齿磨损时钻头 穿孔总长度 ( m ) 边齿百米磨耗 ( m m ) 几舀ǎ介匕“1O1 J “九介」n 八ù勺10Qn1 25 亡公勺九dnd nJ,ù J ` J 六纯巴」 5 6 3 6 8 5 4 7 4 ] 。 2 9 . . . . . . 目 . . . . . . . . 阳 一 、 . , . . , , . . 曰. 上迷结 果 表明 , 随着钻头穿孔长 度增加 , 磨损 逐渐加 快 , 从而凿岩速 度降低 。 因 此 , 磨 损大 的钻头 在一定 凿岩时间内穿孔长度必 然小于磨损小 的钻头在同 一时 间 内 的 值 。 另一方 面 , 在这同 一时间内钻 头上每 颗合金齿 所受的 冲击 次数 、 冲击 能量 及旋转 次数等并不变化 。 所以尽管同一时间内磨 损大 的钻头穿孔长度小 于磨损小 的钻头 , 但它的磨损 并 不 减 少 。 这 样 , 钻头不修磨寿命 越高 , 凿岩速度越低 , 磨损越 严重 , 所以钻头必须修磨 。 5 结 论 ( 1) 磨损对钻头 寿命有一定 控制作用 , 并 严重影响凿岩效率 , 因此 , 柱 齿 钻 头 必 须修 4 0吕

磨。修磨可以延长钻头寿命，并显著提高了凿岩速度，有一定的经济和社会效益。 (2)利用方程(7)和(8)，可以通过测量边齿的径向磨损厚度或任一中间齿磨损情况来估 算钻头寿命。方程中待定参数的意义有待进一步研究。 (3)根据长期的现场考察，一般的冲击式凿岩用柱齿钻头边齿的磨损比其他任何一圈合 金齿都严重，所以可以认为，本文得到的关于中间齿磨损的一些基本关系也可用于边齿。 致谢：本文部分现场工作普得到冯铭瀚、罗健、黄津生和孟永康等同志的帮助，特此感榭！ 参考文献 1张宗贤，寇绍全，冯铭瀚，罗健，许潮水.有色金属，1988，(4)：7 2徐小何，余静。岩石破碎学。北京：煤炭工业出版社，1984,6 3密云铁矿，北京钢铁学院等。J-170B潜孔钻具现场试验报告、治金部鉴定会资料之 一（北京科技大学资料室），1987：9 X%40686006060840408484868960040460%xXX部%公器路x0深 采油生产技术智能管理系统 在计算机管理系统中加入有效灵活的人工智能和专家知识系统，不仅具有分类统计、报 表输出等日常事务处理的功能，还在效益预测、故障诊断、规划设计等方面引入人工智能技 术，完成高层次的分析及决策活动。这是智能管理系统的重要特征。它是在决策支持系统 (DSS)、管理信息系统(MIS)与办公信息系统(OIS)相结合的基础上，计算机辅助管理技术 的新发展。本系统主要功能有各种日常统计报表、采油设备的优化选择、采油生产中的动态 分析、生产指标的预测分析、生产过程中的技术维护、中短期规划等。在形式上可划分成3 个层次即事务处理、作业计划和决策支持。在技术上是在OIS、MIS和DSS三位一体的基础 上引入人工智能(A】)和专家系统(ES),使系统对定量问题、定性问题、结构化问题、非结 构化问题及组合问题都可在智能的水平上得到满意的解决。 本系统在软件实现上充分利用各种工具和软件的优点，使系统在性能和结构上达到最 优。本系统的研制使用了人工智能语言PROLOG、科学计算语言FORTRAN、关系型数据 库Dbase夏；在使用上既可以采用批作业形式，也可以采用多层窗口交互；在进行窗口交互 时又可同时打开几个不同窗口分别进行交互运行，使系统具有良好的用户界面。 本系统的硬件环境为IBM-PC/XT/AT及兼容机，系统的部分数据存于Micro VAX-I 机上，用PC机作为VAX-I机的仿真终端，既可执行PC机命令，也可实现VAX-I机上的 功能，使系统不仅仅局限于研制成果，同时也为本系统的推广和商品化打下了良好的基础。 409

磨 。 修磨可以延长 钻头 寿命 , 并 显著提 高 了凿岩速 度 , 有一定的经济 和社会效益 。 ( 2) 利 用方程 ( 7) 和 ( 8) , 可 以通过 测量 边 齿的 径向磨损厚 度或任一中间齿磨损情况来 估 算 钻头 寿命 。 方程 中待定参数 的意 义有待 进一 步研 究 。 ( 3) 根据长 期 的现 场考察 , 一般 的 冲击式凿岩 用柱齿钻 头边齿 的磨损 比其他任 何一圈 合 金 齿都 严重 , 所以 可以 认为 , 本文得 到 的关于 中间 齿磨损 的一些基 本关系 也可 用于边齿 。 致谢 : 本文 部分 现场工作 曾得到 冯铭瀚 、 罗健 、 黄津生 和孟 永康 等同志 的帮助 , 特此感谢! 参 考 文 献 张宗 贤 , 寇绍全 , 冯铭瀚 , 罗健 , 许 潮水 . 有色金属 , 1 9 8 8 , ( 4) : 7 徐小 何 , 余静 . 岩石破碎学 。 北京 : 煤炭 工业出版社 , 1 9 8 4 , 6 密 云铁矿 , 北京 钢铁学院等 . J 一 1 7 OB潜孔 钻具现场试验报告 , 冶金部鉴定 会 资料之 一 ( 北京科技大学资料 室 ) , 1 9 8 7 ; 9 采油生 产技 术智能 管理系统 在计算机 管理系统 中加人有效 灵活 的 人工智 能和专家知识 系统 , 不仅 具有分 类统 计 、 报 表输出等 日常 事务处 理 的功能 , 还在效益 预测 、 故障 诊 断 、 规 划设 计等 方 面 引人人工 智能技 术 , 完成高层 次的分析 及决策活 动 。 这是 智能管理系统 的重要特 征 。 它是在决策 支 持 系 统 ( D S S ) 、 管理信息 系统 ( M I )S 与 办公 信息系统 ( 0 1 5) 相结 合的 基础 上 , 计算积 辅 助 管 理技 术 的新发展 。 本 系统主 要功 能有各种 日常 统 计报表 、 采油设 备的 优 化选择 、 采油生 产 中的 动态 分 析 、 生产指 标的 预测 分析 、 生产 过程 中的技 术 维 护 、 中短期 规划等 。 在 形 式上可划 分 成 3 个 层次即事务 处理 、 作 业计划 和决策支 持 。 在技术 上是 在 01 5 、 M IS 和 D S S 三位一体的基 础 上 引入人工智能 ( A l ) 和专家系统 ( E s) , 使系统对定量 问题 、 定性 向题 、 结构化问题 、 非结 构 化问题 及组 合间题都 可在 智能 的 水平上 得 到满意的解 决 。 本 系统 在软件实现 上充分利 用各 种工 具和 软件的优 点 , 使 系统 在 性 能 和结构上达 到最 优 。 本 系统的研制使 用了人工 智能语言 P R O L O G 、 科学 计算语 言 F O R T R A N 、 关 系 型 数据 库 D ba s e l ; 在使 用上既 可 以采 用批 作业形 式 , 也可 以采 用多 层窗 口 交互 ; 在 进 行窗 口交互 时 又可 同时打 开几 个不 同窗 口分别进 行交互 运 行 , 使系统具 有 良好 的 用户 界面 。 本 系统的硬 件环 境为 BI M 一 P C / X T / A T 及兼容 机 , 系统的部分 数 据存 于 M i c r 。 v A X 一 I 机 上 , 用 P C 机 作为 v A X 一 I 机的 仿真终端 , 既 可执 行 P C 机命 令 . 也 可 实 现 v A X 一 I 机 上的 功能 , 使系统不仅仅局 限于研制成果 , 同时也为本系 统的推广和商品 化打下 了良好的基础 。 缪0 9