張吉亮，張雙偉，張洪波，王桂敏，姚成武，張峰，王士磊

（山東省煤田地質(zhì)鉆探工具廠，山東 濟(jì)寧 272400）

目前，國內(nèi)也有幾家單位在研究制造螺旋鉆桿，但是國內(nèi)在煤層中利用螺旋鉆具鉆進(jìn)的理論研究程度比較淺，對施工鉆具的加工水平和經(jīng)驗(yàn)還不高。為了提高行業(yè)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)效益和安全效果，我們開展了螺旋鉆具及工藝的研究，研制了經(jīng)濟(jì)高效的插接式雙螺旋鉆桿。

插接式雙螺旋鉆，包括公接頭、鉆桿桿體、母接頭以及兩條成螺旋狀結(jié)合在桿體和接頭外壁上的螺旋葉片。插接式雙螺旋鉆桿的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單連接方便、穩(wěn)定性好、安全性高，排屑、排渣速度快，掘進(jìn)效率高，可以有效避免和減少塌孔、卡鉆及丟鉆現(xiàn)象，延長鉆桿使用壽命，從而有效降低了掘進(jìn)成本，是一種較為理想的煤層鉆孔使用的螺旋鉆桿。

我們在對螺旋鉆進(jìn)機(jī)理進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場具體使用要求及鉆機(jī)性能，綜合考慮連接形式、密封要求、鉆桿質(zhì)量大小、加工方法和可操作性等因素進(jìn)行新型鉆桿的研制。

圖1

1 鉆桿本體的研制

1．1 材料的選擇

根據(jù)《煤田鉆探技術(shù)手冊》要求，螺旋鉆桿鉆桿本體質(zhì)量要求如下：

表1 鉆桿本體機(jī)械性能要求

根據(jù)材料的性能分析，STM－R780鋼材的淬透性好，晶粒細(xì)化，顯微組織均勻、機(jī)械性能及可焊性能良好、硬度均勻，符合螺旋鉆桿的要求，因此，鉆桿材料確定為STM－R780。

表2 STM－R780鋼材化學(xué)成分（%）

表3 STM－R780力學(xué)性能

1．2 鉆桿桿體的加工

鉆桿桿體的一端與母接頭以摩擦焊的形式連接，摩擦焊是利用焊件相對摩擦運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量來實(shí)現(xiàn)材料可靠連接的一種壓力焊方法。其焊接過程是在壓力的作用下，相對運(yùn)動(dòng)的待焊材料之間產(chǎn)生摩擦，使界面及其附近溫度升高并達(dá)到熱塑性狀態(tài)，隨著頂鍛力的作用界面氧化膜破碎，材料發(fā)生塑性變形與流動(dòng)，通過界面元素?cái)U(kuò)散及再結(jié)晶冶金反應(yīng)而形成接頭。選取先進(jìn)的摩擦焊連接的目的也是為了減少加工時(shí)間，并且提高了接頭與桿體之間的機(jī)械強(qiáng)度，增加扭矩。

鉆桿桿體的另一端為了保證接頭與鉆桿桿體之間的同軸度和公接頭的焊接位置，加工成螺紋的形式與公接頭相連接。

2 接頭的研制

2．1 材料的選取

根據(jù)《煤田鉆探技術(shù)手冊》要求，螺旋鉆桿接頭性能要求如下：

表4 螺旋鉆桿接頭機(jī)械性能要求

根據(jù)材料的性能分析，接頭材料確定為40Cr。

表5 40Cr鋼材化學(xué)成分（%）

表6 40Cr的力學(xué)性能

2．2 鉆桿接頭的加工

2．2．1 接頭調(diào)質(zhì)熱處理

摩擦焊鉆桿接頭調(diào)質(zhì)硬度要求達(dá)到HB260－280（即HRC26－29），而調(diào)質(zhì)是淬火加高溫回火的雙重?zé)崽幚?，其目的是提高工件的綜合機(jī)械性能，穩(wěn)定工件的質(zhì)量，增加可靠性。調(diào)質(zhì)淬火時(shí)，要求工件整個(gè)截面淬透，使其得到以細(xì)針狀淬火馬氏體為主的顯微組織。通過高溫回火，得到以均勻回火索氏體為主的顯微組織。40Cr調(diào)質(zhì)處理規(guī)范：

淬火溫度850℃ ±10℃，油冷；

回火溫度520℃±10℃，水、油空冷。

2．2．2 接頭的加工形式

（1）公接頭的加工

公接頭連接鉆桿母體與母接頭，是影響鉆桿質(zhì)量的重要因素。在通常的連接形式中螺紋連接結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，密封可靠，但缺點(diǎn)是不能反轉(zhuǎn)，擰卸螺紋時(shí)非常困難；而牙嵌式連接近水平放置時(shí)齒牙和牙槽對正比較困難，且為保證螺栓承受軸向力的強(qiáng)度，會(huì)導(dǎo)致徑向結(jié)構(gòu)尺寸大，影響反渣，擰卸螺栓同樣困難，所以將螺旋鉆桿的連接部分設(shè)計(jì)為插接式比較可行

首先，我們研究確定了公接頭與母接頭連接的結(jié)構(gòu)為軸向六方對接，徑向螺栓固定形式。六方對接結(jié)構(gòu)可以增加鉆桿連接的緊密度，提高同軸度，同時(shí)連接方便快捷，較之絲扣連接的鉆桿，不僅連接速度快，連接緊密度也有所加強(qiáng)，更可實(shí)現(xiàn)鉆桿的正反轉(zhuǎn)，同時(shí)，在鉆桿公接頭的前端加有密封圈，確保了鉆桿連接的密閉性。

其次，公接頭與鉆桿桿體之間的連接采用絲扣導(dǎo)向連接形式，并在鉆桿齒口處設(shè)計(jì)予以扶正接頭的過渡區(qū)，從而保證了接頭與鉆桿的同軸度。

（2）母接頭的加工形式

為了配合公接頭，我們選定將母接頭與公接頭連接的一端采用內(nèi)六方結(jié)構(gòu)形式，母接頭與鉆桿本體的連接采用摩擦焊接技術(shù)，每頭的焊接時(shí)間較少，只需7～8s的時(shí)間，從加工時(shí)間到連接強(qiáng)度都有較好的效果。

圖2 鉆桿公接頭

圖3 鉆桿母接頭

2．2．3 接頭的強(qiáng)度計(jì)算

螺旋鉆桿的鉆孔深度一般為80m左右，以Φ50mm的螺旋鉆桿為例（螺旋葉片外徑Φ80mm），配合鉆機(jī)選用XU－100型鉆機(jī)，具體數(shù)據(jù)如表7。

表7 XU—100型鉆機(jī)技術(shù)規(guī)格

接頭連接處的最大切應(yīng)力計(jì)算公式為：

式中：Mt——扭矩，N·m；

Wt——抗扭截面模數(shù)；

τp——材料許用切應(yīng)力，MPa。

對空心圓管：

式中：α——圓管內(nèi)外圓直徑之比。

當(dāng)取D＝50mm 時(shí)，α＝0．74，則Wt＝1．75×10－5。

當(dāng)鉆機(jī)扭矩 Mt＝1000N·m，τp＝70MPa，則τmax＝57．14MPa＜τp。

所以接頭處的剪切強(qiáng)度完全滿足使用要求。

接頭連接處的最大擠壓應(yīng)力計(jì)算公式為：

式中：F——軸向擠壓力，N；

A——接頭處的橫截面積，mm2；

［σ］——材料的許用拉應(yīng)力，MPa。

當(dāng)取D＝50mm，F(xiàn)＝7840N，材料許用拉應(yīng)力［σ］＝390MPa。

可見接頭處的抗拉強(qiáng)度也完全滿足使用要求。

3 雙螺旋葉片的纏繞焊接

螺旋鉆桿在鉆進(jìn)過程中，除傳遞扭矩外，還要刮切、排出鉆孔內(nèi)的巖煤粉，使鉆進(jìn)得以正常進(jìn)行。因此，對螺旋鉆桿的要求是：要有足夠的抗扭強(qiáng)度，易于排粉，耐磨，連接可靠方便，且連接部分不妨礙巖煤粉的排出；在采用濕排粉或風(fēng)排粉鉆進(jìn)工藝方法時(shí)，可達(dá)到輔助排粉、冷卻鉆頭和防火滅塵的效果，所以還要求鉆桿體中心能夠通水通氣，接頭處連接密封可靠，在7MPa水氣壓力條件下不滲漏。

考慮到煤層變化的復(fù)雜性，鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào)、范圍寬，螺距導(dǎo)程定為160mm，而雙螺旋的螺距即為80mm。鉆桿長度考慮鉆桿質(zhì)量大小、心管長度與螺距的匹配、過渡母接頭長度、螺栓定位孔位置等因素確定，鉆桿總長取1600mm。

螺旋葉片選用低錳鋼16Mn制作，截面形狀為梯形，纏繞前需對鋼帶進(jìn)行對火熱處理，以使材料軟化，改善塑性和韌性，使化學(xué)成分均勻化，去除殘余應(yīng)力，防止纏繞時(shí)帶鋼形變過大而斷裂。

纏螺旋用的設(shè)備為現(xiàn)有設(shè)備自主改裝而成。我們將一加工好的公接頭作為模具固定在卡盤上，并在模具的一邊做一夾緊裝置，用以固定纏螺旋用帶鋼的端部，纏繞時(shí)鉆桿母接頭與模具通過六方配合固定，隨卡盤轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆桿公接頭由車床尾座頂尖頂緊。螺旋葉片用帶鋼通過滑輪支架被鉆桿桿體勻速卷出，帶鋼下表面緊貼鉆桿外表面，支架固定在遛板箱上，隨主軸絲杠勻速滑動(dòng)。隨著鉆桿的轉(zhuǎn)動(dòng)和支架的滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了帶鋼的螺旋狀纏繞。

4 生產(chǎn)試驗(yàn)及效果

2010年9月本產(chǎn)品在兗礦集團(tuán)南屯礦進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，與XU－100型鉆機(jī)配套使用，試驗(yàn)采用一次成孔的鉆進(jìn)工藝，先后鉆進(jìn)Φ94mm的鉆孔2個(gè)，累計(jì)進(jìn)尺159m，其中最深孔位86m，較單螺旋鉆桿鉆進(jìn)時(shí)間減少近1／2，使用效果良好。

5 經(jīng)濟(jì)性分析及應(yīng)用結(jié)論

插接式雙螺旋鉆桿在其使用性和經(jīng)濟(jì)性上較之普通鉆桿都有了很大的提高，不僅能夠滿足螺旋鉆進(jìn)的要求，傳遞較大的扭矩，并且能夠解決抱鉆時(shí)可以反轉(zhuǎn)退出鉆桿的問題，不會(huì)出現(xiàn)抱鉆而掉鉆桿的情況。較之普通鉆桿鉆進(jìn)速度快，鉆進(jìn)強(qiáng)度大，插接式連接簡單便捷，節(jié)省時(shí)間，減少勞動(dòng)強(qiáng)度。