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大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
錨桿鉆機(jī)
文件類型和號(hào)碼:
美國(guó)專利權(quán) 4201270
摘要:
操作者控制錨桿鉆機(jī)通過一個(gè)揉性軸帶動(dòng)鉆頭和一個(gè)為實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)的錨桿鉆機(jī)桅桿的相互移動(dòng)插入一根錨桿在無支護(hù)的礦井頂部，這時(shí)操作者站在被支護(hù)的巷道下面的車體旁邊。因?yàn)槿嘈暂S轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)在一個(gè)靜止位置和一個(gè)工作位置之間的運(yùn)動(dòng)，錨桿鉆機(jī)的桅桿被固定在巷道頂部，錨桿鉆機(jī)鉆頭安裝在可作線性移動(dòng)的滑道上并且在收縮位置和擴(kuò)展位置之間轉(zhuǎn)動(dòng)，用以通過錨桿鉆機(jī)在巷道頂部鉆孔，并且通過螺栓將錨桿緊固在所鉆的孔處。
發(fā)明家:
瑞比斯,威廉一. (勒克星敦、文學(xué)碩士, 美國(guó))
哈戈,漢斯一. (費(fèi)斯頓標(biāo)準(zhǔn)電池、文學(xué)碩士, 美國(guó))
布魯斯,艾佛烈 H. (貝爾蒙、文學(xué)碩士, 美國(guó))
申請(qǐng)編號(hào): 906237
文件日期: 05/15/1978
出版日期: 05/06/1980
主要種類: 173/193
其他種類: 81/57.25, 81/57.41, 173/46, 173/52, 405/259.1, 405/303
發(fā)明的背景：
1、發(fā)明的領(lǐng)域
現(xiàn)在的發(fā)明領(lǐng)域涉及到地下的礦井巷道頂部的支護(hù)，并且更特別是，這種趨勢(shì)正向著依靠機(jī)械裝置在礦井頂部鉆孔并將錨桿插入孔中的方向發(fā)展。
2、之前的技術(shù)描述
在地下礦井中，巷道頂部支護(hù)是通過插入戶頂土層鉆孔中的錨桿來實(shí)現(xiàn)的。機(jī)械裝置能夠鉆孔的足夠深度，要比機(jī)械裝置所在的礦井出口處的高度大，這時(shí)有美國(guó)的一項(xiàng)專利所描述的，專利號(hào). 4,057,115。在美國(guó)專利號(hào)為4，003，233的專利中描述到機(jī)械裝置能夠?qū)㈠^桿插入鉆孔中。
雖然進(jìn)步已經(jīng)在錨桿鉆機(jī)裝置中表現(xiàn), 但是仍然有一些理由被認(rèn)為錨桿支護(hù)采礦職業(yè)中最危險(xiǎn)的。插入戶頂錨桿的操作者站在沒有護(hù)頂支護(hù)的區(qū)有附近。它是操作者在這鉆孔而且插入錨桿不支護(hù)的區(qū)域.。結(jié)果, 操作者有遭受被不支護(hù)的護(hù)頂砸在身上甚至送命的危險(xiǎn).。我本人就受過傷，是由飛來的鉆鋼和用于緊固錨桿的工具所造成的，工人也遭受過危險(xiǎn)而且滑進(jìn)了采礦裝置的旋轉(zhuǎn)部分。
發(fā)展很有前景且具有安裝功能的錨桿鉆機(jī)的嘗試已經(jīng)在簡(jiǎn)單的情形下取得了有限制的成功，這是當(dāng)錨桿的長(zhǎng)度短于礦井出口的高度的時(shí)候。這些嘗試已經(jīng)導(dǎo)致那些昂貴并且復(fù)雜的系統(tǒng)可靠性低，這些系統(tǒng)的可靠性低大多是由于移動(dòng)部分和聯(lián)系的再次調(diào)整。需要有為改進(jìn)錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)不受前面所提到的不利因素的影響的興起。
設(shè)計(jì)要求：
1、操作者控制錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)在礦井的護(hù)頂土層處進(jìn)行鉆孔并且將錨桿插入所鉆的孔，這時(shí)操作者站在安全區(qū)域，上述系統(tǒng)包含；
（1）具有遠(yuǎn)距離操作位置的結(jié)構(gòu)；
（2）錨桿鉆機(jī)要實(shí)現(xiàn)在護(hù)頂土層鉆孔，上述鉆機(jī)意味著要有固定的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)靜止位置和工作位置之間關(guān)于軸向的樞軸運(yùn)動(dòng)；
（3）首先要實(shí)現(xiàn)錨桿鉆頭和上述結(jié)構(gòu)的有效的連接來實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)靜止位置和工作位置之間沿軸線方向的樞軸運(yùn)動(dòng)；
（4）錨桿鉆機(jī)插錨作業(yè)就是要實(shí)現(xiàn)在護(hù)頂土層中通過錨桿鉆機(jī)所鉆的孔中插入錨桿，上述錨桿的插入過程是通過該結(jié)構(gòu)在收縮位置和擴(kuò)展 位置之間的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，錨桿插入過程也包括上述機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)和沿軸線方向的樞軸運(yùn)動(dòng)；
（5）其次要實(shí)現(xiàn)收縮位置和擴(kuò)展位置之間的錨桿鉆機(jī)的隔板和錨桿插入機(jī)構(gòu)運(yùn)送的有效連接，當(dāng)在縮回位置時(shí)錨桿鉆機(jī)的隔板離操作者的工作位置最近，這就是當(dāng)時(shí)操作者為何能夠?qū)㈠^桿插入其所要插入的孔中。
2、錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)在上述的要求1的基礎(chǔ)上還要有柔性軸驅(qū)動(dòng)鉆頭的鉆進(jìn)。
3、錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)在上述的要求1的基礎(chǔ)上也要有長(zhǎng)接合高度鉆桿的鉆進(jìn)。
4、錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)在上述要求1的基礎(chǔ)上要求錨桿鉆機(jī)隔板計(jì)劃包括一個(gè)能夠達(dá)到上述滑動(dòng)要求的動(dòng)力頭，上述滑動(dòng)要求達(dá)到樞軸性的設(shè)計(jì)，再次要求運(yùn)轉(zhuǎn)的連接到滑槽和該設(shè)計(jì)，這因?yàn)闃休S性的運(yùn)動(dòng)是沿滑槽作軸線運(yùn)動(dòng)。
5、錨桿鉆機(jī)在系統(tǒng)１中要求，包括一個(gè)隔板為了推進(jìn)錨桿插入鉆孔中并且滑板按指定的軌跡移動(dòng)并與頂板錨桿接合，上述隔板要求連接到上述結(jié)構(gòu)和滑板上。
6、操作者控制錨桿鉆機(jī)是現(xiàn)在礦井頂部土層鉆孔并且將錨桿插入到鉆孔中，這時(shí)操作者處于一個(gè)安全區(qū)域或是一支護(hù)區(qū)域，上述系統(tǒng)包括：
（1）一個(gè)結(jié)構(gòu)框架；
（2）鉆機(jī)鉆頭在礦井頂部土層的指定位置鉆孔，上述鉆機(jī)鉆頭計(jì)劃對(duì)具有一定深度鉆孔進(jìn)行組態(tài)，該深度大于礦井出口的高度，上述鉆機(jī)鉆頭應(yīng)達(dá)到隔板在靜止位置和工作位置之間的關(guān)于軸線方向的樞軸運(yùn)動(dòng)；
（3）首先執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照要求有效的連接到錨桿鉆機(jī)鉆頭和鉆機(jī)鉆頭計(jì)劃關(guān)于軸線方向的樞軸運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)上；
（4）錨桿鉆機(jī)隔板按指定的要求將一根錨桿插入在礦井頂部土層由錨桿鉆機(jī)鉆頭工具所鉆的孔中，上述錨桿鉆機(jī)隔板工具包括滑道工具和一個(gè)動(dòng)力頭，上述滑道工具要達(dá)到按照關(guān)于軸線方向的樞軸性運(yùn)動(dòng)的機(jī)架上，該滑道的線性運(yùn)動(dòng)是在收縮位置和擴(kuò)展位置之間進(jìn)行的，上述動(dòng)力頭是經(jīng)過滑道工具和在收縮位置和擴(kuò)展位置之間的線性運(yùn)動(dòng)被運(yùn)送的，該動(dòng)力頭對(duì)一組具有一定長(zhǎng)度的錨桿進(jìn)行組態(tài)，該長(zhǎng)度是不再比進(jìn)入并在其內(nèi)由上述錨桿鉆機(jī)鉆頭鉆孔的礦井出口的高度長(zhǎng)的長(zhǎng)度，上述的鉆頭工具和錨桿鉆機(jī)隔板工具是關(guān)于軸線方向獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的；
（5）其次鉆機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有效的連接到具有指定的線性運(yùn)動(dòng)的滑道上，該滑道是在上述的收縮位置和擴(kuò)展位置之間；
（6）第三執(zhí)行機(jī)構(gòu)有效的連接到上述滑道工具和上述動(dòng)力頭關(guān)于軸線方向的樞軸運(yùn)動(dòng)的機(jī)架上；
（7）當(dāng)在收縮位置是上述錨桿鉆機(jī)隔板距離上述操作位置最近，憑此操作者站在上述的操作位置就可以控制錨桿鉆機(jī)隔板將錨桿裝入。
7、錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)在要求６的基礎(chǔ)上要求上述鉆機(jī)鉆頭包括一個(gè)鉆頭和一個(gè)主臂，該鉆頭通過主臂運(yùn)送，第四執(zhí)行機(jī)構(gòu)要有效的連接到上述鉆頭和用以實(shí)現(xiàn)其移動(dòng)的主臂上，該移動(dòng)是鉆頭相對(duì)于主臂的，實(shí)質(zhì)上鉆頭被驅(qū)動(dòng)在主臂上作垂直移動(dòng)，上述主臂關(guān)鍵要在軸線方向上運(yùn)動(dòng)并且達(dá)到上述機(jī)架位置。
8、錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)在要求７的基礎(chǔ)上包括連接到上述動(dòng)力頭的扭矩裝置，該扭矩裝置對(duì)接合插入的錨桿和緊固該錨桿所需的預(yù)定扭矩進(jìn)行組態(tài)。
9、操作者控制錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)在礦井頂部土層進(jìn)行鉆孔和在所鉆的孔中插入錨桿，這時(shí)操作者處于安全區(qū)域，該系統(tǒng)包括：
（1）一個(gè)帶有遠(yuǎn)離的操作站的機(jī)架；
（2）錨桿鉆機(jī)鉆頭在頂部土層鉆孔，上述錨桿鉆機(jī)鉆頭要有效的連接到機(jī)架上，該機(jī)架實(shí)現(xiàn)在靜止位置和工作位置之間關(guān)于軸線方向的樞軸運(yùn)動(dòng)；
（3）首先工具有效的連接到上述鉆機(jī)鉆頭和實(shí)現(xiàn)樞軸運(yùn)動(dòng)的機(jī)架上，該運(yùn)動(dòng)是鉆頭在靜止位置和工作位置之間的關(guān)于最初軸方向的移動(dòng)；
（4）錨桿鉆機(jī)隔板指定的將錨桿插入在頂部土層有鉆機(jī)鉆頭所鉆的孔中，該錨桿鉆機(jī)隔板移動(dòng)到實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)的機(jī)架上，在這收縮位置和擴(kuò)展位置之間運(yùn)動(dòng)被取消；上述錨桿鉆機(jī)隔板包括一個(gè)動(dòng)力頭和滑道，滑道樞軸的達(dá)到機(jī)架上；
（5）其次工作機(jī)構(gòu)有效的連接到錨桿鉆機(jī)隔板和為了實(shí)現(xiàn)隔板在收縮位置和擴(kuò)展位置之間滑動(dòng)的機(jī)架上；
（6）第三工作機(jī)構(gòu)有效的連接到滑道和機(jī)架上，該機(jī)架能夠?qū)崿F(xiàn)滑道關(guān)于最初軸的樞軸運(yùn)動(dòng)；
（7）當(dāng)在收縮位置時(shí)上述錨桿鉆機(jī)隔板距離操作者的位置最近，憑此操作者可以在當(dāng)其處在上述操作位置是在隔板上插入錨桿。
10、操作者控制錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)在礦井頂部土層進(jìn)行鉆孔和在所鉆的孔中插入錨桿，這時(shí)操作者處于安全區(qū)域，該系統(tǒng)包括：
（1）一個(gè)帶有遠(yuǎn)離的操作站的機(jī)架；
一個(gè)為了實(shí)現(xiàn)在頂部土層鉆孔的揉性軸鉆機(jī)鉆頭，該鉆頭連接到機(jī)架上為了實(shí)現(xiàn)在靜止位置和工作位置之間的運(yùn)動(dòng)；
首先工作機(jī)構(gòu)有效的連接到鉆頭和機(jī)架上，為了實(shí)現(xiàn)鉆頭在上述靜止位置和工作位置之間的移動(dòng)；
（2）錨桿鉆機(jī)隔板指定的將錨桿插入早頂部土層有鉆頭所鉆的孔，上述隔板連接到機(jī)架上為了實(shí)現(xiàn)其在收縮位置和擴(kuò)展位置之間的運(yùn)動(dòng)；
（3）其次工作機(jī)構(gòu)有效的連接到上述錨桿鉆機(jī)隔板和機(jī)架上為了實(shí)現(xiàn)隔板在上述收縮位置和擴(kuò)展位置之間的移動(dòng)，當(dāng)在收縮位置時(shí)上述錨桿鉆機(jī)隔板距離操作者的位置最近，憑此操作者可以在當(dāng)其處在上述操作位置是在隔板上插入錨桿；
（4）第三工作機(jī)構(gòu)連接到機(jī)架上；
（5）一個(gè)滑板連接到上述的第三工作機(jī)構(gòu)上，該滑板對(duì)推進(jìn)錨桿插入所鉆的孔進(jìn)行組態(tài)，該工作機(jī)構(gòu)移動(dòng)滑板進(jìn)入鉆孔并同錨桿接合。
發(fā)明的摘要：
本發(fā)明是預(yù)防錨桿鉆機(jī)不受前面所提到的不利因素和限制的目標(biāo)。發(fā)明的進(jìn)一步目標(biāo)是將提供一套簡(jiǎn)單而且可靠鉆進(jìn)和插入錨桿的系統(tǒng)，特別是錨桿的長(zhǎng)度長(zhǎng)于礦井出口的高度的情況。
發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是提供一套簡(jiǎn)單而且可靠的錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使操作者可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的鉆進(jìn)和插入錨桿，在這個(gè)過程中隔板移動(dòng)到操作者的后方緊固錨桿，這要比錨桿在操作者的前方插入安全。這樣的一套系統(tǒng)包括一個(gè)移動(dòng)隔板，該粗糙的機(jī)械裝置要比以前錨桿插入系統(tǒng)簡(jiǎn)單而且更可靠。
然而發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是為操作者提供可以通過柔性軸鉆頭控制錨桿鉆機(jī)或是控制另一個(gè)比縫合線高度鉆孔機(jī)和一個(gè)錨桿隔板長(zhǎng)，為鉆進(jìn)和插入錨桿進(jìn)入礦井的不支護(hù)的護(hù)頂土層，這時(shí)操作者遠(yuǎn)離而且置于有支護(hù)的護(hù)頂下面。揉性軸鉆頭安放在錨桿鉆機(jī)的框架上而且被限制在一個(gè)休息位置和一個(gè)工作位置之間轉(zhuǎn)動(dòng)，錨桿鉆機(jī)隔板配置成彎曲而且進(jìn)給錨桿有一個(gè)能夠順利通過礦井出口高度的長(zhǎng)度。錨桿鉆機(jī)隔板的頭部固定在可作線性移動(dòng)的滑道上，用以限制一個(gè)被撤回的位置和一個(gè)擴(kuò)大的位置之間的回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)為了要用被有柔性鉆頭在礦井的護(hù)頂土層鉆孔并且在每個(gè)孔中插入錨桿。在被撤回的位置中，隔板不需要操作者直接參與適當(dāng)?shù)貙㈠^桿移開從一被支護(hù)的位置，它來自一個(gè)操作員的錨桿鉆機(jī)或安全的區(qū)域.。當(dāng)鉆機(jī)鉆頭在它的工作位置時(shí)錨桿孔被鉆進(jìn)。在完成鉆進(jìn)步驟的基礎(chǔ)上，鉆機(jī)鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)到它的休息位置，而且鉆機(jī)隔板被搬到它的廣大位置。 一個(gè)控制器為排列錨桿和鉆孔而提供。 一個(gè)液壓動(dòng)力盤推動(dòng)錨桿插入更深的錨桿孔中。錨桿鉆機(jī)隔板預(yù)定的轉(zhuǎn)矩和鉆機(jī)夾緊力來實(shí)現(xiàn)錨桿支護(hù)。
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大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
第1章 緒論
1.1 選題的背景、意義及目的
鉆孔機(jī)械是地下水開采及基本建設(shè)基礎(chǔ)施工必不可少的設(shè)備，鉆機(jī)產(chǎn)品也隨之進(jìn)入快速發(fā)展的階段。近年來，國(guó)內(nèi)的許多廠家相繼生產(chǎn)出各種形式的反循環(huán)鉆機(jī)，應(yīng)用于全國(guó)各地的橋梁、建筑、水利等工程施工過程中。但從現(xiàn)有的國(guó)產(chǎn)沖擊反循環(huán)鉆機(jī)的使用情況來看，仍存在一些問題需要認(rèn)真討論與分析，并在技術(shù)上作出相應(yīng)的改進(jìn)和提高，才能更有利于我國(guó)鉆機(jī)制造業(yè)的發(fā)展，并進(jìn)一步提高我國(guó)同類鉆機(jī)的設(shè)計(jì)和制造水平。其中錨桿鉆機(jī)是實(shí)現(xiàn)錨桿支護(hù)技術(shù) 圖1－１ 錨桿鉆機(jī)
的重要機(jī)械設(shè)備，隨著錨桿支護(hù)技術(shù)的飛速發(fā)展，用于鉆鑿錨桿孔的錨桿鉆機(jī)也得到了快速發(fā)展。展望它的發(fā)展，有助于不斷促進(jìn)錨桿鉆機(jī)設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步，其更加適應(yīng)現(xiàn)代支護(hù)技術(shù)的需要。
以往鉆機(jī)的設(shè)計(jì)研制過程,比較注重鉆機(jī)本身的輸出特性，一味通過追求盡可能大的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩來提高鉆機(jī)的破巖鉆進(jìn)能力。但對(duì)于單體錨桿鉆機(jī)來說,要求體積小、重量輕、因而不能無限止地提高轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和推力。只有最大限
度地提高鉆機(jī)輸出功。
圖1－2 主臂伸縮式錨桿鉆機(jī)
課題來源：于北京建筑機(jī)械化研究院合作的國(guó)家十一五重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目
率的利用率，即提高破巖鉆削效率，才能在有限的輸出功率下取得較高的鉆進(jìn)速度?，F(xiàn)在氣動(dòng)、液壓?jiǎn)误w回轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)是一個(gè)時(shí)期的主流，綜觀國(guó)外錨桿鉆機(jī)發(fā)展歷程以及國(guó)內(nèi)多方面實(shí)踐,針對(duì)煤礦經(jīng)濟(jì)狀況與煤巖、半煤巖巷道的具體特點(diǎn)，在具有壓縮空氣源的條件下，氣動(dòng)回轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)仍為首選產(chǎn)品，是產(chǎn)品生產(chǎn)與開發(fā)的主流。但如何解決壓縮空氣工作壓力不足，合理選擇壓縮空氣管網(wǎng)系統(tǒng)，正確確定空壓機(jī)及其動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù),開發(fā)新型的提高壓縮空氣壓力的機(jī)械設(shè)備，將成為進(jìn)一步發(fā)揮該類鉆機(jī)作用的關(guān)鍵。
液壓回轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)因其工作壓力高、扭矩大、動(dòng)力系統(tǒng)可不受外界影響，在一些場(chǎng)合下是合理的機(jī)型。一個(gè)時(shí)期內(nèi),液壓錨桿鉆機(jī)主要用于與掘進(jìn)機(jī)配套,共用該液壓泵站。經(jīng)過一定時(shí)期以后，用戶會(huì)根據(jù)錨桿支護(hù)的需要與具體條件，進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，在適宜的場(chǎng)所確定采用液壓回轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)。由于液壓錨桿鉆機(jī)使用量的增加，礦物油介質(zhì)的安全性問題會(huì)日益突出，開發(fā)難燃液錨桿鉆機(jī)的問題將適時(shí)提到日程上來。今后回轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)的發(fā)展前途，將是如何擴(kuò)大鉆進(jìn)巖石的范圍、提高產(chǎn)品可靠性與減輕機(jī)重。
電動(dòng)錨桿鉆機(jī)的動(dòng)力單一，是人們理想的首選機(jī)型。但因目前技術(shù)水平所限,其支腿配套方式、扭矩-轉(zhuǎn)速硬特性和電機(jī)防水耐潮性能差等，都不利于其更快地向前發(fā)展。在一定時(shí)期內(nèi)，電動(dòng)錨桿鉆機(jī)產(chǎn)品仍會(huì)以“技術(shù)攻關(guān)為”基本特征。
高新技術(shù)的發(fā)展，有利于錨桿孔鉆進(jìn)技術(shù)的變革幾十年來，錨桿孔鉆進(jìn)設(shè)備已有了一定的提高，隨著知識(shí)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，錨桿鉆機(jī)及其配套鉆具會(huì)逐漸變革，預(yù)計(jì)在以下方面會(huì)引起產(chǎn)品的重大變化：
1、結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化以及高科技新材料的應(yīng)用，使單體錨桿鉆機(jī)性能提高、重量減輕。采用了高新技術(shù)的巖石鉆頭將使回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)方式擴(kuò)大應(yīng)用范圍。
2、微電子技術(shù)在不同動(dòng)力、不同類型錨桿鉆機(jī)上的應(yīng)用，可能會(huì)使錨桿鉆機(jī)發(fā)生某些根本性的變革，例如改變鉆機(jī)特性、改善操作性能、提高可靠性等。國(guó)外已探討計(jì)算機(jī)控制的錨桿孔鉆進(jìn)與錨桿安裝的綜合性自動(dòng)化設(shè)備。鑿巖機(jī)器人的成功應(yīng)用必將有力地促進(jìn)錨桿孔鉆進(jìn)設(shè)備的進(jìn)步。
3、錨桿孔鉆進(jìn)設(shè)備的發(fā)展，以錨桿支護(hù)技術(shù)與鑿巖技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)，錨桿支護(hù)新類型、新材料的出現(xiàn)會(huì)對(duì)錨桿鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、技術(shù)性能與功能提出新的要求。
我國(guó)煤礦用錨桿鉆孔設(shè)備存在的主要技術(shù)
圖1－3 新型錨桿鉆機(jī) 問題，雖然開發(fā)的品種多，但性能適宜且可靠性好的產(chǎn)品不多。 截止目前,我國(guó)已開發(fā)了40多種型號(hào)和不同類型的錨桿鉆機(jī)，但適于井下使用且可靠性較好的只有3~4種產(chǎn)品。目前錨桿鉆機(jī)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r有以下基本特點(diǎn)：1 單體氣動(dòng)回轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)是錨桿鉆機(jī)產(chǎn)品的主流，在齒輪式、柱塞式和葉片式3種類型氣動(dòng)馬達(dá)中，葉片馬達(dá)式已基本淘汰，齒輪式馬達(dá)與柱塞式馬達(dá)在扭矩-轉(zhuǎn)速特性、不同氣壓下的性能、噪聲特性、機(jī)重、對(duì)潤(rùn)滑的要求與抗污染等方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，在不同使用條件下都有各自的市場(chǎng)。總的來說國(guó)產(chǎn)氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)的水平逐步提高，齒輪氣動(dòng)馬達(dá)式已基本能代替進(jìn)口產(chǎn)品，但玻璃鋼支腿等部分的可靠性應(yīng)進(jìn)一步提高；柱塞馬達(dá)式錨桿鉆機(jī)尚處于小批量生產(chǎn)階段,尚需進(jìn)一步考核。
2 電動(dòng)錨桿鉆機(jī)的輸出特性較差，鉆孔速度低，電機(jī)可靠性及防水性存在嚴(yán)重問題，尚無良好的推進(jìn)方式。近期尚難大量用于井下錨桿支護(hù)。
3 液壓錨桿鉆機(jī)輸出的扭矩高于氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)，與掘進(jìn)機(jī)配套是較優(yōu)越的工作方式。但輸出扭矩仍然偏低,液壓系統(tǒng)容易發(fā)熱。由于以礦物油為工作介質(zhì)，在煤礦井下使用中存在安全隱患。
隨著錨噴支護(hù)技術(shù)的推廣和應(yīng)用，作為錨噴施工工具的錨桿鉆機(jī)的優(yōu)劣直接影響著錨桿孔施工和生產(chǎn)效率，錨桿鉆機(jī)按動(dòng)力源分電動(dòng)錨桿鉆機(jī)、氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)和液壓錨桿鉆機(jī)。通過上述分析與研究，由于液壓錨桿鉆機(jī)具有扭矩大、鉆削破巖性好等特點(diǎn)，從而得到推廣應(yīng)用，本課題所涉及的錨桿鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)是液壓錨桿鉆機(jī)的重要組成部分，它意在研究液壓錨桿鉆機(jī)的液壓原理與輔助部分，總體方案包括主機(jī)和泵站的液壓部分及接頭與管路等。主機(jī)的液壓部分主要由液壓馬達(dá)、操縱臂液缸、支腿液缸等組成，液壓泵站主要由液壓泵、溢流閥、油箱和濾油器等組成。液壓馬達(dá)和支腿作為鉆機(jī)的執(zhí)行元件，一個(gè)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),輸出扭矩；一個(gè)作直線運(yùn)動(dòng)，作為鉆機(jī)工作時(shí)的支撐。通過對(duì)錨桿鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)而更好的推進(jìn)液壓錨桿鉆機(jī)的推廣應(yīng)用。
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析
地下鑿巖和露天竄孔是礦山和巖石工程中的第一道生產(chǎn)工序。它直接影響勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高和生產(chǎn)成本的降低，因此對(duì)其設(shè)備水平的 提高，各方面都給予了高度重視。特別是近幾年來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，國(guó)外鑿巖（穿孔）設(shè)備已明顯呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)：一是設(shè)備向大型化發(fā)展；二是地下鑿巖的液壓化已成定局；三是自動(dòng)化和智能化成度越來越高；四是維修性和可靠性日益提高；五是大型牙輪鉆機(jī)上已廣泛采用靜態(tài)交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻調(diào)速。
1.2.1 國(guó)外錨桿鉆機(jī)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r
目前國(guó)外應(yīng)用較為普遍的單體錨桿鉆機(jī)主要有風(fēng)動(dòng)和液壓錨桿鉆機(jī)兩種。風(fēng)動(dòng)錨桿鉆機(jī)有澳大利亞的克萊姆公司W(wǎng)OMBAT型，阿明克公司GO2PHER型和瑞典PRB-300型等;液壓錨桿鉆機(jī)有英國(guó)WISP型，澳大利亞PROBAM型等?！ ?
特別是澳利亞在風(fēng)動(dòng)錨桿鉆機(jī)方面一直保持著較為領(lǐng)先的技術(shù)和產(chǎn)品，主要有柱塞馬達(dá)與齒輪馬達(dá)2種，采用玻璃鋼碳素纖維支腿，產(chǎn)品特點(diǎn)是重量輕，扭矩大，噪音低，耗氣量小，機(jī)身矮等。
新型錨機(jī)組的出現(xiàn)雖然只有10多年，這種一體化的錨桿支護(hù)技術(shù)在國(guó)外越來越受 圖1－4 多臂式錨桿鉆機(jī)
到重視，發(fā)展也很快，常采用性能優(yōu)良，技術(shù)先進(jìn)，操作維修方便，并且可以進(jìn)行多孔鉆進(jìn)。應(yīng)用范圍廣的錨桿鉆機(jī)與采掘設(shè)備配套的錨機(jī)組。如喬伊公司生產(chǎn)的14CM10型采掘錨機(jī)組，2ED18型采錨機(jī)組，鮑拉特公司的E230型掘錨機(jī)組，郎艾道公司的RB1-50L型錨桿鉆車等班工作效率已達(dá)120~240根。
1.2.2 國(guó)內(nèi)錨桿鉆機(jī)的研制狀況
我國(guó)煤礦專用錨桿鉆機(jī)的研究始于20世紀(jì)70年代末,先后研制過機(jī)械支腿式錨桿鉆機(jī)，鉆車式錨桿鉆機(jī)，支腿與導(dǎo)軌式液壓錨桿鉆機(jī)，支腿式氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)，非機(jī)械傳動(dòng)電動(dòng)錨桿鉆機(jī)，機(jī)載式錨桿鉆機(jī)等錨桿鉆機(jī)按結(jié)構(gòu)不同有鉆車式、機(jī)載式、單體式;按破巖原理不同有回轉(zhuǎn)式、沖擊式、沖擊回轉(zhuǎn)式、回轉(zhuǎn)沖擊式；按產(chǎn)品破巖機(jī)構(gòu)動(dòng)力不同有氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)三大系列30多個(gè)品種。
1.2.2.1 氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)
氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)是以壓縮氣體為動(dòng)力，按破巖方式不同可分為旋轉(zhuǎn)沖擊式和旋轉(zhuǎn)式。氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)沖擊式又稱手持式氣腿鑿巖機(jī)，該類鉆機(jī)采用氣動(dòng)沖擊鑿巖，鉆孔速度快,特別適合在中硬巖石中鉆孔、動(dòng)力單一、重量輕、搬運(yùn)方便、操作簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)是噪音大，工作環(huán)境較為艱苦，影響人的身心健康，在風(fēng)壓低時(shí)會(huì)影響鉆孔效率。 圖1－5 氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)
氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)是20世紀(jì)80年代我國(guó)在引國(guó)外同類鉆機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)研制成功的。主要由風(fēng)馬達(dá)，氣腿和操縱臂組成。現(xiàn)有的機(jī)型有MFC系列，QMZ系列，M10C系列等。由于采用工程塑料等新型材料制成多級(jí)伸縮式氣腿，重量更輕，操作移動(dòng)方便，不僅能鉆孔，換上附件還能安裝樹脂和水泥砂漿錨桿。不足之處是需要有一力的氣源，壓力較小時(shí)鉆孔效率會(huì)降低。
氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)特性分析
氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)的切割機(jī)構(gòu)由氣動(dòng)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)，
氣動(dòng)馬達(dá)的機(jī)械輸出具有明顯的軟特性 (圖1－6)。推進(jìn)機(jī)構(gòu)由氣缸完成，由于氣體的可壓縮性，其推力和推進(jìn)速度也具有彈性輸出的特點(diǎn)。它與氣動(dòng)馬達(dá)的軟特性一起，共同組成了回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和推進(jìn)機(jī)構(gòu)的彈性配合這與巖石鉆孔特性極其相似，合理的選擇兩個(gè)機(jī)構(gòu)
的輸出參數(shù)，使其隨著巖石鉆進(jìn)阻力的 圖1－6 氣動(dòng)馬達(dá)輸出特性
變化,鉆機(jī)的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速和推進(jìn)力!推進(jìn)速度同時(shí)彈性配合地變化，即能自動(dòng)保證較好的鉆進(jìn)效果。
氣動(dòng)馬達(dá)空轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速最高,隨鉆進(jìn)阻力增大、轉(zhuǎn)速下降、氣壓增加、轉(zhuǎn)矩增大。一般情況,在額定轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)速下工作,當(dāng)巖石鉆進(jìn)阻力超過額定值時(shí)，氣動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速變慢，推進(jìn)氣缸速度亦變慢，氣體被壓縮積蓄能量直至足于克服鉆進(jìn)阻力時(shí)，鉆機(jī)繼續(xù)正常工作。因此風(fēng)動(dòng)錨桿鉆機(jī)又具有一定的過載能力，這比液壓鉆機(jī)和電動(dòng)鉆機(jī)具有更大的性能優(yōu)勢(shì)。
1.2.2.2電動(dòng)錨桿鉆機(jī)
電動(dòng)錨桿鉆機(jī)是由專用防爆電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)切削的。其結(jié)構(gòu)形式目前多為便攜式。這類鉆機(jī)采用電動(dòng)機(jī)與液壓油缸相結(jié)合的形式，電動(dòng)機(jī)安裝在液壓油缸頂端，通過齒輪減速，帶動(dòng)鉆孔主軸旋轉(zhuǎn)。
電動(dòng)錨桿鉆機(jī)的特點(diǎn)是動(dòng)力源單一，不需要二次能量轉(zhuǎn)換，因此能耗少，效率高，重量輕，鉆孔速度快，可直接進(jìn)入迎頭作業(yè)，特別適用于煤巷和回采巷道的支護(hù)。其主要缺點(diǎn)是功率增大會(huì)受到電機(jī)重量的限制。
電動(dòng)錨桿鉆機(jī)的性能分析 圖1－7 異步電動(dòng)機(jī)輸出特性
電動(dòng)錨桿鉆機(jī)的切割機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)通過減速器驅(qū)動(dòng)鉆具回轉(zhuǎn)。為使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重
量輕，價(jià)格低，錨桿鉆機(jī)一般采用鼠籠式異步電動(dòng)機(jī),因而其機(jī)械輸出特性表現(xiàn)出明顯的鼠籠電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)(圖1)。圖中最大轉(zhuǎn)矩Mmax與額定轉(zhuǎn)矩Mn之比K為電動(dòng)機(jī)的過載能力。對(duì)錨桿鉆機(jī)來說，有兩點(diǎn)是重要的:異步電動(dòng)機(jī)的硬特性,即
轉(zhuǎn)速n隨轉(zhuǎn)矩M的增大下降不多(圖1－7中AB段)，由于鼠籠式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子自我閉合電路不能外接附加電阻改變機(jī)械特性，轉(zhuǎn)子繞組的內(nèi)電阻為一常量,這樣,與巖石鉆孔的相應(yīng)特性差別較大。異步電動(dòng)機(jī)的過載能力，一般K=116~215，對(duì)于2~3kW隔爆型錨桿鉆機(jī)用電動(dòng)機(jī)，K在118左右。
電動(dòng)錨桿鉆機(jī)的鉆進(jìn)推力由井下靜壓水產(chǎn)生的壓力提供。鉆進(jìn)時(shí)，在額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)(圖2中AD段),轉(zhuǎn)速變化不大，輸出功率基本穩(wěn)定，有較好的鉆進(jìn)效果。但若超過D點(diǎn)后，鉆機(jī)只能依靠其過載能力短時(shí)在DB段工作，若時(shí)間過長(zhǎng)或巖石阻力超過對(duì)應(yīng)的Mmax時(shí)，鉆機(jī)即卡鉆停止，這種頻繁卡鉆的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，使回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生早期損壞。
1.2.2.3液壓錨桿鉆機(jī)
液壓錨桿鉆機(jī)是通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)切削破巖的。通常都附帶泵站，由泵站輸送的液壓油提供動(dòng)力，帶動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)?，F(xiàn)多采用低速轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，省去齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直接帶動(dòng)鉆機(jī)。
液壓錨桿鉆機(jī)可分為單體型和手持型2種形式。
單體鉆機(jī)主要是MZ系列，由主機(jī),操縱架和泵站三大部分組成。這種機(jī)型只能鉆頂部錨桿孔，但鉆孔平穩(wěn)，一次推進(jìn)行程長(zhǎng)。不足的是重量較重，一般均在70kg以上，移動(dòng)費(fèi)力。 圖1－8 液壓錨桿鉆機(jī)
手持式鉆機(jī)主要有QYM系列，ZYX系列。這類鉆機(jī)液壓馬達(dá)直接安裝在推進(jìn)油缸頂端，不需要減速裝置，液壓馬達(dá)直接帶動(dòng)鉆機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)。不僅可鉆頂部孔，還可鉆邊幫孔和迎頭炮孔。重量輕，操作簡(jiǎn)單方便，缺點(diǎn)是推進(jìn)引程短，一般需要換釬桿。
為改變液壓錨桿鉆機(jī)由于泵站重量大，移動(dòng)不方便缺陷，目前泵站，液壓錨桿鉆機(jī)常與采掘機(jī)械或裝巖機(jī)配套使用，結(jié)合在一起構(gòu)成采掘裝錨機(jī)組(機(jī)載錨桿鉆機(jī))。這是采掘機(jī)械化應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了采掘與支護(hù)平行作業(yè)。目前中科院南京所研制的機(jī)載錨桿鉆機(jī)可與中小型懸臂式掘進(jìn)機(jī)如EHJ32，EBJ- 160HN等)配套，構(gòu)成掘錨機(jī)組,掘出頂板即可及時(shí)支護(hù)，距迎頭最小支護(hù)間距為0.2m，適用于巖石硬度f<10的各種巷道。
液壓錨桿鉆機(jī)的性能分析。
由于液壓錨桿鉆機(jī)所用馬達(dá)為定量馬達(dá)，其輸出轉(zhuǎn)速由系統(tǒng)流量決定，轉(zhuǎn)矩由系統(tǒng)壓力決定。在實(shí)際鉆孔中，轉(zhuǎn)矩決定于外載荷，外載增加，系統(tǒng)壓力增加，增
加。當(dāng)外載荷超過一定限度，系統(tǒng)壓力超過額定值，溢流閥開啟溢流,鉆機(jī)停鉆，因而液壓馬達(dá)的輸出特性顯示出隨壓力不同近似平行的斜線(圖1－9)。顯然液壓馬達(dá)同樣具有硬特性。與巖石的鉆孔特性相比，在產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩足以破碎巖石，但速度不一定在最佳區(qū)段內(nèi)，因此需在操作中進(jìn) 圖1－9 液壓馬達(dá)輸出特
行調(diào)整。液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩隨壓力增加的特性使鉆機(jī)在使用過程中克服不同巖石的阻力作功這點(diǎn)有較大的適應(yīng)性。
液壓錨桿鉆機(jī)的推進(jìn)往往由同一泵站供液，推動(dòng)力大小由推進(jìn)液壓缸的缸徑和系統(tǒng)壓力決定，而推進(jìn)速度則由系統(tǒng)流量確定。理想的液壓系統(tǒng)把回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的壓力，流量和推進(jìn)機(jī)構(gòu)的壓力，流量4個(gè)參數(shù)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使鉆機(jī)在較合理的輸出參數(shù)下工作，避免頻繁的堵卡現(xiàn)象，但這種現(xiàn)象較為復(fù)雜。
1.3 課題所涉及的內(nèi)容
在氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)一統(tǒng)市場(chǎng)的情況下，扭矩的增大受到氣源壓力、馬達(dá)體積和重量的限制，而液壓錨桿鉆機(jī)由于有中、高壓液壓泵站的支持，扭矩的增大有更大的空間，再有優(yōu)良鉆桿的支持，硬煤層打孔的優(yōu)越性凸現(xiàn)出來，因而液壓錨桿鉆機(jī)的應(yīng)用將越來越廣。該課題在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的，所涉及的主要內(nèi)容有：錨桿鉆機(jī)的總體設(shè)計(jì)；錨桿鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)原理分析與設(shè)計(jì)；錨桿鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)的動(dòng)力特性分析；錨桿鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)的三維布管設(shè)計(jì)以及相關(guān)論文的撰寫。
1.4 本章小結(jié)
本章通過對(duì)錨桿鉆機(jī)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r的分析，了解了目前錨桿鉆機(jī)的主要分類：氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)、電動(dòng)錨桿鉆機(jī)和液壓錨桿鉆機(jī)三種，同時(shí)分析了三種錨桿鉆機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，通過上述分析選取液壓錨桿鉆機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)而確定了選題的目
的、義和本課題所涉及的主要內(nèi)容。
第2章 錨桿鉆機(jī)總體方案的確定
2.1 底盤
鉆機(jī)的底盤可分為固定式和車載式，由于錨桿鉆機(jī)多用于空山巷道和建筑用的錨桿支護(hù)，一般是移動(dòng)作業(yè)，所以采用車載式。車載式中有履帶式和輪胎式等，輪胎式移動(dòng)速度快，但由于自身的重量較大，因而對(duì)路面要求較高，適用于城市記錄面附近作業(yè)。履帶式雖然 移動(dòng)速度較慢且對(duì)路面具有損壞，但越野性能較好，作業(yè)使用范圍廣，可
圖2－1 底盤 適用于野外及比較泥濘的巷道作業(yè)
公路運(yùn)輸可采用汽車運(yùn)輸，解決了對(duì)路面的損壞問題，另外也可采用橡膠履帶。通過上述對(duì)比及錨桿鉆機(jī)的工作情況，底盤采用履帶式。
2.2 傳動(dòng)方式
現(xiàn)在錨桿鉆機(jī)的傳動(dòng)方式主要有氣動(dòng)式、電動(dòng)式和液壓式三種。其中氣動(dòng)式是以壓氣為動(dòng)力，主要由風(fēng)馬達(dá)，氣腿和操縱臂組成。由于采用工程塑料等新型材料制成多級(jí)伸縮式氣腿，重量更輕，操作移動(dòng)方便，不僅能鉆孔，換上附件還能安裝樹脂和水泥砂漿錨桿，動(dòng)力單一、重量輕、搬運(yùn)方便、操作簡(jiǎn)單。不足之處是需要有一力的氣源，壓力較小時(shí)鉆孔效率會(huì)降低；電動(dòng)式是由專用防爆電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)切削的，其結(jié)構(gòu)形式目前多為便攜式。這類鉆機(jī)采用電動(dòng)機(jī)與液壓油缸相結(jié)合的形式，電動(dòng)機(jī)安裝在液壓油缸頂端，通過齒輪減速，帶動(dòng)鉆孔主軸旋轉(zhuǎn)。其特點(diǎn)是動(dòng)力源單一，不需要二次能量轉(zhuǎn)換，因此能耗少、效率高、重量輕、鉆孔速度快、可直接進(jìn)入迎頭作業(yè),特別適用于煤巷和回采巷道的支護(hù)。其主要缺點(diǎn)是功率增大會(huì)受到電機(jī)重量的限制并且只適用有由 圖2－2 液壓傳動(dòng)錨桿鉆機(jī)
工業(yè)電網(wǎng)的地區(qū)，或是利用發(fā)電設(shè)備；液壓式是通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)切削破巖的。通常都附帶泵站，由泵站輸送的液壓油提供動(dòng)力，帶動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)?，F(xiàn)多采用低速轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，省去齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直接帶動(dòng)鉆機(jī)。其馬達(dá)為定量馬達(dá)，其輸出轉(zhuǎn)速由系統(tǒng)流量決定，轉(zhuǎn)矩由系統(tǒng)壓力決定。在實(shí)際鉆孔中，轉(zhuǎn)矩決定于外載荷。外載增加，系統(tǒng)壓力增加，轉(zhuǎn)矩增加。當(dāng)外載荷超過一定限度，系統(tǒng)壓力超過額定值，溢流閥開啟溢流，鉆機(jī)停鉆，可以實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。其推進(jìn)往往由同一泵站供液，推動(dòng)力大小由推進(jìn)液壓缸的缸徑和系統(tǒng)壓力決定，而推進(jìn)速度則由系統(tǒng)流量確定，其缺點(diǎn)是泵站重量大，移動(dòng)不方便。經(jīng)過三種傳動(dòng)方式的分析及所選的課題內(nèi)容采用液壓式。
2.3 鉆進(jìn)方式
錨桿鉆機(jī)的鉆方式主要有旋轉(zhuǎn)式、沖擊式和沖擊旋轉(zhuǎn)式等，其中旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)具有效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn),是目前廣泛使用的鉆孔機(jī)具型式。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí),由于巷道圍巖構(gòu)造的復(fù)雜性，煤巷頂板常存在夾層等局部堅(jiān)硬巖層，其硬度超過旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)的適應(yīng)范圍，致使旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)的使用受到限制，效率大大降低，這也是目前打錨桿孔遇到的難題。如何提高旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)的適應(yīng)范圍，以解決實(shí)際工作中存在的上述問題,是旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)進(jìn)一步研究的內(nèi)容之一，為此選擇具有沖擊功能的旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)的方案。其基本思路是:在現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加一個(gè)沖擊機(jī)構(gòu),即 圖2－3 三種沖擊鉆進(jìn)方式
所謂沖擊旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī),在正常頂板條件下，該錨桿鉆機(jī)仍以旋轉(zhuǎn)方式打錨桿孔，以充分發(fā)揮旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)高效的特點(diǎn)，但同時(shí)根據(jù)需要，可以輔以沖擊在旋轉(zhuǎn)鉆孔時(shí)超前沖擊破巖,使孔底巖石產(chǎn)生微觀裂隙，以使旋轉(zhuǎn)鉆孔更為有效。當(dāng)遇到局部堅(jiān)硬巖石時(shí)，以沖擊鉆孔為主，充分發(fā)揮沖擊破巖的特點(diǎn)并輔以旋轉(zhuǎn)切削，從而有效地解決不同圍巖頂板條件下的錨桿支護(hù)問題。上圖中為三種沖擊旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)方式，其中1為雙層鉆桿，外層在上部旋轉(zhuǎn)，內(nèi)層鉆桿在下部沖擊；2為單層鉆桿，在上部同時(shí)實(shí)現(xiàn)沖擊旋轉(zhuǎn)；3為雙層鉆桿，外層在上部旋轉(zhuǎn)，內(nèi)層在上部沖擊，圖中3較為符合錨桿鉆機(jī)的鉆進(jìn)工況要求，所以選取圖中的鉆進(jìn)方式3，即在動(dòng)力頭部分同時(shí)實(shí)現(xiàn)沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。
2.4 主臂
主臂按結(jié)構(gòu)可分為整體式和可伸縮式兩種，整體式大多是柱形或箱形結(jié)構(gòu)，而可伸縮式大多是箱形結(jié)構(gòu)，整體式載荷分布均勻，能夠承受較大的載荷，但底盤固定時(shí)鉆機(jī)的作業(yè)范圍小；可伸縮式雖然承受載荷能力沒有整體式好，但底盤固定時(shí)鉆機(jī)的作業(yè)范圍大。 1 2 3
由于錨桿鉆機(jī)的自身重量和工況要求的限制，所以應(yīng)選取可伸縮式主臂它的總體為箱形結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)置的液缸實(shí)現(xiàn)其兩節(jié)主臂的伸縮，圖中1為桅桿與主臂的連接部分，該部分與桅桿用的是回轉(zhuǎn)支承連接的，通過其端側(cè)的伸出部分與桅桿之間鉸接一個(gè)油缸，通過油缸的運(yùn)動(dòng)來 圖2－4 主臂
實(shí)現(xiàn)桅桿繞主臂的轉(zhuǎn)動(dòng)。圖中1和2之間是通過銷軸鉸結(jié)在一起的，桅桿連接部分1可以繞該銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)這兩部分是分別通過其上的鉸點(diǎn)與一油缸的兩個(gè)部分鉸接，組成一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，通過油缸的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)1繞銷軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，主臂的兩部分都是箱形結(jié)構(gòu)，其中3套在2的外側(cè)，這兩部分通過內(nèi)置的液缸連接，通過該油缸的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)主臂的伸縮，主臂的尾部又是通過銷軸與底盤鉸接，同時(shí)該主臂的下側(cè)鉸點(diǎn)也是通過油缸與底盤鉸接的，通過該油缸與1和2之間的油缸的共同作用來實(shí)現(xiàn)變幅調(diào)節(jié)，進(jìn)而適應(yīng)不同的工況要求。
2.5 夾緊機(jī)構(gòu)
在以往的實(shí)習(xí)及學(xué)習(xí)中我們都見過石油鉆機(jī)上的夾緊機(jī)構(gòu)，在石油鉆機(jī)中該部分大多是半自動(dòng)式的，即通過人力和機(jī)械共同作用來機(jī)械部分多采用氣動(dòng)形式。而錨桿鉆機(jī)大多在礦用巷道或是護(hù)坡作業(yè)的鉆孔，工況環(huán)境較為復(fù)雜，所以應(yīng)采用全自動(dòng)形式的。通過資料初步設(shè)計(jì)夾緊機(jī)構(gòu)方案一：它的機(jī)構(gòu)草圖如圖2－5：它的工作原理是通過油缸的動(dòng)作來推動(dòng)鉸點(diǎn)O運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)連桿OD和OC分別繞其鉸點(diǎn)C、D轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿OD與DA，OC與CB又分別通過D,C鉸接，而DA、CB上
的鉸點(diǎn)A、B均為固定鉸點(diǎn)，所以連桿OD和OC的轉(zhuǎn)動(dòng)就分別推動(dòng)了連桿DA、CB繞固定鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)夾持部分的夾緊與松弛，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆桿的夾緊?！ ?
雖然該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆桿的夾緊功能，但無形中增加了一個(gè)放大機(jī)構(gòu)，而且油
圖2－5 夾具機(jī)構(gòu)圖 圖2－6 三動(dòng)力夾具圖
缸的布置在實(shí)際工作中易產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，所以不是理想的夾緊機(jī)構(gòu)。夾緊機(jī)構(gòu)方案二：它的參照?qǐng)D如圖2－6，從圖中可以看出它由三部分組成，為了分析方便把它們分別定義為1、2、3，其中與桅桿連接的部分為1，中間部分為2，剩下的是3，而且1和2，2和3之間都鉸接著油缸。該夾緊機(jī)構(gòu)是通過限位馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)其擺動(dòng)來時(shí)線夾緊與間歇的兩工作位置的變換，工作時(shí)，限位馬達(dá)將該機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到工作位置之后，1與2之間的油缸動(dòng)作，推動(dòng)2的固定銷軸繞1上的一小段圓弧槽移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)2的小角度擺動(dòng)，然后2與3之間的油缸動(dòng)作，推動(dòng)3繞其與2之間鉸接及銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過這一系列的動(dòng)作就實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆桿的夾緊。其機(jī)構(gòu)分析，分別確定兩油缸的工作長(zhǎng)度，它們的實(shí)際工作長(zhǎng)度分別為37㎜、70㎜。
2.6裝卸鉆桿裝置
由于本課題所涉及的錨桿鉆機(jī)的最大鉆深為100米，所以在鉆進(jìn)過程中需要多根鉆桿，因此裝卸鉆桿裝置就是必不可少的了，通過資料參考阿特拉斯錨桿鉆機(jī)所用的換鉆裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，該裝置如圖：該裝置為旋轉(zhuǎn)式，即鉆桿先裝在如圖2-7、2-8所示的換鉆桿裝置中，當(dāng)一根鉆桿鉆進(jìn)完成后，動(dòng)力頭提起，通過控制液壓馬達(dá)式裝置旋轉(zhuǎn)，當(dāng)鉆桿轉(zhuǎn)到桅桿正對(duì)的位置后，鉆桿通過滑槽滑道動(dòng)力頭下方，然后通過動(dòng)力頭的旋轉(zhuǎn)及夾緊機(jī)構(gòu)的共同作用來實(shí)現(xiàn)接鉆桿。由于資料中對(duì)于馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的介紹有限，具體運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)不是很清楚，通過老師的講解及在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)的查找，最后將馬達(dá)換成棘輪機(jī)構(gòu)，即通過雙作用油缸推動(dòng)棘爪移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)棘輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，棘輪式與換鉆裝置的轉(zhuǎn)軸裝配在一起的，棘輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)換鉆桿。棘輪機(jī)構(gòu)是間歇機(jī)構(gòu)，通過控制油缸的行程來控制
圖2－7 換鉆裝置與車體連接圖 圖2－8 換鉆裝置
每次旋轉(zhuǎn)的角度，所以選取棘輪機(jī)構(gòu)代替馬達(dá)設(shè)計(jì)裝卸鉆桿裝置。
2.7 本章小結(jié)
本章通過方案對(duì)比的方式分別對(duì)本課題中所涉及的錨桿鉆機(jī)的履帶、傳動(dòng)方式、鉆進(jìn)方式、主臂和夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了選型及設(shè)計(jì)，通過對(duì)各部分方案的設(shè)計(jì)、功能分析及所適應(yīng)的工況要求的分析,最后選出既適應(yīng)工況要求又力求經(jīng)濟(jì)、美觀的最優(yōu)方案。
其中底盤考慮錨桿鉆機(jī)的作業(yè)環(huán)境及工況要求選擇履帶式底盤，雖然履帶式底盤移動(dòng)速度較慢且對(duì)路面具有損壞，但它越野性能較好，作業(yè)使用范圍廣，可適用于野外及比較泥濘的巷道作業(yè)，為了解決了對(duì)路面的損壞問題，公路運(yùn)輸可采用汽車運(yùn)輸，另外也可采用橡膠履帶；鉆機(jī)的傳動(dòng)方式從氣動(dòng)式、電動(dòng)式和液壓式三種中選擇液壓式，它是通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)切削破巖的。通常都附帶泵站,由泵站輸送的液壓油提供動(dòng)力，帶動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)?，F(xiàn)多采用低速轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，省去齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直接帶動(dòng)鉆機(jī)。而且它輸出的扭矩高于氣動(dòng)錨桿鉆機(jī),與掘進(jìn)機(jī)配套是較優(yōu)越的工作方式；鉆機(jī)的鉆方式主要從旋轉(zhuǎn)式、沖擊式和沖擊旋轉(zhuǎn)式中選擇沖擊旋轉(zhuǎn)式的，因?yàn)殄^桿鉆機(jī)的工作環(huán)境較為復(fù)雜，一般用于礦用巷道和護(hù)坡的支護(hù)用鉆孔，常遇到因巷道圍巖構(gòu)造和護(hù)坡環(huán)境的復(fù)雜性,存在著夾層等局部堅(jiān)硬巖層，其硬度超過旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)的適應(yīng)范圍，致使旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)的使用受到限制，效率大大降低,這也是目前打錨桿孔遇到的難題。選擇沖擊旋轉(zhuǎn)式的鉆進(jìn)方式可以很好的解決這個(gè)問題，當(dāng)遇到局部堅(jiān)硬巖石時(shí)，以沖擊鉆孔為主，充分發(fā)揮沖擊破巖的特點(diǎn)并輔以旋轉(zhuǎn)切削，從而有效地解決不同圍巖頂板條件下的錨桿支護(hù)問題；主臂從整體式和可伸縮式兩種中選擇可伸縮式的箱形結(jié)構(gòu)的主臂，該結(jié)構(gòu)可以在底盤固定時(shí)鉆機(jī)鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)較大的作業(yè)范圍，式和錨桿鉆機(jī)的作業(yè)要求；夾緊機(jī)構(gòu)是錨桿鉆機(jī)必不可少的組成部分，鉆機(jī)要實(shí)現(xiàn)深孔鉆進(jìn)就避免不了要換鉆桿，而換鉆桿又避免不了要用到夾緊機(jī)構(gòu)，因此要實(shí)現(xiàn)射孔鉆進(jìn)夾緊機(jī)構(gòu)就是必不可少的，現(xiàn)在夾緊機(jī)構(gòu)的形式很多，本章節(jié)中主要從兩種夾緊機(jī)構(gòu)的分析對(duì)比中選取的，其中一種是帶有一個(gè)由港和四根連桿、三個(gè)可動(dòng)鉸點(diǎn)和兩個(gè)固定鉸點(diǎn)的放大機(jī)構(gòu)。另一種是內(nèi)部帶有一個(gè)限位馬達(dá)和兩個(gè)油缸，外部是三部分有兩個(gè)鉸點(diǎn)鉸接在一起并可分別繞其鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，油缸可以看作是內(nèi)置式的，在鉆機(jī)工作時(shí)可以在很大程度減少夾緊機(jī)構(gòu)的各執(zhí)行元件與地面或巷道邊坡發(fā)生卡住或干涉現(xiàn)象，并且在實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆桿的夾緊過程中不需要力的放大，第一種在鉆進(jìn)過程中易發(fā)生卡住或干涉現(xiàn)象，不適合錨桿鉆機(jī)的工況要求，所以選擇第二種機(jī)構(gòu)。
本章只是對(duì)錨桿鉆機(jī)的底盤、傳動(dòng)方式、鉆進(jìn)方式、主臂、夾緊機(jī)構(gòu)的的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了選擇，而整機(jī)的工作部分如桅桿、動(dòng)力頭、高頻沖擊器、鉆頭、鉆桿等還沒有進(jìn)行選擇，將在后面的液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中進(jìn)一步進(jìn)行設(shè)計(jì)和完善。
第3章 鉆機(jī)液壓動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)
3.1 傳動(dòng)設(shè)計(jì)
鉆機(jī)的動(dòng)力裝置采用液壓傳動(dòng)，動(dòng)力由馬達(dá)傳出通過齒輪傳動(dòng)到鉆柱上，最終實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)。由于鉆進(jìn)方式采用沖擊旋轉(zhuǎn)式，即由馬達(dá)帶動(dòng)內(nèi)外層鉆柱旋轉(zhuǎn)，由高頻沖擊油缸帶動(dòng)內(nèi)層鉆柱振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)沖擊碎巖的作用。首先通過參數(shù)選擇齒輪及油缸并進(jìn)行初步的校核。鉆機(jī)的技術(shù)參數(shù)：
鉆孔直徑 100～200 mm；
鉆頭轉(zhuǎn)速 0～80r/min；
鉆頭扭矩 900Nm；
鉆頭行程 10000 mm ；
推力 50～60 kN；
沖擊頻率 2000～2200次/min ；
系統(tǒng)壓力 25MPa；
發(fā)動(dòng)機(jī) 100kW；
行走方式 履帶式；
重量 12000～14000 kg
3.1.1 齒輪的選擇及校核
一、設(shè)計(jì)參數(shù)
傳遞功率 P=11.31(kW)
傳遞轉(zhuǎn)矩 T=900(N·m)
齒輪1轉(zhuǎn)速 n1=120(r/min)
齒輪2轉(zhuǎn)速 n2=80(r/min)
傳動(dòng)比 i=1.50
原動(dòng)機(jī)載荷特性 SF=中等振動(dòng)
工作機(jī)載荷特性 WF=強(qiáng)烈振動(dòng)
預(yù)定壽命 H=10000(小時(shí))
二、材料及熱處理
齒面嚙合類型 GFace=硬齒面
熱處理質(zhì)量級(jí)別 Q=ME
齒輪1材料及熱處理 Met1=20Cr<滲碳>
齒輪1硬度取值范圍 HBSP1=56～62
齒輪1硬度 HBS1=60
齒輪2材料及熱處理 Met2=40Cr<表面淬火>
齒輪2硬度取值范圍 HBSP2=48～55
齒輪2硬度 HBS2=52
齒輪精度為7級(jí)
三、齒輪基本參數(shù)
模數(shù)(法面模數(shù)) Mn=8
齒輪1齒數(shù) Z1=13
齒輪1變位系數(shù) X1=0.235
齒輪1齒寬 B1=70(mm)
齒輪1齒寬系數(shù) Φd1=0.673
齒輪2齒數(shù) Z2=20
齒輪2變位系數(shù) X2=0.000
齒輪2齒寬 B2=60(mm)
齒輪2齒寬系數(shù) Φd2=0.375
總變位系數(shù) Xsum=0.235
標(biāo)準(zhǔn)中心距 A0=132.00000(mm)
實(shí)際中心距 A=133.79222(mm)
齒數(shù)比 U=1.53846
齒輪1分度圓直徑 d1=104.00000(mm)
齒輪1齒頂圓直徑 da1=123.58444(mm)
齒輪1齒根圓直徑 df1=87.76000(mm)
齒輪1齒頂高 ha1=9.79222(mm)
齒輪1齒根高 hf1=8.12000(mm)
齒輪1全齒高 h1=17.91222(mm)
齒輪1齒頂壓力角 αat1=37.741593(度)
齒輪2分度圓直徑 d2=160.00000(mm)
齒輪2齒頂圓直徑 da2=175.82444(mm)
齒輪2齒根圓直徑 df2=140.00000(mm)
齒輪2齒頂高 ha2=7.91222(mm)
齒輪2齒根高 hf2=10.00000(mm)
齒輪2全齒高 h2=17.91222(mm)
齒頂高系數(shù) ha*=1.00
頂隙系數(shù) c*=0.25
壓力角 α*=20(度)
四、強(qiáng)度校核數(shù)據(jù)
齒輪1接觸強(qiáng)度極限應(yīng)力 σHlim1=1395.0(MPa)
齒輪1抗彎疲勞基本值 σFE1=880.0(MPa)
齒輪1接觸疲勞強(qiáng)度許用值 [σH]1=1450.0(MPa)
齒輪1彎曲疲勞強(qiáng)度許用值 [σF]1=639.6(MPa)
齒輪2接觸強(qiáng)度極限應(yīng)力 σHlim2=1302.7(MPa)
齒輪2抗彎疲勞基本值 σFE2=776.0(MPa)
齒輪2接觸疲勞強(qiáng)度許用值 [σH]2=1354.0(MPa)
齒輪2彎曲疲勞強(qiáng)度許用值 [σF]2=564.0(MPa)
接觸強(qiáng)度用安全系數(shù) SHmin=1.2
彎曲強(qiáng)度用安全系數(shù) SFmin=2.0
接觸強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力 σH=1267.2(MPa)
接觸疲勞強(qiáng)度校核 σH≤[σH]=滿足
齒輪1彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力 σF1=247.5(MPa)
齒輪2彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力 σF2=248.6(MPa)
齒輪1彎曲疲勞強(qiáng)度校核 σF1≤[σF]1=滿足
齒輪2彎曲疲勞強(qiáng)度校核 σF2≤[σF]2=滿足
齒輪1復(fù)合齒形系數(shù) Yfs1=4.36093
齒輪1應(yīng)力校正系數(shù) Ysa1=1.59484
齒輪2復(fù)合齒形系數(shù) Yfs2=4.38000
齒輪2應(yīng)力校正系數(shù) Ysa2=1.54586
3.1.2 液壓馬達(dá)的選擇
經(jīng)過查找和對(duì)比選擇依頓系列馬達(dá)，該系列馬達(dá)結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠，適合非公路運(yùn)輸車輛。最終選取該公司的盤配流馬達(dá)4000系列中的無軸承馬達(dá)（連續(xù)形式），采用帶有3/4英寸對(duì)開發(fā)蘭油口，它的主要參數(shù)：
排量 625 cm/r；(1.573L/s)
最高轉(zhuǎn)數(shù) 151 r/min；
扭矩 970 Nm；
壓力 115 bar；
295 bar（峰值）；
3.2 液壓沖擊器設(shè)計(jì)
如何提高旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)的適應(yīng)范圍，以解決實(shí)際工作中存在的上述問題，是旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)進(jìn)一步研究的內(nèi)容之一，為此,本文提出具有沖擊功能的旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)，其基本思路是：在現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加一個(gè)沖擊機(jī)構(gòu)，即液壓沖擊器，構(gòu)成所謂沖擊旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)。在正常頂板條件下，該錨桿鉆機(jī)仍以旋轉(zhuǎn)方式打錨桿孔，以充分發(fā)揮旋轉(zhuǎn)高效的特點(diǎn)，但同時(shí)根據(jù)需要，可以輔以沖擊，在旋轉(zhuǎn)鉆孔時(shí)超前沖擊破巖，使孔底巖石產(chǎn)生微觀裂隙，以使旋轉(zhuǎn)鉆孔更為有效；當(dāng)遇到局部堅(jiān)硬巖石時(shí)，以沖擊鉆孔為主，充分發(fā)揮沖擊破巖的特點(diǎn)，并輔以旋轉(zhuǎn)切削，從而有效地解決不同圍巖頂板條件下的打錨桿孔問題。
通常，封閉的容積式液體傳動(dòng)稱為液壓傳動(dòng)，液壓振動(dòng)是輸出振動(dòng)頻率為脈沖的液壓傳動(dòng)的特殊形式。液壓振動(dòng)定義為：以液體為工作介質(zhì)，將壓力能轉(zhuǎn)換活塞運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，以輸出振動(dòng)的形式來進(jìn)行能量傳遞的傳動(dòng)方式。液壓振動(dòng)產(chǎn)生的反方法有：直流液壓、交流液壓、自動(dòng)配流、強(qiáng)制配流、自激振蕩、液壓射流。液壓振動(dòng)的能量輸出有振動(dòng)式和沖擊式兩種。
3.2.1 沖擊旋轉(zhuǎn)鉆孔時(shí)的破巖理
如圖3－1所示，沖擊旋轉(zhuǎn)鉆孔時(shí)，鉆頭上同時(shí)作用著兩個(gè)方向的3個(gè)力，即旋轉(zhuǎn)方向的徑向力Pr，鉆進(jìn)方向的軸向靜載荷Ps和沖擊力Pd。其中Pr和Ps連續(xù)作用在鉆頭上,是由旋轉(zhuǎn)破巖產(chǎn)生的，Pd間斷的作用在鉆頭上，是由沖擊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的，間斷時(shí)間由鉆機(jī)的沖擊頻率決定。 圖3－1 破巖機(jī)理
上述3個(gè)力相輔相成地使鉆頭進(jìn)行有效地沖擊旋轉(zhuǎn)破巖，一方面，沖擊力P以每分鐘上千次的頻率作用在巖體上，使孔底的堅(jiān)硬巖體產(chǎn)生微觀裂紋和旋轉(zhuǎn)
切削時(shí)的超前破碎，以便旋轉(zhuǎn)切削時(shí),能在堅(jiān)硬頂板條件下更為有效地快速鉆孔，另一方面,靜壓力Ps的作用，又使沖擊破巖更為有效。當(dāng)靜動(dòng)載荷同時(shí)作用在鉆頭上時(shí)，每次沖擊巖石破碎深度和體積比單純的沖擊要大的多。當(dāng)沖擊能量一定時(shí)，隨預(yù)加靜載荷Ps的增加,破碎穴體積也相應(yīng)的增加，其原因一是預(yù)加靜載荷使巖石內(nèi)部形成預(yù)加應(yīng)力，二是預(yù)壓靜載荷改善了沖擊能量的傳遞條件，使能量的有效利用率增加。此外，沖擊旋轉(zhuǎn)鉆孔是斜沖擊破碎巖石，因而存在最優(yōu)施力角(鉆頭與巖石表面成某一角度切入巖石，該角度稱之謂施力角)，對(duì)于每一種巖石,當(dāng)斜沖擊破碎時(shí)，都有一個(gè)最優(yōu)施力角,即鉆頭與巖石面成這一角度切入時(shí)，最容易使巖石破碎.由于沖擊旋轉(zhuǎn)鉆孔時(shí)，各鉆孔參數(shù)能根據(jù)巖石的最優(yōu)施力角自動(dòng)匹配，因而能以最優(yōu)的施力角度切入巖石，對(duì)硬巖進(jìn)行有效的破碎。
3.2.2 液壓沖擊器結(jié)構(gòu)原理
液壓沖擊器是以流體為傳遞能量介質(zhì)的閥控油缸系統(tǒng)其工作過程服從流體運(yùn)動(dòng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律且受多種因素的影響與制約，運(yùn)動(dòng)規(guī)律十分復(fù)雜，需采用非線性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析。
圖3－2為液壓沖擊器的結(jié)構(gòu)示意圖，根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)理論，可以建立其數(shù)學(xué)模型。它主要由沖擊機(jī)構(gòu)、配油機(jī)構(gòu)!高壓蓄能器、回油蓄能器以及連接它們的油道構(gòu)成。沖擊機(jī)構(gòu)由沖擊活塞和缸體組成，配油機(jī)構(gòu)由配油閥閥芯和閥體組成。活塞運(yùn)動(dòng)速度是不斷變化的，因此，液壓沖擊器所需要的高壓油流量和所排出的流量是不斷變化的，而液壓泵所提供的流量卻可以認(rèn) 圖3－2 配流式液壓沖擊器
為是基本不變的，這樣，蓄能器就始終處于排油或充油狀態(tài)，其氣腔體積不斷變化，故液壓沖擊器高壓腔、回油腔的壓力始終是變化的活塞在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi),配油閥閥芯往返運(yùn)動(dòng)各一次，而閥芯的運(yùn)動(dòng)引起液壓沖擊器內(nèi)部油流方向的突變，這就不可避免地會(huì)產(chǎn)生液壓沖擊，從而使高壓腔!回油腔的壓力在有規(guī)律地變化的同時(shí)產(chǎn)生高頻波動(dòng)。所以，沖擊活塞所受到的作用力是非常復(fù)雜的，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律自然就十分復(fù)雜，完全按實(shí)際情況建立液壓沖擊器的數(shù)學(xué)模型就很困難，甚至是做不到的。既使是建立了這樣的數(shù)學(xué)模型，求它的解也會(huì)遇到難以解決的數(shù)學(xué)難題。一個(gè)仿真模型應(yīng)能盡量全面反映被仿真對(duì)象的實(shí)際物理過程，但要完全做到不失真是不可能的。為了分析和解決問題的方便，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)中一些難以全面考慮而對(duì)分析結(jié)果影響不大的因素可作出一些適當(dāng)?shù)募僭O(shè)，這里假設(shè)：
(1)、油液不可壓縮且工作過程中溫度處處一樣；
(2)、油液的粘度不受壓力的影響；
(3)、除蓄能器隔膜外沖擊器所有元件均為絕對(duì)剛體；
(4)、蓄能器隔膜變形時(shí)無任何抗力且質(zhì)量為零；
(5)、大部分情況下忽略油液的質(zhì)量，該考慮時(shí)僅當(dāng)作集中參數(shù)來處理；
(6)、沒有改變油泵的排量時(shí),油泵的供油量恒定不變；
(7)、油液中壓力波的傳遞時(shí)間忽略不計(jì)。
液壓沖擊器是由活塞、配流閥和蓄能器等組成的一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)而活塞是動(dòng)作的關(guān)鍵部件，因此探討活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律、建立沖擊器的理論模型是十分有意義的，這是設(shè)計(jì)液壓振動(dòng)的理論基礎(chǔ)。
3.2.2.1 基本運(yùn)動(dòng)方程
根據(jù)運(yùn)動(dòng)體的動(dòng)力平衡、流量平衡(即液體連續(xù)性原理)及氣體狀態(tài)方程，可以列出描述沖擊機(jī)構(gòu)三大運(yùn)動(dòng)體聯(lián)合運(yùn)動(dòng)的基本微分方程組，即液壓沖擊器的數(shù)學(xué)模型，主要由如下四組類型的物理方程式組成：
1、活塞、閥芯、回油管油柱的動(dòng)力平衡方程式
活塞的動(dòng)力平衡方程式：
F(y)+F(y,)+F(p)+Mgcos+pA=F(,) , (3－1)
式中 F(y)——活塞的慣性力，N ：
F(y,)——活塞所受的摩擦阻力，N；
F(p)——密封處的滑動(dòng)摩擦力, N；
M——活塞質(zhì)量，kg；
g——重力加速度，m/s；
——活塞軸線與水平方向的夾角，度；
p——氮?dú)馐覊毫?，Pa；
A——氮?dú)馐遗c活塞接觸面面積，m，A3=；
F(,)——活塞的主動(dòng)油壓用力，N；
y，y——活塞運(yùn)動(dòng)的速度、加速度，m/s、m/s；
，——工作缸對(duì)應(yīng)的壓力差，Pa；
——活塞的有效作用面積，m。
閥芯的動(dòng)力平衡方程式：
F(y)+F(y,)+F( y,y,)=F(,) , (3－2)
式中 F(y)——閥芯的慣性力，N；
F(y,)——閥芯所受的粘性摩擦阻力，N；
F( y,y,)——閥的液動(dòng)力(包括穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力和瞬態(tài)液動(dòng)力)，N；
F(,)——閥芯所受的主動(dòng)油壓作用力，N；
y，y——閥芯的運(yùn)動(dòng)速度、加速度，m/s、m/s；
，——配油閥的壓力差，Pa；
——閥芯的有效作用面積，m。
回油管油柱的動(dòng)力平衡方程式：
F(y)+F(y)=F(A,) (3－3)
式中 F(y)——回油管油柱的慣性力，N；
F(y)——回油管油柱粘性摩擦力，N；
F(A,)——回油管油柱的主動(dòng)油壓作用力，N；
y、y——回油管油柱的速度、加速度，m/s、m/s；
——回油管油柱的壓力差，Pa；
A——回油管油柱的有效作用面積，m。
2、區(qū)段流量平衡方程
工作缸進(jìn)油側(cè)(活塞!閥芯同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí))
Q-Q( y，，v)=Q( y)Q(V)+Q(y) (3－4)
式(3－4)是高壓蓄能器體積變化率的一階微分方程，對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，可得氣室的體積變化量，即：
=V-V=(Q-Q)T-Ay-Ay (3－5)
工作缸回油側(cè)(活塞、閥芯同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí))
Q1(y，，v)+Q2(y)+Q4( y)=Q5(y)Q6(V) (3－6)
同樣可得：
=V-V= Ay+ Ay+QT-Ay (3－7)
式中 Q油泵的恒值供油量，m/s；
Q1(y，，v) ——工作缸、控制閥的總泄漏油流量，m/s；
Q2(y)、Q4 y)——工作缸、控制閥液腔的進(jìn)、排油流量，m/s ；
Q(V)，Q6(V)——高、低壓蓄能器的進(jìn)、排油流量，進(jìn)油為負(fù)，排油為正，m/s ；Q5(y)——回油管的排油量，m/s ；
——高壓蓄能器的氣室容積變化量,m；
——低壓蓄能器的氣室容積變化量，m。
3、高、低壓蓄能器和氮?dú)馐业臍怏w狀態(tài)方程
高壓蓄能器：
pV=pV=C (常量) (3－8)
低壓蓄能器：
pV=pV =C (常量) (3－9)
氮?dú)馐遥?
pV=pV =C (常量) (3－10)
式中p, p, p分別為高、低壓蓄能器及氮?dú)馐业某跏汲錃鈮毫?，Pa；
V, V,V分別為高、低壓蓄能器及氮?dú)馐业某跏汲錃馊莘e，m。
4、區(qū)段壓力平衡方程
活塞工作腔油壓：
p=pRVRyp (3－11)
配油閥變壓腔油壓：
p=pRy (3－12)
式中p——閥回油腔油壓，Pa；
p分別為蓄能器、工作缸進(jìn)、排油道、閥液控油道所對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)，I=1~8；
p——閥開口量變化所引起的附加壓差，Pa。
以上四組方程較全面地描述了沖擊器內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，方程中的各個(gè)量在沖擊器的各種不同運(yùn)動(dòng)中有不同的計(jì)算表達(dá)式。
3.2.2.2 沖擊器內(nèi)腔直徑及活塞桿直徑的初算
如圖所示，為沖擊器的活塞部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，該圖中主要有進(jìn)口壓力P1、出口壓力P2、外載荷Fw、沖擊器內(nèi)腔直徑D、活塞桿直徑d、活塞桿運(yùn)動(dòng)速度v，其中進(jìn)口壓力即為系統(tǒng)工作壓力25MPa，出口壓力即為系統(tǒng)背壓0.5Mpa，外載荷包括工 圖3－3 沖擊器活塞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
作載荷Fg、導(dǎo)軌摩擦載荷Ff、慣性載荷Fa，在系統(tǒng)中工作載荷即為沖擊器的推力50－60kN；
導(dǎo)軌摩擦載荷：
Ff=(G+Fn) （3－13）
式中G——運(yùn)動(dòng)部件所受的重力，取10kN；
Fn——與導(dǎo)軌平行，即Fn=0；
取摩擦系數(shù)，所以Ff=0.2010=2kN；
慣性載荷：
Fa=a （3－14）
式中a為活塞桿運(yùn)動(dòng)的加速度，為了計(jì)算可以看作活塞在沖擊過程中為勻加速運(yùn)動(dòng)，沖程s=10mm，沖擊頻率為2000－2200次/分，所以每完成一次沖擊過程所需的時(shí)間t=1/s=60/2200=0.0272s，即完成每次沖程的時(shí)間為0.0136s，由s=at得，a=108.13m/s，所以Fa=即Fa=10.8kN。所以在活塞沖擊的四個(gè)過程即沖擊加速、制動(dòng)、靜止、回程加速中，它們的受力情況分別為：
沖擊加速 Fw=Fg+Ff+Fa=72.8kN；
制動(dòng) Fw=Fg+Ff-Fa=51.2kN；
靜止 Fw=Ff=2.0kN；
回程加速 Fw=Fg+Ff+Fa=72.8kN
該結(jié)構(gòu)圖可看作是雙作用液壓缸，它的受力公式為：
Fw=A(P1-P2) （3－15）
式中：Fw——為載荷，72.8 kN；
A——活塞有效作用面積，A=(D-d)；
P1——進(jìn)油口壓力，25MPa；
P2——油口壓力，0.5MPa；
所以A=Fw/(P1-P2)，代入數(shù)值求得：A=3615mm，取d=50mm，代入上述面積公式求得D=84.29mm，取D=86mm。
3.2.2.3 沖擊器流量及儲(chǔ)油量的計(jì)算
沖擊器活塞的實(shí)際作用面積：
A=（D-d） （3－16）
把數(shù)值代公式中，可以計(jì)算出：
A=3834.36mm
沖擊器的流量：
q=Av （3－17）
由于活塞在沖擊過程中的時(shí)間非常短，可以看作該過程為勻速運(yùn)動(dòng)，即v=s/=0.735m/s，所以，代入公式可知：
流量 q=Av=2.824L/s。
圖3－4 沖擊器內(nèi)腔圖
如圖3－4所示，沖擊器內(nèi)腔由三部分組成，直徑為別為D=86mm、D1=90mm、D2=92mm，活塞桿直徑d=50mm,長(zhǎng)度分別由L1=36mm、L3=42mm、L6=28mm、L8=18mm；L4=38mm、L5=8mm和L2=12mm、L7=13mm組成，這三部分的容積分別為：
V1=(D-d)(L1+L3+L6+L8)=0.374L；
V2=(D1- d)(L4+L5)=0.2576L；
V3=(D2- d)(L2+L7)=0.1491L；
儲(chǔ)油量 V=V1+V2+V3=0.78L
3.3本章小結(jié)
本章通過對(duì)液壓動(dòng)力裝置的分析與設(shè)計(jì)，初步了解了液壓振動(dòng)沖擊器的幾種形式及其工作原理，通過對(duì)它們優(yōu)缺點(diǎn)的分析對(duì)液壓沖擊器進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，本課題中液壓沖的選取應(yīng)考慮其沖擊頻率與沖擊功，最終選取配流式液壓沖擊器。并且對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
第4章 錨桿鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)分析
4.1 總體液壓原理圖
如圖4－1所示：
圖4－1 錨桿鉆機(jī)液壓原理圖
該原理圖主要由四部分組成：動(dòng)力源、液壓控制元件液壓執(zhí)行元件和液壓管線及其輔助部分。其中動(dòng)力源主要是液壓泵，其中包括雙聯(lián)泵、輔助泵及散熱器所用的齒輪泵；液壓控制元件有三塊多路閥塊組成，它們分別為六聯(lián)多路閥（兩塊）、四聯(lián)閥塊（一個(gè)）；由于錨桿鉆機(jī)在作業(yè)過程中是支腿先支出，調(diào)整平穩(wěn)后，變幅和變角油缸共同調(diào)節(jié)使桅桿處于最佳工作位置，然后才開始鉆進(jìn)，在鉆進(jìn)過程中只有液壓沖擊器、動(dòng)力頭馬達(dá)（兩個(gè)）和加壓馬達(dá)四個(gè)元件在鉆進(jìn)過程中共同作用，所以多路閥塊插裝電磁閥以降低控制的復(fù)雜性，使液壓原理進(jìn)一步簡(jiǎn)化；液壓執(zhí)行元件由以下幾部分組成，它們分別為動(dòng)力頭馬達(dá)、沖擊器、動(dòng)力頭加壓馬達(dá)、裝卸鉆桿油缸、主臂伸縮油缸（兩個(gè)）、夾緊機(jī)構(gòu)油缸（兩個(gè)）、夾緊機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、桅桿水平調(diào)整油缸即變角油缸（兩個(gè)）、桅桿擺動(dòng)油缸及變幅油缸以及支腿油缸（四個(gè)）；液壓管線及其輔助部分主要有吸油和回油管線以及濾油器、散熱器等。
下圖即為鉆機(jī)內(nèi)部管線布置圖
圖4-2 鉆機(jī)內(nèi)部管線布置圖
4.2 原理圖的各部分原理分析及執(zhí)行元件的選取
4.2.1 動(dòng)力頭部分
4.2.1.1 動(dòng)力頭馬達(dá)
如圖所示，該圖為動(dòng)力頭部分液壓原理圖，由平衡閥、變量馬達(dá)和液壓減速機(jī)組成。圖中油口P1和P2與主油路換向閥相接，油口S與油箱連接，殼體泄油與馬達(dá)變量油缸泄油均流入油箱。
它的工作原理為：液壓油通過換向閥流出后通過P1或P2口流入動(dòng)力頭平衡閥，流出后分流入動(dòng)力頭馬達(dá)1和2中，因?yàn)檫@兩個(gè)馬達(dá)分別控制鉆機(jī)的內(nèi)外層鉆桿同時(shí)鉆進(jìn)，該部分平衡閥的作用主要是過載保護(hù)，其原理為當(dāng)動(dòng)力頭出現(xiàn)卡鉆或其它故障引起管道內(nèi)部壓力過大，此時(shí)系統(tǒng)繼續(xù)供油，如不及時(shí)泄出會(huì)有安全隱患。當(dāng)壓力達(dá)到溢流閥的挑頂壓力后，溢流閥打開，液壓油就通過溢流閥經(jīng)S口泄油流回油箱。動(dòng)力頭馬達(dá)為變量馬達(dá)采用林得系列減速機(jī)對(duì)其進(jìn)行調(diào)速，其調(diào)速過程為，油平衡法流出的高壓油在馬達(dá)進(jìn)口處分流，大部分流入馬達(dá)，而另
圖4－3 動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 圖4-4 動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)馬達(dá)原理圖
一部分在節(jié)流閥后繼續(xù)分流，一路通過三通、溢流閥流入油箱；另一路經(jīng)節(jié)流閥后繼續(xù)分流，一路經(jīng)減壓閥形成馬達(dá)變量油缸的動(dòng)力油，此路液壓油的通路為：控制油經(jīng)減壓閥后流經(jīng)兩位兩通換向閥，該閥為電液共同控制、彈簧復(fù)位，其中液控為減速機(jī)內(nèi)部控制，電磁控制為強(qiáng)制控制，即可實(shí)現(xiàn)人為控制?？刂朴蛷膬晌粌赏〒Q向閥流出后經(jīng)節(jié)流閥流入馬達(dá)變量油缸，從而推動(dòng)該油缸活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)變量馬達(dá)的控制，節(jié)流閥主要器系統(tǒng)穩(wěn)定作用，防止流量的急劇變化而引起馬達(dá)變量油缸活塞的快速運(yùn)動(dòng)，從而使馬達(dá)轉(zhuǎn)速劇烈變化，引起鉆機(jī)的不穩(wěn)定或鉆頭轉(zhuǎn)矩的急劇變大或變小，損壞元件。主油路換向閥的另一位工作，動(dòng)力頭的控制過程與該位共中是相同的。
由該鉆機(jī)的轉(zhuǎn)矩、系統(tǒng)壓力、鉆頭轉(zhuǎn)速及外形尺寸的限制最終選取依頓馬達(dá)，具體型號(hào)為盤配流馬達(dá)4000系列。
4.2.1.2 加壓馬達(dá)
動(dòng)力頭在鉆進(jìn)過程中沿桅桿上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的鉆進(jìn)和裝卸鉆桿，為了有效地實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)和換鉆桿，必須在動(dòng)力頭處施加可以往復(fù)運(yùn)動(dòng)的力，該力沿桅桿向下，是對(duì)動(dòng)力頭施加壓力，有效地實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)；沿桅桿向上，式提升動(dòng)力頭，實(shí)現(xiàn)裝卸鉆桿。該力的實(shí)現(xiàn)可以有多種形式，可以通過起升油缸帶動(dòng)鋼絲繩沿桅桿上部的滑輪的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)；通過馬達(dá)帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鋼絲繩沿桅桿上部的滑輪上下移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)；通過馬達(dá)帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)帶動(dòng)鏈沿桅桿上下移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)；通過馬達(dá)與齒輪軸向連接，馬達(dá)與齒輪同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，在齒條上移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。該方式可以充分的體現(xiàn)齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，即傳動(dòng)平穩(wěn)、準(zhǔn)確用容易實(shí)現(xiàn)控制，但其缺點(diǎn)是有噪音。通過多方因素的對(duì)比，最終選取馬達(dá)馬達(dá)帶動(dòng)齒輪、齒條嚙合的方式。該部分馬達(dá)應(yīng)帶有自動(dòng)鎖死功能，以防止在換鉆桿過
圖4－5 加壓馬達(dá) 圖4－6 加壓馬達(dá)原理圖
程中發(fā)生危險(xiǎn)事故。如圖所示，自動(dòng)鎖死功能是通過一個(gè)單作用油缸作用在變量馬達(dá)上來實(shí)現(xiàn)的，同樣安裝安全閥起到過載保護(hù)的作用。它的原理為：通過換向閥流出的高壓油通過P口流入平衡法塊，在其內(nèi)部