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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)用于全國各地的橋梁、建筑、水利等工程施工過程中。但從現(xiàn)有的國產(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，才能更有利于我國鉆機(jī)制造業(yè)的發(fā)展，并進(jìn)一步提高我國同類鉆機(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、液壓單體回轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)是一個(gè)時(shí)期的主流，綜觀國外錨桿鉆機(jī)發(fā)展歷程以及國內(nèi)多方面實(shí)踐,針對煤礦經(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、動力系統(tǒng)可不受外界影響，在一些場合下是合理的機(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。
電動錨桿鉆機(jī)的動力單一，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)，電動錨桿鉆機(jī)產(chǎn)品仍會以“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，隨著知識經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，錨桿鉆機(jī)及其配套鉆具會逐漸變革，預(yù)計(jì)在以下方面會引起產(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)在不同動力、不同類型錨桿鉆機(jī)上的應(yīng)用，可能會使錨桿鉆機(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)會對錨桿鉆機(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,我國已開發(fā)了40多種型號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、對潤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?？偟膩碚f國產(chǎn)氣動錨桿鉆機(jī)的水平逐步提高，齒輪氣動馬達(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)按動力源分電動錨桿鉆機(jī)、氣動錨桿鉆機(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,輸出扭矩；一個(gè)作直線運(yùn)動，作為鉆機(jī)工作時(shí)的支撐。通過對錨桿鉆機(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。它直接影響勞動生產(chǎn)率的提高和生產(chǎn)成本的降低，因此對其設(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，國外鑿巖（穿孔）設(shè)備已明顯呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：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)動變頻調(diào)速。
1.2.1 國外錨桿鉆機(jī)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r
目前國外應(yīng)用較為普遍的單體錨桿鉆機(jī)主要有風(fēng)動和液壓錨桿鉆機(jī)兩種。風(fēng)動錨桿鉆機(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WISP型，澳大利亞PROBAM型等?！ ?
特別是澳利亞在風(fēng)動錨桿鉆機(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 國內(nèi)錨桿鉆機(jī)的研制狀況
我國煤礦專用錨桿鉆機(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)，支腿式氣動錨桿鉆機(jī)，非機(jī)械傳動電動錨桿鉆機(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)動力不同有氣動、電動、液動三大系列30多個(gè)品種。
1.2.2.1 氣動錨桿鉆機(jī)
氣動錨桿鉆機(jī)是以壓縮氣體為動力，按破巖方式不同可分為旋轉(zhuǎn)沖擊式和旋轉(zhuǎn)式。氣動旋轉(zhuǎn)沖擊式又稱手持式氣腿鑿巖機(jī)，該類鉆機(jī)采用氣動沖擊鑿巖，鉆孔速度快,特別適合在中硬巖石中鉆孔、動力單一、重量輕、搬運(yùn)方便、操作簡單。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)會影響鉆孔效率?！ D1－5 氣動錨桿鉆機(jī)
氣動旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)是20世紀(jì)80年代我國在引國外同類鉆機(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?，F(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伸縮式氣腿，重量更輕，操作移動方便，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)鉆孔效率會降低。
氣動錨桿鉆機(jī)特性分析
氣動錨桿鉆機(jī)的切割機(jī)構(gòu)由氣動馬達(dá)實(shí)現(xiàn)，
氣動馬達(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，即能自動保證較好的鉆進(jìn)效果。
氣動馬達(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)和電動鉆機(jī)具有更大的性能優(yōu)勢。
1.2.2.2電動錨桿鉆機(jī)
電動錨桿鉆機(jī)是由專用防爆電機(jī)驅(qū)動實(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)采用電動機(jī)與液壓油缸相結(jié)合的形式，電動機(jī)安裝在液壓油缸頂端，通過齒輪減速，帶動鉆孔主軸旋轉(zhuǎn)。
電動錨桿鉆機(jī)的特點(diǎn)是動力源單一，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)是功率增大會受到電機(jī)重量的限制。
電動錨桿鉆機(jī)的性能分析 圖1－7 異步電動機(jī)輸出特性
電動錨桿鉆機(jī)的切割機(jī)構(gòu)由電動機(jī)通過減速器驅(qū)動鉆具回轉(zhuǎn)。為使結(jié)構(gòu)簡單，重
量輕，價(jià)格低，錨桿鉆機(jī)一般采用鼠籠式異步電動機(jī),因而其機(jī)械輸出特性表現(xiàn)出明顯的鼠籠電動機(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為電動機(jī)的過載能力。對錨桿鉆機(jī)來說，有兩點(diǎn)是重要的:異步電動機(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。異步電動機(jī)的過載能力，一般K=116~215，對于2~3kW隔爆型錨桿鉆機(jī)用電動機(jī)，K在118左右。
電動錨桿鉆機(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)間過長或巖石阻力超過對應(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力，帶動液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動。現(xiàn)多采用低速轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)，省去齒輪傳動機(jī)構(gòu)，直接帶動鉆機(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。不足的是重量較重，一般均在70kg以上，移動費(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，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
在氣動錨桿鉆機(jī)一統(tǒng)市場的情況下，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)
本章通過對錨桿鉆機(jī)的國內(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：氣動錨桿鉆機(jī)、電動錨桿鉆機(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，輪胎式移動速度快，但由于自身的重量較大，因而對路面要求較高，適用于城市記錄面附近作業(yè)。履帶式雖然 移動速度較慢且對路面具有損壞，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，解決了對路面的損壞問題，另外也可采用橡膠履帶。通過上述對比及錨桿鉆機(jī)的工作情況，底盤采用履帶式。
2.2 傳動方式
現(xiàn)在錨桿鉆機(jī)的傳動方式主要有氣動式、電動式和液壓式三種。其中氣動式是以壓氣為動力，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伸縮式氣腿，重量更輕，操作移動方便，不僅能鉆孔，換上附件還能安裝樹脂和水泥砂漿錨桿，動力單一、重量輕、搬運(yùn)方便、操作簡單。不足之處是需要有一力的氣源，壓力較小時(shí)鉆孔效率會降低；電動式是由專用防爆電機(jī)驅(qū)動實(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)采用電動機(jī)與液壓油缸相結(jié)合的形式，電動機(jī)安裝在液壓油缸頂端，通過齒輪減速，帶動鉆孔主軸旋轉(zhuǎn)。其特點(diǎn)是動力源單一，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)是功率增大會受到電機(jī)重量的限制并且只適用有由 圖2－2 液壓傳動錨桿鉆機(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力，帶動液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動。現(xiàn)多采用低速轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)，省去齒輪傳動機(jī)構(gòu)，直接帶動鉆機(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，移動不方便。經(jīng)過三種傳動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?。豢缮炜s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)動來 圖2－4 主臂
實(shí)現(xiàn)桅桿繞主臂的轉(zhuǎn)動。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，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)，通過油缸的動作來實(shí)現(xiàn)1繞銷軸的轉(zhuǎn)動，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作來推動鉸點(diǎn)O運(yùn)動，進(jìn)而推動連桿OD和OC分別繞其鉸點(diǎn)C、D轉(zhuǎn)動，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)動就分別推動了連桿DA、CB繞固定鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動，進(jìn)而推動夾持部分的夾緊與松弛，從而實(shí)現(xiàn)了對鉆桿的夾緊?！ ?
雖然該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對鉆桿的夾緊功能，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：它的參照圖如圖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)動帶動其擺動來時(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之間的油缸動作，推動2的固定銷軸繞1上的一小段圓弧槽移動，從而實(shí)現(xiàn)2的小角度擺動，然后2與3之間的油缸動作，推動3繞其與2之間鉸接及銷軸轉(zhuǎn)動，通過這一系列的動作就實(shí)現(xiàn)了對鉆桿的夾緊。其機(jī)構(gòu)分析，分別確定兩油缸的工作長度，它們的實(shí)際工作長度分別為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)到桅桿正對的位置后，鉆桿通過滑槽滑道動力頭下方，然后通過動力頭的旋轉(zhuǎn)及夾緊機(jī)構(gòu)的共同作用來實(shí)現(xiàn)接鉆桿。由于資料中對于馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的介紹有限，具體運(yùn)動的實(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棘爪移動，從而實(shí)現(xiàn)棘輪的轉(zhuǎn)動，棘輪式與換鉆裝置的轉(zhuǎn)軸裝配在一起的，棘輪的轉(zhuǎn)動帶動轉(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)
本章通過方案對比的方式分別對本課題中所涉及的錨桿鉆機(jī)的履帶、傳動方式、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速度較慢且對路面具有損壞，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)的傳動方式從氣動式、電動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力，帶動液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動。現(xiàn)多采用低速轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)，省去齒輪傳動機(jī)構(gòu)，直接帶動鉆機(jī)。而且它輸出的扭矩高于氣動錨桿鉆機(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)。
本章只是對錨桿鉆機(jī)的底盤、傳動方式、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)液壓動力裝置設(shè)計(jì)
3.1 傳動設(shè)計(jì)
鉆機(jī)的動力裝置采用液壓傳動，動力由馬達(dá)傳出通過齒輪傳動到鉆柱上，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)帶動內(nèi)外層鉆柱旋轉(zhuǎn)，由高頻沖擊油缸帶動內(nèi)層鉆柱振動，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)
傳動比 i=1.50
原動機(jī)載荷特性 SF=中等振動
工作機(jī)載荷特性 WF=強(qiáng)烈振動
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
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稱為液壓傳動，液壓振動是輸出振動頻率為脈沖的液壓傳動的特殊形式。液壓振動定義為：以液體為工作介質(zhì)，將壓力能轉(zhuǎn)換活塞運(yùn)動的動能，以輸出振動的形式來進(jìn)行能量傳遞的傳動方式。液壓振動產(chǎn)生的反方法有：直流液壓、交流液壓、自動配流、強(qiáng)制配流、自激振蕩、液壓射流。液壓振動的能量輸出有振動式和沖擊式兩種。
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?！ D3－1 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)施力角自動匹配，因而能以最優(yōu)的施力角度切入巖石，對硬巖進(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)動和機(jī)械運(yùn)動規(guī)律且受多種因素的影響與制約，運(yùn)動規(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)動和機(jī)械運(yùn)動理論，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?；钊\(yùn)動速度是不斷變化的，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)動周期內(nèi),配油閥閥芯往返運(yùn)動各一次，而閥芯的運(yùn)動引起液壓沖擊器內(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。所以，沖擊活塞所受到的作用力是非常復(fù)雜的，其運(yùn)動規(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，對實(shí)際系統(tǒng)中一些難以全面考慮而對分析結(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)動系統(tǒng)而活塞是動作的關(guān)鍵部件，因此探討活塞運(yùn)動規(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)液壓振動的理論基礎(chǔ)。
3.2.2.1 基本運(yùn)動方程
根據(jù)運(yùn)動體的動力平衡、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)動體聯(lián)合運(yùn)動的基本微分方程組，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、回油管油柱的動力平衡方程式
活塞的動力平衡方程式：
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(,)——活塞的主動油壓用力，N；
y，y——活塞運(yùn)動的速度、加速度，m/s、m/s；
，——工作缸對應(yīng)的壓力差，Pa；
——活塞的有效作用面積，m。
閥芯的動力平衡方程式：
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,)——閥的液動力(包括穩(wěn)態(tài)液動力和瞬態(tài)液動力)，N；
F(,)——閥芯所受的主動油壓作用力，N；
y，y——閥芯的運(yùn)動速度、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)動規(guī)律，方程中的各個(gè)量在沖擊器的各種不同運(yùn)動中有不同的計(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，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、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 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，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；
儲油量 V=V1+V2+V3=0.78L
3.3本章小結(jié)
本章通過對液壓動力裝置的分析與設(shè)計(jì)，初步了解了液壓振動沖擊器的幾種形式及其工作原理，通過對它們優(yōu)缺點(diǎn)的分析對液壓沖擊器進(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)一步簡化；液壓執(zhí)行元件由以下幾部分組成，它們分別為動力頭馬達(dá)、沖擊器、動力頭加壓馬達(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 動力頭部分
4.2.1.1 動力頭馬達(dá)
如圖所示，該圖為動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口流入動力頭平衡閥，流出后分流入動力頭馬達(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。動力頭馬達(dá)為變量馬達(dá)采用林得系列減速機(jī)對其進(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 動力頭驅(qū)動馬達(dá) 圖4-4 動力頭驅(qū)動馬達(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。控制油從兩位兩通換向閥流出后經(jīng)節(jié)流閥流入馬達(dá)變量油缸，從而推動該油缸活塞的往復(fù)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)對變量馬達(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，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)，具體型號為盤配流馬達(dá)4000系列。
4.2.1.2 加壓馬達(dá)
動力頭在鉆進(jìn)過程中沿桅桿上下移動，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，必須在動力頭處施加可以往復(fù)運(yùn)動的力，該力沿桅桿向下，是對動力頭施加壓力，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鋼絲繩沿桅桿上部的滑輪的移動來實(shí)現(xiàn)；通過馬達(dá)帶動滾筒轉(zhuǎn)動，滾筒轉(zhuǎn)動帶動鋼絲繩沿桅桿上部的滑輪上下移動來實(shí)現(xiàn)；通過馬達(dá)帶動鏈輪轉(zhuǎn)動，鏈輪的轉(zhuǎn)動帶動帶動鏈沿桅桿上下移動來實(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，在齒條上移動來實(shí)現(xiàn)。該方式可以充分的體現(xiàn)齒輪傳動的優(yōu)點(diǎn)，即傳動平穩(wěn)、準(zhǔn)確用容易實(shí)現(xiàn)控制，但其缺點(diǎn)是有噪音。通過多方因素的對比，最終選取馬達(dá)馬達(dá)帶動齒輪、齒條嚙合的方式。該部分馬達(dá)應(yīng)帶有自動鎖死功能，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