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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 概述
1.1 引言
錨桿支護(hù)是近年來發(fā)展較快的一種井巷支護(hù)方法。它通過錨入圍巖內(nèi)的錨桿，改善圍巖本身的力學(xué)狀態(tài)，使支護(hù)體與圍巖本身形成一個統(tǒng)一的能夠承受載荷的結(jié)構(gòu)體，從而提高巖體自身的強(qiáng)度，阻止或延緩圍巖的變形發(fā)展，有效地保持圍巖的完整性和巷道斷面形狀。隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，錨桿支護(hù)技術(shù)被廣泛采用，錨桿鉆機(jī)的需求量急劇增加。我國生產(chǎn)錨桿鉆機(jī)的廠家較少，多數(shù)處于研制階段，不能滿足生產(chǎn)的需求，而國外進(jìn)口產(chǎn)品存在著價格、配件、維修等問題。因此，必須加快錨桿鉆機(jī)的研制開發(fā)步伐，大膽引進(jìn)國外先進(jìn)的制造和應(yīng)用技術(shù)，進(jìn)一步地消化、吸收，不斷地更新?lián)Q代，以滿足客戶需求。
錨桿鉆機(jī)是實(shí)現(xiàn)錨桿支護(hù)技術(shù)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)也得到快速發(fā)展。分析錨桿鉆機(jī)現(xiàn)狀, 展望它的發(fā)展, 有助于不斷促進(jìn)錨桿鉆機(jī)的技術(shù)進(jìn)步, 使其更適應(yīng)現(xiàn)代支護(hù)技術(shù)的需要。
1.2 國外錨桿鉆機(jī)的使用狀況
國外錨桿鉆機(jī)的品種與功能多樣, 技術(shù)性能優(yōu)越, 可靠性高, 并各有各的特點(diǎn)。相關(guān)資料顯示: 美國煤礦大量使用的是塔架鉆車式錨桿鉆機(jī), 工作效率達(dá)120～240 根, 現(xiàn)已著手開發(fā)計(jì)算機(jī)控制的全自動錨桿鉆機(jī)。法國生產(chǎn)的是轉(zhuǎn)架式錨桿鉆機(jī), 集鉆孔、安裝錨桿為一體, 并具有儲存錨桿桿體的錨桿倉。芬蘭則生產(chǎn)具有樹脂注射系統(tǒng)的鉆車式錨桿機(jī),使鉆孔、安裝錨桿桿體、注入粘接劑全由機(jī)械完成,機(jī)械化程度頗高。澳大利亞氣動支腿式錨桿鉆機(jī)主要有柱塞馬達(dá)與齒輪馬達(dá)式2 種, 采用玻璃鋼碳素纖維支腿, 能以礦物油和難燃液為工作液,回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由擺線液壓馬達(dá)驅(qū)動, 有的產(chǎn)品采用玻璃鋼碳素纖維支腿使機(jī)重減輕。
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)有瑞典PRB一300型，澳大利亞的克萊姆公司W(wǎng)OMBAT型，阿明克公司GOPHER型等；液壓錨桿鉆機(jī)有澳大利亞PROBAM型，英國WISP型等。特別是澳大利亞在風(fēng)動錨桿鉆機(jī)方面有著較為先進(jìn)的技術(shù)和產(chǎn)品，其特點(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)也只有l(wèi)0多年的歷史，這項(xiàng)錨桿支護(hù)技術(shù)在國外越來越受到重視，無論是房柱式開采，還是長壁式開采，都采用性能優(yōu)良、技術(shù)先進(jìn)、操作維修方便、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，12ED18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.
綜觀國外錨桿鉆機(jī)設(shè)備的發(fā)展歷程，國外錨桿鉆機(jī)的發(fā)展始終與錨桿支護(hù)理論不斷完善與發(fā)展緊密相聯(lián)、相互依存、相互促進(jìn)。同時，國外錨桿鉆機(jī)的研究不斷采用新材料、新工藝，并緊密結(jié)合國情，開發(fā)的每一代產(chǎn)品都能代表當(dāng)時的世界領(lǐng)先水平。國外錨桿鉆機(jī)的發(fā)展趨勢，一方面不斷完善現(xiàn)已普遍使用的單體錨桿鉆機(jī)，使其更可靠，更適應(yīng)現(xiàn)場需要；另一方面不斷加緊對掘錨一體化快速掘進(jìn)裝備的研究，目前已經(jīng)推廣使用了多款快速掘錨裝備。國外錨桿鉆機(jī)的研究與開發(fā)將會從這兩個方面開展，而且后者為今后發(fā)展重點(diǎn)[1]。
1.3 國內(nèi)錨桿鉆機(jī)的使用狀況
國內(nèi)錨桿鉆機(jī)的研制經(jīng)歷了30多年的歷程,曾先后研制出機(jī)械支腿式電動錨桿鉆機(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)械傳動支腿式電動錨桿鉆機(jī)等,目前已形成液壓式、電動式、氣動式3大系列。到目前為止,我國已開發(fā)了30多種型號和不同類型的錨桿鉆機(jī),但能夠適于井下使用且可靠性較好的只有3～4種產(chǎn)品。由于電動錨桿鉆機(jī)扭矩特性不好,有的產(chǎn)品過載能力不到額定值的2倍,不能滿足錨桿孔鉆進(jìn)時需克服相當(dāng)于額定扭矩2.5 倍左右的阻力矩的要求,產(chǎn)品固有可靠性不高,且與之配套的支腿都不是很理想,因此電動錨桿鉆機(jī)尚未正式在井下成批使用。目前煤礦錨桿鉆機(jī)多為回轉(zhuǎn)式,為配合推廣小直徑樹脂錨桿,鉆頭采用27mm～29mm的回轉(zhuǎn)鉆頭,其結(jié)構(gòu)類型多為兩翼對稱、兩翼不對稱和兩翼連筋式,可供鉆進(jìn)不同性質(zhì)巖石時選用。鉆桿由B19或B22 (少數(shù))六角中空鋼加工?，F(xiàn)在國內(nèi)使用錨桿鉆機(jī)的主流是氣動式和液壓式,兩者各有所長,各有所短。我們以山東兗煤制造的MQT- 90型氣動錨桿機(jī)和同煤集團(tuán)佳騰廠生產(chǎn)的MYT-100型液壓錨桿鉆機(jī)為例,對現(xiàn)使用的錨桿鉆機(jī)使用狀況進(jìn)行分析。MQT- 90 型氣動錨桿機(jī)由支腿、控制組件和動力組件3 大部分構(gòu)成。該機(jī)以壓縮空氣為動力。壓縮空氣通過馬達(dá)控制閥進(jìn)入馬達(dá),驅(qū)動馬達(dá)齒輪旋轉(zhuǎn),經(jīng)過兩級減速齒輪,減速后驅(qū)動鉆機(jī)主軸旋轉(zhuǎn),調(diào)節(jié)操縱扳手的角度,可改變主軸的轉(zhuǎn)速,隨之驅(qū)動鉆桿工作。當(dāng)打開支腿控制閥,壓縮空氣經(jīng)快速排氣閥進(jìn)入支腿氣缸,從而使氣缸體逐漸伸出,推動馬達(dá)上升,進(jìn)行鉆進(jìn)工作。改變操縱旋轉(zhuǎn)鈕角度,可改變支腿伸出速度。當(dāng)打開水閥時,壓力水通過集成塊水套進(jìn)入鉆桿、鉆頭進(jìn)而沖洗孔內(nèi)的鉆屑。改變操縱旋鈕旋轉(zhuǎn)角度,即能調(diào)節(jié)沖洗水能量的大小。該型號錨桿鉆機(jī)集鉆孔、攪拌、安裝錨桿于一身,實(shí)行螺母一次性扭緊, 達(dá)到初錨預(yù)緊力要求, 是頂板硬度f≤8 的各種巖巷、煤巷、半煤巷進(jìn)行錨護(hù)作業(yè)的理想工具。該機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、維護(hù)方便、適應(yīng)性強(qiáng),且體積小、重量輕、推力大、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定、可靠性好。MYT- 100 型液壓錨桿鉆機(jī)由主機(jī)和液壓泵站兩大部件組成。主機(jī)主要由旋轉(zhuǎn)機(jī)頭、三級伸縮油缸、支腿操縱臂組成。泵站由油箱、滑橇、防爆電機(jī)、齒輪泵、操縱控制元件、壓力表、液位計(jì)及管路附件等組成。另外,主機(jī)配有供水系統(tǒng),用中壓專用膠管供水,用以冷卻鉆頭、沖洗和防塵,實(shí)現(xiàn)濕式鉆孔。該機(jī)通過泵站輸出的壓力油, 經(jīng)過油管送至主機(jī),以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)支撐定位和鉆進(jìn)錨桿孔。該型號錨桿鉆機(jī)適用于煤礦頂板硬度f < 10 的各種巖巷、煤巷、半煤巷進(jìn)行錨護(hù)作業(yè)時鉆鑿錨桿孔和安裝錨桿。該機(jī)的特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾方面:先進(jìn)的馬達(dá)設(shè)計(jì)使該機(jī)轉(zhuǎn)矩大、效率高;噪音小、重量輕, 有效改善了作業(yè)環(huán)境,降低了勞動強(qiáng)度;先進(jìn)的回轉(zhuǎn)和支腿部件使該機(jī)可靠性和使用壽命提高; 液壓系統(tǒng)中馬達(dá)和支腿采用串聯(lián),并采用旁路節(jié)流系統(tǒng),合理利用能量,系統(tǒng)使用效率得到提高;采用可收縮支架,定位好,安全性好。針對煤礦經(jīng)濟(jì)狀況與煤巖、半煤巖巷道的具體特點(diǎn),單體回轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)是一個時期內(nèi)產(chǎn)品生產(chǎn)與開發(fā)的主流。從目前技術(shù)現(xiàn)狀看,在具有壓縮空氣源的條件下,氣動錨桿鉆機(jī)仍為首選產(chǎn)品。但是實(shí)踐中發(fā)現(xiàn), 由于煤礦井下壓縮空氣系統(tǒng)的輸送管道距離長,工作面氣體工作壓力偏低, 常常在0.4 MPa以下,使鉆機(jī)性能與鉆進(jìn)速度下降30%以上( 對應(yīng)0.63 MPa壓力),影響錨桿孔鉆進(jìn)的效果, 特別是在堅(jiān)硬巖石與深孔作業(yè)條件下,鉆進(jìn)作業(yè)更加困難。此外,噪聲偏大,雖然小于94 dB,但離職業(yè)健康安全管理要求還有距離。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。液壓錨桿鉆機(jī)輸出的扭矩高于氣動錨桿鉆機(jī),能夠達(dá)到140Nm,特別在堅(jiān)硬巖石作業(yè)條件下尤為明顯。此外,液壓錨桿鉆機(jī)與掘進(jìn)機(jī)配套是較優(yōu)越的工作方式之一。但是,該種鉆機(jī)液壓系統(tǒng)溫升過高,連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)2h后系統(tǒng)溫度升至65℃以上,性能急劇下降。而且過高的溫度易使工作液變質(zhì), 密封件容易早期失效。同時,由于以礦物油為工作介質(zhì),在煤礦井下使用存在一定安全隱患。鉆頭是回轉(zhuǎn)式錨桿孔鉆進(jìn)設(shè)備的重要鉆具,鉆頭型式與國產(chǎn)硬質(zhì)合金片的性能,影響鉆頭的應(yīng)用范圍。目前,普通硬質(zhì)合金的巖石鉆頭主要適用于頁巖、砂頁巖及部分砂巖(磨蝕性不高的砂巖),壽命為30m左右。高于常規(guī)鉆頭價格50%的國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)合金鉆頭,可以鉆進(jìn)抗壓強(qiáng)度60MPa～80MPa 的中等磨蝕性巖石, 壽命可達(dá)25m～30m。然而,相當(dāng)多的生產(chǎn)廠家因受經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動,不按標(biāo)準(zhǔn)要求組織生產(chǎn),硬質(zhì)合金質(zhì)量低劣,工藝技術(shù)不高,產(chǎn)品壽命只有10m～20m, 甚至是5m～10m。
1.4 我國錨桿鉆孔設(shè)備存在的主要問題
目前，錨桿鉆機(jī)實(shí)際利用率不高的主要原因是產(chǎn)品本身的可靠性問題，但使用問題也不容忽視。錨桿鉆機(jī)產(chǎn)品可靠性不高主要來自產(chǎn)品設(shè)計(jì)不成熟與加工質(zhì)量不高。有些產(chǎn)品的生產(chǎn)過程無可靠的質(zhì)量保證體系，元部件質(zhì)量無法保證，又沒有必要的檢測手段，產(chǎn)品性能與質(zhì)量無法控制，自然影響產(chǎn)品質(zhì)量。錨桿鉆機(jī)的科學(xué)使用問題未能引起足夠的重視。這里，既有制造廠家的問題，又有煤礦使用單位的問題。加強(qiáng)設(shè)備的科學(xué)使用與維修工作的管理，是錨桿鉆機(jī)充分發(fā)揮作用的重要保證。
1.4.1 鉆探裝備“三化”的問題
目前我國鉆探機(jī)械裝備的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化程度不高，系列產(chǎn)品少，同檔次產(chǎn)品多；優(yōu)質(zhì)高效產(chǎn)品少，低技術(shù)含量產(chǎn)品多；行業(yè)布局不合理，重復(fù)生產(chǎn)比較嚴(yán)重；深孔及大型設(shè)備少，中、小型普通設(shè)備多；市場急需的設(shè)備生產(chǎn)周期長，使用單位不得不花大量外匯從國外進(jìn)口；鉆機(jī)性能難以滿足多種鉆進(jìn)工藝發(fā)展的需要；整機(jī)傳動的液壓化程度和水平遠(yuǎn)低于國外同類型設(shè)備；設(shè)備的控制系統(tǒng)、運(yùn)行和工況的監(jiān)測系統(tǒng)十分落后，鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測儀表不夠完善；鉆掘設(shè)備的裝載型式落后，難于適應(yīng)施工的要求[2]。
1.4.2 鉆頭的適用性
鉆頭是回轉(zhuǎn)式錨桿孔鉆進(jìn)設(shè)備的重要鉆具。鉆頭形式與國產(chǎn)硬質(zhì)合金片的性能影響鉆頭的應(yīng)用范圍。目前，普通硬質(zhì)合金的巖石鉆頭主要適用于頁巖、砂頁巖及部分砂巖（磨蝕性不高的砂巖），壽命為30m左右。高于常規(guī)鉆頭價格50％的國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)合金鉆頭，可以鉆進(jìn)抗壓強(qiáng)度60MPa～80MPa的中等磨蝕性巖石，壽命可達(dá)25m～30m。然而，由于種種原因，國產(chǎn)鉆頭的質(zhì)量大部分不合格。
1.4.3 錨桿錨固力
錨桿與圍巖的相互作用十分復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中，多以抗拉拔力為錨固力，這是不確切的。錨桿靜止在圍巖中，處于自平衡狀態(tài)，依據(jù)錨桿失效破壞的特點(diǎn)，將此種錨桿的錨固力劃分為托板錨固力、擠脹錨固力、抗拉拔錨固力和抗剪切錨固力（簡稱托錨力、脹錨力、錨拉力和剪錨力），托錨力和錨拉力為軸向錨固力，脹錨力為徑向錨固力。
托錨力：托板阻止圍巖向巷道內(nèi)位移，對圍巖施加巷道徑向支護(hù)力，這種來源于托板使圍巖穩(wěn)定的力稱為托錨力。
脹錨力：柔性注壓錨桿通過內(nèi)注壓力（氣壓或液壓）的作用，對圍巖（錨孔）施加正壓力來抑制圍巖變形，產(chǎn)生對圍巖“擠壓加固”的效應(yīng)，對穩(wěn)定圍巖起著重要作用，此種力稱為脹錨力。
錨拉力：錨桿與錨孔間由錨桿對錨孔施加正壓力產(chǎn)生的摩檫力，錨桿用來抵抗抗拉拔的力，稱為錨拉力。
剪錨力：圍巖的變形多是從巖體中的弱面開始的，在圍壓的作用下，圍巖沿著弱面滑動或張開，最終導(dǎo)致巷道斷面的收縮。由于錨桿體貫穿弱面，它限制圍巖沿弱面的滑動和張開，這種限制力稱為剪錨力。盡管桿體所能提供的剪錨力同弱面的強(qiáng)度相比較小，但剪錨力的存在可使弱面不致因某個薄弱環(huán)節(jié)的突然破壞而影響原有承載力的發(fā)揮，同時錨桿的凹凸、錯位、受剪切等，為錨桿提供了額外的錨拉力。
1.4.3.1 導(dǎo)致錨固失效的主要原因
（1）鋼材的松弛和巖體的徐變
使用了性能不穩(wěn)定、易松弛的鋼材；在高應(yīng)力狀態(tài)下使用了普通鋼材。因受錨桿荷載的長期作用，巖體發(fā)生徐變引起應(yīng)力變化。巖體徐變可分為以下幾種形式：
①堅(jiān)硬完整的巖體：該類巖體受載荷后只在局部產(chǎn)生微小的徐變，對應(yīng)力的影響可以忽略不計(jì)。
②構(gòu)造復(fù)雜的巖體：構(gòu)造或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的巖體受載荷后發(fā)生徐變，引起應(yīng)力變化，巖體的穩(wěn)定性也受到影響。
③軟弱及膨脹性巖體：該類巖體很容易發(fā)生徐變（有文獻(xiàn)稱這種情況為流變），并將導(dǎo)致應(yīng)力改變。
（2）外在影響因素的變化
地震、地下水位的變化、爆破等因素的影響均可成為引起錨固失效的重要原因[9]。
1.5 錨桿鉆機(jī)的發(fā)展方向
錨桿鉆機(jī)不是一成不變的,它必然按一定規(guī)律向前發(fā)展。分析相關(guān)信息，總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),才能注意到煤礦錨桿鉆機(jī)發(fā)展的基本趨向,并有利于錨桿支護(hù)技術(shù)的不斷成熟。
從國外近些年來鑿巖（穿孔）設(shè)備的發(fā)展看，有幾個趨勢是很明顯的，一是設(shè)備還在向大型化發(fā)展;二是地下鑿巖的液壓化已成定局;三是設(shè)備將走向自動化和智能化；四是鑿巖（穿孔）設(shè)備還將不斷提高其維修性和可靠性；五是在大型的牙輪鉆機(jī)上將采用靜態(tài)交流電機(jī)驅(qū)動變頻調(diào)速。
1.5.1 在相當(dāng)一段時期內(nèi), 氣動、液壓單體回轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)仍是錨桿鉆孔設(shè)備的主流。
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),單體回轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)是一個時期內(nèi)產(chǎn)品生產(chǎn)與開發(fā)的主流。從目前技術(shù)現(xiàn)狀看,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。但是,如何解決壓縮空氣工作壓力不足的問題會逐漸引起人們的重視。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)揮氣動錨桿鉆機(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。一個時期內(nèi),液壓錨桿鉆機(jī)主要用于與掘進(jìn)機(jī)配套,共用其液壓泵站。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)的問題將適時提到日程上來電動錨桿鉆機(jī)的動力單一, 是今后錨桿鉆機(jī)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。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。
1.5.2 研究錨桿鉆機(jī)扭矩與改革鉆頭是發(fā)展回轉(zhuǎn)式錨桿孔鉆進(jìn)設(shè)備的關(guān)鍵。
回轉(zhuǎn)式錨桿孔鉆進(jìn)方式有其一定的優(yōu)越性,但若更加廣泛地應(yīng)用,必須首先從提高扭矩入手,配以適合的鉆頭,適應(yīng)鉆進(jìn)具有較高磨蝕性的巖石。提高鉆頭的壽命,離不開高新技術(shù), 要盡量采用新材料和新工藝, 特別是經(jīng)濟(jì)有效的表面強(qiáng)化技術(shù)。國外曾試驗(yàn)研究高壓水細(xì)射流技術(shù)和小孔徑金剛石鉆進(jìn)技術(shù),目前尚未正式用于錨桿孔鉆進(jìn)。硬質(zhì)合金仍是錨桿孔鉆進(jìn)的主要鉆具材料。采用高新技術(shù), 改進(jìn)硬質(zhì)合金片的性能,同時研究合理的鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù),仍是小直徑回轉(zhuǎn)式巖石鉆頭的主攻方向。
1.5.3 高新技術(shù)的發(fā)展有益于錨桿孔鉆進(jìn)技術(shù)的變革。
幾十年來,錨桿孔鉆進(jìn)設(shè)備技術(shù)水平已有了一定的提高。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有所變革,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)高科技微電子技術(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。國外現(xiàn)正在探討研究計(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。
1.6 本章小結(jié)
本章介紹了錨桿支護(hù)技術(shù)及實(shí)現(xiàn)錨桿支護(hù)技術(shù)的重要設(shè)備是錨桿鉆機(jī)，國外錨桿鉆機(jī)的品種與功能, 技術(shù)性能和特點(diǎn)。國內(nèi)錨桿鉆的發(fā)展現(xiàn)狀，到目前為止, 已開發(fā)了30 多種型號和不同類型的錨桿鉆機(jī)及具體介紹。另外還介紹了錨桿鉆機(jī)的發(fā)展方向。高科技與錨桿鉆機(jī)的結(jié)合。
第2章 錨桿鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 錨桿鉆機(jī)各類型及分析
從結(jié)構(gòu)型式上，錨桿鉆機(jī)可以分成臺車型、機(jī)載型和單體型三大類。
圖2-1固定式 圖2-2車載式
圖2-3履帶式 圖2-4 隧道式
2.1.1 單體錨桿鉆機(jī)
目前在巷道錨桿支護(hù)中，大量采用的是單體錨桿鉆機(jī)。它具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、移動靈活、適合手工操作等優(yōu)點(diǎn)。從機(jī)型結(jié)構(gòu)上分，單體錨桿鉆機(jī)可分為-架柱式、手持式和支腿式三種。
架柱式錨桿鉆機(jī)機(jī)身固定在巷道頂、底板與側(cè)幫之間，由推力裝置將鉆機(jī)沿導(dǎo)軌推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)鉆孔。這種架柱式錨桿鉆機(jī)整機(jī)重量較手持式錨桿鉆機(jī)和支腿式錨桿鉆機(jī)大，操作不方便，如國內(nèi)MZ系列液壓錨桿鉆機(jī)，國外美國VITOR公司生產(chǎn)的液壓鉆機(jī)等。
支腿式(手扶)錨桿鉆機(jī)是目前煤礦中錨桿鉆機(jī)應(yīng)用的主流，這種鉆機(jī)使用的靈活性優(yōu)于架柱式，按動力上進(jìn)行分有電動、液壓和氣動三種型式。
手持式錨桿鉆機(jī)與支腿式不同，它沒有推進(jìn)系統(tǒng)，適于煤巷側(cè)壁的使用，如:澳大利亞CRAM公司、眼鏡王蛇公司生產(chǎn)的幫錨桿鉆機(jī)，國內(nèi)煤科總院研制的ZQS一50型錨桿鉆機(jī).
電動錨桿鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)鉆削直接由電動機(jī)驅(qū)動，不需要二次能量轉(zhuǎn)換，設(shè)備效率高。但受電機(jī)重量的限制，一般輸出功率較小(2-3kW)，支腿的推進(jìn)需要采用另外動力源，且電機(jī)容易受潮，故障率高，同時也不很安全，故目前實(shí)際應(yīng)用較少.
液壓支腿式錨桿鉆機(jī)帶有分體的專用液壓站，由它提供的動力液驅(qū)動回轉(zhuǎn)切削用的液壓馬達(dá)和推進(jìn)用的液壓油缸，操作系統(tǒng)通過液壓閥組實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速、扭矩和推進(jìn)力的控制，這種鉆機(jī)輸出功率大，但主機(jī)重量較重，效率較低，維修相對困難。
氣動錨桿鉆機(jī)是目前國內(nèi)外大力發(fā)展的一種機(jī)型，應(yīng)用前景非常廣泛．最初，井下曾使用氣動鑿巖機(jī)來鉆鑿錨桿孔，但由于打頂眼困難、鉆孔質(zhì)量差、鉆進(jìn)速度低、勞動強(qiáng)度大，因而專用的氣動錨桿鉆機(jī)便受到人們的重視.
2.1.2 機(jī)載臺車型錨桿鉆機(jī)
由于臺車型錨桿鉆機(jī)(亦稱錨桿鉆車)和機(jī)載錨桿鉆機(jī)具有功率大、鉆孔能力強(qiáng)、功能齊全、適應(yīng)范圍廣、可自帶動力、操作安全等優(yōu)點(diǎn)，所以在國外應(yīng)用較多，但這兩類錨桿鉆機(jī)操作復(fù)雜，維護(hù)成本高，一次投資成本也大，因而在國內(nèi)使用較少。但瑞典Atlas-Copco公司、芬蘭Tamrock公司以及法國Secoma公司等歐洲國家的公司，仍然在臺車型錨桿鉆機(jī)方面具有競爭實(shí)力，其中Atlas-Copco公司、Tamrock公司臺車型錨桿鉆機(jī)的產(chǎn)品銷量占全世界臺車型錨桿鉆機(jī)總量的65%以上。機(jī)載錨桿鉆機(jī)主要是作為煤巷掘進(jìn)機(jī)的配套機(jī)具，早期的機(jī)載錨桿鉆機(jī)只是簡單的在煤巷掘進(jìn)機(jī)上附加一個或兩個鉆臂，雖然能夠?qū)嵤┿@錨桿孔，但是由于輔助油管很多，而且經(jīng)?；煸谝黄?，鉆機(jī)與煤巷掘進(jìn)機(jī)間工作時干涉較多，造成每成形1個錨桿孔輔助用時長，從而影響了巷道的掘進(jìn)進(jìn)尺。
目前，以ABM20為代表的新一代機(jī)載錨桿鉆機(jī)的開發(fā)使用，受到了現(xiàn)場的歡迎，該機(jī)設(shè)計(jì)時從總體上考慮了掘進(jìn)機(jī)和錨桿鉆機(jī)的工作狀況，將兩者有機(jī)的結(jié)合在一起，避免了相互干涉的問題，且油管的相對移動較少，隱蔽性好，另外它具有緊跟迎頭作業(yè)、速度快等優(yōu)點(diǎn)。新型錨機(jī)組的出現(xiàn)雖然只有10多年，但這種一體化的錨桿支護(hù)技術(shù)在國外越來越受到重視，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、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型采掘錨固機(jī)組、12ED18型采掘錨固機(jī)組、鮑拉特公司的E230型采掘錨固機(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。
本次設(shè)計(jì)的是臺車型錨桿鉆機(jī)[10]。
2.2 錨桿鉆機(jī)具體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.2.1變輻機(jī)構(gòu)種類及工作原理
1- 自動裝卸錨桿裝置；2- 主梁上下移動裝置；3- 回轉(zhuǎn)裝置；4- 變幅液壓油缸；5- 主梁；6- 主梁移動液壓油缸；7- 動臂；8- 起架液壓油缸；9- 伸縮臂；10- 回轉(zhuǎn)架；11- 左右調(diào)節(jié)液壓油缸變幅
圖2-5 變幅機(jī)構(gòu)圖
此變幅機(jī)構(gòu)由起架液壓油缸8動作，使動臂7、伸縮臂9（伸縮臂由液壓油缸控制其動作以滿足作業(yè)要求）達(dá)到預(yù)定狀態(tài)；變輻液壓油缸4 動作，使主梁5 和自動裝卸錨桿裝置1達(dá)到豎直狀態(tài)；其中液壓油缸4 動作，通過回轉(zhuǎn)架10使主梁5和自動裝卸錨桿裝置1同時在垂直平面內(nèi)擺動一定的角度。主梁上下移動裝置2，這種結(jié)構(gòu)可通過主梁上下移動油缸6 調(diào)節(jié)主梁在運(yùn)輸和起架時的位置，使整機(jī)的受力狀態(tài)達(dá)到最佳效果。雖然此變幅機(jī)構(gòu)使整機(jī)的高度增大，但通過調(diào)節(jié)不影響各工況的作業(yè)要求。
圖2-6 此變輻機(jī)構(gòu)由液壓油缸(2個),矩形伸縮臂組成,伸縮式變輻機(jī)構(gòu)有內(nèi)伸縮外伸縮之分,均有圓柱和矩形結(jié)構(gòu)形式,靠近底座的液壓油缸動作使伸縮臂上下擺動從而調(diào)整立柱高度,伸縮臂末端液壓油缸動作從而調(diào)整立柱與伸縮臂的夾角, 可快速準(zhǔn)確找到鉆孔位置.且此變輻機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊,控制方便,動作靈活。
圖2-7 此變輻機(jī)構(gòu)由三個液壓缸，兩個回轉(zhuǎn)裝置組成，臂右側(cè)液壓缸動作可以調(diào)整立柱與底座的夾角，左側(cè)的液壓缸動作可以調(diào)整立柱與車身的距離，使鉆孔位置更精確．另外采用兩個回轉(zhuǎn)裝置大大的避免了整個機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，行走移動實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、省時、方便的設(shè)想。
圖2-6伸縮式 圖2-7整體式
圖2-8此變輻機(jī)構(gòu)由大臂、小臂及兩個液壓缸組成,大臂下面的液壓缸動作可以控制變輻機(jī)構(gòu)與地面的夾角從而粗略控制鉆孔位置.小臂下面的液壓缸動作調(diào)整與大臂的夾角,從而精確控制鉆孔位置.另外，其立柱外面的矩形罩可以防噪音，防污染，對工人的工作環(huán)境起到了很好的保護(hù)作用．
圖2-9此變輻機(jī)構(gòu)有三個液壓缸，臂上面液壓缸和立柱旁的液壓缸協(xié)同動作使臂旋轉(zhuǎn)調(diào)整立柱與臂的角度，靠近底座的液壓缸動作可以改變臂與地面夾角近而控制立柱的高度，使得精確快速鉆孔。
.
圖2-8折疊式 圖2-9組合式
圖2-10折疊式
以上兩個變輻機(jī)構(gòu)均由三個液壓缸及大臂小臂組成，靠近底座的液壓缸動作帶動中間的液壓缸工作，進(jìn)而調(diào)整立柱與機(jī)身的距離，最外側(cè)液壓缸動作調(diào)整立柱與機(jī)身的夾角，其動作靈活變輻的范圍大。
本次設(shè)計(jì)中采用矩形伸縮式變輻機(jī)構(gòu)。
2.2.2 履帶的種類及工作原理
履帶是由主動輪驅(qū)動、圍繞著主動輪、負(fù)重輪、誘導(dǎo)輪和托帶輪的柔性鏈環(huán)。履帶由履帶板和履帶銷等組成。履帶銷將各履帶板連接起來構(gòu)成履帶鏈環(huán)。履帶板的兩端有孔，與主動輪嚙合，中部有誘導(dǎo)齒，用來規(guī)正履帶，并防止坦克轉(zhuǎn)向或側(cè)傾行駛時履帶脫落，在與地面接觸的一面有加強(qiáng)防滑筋（簡稱花紋），以提高履帶板的堅(jiān)固性和履帶與地面的附著力。
主動輪是個主動件，它由輪轂、齒圈、帶齒墊圈、錐齒杯、固定螺帽和止動螺栓組成。它通過齒輪和履帶嚙合，將側(cè)減速器傳來的動力傳給履帶而使坦克運(yùn)動。
誘導(dǎo)輪是從動輪，用來誘導(dǎo)和支撐履帶，并與履帶調(diào)整器一起調(diào)整履帶的松緊程度。它由輪轂、輪盤、滾珠軸承、輪軸蓋、固定螺帽、雙排滾珠軸承、支撐杯和回繞擋油蓋等組成。托帶輪主要用來托著上支履帶，沒有這種托帶輪，履帶就會發(fā)生撞擊。托帶輪軸的一端，牢固地固定在車體上。由于托帶輪直徑比負(fù)重輪小，其軸承的轉(zhuǎn)速卻高得多，然而它只支撐上支履帶，即履帶重量的1/3，以減少履帶的振蕩。
履帶調(diào)整器用來調(diào)整履帶的松緊度。它由支架、曲臂、軸套、蝸輪、蝸桿、螺桿、摩檫片和襯套等組成。履帶的張緊程度對坦克行駛和履帶壽命有較大影響。履帶過緊或過松都不好。不同的使用環(huán)境要求履帶有著不同的松緊度。如在堅(jiān)硬路面上行駛，應(yīng)將履帶張得緊些；在沙漠地區(qū)行駛則應(yīng)將履帶張得松些。另外，隨著履帶銷和銷耳孔磨損的增加，履帶也會變松。為了保持履帶的適當(dāng)張緊度，需要用履帶調(diào)整器來調(diào)節(jié)履帶的松緊。這是借助履帶調(diào)整器改變誘導(dǎo)輪相對于主動輪的距離來改變履帶的張緊度。履帶調(diào)整器使誘導(dǎo)輪向后擺動到某一位置，誘導(dǎo)輪就遠(yuǎn)離主動輪，于是履帶被張緊；履帶調(diào)整器使誘導(dǎo)輪向前擺動到某一位置，履帶就變得松些。
負(fù)重輪用來承受坦克的重量和規(guī)正履帶。它由輪轂、輪盤、膠帶、滾珠軸承、輪軸蓋、固定螺母、回繞擋油蓋等組成。負(fù)重輪數(shù)量多，可使每個輪子所承擔(dān)的重量小，對地面的壓力分布均勻，有利于提高坦克的通行性能。
當(dāng)發(fā)動機(jī)的動力傳到主動輪上時，主動輪按順時針方向撥動履帶，于是接地履帶和地面之間生產(chǎn)了相互作用力。根據(jù)力的作用與反作用原理，履帶沿水平方向給地面一個作用力，而地面給履帶一個反作用力，這個反作用力使坦克運(yùn)動，稱為坦克的牽引力。
由此看來，履帶地盤的機(jī)器能否運(yùn)動，主要受到兩個條件的限制；一是動力條件，二是地面條件。動力條件就是指發(fā)動機(jī)提供給坦克通過地面所必須的力量，沒有這個力量，主動輪就轉(zhuǎn)不動。地面條件則是指主動輪傳給履帶的力，必須由地面提供一個反作用力（即使履帶地盤的機(jī)器運(yùn)動的牽引力）才能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)牽引力和行駛阻力相等時，其就作等速運(yùn)動；當(dāng)牽引力大于行駛阻力時，其就加速行駛；當(dāng)牽引力小于行駛阻力時，其則減速行駛。
發(fā)動機(jī)的動力不斷地由主動輪傳出來，主動輪就不斷地?fù)軇勇膸Ь砝@運(yùn)動。于是機(jī)器在推進(jìn)過程中，一方面從誘導(dǎo)輪卷下去的履帶被鋪在地上，并壓在前進(jìn)滾動的負(fù)重輪下面；另一方面則把最后一個負(fù)重輪滾過的履帶由主動輪卷上來，如此周而復(fù)始，形成了一條其自行鋪設(shè)的軌道，而且是一條履帶地盤的機(jī)器跑到哪里就鋪到那里的“無限軌道”。其在前進(jìn)或后退時，兩條履帶就不斷地向前或朝后運(yùn)動，像是“自帶的路” [3]。
圖2-11 輪胎式錨桿鉆機(jī)底座 圖2-12 履帶式錨桿鉆機(jī)底座
圖2-13 履帶底座 圖2-14 履帶底座
圖2-13所示履帶底座是用在起重機(jī)上的，其載重大運(yùn)動平穩(wěn)． 圖2-14履帶底座是又一種形式的錨桿鉆機(jī)的履帶底座。相比之下其結(jié)構(gòu)簡單，載重小。履帶式行走裝置比輪胎的接地面積大，接地比壓小，履帶所支撐的全機(jī)重量都是附著重量，而且在履帶的支撐面上大多制有履刺，可以深入土內(nèi)，抓地能力強(qiáng)，因此比輪胎式行走裝置的附著牽引性能和通過性能都好得多。這種性能在履帶行使于松軟地面時尤其顯著。由于本機(jī)經(jīng)常在野外或道路凸凹不平的地方作業(yè)，因此底盤選取接地比壓小、適應(yīng)性強(qiáng)的液壓驅(qū)動履帶式底盤，其結(jié)構(gòu)與圖2-12類似。
本次設(shè)計(jì)采用圖2-12履帶式錨桿鉆機(jī)底座。
2.２.3 推進(jìn)機(jī)構(gòu)的種類及工作原理
鉆機(jī)的推進(jìn)機(jī)構(gòu)是體現(xiàn)鉆機(jī)重量和強(qiáng)度的關(guān)鍵部件，也是鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)其鉆孔功能的最主要部件，通常也稱作立柱。立柱一般由動力頭、夾持器、行走機(jī)構(gòu)組成。有的還裝有卸扣器、除塵罩、自動換錨桿裝置等。
行走機(jī)構(gòu)有:
(1)液壓推進(jìn)行走機(jī)構(gòu)是靠液壓缸的推力推動動力頭，從而達(dá)到推進(jìn)的作用。如圖2-15所示
(2)馬達(dá)-鏈這種推進(jìn)行走機(jī)構(gòu)是由馬達(dá)提供旋轉(zhuǎn)動力，帶動齒輪在鏈上轉(zhuǎn)動行走，從而實(shí)現(xiàn)推進(jìn)功能。如圖2-16所示
(3)馬達(dá)-齒條的推進(jìn)行走機(jī)構(gòu)工作原理同齒輪鏈的類似，是馬達(dá)提供旋轉(zhuǎn)動力帶動齒輪在齒條上轉(zhuǎn)動行走，從而實(shí)現(xiàn)推進(jìn)功能[4]。如圖2-17所示
圖2-15 液壓缸 圖 2-16 馬達(dá)-鏈 2-17 馬達(dá)-齒條
圖2-18 馬達(dá)-鏈
本次設(shè)計(jì)采用馬達(dá)-鏈的推進(jìn)機(jī)構(gòu)。動力機(jī)構(gòu)采用的結(jié)構(gòu)如2-18圖
2.2.4 動力機(jī)構(gòu)的種類及原理
(1) 馬達(dá)的選擇
馬達(dá)可分為氣馬達(dá)，油馬達(dá)，液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)是將輸入的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，以扭矩和轉(zhuǎn)速的形式輸送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)做功，是液壓傳動系統(tǒng)的執(zhí)行元件。
是實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的執(zhí)行元件，從原理上講，向容積式泵中輸入壓力油，使其軸轉(zhuǎn)動，就成為液壓馬達(dá)。常見的液壓馬達(dá)有齒輪式，葉片式和柱塞式等幾種主要形式；從轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速范圍分，有高速馬達(dá)和低速大扭矩馬達(dá)。
(2）液壓馬達(dá)的工作特點(diǎn)
①在一般工作條件下，液壓馬達(dá)的進(jìn)、出口壓力都高于大氣壓，因此不存在液壓泵那樣的吸入性能問題，但是，如果液壓馬達(dá)可能在泵工況下工作，它的進(jìn)油口應(yīng)有最低壓力限制，以免產(chǎn)生汽濁。
②馬達(dá)應(yīng)能正、反運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，就要求液壓馬達(dá)在設(shè)計(jì)時具有結(jié)構(gòu)上的對稱性。
③液壓馬達(dá)的實(shí)際工作壓差取決與負(fù)載力矩的大小，當(dāng)被驅(qū)動負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量大 、轉(zhuǎn)速高，并要求急速制動或反轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生較高的液壓沖擊，為此，應(yīng)在系統(tǒng)中設(shè)置必要的安全閥、緩沖閥。
④由于內(nèi)部泄露不可避免，因此將馬達(dá)的排油口關(guān)閉而進(jìn)行制動，仍會有緩慢的滑轉(zhuǎn)，所以，需要長時間精確制動時，應(yīng)另行設(shè)置滑轉(zhuǎn)的制動器。
⑤某些形式的液壓馬達(dá)必須在回油口具有足夠的背壓才能保證正常工作，并且轉(zhuǎn)速越高所需背壓也越大，背壓的增高油源的壓力利用率低，系統(tǒng)的損失大[5]。
本次設(shè)計(jì)中采用液壓馬達(dá) 。
2.2.5 自動換錨桿系統(tǒng)
桿處理始終是鉆進(jìn)工作中最繁重、最危險的工作，因?yàn)殂@桿的重量較重，而且一般都是采用手工裝卸。相反，這種自動的鉆桿處理系統(tǒng)是一種全液壓鉆桿自動裝拆系統(tǒng)，它免除了所有的手工作業(yè)，因而減輕了勞動強(qiáng)度，避免了意外事故的發(fā)生，并且可節(jié)約相當(dāng)多的非生產(chǎn)時間[6]。
自動鉆桿處理系統(tǒng)包括三個基本的組成部分：鉆桿貯存架、操作臂和夾持卸扣器。鉆桿存放在鉆桿架內(nèi)，鉆桿處理由操作臂和夾持卸扣器完成。首先夾持器將鉆桿卡住，卸扣器擰開鉆桿接頭處的螺紋，動力頭反轉(zhuǎn)至脫離鉆桿，然后上升到鉆桿貯存架上方。這時操作臂動作將貯存架旋至動力頭下方，使缺口處的鉆桿正對動力頭的回轉(zhuǎn)中心，動力頭下放并旋緊下一根鉆桿，然后提升鉆桿到一定高度，操縱臂旋回初始位置，動力頭下行完成鉆桿的對接，夾持卸扣器松開，接鉆桿完畢，便可繼續(xù)進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)。整個過程都不需要任何直接的人工輔助，而是由鉆機(jī)的操作者來完成。鉆進(jìn)工作結(jié)束時，與上述過程相反，便可將鉆桿從鉆桿柱上卸下，并存放到鉆桿貯存架內(nèi)[6]。
2.２.6 消聲器的種類及原理
噪聲是眾所周知的公害之一。它損害人的聽覺,影響人的健康和工作,嚴(yán)重時還會造成各種意外事故。所以噪聲問題已日益引起重視并把它作為改善勞動條件和保護(hù)環(huán)境的重要內(nèi)容之一。使用消聲器消除噪聲的主要措施是吸聲。吸聲使用吸聲材料,如玻璃棉、礦渣棉等裝飾在容器的內(nèi)壁,或敷設(shè)在管道的內(nèi)壁上,將噪聲吸收一部分,從而達(dá)到降低噪聲的目的。本產(chǎn)品使用的阻性消聲器是利用在氣流通道內(nèi)表面的多孔吸聲材料來吸收聲能。其結(jié)構(gòu)簡單,能在較寬的高頻范圍內(nèi)消聲,特別是對刺耳的高頻聲波有突出的消聲作用,但對低頻的消聲效果較差。
2.２.7 排渣機(jī)構(gòu)的原理
機(jī)載干式除塵技術(shù)是四臂錨桿鉆車的關(guān)鍵技術(shù)之一。它不僅關(guān)系到鉆機(jī)的工作效率，而且對井下操作工人的環(huán)境安全具有很大影響。為此，提出了真空三級干式除塵的思路，即采用于式機(jī)械除塵機(jī)構(gòu)，在設(shè)備上搭載三級串聯(lián)除華器，在真窄泵產(chǎn)生的負(fù)壓作用下。粉塵在流動的過程中，在重力等外力作用下，通過多級分離、落塵、過濾等形式使鉆孔所產(chǎn)生的粉塵落在固定的容器中，從而達(dá)到除塵效果。第一級采用旋流式除傘機(jī)理，大粒徑粉塵在負(fù)壓作用下，從切線方向水平進(jìn)入旋流器，高速旋轉(zhuǎn)的粉塵在重力作用下，向下排出，實(shí)現(xiàn)第一級粉塵分離。第二級除塵采用變徑落塵方式實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)專用的除塵箱體，在負(fù)壓作用下，經(jīng)第一級旋流除塵后的細(xì)小粉塵進(jìn)人箱體，通過2次上下變換路徑，使得粉塵流速發(fā)生變化，在重力作用下，較大粒徑粉塵再次降落儲存起來。最后一級除塵采用濾
芯過濾方式實(shí)現(xiàn)，通過濾芯后的最后粉塵通過消音器直接排出空氣中，過濾后可呼吸性粉塵密度小于1．5 mg,／m，形式如圖2-19所示。
a) b)
圖2-19 除塵箱
2.２.8 控制機(jī)構(gòu)的種類
控制機(jī)構(gòu)的形式如圖2-20
a) b)
c) d)
圖2-20 控制機(jī)構(gòu)
圖2-20（a）（b）駕駛室控制形式造價高，安全。（c）（d）造價低，視野開闊，控制方便。在本次設(shè)計(jì)中采用駕駛室，這樣可保證工人的工作環(huán)境和安全[7]。
2.3 鉆機(jī)的工作原理
本次設(shè)計(jì)的錨桿鉆機(jī)采用沖擊旋轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)，較普通的錨桿鉆機(jī)增加了一套沖擊機(jī)構(gòu)。沖擊機(jī)構(gòu)有液動沖擊器和風(fēng)動沖擊器，它們也各有特點(diǎn)。液動沖擊器具有結(jié)構(gòu)簡單，易損件少，沖擊器不受孔內(nèi)圍壓、介質(zhì)密度、溫度等的影響，鉆具系統(tǒng)工作平穩(wěn)等特點(diǎn)[2]。風(fēng)動沖擊器工作時單次沖擊功瞬間可產(chǎn)生極大的作用力，既可用于軟層沖擊擠密不排土鉆進(jìn)，又可用于非開挖鋪管的夯管技術(shù)。因設(shè)計(jì)力求結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、連續(xù)工作時間長等目的，所以選擇了液壓沖擊器。而風(fēng)動沖擊器雖然瞬間沖擊功大，但風(fēng)動將導(dǎo)致較大的噪聲，考慮其對工作人員及其周邊環(huán)境的影響，故不予采用。同時這種設(shè)計(jì)也使得整個錨桿鉆機(jī)傳動穩(wěn)定、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)，這些都是我們所追求的。本次設(shè)計(jì)的錨桿鉆機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖2-21所示。
2.3.1 沖擊旋轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)原理
沖擊旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)是在旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加一套沖擊機(jī)構(gòu)。鉆頭鉆桿的旋轉(zhuǎn)是由動力機(jī)構(gòu)經(jīng)過齒輪傳動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，沖擊機(jī)構(gòu)是在沖擊錘的往復(fù)運(yùn)動中實(shí)現(xiàn)沖擊功能的。鉆進(jìn)時，鉆頭在鉆桿的帶動下做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，而沖擊錘在循環(huán)介質(zhì)（壓縮空氣或水）的推動下，對孔底巖石進(jìn)行沖擊破碎。這樣在鉆頭上存在的旋轉(zhuǎn)方向上的旋轉(zhuǎn)力和軸心方向上的靜壓力及沖擊力聯(lián)合作用，使巖石在破碎時，內(nèi)部裂隙得到擴(kuò)張，在裂隙尖角出現(xiàn)應(yīng)力集中，同時在高頻的沖擊力作用下，應(yīng)力波在巖石內(nèi)部還來不及擴(kuò)散，并出現(xiàn)應(yīng)力集中，這兩種情況的出現(xiàn)，使巖石強(qiáng)度大大降低，并隨著旋轉(zhuǎn)力的作用，出現(xiàn)大塊大塊的崩落現(xiàn)象，破碎效果非常明顯[8]。
圖2-21 整機(jī)裝配圖
2.3.2 沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)
2.3.2.1 鉆進(jìn)效率高
由于單次沖擊能量較大，巖石破碎更主要的以體積破碎形式出現(xiàn)，排渣速度高，孔底干凈，無重復(fù)破碎現(xiàn)象。生產(chǎn)實(shí)踐證明，沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)效率比普通金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)提高了3～5倍[4]。
2.3.2.2 鉆具轉(zhuǎn)速低
由于鉆具轉(zhuǎn)速低，減少了鉆具與孔壁的碰撞機(jī)會，同時沖擊器高頻對孔底沖擊，減小了對破碎或傾斜地層的影響，從而保證了鉆孔的平直度，提高了鉆孔質(zhì)量，而且也不易出現(xiàn)孔壁坍塌等事故。
2.3.2.3 鉆壓和扭矩小
由于鉆壓低，不僅改善了鉆桿的受力狀況，而且回轉(zhuǎn)扭矩也十分小，對設(shè)備能力要求不高。這樣可以減輕鉆機(jī)設(shè)備的質(zhì)量，使該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在大口徑硬巖鉆進(jìn)、邊坡抗滑加固錨桿孔鉆進(jìn)等眾多領(lǐng)域。
2.3.2.4 具有較好的防斜效果
因鉆壓低、進(jìn)尺快，沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的孔斜一般情況下都可控制在1O/100m的范圍內(nèi)。
2.3.2.5 有效地提高了鉆頭的使用壽命
由于鉆速快，使得球齒鉆頭在孔底摩擦路徑縮短，故鉆頭磨損減小，提高了鉆頭的使用壽命。
2.3.2.6 不破壞含水層
使用沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中，由于孔內(nèi)沒有靜水柱壓力，排粉速度快，孔內(nèi)清潔，對含水層沒有堵塞和破壞作用，也可應(yīng)用于水井鉆進(jìn)和排水孔的施工[10]。
2.4 本章小結(jié)
本章主要介紹了錨桿鉆機(jī)的種類及其分析對比，錨桿鉆機(jī)的各機(jī)構(gòu)的種類及工作原理，以及方案的確定．采用了履帶底盤，操作機(jī)構(gòu)選擇了駕駛室，動力機(jī)構(gòu)為液壓馬達(dá)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為液壓缸，還采用了較為方便安全的自動換干裝置，還選擇了旋轉(zhuǎn)切削機(jī)構(gòu)，除此之外，還簡單介紹一些錨桿鉆機(jī)常見的問題及其產(chǎn)生原因和分析。
第3章 錨桿鉆機(jī)的計(jì)算與分析
3.1 回轉(zhuǎn)支承的選型與計(jì)算
回轉(zhuǎn)支承所承受的作用力包括總軸向力Fa ,總側(cè)翻力矩M，在力矩作用平面內(nèi)的總徑向力Fr。如果主機(jī)做提升動作，則提升載荷應(yīng)乘以提升慣性系數(shù)K（K=1.25）。按靜態(tài)工況下所承受的作用力選型并校核安裝螺栓強(qiáng)度，按動態(tài)工況下所承受的作用力校核壽命。
本設(shè)計(jì)采用單排四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承的計(jì)算
按靜態(tài)工況選型
（1）分別按承載角α為45°和60°兩種情況計(jì)算。
方法一 （α=60°）：
Fa′=（Fa+5.046Fr）fa （3-1）
M′=Mfa （3-2）
方法二 （α=45°）：
Fa′=（1.225Fa+2.2676Fr）fa （3-3）
M′=1.225Mfa （3-4）
式中 Fa——回轉(zhuǎn)支承當(dāng)量中心軸向力，10N；
M′——回轉(zhuǎn)支承當(dāng)量側(cè)翻力矩，10N·m;
Fa——回轉(zhuǎn)支承靜態(tài)工況下的安全系數(shù)
（2） 按動態(tài)工況校核壽命
方法一 （α=60°）：
Fa′=（Fa+5.046Fr）fd （3-5）
M′=Mfd （3-6）
方法二 （α=45°）：
Fa′=（1.225Fa+2.676Fr）fd （3-7）
M′=1.225Mfd （3-8）
式中：fd——回轉(zhuǎn)支承動態(tài)工況下安全系數(shù)。
本設(shè)計(jì)采用單排四點(diǎn)接觸球式（01系列）回轉(zhuǎn)支承；
選型：（承載角α=45°）
Fa′=（1.225Fa+2.676Fr）fa=33.24N
M′=Mfa=33.34N.m
所以：D =821，D=776，D=710×30，d=70，D=572.4，d =608，D=644，D=711。
3.2 切削參數(shù)的計(jì)算
3.2.1 切屑轉(zhuǎn)速的計(jì)算
(3-9)
式中 ——巖石的普氏堅(jiān)固系數(shù)，可取為；
——鉆孔直徑，mm；
——切削速度常數(shù)，，分別對應(yīng)最佳轉(zhuǎn)速區(qū)的下限和上限。
由于我們總是希望錨桿鉆機(jī)在鉆孔作業(yè)以最理想的方式進(jìn)行，因此設(shè)計(jì)中計(jì)算轉(zhuǎn)速時一般取最佳轉(zhuǎn)速的上限作為額定轉(zhuǎn)速，即：
根據(jù)工況要求?。?，最大鉆孔直徑=200mm，代入這兩個數(shù)據(jù)得到切削轉(zhuǎn)速；當(dāng)鉆=40mm最小直徑孔時，。
3.2.2 切削轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
鉆頭鉆孔時，巖石的破碎是在兩向載荷的同時作用下進(jìn)行的。
圖3-1切削力學(xué)分析圖 圖3-2切削參考圖
從圖3-1中可以看到，兩向載荷分別是推進(jìn)力引起的垂直鉆進(jìn)方向的載荷和切削轉(zhuǎn)矩引起的水平方向的載荷，它們的合力即為。這種情形與平面切削相似，刀具的各主要參數(shù)及其在切削時的作用力如圖3-2所示。按照巖石破碎學(xué)中的西松裕切削破碎模型，單位刃寬上的力的表達(dá)式為：
(3-10)
式中 ——單位刃寬上的合力，N/mm；
——巖石抗剪強(qiáng)度，MPa；這里的，由巖石力學(xué)性質(zhì)可知，又根據(jù)普氏系數(shù)與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，故=5.18MPa。
——切削厚度，mm；
——刀具前角，根據(jù)錨桿鉆機(jī)鉆頭的通用設(shè)計(jì)，前角一般??；
——合力與前刃面法線夾角，，其中為刀具與巖石之間的磨擦系數(shù)，取，則＝31.8o ；
——巖石內(nèi)磨擦角，類似的，，其中為內(nèi)磨擦系數(shù)，取，則=45o；
——應(yīng)力分布系數(shù)，與刀具前刃角有關(guān)，取，根據(jù)實(shí)際的刀具前角數(shù)值，這里取=0。
上述各參數(shù)中，在鉆孔切削中與在平面切削中是一樣的，而切削厚度在鉆孔切削中表現(xiàn)為每鉆的截深。鉆削運(yùn)動軌跡為螺旋線，它每鉆的截深受孔長和刀具以及巖石硬度的影響都較大。截深太小，影響效率，截深太大，會影響刀刃和鉆頭母體的使用壽命，并導(dǎo)致出現(xiàn)螺旋孔型。根據(jù)試驗(yàn)，在巖石抗壓強(qiáng)度為40~100MPa的情況下，取，這里取。將上述參數(shù)代入公式(3-2)，得到[11]。
根據(jù)圖3-2，單位刃寬上的切削力為，單位刃寬上的推進(jìn)力為。但鉆孔切削與平面切削有兩點(diǎn)不同之處：
一方面，鉆孔時的載荷分布情況與平面切削不同，平面切削可把載荷的分布視為沿刃面平均分布；而鉆孔時的情況則不同，刀刃中心和外緣切削巖石的數(shù)量和載荷分布是不等的，刀刃外緣，即鉆孔周邊實(shí)際受兩方面的剪切阻力，一是來自孔底，二是來自孔壁。因此我們可以假設(shè)在周邊所受的剪切阻力為平面切削時的二倍，平面切削時的剪切阻力為[12]：
(3-11)
將數(shù)據(jù)代入公式(3-3)得。
則切削刀刃外緣處的剪切阻力為＝2868.8N。
而轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：
(3-12)
取，將數(shù)據(jù)代入公式(3-4)得＝573.74Nm。
另一方面，鉆削破巖以切削破巖為主，但在鉆削過程中，塊率較大的巖屑的破碎，同時是克服了抗拉和抗彎強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)的。按巖石各種強(qiáng)度性能的分析中可知，在時，隨抗壓強(qiáng)度的增加，抗拉與抗彎強(qiáng)度成小斜率線性增加；當(dāng)時，它們的關(guān)系具有離散性。但抗拉強(qiáng)度與抗彎強(qiáng)度又呈現(xiàn)比較明顯的線性規(guī)律性。因此，回轉(zhuǎn)切削破巖可以由兩部分組成，一部分是克服抗剪阻力完成，它在鉆削過程中表現(xiàn)為較平穩(wěn)的一部分。另一部分是克服抗彎、抗拉強(qiáng)度完成的，它在鉆削過程中變化較大。在計(jì)算轉(zhuǎn)矩時增加一個拉彎影響系數(shù)，而的計(jì)算公式經(jīng)試驗(yàn)分析得出如下：
(3-13)
將＝7代入公式(3-5)得＝1.09。
這樣總的轉(zhuǎn)矩公式為：
(3-14)
將數(shù)據(jù)代入得=625.38Nm。這是在=0時的轉(zhuǎn)矩，在滿足工作要求的情況下，設(shè)計(jì)時可以適當(dāng)高于此值。
根據(jù)以上分析可知，當(dāng)時，，對轉(zhuǎn)矩的數(shù)值影響較小，可以忽略不計(jì)；當(dāng)時，的數(shù)值較大，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩也大為增加。所以，當(dāng)時，回轉(zhuǎn)切削鉆孔所需要的轉(zhuǎn)矩大幅上升，鉆機(jī)的鉆孔作業(yè)變得十分困難。因此，目前小功率錨桿鉆機(jī)的適用范圍一般在的巖石中，當(dāng)然時，錨桿鉆機(jī)所需要的功率將大大增加。
3.2.3 鉆削功率的計(jì)算
知道了和，則：
(3-15)
式中 ——機(jī)械傳動效率。
代入數(shù)據(jù)得=76.34kW。
從公式(3-2)、(3-6)和(3-7)中我們可以看到：第一，轉(zhuǎn)矩與巖石的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度成正比，即，，因而有，即轉(zhuǎn)矩與巖石的硬度近似成正比；第二，轉(zhuǎn)速與巖石的硬度成反比，從而與巖石的抗壓強(qiáng)度成反比關(guān)系。上述三個公式，簡單明了地表達(dá)出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和切削功率三者的關(guān)系。
3.3 本章小結(jié)
本章主要是設(shè)計(jì)中一些重要環(huán)節(jié)的計(jì)算，設(shè)計(jì)計(jì)算是必不可少的，是決定設(shè)計(jì)合理性的重要依據(jù)。通過計(jì)算得出數(shù)據(jù)顯示本次設(shè)計(jì)的各種參數(shù)都是合理的，并根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行整機(jī)結(jié)構(gòu)件的選取與設(shè)計(jì)。
第4章 有限元分析與整機(jī)穩(wěn)定性分析
4.1 重要零件的有限元分析
Cosmos是SRAC（Structural Research & Analysis Corporation）推出的一套強(qiáng)大的有限元分析軟件，自從Cosmos出現(xiàn)后，有限元分析的大門終于向普通工程師敞開，它易學(xué)易用，簡潔直觀，能夠在普通PC機(jī)上運(yùn)行，不需要專業(yè)的有限元分析經(jīng)驗(yàn)，可以迅速得到分析結(jié)果，從而最大限度的縮短設(shè)計(jì)周期，降低測試成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加大利潤空間。
CosmosWorks是一個與SolidWorks完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)，CosmosWorks提供了應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、約束分析、熱分析和優(yōu)化分析。為設(shè)計(jì)者在SolidWorks的環(huán)境下，提供比較完整的分析手段，并獲得修正和優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的必要信息，減少了復(fù)雜的計(jì)算，提高工作效率。
CosmosWorks集功能強(qiáng)大、計(jì)算精確和簡單好用三大特點(diǎn)于一身。使用它得到的零件應(yīng)力分布狀況，是與實(shí)際工況相接近的。通過對比零件的最大應(yīng)力與屈服應(yīng)力、最大應(yīng)力發(fā)生處與最小應(yīng)力發(fā)生處等數(shù)據(jù)，可以完成對零部件的強(qiáng)度校核，并根據(jù)具體情況對零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
如下是對伸縮臂的算例分析，初始條件如表4-1，表4-2所示。
表4-1伸縮臂的材料屬性
屬性名稱
數(shù)值
單位
數(shù)值類型
彈性模量
2.1e+011
N/m
恒定
泊松比
0.28
NA
恒定
抗剪模量
7.9e+010
N/m
恒定
質(zhì)量密度
7800
kg/m
恒定
張力強(qiáng)度
3.9983e+008
N/m
恒定
屈服強(qiáng)度
2.2059e+008
N/m
恒定
熱擴(kuò)張系數(shù)
1.3e-005
/Kelvin
恒定
熱導(dǎo)率
43
W/(m.K)
恒定
比熱
440
J/(kg.K)
恒定
表4-2 伸縮臂的網(wǎng)格信息
網(wǎng)格類型:
實(shí)體網(wǎng)格
所用網(wǎng)格器:
標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格
自動過渡:
關(guān)閉
光滑表面:
打開
雅可比檢查:
4 Points
單元大小:
30.986 mm
公差:
1.5493 mm
品質(zhì):
高
單元數(shù):
10293
節(jié)數(shù):
20773
完成網(wǎng)格的時間(時;分;秒):
00:00:05
計(jì)算機(jī)名:
WWW-29F40C8C677
分析結(jié)果如圖4-1
a) b）
C） d）
圖4-1 伸縮臂應(yīng)力分布云圖
從上四輻圖可得到位移變化最大的地方是第一節(jié)臂與第二節(jié)連接處，最大應(yīng)變發(fā)生在臂的上部絞點(diǎn)處，最小應(yīng)力是112.9MPa，發(fā)生在臂的中下部，應(yīng)力圖中不符合的地方為奇異點(diǎn)，所以經(jīng)分析得此設(shè)計(jì)中此臂可用。
對棘輪進(jìn)行分析，初始條件如表4-3，表4-4所示。
表4-3 棘輪的網(wǎng)格信息
網(wǎng)格類型:
實(shí)體網(wǎng)格
所用網(wǎng)格器:
標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格
自動過渡:
關(guān)閉
光滑表面:
打開
雅可比檢查:
4 Points
單元大小:
8.6623 mm
公差:
0.43311 mm
品質(zhì):
高
單元數(shù):
15703
節(jié)數(shù):
24660
完成網(wǎng)格的時間(時;分;秒):
00:00:03
計(jì)算機(jī)名:
WWW-29F40C8C677
表4-4 棘輪的材料屬性
屬性名稱
數(shù)值
單位
數(shù)值類型
彈性模量
2.1e+011
N/m
恒定
泊松比
0.28
NA
恒定
抗剪模量
7.9e+010
N/m
恒定
質(zhì)量密度
7700
kg/m
恒定
張力強(qiáng)度
7.2383e+008
N/m
恒定
屈服強(qiáng)度
6.2042e+008
N/m
恒定
熱擴(kuò)張系數(shù)
1.3e-005
/Kelvin
恒定
熱導(dǎo)率
50
W/(m.K)
恒定
比熱
460
J/(kg.K)
恒定
硬化因子 (0.0-1.0; 0.0=同向性; 1.0=運(yùn)動性)
0.85
NA
恒定
從圖4-2可以看出，棘輪的最大應(yīng)力為129.1MPa，發(fā)生在棘輪輪齒的根部。使用的材料是45號鋼，屈服應(yīng)力是355MPa，安全系數(shù)約為2.7。因?yàn)榧喪且粋€操作頻繁的零件，且經(jīng)常與棘爪之間發(fā)