掘進(jìn)機(jī)機(jī)載錨桿機(jī)的設(shè)計(jì)與總體參數(shù)確定

李爭(zhēng)春

摘 要：針對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)載錨桿機(jī)，分析了錨桿機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則，闡述了錨桿鉆機(jī)破巖機(jī)理，確定了鉆機(jī)的總體性能參數(shù)，為設(shè)計(jì)提供理論支持。

關(guān)鍵詞：錨桿鉆機(jī) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 總體參數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）02（c）-0-02

掘進(jìn)機(jī)機(jī)載錨桿鉆機(jī)掘進(jìn)機(jī)和錨桿鉆機(jī)的聯(lián)合體，使掘進(jìn)機(jī)具有錨孔功能，并且鉆孔范圍更廣，效率更高，掘進(jìn)機(jī)在向前掘進(jìn)后，可以立即利用自身的支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行錨桿支護(hù)，解決了掘進(jìn)機(jī)切割與巷道支護(hù)之間時(shí)間跨度較大的瓶頸，極大地提高了進(jìn)給速度。操縱者在臨時(shí)支護(hù)條件下作業(yè)，提高了安全性。因此機(jī)載錨桿機(jī)在我國(guó)應(yīng)用前景廣闊，尤其是對(duì)于現(xiàn)代化高產(chǎn)高效

礦井[1]。

1 機(jī)載錨桿鉆機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

根據(jù)掘錨機(jī)組的功能參數(shù)和巷道支護(hù)的工藝流程，機(jī)載式錨桿鉆機(jī)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)該保證以下原則[5]。

（1）液壓錨桿鉆機(jī)的適應(yīng)性要強(qiáng)。

（2）掘進(jìn)機(jī)與液壓錨桿鉆機(jī)應(yīng)有良好的兼容性，功能獨(dú)立，不干涉。

（3）滿(mǎn)足掘進(jìn)機(jī)移位一次錨孔、排錨桿孔的要求。

（4）液壓錨桿鉆機(jī)液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)單，且泵站不需要單獨(dú)設(shè)置。

（5）機(jī)組要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、鉆孔深、機(jī)身矮、操作方便。

2 破巖機(jī)理

錨桿鉆機(jī)破巖時(shí)采用多刃切削鉆頭回轉(zhuǎn)切削巖石，在巖石上形成圓形巖孔。旋轉(zhuǎn)切削破巖要符合以下幾點(diǎn)要求[3]：鉆機(jī)具有一定的轉(zhuǎn)矩，以克服鉆頭切削阻力矩，有一定的輸出轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)鉆桿及鉆頭旋轉(zhuǎn)，具有一定的軸向推力，即對(duì)鉆頭施加一定的正壓力，實(shí)現(xiàn)鉆頭的進(jìn)給。

3 工作參數(shù)的初選

液壓錨桿鉆機(jī)的主要參數(shù)是推力、轉(zhuǎn)速和扭矩，鉆頭直徑、一次成孔深度等。在工作中鉆機(jī)鉆孔速度的快慢主要取決于鉆機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、推力的大小以及三者之間的匹配關(guān)系。液壓錨桿鉆機(jī)的鉆削特性就是鉆機(jī)在轉(zhuǎn)矩、推力、轉(zhuǎn)速作用下，鉆削破巖的性能及適應(yīng)負(fù)載的變化能力。下面分項(xiàng)說(shuō)明旋轉(zhuǎn)式液壓錨桿鉆機(jī)的各種參數(shù)及相互間的關(guān)系[8-9]。

3.1 適用普氏系數(shù)

煤礦井巷頂板的普氏系數(shù)，多數(shù)為f=4～10，煤巖普氏系數(shù)f=1～4。

3.2 鉆頭直徑

常用的鉆頭直徑分為3種：28；32；42（mm）。

3.3 確定額定扭矩

鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)切削破巖時(shí)，須克服切削阻力，轉(zhuǎn)矩隨巖石的抗壓強(qiáng)度增大而增大。因此，轉(zhuǎn)矩是保證鉆機(jī)鉆孔的基本性能參數(shù)。根據(jù)動(dòng)力學(xué)關(guān)于作用力方向與運(yùn)動(dòng)方向一致的原理，鉆翼切削部分的軸向推力和圓周切向力的合力方向，應(yīng)與鉆頭螺旋前進(jìn)的方向一致，當(dāng)勻速鉆進(jìn)時(shí)，該合力的大小保持不變并與巖石阻力互相平衡。鉆翼切削部分對(duì)巖石的擠壓力均勻分布在受壓面上，這個(gè)均布力可用一集中力代替（圖1），其作用點(diǎn)通過(guò)受擠壓巖石面的中點(diǎn)A。

式（7）說(shuō)明鉆頭每轉(zhuǎn)鉆進(jìn)度與扭矩成正比而與鉆頭內(nèi)外徑平方差及巖石抗壓強(qiáng)度的乘積成反比。這時(shí)馬達(dá)需要的轉(zhuǎn)矩：

煤礦巷道中錨桿鉆機(jī)每鉆鉆進(jìn)量極限為16 mm左右，這里取=16 mm，煤礦巷道巖石最大普氏硬度取8，那么巖石的抗壓強(qiáng)度為80 MPa，鉆頭外徑=32 mm，鉆頭內(nèi)徑=6 mm，計(jì)算后得馬達(dá)轉(zhuǎn)矩M=160 N·m，考慮到煤礦巷道中巖石硬度不統(tǒng)一等原因，最后取M=180 N·m。

3.4 轉(zhuǎn)速

錨桿鉆機(jī)鉆孔速度的快慢與鉆機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速有著密切的關(guān)系。當(dāng)功率和推力一定時(shí)，對(duì)于某一種巖石都有一個(gè)最優(yōu)轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速處于大于或小于最優(yōu)轉(zhuǎn)速時(shí)，鉆進(jìn)速度都不是最佳的。

鉆機(jī)的鉆進(jìn)速度：

式中，—鉆進(jìn)速度，mm/min；—鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。

當(dāng)轉(zhuǎn)速低于最佳轉(zhuǎn)速時(shí)，如果保持其鉆進(jìn)速度，意味著鉆頭每轉(zhuǎn)一圈的切削量加大，鉆頭的阻力加大，這樣無(wú)論是鉆頭還是鉆桿都會(huì)帶來(lái)很大的傷害；否則，鉆速將會(huì)降低。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于最優(yōu)鉆速鉆削巖石時(shí)，這樣就會(huì)造成鉆削巖石時(shí)所產(chǎn)生的巖屑不能及時(shí)的清理掉，導(dǎo)致鉆頭對(duì)巖屑重復(fù)的破碎，從而會(huì)大大降低鉆進(jìn)的進(jìn)度。最佳轉(zhuǎn)速與巖石的堅(jiān)固性系數(shù)f有關(guān)。當(dāng)遇到硬巖石時(shí)，鉆孔轉(zhuǎn)速就要適當(dāng)?shù)臏p小，遇到較軟的巖石時(shí)鉆孔轉(zhuǎn)速便可加大些。在保證一定的轉(zhuǎn)矩條件下，適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速可以提高鉆進(jìn)速度，但轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速保持良好的匹配關(guān)系仍是提高鉆機(jī)鉆進(jìn)速度的關(guān)鍵。選取馬達(dá)的最大轉(zhuǎn)速=400 r/min，鉆機(jī)的最大鉆速=7280 mm/min。

3.5 推力

旋轉(zhuǎn)切削破巖時(shí)，推力的大小可以決定鉆速的快慢，而且與比功（單位鉆削體積所耗功）有關(guān)，在這方面，前蘇聯(lián)學(xué)者阿里莫夫根據(jù)試驗(yàn)把它們的關(guān)系用推力與鉆速和比功的關(guān)系曲線(xiàn)來(lái)說(shuō)明，如圖2所示。根據(jù)巖石破碎學(xué)理論，鉆削破巖可分為以下四區(qū)：研磨區(qū)Ⅰ、研磨切削過(guò)渡區(qū)Ⅱ、切削區(qū)Ⅲ、阻塞區(qū)Ⅳ。在研磨區(qū)鉆速與推力呈線(xiàn)性關(guān)系，當(dāng)推力增加時(shí)，鉆速隨之增加的很小，而比功卻很大，此時(shí)加大推力鉆頭并不能正常切削巖石而處于研磨狀態(tài)。在阻塞區(qū)內(nèi)鉆速增長(zhǎng)率隨著推進(jìn)力的增加而下降，而消耗的比功則隨著推力的增加而上升很快，顯然在阻塞區(qū)內(nèi)也無(wú)法正常切削。在研磨切削過(guò)渡區(qū)，推力與鉆速是非線(xiàn)性關(guān)系，鉆速隨推力增加而增加，雖然比功增加不大，但是卻不是想要的效果。在鉆削區(qū)，鉆速與推力呈線(xiàn)性關(guān)系，鉆速快而比功最小，這樣才是切削破巖的最佳區(qū)域。

從鉆頭的結(jié)構(gòu)看：鉆頭的推力等于每一鉆翼推力的2倍，即：

1.比功與推力關(guān)系；2.鉆速與推力關(guān)系；A.第Ⅲ區(qū)的最高點(diǎn)

圖2 推力與鉆速和比功關(guān)系

3.6 一次成孔深度

對(duì)于不同硬度及不同斷面的巷道，要求錨桿孔的安裝深度也不同，錨桿鉆機(jī)一次成孔深度要盡量符合錨桿安裝孔深度要求，這樣換接鉆桿的時(shí)間就可以大大減少，這里要求錨桿鉆機(jī)的一次成孔深度為

1.4 m。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)巷道支護(hù)的工藝要求，分析確定了機(jī)載錨桿機(jī)的總體性能參數(shù)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支持。

參考文獻(xiàn)

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