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大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
第1章 緒論
1.1 選題的背景、意義及目的
鉆孔機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，鉆機產(chǎn)品也隨之進入快速發(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，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)鉆機的使用情況來看，仍存在一些問題需要認真討論與分析，并在技術(shù)上作出相應(yīng)的改進和提高，才能更有利于我國鉆機制造業(yè)的發(fā)展，并進一步提高我國同類鉆機的設(shè)計和制造水平。其中錨桿鉆機是實現(xiàn)錨桿支護技術(shù) 圖1－１ 錨桿鉆機
的重要機械設(shè)備，隨著錨桿支護技術(shù)的飛速發(fā)展，用于鉆鑿錨桿孔的錨桿鉆機也得到了快速發(fā)展。展望它的發(fā)展，有助于不斷促進錨桿鉆機設(shè)備的技術(shù)進步，其更加適應(yīng)現(xiàn)代支護技術(shù)的需要。
以往鉆機的設(shè)計研制過程,比較注重鉆機本身的輸出特性，一味通過追求盡可能大的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩來提高鉆機的破巖鉆進能力。但對于單體錨桿鉆機來說,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
度地提高鉆機輸出功。
圖1－2 主臂伸縮式錨桿鉆機
課題來源：于北京建筑機械化研究院合作的國家十一五重點攻關(guān)項目
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速度。現(xiàn)在氣動、液壓單體回轉(zhuǎn)式錨桿鉆機是一個時期的主流，綜觀國外錨桿鉆機發(fā)展歷程以及國內(nèi)多方面實踐,針對煤礦經(jīng)濟狀況與煤巖、半煤巖巷道的具體特點，在具有壓縮空氣源的條件下，氣動回轉(zhuǎn)式錨桿鉆機仍為首選產(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械設(shè)備，將成為進一步發(fā)揮該類鉆機作用的關(guān)鍵。
液壓回轉(zhuǎn)式錨桿鉆機因其工作壓力高、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型。一個時期內(nèi),液壓錨桿鉆機主要用于與掘進機配套,共用該液壓泵站。經(jīng)過一定時期以后，用戶會根據(jù)錨桿支護的需要與具體條件，進行綜合技術(shù)經(jīng)濟分析，在適宜的場所確定采用液壓回轉(zhuǎn)式錨桿鉆機。由于液壓錨桿鉆機使用量的增加，礦物油介質(zhì)的安全性問題會日益突出，開發(fā)難燃液錨桿鉆機的問題將適時提到日程上來。今后回轉(zhuǎn)式錨桿鉆機的發(fā)展前途，將是如何擴大鉆進巖石的范圍、提高產(chǎn)品可靠性與減輕機重。
電動錨桿鉆機的動力單一，是人們理想的首選機型。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，有利于錨桿孔鉆進技術(shù)的變革幾十年來，錨桿孔鉆進設(shè)備已有了一定的提高，隨著知識經(jīng)濟的發(fā)展，錨桿鉆機及其配套鉆具會逐漸變革，預(yù)計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)式鉆進方式擴大應(yīng)用范圍。
2、微電子技術(shù)在不同動力、不同類型錨桿鉆機上的應(yīng)用，可能會使錨桿鉆機發(fā)生某些根本性的變革，例如改變鉆機特性、改善操作性能、提高可靠性等。國外已探討計算機控制的錨桿孔鉆進與錨桿安裝的綜合性自動化設(shè)備。鑿巖機器人的成功應(yīng)用必將有力地促進錨桿孔鉆進設(shè)備的進步。
3、錨桿孔鉆進設(shè)備的發(fā)展，以錨桿支護技術(shù)與鑿巖技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)，錨桿支護新類型、新材料的出現(xiàn)會對錨桿鉆機的結(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 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，但適于井下使用且可靠性較好的只有3~4種產(chǎn)品。目前錨桿鉆機技術(shù)發(fā)展狀況有以下基本特點：1 單體氣動回轉(zhuǎn)式錨桿鉆機是錨桿鉆機產(chǎn)品的主流，在齒輪式、柱塞式和葉片式3種類型氣動馬達中，葉片馬達式已基本淘汰，齒輪式馬達與柱塞式馬達在扭矩-轉(zhuǎn)速特性、不同氣壓下的性能、噪聲特性、機重、對潤滑的要求與抗污染等方面各有優(yōu)缺點，在不同使用條件下都有各自的市場?？偟膩碚f國產(chǎn)氣動錨桿鉆機的水平逐步提高，齒輪氣動馬達式已基本能代替進口產(chǎn)品，但玻璃鋼支腿等部分的可靠性應(yīng)進一步提高；柱塞馬達式錨桿鉆機尚處于小批量生產(chǎn)階段,尚需進一步考核。
2 電動錨桿鉆機的輸出特性較差，鉆孔速度低，電機可靠性及防水性存在嚴重問題，尚無良好的推進方式。近期尚難大量用于井下錨桿支護。
3 液壓錨桿鉆機輸出的扭矩高于氣動錨桿鉆機，與掘進機配套是較優(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。
隨著錨噴支護技術(shù)的推廣和應(yīng)用，作為錨噴施工工具的錨桿鉆機的優(yōu)劣直接影響著錨桿孔施工和生產(chǎn)效率，錨桿鉆機按動力源分電動錨桿鉆機、氣動錨桿鉆機和液壓錨桿鉆機。通過上述分析與研究，由于液壓錨桿鉆機具有扭矩大、鉆削破巖性好等特點，從而得到推廣應(yīng)用，本課題所涉及的錨桿鉆機液壓系統(tǒng)設(shè)計是液壓錨桿鉆機的重要組成部分，它意在研究液壓錨桿鉆機的液壓原理與輔助部分，總體方案包括主機和泵站的液壓部分及接頭與管路等。主機的液壓部分主要由液壓馬達、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。液壓馬達和支腿作為鉆機的執(zhí)行元件，一個作旋轉(zhuǎn)運動,輸出扭矩；一個作直線運動，作為鉆機工作時的支撐。通過對錨桿鉆機液壓系統(tǒng)設(shè)計，進而更好的推進液壓錨桿鉆機的推廣應(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；五是大型牙輪鉆機上已廣泛采用靜態(tài)交流電機驅(qū)動變頻調(diào)速。
1.2.1 國外錨桿鉆機技術(shù)發(fā)展狀況
目前國外應(yīng)用較為普遍的單體錨桿鉆機主要有風動和液壓錨桿鉆機兩種。風動錨桿鉆機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;液壓錨桿鉆機有英國WISP型，澳大利亞PROBAM型等?！ ?
特別是澳利亞在風動錨桿鉆機方面一直保持著較為領(lǐng)先的技術(shù)和產(chǎn)品，主要有柱塞馬達與齒輪馬達2種，采用玻璃鋼碳素纖維支腿，產(chǎn)品特點是重量輕，扭矩大，噪音低，耗氣量小，機身矮等。
新型錨機組的出現(xiàn)雖然只有10多年，這種一體化的錨桿支護技術(shù)在國外越來越受 圖1－4 多臂式錨桿鉆機
到重視，發(fā)展也很快，常采用性能優(yōu)良，技術(shù)先進，操作維修方便，并且可以進行多孔鉆進。應(yīng)用范圍廣的錨桿鉆機與采掘設(shè)備配套的錨機組。如喬伊公司生產(chǎn)的14CM10型采掘錨機組，2ED18型采錨機組，鮑拉特公司的E230型掘錨機組，郎艾道公司的RB1-50L型錨桿鉆車等班工作效率已達120~240根。
1.2.2 國內(nèi)錨桿鉆機的研制狀況
我國煤礦專用錨桿鉆機的研究始于20世紀70年代末,先后研制過機械支腿式錨桿鉆機，鉆車式錨桿鉆機，支腿與導軌式液壓錨桿鉆機，支腿式氣動錨桿鉆機，非機械傳動電動錨桿鉆機，機載式錨桿鉆機等錨桿鉆機按結(jié)構(gòu)不同有鉆車式、機載式、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)品破巖機構(gòu)動力不同有氣動、電動、液動三大系列30多個品種。
1.2.2.1 氣動錨桿鉆機
氣動錨桿鉆機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，該類鉆機采用氣動沖擊鑿巖，鉆孔速度快,特別適合在中硬巖石中鉆孔、動力單一、重量輕、搬運方便、操作簡單。其缺點是噪音大，工作環(huán)境較為艱苦，影響人的身心健康，在風壓低時會影響鉆孔效率?！ D1－5 氣動錨桿鉆機
氣動旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機是20世紀80年代我國在引國外同類鉆機的基礎(chǔ)上開發(fā)研制成功的。主要由風馬達，氣腿和操縱臂組成?，F(xiàn)有的機型有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，壓力較小時鉆孔效率會降低。
氣動錨桿鉆機特性分析
氣動錨桿鉆機的切割機構(gòu)由氣動馬達實現(xiàn)，
氣動馬達的機械輸出具有明顯的軟特性 (圖1－6)。推進機構(gòu)由氣缸完成，由于氣體的可壓縮性，其推力和推進速度也具有彈性輸出的特點。它與氣動馬達的軟特性一起，共同組成了回轉(zhuǎn)機構(gòu)和推進機構(gòu)的彈性配合這與巖石鉆孔特性極其相似，合理的選擇兩個機構(gòu)
的輸出參數(shù)，使其隨著巖石鉆進阻力的 圖1－6 氣動馬達輸出特性
變化,鉆機的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速和推進力!推進速度同時彈性配合地變化，即能自動保證較好的鉆進效果。
氣動馬達空轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速最高,隨鉆進阻力增大、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,當巖石鉆進阻力超過額定值時，氣動馬達轉(zhuǎn)速變慢，推進氣缸速度亦變慢，氣體被壓縮積蓄能量直至足于克服鉆進阻力時，鉆機繼續(xù)正常工作。因此風動錨桿鉆機又具有一定的過載能力，這比液壓鉆機和電動鉆機具有更大的性能優(yōu)勢。
1.2.2.2電動錨桿鉆機
電動錨桿鉆機是由專用防爆電機驅(qū)動實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)切削的。其結(jié)構(gòu)形式目前多為便攜式。這類鉆機采用電動機與液壓油缸相結(jié)合的形式，電動機安裝在液壓油缸頂端，通過齒輪減速，帶動鉆孔主軸旋轉(zhuǎn)。
電動錨桿鉆機的特點是動力源單一，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，可直接進入迎頭作業(yè)，特別適用于煤巷和回采巷道的支護。其主要缺點是功率增大會受到電機重量的限制。
電動錨桿鉆機的性能分析 圖1－7 異步電動機輸出特性
電動錨桿鉆機的切割機構(gòu)由電動機通過減速器驅(qū)動鉆具回轉(zhuǎn)。為使結(jié)構(gòu)簡單，重
量輕，價格低，錨桿鉆機一般采用鼠籠式異步電動機,因而其機械輸出特性表現(xiàn)出明顯的鼠籠電動機的特點(圖1)。圖中最大轉(zhuǎn)矩Mmax與額定轉(zhuǎn)矩Mn之比K為電動機的過載能力。對錨桿鉆機來說，有兩點是重要的:異步電動機的硬特性,即
轉(zhuǎn)速n隨轉(zhuǎn)矩M的增大下降不多(圖1－7中AB段)，由于鼠籠式電動機轉(zhuǎn)子自我閉合電路不能外接附加電阻改變機械特性，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。異步電動機的過載能力，一般K=116~215，對于2~3kW隔爆型錨桿鉆機用電動機，K在118左右。
電動錨桿鉆機的鉆進推力由井下靜壓水產(chǎn)生的壓力提供。鉆進時，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，有較好的鉆進效果。但若超過D點后，鉆機只能依靠其過載能力短時在DB段工作，若時間過長或巖石阻力超過對應(yīng)的Mmax時，鉆機即卡鉆停止，這種頻繁卡鉆的現(xiàn)象時有發(fā)生，使回轉(zhuǎn)機構(gòu)產(chǎn)生早期損壞。
1.2.2.3液壓錨桿鉆機
液壓錨桿鉆機是通過液壓馬達驅(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)，省去齒輪傳動機構(gòu)，直接帶動鉆機。
液壓錨桿鉆機可分為單體型和手持型2種形式。
單體鉆機主要是MZ系列，由主機,操縱架和泵站三大部分組成。這種機型只能鉆頂部錨桿孔，但鉆孔平穩(wěn)，一次推進行程長。不足的是重量較重，一般均在70kg以上，移動費力。 圖1－8 液壓錨桿鉆機
手持式鉆機主要有QYM系列，ZYX系列。這類鉆機液壓馬達直接安裝在推進油缸頂端，不需要減速裝置，液壓馬達直接帶動鉆機主軸旋轉(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，缺點是推進引程短，一般需要換釬桿。
為改變液壓錨桿鉆機由于泵站重量大，移動不方便缺陷，目前泵站，液壓錨桿鉆機常與采掘機械或裝巖機配套使用，結(jié)合在一起構(gòu)成采掘裝錨機組(機載錨桿鉆機)。這是采掘機械化應(yīng)用的發(fā)展趨勢，實現(xiàn)了采掘與支護平行作業(yè)。目前中科院南京所研制的機載錨桿鉆機可與中小型懸臂式掘進機如EHJ32，EBJ- 160HN等)配套，構(gòu)成掘錨機組,掘出頂板即可及時支護，距迎頭最小支護間距為0.2m，適用于巖石硬度f<10的各種巷道。
液壓錨桿鉆機的性能分析。
由于液壓錨桿鉆機所用馬達為定量馬達，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,鉆機停鉆，因而液壓馬達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 圖1－9 液壓馬達輸出特
行調(diào)整。液壓馬達輸出轉(zhuǎn)矩隨壓力增加的特性使鉆機在使用過程中克服不同巖石的阻力作功這點有較大的適應(yīng)性。
液壓錨桿鉆機的推進往往由同一泵站供液，推動力大小由推進液壓缸的缸徑和系統(tǒng)壓力決定，而推進速度則由系統(tǒng)流量確定。理想的液壓系統(tǒng)把回轉(zhuǎn)機構(gòu)的壓力，流量和推進機構(gòu)的壓力，流量4個參數(shù)在一定范圍內(nèi)進行自動調(diào)節(jié)，使鉆機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)象較為復雜。
1.3 課題所涉及的內(nèi)容
在氣動錨桿鉆機一統(tǒng)市場的情況下，扭矩的增大受到氣源壓力、馬達體積和重量的限制，而液壓錨桿鉆機由于有中、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，因而液壓錨桿鉆機的應(yīng)用將越來越廣。該課題在此基礎(chǔ)上進行的，所涉及的主要內(nèi)容有：錨桿鉆機的總體設(shè)計；錨桿鉆機的液壓系統(tǒng)原理分析與設(shè)計；錨桿鉆機的液壓系統(tǒng)的動力特性分析；錨桿鉆機的液壓系統(tǒng)的三維布管設(shè)計以及相關(guān)論文的撰寫。
1.4 本章小結(jié)
本章通過對錨桿鉆機的國內(nèi)外發(fā)展狀況的分析，了解了目前錨桿鉆機的主要分類：氣動錨桿鉆機、電動錨桿鉆機和液壓錨桿鉆機三種，同時分析了三種錨桿鉆機的優(yōu)缺點，通過上述分析選取液壓錨桿鉆機進行設(shè)計，進而確定了選題的目
的、義和本課題所涉及的主要內(nèi)容。
第2章 錨桿鉆機總體方案的確定
2.1 底盤
鉆機的底盤可分為固定式和車載式，由于錨桿鉆機多用于空山巷道和建筑用的錨桿支護，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)
公路運輸可采用汽車運輸，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，主要由風馬達，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、搬運方便、操作簡單。不足之處是需要有一力的氣源，壓力較小時鉆孔效率會降低；電動式是由專用防爆電機驅(qū)動實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)切削的，其結(jié)構(gòu)形式目前多為便攜式。這類鉆機采用電動機與液壓油缸相結(jié)合的形式，電動機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、可直接進入迎頭作業(yè),特別適用于煤巷和回采巷道的支護。其主要缺點是功率增大會受到電機重量的限制并且只適用有由 圖2－2 液壓傳動錨桿鉆機
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，帶動液壓馬達轉(zhuǎn)動?，F(xiàn)多采用低速轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)，省去齒輪傳動機構(gòu)，直接帶動鉆機。其馬達為定量馬達，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，鉆機停鉆，可以實現(xiàn)過載保護。其推進往往由同一泵站供液，推動力大小由推進液壓缸的缸徑和系統(tǒng)壓力決定，而推進速度則由系統(tǒng)流量確定，其缺點是泵站重量大，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 鉆進方式
錨桿鉆機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)式錨桿鉆機具有效率高、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等特點,是目前廣泛使用的鉆孔機具型式。但在實際應(yīng)用時,由于巷道圍巖構(gòu)造的復雜性，煤巷頂板常存在夾層等局部堅硬巖層，其硬度超過旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機的適應(yīng)范圍，致使旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機的使用受到限制，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)式錨桿鉆機的適應(yīng)范圍，以解決實際工作中存在的上述問題,是旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機進一步研究的內(nèi)容之一，為此選擇具有沖擊功能的旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機的方案。其基本思路是:在現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加一個沖擊機構(gòu),即 圖2－3 三種沖擊鉆進方式
所謂沖擊旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機,在正常頂板條件下，該錨桿鉆機仍以旋轉(zhuǎn)方式打錨桿孔，以充分發(fā)揮旋轉(zhuǎn)式鉆機高效的特點，但同時根據(jù)需要，可以輔以沖擊在旋轉(zhuǎn)鉆孔時超前沖擊破巖,使孔底巖石產(chǎn)生微觀裂隙，以使旋轉(zhuǎn)鉆孔更為有效。當遇到局部堅硬巖石時，以沖擊鉆孔為主，充分發(fā)揮沖擊破巖的特點并輔以旋轉(zhuǎn)切削，從而有效地解決不同圍巖頂板條件下的錨桿支護問題。上圖中為三種沖擊旋轉(zhuǎn)鉆機方式，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，在上部同時實現(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較為符合錨桿鉆機的鉆進工況要求，所以選取圖中的鉆進方式3，即在動力頭部分同時實現(xiàn)沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進。
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，但底盤固定時鉆機的作業(yè)范圍?。豢缮炜s式雖然承受載荷能力沒有整體式好，但底盤固定時鉆機的作業(yè)范圍大。 1 2 3
由于錨桿鉆機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油缸，通過油缸的運動來 圖2－4 主臂
實現(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，同時這兩部分是分別通過其上的鉸點與一油缸的兩個部分鉸接，組成一個四連桿機構(gòu)，通過油缸的動作來實現(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，同時該主臂的下側(cè)鉸點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現(xiàn)變幅調(diào)節(jié)，進而適應(yīng)不同的工況要求。
2.5 夾緊機構(gòu)
在以往的實習及學習中我們都見過石油鉆機上的夾緊機構(gòu)，在石油鉆機中該部分大多是半自動式的，即通過人力和機械共同作用來機械部分多采用氣動形式。而錨桿鉆機大多在礦用巷道或是護坡作業(yè)的鉆孔，工況環(huán)境較為復雜，所以應(yīng)采用全自動形式的。通過資料初步設(shè)計夾緊機構(gòu)方案一：它的機構(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O運動，進而推動連桿OD和OC分別繞其鉸點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A、B均為固定鉸點，所以連桿OD和OC的轉(zhuǎn)動就分別推動了連桿DA、CB繞固定鉸點轉(zhuǎn)動，進而推動夾持部分的夾緊與松弛，從而實現(xiàn)了對鉆桿的夾緊。
雖然該機構(gòu)可以實現(xiàn)對鉆桿的夾緊功能，但無形中增加了一個放大機構(gòu)，而且油
圖2－5 夾具機構(gòu)圖 圖2－6 三動力夾具圖
缸的布置在實際工作中易產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，所以不是理想的夾緊機構(gòu)。夾緊機構(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。該夾緊機構(gòu)是通過限位馬達的轉(zhuǎn)動帶動其擺動來時線夾緊與間歇的兩工作位置的變換，工作時，限位馬達將該機構(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現(xiàn)了對鉆桿的夾緊。其機構(gòu)分析，分別確定兩油缸的工作長度，它們的實際工作長度分別為37㎜、70㎜。
2.6裝卸鉆桿裝置
由于本課題所涉及的錨桿鉆機的最大鉆深為100米，所以在鉆進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所用的換鉆裝置進行設(shè)計，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，當一根鉆桿鉆進完成后，動力頭提起，通過控制液壓馬達式裝置旋轉(zhuǎn)，當鉆桿轉(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)及夾緊機構(gòu)的共同作用來實現(xiàn)接鉆桿。由于資料中對于馬達旋轉(zhuǎn)的介紹有限，具體運動的實現(xiàn)不是很清楚，通過老師的講解及在機構(gòu)設(shè)計手冊的查找，最后將馬達換成棘輪機構(gòu)，即通過雙作用油缸推動棘爪移動，從而實現(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)，從而實現(xiàn)換鉆桿。棘輪機構(gòu)是間歇機構(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，所以選取棘輪機構(gòu)代替馬達設(shè)計裝卸鉆桿裝置。
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的履帶、傳動方式、鉆進方式、主臂和夾緊機構(gòu)進行了選型及設(shè)計，通過對各部分方案的設(shè)計、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、美觀的最優(yōu)方案。
其中底盤考慮錨桿鉆機的作業(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，公路運輸可采用汽車運輸，另外也可采用橡膠履帶；鉆機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，帶動液壓馬達轉(zhuǎn)動?，F(xiàn)多采用低速轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)，省去齒輪傳動機構(gòu)，直接帶動鉆機。而且它輸出的扭矩高于氣動錨桿鉆機,與掘進機配套是較優(yōu)越的工作方式；鉆機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，因為錨桿鉆機的工作環(huán)境較為復雜，一般用于礦用巷道和護坡的支護用鉆孔，常遇到因巷道圍巖構(gòu)造和護坡環(huán)境的復雜性,存在著夾層等局部堅硬巖層，其硬度超過旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機的適應(yīng)范圍，致使旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機的使用受到限制，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)式的鉆進方式可以很好的解決這個問題，當遇到局部堅硬巖石時，以沖擊鉆孔為主，充分發(fā)揮沖擊破巖的特點并輔以旋轉(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)可以在底盤固定時鉆機鉆機實現(xiàn)較大的作業(yè)范圍，式和錨桿鉆機的作業(yè)要求；夾緊機構(gòu)是錨桿鉆機必不可少的組成部分，鉆機要實現(xiàn)深孔鉆進就避免不了要換鉆桿，而換鉆桿又避免不了要用到夾緊機構(gòu)，因此要實現(xiàn)射孔鉆進夾緊機構(gòu)就是必不可少的，現(xiàn)在夾緊機構(gòu)的形式很多，本章節(jié)中主要從兩種夾緊機構(gòu)的分析對比中選取的，其中一種是帶有一個由港和四根連桿、三個可動鉸點和兩個固定鉸點的放大機構(gòu)。另一種是內(nèi)部帶有一個限位馬達和兩個油缸，外部是三部分有兩個鉸點鉸接在一起并可分別繞其鉸點轉(zhuǎn)動的機構(gòu)，該機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，油缸可以看作是內(nèi)置式的，在鉆機工作時可以在很大程度減少夾緊機構(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，并且在實現(xiàn)對鉆桿的夾緊過程中不需要力的放大，第一種在鉆進過程中易發(fā)生卡住或干涉現(xiàn)象，不適合錨桿鉆機的工況要求，所以選擇第二種機構(gòu)。
本章只是對錨桿鉆機的底盤、傳動方式、鉆進方式、主臂、夾緊機構(gòu)的的機構(gòu)進行了選擇，而整機的工作部分如桅桿、動力頭、高頻沖擊器、鉆頭、鉆桿等還沒有進行選擇，將在后面的液壓系統(tǒng)的設(shè)計中進一步進行設(shè)計和完善。
第3章 鉆機液壓動力裝置設(shè)計
3.1 傳動設(shè)計
鉆機的動力裝置采用液壓傳動，動力由馬達傳出通過齒輪傳動到鉆柱上，最終實現(xiàn)鉆進。由于鉆進方式采用沖擊旋轉(zhuǎn)式，即由馬達帶動內(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行初步的校核。鉆機的技術(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 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
原動機載荷特性 SF=中等振動
工作機載荷特性 WF=強烈振動
預(yù)定壽命 H=10000(小時)
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
標準中心距 A0=132.00000(mm)
實際中心距 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、強度校核數(shù)據(jù)
齒輪1接觸強度極限應(yīng)力 σHlim1=1395.0(MPa)
齒輪1抗彎疲勞基本值 σFE1=880.0(MPa)
齒輪1接觸疲勞強度許用值 [σH]1=1450.0(MPa)
齒輪1彎曲疲勞強度許用值 [σF]1=639.6(MPa)
齒輪2接觸強度極限應(yīng)力 σHlim2=1302.7(MPa)
齒輪2抗彎疲勞基本值 σFE2=776.0(MPa)
齒輪2接觸疲勞強度許用值 [σH]2=1354.0(MPa)
齒輪2彎曲疲勞強度許用值 [σF]2=564.0(MPa)
接觸強度用安全系數(shù) SHmin=1.2
彎曲強度用安全系數(shù) SFmin=2.0
接觸強度計算應(yīng)力 σH=1267.2(MPa)
接觸疲勞強度校核 σH≤[σH]=滿足
齒輪1彎曲疲勞強度計算應(yīng)力 σF1=247.5(MPa)
齒輪2彎曲疲勞強度計算應(yīng)力 σF2=248.6(MPa)
齒輪1彎曲疲勞強度校核 σF1≤[σF]1=滿足
齒輪2彎曲疲勞強度校核 σF2≤[σF]2=滿足
齒輪1復合齒形系數(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 液壓馬達的選擇
經(jīng)過查找和對比選擇依頓系列馬達，該系列馬達結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠，適合非公路運輸車輛。最終選取該公司的盤配流馬達4000系列中的無軸承馬達（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
如何提高旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機的適應(yīng)范圍，以解決實際工作中存在的上述問題，是旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機進一步研究的內(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，其基本思路是：在現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加一個沖擊機構(gòu)，即液壓沖擊器，構(gòu)成所謂沖擊旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機。在正常頂板條件下，該錨桿鉆機仍以旋轉(zhuǎn)方式打錨桿孔，以充分發(fā)揮旋轉(zhuǎn)高效的特點，但同時根據(jù)需要，可以輔以沖擊，在旋轉(zhuǎn)鉆孔時超前沖擊破巖，使孔底巖石產(chǎn)生微觀裂隙，以使旋轉(zhuǎn)鉆孔更為有效；當遇到局部堅硬巖石時，以沖擊鉆孔為主，充分發(fā)揮沖擊破巖的特點，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)換活塞運動的動能，以輸出振動的形式來進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)鉆孔時的破巖理
如圖3－1所示，沖擊旋轉(zhuǎn)鉆孔時，鉆頭上同時作用著兩個方向的3個力，即旋轉(zhuǎn)方向的徑向力Pr，鉆進方向的軸向靜載荷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，是由沖擊機構(gòu)產(chǎn)生的，間斷時間由鉆機的沖擊頻率決定?！ D3－1 破巖機理
上述3個力相輔相成地使鉆頭進行有效地沖擊旋轉(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，使孔底的堅硬巖體產(chǎn)生微觀裂紋和旋轉(zhuǎn)
切削時的超前破碎，以便旋轉(zhuǎn)切削時,能在堅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。當靜動載荷同時作用在鉆頭上時，每次沖擊巖石破碎深度和體積比單純的沖擊要大的多。當沖擊能量一定時，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,當斜沖擊破碎時，都有一個最優(yōu)施力角,即鉆頭與巖石面成這一角度切入時，最容易使巖石破碎.由于沖擊旋轉(zhuǎn)鉆孔時，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動和機械運動規(guī)律且受多種因素的影響與制約，運動規(guī)律十分復雜，需采用非線性數(shù)學模型進行分析。
圖3－2為液壓沖擊器的結(jié)構(gòu)示意圖，根據(jù)流體運動和機械運動理論，可以建立其數(shù)學模型。它主要由沖擊機構(gòu)、配油機構(gòu)!高壓蓄能器、回油蓄能器以及連接它們的油道構(gòu)成。沖擊機構(gòu)由沖擊活塞和缸體組成，配油機構(gòu)由配油閥閥芯和閥體組成?；钊\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 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運動周期內(nèi),配油閥閥芯往返運動各一次，而閥芯的運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)律地變化的同時產(chǎn)生高頻波動。所以，沖擊活塞所受到的作用力是非常復雜的，其運動規(guī)律自然就十分復雜，完全按實際情況建立液壓沖擊器的數(shù)學模型就很困難，甚至是做不到的。既使是建立了這樣的數(shù)學模型，求它的解也會遇到難以解決的數(shù)學難題。一個仿真模型應(yīng)能盡量全面反映被仿真對象的實際物理過程，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?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，該考慮時僅當作集中參數(shù)來處理；
(6)、沒有改變油泵的排量時,油泵的供油量恒定不變；
(7)、油液中壓力波的傳遞時間忽略不計。
液壓沖擊器是由活塞、配流閥和蓄能器等組成的一個運動系統(tǒng)而活塞是動作的關(guān)鍵部件，因此探討活塞運動規(guī)律、建立沖擊器的理論模型是十分有意義的，這是設(shè)計液壓振動的理論基礎(chǔ)。
3.2.2.1 基本運動方程
根據(jù)運動體的動力平衡、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構(gòu)三大運動體聯(lián)合運動的基本微分方程組，即液壓沖擊器的數(shù)學模型，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——氮氣室壓力，Pa；
A——氮氣室與活塞接觸面面積，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
工作缸進油側(cè)(活塞!閥芯同時運動時)
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，對時間進行積分，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、閥芯同時運動時)
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、排油流量，m/s ；
Q(V)，Q6(V)——高、低壓蓄能器的進、排油流量，進油為負，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、低壓蓄能器和氮氣室的氣體狀態(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)
氮氣室：
pV=pV =C (常量) (3－10)
式中p, p, p分別為高、低壓蓄能器及氮氣室的初始充氣壓力，Pa；
V, V,V分別為高、低壓蓄能器及氮氣室的初始充氣容積，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、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)部的運動規(guī)律，方程中的各個量在沖擊器的各種不同運動中有不同的計算表達式。
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、活塞桿運動速度v，其中進口壓力即為系統(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；
導軌摩擦載荷：
Ff=(G+Fn) （3－13）
式中G——運動部件所受的重力，取10kN；
Fn——與導軌平行，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為活塞桿運動的加速度，為了計算可以看作活塞在沖擊過程中為勻加速運動，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間t=1/s=60/2200=0.0272s，即完成每次沖程的時間為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算
沖擊器活塞的實際作用面積：
A=（D-d） （3－16）
把數(shù)值代公式中，可以計算出：
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間非常短，可以看作該過程為勻速運動，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，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)缺點的分析對液壓沖擊器進行選型設(shè)計，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)進行計算。
第4章 錨桿鉆機的液壓系統(tǒng)原理設(shè)計分析
4.1 總體液壓原理圖
如圖4－1所示：
圖4－1 錨桿鉆機液壓原理圖
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）；由于錨桿鉆機在作業(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，在鉆進過程中只有液壓沖擊器、動力頭馬達（兩個）和加壓馬達四個元件在鉆進過程中共同作用，所以多路閥塊插裝電磁閥以降低控制的復雜性，使液壓原理進一步簡化；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、沖擊器、動力頭加壓馬達、裝卸鉆桿油缸、主臂伸縮油缸（兩個）、夾緊機構(gòu)油缸（兩個）、夾緊機構(gòu)旋轉(zhuǎn)馬達、桅桿水平調(diào)整油缸即變角油缸（兩個）、桅桿擺動油缸及變幅油缸以及支腿油缸（四個）；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。
下圖即為鉆機內(nèi)部管線布置圖
圖4-2 鉆機內(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
如圖所示，該圖為動力頭部分液壓原理圖，由平衡閥、變量馬達和液壓減速機組成。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1和2中，因為這兩個馬達分別控制鉆機的內(nèi)外層鉆桿同時鉆進，該部分平衡閥的作用主要是過載保護，其原理為當動力頭出現(xiàn)卡鉆或其它故障引起管道內(nèi)部壓力過大，此時系統(tǒng)繼續(xù)供油，如不及時泄出會有安全隱患。當壓力達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。動力頭馬達為變量馬達采用林得系列減速機對其進行調(diào)速，其調(diào)速過程為，油平衡法流出的高壓油在馬達進口處分流，大部分流入馬達，而另
圖4－3 動力頭驅(qū)動馬達 圖4-4 動力頭驅(qū)動馬達原理圖
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、彈簧復位，其中液控為減速機內(nèi)部控制，電磁控制為強制控制，即可實現(xiàn)人為控制?？刂朴蛷膬晌粌赏〒Q向閥流出后經(jīng)節(jié)流閥流入馬達變量油缸，從而推動該油缸活塞的往復運動來實現(xiàn)對變量馬達的控制，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變量油缸活塞的快速運動，從而使馬達轉(zhuǎn)速劇烈變化，引起鉆機的不穩(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，具體型號為盤配流馬達4000系列。
4.2.1.2 加壓馬達
動力頭在鉆進過程中沿桅桿上下移動，從而實現(xiàn)鉆機的鉆進和裝卸鉆桿，為了有效地實現(xiàn)鉆進和換鉆桿，必須在動力頭處施加可以往復運動的力，該力沿桅桿向下，是對動力頭施加壓力，有效地實現(xiàn)鉆進；沿桅桿向上，式提升動力頭，實現(xiàn)裝卸鉆桿。該力的實現(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現(xiàn)；通過馬達帶動滾筒轉(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現(xiàn)；通過馬達帶動鏈輪轉(zhuǎn)動，鏈輪的轉(zhuǎn)動帶動帶動鏈沿桅桿上下移動來實現(xiàn)；通過馬達與齒輪軸向連接，馬達與齒輪同時轉(zhuǎn)動，在齒條上移動來實現(xiàn)。該方式可以充分的體現(xiàn)齒輪傳動的優(yōu)點，即傳動平穩(wěn)、準確用容易實現(xiàn)控制，但其缺點是有噪音。通過多方因素的對比，最終選取馬達馬達帶動齒輪、齒條嚙合的方式。該部分馬達應(yīng)帶有自動鎖死功能，以防止在換鉆桿過
圖4－5 加壓馬達 圖4－6 加壓馬達原理圖
程中發(fā)生危險事故。如圖所示，自動鎖死功能是通過一個單作用油缸作用在變量馬達上來實現(xiàn)的，同樣安裝安全閥起到過載保護的作用。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