李爭春

摘 要：針對掘進機機載錨桿機，分析了錨桿機機構(gòu)設(shè)計的設(shè)計原則，闡述了錨桿鉆機破巖機理，確定了鉆機的總體性能參數(shù)，為設(shè)計提供理論支持。

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

中圖分類號：TH2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）02（c）-0-02

掘進機機載錨桿鉆機掘進機和錨桿鉆機的聯(lián)合體，使掘進機具有錨孔功能，并且鉆孔范圍更廣，效率更高，掘進機在向前掘進后，可以立即利用自身的支護系統(tǒng)進行錨桿支護，解決了掘進機切割與巷道支護之間時間跨度較大的瓶頸，極大地提高了進給速度。操縱者在臨時支護條件下作業(yè)，提高了安全性。因此機載錨桿機在我國應(yīng)用前景廣闊，尤其是對于現(xiàn)代化高產(chǎn)高效

礦井[1]。

1 機載錨桿鉆機機構(gòu)設(shè)計原則

根據(jù)掘錨機組的功能參數(shù)和巷道支護的工藝流程，機載式錨桿鉆機機構(gòu)的設(shè)計應(yīng)該保證以下原則[5]。

（1）液壓錨桿鉆機的適應(yīng)性要強。

（2）掘進機與液壓錨桿鉆機應(yīng)有良好的兼容性，功能獨立，不干涉。

（3）滿足掘進機移位一次錨孔、排錨桿孔的要求。

（4）液壓錨桿鉆機液壓系統(tǒng)簡單，且泵站不需要單獨設(shè)置。

（5）機組要求結(jié)構(gòu)簡單、鉆孔深、機身矮、操作方便。

2 破巖機理

錨桿鉆機破巖時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要求[3]：鉆機具有一定的轉(zhuǎn)矩，以克服鉆頭切削阻力矩，有一定的輸出轉(zhuǎn)速，帶動鉆桿及鉆頭旋轉(zhuǎn)，具有一定的軸向推力，即對鉆頭施加一定的正壓力，實現(xiàn)鉆頭的進給。

3 工作參數(shù)的初選

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

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

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

煤礦巷道中錨桿鉆機每鉆鉆進量極限為16 mm左右，這里取=16 mm，煤礦巷道巖石最大普氏硬度取8，那么巖石的抗壓強度為80 MPa，鉆頭外徑=32 mm，鉆頭內(nèi)徑=6 mm，計算后得馬達轉(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

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

鉆機的鉆進速度：

式中，—鉆進速度，mm/min；—鉆機的轉(zhuǎn)速，r/min。

當(dāng)轉(zhuǎn)速低于最佳轉(zhuǎn)速時，如果保持其鉆進速度，意味著鉆頭每轉(zhuǎn)一圈的切削量加大，鉆頭的阻力加大，這樣無論是鉆頭還是鉆桿都會帶來很大的傷害；否則，鉆速將會降低。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于最優(yōu)鉆速鉆削巖石時，這樣就會造成鉆削巖石時所產(chǎn)生的巖屑不能及時的清理掉，導(dǎo)致鉆頭對巖屑重復(fù)的破碎，從而會大大降低鉆進的進度。最佳轉(zhuǎn)速與巖石的堅固性系數(shù)f有關(guān)。當(dāng)遇到硬巖石時，鉆孔轉(zhuǎn)速就要適當(dāng)?shù)臏p小，遇到較軟的巖石時鉆孔轉(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)系仍是提高鉆機鉆進速度的關(guān)鍵。選取馬達的最大轉(zhuǎn)速=400 r/min，鉆機的最大鉆速=7280 mm/min。

3.5 推力

旋轉(zhuǎn)切削破巖時，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)試驗把它們的關(guān)系用推力與鉆速和比功的關(guān)系曲線來說明，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)鉆速與推力呈線性關(guān)系，當(dāng)推力增加時，鉆速隨之增加的很小，而比功卻很大，此時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)鉆速增長率隨著推進力的增加而下降，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)也無法正常切削。在研磨切削過渡區(qū)，推力與鉆速是非線性關(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

圖2 推力與鉆速和比功關(guān)系

3.6 一次成孔深度

對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，這樣換接鉆桿的時間就可以大大減少，這里要求錨桿鉆機的一次成孔深度為

1.4 m。

4 結(jié)語

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

參考文獻

[1] 宋寶新.機載錨桿鉆結(jié)構(gòu)設(shè)計與多體動力學(xué)分析[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2011.

[2] 徐鎖庚.國內(nèi)外掘錨機組的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].煤礦機械，2006，27（10）：3-6.

[3] 李欽彬，鄂宇，周明.機載式側(cè)幫錨桿機的設(shè)計研究[J].煤礦機械，2010（7）：16-17.

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[5] 陳洪月.掘進機機載鉆孔機械手力學(xué)特性研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2012.

[8] 趙學(xué)雷，孟國營，李衛(wèi)濤.煤巷掘錨一體自動化快速掘進關(guān)鍵技術(shù)研究與實踐[J].煤礦機械，2010，31（12）：183-186.