（机械工程专业论文）气动锚杆钻机的设计与研究.pdf

撅要 目前，国内生产的锚杆钻机无论从技术上还是艨量上都落后于某些发 达国家，所浚对镶抒链辊的毽谂磺究畿嚣避一步深化，链撬戆襞霎霭进一 步提高。 零论文全瑟、系统、深入媲分橱了气动锚耪锸撬鳇工作缀理、齿轮马 达运动的特性，对气动锚杆钻机组成元件进行设计分析，从结构和性能角 度建立了气动锚耗钻规的综台评价方法，提出薪型气动锚抒钻机设计的基 本思路釉方法，并对气动罐杆锚机的参数优化设计进行了探索研究。 论文根据流体力学和气压传动原理，分橱了媳轮式气动马遮豹结构翻 特点，通过力平衡酶方法建立了气兹式齿轮马达静态特性翦羧学模型，对 用于锚秆钻机的气渤式齿轮马达进行了理论计算，为齿轮式气动玛达的优 化奠定了理论基础。 论文还分析了气动式锚杆钻机产生噪声、油雾的机理，利用微穿孔板 滚声懿矮论，对滚声器戆港声特性帮滚陵进行了势薪磷究，擦事孪了清除臻 声和油雾的途径和方法，研制? 具有消除排气浊雾和减小噪声双重功能的 多橇理除涟雾漠啻器，各项实验表暖，该游誊器性能良荮，蹩缀好缝潢迢 设计要求耩使用要求。 关键谣：气凌镌耔钻撬，遴轮舄选，静态特牲，性栽测试，消齑嚣 a b s t r a c t k e yw o r d s ：p n e u m a t i c a n c h o rd r i l l i n gm a c h i n e ；g e a rm o t o r ；,s t r u c t u r e f e a t u r e ；n o i s ee l i m i n a t o r ， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1绪论 1 1 锚杆支护的作用与意义 锚杆支护作为地下工程的一种新型的支护型式，目前已成为欧美和澳 大利亚等先进采煤国家煤矿井下的主要支护方式。美国煤矿房柱式开采几 乎全部采用锚杆支护，长壁开采的巷道8 0 采用锚杆支护，澳大利亚9 0 的煤矿巷道采用锚杆支护。 5 0 年代末，锚杆支护就在我国少数煤矿得到利用，但是由于对其认识 不足，特别是缺乏对其支护机理的全面认识，在煤矿的应用始终得不到推 广。七十年代以后，在引进国外先进的采煤和掘进设备的同时，又片面强 调了欧洲、美国的采煤模式，把钢架支护作为煤矿的主要方向加以推广。 八十年代起，人们对锚杆支护有了重新认识，开始在煤层顶板比较稳定的 巷道中使用，如七台河、大同、双鸭山等矿区，继而逐步在地质条件比较 复杂的煤矿也得到了应用。如在新汶、徐州等矿区巷道围岩稳定性较差的 地方；在龙口、平庄等矿区“三软”条件下顺槽的锚杆支护和锚梁网支护 等。至今，几乎在全国各大矿区都不同程度地应用了锚杆支护技术。 煤矿巷道锚杆支护技术在改善支护效果，降低支护成本，加快成巷的 速度，减少辅助运输量，减轻劳动强度，提高巷道断面利用率等方面有着 十分突出的优越性，对我国煤矿的技术进步和经济意义是十分巨大的。 原煤炭工业部于1 9 9 6 年将煤巷锚杆支护技术列为“九五”五大科技攻 关项目之一，攻关内容包括锚杆支护机理的研究、锚杆设计方法、锚杆材 料、监测仪器、支护工艺、快速掘进和锚杆钻机等六个方面。 我国锚杆钻机的发展较晚，虽然从六十年代就开始了研制，但一直处 于缓慢发展和低水平重复的阶段。至今为止，尚无比较完善的锚杆钻机设 计理论。因此，研究适应我国煤矿的新型、高效、结实可靠、使用方便、 维修简单的锚杆钻机，是我国锚杆支护技术中急待解决的问题。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 2 锚杆钻机的发展与现状 从结构型式上，锚杆钻机可以分成台车型、机载型和单体型三大类。 由于台车型锚杆钻机( 亦称锚杆钻车) 和机载锚杆钻机具有功率大、钻孔 能力强、功能齐全、适应范围广、可自带动力、操作安全等优点，所以在 国外应用较多，如瑞典a l a s - - c o p c o 公司、芬兰t a m r o c k 公司以及法国 s e c o m a 公司生产的锚杆钻车。但这两类锚杆钻机操作复杂，维护成本高。 一次投资成本也大，因而在国内使用较少。 目前在巷道锚杆支护中，大量采用的是单体锚杆钻机。它具有结构简 单、使用方便、移动灵活、适合手工操作等优点。从机型结构上分，单体 锚杆钻机可分为架柱式、手持式和支腿式三种。 架柱式锚杆钻机机身固定在巷道顶、底板与侧帮之间，由推力装置将 钻机沿导轨推进，实现钻孔。这种架柱式锚杆钻机整机重量较手持式锚杆 钻机和支腿式锚杆钻机大，操作不方便，如国内m z 系列液压锚杆钻机， 国外美国v i t o r 公司生产的液压钻机等。 手持式锚杆钻机与支腿式不同，它没有推进系统，适于煤巷侧壁的使 用，如：澳大利亚c r a m 公司、眼镜王蛇公司生产的帮锚杆钻机，国内煤 科总院研制的z q s 一5 0 帮锚杆钻机。 支腿式( 手扶) 锚杆钻机是目前煤矿中锚杆钻机应用的主流，这种钻 机使用的灵活性优于架柱式，按动力上进行分有电动、液压和气动三种型 式。 电动锚杆钻机的回转钻削直接由电动机驱动，不需要二次能量转换， 设备效率高。但受电机重量的限制，一般输出功率较小( 2 - 3 k w ) ，支腿的 推进需要采用另外动力源，且电机容易受潮，故障率高，同时也不很安全， 故目前实际应用较少。 液压支腿式锚杆钻机带有分体的专用液压站，由它提供的动力液驱动 回转切削用的液压马达和推进用的液压油缸，操作系统通过液压阀组实现 对转速、扭矩和推进力的控制，这种钻机输出功率大，但主机重量较重， 效率较低，维修相对困难。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 气动锚杆钻机是目前国内外大力发展的一种机型，应用前景非常广泛。 最初，井下曾使用气动凿岩机来钻凿锚杆孔，但由于打顶眼困难、钻孔质 量差、钻进速度低、劳动强度大，因而专用的气动锚杆钻机便受到人们的 重视。进入九十年代以后，国外研制出以齿轮式气动马达为回转切削机构 的气动锚杆钻机，其主要优点是： ( 1 ) 可以实现无级调速，只要控制迸气阀或排气阀的开闭程序，即控制 压缩空气的流量，就能调节气马达的输出功率和转速； ( 2 ) 能够实现正反转，只要改变进排气方向，就能实现气马达的换向， 而且可以瞬时换向。由于气马达的转动部分的惯性矩只有同功率输出电机 的几十分之一，且空气本身重量轻、惯性小，因此，即使回转中负载急剧 增加，也不会对各部分产生太大的作用力，能安全地停下来。在正反转换 向时，冲击也很小，而且具几乎是瞬时间升到全速； ( 3 ) 工作安全，适用于恶劣的工作环境，在易燃、高温、振动、潮湿、 粉尘等不利条件下均能正常工作； ( 4 ) 有过载保护作用，不会因过载而发生故障。过载时气马达只会降低 转速或停车，当过载解除后即能重新正常运转，并不产生故障； ( 5 ) 具有较高的启动力矩，可带负载启动。启动、停止迅速： ( 6 ) 功率范围及转速范围较宽，功率小到几百瓦，大到几万瓦：转速可 以从零到2 5 0 0 0 r m i n 或更高； ( 7 ) 可长时间满载连续运转，而且温升较小。另外，气动马达还具有动 力单一、结构简单、操作方便、重量轻、便于移动，一般使用o 4 o 8 m p a 的低压空气。基于上述原因，国内各煤机制造厂家都纷纷仿制齿轮式气动 锚杆钻机。 目前，气动锚杆钻机主要按切削机构使用的气动马达的类型进行分类， 主要有叶片式、活塞式和齿轮式三种。 叶片式气动马达结构简单、体积小、重量轻，但其起动扭矩小，低速 性能较差，抗污染能力差，因而比较适合高速小扭矩的场合。 活塞式马达体积大，重量大，结构较复杂，制造困难，但低速性能好， 效率高，抗污染能力差，因而比较适合干净环境，低速大扭矩的场合。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 齿轮式气动马达结构简单，体积小，重量轻，长时间运转性能好，抗 污染能力强，但脉动较大，是国内外用量最大的一种。表l l 列出了安装 不同类型气动马达的锚杆钻机的性能。 表l 一1不同类型气马达锚杆钻机的性能比较 拦毙气压最大钻孔 可 转矩n m 转矩速度靠 马达类型 ( 2 0 0 - 3 0 0 r m i n ) ( n m )m m i n 性 叶片式马达 o 5 03 4 0 3 6 87 6 8o 2 8 5 低 活塞式马达 o 5 05 6 2 6 1 61 2 01 1 0 低 齿轮式马达 o 5 05 2 8 6 0 81 2 1 31 1 5 高 钻头c2 7岩石硬度f = 7 可以看出，齿轮式气动锚杆钻机在输出扭矩、效率、可靠性等方面均 优于活塞式和叶片式气动马达锚杆钻机。这在现有国外同类钻机的实践中 加以证明，采用叶片式气马达的a t l a s - - c o p c o 公司所制造的p r b 3 0 0 系列 锚杆钻机已退出市场，采用活塞式气动锚杆钻机f i r e f l y 公司在市场所占的 份额也逐渐减少，而眼镜王蛇公司采用的齿轮式锚杆钻机则得到了较快的 发展。 国内在八十年代中期开始采用叶片式气马达，如z q m 系列，m i o 系 列，目前这两种系列都停止生产。九十年代后期生产的m f c 3 0 0 活塞式气 动锚杆钻机，由于故障率高，维修困难，也慢慢退出市场，而齿轮式马达 结构简单，制造成本较低，加之性能控制相对稳定，故障率较低，操作、 维护和维修也相对简单，因而在我国得到大力发展。 1 3 本课题研究的主要内容 目前，国内在岩石钻孔特性的研究和风动工具的研究上已经有了一定的 基础，但对于气动锚杆钻机的研制，在气动马达的研究、非金属材料的应 用以及低风压条件下钻机工作性能的改进等三个方面存在薄弱环节。根据 我国煤矿井下对非金属材料的阻燃性和抗静电性的严格要求，研究选择合 适的非金属材料以大幅度减轻整机重量、在煤矿井下低风压条件下保持锚 辽宁工程技术大学硕士学位论文 杆钻机较佳工作性能、提高气动马达的输出功率和可靠性、延长运动元件 的性能和寿命，是目前我国锚杆钻机研究中的难点和热点问题。 本课题整个研究内容分以下几个方面： 气动锚杆钻机工作原理及性能指标； 气动锚杆钻机气动马达的研究； 气动锚杆钻机结构设计； 实验装置的研制； 实验与性能测试和分析； 结论。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 2 气动锚杆钻机工作原理及实验装置 2 1 气动锚杆钻机结构型式 气动锚杆钻机由回转切削机构、推进机构和操作机构三大部分组成， 整体外形如图2 一l 所示。 - 蕾 蓐 鬈 1 回转机构；2 高压水管；3 防护栏；4 进气管；5 进气管接头；6 连接螺栓； 7 推进机构；8 操纵机构 图2 1 气动锚杆钻机整体外形 回转切削机构由回转器总成、消声器总成、护圈总成三部分组成，包 括马达、齿轮箱、超越轴承、主轴、水套、消声器等零部件。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 推进机构包括支腿、固定套两大部件。支腿部分由三级气缸组成，通 过固定套与回转机构连接，气缸下部装有顶锥，作业时顶锥顶住地面。支 腿气缸及固定套均由非金属材料制成，强度高，重量轻，耐腐蚀，阻然、 抗静电。 操纵部分由阀体、操纵杆两大总成组成，包括注油器、三通阀、操纵 杆、手把架等零部件，三通与固定套连接，通过操纵开关、水、气旋扭控 制马达阀、水阀、支腿气阀。 2 2 工作原理 气动锚杆钻机以压缩空气为动力源，分别通过马达阀( a ) 、支腿气阀 ( b ) 控制回转马达的旋转和支腿的伸缩。操纵马达阀a ，压缩空气驱动马 达齿轮旋转，经变速箱后驱动主轴旋转，从而将能量通过钻杆传递给钻头， 切削破碎岩石。废气经消声器排除。操纵支腿气阀b ，压缩空气经快速排 气阀进入支腿气缸，使支腿伸出，通过适当调节a 、b 阀的进气量( 也就 是改变开关角度或操纵旋转的角度) ，即可以改变主轴的转速和支腿的伸出 速度。开启水阀c ( 球阀) ，冲洗水通过三同轴、固定套、水套和钻杆进入 钻头冲洗钻孔、冷却钻头。调节水阀的开启量，即可改变水流大小，如图2 - - 2 所示。 图2 2 气动锚杆钻机的工作原理图 一 一 一 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 3 性能参数指标 根据我国煤矿井下巷道和地下工程实际情况，要求气动锚杆钻机既可 钻顶板锚杆孔，也可钻顶板锚索孔，还可以作为树脂药卷类的锚杆，锚索 搅拌和安装设备，不再需要其它辅助设备，实行螺母一次性旋紧，达到一 次性初锚预紧力的要求。确定气动锚杆钻机的输出参数为： 最大功率 2 0 3 o k w 最大功率时转矩 1 2 0 n m 最大功率时转速2 3 0 2 5 0 r r a i n 推进力 6 7 8 k n 重量 4 6 5 0 k g 高度1 1 0 0 - 3 5 0 0 m m 上述气动锚杆钻机性能参数，既能满足现场的使用要求，又能最大限 度地利用钻机的功率，并尽可能地降低钻机的重量，改善煤巷支护的劳动 条件。 2 4 实验的要求与装置的选择 实验装置是为锚杆钻机在出厂前对主要性能参数进行性能测试的设 备。煤炭行业标准规定气动锚杆机的出厂试验项目有：空载转速、额定转 矩、额定转速、密封性、推进力、伸缩高度、配套泵站( 主要测试机重和 测试油温高低) 。 2 4 1 额定转矩和额定转速的测试 测量额定转矩和额定转速采用带显示的转速、转矩传感器，量程的大 小依据所测转矩的最大值确定，选择量程范围0 - 2 0 0 n m 即可满足使用要 求，但要求测量精度不低于2 3 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 4 2 推进力的测试 目前，各锚杆钻机的生产厂家多数采用拉压传感器来测量支腿的推进 力，量程范围大约在0 1 2 t ，要求仪表精度应不低于l 。经过反复的市 场调研，本项目选择了北京昆仑公司生产的带显示仪器的b k - - 1 型抗压传 感器。 2 4 3 其他辅助测试装置 要想测试锚杆钻机的额定转速、额定转矩，就必须配有一套模拟的加 载系统。目前有：齿轮泵和柱塞泵两种加载型式，齿轮泵机械性能好，体 积小且价格较低，但加载范围小，而且故障率高。由于柱塞泵加载范围广， 使用性强，在各大矿务局的综机维修中心被普遍采用。考虑所需压力、排 量和转速的要求。本课题选用6 3 c y l 4 - - l b 型柱塞泵加载。 由于各地系统的风压不同，要实现一定风压下的技术性能指标的测试， 还必须配备一个安装有压力表和温度传感器的储气罐。温度传感器用来检 测储气罐内的温度，适用范围为一1 5 2 0 。 2 4 4 测试数据的显示 所有测量数据通过装有数显仪表的控制柜显示。另外，拉力传感器、 压力传感器、转矩转速传感器均带显示器及输出接口，以便用计算机进行 数据分析。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 气动锚杆钻机的设计 3 1 整机结构及参数的确定 气动锚杆钻机由回转切削机构、推进机构和操纵机构组成，它应满足 我国煤矿对气动锚杆钻机的标准要求、气动工具行业标准、煤矿井下安全 规程等。 根据我国煤矿煤巷锚杆支护的大部分巷道顶板岩石硬度为f = 5 8 ，锚杆 钻孔直径为砧2 8 3 0 m m ，确定该气动锚杆钻机的输出参数为： 最大输出功率 2 5 3 o k w 最大功率时转矩 1 2 0n m 最大功率时转速 2 4 0r m i l 3 推进力 6 7 8 0k n 重量4 6 5 0 k g 以上参数，既能满足现场的使用要求，又能最大限度地利用钻机的功 效，并尽可能地使钻机的重量降低，进一步改善煤巷支护的劳动条件。 3 2 回转切削机构的设计与研究 回转切削机构是气动锚杆钻机的核心，它由气动马达、减速机构、消 音器三部分组成。它的输出是转矩与转速，是由气动马达的输出特性决定 的。 3 2 1 气动马达的设计 气动锚杆钻机回转性能是输出转矩和转速，它是由气动马达输出特性 决定的。因此，气动马达的特性对整台锚杆钻机的性能起到了决定性的作 用。这是国内外气动锚杆钻机研制工作得出的一个结论，对国内外气动锚 杆钻机的试验测试和分析研究表明，气动马达的研究工作需要解决以下几 个问题： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ( 1 ) 气动马达研究设计的理论基础，压缩空气在其工作压力范围内具有 可压缩性，即其体积、压力、温度在流动和传递过程中是变化的，表现为 “弹性传动”。由于这种复杂变化，使气马达的设计制造在很大程度上依靠 “经验数据”，为此，本章节先从空气热力学基础和动力学基础出发，针对 齿轮式气动马达的传动特点，推导出转矩计算公式。 ( 2 ) 在前面已经讨论过，气动锚杆钻机的回转切削机构选用齿轮式气动 马达较为理想，但由于各种型式的齿轮气动马达传动特性有很大的差异， 因而有必要确定出最适合于气动锚杆钻机回转要求的气动马达型式。 为研究该问题，有必要对有关气动马达设计的基础知识，包括空气热 力学基础及气压传动系统方面的知识以及齿轮马达在气动锚杆钻机中的工 况做一简要论述。 3 2 1 1 齿轮气动马达的热力学性质 a 、气马达空气热力学基础 在容积式马达的工作过程中，压缩空气一般都经过压缩、膨胀、排出 三个过程。例如齿轮马达( 图3 一1 ) ；压缩空气从a 处进入并在a c 段被 压缩，过c 点后，在c b 段空气膨胀，最后从b 处排出，压缩空气直接推 动马达的传力机件( 齿轮) 做功，从而把压力转变为机械能输出。在这个 过程中，空气的状态发生改变而产生了能量转换，这些变化都是遵循热力 学基本定律的，其基本的参数为：压力p ，容积v 和温度t ，此外气体还 有重度、密度、比热、粘度、湿度等参数，在特殊情况下，这些参数对马 达输出特性的影响也应加以考虑。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 12 图3 一i气动马达的工作原理图 p 、v 、t 三个主参数在锚杆钻机气动马达中的作用： ( 1 ) 压力p ( 即流体的压强) ，在表示气体状态时，用绝对压力，即大气 压力+ 表面压力。传动件两端容积不同以及压力差是气动马达做功的基本条 件，而压力p 要克服的阻力即是锚杆钻机钻孔时的旋转切削阻力。当p 推 动传动件产生的转矩与切削阻转矩相等时，钻机以匀速切削钻进；当切削 阻转矩减小时，压缩空气膨胀阶段阻力减小，膨胀速度增大，切削速度加 快：反之，切削阻转矩增大时，空气压缩阶段压力增大，膨胀速度变慢， 切削速度减少。 ( 2 ) 体积v ( 即气动马达传动时各阶段的容积) ，一定质量的气体，当其 压力不同时，容积大小也不同；一定质量的气体，若保持其压力不变，温 度改变时，其容积也随之改变。对锚杆钻机气动马达来讲，当切削阻力减 少时，气体膨胀率加大，即同质量的空气，体积膨胀增大，压力p 减小。 反之，则气体压缩率加大，即同质量的空气，体积膨胀减小，压力p 增大。 当气动马达的结构不同时，容积也不同：但当马达结构确定了以后，气体 容积的变化范围也相应确定了。 ( 3 ) 温度t ( 这里用绝对温度t = t + 2 7 3 ) 。在气动马达中，气体温度的变 化与马达机体温度是两回事。由于机械构件的运动，相应摩擦，马达机体 在运转过程中的发热、温升是无用功消耗的结果：而气腔容积变化，压缩 辽宁工程技术大学硕士学位论文 空气膨胀做功引起气体温度变化( 降低) 是热能与机械能的交换。 上述三个主参数之间的相互关系遵守热力学第一定律和理想气体的状 态方程式及热力学过程方程式。 b 、热力学第一定律与气动马达输出做功的关系 热力学第一定律表达式为： d g = d u + a d w ( 3 1 ) 式中d g 一一热量变化量，c a ； d u 一一内能变化量： a 一一功热学量，a = 1 4 2 7 k c a n m ； d w 一一做功变化量，n m 。 实际上，这是能量守恒和能量转换定律与热变功问题的数学表达式， 式中d g 为正值，表示对气体加热，负值表示气体对外放热；d u 为正值表示 气体内能增加，负值表示内能减少；d w 为正值表示气体膨胀做功，负值表 示外力对气体做功( 压缩) 。对锚杆钻机的切削岩石过程中，可看成是： a d w = d g - d u ，这里d w 是正值，即气体对外膨胀做功，d u 是负值，即气体内能 减少( 对外做功的结果) ，d g 为负值，即气体膨胀对外放热。因而，要增加 气动马达的功率输出，有两个途径：一是增加气体初始内能，减少气体终 止内能( 即使气体内能充分释放做功) ；二是减少气体热量释放，以在做功 过程中，外界给气体补充热量。 c 、从理想气体状态方程看锚杆钻机气动马达热力学过程 锚杆钻机用气压一般在5 个大气压左右，在这样的风压下，气体很接 近理想气体。其方程式为： g r ：p v ( 3 2 ) r 式中：g 一一做功变化为气体重量，n ； p 一一气体绝对压力，n m 2 ； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 14 v 一一气体容积，m 3 ： t 一一气体绝对温度，k ： r 一一气体常数，n m n k ，对空气，r = 2 9 2 7 。 以齿轮气体马达为例，分析其状态变化的不同途径，如图3 2 所示。 v 2 图3 - - 2压缩空气膨胀做功曲线 齿轮马达内压缩空气在c b 段空气膨胀( 见图3 1 ) ，推动马达齿轮从 位置1 推到位置2 ，p v 图上的曲线则表示在此热力学过程中压力p 和v 之间的关系，而曲线下的面积即为气体膨胀所做的功。 矿= e 肋( 3 3 ) 式中的压力随v 的变化而变化，其过程可分为下列不同情况： ( 1 ) 等温过程 t 为常数，即五= 正= t 则： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l5 盟：盟：g r ，p ：6 3 _ z ( 3 - - 4 ) 五互 y w ：rp d v ：r 塑西：锹r 些。( 3 - - 5 ) 彤4 y i n k 在此过程中，气体膨胀做功所损失的热能由外界热量补充保持等温， 在p - - v 图上是一个等边双曲线。气体马达实际做功时不可能从外界得到足 够的热量补充而达到等温状态。而且气体膨胀热速度大大高于从外界吸收 热量的速度，甚至结冰。因此，气体马达的热力学过程不是等温过程。 ( 2 ) 绝热过程 即在气动马达内部，气体与外界不产生热交换，d g = o 。 由d u + h d w = o 导出： 丑曙= 昱聪= p v = 常数( 3 6 ) 即：p = 竽，得出气体膨胀做功为： 矿= 【2 肋= r7 p v 广l k l 西= 弓砰v i - t k j v 广l i - k ( 3 7 ) 根据以往理论，k = i 4 ，1 1 一k 是定植，而一般