（机械制造及其自动化专业论文）手持式气动振动煤岩钻的设计与分析.pdf

摘要 论文题目：手持式气动振动煤岩钻的设计与分析 学科专业：机械制造及其自动化 研究生：陈曾 指导教师：肖继明教授 摘要 签名： 签名：百批签名：俐乞 煤岩钻机是与煤矿开采施工相配套的关键设备之一，影响着开采施工的快慢。采用旋 转式破岩钻孔的煤岩钻是目前钻孔机具的主导产品，但其钻头使用寿命短影响着开采施工 速度，迫切需要研制高性能的煤岩钻孔机具。 以传统手持式气动煤岩钻为研究对象，通过设计改造，研制开发出在维持原有功能同 时，具有振动破岩钻孔功能的新型手持式气动振动煤岩钻。 本文在对传统手持式气动煤岩钻结构分析的基础上，分析确定了振动煤岩钻的主要特 性参数，设计了一种振动煤岩钻，建立了其分析模型；用a n s y s 软件模拟分析了钻具的 固有频率等特性，获得了不同钻具长度和直径与固有频率的关系；用l s d y a n 软件模拟 分析了振动煤岩钻的破岩过程，研究分析了钻头的受力情况。 模态分析结果表明，在钻具长度相同时，随着直径的增加，固有频率变化越敏感；在 钻具直径不变的情况下，长度越短，其固有频率变化就越显著；钻具的振动形式有轴向振 动和扭转振动，其中主要以轴向振动为主，为实际施工中振动煤岩钻的振动频率的调节提 供理论基础。 在岩石材料和转速不变时，对比不同进给量下，振动煤岩钻和普通煤岩钻钻头所受平 均轴向力和平均扭矩，研究振动对轴向力和扭矩的影响，得出轴向力和扭矩随时间增大而 增大，直到达到最大值趋于平稳，振动情况下，轴向力和扭矩均呈周期性变化，施加振动 后轴向力能降低2 5 ，扭矩能降低3 0 。 关键词：气动煤岩钻；振动破岩；模型建立；仿真分析 西安理工大学硕士学位论文 i i a b s t r a c t 一 t i t l e ： d e s i g n a n da n a l y s i so fh a n d h e l d p n e u m a t i cv i b r a t i o n r o o f b o l t e r m a j o r ：m a c h i n em a n u f a c t u r e a n da u t o m a t i o n n a m e ：c h e nz e n g s u p e r v i s o r ：p r o f x i a oj i m i n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ：豳绰 s i g n a t u 怕晰 t h er o o f b o i t e ri so n eo fk e ye q u i p m e n t si nt h ec o n s t r u c t i o no f c o a lm i n i n g ，a f f e c tt h ec o a l m i n i n g t h er o o f b o l t e r ，t h a tb r e a kr o c kw i t hr o t a r yc u t t i n gm e t h o d ，i sm a i np r o d u c tc u r r e n t l y b u t t h el o wc u t t i n gt o o ll i f ea f f e c t e dt h es p e e do fc o a lm i n i n g ，u r g e n tn e e dt oe x p l o i t h i 曲- p e r f o r m a n c et h e r o o f b o l t e r t a k e 也et r a d i t i o n a lh a n d h e l dp n e u m a t i cr o o f b o l t e ra so b j e c to fs t u d y ，d e s i g na n dr e f o r m ， r e s e 御c ha n de x p l o i tt h en e wh a n d h e l d p n e m a t i cv i b r a t i o nr o o f b o l t e r , t h a tn o to n l yh a st h e o r i g i n a lf u n c t i o n ，b u ta l s oh a st h ef u n c t i o no f v i b r a t i o nr o c kb r e a k i n g i nt h i sp a p e r ，o nt h es t r u c t u r eo ft h ee x i s t i n gt h er o o f b o n e r ，a n a l y s i sa n dd e t e r m i n et h e m a i nc h a r a c t e r i s t i c sp a r a m e t e r so ft h ev i b r a t i o nr o o f b o l t e r ，d e s i g nt h ev i b r a t i o nr o o f b o l t e r ； s i m u l a t et h ec h a r a c t e r i s t i c so fn a t u r a lf r e q u e n c yo f t h ed r i l l i n gt o o lw i t ht h ea n s y ss o f t w a r e ； s i m u l a t i o nt h er o o f b o l t e rb r e a k i n gr o c kp r o c e s sw i t ht h el s d y a n ，a n a l y s i s t h ef o r c e so fb i t m o d a la n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a ti nt h ed r i l lt h es a m el e n g t ha st h ed i a m e t e ri n c r e a s e s ，t h e m o r es e n s i t i v et oc h a n g e si nn a t u r a lf r e q u e n c y ；i nt h eh o l ed i a m e t e rr e m a i n su n c h a n g e d ，t h e s h o r t e rt h el e n g t h t h en a t u r a lf r e q u e n c yo ft h em o r es i g n i f i c a n tc h a n g e s ；d r i l lv i b r a t i o n si nt h e f o r mo fa x i a lv i b r a t i o na n dt w i s t i n gv i b r a t i o n ，m a i n l yi nr a d i a lv i b r a t i o nm a i l l l yf o rt h ea c t u a l c o n s t n j c t i o no fc o a la n dr o c kd r i l lv i b r a t i o nf r e q u e n c i e st op r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h e r e g u l a t i o n i nr o c km a t e r i a la n dt h es p e e dc o n s t a n t ，t h ec o m p a r i s o no fd i f f e r e n tf e e dr a t e ，t h eb i to f t h e v i b r 8 ，t i o nr o o f b o l t e ra n dt h et r a d i t i o n a lr o o f b o l t e rs u f f e r e do r d i n a r ya v e r a g ea x i a lf o r c ea n d a v e r a g et o r q u e ，s t u d yt h ei m p a c to fv i b r a t i o no na x i a lf o r c ea n dt o r q u ed e r i v e da x i a lf o r c ea n d t o r q u ei n c r e a s e sw i t ht i m eu n t i li tr e a c h e st h em a x i m u m v a l u eh a ss t a b i l i z e d ，v i b r a t i o n ，t h e a x i a lf o r c ea n dt o r q u es h o w e dac y c l i c a lc h a n g e ，a f t e rt h ea x i a lf o r c ea p p l i e dt ov i b r a t i o n r e d u c t i o no f2 5 t o r q u ec a nb er e d u c e db y3 0 k e y w o r d s ：p n e u m a t i cr o o f b o l t e r ；v i b r a t i o nb r e a k i n gr o c k s ；m o d e l i n g ；s i m u l a t i o n i i i 西安理工大学硕士学位论文 i v 目录 目录 1 绪论1 1 1 本文研究背景及意义1 1 2 振动煤岩钻的研究进展2 1 2 1 振动破岩钻孔一2 1 2 2 钻机结构设计o qqoo oto00 2 1 2 3 噪声控制- ：= 一4 1 2 4 有限元分析5 1 3 振动煤岩钻的发展趋势及不足5 1 4 课题主要研究内容5 2 振动煤岩钻的设计7 2 1 整机特性参数的确定7 2 1 1 驱动力的选取7 2 1 2 整机基本参数的确定：8 2 2 旋转切削机构的设计9 2 2 1 气动马达的设计9 2 2 2 减速机构的设计1 4 2 2 3 气动马达消声器的设计1 4 2 2 4 旋转切削机构整体结构15 2 3 振动机构的设计一1 6 2 3 1 振动机构种类1 6 2 3 2 振动机构的工作原理1 9 2 3 3 振动机构的主要性能参数的确定2 0 2 4 整机结构2 2 2 5 本章小结2 3 3 钻具的模态分析2 5 3 1 钻机振动频率对破岩速度的影响2 5 3 3 钻具有限元模型的建立2 5 3 3 1 模态分析流程2 5 3 3 2 几何模型的建立2 6 3 3 3 划分网格2 8 3 4 模拟结果与分析2 9 3 4 1 固有频率分析2 9 3 4 2 钻具振型分析31 v 西安理工大学硕士学位论文 3 5 振动频率的选取3 3 3 6 本章小结3 4 4 钻机破岩钻孔的有限元分析3 5 4 1l s ) y n a 有限元分析软件介绍3 5 4 2 接触一碰撞的数值计算3 5 4 2 1 接触一碰撞的数值计算方法3 5 4 2 2 接触一碰撞的数值计算条件3 6 4 2 3 接触一碰撞算法的有限元实现3 7 4 3 钻具所受载荷分析4 0 4 4 钻机破岩有限元模型的建立4 1 4 4 1 分析流程4 1 4 4 2 几何模型的建立4 2 4 4 3 定义单元属性和材料参数4 3 4 4 4 边界条件与载荷4 3 4 3 5 设置时间步长、沙漏控制和结果输出q 0 4 6 4 5 仿真结果分析一4 7 4 5 1 振动对钻具轴向力的影响4 7 4 5 2 振动对扭矩的影响4 9 4 6 本章小结5 0 5 结论与展望5 1 5 1 结论5 1 5 2 展望5 2 致谢5 3 参考文献5 5 攻读硕士期间发表的论文及科研成果5 7 v i 1 绪论 1 绪论 1 1 本文研究背景及意义 据国际能源署的预测，在将来3 0 年间，全世界各国对被称作工业粮食的煤炭总需求 量将会增加5 0 ，世界能源安全供给和经济发展对煤炭的依赖引起了中国政府的重视， 作为世界第一产煤国的中国，煤炭产量占全世界的3 7 ，在我国，占总产量的9 5 的煤 炭生产采用的是井巷开采。每年都有长达千万米的巷道需要施工和维护，维护的目的在于 以保持巷道的畅通。 近年来发展迅猛的一种井巷开采方法是锚杆支护技术，它作为一种高效的煤矿巷道支 护技术的锚杆支护对巷道围岩强度有着一定的强化作用，能明显提高围岩的稳定性，代表 了巷道支护技术将来的发展方向【。 锚杆支护技术具有安全和快速的优势，现已成为煤矿巷道的主要支护方式。锚杆支护 技术在发展和推广应用的过程中，存在很多问题，其中主要是钻孔设备的质量不能满足广 大施工的要求，因为钻孔设备的好坏直接决定着支护质量【2 _ 川。 近些年来，国内研制出多种煤岩钻，如钻车式煤岩钻和单体式煤岩钻，如图1 1 、l 一2 所示。但是能在煤矿上推广使用的机型却少之又少，钻机通用性与能用性差成为其中的主 要原因。基于此原因，目前的煤岩钻难以满足锚杆支护施工的需要，所以急需开发出新型 高性能煤岩钻。 图1 1 钻车式煤岩钻 f i g u r e l 1d r i l lt y p er o o f b o l t e r 图1 2 单体式煤岩钻 f i g u r e l 2s i n g l et y p er o o f b o l t e r 从国内外煤岩钻发展历程和生产实践中可以看出，煤岩钻大多采取旋转切削方式来破 岩钻孔，由于结构简单、使用方便等诸多优点，在产品生产与开发过程中，主流的煤岩钻 都采用旋转切削方式。然而从目前使用的煤岩钻来看，钻头磨损严重、成孔速度难以满足 要求，已成为制约其大面积推广使用的重要因素之一，而该问题对于旋转切削方式来破岩 钻孔的钻机尤为突出。 在旋转切削方式破岩时，钻孔过程是钻头在一定轴向推力作用下压入煤岩，在旋转力 矩作用下，连续切削煤岩，并产生岩屑排除孔外，形成圆形孔。由于煤岩具有研磨性，当 1 西安理工大学硕士学位论文 钻孔深度增加时就会加速钻头的磨损，使钻头的使用寿命大大减小，在钻头的磨损过程中， 钻进速度变慢，严重影响锚杆之护的施工速度。大量的实际应用证明振动钻进技术能够很 好的解决钻头磨损问题，以旋转切削为主，并施加钻具轴线方向的振动的方式来破岩，采 用此方法破岩的煤岩钻具有钻具使用寿命长，钻进速度快的技术特点，有着良好的推广前 旦 尿。 本文重点开展振动钻进技术在煤矿机械中的应用研究。将在采用传统方式来破岩钻孔 的煤岩钻的基础上，施加钻具轴线方向的振动，设计出一种采用旋转振动方式来破岩的振 动煤岩钻。由此可见，振动煤岩钻的设计研究课题的开展具有重要的理论意义与现实意义。 1 2 振动煤岩钻的研究进展 振动煤岩钻采用的是振动钻进技术，振动钻进技术是结合旋转钻进和振动钻进两大钻 进技术，以旋转切削为主，振动钻进为辅的新型钻进技术。 振动煤岩钻在实际施工中表现出巨大的优势，因此成为众多学者研究的对象。到目前 为止，振动煤岩钻的研究主要集中在振动破岩钻孔、钻机结构设计、噪音控制和有限元分 析这几方面。 1 2 1 振动破岩钻孔 早在上个世纪4 0 年代末，就有了关于振动钻进的研究成果，第一个建议把振动技术 应用到沉积地质学勘查钻孔的过程中的是前苏联教授d d b a r k a n 扣j ，将近十年之后，在 一次著名的国际性钻井协会上提出：振动钻进速率远远高于传统钻进方法的结论。从而引 起众多科学家对这种新的钻进技术的研究。遗憾的是，这一成果没有得到深入的研究，只 开发了一种地面振动器，其钻具不回转，仅仅靠振动作用钻进土层。 作为冷战时期对手的美国也不甘寂寞，不久之后就用同样的方法研制出一种称为“声 钻”的孔底振动器，并进行了实验研究。但在实验过程中，由于容易导致孔底部件的损坏， 使该实验研究未能成功，事后分析得出造成失败的主要是：在高频率振动作用下，导致冲 击能过高，使振动器不堪负重，最终损坏。 经过世界科学家的不懈努力，英国s o n i c 公司【7 】最终成功的把振动技术应用到实际地 质勘探钻孔中，该钻机选用的是液压马达来驱动振动器，钻具上方有一个冲击锤，并与两 个偏心块链接，在偏心块回转运动时带动冲击锤上下冲击钻具，使钻具完成振动钻进，反 复冲击时会在钻具上产生巨大的能量，容易损坏钻具，因此用一个空气缓冲垫来避免冲击 时钻具的破坏。在不同的工况下，该钻机的冲击频率可以在5 0 - - 1 2 0 ( h z ) 内调节。在实 际应用过程中，该钻机表现出比常规钻进方法钻进的更快、更清洁。 1 2 2 钻机结构设计 早在1 9 9 8 年，中煤技术生产开发公司的石祖萌【8 j 开发出一种隔爆型高频式振动钻， 第一次将振动钻进技术应用n d , 型煤岩钻中，其结构简图如图1 3 所示。该钻机在普通钻 2 1 绪论 机上多出一个振动装置，它是由振动套、花键套和弹簧组成，振动套固定在壳体上，花键 套与钻具配合，二者之间有个弹簧，振动套和花键套通过二者端面上的斜齿啮合，花键套 随着主轴一起旋转，在端面斜齿的作用下，钻机的连续切削变成间断切削，即振动钻进。 通过实验得出：该钻机能够解决电钻的堵转现象，延长钻机寿命，还能增强钻机的破岩能 力。 图1 - 3 隔爆型高频式振动钻的结构简图 f i g u r e1 3s t r u c t u r ed i a g r a mo fh i g h - f r e q u e n c yv i b r a t i o nr i g 由于振动装置采用斜齿轮啮合传动，交替应力大，且噪声问题严重，在2 0 0 5 年，石 祖萌又开发出一种新型振动钻具【9 】，其结构件图如图1 4 所示。 图1 - 4 新型振动钻具结构简图 f i g u r e l - 4s t r u c t u r ed i a g r a mo f n e wv i b r a t i o nd r i l l 该钻具仍然是以旋转切削为主，振动钻进为辅的钻进机构。与马达主轴上齿轮啮合的 大齿轮传递回转扭矩给传动轴，来完成旋转切削，可移动振动套用螺纹固定在传动轴上， 其上的钢球在轴向力的作用下，与固定振动套端面上的圆弧齿啮合，在固定振动套旋转时 使传动轴产生轴向移动，已达到振动钻进的效果。这种新型钻具可以与气动、液压或电动 煤岩钻配套使用，能提高钻孔效果，降低劳动强度，最重要的是能延长钻具使用寿命。该 钻具在河南省平顶山煤业集团有限责任公司天安四矿丁戊组石门煤巷中做破岩实验，实验 是使用两种钻机钻相同深度的锚索孔，一种钻机为m q t - 1 2 0 型气水钻，另一种为配备新 型振动钻具的m k q t 8 5 116 型气动回转振动式煤岩钻，配备相同的直径为2 8 m m 高强钻 头和b 1 9 m m 中空六角钢钻杆，钻6 5 m 深的锚索孔，前者需要1 8 分钟，后者只需要l o 分钟，大大提高了施工进度和钻进效率l 】。 大多是钻车式煤岩钻都是液压驱动的，为此，吉林大学的孙友宏等旧研制出一种顶 部振动回转钻进动力头装置，如图l 一5 所示。 3 西安理工大学硕士学位论文 图1 - 5 项部振动回转钻进动力头装置 f i g u r el 一5s t r u c t u r eo f v i b r a t i o nr o t a r yd r i l l i n go ft h ep o w e rh e a d 该动力头是在传统的单一的回转钻进动力头的基础上改进而来，在动力头顶部增加振 动机构后，动力头由单一的回转钻进变成既能回转钻进，又能振动钻进的复合钻进装置。 该装置既可以让回转和振动同时作用，又可以单独工作，在软地层使用回转钻进，中硬地 层使用振动钻进，而到高地层则采用振动回转钻进，从而能减小能耗。实际应用表明：该 钻机能大大提高钻进效率。 1 2 3 噪声控制 1 9 9 5 年，贵州工学院的苏启棠【1 2 】对内曲线径向马达的噪声控制进行了研究，文章指 出产生噪声的主要原因，并对噪声源进行了分析，并指出部分噪声源的控制方法。 2 0 0 3 年，北京建筑工程学院的许淑慧【1 3 l 联合北方交通大学的周明连等研制出一种气 动设备多机理除油雾消声器，并对其进行了实验研究，如图1 - 6 所示。其方法是在消声器 里安装两层多孔板并在其中填充多孔消声介质。得出结论：消声效果与孔板的数量和孔径 有关，孔板越多，孔径越小其小胜效果就越好，与此同时会造成排气问题，采用亲油多孔 介质填充介质，还能够很好的消除油雾。 1 一 捧气一 图1 - 6 多机理除油雾消声器 f i g u r e 1 6m u l t i m e c h a n i s me l i m i n a t i o no i lm i s tm u f f l e r 2 0 0 4 年，北方交通大学的刘佳等描1 对消声器结构和填充的消声介质作了深入的研究。 其消声器结构与许淑慧等的结构相同，消声材料有7 0 d p i 聚酯和不锈钢丝毛材料两种多 孔介质，通过改变消声器尺寸，消声材料以及加不加多空板构成8 组实验，得出：在相同 4 1 绪论 孔隙率下，在高频消声方面7 0 d p i 聚酯材料优于不锈钢丝毛材料。在吸声材料相同，增 加多孔板可以增加消声量。 1 2 4 有限元分析 2 0 0 0 年，西南石油学院的林元华等【1 5 】对液压振动煤岩钻的钻速进行了仿真分析，使 用v i s u a lb a s i c 自己编写程序，建立钎头的数学模型，井底模型和钎头与岩石相互作用的 模型。通过计算，求解得出液压振动钻进的钻速，计算结果与实际基本一致，为实际提供 理论依据。 2 0 0 7 年，西南石油学院的黄志强等【1 6 】与北京安东奥尔工程技术有限责任公司合作， 使用商业软件l s d 町a 对振动煤岩钻钻头破岩机理进行仿真分析，文中钻头材料是硬 质合金，岩石选取的是石灰石，分别被处理为理想弹塑性材料和塑性应变失效模型。岩石 全约束，为了让钻头在钻孔时能获得4 5 0 j 的动能，对其施加初始速度约为1 0 m s ，采用 的关键字是c o n s t 删e dt i e dn o d e sf a i l u r e 来定义二者接触，使岩石模型在两 个重合的节点问定义约束和塑性应变失效。经求解得到钻头轴向位移和受力曲线，提出钻 头的改进方案。 几年之后，黄志强在方法基本不变的情况下，使用把钻头与岩石的接触类型定义为面 对面侵蚀接触，计算得出破岩深度与时间的曲线和单次破岩体积曲线，经分析总结出：破 岩深度主要依赖于振动冲击作用，而旋转切削作用不大；旋转切削能够提高破岩效率i l 。 1 3 振动煤岩钻的发展趋势及不足 由于在煤巷、半煤岩巷道中广泛的应用锚杆支护技术，在未来相当长时间内，煤岩钻 产品发展的主流仍是单体式振动煤岩钻。液压式钻机需要特定的液压供给，大大增加了巷 道施工的成本，又因对地下粉尘抗污染能力差，使其主要适用井外大功率作业。由于存在 地底层防潮能力差，且动力源存在安全隐患的原因，使得电动钻机适用范围有限。因此， 振动煤岩钻将主要采用压缩空气作为动力源。 现有的振动煤岩钻的不足存在以下几方面： ( 1 ) 弹簧容易产生疲劳。主要出现在采用端齿盘产生振动的钻机中，端齿盘的啮合 传动过程中，弹簧不停地拉伸和压缩，在长时间的反复拉伸和压缩会使弹簧出现疲劳破坏。 ( 2 ) 噪声严重。与纯旋转式煤岩钻相比，噪声不仅在排气时产生，在端齿盘啮合时 也会产生巨大的噪音。 ( 3 ) 重量过大。煤岩钻多位人力操作，人工的转移地方，钻下一个锚杆孔，在长时 间工作过程中，如果重量过大，极易产生疲劳，增加劳动力，如今社会劳动力成本升高， 最终导致开采成本的增加。 1 4 课题主要研究内容 本课题以传统手持式气动煤岩钻为研究对象，通过进行设计改造，使其在维持原有功 5 西安理工大学硕士学位论文 能的基础上具有振动破岩钻孔功能，且整机符合我国煤矿对矿用手持式气动钻机的标准要 求及气动工具行业标准。本文着重进行手持式气动振动煤岩钻的设计开发；模型建立及仿 真分析等工作。 本文的主要研究内容： ( 1 ) 完成振动煤岩钻的设计工作。 设计的振动煤岩钻主要由旋转切削机构、消声机构和振动机构组成。先确定振动煤岩 钻的主要输出参数，然后完成其主要部件的设计工作。其中旋转切削机构的设计主要包括 钻具驱动力的选取、马达类型的选取和壳体以及传动机构的设计，并推导出旋转切削机构 输出参数的计算公式；消声机构的设计主要包括选取消声介质，确定消声孔的孔径和数量 以及反射板的安装；振动机构的设计主要包括，确定钻机的振动形式，根据实际情况设计 出结构，并推导出振动频率的计算公式，最后给出整机结构图。 ( 2 ) 振动煤岩钻具模态分析。 分析振动煤岩钻的振动频率对钻机破岩效果的影响，然后建立模态分析的有限元模 型，求解得出钻具的固有频率和振动变形图，通过建立多组分析模型，研究钻具直径和长 度对其固有频率的影响，通过振动变形图，研究钻具的振动形式。 ( 3 ) 振动破岩的有限元仿真 首先对振动煤岩钻的破岩过程进行受力分析，然后根据实际情况简化振动煤岩钻的几 何模型，并建立传统钻机破岩和振动煤岩钻破岩的有限元模型，分别加载求解，得出钻头 的轴向力和扭矩随时间的变化曲线，通过对比两种情况下的受载的不同，研究振动钻进技 术对破岩过程的影响。 本文章节安排如下： 第一章绪论指出本文的研究背景及意义，介绍振动煤岩钻的研究进展和发展趋势 及不足。 第二章振动煤岩钻的设计选取钻机的驱动力并确定整机的特性参数，设计振动煤 岩钻，包括旋转切削机构的设计即气动马达、减速机构和消声机构的设计，振动机构的设 计和操作机构的设计。 第三章振动煤岩钻具的模态分析分析频率对破岩速度的影响，建立煤岩钻具有限 元模型，最后求解结果并对结果进行分析。 第四章振动破岩机理的有限元分析分析钻具所受载荷，简述接触算法的有限元实 现，建立钻机破岩有限元模型，最后求解结果并对结果进行分析。 6 2 振动煤岩钻的设计 2 振动煤岩钻的设计 煤岩钻主要用于煤巷、半煤巷侧帮的锚杆支护和迎前打爆破孔。本文以传统手持式气 动煤岩钻为研究对象，通过进行设计改造，使其在维持原有功能的基础上具有振动破岩钻 孔功能，且整机符合我国煤矿对矿用手持式气动钻机的标准要求及气动工具行业标准。本 章着重分析手持式气动振动煤岩钻设计思路及主要参数的选取。 2 1 整机特性参数的确定 2 1 1 驱动力的选取 目前按使用动力分类，凿岩钻机可以分为电动式、液压式和气动式。 电动煤岩钻是由专用防爆电机驱动实现旋转切削的。其结构形式目前多为便携式。这 类钻机采用电动机与液压油缸相结合的形式，电动机安装在液压油缸顶端，通过齿轮减速， 带动钻孔主轴旋转。电动煤岩钻的特点是动力源单一，不需要二次能量转换，因此能耗少， 效率高。同液压钻机相比，重量轻，钻孔速度快，可直接进入迎头作业，特别适用于煤巷 和回采巷道的支护。其主要缺点是功率小，这是因为其功率增大受到电机重量的限制，如 图2 1 所示。 、 & = ：= 图2 一l 电动煤岩钻 f i g u r e 2 1p o w e rr o o f b o l t e r 液压煤岩钻是通过液压马达驱动旋转切削破岩的。通常都附带泵站，由泵站输送的液 压油提供动力，带动液压马达转动。现多采用低速转动的结构，省去齿轮传动机构，直接 带动钻机。液压钻机的特点是噪声小，钻孔速度快，钻机质量好，自带动力源。但由于泵 站重量大，移动不方便，如图2 2 所示。 图2 - 2 液压煤岩钻 f i g u r e 2 2h y d r a u l i cr o o t b o l t e r 7 西安理工大学硕士学位论文 气动煤岩钻具有钻孔速度快，特别适合在中硬岩石中钻孔，由于采用工程塑料等新型 材料制成，重量更轻、操作移动方便，不仅能钻孔，换上附件还能安装树脂和水泥砂浆锚 杆，如图2 3 所示。 图2 3 气动煤岩钻 f i g u r e 2 - 3p n e u m a t i cr o o f b o l t e r 本文设计的振动煤岩钻为手持式振动煤岩钻，考虑到上述各种煤岩钻的优缺点，为了 使设计的钻机既移动方便，又能钻多种不同的孔，实现钻机的易用性和多用途性，选用压 缩空气作为本文所设计钻机的动力。 2 1 2 整机基本参数的确定 本课题设计的振动煤岩钻主要适用于煤巷、半煤巷侧帮的锚杆支护和迎前打爆破孔。 适用于普氏系数在4 - 6 之间的中软岩上钻孔，钻孔直径为0 2 5 0 4 2m i n ，确定该振动煤 岩钻的基本性能参数，如表2 1 所示。 受 表2 1 振动煤岩钻的基本性能参数 基本性能参数 工作压力( m p a )0 5 输入 特性 耗气量( m 3 m i n ) 2 4 启动转矩( n m )5 8 输出功率( k w )1 4 负载扭矩( n m ) 6 0 输 额定转矩( n m ) 5 0 出额定转速( r m i n ) 3 0 0 特 空载转速( r m i n ) 兰1 2 5 0 性 动力失效下的转矩( n m ) 5 8 1 2 空载转速下的转矩( n m ) 3 2 静止扭矩( n m )兰7 0 其 冲水洗压力( m p a ) 0 6 1 2 他噪声( d b ( a ) ) 9 0 特 钎尾六方尺寸( m m ) 1 9 性 整机重量( k g ) 1 5 2 振动煤岩钻的设计 2 2 旋转切削机构的设计 旋转切削机构是振动煤岩钻的核心，它主要由气动马达、减速机构和消声器组成。它 输出的是转矩与转速，是由气动马达的输出特性决定的。 2 2 1 气动马达的设计 振动煤岩钻旋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振动煤岩钻的脾l - r - 厶匕i ：j 匕起到了决定性的作用。 a 气动马达类型的选取 目前应用于气动煤岩钻中马达主要有齿轮式、柱塞式和叶片式马达三种类型。 齿轮式气动马达由一对啮合的齿轮及壳体组成，高压空气由进气口引入齿轮及壳体间 的工作腔，压力作用在轮齿上产生的扭矩，使输出轴输出动力。齿轮式气动马达结构简单， 但高压空气在工作时没有膨胀过程，泄露较大，效率低。 叶片式气动马达的主要结构和工作原理与液压叶片马达相似，如图2 4 所示。气马达 的有效转矩与叶片伸出的面积及其供气压力有关。叶片数目多，输出转矩虽然较均匀，且 压缩空气的内泄露减少，但却减少了有效工作腔容积，所以叶片数目应选择适当。叶片式 气动马达的优点在于具有较高的功率密度，结构简单，维护检修容易，扭转力矩均匀，转 速高。但同时也存在泄露大、效率较低，摩擦大、叶片磨损较快，噪声大且润滑材料消耗 量大等缺点。 图2 4 叶片式气动马达 f i g u r e 2 4v a n ea i rm o t o r 柱塞式气动马达也是以压缩空气为工作介质的原动机，它采用马达的配气系统，按一 定的相位依次向各气缸输入压缩气体，气体在缸内膨胀作功，如图2 5 所示。柱塞式气马 达也具有软特性的特点。工作压力增高，马达的输出功率、转矩和转速均大幅度增加；当 工作压力不变时，其转速、转矩及功率均随外加载荷的变化而变化。其基本情况与叶片式 气马达大致相同。柱塞式气动马达优点有空气泄露量少，效率高，利用配气阀改变压缩空 气进入气缸的配气相位，就能调节输出扭矩的大小，输出扭矩大。它的缺点在于转速较低， 结构较复杂，制造工艺较困难，外形尺寸较大，维修有一定难度。 9 西安理工大学硕士学位论文 图2 - 5 轴向柱塞气动马达 f i g u r e 2 5a x i a lp i s t o na i rm o t o r 表2 2 列出了钻头直径为m 2 7 m m ，岩石普氏系数为7 时，不同类型气动马达的煤岩 钻安装锚杆时的性能。可以看出，齿轮式气动煤岩钻在输出力矩、效率、可靠性等方面均 优于叶片式和活塞式气动马达煤岩钻。这在现有国内外同类钻机的实践中己经被证明。由 于齿轮式马达结构简单，旋转平稳，对污染不敏感，深受国内外市场的欢迎。所以目前气 动煤岩钻都采用了齿轮式气动马达。在国外齿轮式气动马达与涡轮驱动相结合，可以提供 变速和变扭，这种马达具有负载起动、无污染、结构紧凑等特点。 表2 - 2 不同类型气动马达煤岩钻的性能比较 马达类型 气压( m p a )力矩( n m )最大力矩( n m )钻孔速度( r n m i n )可靠性 叶片式马达 o 53 4 o 3 6 87 6 80 2 8 5 低 活塞式马达 0 55 6 2 6 1 61 2 01 1 0 低 齿轮式马达 0 55 2 8 6 0 81 2 1 31 1 5 局 作为驱动气动马达的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，本章节针对齿轮式气动马达的传动特 点，推导出转矩计算公式。 为研究该问题，有必要对气动齿轮马达在振动煤岩钻的工况做简要论述。 b 齿轮式气动马达的工作原理 图2 6 所示为齿轮式气动马达工作原理示意图。当压缩空气进入气动马达的进气腔之 后，处于进气腔的所有轮齿都受到压缩空气的作用，由于啮合点半径r l 和r 2 永远小于齿 顶圆半径r 。，所以互相啮合的两个齿面各有一部分处于高压腔，因而在齿面上产生如箭 头所示的不平衡推力，这样就在齿面上产生如箭头所示的不平衡推力，该力相对于轴线 0 l 和0 2 产生扭矩。类似地，两个齿轮各自受到的低压气压力也是不平衡的，对两齿轮轴 分别形成了反方向的扭矩。此时马达轴上的总扭矩是这两个不平衡扭矩的差，因为马达进 气口处的压缩空气压力远大于出口处的压力，所以马达轴受到的总扭矩是如图2 - 6 所示方 1 0 2 振动煤岩钻的设计 向，在该扭矩的作用下，气动马达旋转拖动外负载做功。由于气体的可压缩性，不能采用 排量计算的方法计算马达的扭矩和转速，本文采用扭矩平衡的方法建立马达转速扭矩之间 的关系。 2 l - 壳体；2 - 转子齿轮 图2 6 齿轮式气动马达工作原理示意图 f i g u r e 2 - 6o p e r a t i o n a lp r i n c i p l ed i a g r a mo f p n e u m a t i cg e a rm o t o r s 气动马达采用大排量压缩机供气，可近似为恒压气源。齿轮马达在气压产生的扭矩作 用下旋转。当马达空转时，该力矩和齿轮转子高速旋转产生的摩擦力相平衡；当马达驱动 外负载时，转速降低，外负载和摩擦力之和与驱动扭矩相平衡。 c 齿轮式气动马达力矩计算 ( 1 ) 马达的驱动扭矩计算 如图2 - 6 所示，齿轮转子为齿轮l 和齿轮2 啮合，两齿轮转子的参数一致，两齿轮转 子对马达产生的力矩之和： m = m 。+ m ：= 肛，+ 肛：= e 置+ 吾er c 删+ e r ：+ 吾最广西( 2 1 ) 式中：，l ，r 一压缩空气推动齿轮转子的力，r _ 尸b 俾a - r 1 ) ，f 2 = p b ( r 。- r 2 ) ，n ； r 1 一齿轮转子1 基圆半径，m ；r 2 一齿轮转子2 基圆半径，m ；p 一气体压力，p a ； b - _ 齿轮转子长度，m ；尺厂一齿轮转子齿顶圆半径，m 。 由式( 2 1 ) 整理得： ，11、 m = 船ir 。2 一去r 1 2 一去r 2 2l ( 2 2 ) zz ( 2 ) 马达的阻力矩计算 图2 7 为齿轮式气动马达的结构图。转子在转动时受到转子间啮合的滑动阻力、端面 摩擦力和转子与壳体之间的粘性力。因此，马达旋转时主要受以下四个阻力矩： 西安理工大学硕士学位论文 1 、齿轮转子i2 、主轴3 、齿轮转子i i4 、马达壳体 图2 7 齿轮式气动马达结构图 f i g u r e 2 7c h a r to fg e a ra i rm o t o r 1 ) 单个齿轮转子端面与壳体的粘滞摩擦力矩 m ：。= 肛：。= 2 掣詈r 3 d r 式中：胪一流体的动力粘滞系数，p a - s ；6 l 一齿轮转子和壳体端面间隙，m ； & 卜一齿轮转子旋转角速度，r a d s ；r 3 一齿轮转子轴颈半径，m 。 2 ) 齿轮转子的单个齿与壳体之间的粘滞摩擦力矩： m 2 2 = r 2 a 2 r 2 砒警半= 熊警趔 式中：卜齿轮转子单个齿的齿顶厚度，m ；6 r 齿轮转子和壳体侧面间隙，m ； r 4 _ 马达壳体内径，m 。 3 ) 轴承对单个齿轮转子摩擦产生的摩擦力矩： m 2 3 = f ，d 2 式中：“，_ 轴承摩擦系数，一般取0 0 0 1 5 - - 0 0 0 2 2 之间；d l 轴承的内径，m ； ，l 齿轮转子受气压作用对轴承产生的径向推力，f ，_ 1 5 p b r f o 4 ) 齿轮转子啮合相对滑动摩擦力矩： m 2 4 = m 2 4 + m 2 4 = f , r l + 厶r 2 两齿轮转子啮合处滑动摩擦阻力分别为： 石= ej l l l = 加似。一r l 汕l ， = 只p 2 = p b ( r 。一r 2 址2 即： m 2 4 = 加他。一墨扣1 r 1 + 筇忙。一尺2 址2 r 2 1 2 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 2 振动煤岩钻的设计 式中：l ，2 一两齿轮转子啮合时啮合点的滑动系数，查手册得： p l = 0 0 1 4 3 5 ，2 = 一0 0 1 4 3 5 。 齿轮式气动马达的输出扭矩m 为驱动扭矩和阻力矩之和的差值，得： m = m 一( 4 m 2 1 + z j m 2 2 + 2 m 2 3 + m 2 4 ) = 船( r a 2m 互1e 1 2 _ 互1r 2 2 一警e a r 1 4 ) ( 2 8 ) 一型嘤粤型一加( r o - r 。址。r 。+ p b ( r 。喝址：尺： z d 2 式中：z l 一齿轮转子与外壳内径接触的齿数。 以振动煤岩钻中使用的齿轮马达为例，齿轮转子的结构参数为齿数z = 1 0 ，模数m = 6 ， 中心距d