全液压分体式钻机变幅机构设计及力学分析 -.pdf

第4 6 卷第1 l 期 2 0 1 4 年第1 1 期 煤炭工程 COAL ENGI NEERI NG Vo 1 ． 4 6， No ． 11 No ．1 1， 2 01 4 d oi 1 0 ．1 1 79 9 ／c e 2 01 41 1 0 42 全液压分体 式钻机变幅机构 设计及 力学分析 宋海涛，白稳乐，姚亚峰 中国煤炭科工集团 西安研究院有限公司，陕西 西安7 1 0 0 7 7 摘 要 设计了一种煤矿用全液压分体式钻机的新型变幅机构 ，介绍 了其 结构及工作原理。 为研究变幅机构的动力学性能，建立了钻机调 角及正常钻进两种工况下变幅机构的力学模型，采 用 M a t l a b仿真分析软件得到两组调 角油缸在不 同工况下 受力状 态随主轴倾 角及 回转器运动轨迹 的 受力 变化 曲面 ，为 变幅机 构 的 结构设 计提供 了理论依 据 。 关键词 变幅机构 ；力学性能；力学模型；受力状态 中图分类号 T D 4 2 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 4 1 1 - 0 1 3 4 - 0 3 De s i g n a nd M e c ha n i c s An a l y s i s o n De r r i c k i n g M e c ha ni s m o f M i ne Fu l l Hy dr a u l i c S e pa r a t e Ty pe Dr i l l i ng M a c hi n e SONG Ha it a o， BAI We n l e，YAO Yaf e ng X i a n R e s e a r c h I n s t i t u t e C o mp a n y L i m i t e d ，C h i n a C o a l T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e r i n g G r o u p，Xi a n 7 1 0 0 7 7，C h i n a Ab s t r a c t A n e w mo d e d e r r i c k i n g me c h a n i s m o f a mi n e f u l l h y d r a u l i c s e p a r a t e t y p e d r i l l i n g ma c h i n e wa s d e s i g n e d ．T h e p a p e r i n t r o d u c e d t h e s t r u c t u r e a n d wo r k i n g p r i n c i p l e ． I n o r d e r t o s t u d y t h e d y n a mi c s p e r f o r ma n c e s o f t h e d e r r i c k i n g m e c h a n i s m，a m e c h a n i c s mo d e l o f t h e d e r r i c k i n g m e c h a n i s m u n d e r t h e p e rf o r ma n c e s o f a n a n g l e a d j u s t e d a n d a n o r m a l d r i l l i n g wa s e s t a b l i s h e d ． A Ma t l a b s i mu l a t i o n a n a l y s i s s o f t wa r e w a s a p p l i e d t o h a v e a s t r e s s s t a t u s o f t h e t wo g r o u p a n g l e a d j u s t m e n t c y l i n d e r s w i t h t h e ma i n s h a f t i n c l i n a t i o n a n d t h e s t r e s s v a r i a t i o n c u r v e d s u rf a c e o f t h e r o t a r y m o v e m e n t t r a c e u n d e r t h e d i f f e r e n t p e rfo r ma n c e s ． T h e o r e t i c a l b a s i s c o u l d b e p r o v i d e d t o t h e s t r u c t u r e d e s i g n o f t h e d e r r i c k i n g me c h a n i s m． Ke y wor ds d e r r i e ki n g me c h a n i s m ；me c h a n i cs f e a t u r e s；me c ha n i c s mo de l ； s t r e s s s t a t u s 煤矿用坑道钻机变幅机构的主要作用是根据钻孔倾角 的需求调整钻机机身的倾角。传统的 Z D Y系列分体式钻机 的变 幅机构 主要 由调角 油缸 、横梁 及撑 杆组成 ，钻机 调角 时首先需要松开立柱、横梁和机身夹头体上的螺栓 ，然后 通过液压控制阀控制调角油缸的伸缩来调节机身倾角，调 到合适角度后再将各螺栓锁紧，该调角过程操作复杂、工 作效 率较 低 。 本文主要介绍了一种应用于坑道分体式钻机的新型变 幅机构，并分析了变幅机构各调角油缸的受力情况- o J ，为 调角油缸的选择及变幅机构的结构设计提供了理论依据。 1 结构设计及工作原理 新型钻机变幅机构如图 1所示，主要由调角油缸 I、 连接支架及调角油缸 Ⅱ组成，其中调角油缸 I设计为 2根 缸径 8 0 m m、杆径 5 5 mm的油缸布置于连接支架的两侧 ，与 连接支架铰接 。调角油缸 Ⅱ设计 为缸径 1 0 0 m m、杆径 7 0 ra m 液压缸与机身铰接，液压缸的最大工作压力均为 3 1 ． 5 。变 幅机构的调角范围为 一 2 0 。～ 9 0 。 ，且机身在变幅机构上 可以掉头安装，使主轴倾角最终可以在 一9 0 。一 9 0 。 范围 内进行调节 。 调 角油缸 Ⅱ调角油缸 图 1 分体钻机变幅机构 分体钻机变幅机构模型如图2所示，图中 A 、B点分别 收稿 日期 2 0 1 4 0 50 4 作者 简介宋海涛 1 9 8 4一 ，男，河南 漯河人，硕 士，现从事煤 矿坑道钻机设计工作 ，Ema i l s o n g h a i t a o c c t e g x i a n． c o m o 引用格式宋海涛，白稳乐，姚亚峰．全液压分体式钻机变幅机构设计及力学分析 [ J ] ．煤炭工程，2 0 1 4，4 6 1 1 l 3 4 1 3 6． 1 3 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 4年第 1 1 期 2 ． 2 钻机给进、起拔时变幅机构的受力分析 钻机在给进、起拔工作过程中主要依靠前后稳 固装置 稳固机身，较好的改善 了整个变幅机构的受力状况 ，增强 变幅机构的可靠性。 钻机给进 、起拔力 均为9 4 k N，给进时，后稳固 装置起作用，起拔时，前稳固装置起作用 ，此时变幅机构 力学模 型如图 6所示 。 图 6 变幅机构 受力分析图 2 ． 2 ． 1 调角油缸受力分析 将机身 图 6中 a 及连接支架和调角油缸 I 图 6中 b 为研 究 对 象 进行 受 力 分析 ，其 中MB1 9 0 m m，L a x 6 2 8 mm， 5 0 5 m m，可以推出 给进 起拔 G c o s O L G s i n 0MB G1 c o s 0 懿 F g L f ABs i na2 H B 一F 3 c 0 s 7一F 4 s i n s 7 HCs i na8 一 Gc o s O L Gs i n0MB G1 c o s 0Lc x F。 ， ABs i na2 H B 一F 3 c 0 s 7F 4 s i n s 7 HC s i n a8 2 ． 2 ． 2 调角油缸的 MA T L A B力学分析 钻机给进、起拔时调角油缸随主轴倾角及回转器运动 轨迹的变化曲面如图7 、8所示，各工况下受力最大值见表 1 。给进、起拔时回转器质心位置的变化对调角油缸受力影 响较小，调角油缸受力变化主要由主轴倾角 0的不同引起。 给进时，调角油缸 I主机水平、回转器靠近机身铰接点 B 时受力最 大，单 根油 缸受 压力 一8 4 k N，小 于许 用推 力 1 3 6 图7调角油缸受力变化 曲面图 给进 1 5 8 k N 。调角油缸 Ⅱ在回转器靠近机身铰接点 A，主轴倾角 为 9 0 。 时受力最大 ，油缸受 压力 1 7 4 k N，小于许 用推力 2 9 9 k N，调角油缸满足要求。起拔时，调角油缸 I主轴倾角 0为9 0 。 、回转器靠近机身铰接点 B时受力最大，单根油缸 受压力 3 6 ． 3 9 k N，小于许用推力 8 3 k N。调角油缸 Ⅱ在回转 器靠近机身铰接点 A，油缸受拉力 一1 6 4 k N，小于许用拉力 1 7 8 k N，调角油缸满足要求 。 图 8 调角油缸受力变化 曲面 图 起拔 表 1 调 角油缸受力最大值 3结语 本文采用仿真分析软件 MA T L A B研究新型变幅机构主 要是两组调角油 缸在 调角及 钻机 给进 、起 拔工况 下 的受力 情况 ，分别建立 了相应的力学方程，得出了调角油缸在这 两种工况下受力 与 回转器位 移及 主轴倾 角 的变化 曲面 。分 析仿真结果 表明在调 角及钻 机钻 进这 两种工 况下 ，变 幅机 构的受力情况均满足钻机的使用要求，为油缸的选择及变 幅机构结构的优化设计提供了理论依据。 参考文献 [ 1 ] 石智军 ，胡少韵 ，姚 宁平 ，等．煤 矿井下 抽采 放 钻孔 施 工新技术 [ M] ．北京 煤炭工业 出版社 ，2 0 0 8 ． [ 2 ] 陈健 ，姚宁平 ，殷新 胜 ，等．MK系列钻机及其在 煤矿瓦 斯抽放 中的应用[ J ] ．煤炭科学技术 ，2 0 0 3 2 1 21 4 ． [ 3 ] 孙保 山，邬迪 ，方鹏 ，等．新型 Z D Y 8 5 0 S型全液压 坑 道钻机 的设计 [ J ] ．煤 炭工程 ，2 0 1 2 3 1 1 71 1 9 ． [ 4 ] 姚克，殷新胜，姚宁平，等．Z D Y 4 0 0 0 S型全液压钻机的 设计与应用 [ J ] ．煤 炭工程 ，2 0 0 6 2 7 7 7 9 ． [ 5 ] 王世怀．多功能旋挖钻机变幅机构静力学特性研究及其优化 [ D] ．长沙 中南大学 ，2 0 1 0 ． [ 6 ] 迟振国，董庆建，李阳，等．基于A D A M S 的 H R 1 5 0 旋挖 钻机 变 幅机 构动 态仿 真 分 析 [ J ] ．煤 矿 机 械 ，2 0 1 2，3 3 1 5 4 5 6 ． 责任编辑赵巧 芝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m