煤矿用架柱式大功率气动钻机的设计.pdf

5 2 煤矿支护 2 0 1 3年第 2 期 石 家 庄 中 煤 杯 参 评 论 文 煤矿 用架柱 式大功率 气动钻机 的设计 刘 占宏 王树盘 [ 石 家庄 中煤装备制造股份有 限公 司，河北 石家庄 0 5 0 0 3 5 ] 摘 要 介绍 了煤矿用大功率气动钻机的整体方案、关键部位 的设计原理和结构， 分析 了其 工作 原理 ，为 进 一步 改进 设 计和 参考设 计提 供 了依 据 。 关键 词 煤矿 大功率 气动钻 机 刖 昌 随着 我 国煤 矿 开采技 术 的不 断进 步 ，对 煤矿安全的要求 已达到前所未有的高度。国 家及各地煤炭管理机构对于 “ 有掘必探 、有 采必探、先探后掘 、先探后采”的十六字方 针要 求 越 来 越 严 ，探 孔 的 深 度 也 有 越 来 越 深 ，与之配套的大功率气动的钻机的研究也 取得 了非 常 大 的进 步 。本文 介绍 了石 家庄 中 煤装备制造股份有限公司研制的架柱式大功 率气动钻机的设计方案及结构特点。 1 整体 方案 煤 矿用 架柱式 大 功率气 动钻 机采 用分 组 式布局 ，整机由主机 、操纵台、消音器三大 部 分组 成 。各部 分之 间用 软胶 管相连 ，便 于 在井下不同场地灵活摆布 。在运输条件差的 时候 ，主机 还可 进一 步解 体 。架柱 采用 框架 结构 ，拆卸方 便 ，钻 孔高 度、角度调 节方 便 ，架柱 采用 内注 式液 压支柱 固定 ，稳 固牢 固，可减除额外配备乳化液泵站、液压泵站 的繁琐。 钻机以压缩空气为动力 ，气动回转马达 和给进马达独立工作。压缩空气经油雾器除 尘 雾化 后 ，进入 两个 换 向阀 ，分别控 制 回转 马达和进给马达 。换向阀阀体圆周方向选用 了轴 向的小圆通气孔均匀分布的结构 ，阀芯 和阀体不同的配合位置可实现两种马达的无 级调 速 ，最 终达 到钻 机转 速 、钻 机推 进力 与 钻速的最佳匹配。用螺旋钻杆回转钻进或根 据工 矿实 际需要 临 时调整 。 回转器马达和回转马达均采用了单独 的 消声器，回转马达并在齿轮箱体底部托板 内 增设了金属 网格板消声 ，使 噪音 降到 9 0 d B A 以下 ，基 本 上 解 决 了气 动 钻 机 噪 声 大 的问题。钻机主轴配有水套 ，可直接给钻孔 通水 。整机效 果如 图 1 所 示 。 图 1 钻机整体 实物 图 2 关键 部位设 计 2 ． 1主 机 设 计 主机 由回转器 、行 走总 成 、导 向台 、钻 杆导向架 、支架和钻套等组成。 1 回转器 总成设 计 回转器 总 成 由回 转 马 达 、减 速 箱组 成 ， 回转马达采用气动方式。气体的可压缩性使 2 0 1 3 年第 2期 煤矿支护 5 3 气 马达有明显 的 “ 弹性”机械特性 。当工作 负载阻力增加 ，输 出转速降低 ，输出转矩提 高。同时，气马达的进气量易进行调整 ，能 根据负载状态及时改变。钻机的转矩 T、输 出功 N、耗 气 量 Q 和转 速 n之 间 的 关 系 曲 线 如 图 2 所 示 ，从 图 中可 以看 出其转 矩 一转 速 是软 特性 。 图 2钻 机 性 能 参 数 关 系 曲线 图 气动马达功率为 N pv nz 1 03 bU 式 中N一气动马达输 出功率 ，k w； P 一气动马达平均工作压力 ，MP a ； z 一马达气室数 ； v 一 马达 气室 有效 容积 ； n 一气动马达转速 ，r ／ rai n 。 设计方案确定采用 马达为齿轮式 马达 ， 适用风压 0 ． 4 ～0 ． 6 3 MP a ，最大输出功率为 6 k w 。马达 有 2个进 气 口和 1个排 气 口，可 以实现正反转。马达通过输出齿轮轴与减速 箱连接 ，减速箱 2级减速输出转速 、转矩 。 2 行走 总成 行走总成 由行走马达和减速箱组成 。减 速箱采用涡轮、蜗杆传动方式 ，保证传动部 分结构紧凑 ，实现较高的减速 比传动 ，既保 证控制推进速度在一个合理的范围内，同时 实现 较 大的 推进 功率 。 根据 破 岩学理 论 ，钻 削破 岩 可分为 四个 区。在研磨区钻速与推力呈线性关系 ，此时 加大推力钻头并不能正常切削岩石而处于研 磨状 态，故钻 速增加 很小 ，而功率 消耗很 大。在阻塞 区 内钻速 随着推力 的增 加而下 降 ，而消耗的功率则随着推力的增加而上升 很快 ，显 然在 阻塞 区 内也无 法 正常切 削 。在 研磨切削过渡 区 ，推 力与钻 速是非 线性关 系 ，钻速随推力增加而增加 ，虽然功率增加 不 大 ，但 切 削效 果 也 不 太 理 想 。在 钻 削 区 ， 钻 速与 推 力 呈 线 性 关 系 ，钻 速 快 而 比功 最 小 ，是切削破岩的最佳区域 。在该区域内推 力 P和 钻速 v的关 系可用下 式来 描述 。 一 _ _ { 、 一 r厂 I 1 l 笏 l I I I l I I U I I I I I l I l L_ J 缓 琵 纺 一 一／ ＼ 图 3行 走 总 成 示 意 图 v k p P 式 中 k 与 f 有关 的 比例 系数 当 f 一2 ～ 6 时 ，k 一1 0 1 ． 3 5 f ； 当 f 一 6 1 6时 ，k 一3 ． 1 0 ． 1 9 f ，单 位 mm／ k N mi n ； p 一钻削初 始推力 当 P 一3 5 f时， P v ／ k 2 5 f ，单位 k N。 设计方案中行走马达采用齿 轮式马达 ， 适 用风压 0 ． 4 ～0 ． 6 3 MP a ，最 大输 出功 率 为 2 k W ，最 大 推 进 力 1 8 k N。马 达 同样 设 计 2 个进气 口和 1个排气 口，可以实现正反转 ， 达 到推进 和撤 出钻 具 的功能 。马达通 过输 出 齿轮轴与减速箱连接。 3 减速 机构 减速机构如图 4所示。减速机构 6包括 安装在减速机构壳体内的一级被动齿轮 1 3 、 蜗杆 1 O 、蜗轮 1 2和 输 出齿轮轴 1 1 。气动 马 达的输出轴 2 0与一级被动齿轮 啮合 ，一级 被 动 齿 轮 1 3安 装 在 蜗 杆 1 0的 一 端 ，蜗 杆 1 O通过两轴承安装在减速机构 6内。蜗杆 与蜗轮配合 ，蜗轮上连接与齿条啮合的齿轮 轴 。减速 机 构 与 气 动 马达 的 壳 体 连 接 成 一 体，它们与气动钻机同时固定安装在一块导 向台 1 8上 ，它们一起沿导轨前后移动。 2 ． 2操 纵 台设 计 操 纵 台 如 图 5所示 是 钻机 的控 制装 5 4 煤 矿支 护 2 0 1 3年第 2期 图 4减 速 机构 示 忌 图 置。该部分由控制阀、油雾器、压力表、管 件 、框架等组成 。 目前气动控制阀分为压力控制阀、方 向 控制 阀 、流量 控 制 阀等 。压 力控 制 阀又分 为 减压 阀、过滤减压阀、单向压力顺序 阀、安 全 阀等 ，主要 用来 控 制 系统或者 操作 机构 的 工作压力。方 向控制阀主要用来控制工作介 质的流向，分为电磁阀、气控阀、单 向控制 阀等。流量控制阀控制工作介质 的流量。方 向控 制 阀可 以改 变介质 的流动方 向 ，但是 一 般其 流量 和压 力较 小 ；流量 控制 阀可 以控 制 介质的流量 ，但很少能够改变方 向。煤矿或 者工程施工中所使用的重型设备动力都 比较 大 ，操 纵设 备换 向需 要很 大 的流体 动力 ，需 要很大的压力、流量 ，并需要能够改变流体 介质 的流动 方 向 ，单纯 的压 力 控制 阀 、方 向 控制阀、流量控制阀均不适应煤矿或者工程 施工 中所使用 的重型设备的要求 。而 目前煤 矿 或者 工程施 工 中所使 用 的重 型设备 的换 向 装 置均 存在 控制 阀 的通径 小 的缺点 ，不 能实 现对大流量工作介质的方 向、压力和流量控 制 。 手动换 向流量控制阀包括壳体 、位于壳 体上的流体进 出 口及连接通道 1 1 、及位 于 壳体内的阀芯总成 ，阀芯总成与流体进 出口 配合。壳体包括左盖 1 2 、右壳体 1 3 、上下 底盖 9 ，左盖 1 2上设置有与连接通道 1 1连 通的进气 口 1 0 ，右壳体 1 3上设置有位于 中 间位置的出气 口 1 4和位 于出气 口两侧的工 作 口 1 5 、1 6 ，左盖 1 2 、右壳体 1 3 、上下底 盖 9 互相配合并 由螺栓连接 ，各连接部位之 间设 置密封 装 置 ，左 盖 1 2 、右 壳体 1 3 、上 下底 盖 9之 间 形 成 控 制 阀 的 内腔 ，工 作 口 1 5 、1 6与 内腔之间设有 与密封环 4对应 的 通 气孔 1 7 ，通 气孔 1 7为环 绕 内腔 的三 圈 与 工作 口连通的孔。阀芯总成的中间部分为齿 条 2 ，齿条 2 两端连接起密封作用 的密封环 4 ，密封环 4与控制 阀的内腔及工作 口 1 5 、 1 6对应，齿条 2上配合有与外壳 外部 的手 柄 8连 接 的齿轮轴 1 。齿条 2的端 面上 有螺 纹 孔 ，齿 条 2的端 部外 圆上 还有 凸缘 ，连接 环 5设 置在齿 条 2的端 部并 靠在 凸缘 上 ，连 接 环 5外侧设 置 密封 环 4 ，密 封环 4外 侧再 设 置压 板 3 ，连 接 环 5 、密 封 环 4及 压 板 3 被 拧在 螺 纹 孑 L 内 的 螺 钉 7压 紧 在 齿 条 的端 部 。连 接环 5 与齿 条 2之 间 通 过 型 圈 6 密 封 。 卜 齿 轮 轴 2 齿 条 3 板 ；4 一 瑟 封耶 5 连 接 环 6 一 O 型圈；7 一 螺钉8手柄；9 -I 下底盖； 1 O 一 进气 口；1 1 一 连接通道 ；1 2 一 左盖；l 3 一 右壳体 ； l 4 一 出气 口1 5 工作 口l 6 _r 作 【 _I ；1 7 一 通气孔 图 5 操作台结构示意图 本结 构 采 用 齿 轮 轴 1和齿 条 2啮 合 方 式 ，通过 操作 手柄 8带 动齿轮 轴 1 旋 转 ，齿 轮轴 1与齿条 2啮合 ，当操作手柄 8时 ，齿 轮轴 1 顺时针或者逆 时针旋转 ，带动齿条 2 向上或者 向下 运动 ，则 密封 环 4也 向上 或者 向下运动，使下部或者上部 的工作 口 1 5和 工 作 口 1 6与 工作设 备连 通 ，通过操作 手柄 8 下转 第 9页 2 0 1 3年第 2期 煤矿支护 9 京研究所等单位表示衷心的感谢 1 2 2 0 1 3年 工作 思路 及工 作重 点 2 ． 1工 作 思路 在新的一年 ，支护专业委员会要在中国 煤炭工业协会领导下 ，认真贯彻落实党的十 八大精神 ，坚持以科学发展为主题 ，以提升 煤炭 工业 发展 的科 学化 水平 为 主攻方 向 ，促 使煤矿安全生产状况得到好转。我会将更好 地发挥专家组智囊团的作用 ，在煤矿支护理 论方面继续深入开展研究与探索 ，进一步加 强与煤炭企业之间的技术交流与合作 ；要积 极推广应用新技术 、新产品、新材料和新装 备 ，开创我国煤矿支护改革的新局面；要组 织开好全国煤矿首届顶板管理工作会议 ；根 据当前煤矿安全生产中存在的技术难题 ，组 织好科技攻关和技术创新 ，为煤炭行业和谐 矿区建设和我 国经济社会平稳发展作出积极 的贡 献 。 2 ． 2 工作 重点 ①筹备召开全国首届煤矿顶板管理工作 会议 。做 好会议 前期 准备工作 ，编辑 出版 全国煤矿顶板 管理与安全技 术 论 文集； 拟选取 5 O家大型煤炭 生产企业在会议上进 行经验介绍和技术交流 ，选取 5 0家煤机制 造企业展示煤矿巷道、采掘工作面支护方面 的新技术 、新产品、新材料 、新装备 。 ②大力开展技术咨询活动。今年我会将 组织专家深入煤炭生产企业，继续组织开展 技 术 咨询 和技术 交流 活动 ，为企 业解 决采 掘 支护中的技术难题。大力推广煤矿支护新技 术 、新产品、新材料 、新装备的应用工作 。 ③办好锚杆支护培训班。做好 煤巷锚 杆支护技术规范 行业标 准的宣传贯彻 工 作 。 ④组织开展岩巷快速掘进技术攻关。抓 好岩巷快速掘进 、支护机械化作业线工艺及 装备的配套研究与试验工作。 ⑤抓好 煤矿支护 的出版发行 工作 。 鼓励煤炭生产企业、高等院校、科研院所和 制造厂家的专家学者和广大工程技术人员勇 于技术 创新 ，撰 写 出一批 具有较 高水 平 的技 术论文 。继续组织开展 “ 优秀论文”有奖征 文活动 。 ⑥大力发展新会员。抓好新会员的发展 工作 ，不断壮大煤 矿支护专业 委员会 的队 伍 。同时做好会费的收缴工作。 2 0 1 3年 ，煤矿支护专 业委员会和专 家 组 的工作是十分艰巨的，任重而道远 。我坚 信 支护专业委员会在中国煤炭工业协会领 导下 ，在广大会员单位的大力支持下 ，充分 发挥专家们的参谋和决策作用 ，进一步加强 专家与企业之间的精诚合作，勇于创新 ，积 极推广应用新技术、新产品、新装备和新材 料 ，不断开创我国煤矿支护改革和顶板安全 管理新 局 面 。 上 接第 5 4页 改变密封环 4的位置而改变流体流动方向。 3 结 语 气动煤矿用气动大功率钻机的研究已步 人快速发展阶段 ，未来气动产品以其卓越安 全性必将 在煤矿 机械领域绽放 它 的无 限风 光 。 第一作者简介 刘 占宏 男 ，1 9 6 9年出生， 1 9 9 1年 7月毕业 于河北工学院机械工程系 机械制造工艺及设备专业。现任石家庄中煤 装备制 造股份有 限公司质量 总监。电子信 箱 l i u z h a n h o n g l 1 3 9 ． c o rn。 收稿 日期2 0 1 3年 O 3月 I 2日，责任编辑王方荣