煤矿用全液压坑道钻机的设计研究.pdf

第 3 1卷第 0 6期 2 0 1 0年0 6月 煤 矿 机 械 Co a l Mi n e Ma c h i ne r y V0 l _31 No ． O 6 J u n ．2 01 0 煤矿用全液压坑道钻机的设计研究 汪选要 ， ，徐传波 ，叶友东 ，李保坤 f 1 ． 安徽理工大学 机械工程学院 ． 安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 2 ． 煤炭科学研究总 院 上海分院 ， 上海 2 0 0 0 6 2 摘 要 介 绍 了煤 矿 用坑道 钻机 的作 用 ， 优化 设 计 了导轨 调斜 机 构的 运动 尺寸 ， 改进设 计 了钻 机 的 液压 系统 来 满足 其较 恶劣 的 工 况要 求 ． 提 出 了采 用组 合 式 液压 卡 盘 的斜 面增 力机 构 ， 为 实现 长距 离钻 孔抽 放 瓦斯提 供 了可靠 的安 全装 备 关键 词 调斜 机 构 液 压 系统 斜 面增 力机 构 中 图分类 号 T D 4 2 2 ． 2 文 献标 志码 A 文 章编 号 1 0 0 30 7 9 4 2 0 1 0 0 60 0 0 30 3 De s i g n a nd Re s e a r c h o f Hy dr a ul i c Tun ne l Dr i l l i ng Ri g W ANG Xu a n - y a o ，XU Ch u a n - b o ， YE Yo u - d o n g ， L I Ba o k u n 1 ． Co l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， An h u i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ， C h i n a ；2 ．C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e S h a n g h a i B r a n c h ， S h a n g h a i 2 0 0 0 6 2 ， C h i n a Ab s t r ac t Th e f u n t i o n o f h y d r a u l i c t un n e l dr i l l i n g r i g wa s i n t r o du c e d，t he k i n e ma t i c s d i me ns i o n o f g u i d i n g r a i l a n g l e a d j u s t me n t m e c h a n i s m w a s d e s i g n e d o p t i ma l l y ，a h y d r a u l i c s y s t e m w a s d e s i g e d p e r f e c t l y t o s a t i s f y t he b a d l y c o nd i t i o n ． Ba s e d o n r e s u l t a nt h y d r a u l i c c h uc k，i n c r e a s e d i n s t r e n g t h ma c h a n i s m wi t h i n c l i n e d pl a ne wa s p r e s e n t e d ，t h e r e l i a b l e e q u i mp me n t f o r l o n g d i s t a nc e d r i l l i n g wa s p r o v i d e d． Ke y wo r d s a n g l e a d j u s t m e n t m e c h a n i s m； h y d r a u l i c s y s t e m； i n c r e a s e d i n s t r e n g t h ma c h a n i s m 0前 言 目前 ． 我 国煤 炭 开 采 速 度 增 长 较 快 ． 随 着 煤 矿 开 采 深度 的 逐渐 增 加 ． 煤 矿 瓦 斯 突 出及 爆 炸 的 危 险 性 也在 增 加 ， 且 常 发生 煤 矿 瓦斯 突 出 、 爆 炸 事 故 ， 而 采 用 大通 风 量 直接 把 瓦 斯抽 放 到 大 气 中 ． 不 仅 会 破 坏大气环境 ． 也 不符合节能减排 的要求 ． 所 以国 内 外 对 矿 井 瓦 斯 采 用 了抽 放 综 合 利 用 的 方 法 来 解 决 这一 难题 而矿 井 对预 防 瓦斯 事故 的安 全 措施 中必 不 可 少 的 钻 机 提 出 了更 高 的要 求 ．更 广 的 使 用 范 围 在高瓦斯复杂地质条件下长距离钻孔 ． 要求此 类 钻机 体 积 小 、 质量 轻 、 能力 大 ， 以适 应 在 狭 窄 的 巷 道 内快 循 环施 工 作业 为此 ． 设 计 研 究 了一 种新 型 的瓦斯抽放钻机 ． 机身倾角能够实现一 3 0 ～ 9 0 变化 ， 液压系统主泵额定压力 2 5 MP a ． 副泵额定压力 2 l MP a ， 电机 功率 为 3 7 k W 1 机身 导 轨调 斜机 构 的优化 设 计 钻 机导 轨 调 斜机 构 如 图 1 所 示 ． 机 架 采 用立 柱 式 结 构 ．通 过 调 斜 液 压 缸 可 以调 整 机 身 导 轨 的倾 角 ． 同时 可 以调 整 钻 机 的水 平 开 孔 高 度 ． 以满 足 不 同钻孔参数 的要求 为了钻孑 L 工程实 际需要 ． 实现 机身导轨调斜倾角 O L 在一 3 0 ～ 9 0 内调整 ．机身导 轨 调 斜机 构 的仿 真如 图 2所示 在 Ma t l a b中编写优化函数 O L ， f ， f 2 ， 对机构的 运动 尺寸 进行优 化设 计 ． 设计 结 果 如表 1 所 示 ． 机 身 导轨 调斜 液 压缸 采 用 HS G ． L 一 5 o ／ 3 2 3 0 o ／ 5 8 0工程 油 缸 。 导 轨上 的拖 板 以滚 动摩擦 代替 传统 的滑 动摩擦 。 图 1 钻 机 导 轨 调 斜 机构 1 ． 支撑杆2 ． 推进液压缸3 ． 导轨 4 ． 调斜液压缸5 ． 底座 I I 一 一 j ． I a 最高水平位置 b 向下钻极限位 置 } l ～ ∥ } 2 2 2 ． ． _ ～ ／ l c 最低水平位置 d 向上钻进 4 5 。 图 2导 轨调 斜仿 真 图 表 1 调 斜 机 构 运 动 尺 寸 优 化 结 果 2钻机 的液 压 系统 的 改进设 计 3 一 V o 1 ． 3 1 N o ． 0 6 煤矿用全液压坑道钻机的设计研究汪选要 ． 等 第 3 1 卷第O 6 期 如 图 3所示 钻机 液压 系统 的动力配 备方案 是 指液压泵与液压系统之间的配合方式 ， 正确选择动 力配备方案可以提高系统工作可靠性。在执行机构 数量和性能要求相同的情况下 ．双泵一 双系统或多 泵一 多系统 能简化 系统设 计 ． 而钻 机 的液压 系统 由 2 个 或 多个 独 立 的系统 组 成 ． 执行 机 构 少 ， 简化 了系 统设计的难度。此外 ， 双泵一 双系统可以根据执行机 构 对压 力 、 流 量 和调 速 性 能 的不 同要 求 ， 分 别 采 用 不 同压力 和 排量 的液 压泵 供油 ． 既能保 证 执行 机 构 的性能要求 ． 又可减少系统的功率损失 ， 且降低了 液压系统的成本、 减少了体积。 图 3钻 机 改进 的液 压 系统 原 理 图 1 ． 电 动机 2 ．主油 泵 3 ． 副 油泵 4 、 5 ．多路 换 向 阀 6 ． 单 向调 压 阀 7 ． 单 向节流阀 8 、 9 、 1 0 ． 截止 阀 1 1 、 1 2 ． 吸油过滤器l 3 ． 回浦过滤器 1 4 ． 水冷却器 1 5 ． 液压马达 l 6 ． 调斜 油缸l 7 ． 给进油缸I 8 ． 夹持器 l 9 ． 卡盘2 O ． 液压锁2 l 、 2 2 、 2 3 ． 安全阀2 4 ． 油箱 此液压 系统为双 油泵 供油 ． 2个油泵 系统正 常运 行时相互独立 ． 互不干扰 ． 所有液压元件按 3 1 ． 5 MP a 选型 ． 再保 留安全系数 ， 主泵选用 A 7 V 4 0型斜轴式 双 向变量泵 ． 副泵选 用 2 5 S C Y 1 4 一 I B型轴 向柱塞 泵 。 多路换向阀选用具备负载反馈功能的液控 比例换 向阀Z L 1 5 G Y 1 W 和 Z L 1 5 F Y w． O W． Q 4 W．构成 了 负载 敏 感 液压 系统 ． 具有 钻 孔 工 艺 适应 性 强 、 操 作 简便 ． 节能效果好等特点 ， 尤其在复杂地层中 ， 对成 孔质量和钻机及钻具寿命的提高有显著意义 钻机操作步骤 1 5 B阀置于上位或下位 ， 调节 升降油缸的倾角． 使钻杆对准钻点 ． 然后 5 B阀置于 中位 ． 由于液 压锁 2 0的作 用 ． 升 降油缸 保 持 调节 后 的位置 ； 2 5 D阀置于第 3位 ， 使卡盘松开 ， 安上钻 杆 ，然后 5 D阀置于上位，使卡盘夹紧钻杆 ； 3 4 B 置于上位 。 使马达正转 ． 接着 5 C阀置 于上位 ． 给进 缸前进 ， 钻机进行钻孔； 4 4 B阀置于中位 ， 使马达 停止转动 ．然后 5 D阀置于第 3位 ，使卡盘松开钻 杆，夹持器夹紧钻杆， 5 C阀置于第 3 位 ．给进缸退 回； 5 关闭截止阀 l 0 ． 再取一节钻杆 。 接着 5 D阀置 于上位．使卡盘夹紧这节钻杆 ．接着 4 B阀置于上 位 ， 马达正转 ， 拧紧 2节钻杆； 6 打开截止阀 1 0 ， 使 夹持器松开 ， 接着 5 C阀置于上位 ， 给进缸前进 ， 钻 机进行钻孔 ； 7 重复 2 卜 6 1 直 至钻机钻完一个孔 ； 8 4 B阀置于中位 ．马达停止转动 ， 5 C阀置于第 3 位 ， 给进缸起拔钻杆． 5 D阀置于下位 ， 夹持器和卡盘 同 时夹紧钻 杆 ， 4 B阀置于 下位 ． 马达 反转 ， 卸 掉一节 钻杆 ， 4 B阀置于中位 ，马达停止转动 ， 5 D阀置于第 3位 ， 松 开卡 盘 ， 取下 钻 杆 ； 9 5 C阀置 于上 位 ， 给进 缸前进 ． 5 D阀置于上位 。 卡盘夹紧钻杆， 夹持器松开 钻杆 ， 5 C阀置于第 3位 ．给进缸起拔 。 5 D阀置于下 位 ， 夹持器和卡盘同时夹紧钻杆 ， 4 B阀置于下位 。 马 达反转 ， 卸掉一节钻杆 ， 4 B阀置于中位 ， 马达停止转 动 ， 5 D阀置于第 3位 。 松开卡盘 ， 取下钻杆 ； 1 o 重 复 9 直 至 卸 掉 每 节 钻 杆 ； 1 1 重 复 1 ～ 1 0 直 至 钻完 所有孔 、 3 组合式 液压 卡盘设 计 如图 4所示 ． 通过试验研究 ． 提出了采用组合 式液 压卡 盘 的斜 面增 力机 构 ． 提 高 了夹 持 器 的夹 紧 能力。一般取蝶形 弹簧的径向位移量 A x l ～ 2 mm， 轴 向位移量 A y ∑ 一 ∑ ，令碟簧最大工作载荷为 ，由于卡盘松紧次数频繁 ， 初选时应使 辟比 大 ， 取 ． f o ／ ， 其 中 ． 0 ． 7 5 h 。。当松开卡瓦时， 弹 簧将进一步压缩 ．为了使弹簧有一定的使用寿命 ， 松开卡瓦时的轴 向力 一般不超过 ， 变形量相应 也不应超过最大工作载荷时的变形 ， 取 0 ． 6 5 h ， 可得 ∑ ∥ - 。为了限制碟簧压缩时不超过其最 大变形量 ， 在对合碟簧间加垫片。 l 2 4 图 4卡 盈 结 构 1 ． 推力轴承 2 ． 斜面机构3 ． 卡瓦4 ． 碟形弹簧 总轴 向力 F_ 1 t an Q 一 1 式中p 等效力 。 卡 瓦 斜 面 角 度 一 般 取 a 6 ～ 9 。 ， ≤0 ． 1 5 ，得 a a n 1 ≤1 ， 贝 0 增力 比 A F 丽 1 第 3 1卷第 o 6期 2 0 1 0年0 6月 煤 矿 机 械 C o a l Mi n e Ma c h i n e r y Vo l _31 No ．O6 J u n ．2 0 1 0 支 架 搬 运 车 摆 动 梁 与 后 机 架 连 接 结 构 设 计 刘 贵 召 煤炭科学研究总院 太原研究院 ， 太 原 0 3 0 0 0 6 摘 要 阐述 了一 种 支架搬 运 车 的后 机 架基 本 结 构 ， 分析 了静 液 压一 机 械 传动 的 支 架搬 运 车 后 机 架摆 动 粱的作 用 通 过结 构 与受 力分 析 。 对后 机 架与摆 动 梁之 间连接 方 式进行 了设计 ， 并在 后 续相应 机 型 中得 到推 广应 用 ， 取 得 良好 的效 果 。 关 键词 支 架搬 运 车 ； 摆 动 梁 ；受 力分析 中图分 类号 T H1 2 2 文 献标 志码 A 文章 编号 1 0 0 30 7 9 4 2 0 1 0 0 60 0 0 50 3 De s i g n o f Co n ne c t i o n St r uc t ur e be t we e n Su po r t Ve hi c l e W a l ki n g Be a m a nd Re ar -mou nt e d To o l ba r LI U GUI -z hao T a i y u a n I n s t i t u t e o f C h i n a C o a l S c i e n c e R e s e a r c h I n s t i t u t e ， T a i y u a n 0 3 0 0 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t A k i n d o f r e a r mo u n t e d t o o l b a r b a s i c s t r u c t u r e o f s u p p o r t v e h i c l e i s d e s c r i b e d wh i l e t h e ’f u n c t i o n o f r e a r mo u n t e d t o o l b a r wa l k i n g b e a m wa s d r i v e n b y h y d r o s t a t i c - me c h a n i c a l d ri v e ． T h e d e s i g n o f c o n n e c t i o n t y p e be t we e n r e a r mo un t e d t o o l ba r a n d wa l k i n g be a m i s e x e c u t e d t h r o u g h c o ns t r u c t i o n a n d f o r c e a n a l y s i s ．T h e d e s i g n i s p o p u l a riz e d a n d a p p l i e d i n c o r r e s p o n d i n g s e q u e n t i a l mo d e l s wi t h g o o d r e s u l t s ． Ke y wo r d ss u pp o rt v e h i c l e；wa l k i n g b e a m ；f o r c e a n a l y s i s 0引言 搬 运 车 ， 承 载 车 轮 经 常 发 生 成 “ 八 ” 字 形 偏 斜 故 障 ． 随着现代化煤炭开采技术的普及 ， 综采工作 面 造成轮胎与车体干涉 ，致使 轮胎胎面磨损严重 。 严 的推 进 速 度 非 常 快 ． 生 产 效 率 得 到 大 幅提 高 ， 搬 家 重影 响搬家 倒 面工作 的正 常进行 。通 过拆 解摆 动梁 倒面工作也随之变得越来越频繁 。 组件发现 ， 摆动梁 回转轴处轴套磨损 严重 ， 磨损不 由于每次搬 家倒面的任务紧 ， 工作量大 ， 对支 均匀。通过对摆动梁 回转轴运动副的结构与受力分 架搬运车 的使用可靠性提 出了更高 的要求 。但是 ． 析 ， 提出 了解决方案 ， 有效地延长 了摆 动梁 回转支 在支架搬运车使用过程 中． 特别是首批生产 的支架 撑部 的使用 寿命 ． 提 高 了支架搬 运车 的运行 可靠 设 弹簧 刚度 为 C． 则 F C A x ／ t a n ， 得 的工作 条 件 、 承 受 最 大 的轴 向载荷 和最 大 的 回转 力 Q C A 丽r 取 o ． 1 ． 5 m m， 得 A y 1 0 ． 6 8 mm。令 最 大扭 矩 T I 3 0 0 N m． 则 卡瓦 夹 紧钻杆 的摩 擦 力 4 ． 3 3 x 1 0 N ， F l ／ x N， t a n 3 N ／ F E _ _l 式 中 卡盘 螺母 的倾 角 。 卡盘的斜面倾角13 1 0 。 ， ／ x 0 ． 3 ～ 0 ． 5 ， 取 13 8 。 ， O ． 4 ． 得 F I ． 5 2 x 1 0 4 N， 查 弹 簧手 册 ， 选 取 系列 A 中外 径 D 1 4 0 m m． d 7 2 m m 蝶 形 弹 簧 参 数 D／ S 1 8 ， ho ／ S 0 ． 4， E 2 0 6 00 0 M P a， v 0 ． 3， 3 8 mm ， Ho l 1 ． 2 mm ， h o 3 ． 2 m m， 碟 形 弹簧 的材料 为 5 0 C r V A。 4结 语 对 煤 矿 用 坑 道 钻 机 的导 轨 调 斜 机 构 的运 动 尺 寸进行优化设计 ． 实现机身导轨调斜倾角 在一 3 O ～ 9 0 调整 ． 且满足结构尺寸紧凑的工作空 间要求 。对 钻 机 的液 压 系 统 进 行 改 进 设 计 来 满 足 卡 盘较 恶 劣 矩且 动作 频 繁 的要求 采 用组 合 式液 压卡 盘 的斜面 增 力 机 构 ． 提 高 了夹 持 器 的夹 紧能 力 ． 为 实 现 长 距 离钻孑 L 抽放瓦斯提供 了可靠 的安全装备 ． 具有广 阔 的应 用 前景 参 考 文 献 [ 1 ] 周 桂英 ， 陈洪 月 ， 刘 辉 ， 等． 掘进 机机 载锚杆 钻机结 构设 计研究 [ J ] ．煤 矿机械 ， 2 0 0 8 ， 2 9 7 1 1 - 1 2 ． [ 2 ] 陈松林 ， 王清峰． z Y一 3 0 0型全液压钻 机的研究与试 验[ J ] ．矿业 安全与环保 ， 2 0 0 5 ， 3 2 5 6 8 ． [ 3 ] 吕冰 。 王清峰 ， 史春宝 ． Z Y 一 3 5 0 0煤矿 用全液 压坑道钻 机的研制 [ J ] ．矿业安全与环保 ， 2 0 0 7 ， 3 4 1 8 - 1 0 ． [ 4 ] 殷新胜 ， 田宏亮 ， 姚克 ， 等． Z D Y6 0 0 0 L型履带 式全液压坑 道钻机 的研制[ J ] ．金属矿 山， 2 0 0 7 1 2 9 4 9 5 ． [ 5 ] 丁鸿． Z D Y 一 5型煤矿用全 液压坑道钻机 的应用 [ J ] ．水 利电力机 械 ， 2 0 0 6， 2 8 2 3 5 3 6 ． 作者简介 汪选要 1 9 8 0 一 ， 安徽庐江人 ， 讲 师 ， 毕业于安徽理工 大学机械设计及理论专 业 ． 现主要从事机械设 计制造及其 自动化专 业 的教学和科研 工作 ． 电子信箱 w a n g _ x u a n y a o 1 6 3 ． c o rn． 责任编辑 王海英 收 稿 日期 2 0 0 9 1 2 1 9