气动便携式矿山救援裂石机的设计.pdf

2 0 1 2 年1 2 月 矿 业安 全 与环 保 第3 9 卷第6 期 气动便携式矿山救援裂石机的设计 贾海军， 祁海莹， 唐述明， 陈 波 中煤科工集团重庆研究院， 重庆 4 0 0 0 5 0 摘要 针对矿山救援的特殊性， 提出了一种齿轮丝杆传动的便携式气动裂石机设计方案， 分析了楔 形裂石的原理和过程， 对便携式气动裂石机的传动机构及主要参数进行了计算分析， 认为采用压缩气体 为动力的裂石机， 适用于在狭窄空间实施裂石作业。 关键词 矿山救援； 气动式裂石机； 楔形机构 中图分类号 T D 7 7 4 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 2 0 6 0 0 4 0 0 3 在矿山灾害事故救援过程中会碰到垮落的大块 岩石或煤块 ， 常用的破碎方式一般是爆破 ， 这种方法 存在安全隐患 ， 而采用裂石机破碎大块岩石或煤块 是最安全、 便捷的方法。 裂石机广泛用于采石、 采矿、 建筑维修、 岩石二 次破碎等领域， 裂石方式有静态径向裂石、 动态径向 裂石、 轴向一径向裂石、 孔内柱式劈裂等几种⋯。静 态径向裂石机具有结构简单、 轻巧便携、 成本较低且 裂石过程中无冲击振动、 无粉尘、 噪声低等特点， 其 应用最广泛 。裂石机普遍采用的驱动方式有 电动液 压、 气动液压两种 。 常见的裂石机存在质量大、 体积大的问题， 并且 需要有 电力 ， 在矿山救援 过程 中碰到垮落的大块岩 石或煤块时， 常常是要么没有准备液压裂石机， 要么 没有电力， 从而不能使用。采用高压气瓶存贮压缩 气体为动力源的便携式裂石机非常适用于矿山救援 过程 中破碎大块垮落的岩石或煤块。 1 裂石机工作原理 岩石是一种非均质且各 向异性 的脆性材料 ， 其抗拉强度通常只有抗压强度 的十几分之一。裂石 机正是利用了岩石的这一特性 ， 采用楔形机构将孔 口的动力传人孔内， 并将压力转换成对孔壁的拉力， 从而轻松地将岩石从孔 口裂开。 裂石机的核心部件是楔形机构， 如图1 所示， 其 由楔子和楔块组成， 楔子与传动机构相连， 楔块与外 收稿日期 2 0 1 2 0 7 2 5 ； 2 0 1 2 1 0 2 2修订 基金项目 中煤科工集团重庆研究院青年创新基金项 目 2 0 1 1 Q N J J 6 作者简介 贾海军 1 9 8 2 一 ， 男， 重庆人， 硕士， 主要从事 应急救援技术及装备的研究工作。 40 壳相连。裂石机工作时， 楔子在传动机构的作用下 向下移动的同时将楔块 向两边胀 开， 通过楔块逐 步 向岩石施加分裂力 ； 随着分裂力的增加 ， 孔壁周 围首 先发生弹性变形 ， 当孔壁某处 的拉应力达到强度极 限时就在该处首先产生半椭圆形裂 纹源； 随着楔 子 继续往下移， 裂纹先沿着孔壁向孔底扩展然后沿着 水平方向向两边扩展， 最后使孑 L 底以上部分全部贯 穿 ； 当楔子继续 向下移动， 到某一时刻当裂纹前端应 力强度 因子大于岩石 的断裂韧性时， 裂纹就会 向下 扩展至岩石底部将岩石彻底分裂开。 l 一岩石 ； 2 一 楔子 ； 3 一楔块。 图 1 裂石机楔形机构示意图 3 2 2 便携式气动裂石机总体方案 裂石机动力源为瓶装的压缩气体， 同时将液压 传动改为机械传动， 以满足便携、 适用狭窄空间作业 的要求。由于摩擦阻力对裂石机的传动效率影响非 常大 J ， 因此传动机构采用摩擦阻力小、 传动效率较 高的滚珠丝杆副和交错斜齿轮减速传动。便携式气 动裂石机的原理图如 图2所示。 裂石机工作时， 压缩气体经减压后带动气动马 达旋转， 并通过齿轮副将动力传给丝杆， 带动楔子移 动实现裂石功能。 该传动机构有以下特点 摩擦阻 2 0 1 2 年1 2 月 矿 业安 全 与环保 第3 9 卷第6 期 1 一 压缩气瓶 ； 2 一减 压 阀； 3 -- 气动 马达 ； 4 -- 斜齿轮 组 ； 5 -- 滚珠 丝杆副 ； 6 ～楔 形机 构。 图2 气动裂石机原理图 力小， 传动效率高； 楔形机构在一定条件下具有径向 自锁功能， 但没有轴向自锁功能， 因此当工作时楔子 不会在楔块 的挤压下 回退 ， 而 当裂石完毕后需要 向 上收回楔子时可手动操作而不需要耗气 ； 斜齿轮组 呈9 O 。 空间交错布置， 可在由气动马达驱动的斜齿轮 的另一端安装可拆的手动摇柄， 从而轻松实现手动驱 动与气动驱动结合， 大大提高使用的灵活性和效率。 3 传动机构计算与分析 3 ． 1 岩石破裂条件 如图 1所示 ， 孔壁岩石表 面受到来 自楔块 的挤 压力作用， 由于楔块的外表面呈弓形， 因此孔壁受到 的压 力并 非 均匀 分 布。美 国密 苏里州 大 学 的 D ． C h o l l e t t e ， G． B ． C l a r k和 T ． F ． L e h n h o ff等人 曾经对 孔壁的压力分布做过研究， 如图3 所示。 w s i n 2 0 】 ， 图3 孔壁压力分布形式 由于压力分布状况比较复杂， 为便于计算， 此处 假设为均匀分布。容易知道孔壁表面未与楔块接触 部分的中心点应力最大， 则该处产生裂纹的条件 如下 N w ≥ 式中 Ⅳ为楔块对岩石的分裂力； d 。 为楔块外径； z 为 楔块有效长度； A为冗余系数。 3 ． 2 楔形机构传动分析 楔子和楔块的受力如 图 4所示 ， 楔子水平方 向 的合外力为 0 。 图 4楔子及楔块受力 图 由于楔子和楔块在运动过程中始终保持受力平 衡 ， 设楔面间的动摩擦系数为 ， 根据 2 x o ， y 0， 得到受力平衡方程 2 F 1 C O S a 2 N 1 s i n F 2 F C O S a N s i n N 2 3 Ⅳ F 2 ， s i n J 7、 ， C O S 4 式中 F为裂石机产生的轴向力； 为楔子尖部夹角 的一半 ； Ⅳ ， Ⅳ 为楔面上 的正压力 ； F ， F 为楔面上 的滑动摩擦力； Ⅳ为岩石对两侧楔块的反作用力， 大 小与楔块对岩石的分裂力相等。 Ⅳ 与Ⅳ 互为反作用力， 大小相等， F 。 f N ， 代 人求解得 Ⅳ 2 5 N 1 6 Ⅳ 7 [ t 一 2 a n 则该楔形机构工作状态下的增力比为 i r i N 8 ／ F 2 t a n 若不计摩擦力， 则可得理想状态下楔块对岩石 的分裂力 N o l_ 9 因此该楔形机构的传动效率为 叼 堕 丑 1 0 N “ o [ t a n 设楔块的运动速度为 ， 丝杆的有效行程 为 ， 则完成一次裂石气 动马达所需 的运行时间 t 为 L ／ v 手动回程 至 2 L ／ v 气动 回程 之 间， 产生 的裂纹 宽度 W 2 L t a n o 3 ． 3 驱动力矩计算 假设系统始终保持匀速运行， 则丝杆轴的容许 轴向拉伸压缩载荷 P 2 1 1 6 d ； 1 1 丝杆的静态安全系数 - C ，o a 1 2 41 2 0 1 2 年1 2 月 矿 业安 全 与环 保 第3 9 卷第6 期 丝杆螺母副的摩擦扭矩 1 3 Lff ， 7 气动马达所需转速 n 1 0 0 0 x 6 0 v i 1 4 n ～ L H 气动马达所需扭矩 堕 1 5 一 、 一， ‘ 1 h1 l 2 式中 d 为丝杆轴底径； C 。 为丝杆基本静额定载荷； 为丝杆导程； i 为传动 比； 。 为丝杆传动效率； 叼 为齿轮传动效率。 气动马达工作压力通常为 0 ． 5 M P a ， 假设耗气 量为 A， 气瓶容积为 ， 压力为 P， 则理想状态下一瓶 压缩气体最多能进行的裂石次数为 ，一 2 pV v 一 A￡ 1 6 3 ． 4 主要参数确定 便携式气动裂石机主要针对孤石进行分解 ， 考 虑到便携的需要， 各部件的尺寸、 重量要求尽量小， 因此需要牺牲一些裂石时间和气量以获得较大的增 力 比， 从而降低裂石机身的整体重量 。设定裂石 时 间为 1 m i n ， 由于 楔 形 机 构 需 要 自锁 功 能， 因此 2 a2a r c t a n ． 1 1 ． 4 。 。由于滑动摩擦系数与压力有 关， 根据文献[ 4 ] 的研究， 此处取．厂 0 ． 0 8 。由式 8 和式 9 得增力比和传动效率与楔子半角的关系如 图 5所示 ， 可知当 2 ． 5 。 时可获得 4倍 的增力 比和 较高的传动效率。结合 国内外相关产品的参数， 取 f 2 0 0 m m， 则丝杆进给速度 3 ． 4 mm ／ s 。 以花岗岩为例， 其抗拉强度约为 7 ～ 2 5 M P a ， 设计按最大值考虑， 取 f - 2 0 0 m m， d 3 6 a m， 参照 相关市售产品取A 4 4 ， 由式 1 、 式 8 求得所需丝 杆推进力 F约为2 x 1 0 N， 由于裂石机工作过程中的 冲击和振动都较小， 取． 1 ． 1 ， 由式 1 1 一 1 6 确 定参数如下 丝杆直径 5 0 m m， 传动比 1 0 ， 气动马 ／。 图5 增力比和传动效率与楔子半角的关系曲线 达功率7 5 0 W， 扭矩4 7 N i n ， 以耗气量为 1 2 0 0 L ／ m i n 的气动马达为例， 若一次携带 2 个 9 L 、 3 0 M P a的气 瓶最多可完成4次裂石工作。 4 结语 以气瓶存贮 的压缩空气为 动力 的便携式 裂石 机， 非常适合于矿山救援中遇到的岩石或煤块的破 碎， 具有无需电力、 可在狭窄空间作业、 便携等优点。 对提高救援效率， 减少安全隐患具有重要意义。 参考文献 [ 1 ]陈宝心， 刘海卫， 刘伟， 等． 钻孔劈裂器破岩技术及其应 用[ J ] ． 采矿技术， 2 0 0 6， 6 4 8 5 8 7 ． [ 2 ]田立忠， 刘永富． 人工劈裂法石材开采的断裂机理探讨 [ J ] ． 金属矿山， 2 0 0 7 8 7 4 7 9 ． [ 3 ]周益民． 摩擦阻力对液压劈裂机劈裂力的影响[ J ] ． 锻压 机械，1 9 9 9 4 4 4 4 5 ． [ 4 ]D ． C h o l l e t t e ， G ． B ． C l a r k ， T ． F ． U l e h n h o ff ． F r a c t u r e s t r e s s e s i n d u c e d b y r o c k s p l i t t e r s [ J ] ． I n t e rna t i o n a l J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d Mi n i n g S c i e n c e s Ge o me c h a n i c s A b s t r a c t s ， 1 9 7 6 1 3 2 8 1 2 8 7 ． [ 5 ]李俊平， 连民杰． 矿山岩石力学[ M] ． 北京 冶金工业出 版社， 2 0 1 1 ． 责任编辑 熊云威 上接第 3 9页 高压段相对后移 ， 对于除尘装置的吸入能力影响较 小 ， 除尘装置可以正常工作。 参考文献 [ 1 ]张建华， 范付恒． 水射流负压钻孔除尘技术的应用[ J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 1 1 ， 4 2 3 8 6 8 7 ． [ 2 ]王顺喜． 煤矿粉尘的治理[ J ] ． 科技风， 2 0 1 1 2 1 3 4 ． [ 3 ]李晓红， 卢义玉． 水射流理论及在矿业工程 中的应用 [ M] ． 重庆 重庆大学出版社， 2 0 0 7 ． 42 [ 4 ]陆宏圻．喷射技术理论及应用[ M] ． 武汉武汉大学出 版社， 2 0 0 4 ． [ 5 ]袁丹青． 多喷嘴射流泵流场的数值模拟及试验研 究 [ D] ． 镇江 江苏大学， 2 0 0 9 ． [ 6 ]李龙华， 缪英． 提高射流泵效率的研究[ J ] ． 江苏石油化 工学院学报， 1 9 9 7 ， 9 4 5 7 6 1 ． [ 7 ]龙新平， 朱劲木． 射流泵内部流动的数值模拟[ J ] ． 武汉 大学学报 工学版， 2 0 0 2 ， 3 5 6 1 6 ． 责任编辑 卫蓉