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大慶石油學院本科生畢業(yè)設計（論文）
第1章 概述
1.1 引言
錨桿支護是近年來發(fā)展較快的一種井巷支護方法。它通過錨入圍巖內(nèi)的錨桿，改善圍巖本身的力學狀態(tài)，使支護體與圍巖本身形成一個統(tǒng)一的能夠承受載荷的結(jié)構體，從而提高巖體自身的強度，阻止或延緩圍巖的變形發(fā)展，有效地保持圍巖的完整性和巷道斷面形狀。隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，錨桿支護技術被廣泛采用，錨桿鉆機的需求量急劇增加。我國生產(chǎn)錨桿鉆機的廠家較少，多數(shù)處于研制階段，不能滿足生產(chǎn)的需求，而國外進口產(chǎn)品存在著價格、配件、維修等問題。因此，必須加快錨桿鉆機的研制開發(fā)步伐，大膽引進國外先進的制造和應用技術，進一步地消化、吸收，不斷地更新?lián)Q代，以滿足客戶需求。
錨桿鉆機是實現(xiàn)錨桿支護技術的重要機械設備。隨著錨桿支護技術的飛速發(fā)展, 用于鉆鑿錨桿孔的錨桿鉆機也得到快速發(fā)展。分析錨桿鉆機現(xiàn)狀, 展望它的發(fā)展, 有助于不斷促進錨桿鉆機的技術進步, 使其更適應現(xiàn)代支護技術的需要。
1.2 國外錨桿鉆機的使用狀況
國外錨桿鉆機的品種與功能多樣, 技術性能優(yōu)越, 可靠性高, 并各有各的特點。相關資料顯示: 美國煤礦大量使用的是塔架鉆車式錨桿鉆機, 工作效率達120～240 根, 現(xiàn)已著手開發(fā)計算機控制的全自動錨桿鉆機。法國生產(chǎn)的是轉(zhuǎn)架式錨桿鉆機, 集鉆孔、安裝錨桿為一體, 并具有儲存錨桿桿體的錨桿倉。芬蘭則生產(chǎn)具有樹脂注射系統(tǒng)的鉆車式錨桿機,使鉆孔、安裝錨桿桿體、注入粘接劑全由機械完成,機械化程度頗高。澳大利亞氣動支腿式錨桿鉆機主要有柱塞馬達與齒輪馬達式2 種, 采用玻璃鋼碳素纖維支腿, 能以礦物油和難燃液為工作液,回轉(zhuǎn)機構由擺線液壓馬達驅(qū)動, 有的產(chǎn)品采用玻璃鋼碳素纖維支腿使機重減輕。
國外應用較為普遍的單體錨桿鉆機主要有風動和液壓錨桿鉆機兩種。風動錨桿鉆機有瑞典PRB一300型，澳大利亞的克萊姆公司W(wǎng)OMBAT型，阿明克公司GOPHER型等；液壓錨桿鉆機有澳大利亞PROBAM型，英國WISP型等。特別是澳大利亞在風動錨桿鉆機方面有著較為先進的技術和產(chǎn)品，其特點是重量輕、扭矩大、噪音低、耗氣量小、機身矮等。新型錨機組的出現(xiàn)也只有l(wèi)0多年的歷史，這項錨桿支護技術在國外越來越受到重視，無論是房柱式開采，還是長壁式開采，都采用性能優(yōu)良、技術先進、操作維修方便、應用范圍廣的錨桿鉆機與采掘設備配套的錨機組。如喬伊公司生產(chǎn)的14CM10型采掘錨機組，12ED18型采錨機組，鮑拉特公司的E230型掘錨機組，郎艾道公司的RB1—50L型錨桿鉆車等.
綜觀國外錨桿鉆機設備的發(fā)展歷程，國外錨桿鉆機的發(fā)展始終與錨桿支護理論不斷完善與發(fā)展緊密相聯(lián)、相互依存、相互促進。同時，國外錨桿鉆機的研究不斷采用新材料、新工藝，并緊密結(jié)合國情，開發(fā)的每一代產(chǎn)品都能代表當時的世界領先水平。國外錨桿鉆機的發(fā)展趨勢，一方面不斷完善現(xiàn)已普遍使用的單體錨桿鉆機，使其更可靠，更適應現(xiàn)場需要；另一方面不斷加緊對掘錨一體化快速掘進裝備的研究，目前已經(jīng)推廣使用了多款快速掘錨裝備。國外錨桿鉆機的研究與開發(fā)將會從這兩個方面開展，而且后者為今后發(fā)展重點[1]。
1.3 國內(nèi)錨桿鉆機的使用狀況
國內(nèi)錨桿鉆機的研制經(jīng)歷了30多年的歷程,曾先后研制出機械支腿式電動錨桿鉆機、鉆車式錨桿鉆機、支腿與導軌式液壓錨桿鉆機、支腿式氣動錨桿鉆機、非機械傳動支腿式電動錨桿鉆機等,目前已形成液壓式、電動式、氣動式3大系列。到目前為止,我國已開發(fā)了30多種型號和不同類型的錨桿鉆機,但能夠適于井下使用且可靠性較好的只有3～4種產(chǎn)品。由于電動錨桿鉆機扭矩特性不好,有的產(chǎn)品過載能力不到額定值的2倍,不能滿足錨桿孔鉆進時需克服相當于額定扭矩2.5 倍左右的阻力矩的要求,產(chǎn)品固有可靠性不高,且與之配套的支腿都不是很理想,因此電動錨桿鉆機尚未正式在井下成批使用。目前煤礦錨桿鉆機多為回轉(zhuǎn)式,為配合推廣小直徑樹脂錨桿,鉆頭采用27mm～29mm的回轉(zhuǎn)鉆頭,其結(jié)構類型多為兩翼對稱、兩翼不對稱和兩翼連筋式,可供鉆進不同性質(zhì)巖石時選用。鉆桿由B19或B22 (少數(shù))六角中空鋼加工?，F(xiàn)在國內(nèi)使用錨桿鉆機的主流是氣動式和液壓式,兩者各有所長,各有所短。我們以山東兗煤制造的MQT- 90型氣動錨桿機和同煤集團佳騰廠生產(chǎn)的MYT-100型液壓錨桿鉆機為例,對現(xiàn)使用的錨桿鉆機使用狀況進行分析。MQT- 90 型氣動錨桿機由支腿、控制組件和動力組件3 大部分構成。該機以壓縮空氣為動力。壓縮空氣通過馬達控制閥進入馬達,驅(qū)動馬達齒輪旋轉(zhuǎn),經(jīng)過兩級減速齒輪,減速后驅(qū)動鉆機主軸旋轉(zhuǎn),調(diào)節(jié)操縱扳手的角度,可改變主軸的轉(zhuǎn)速,隨之驅(qū)動鉆桿工作。當打開支腿控制閥,壓縮空氣經(jīng)快速排氣閥進入支腿氣缸,從而使氣缸體逐漸伸出,推動馬達上升,進行鉆進工作。改變操縱旋轉(zhuǎn)鈕角度,可改變支腿伸出速度。當打開水閥時,壓力水通過集成塊水套進入鉆桿、鉆頭進而沖洗孔內(nèi)的鉆屑。改變操縱旋鈕旋轉(zhuǎn)角度,即能調(diào)節(jié)沖洗水能量的大小。該型號錨桿鉆機集鉆孔、攪拌、安裝錨桿于一身,實行螺母一次性扭緊, 達到初錨預緊力要求, 是頂板硬度f≤8 的各種巖巷、煤巷、半煤巷進行錨護作業(yè)的理想工具。該機結(jié)構緊湊、操作簡單、維護方便、適應性強,且體積小、重量輕、推力大、運轉(zhuǎn)穩(wěn)定、可靠性好。MYT- 100 型液壓錨桿鉆機由主機和液壓泵站兩大部件組成。主機主要由旋轉(zhuǎn)機頭、三級伸縮油缸、支腿操縱臂組成。泵站由油箱、滑橇、防爆電機、齒輪泵、操縱控制元件、壓力表、液位計及管路附件等組成。另外,主機配有供水系統(tǒng),用中壓專用膠管供水,用以冷卻鉆頭、沖洗和防塵,實現(xiàn)濕式鉆孔。該機通過泵站輸出的壓力油, 經(jīng)過油管送至主機,以實現(xiàn)鉆機支撐定位和鉆進錨桿孔。該型號錨桿鉆機適用于煤礦頂板硬度f < 10 的各種巖巷、煤巷、半煤巷進行錨護作業(yè)時鉆鑿錨桿孔和安裝錨桿。該機的特點體現(xiàn)在以下幾方面:先進的馬達設計使該機轉(zhuǎn)矩大、效率高;噪音小、重量輕, 有效改善了作業(yè)環(huán)境,降低了勞動強度;先進的回轉(zhuǎn)和支腿部件使該機可靠性和使用壽命提高; 液壓系統(tǒng)中馬達和支腿采用串聯(lián),并采用旁路節(jié)流系統(tǒng),合理利用能量,系統(tǒng)使用效率得到提高;采用可收縮支架,定位好,安全性好。針對煤礦經(jīng)濟狀況與煤巖、半煤巖巷道的具體特點,單體回轉(zhuǎn)式錨桿鉆機是一個時期內(nèi)產(chǎn)品生產(chǎn)與開發(fā)的主流。從目前技術現(xiàn)狀看,在具有壓縮空氣源的條件下,氣動錨桿鉆機仍為首選產(chǎn)品。但是實踐中發(fā)現(xiàn), 由于煤礦井下壓縮空氣系統(tǒng)的輸送管道距離長,工作面氣體工作壓力偏低, 常常在0.4 MPa以下,使鉆機性能與鉆進速度下降30%以上( 對應0.63 MPa壓力),影響錨桿孔鉆進的效果, 特別是在堅硬巖石與深孔作業(yè)條件下,鉆進作業(yè)更加困難。此外,噪聲偏大,雖然小于94 dB,但離職業(yè)健康安全管理要求還有距離。液壓回轉(zhuǎn)式錨桿鉆機因其工作壓力高、扭矩大、動力系統(tǒng)可不受外界影響,在一些場合下是合理的機型。液壓錨桿鉆機輸出的扭矩高于氣動錨桿鉆機,能夠達到140Nm,特別在堅硬巖石作業(yè)條件下尤為明顯。此外,液壓錨桿鉆機與掘進機配套是較優(yōu)越的工作方式之一。但是,該種鉆機液壓系統(tǒng)溫升過高,連續(xù)運轉(zhuǎn)2h后系統(tǒng)溫度升至65℃以上,性能急劇下降。而且過高的溫度易使工作液變質(zhì), 密封件容易早期失效。同時,由于以礦物油為工作介質(zhì),在煤礦井下使用存在一定安全隱患。鉆頭是回轉(zhuǎn)式錨桿孔鉆進設備的重要鉆具,鉆頭型式與國產(chǎn)硬質(zhì)合金片的性能,影響鉆頭的應用范圍。目前,普通硬質(zhì)合金的巖石鉆頭主要適用于頁巖、砂頁巖及部分砂巖(磨蝕性不高的砂巖),壽命為30m左右。高于常規(guī)鉆頭價格50%的國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)合金鉆頭,可以鉆進抗壓強度60MPa～80MPa 的中等磨蝕性巖石, 壽命可達25m～30m。然而,相當多的生產(chǎn)廠家因受經(jīng)濟利益驅(qū)動,不按標準要求組織生產(chǎn),硬質(zhì)合金質(zhì)量低劣,工藝技術不高,產(chǎn)品壽命只有10m～20m, 甚至是5m～10m。
1.4 我國錨桿鉆孔設備存在的主要問題
目前，錨桿鉆機實際利用率不高的主要原因是產(chǎn)品本身的可靠性問題，但使用問題也不容忽視。錨桿鉆機產(chǎn)品可靠性不高主要來自產(chǎn)品設計不成熟與加工質(zhì)量不高。有些產(chǎn)品的生產(chǎn)過程無可靠的質(zhì)量保證體系，元部件質(zhì)量無法保證，又沒有必要的檢測手段，產(chǎn)品性能與質(zhì)量無法控制，自然影響產(chǎn)品質(zhì)量。錨桿鉆機的科學使用問題未能引起足夠的重視。這里，既有制造廠家的問題，又有煤礦使用單位的問題。加強設備的科學使用與維修工作的管理，是錨桿鉆機充分發(fā)揮作用的重要保證。
1.4.1 鉆探裝備“三化”的問題
目前我國鉆探機械裝備的標準化、系列化、通用化程度不高，系列產(chǎn)品少，同檔次產(chǎn)品多；優(yōu)質(zhì)高效產(chǎn)品少，低技術含量產(chǎn)品多；行業(yè)布局不合理，重復生產(chǎn)比較嚴重；深孔及大型設備少，中、小型普通設備多；市場急需的設備生產(chǎn)周期長，使用單位不得不花大量外匯從國外進口；鉆機性能難以滿足多種鉆進工藝發(fā)展的需要；整機傳動的液壓化程度和水平遠低于國外同類型設備；設備的控制系統(tǒng)、運行和工況的監(jiān)測系統(tǒng)十分落后，鉆進參數(shù)監(jiān)測儀表不夠完善；鉆掘設備的裝載型式落后，難于適應施工的要求[2]。
1.4.2 鉆頭的適用性
鉆頭是回轉(zhuǎn)式錨桿孔鉆進設備的重要鉆具。鉆頭形式與國產(chǎn)硬質(zhì)合金片的性能影響鉆頭的應用范圍。目前，普通硬質(zhì)合金的巖石鉆頭主要適用于頁巖、砂頁巖及部分砂巖（磨蝕性不高的砂巖），壽命為30m左右。高于常規(guī)鉆頭價格50％的國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)合金鉆頭，可以鉆進抗壓強度60MPa～80MPa的中等磨蝕性巖石，壽命可達25m～30m。然而，由于種種原因，國產(chǎn)鉆頭的質(zhì)量大部分不合格。
1.4.3 錨桿錨固力
錨桿與圍巖的相互作用十分復雜，在實際應用中，多以抗拉拔力為錨固力，這是不確切的。錨桿靜止在圍巖中，處于自平衡狀態(tài)，依據(jù)錨桿失效破壞的特點，將此種錨桿的錨固力劃分為托板錨固力、擠脹錨固力、抗拉拔錨固力和抗剪切錨固力（簡稱托錨力、脹錨力、錨拉力和剪錨力），托錨力和錨拉力為軸向錨固力，脹錨力為徑向錨固力。
托錨力：托板阻止圍巖向巷道內(nèi)位移，對圍巖施加巷道徑向支護力，這種來源于托板使圍巖穩(wěn)定的力稱為托錨力。
脹錨力：柔性注壓錨桿通過內(nèi)注壓力（氣壓或液壓）的作用，對圍巖（錨孔）施加正壓力來抑制圍巖變形，產(chǎn)生對圍巖“擠壓加固”的效應，對穩(wěn)定圍巖起著重要作用，此種力稱為脹錨力。
錨拉力：錨桿與錨孔間由錨桿對錨孔施加正壓力產(chǎn)生的摩檫力，錨桿用來抵抗抗拉拔的力，稱為錨拉力。
剪錨力：圍巖的變形多是從巖體中的弱面開始的，在圍壓的作用下，圍巖沿著弱面滑動或張開，最終導致巷道斷面的收縮。由于錨桿體貫穿弱面，它限制圍巖沿弱面的滑動和張開，這種限制力稱為剪錨力。盡管桿體所能提供的剪錨力同弱面的強度相比較小，但剪錨力的存在可使弱面不致因某個薄弱環(huán)節(jié)的突然破壞而影響原有承載力的發(fā)揮，同時錨桿的凹凸、錯位、受剪切等，為錨桿提供了額外的錨拉力。
1.4.3.1 導致錨固失效的主要原因
（1）鋼材的松弛和巖體的徐變
使用了性能不穩(wěn)定、易松弛的鋼材；在高應力狀態(tài)下使用了普通鋼材。因受錨桿荷載的長期作用，巖體發(fā)生徐變引起應力變化。巖體徐變可分為以下幾種形式：
①堅硬完整的巖體：該類巖體受載荷后只在局部產(chǎn)生微小的徐變，對應力的影響可以忽略不計。
②構造復雜的巖體：構造或結(jié)構復雜的巖體受載荷后發(fā)生徐變，引起應力變化，巖體的穩(wěn)定性也受到影響。
③軟弱及膨脹性巖體：該類巖體很容易發(fā)生徐變（有文獻稱這種情況為流變），并將導致應力改變。
（2）外在影響因素的變化
地震、地下水位的變化、爆破等因素的影響均可成為引起錨固失效的重要原因[9]。
1.5 錨桿鉆機的發(fā)展方向
錨桿鉆機不是一成不變的,它必然按一定規(guī)律向前發(fā)展。分析相關信息，總結(jié)實踐經(jīng)驗,才能注意到煤礦錨桿鉆機發(fā)展的基本趨向,并有利于錨桿支護技術的不斷成熟。
從國外近些年來鑿巖（穿孔）設備的發(fā)展看，有幾個趨勢是很明顯的，一是設備還在向大型化發(fā)展;二是地下鑿巖的液壓化已成定局;三是設備將走向自動化和智能化；四是鑿巖（穿孔）設備還將不斷提高其維修性和可靠性；五是在大型的牙輪鉆機上將采用靜態(tài)交流電機驅(qū)動變頻調(diào)速。
1.5.1 在相當一段時期內(nèi), 氣動、液壓單體回轉(zhuǎn)式錨桿鉆機仍是錨桿鉆孔設備的主流。
綜觀國外錨桿鉆機發(fā)展歷程以及國內(nèi)多方面實踐,針對煤礦經(jīng)濟狀況與煤巖、半煤巖巷道的具體特點,單體回轉(zhuǎn)式錨桿鉆機是一個時期內(nèi)產(chǎn)品生產(chǎn)與開發(fā)的主流。從目前技術現(xiàn)狀看,在具有壓縮空氣源的條件下,氣動回轉(zhuǎn)式錨桿鉆機仍為首選產(chǎn)品。但是,如何解決壓縮空氣工作壓力不足的問題會逐漸引起人們的重視。合理選擇壓縮空氣管網(wǎng)系統(tǒng),正確確定空壓機及其動力系統(tǒng)的技術參數(shù), 開發(fā)新型的提高壓縮空氣壓力的機械設備,將成為進一步發(fā)揮氣動錨桿鉆機作用的關鍵。液壓回轉(zhuǎn)式錨桿鉆機因其工作壓力高、扭矩大、動力系統(tǒng)可不受外界影響,在一些場合下是合理的機型。一個時期內(nèi),液壓錨桿鉆機主要用于與掘進機配套,共用其液壓泵站。由于液壓錨桿鉆機使用量的增加,礦物油介質(zhì)的安全性問題會日益突出,開發(fā)難燃液錨桿鉆機的問題將適時提到日程上來電動錨桿鉆機的動力單一, 是今后錨桿鉆機的首選機型。但因目前技術水平所限, 其支腿配套方式、扭矩- 轉(zhuǎn)速硬特性和電機防水耐潮性能差等,都不利于其更快地向前發(fā)展。在一定時期內(nèi), 電動錨桿鉆機產(chǎn)品仍會以“技術攻關”為基本特征。今后回轉(zhuǎn)式錨桿鉆機的發(fā)展前途,將是如何擴大鉆進巖石的范圍,提高產(chǎn)品可靠性與減輕機重。
1.5.2 研究錨桿鉆機扭矩與改革鉆頭是發(fā)展回轉(zhuǎn)式錨桿孔鉆進設備的關鍵。
回轉(zhuǎn)式錨桿孔鉆進方式有其一定的優(yōu)越性,但若更加廣泛地應用,必須首先從提高扭矩入手,配以適合的鉆頭,適應鉆進具有較高磨蝕性的巖石。提高鉆頭的壽命,離不開高新技術, 要盡量采用新材料和新工藝, 特別是經(jīng)濟有效的表面強化技術。國外曾試驗研究高壓水細射流技術和小孔徑金剛石鉆進技術,目前尚未正式用于錨桿孔鉆進。硬質(zhì)合金仍是錨桿孔鉆進的主要鉆具材料。采用高新技術, 改進硬質(zhì)合金片的性能,同時研究合理的鉆頭結(jié)構參數(shù),仍是小直徑回轉(zhuǎn)式巖石鉆頭的主攻方向。
1.5.3 高新技術的發(fā)展有益于錨桿孔鉆進技術的變革。
幾十年來,錨桿孔鉆進設備技術水平已有了一定的提高。隨著知識經(jīng)濟的發(fā)展,錨桿鉆機及其配套鉆具會逐漸有所變革,預計在以下方面會引起產(chǎn)品的重大變化。
(1)結(jié)構參數(shù)的優(yōu)化以及高科技新材料的應用,使單體錨桿鉆機性能提高、重量減輕。采用了高新技術的巖石鉆頭將使回轉(zhuǎn)式鉆進方式擴大應用范圍。
(2)高科技微電子技術在不同動力、不同類型錨桿鉆機上的應用, 可能會使錨桿鉆機發(fā)生某些根本性的變革,例如改變鉆機特性、改善操作性能、提高可靠性等。國外現(xiàn)正在探討研究計算機控制的錨桿孔鉆進與錨桿安裝的綜合性自動化設備。
1.6 本章小結(jié)
本章介紹了錨桿支護技術及實現(xiàn)錨桿支護技術的重要設備是錨桿鉆機，國外錨桿鉆機的品種與功能, 技術性能和特點。國內(nèi)錨桿鉆的發(fā)展現(xiàn)狀，到目前為止, 已開發(fā)了30 多種型號和不同類型的錨桿鉆機及具體介紹。另外還介紹了錨桿鉆機的發(fā)展方向。高科技與錨桿鉆機的結(jié)合。
第2章 錨桿鉆機結(jié)構設計
2.1 錨桿鉆機各類型及分析
從結(jié)構型式上，錨桿鉆機可以分成臺車型、機載型和單體型三大類。
圖2-1固定式 圖2-2車載式
圖2-3履帶式 圖2-4 隧道式
2.1.1 單體錨桿鉆機
目前在巷道錨桿支護中，大量采用的是單體錨桿鉆機。它具有結(jié)構簡單、使用方便、移動靈活、適合手工操作等優(yōu)點。從機型結(jié)構上分，單體錨桿鉆機可分為-架柱式、手持式和支腿式三種。
架柱式錨桿鉆機機身固定在巷道頂、底板與側(cè)幫之間，由推力裝置將鉆機沿導軌推進，實現(xiàn)鉆孔。這種架柱式錨桿鉆機整機重量較手持式錨桿鉆機和支腿式錨桿鉆機大，操作不方便，如國內(nèi)MZ系列液壓錨桿鉆機，國外美國VITOR公司生產(chǎn)的液壓鉆機等。
支腿式(手扶)錨桿鉆機是目前煤礦中錨桿鉆機應用的主流，這種鉆機使用的靈活性優(yōu)于架柱式，按動力上進行分有電動、液壓和氣動三種型式。
手持式錨桿鉆機與支腿式不同，它沒有推進系統(tǒng)，適于煤巷側(cè)壁的使用，如:澳大利亞CRAM公司、眼鏡王蛇公司生產(chǎn)的幫錨桿鉆機，國內(nèi)煤科總院研制的ZQS一50型錨桿鉆機.
電動錨桿鉆機的回轉(zhuǎn)鉆削直接由電動機驅(qū)動，不需要二次能量轉(zhuǎn)換，設備效率高。但受電機重量的限制，一般輸出功率較小(2-3kW)，支腿的推進需要采用另外動力源，且電機容易受潮，故障率高，同時也不很安全，故目前實際應用較少.
液壓支腿式錨桿鉆機帶有分體的專用液壓站，由它提供的動力液驅(qū)動回轉(zhuǎn)切削用的液壓馬達和推進用的液壓油缸，操作系統(tǒng)通過液壓閥組實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速、扭矩和推進力的控制，這種鉆機輸出功率大，但主機重量較重，效率較低，維修相對困難。
氣動錨桿鉆機是目前國內(nèi)外大力發(fā)展的一種機型，應用前景非常廣泛．最初，井下曾使用氣動鑿巖機來鉆鑿錨桿孔，但由于打頂眼困難、鉆孔質(zhì)量差、鉆進速度低、勞動強度大，因而專用的氣動錨桿鉆機便受到人們的重視.
2.1.2 機載臺車型錨桿鉆機
由于臺車型錨桿鉆機(亦稱錨桿鉆車)和機載錨桿鉆機具有功率大、鉆孔能力強、功能齊全、適應范圍廣、可自帶動力、操作安全等優(yōu)點，所以在國外應用較多，但這兩類錨桿鉆機操作復雜，維護成本高，一次投資成本也大，因而在國內(nèi)使用較少。但瑞典Atlas-Copco公司、芬蘭Tamrock公司以及法國Secoma公司等歐洲國家的公司，仍然在臺車型錨桿鉆機方面具有競爭實力，其中Atlas-Copco公司、Tamrock公司臺車型錨桿鉆機的產(chǎn)品銷量占全世界臺車型錨桿鉆機總量的65%以上。機載錨桿鉆機主要是作為煤巷掘進機的配套機具，早期的機載錨桿鉆機只是簡單的在煤巷掘進機上附加一個或兩個鉆臂，雖然能夠?qū)嵤┿@錨桿孔，但是由于輔助油管很多，而且經(jīng)?；煸谝黄穑@機與煤巷掘進機間工作時干涉較多，造成每成形1個錨桿孔輔助用時長，從而影響了巷道的掘進進尺。
目前，以ABM20為代表的新一代機載錨桿鉆機的開發(fā)使用，受到了現(xiàn)場的歡迎，該機設計時從總體上考慮了掘進機和錨桿鉆機的工作狀況，將兩者有機的結(jié)合在一起，避免了相互干涉的問題，且油管的相對移動較少，隱蔽性好，另外它具有緊跟迎頭作業(yè)、速度快等優(yōu)點。新型錨機組的出現(xiàn)雖然只有10多年，但這種一體化的錨桿支護技術在國外越來越受到重視，發(fā)展也很快，常采用性能優(yōu)良、技術先進、操作維修方便、應用范圍廣的錨桿鉆機與采掘設備配套的錨機組。如喬伊公司生產(chǎn)的14CM10型采掘錨固機組、12ED18型采掘錨固機組、鮑拉特公司的E230型采掘錨固機組、郎艾道公司的RB1-50L型錨桿鉆車等班工作效率已達120-240根。
本次設計的是臺車型錨桿鉆機[10]。
2.2 錨桿鉆機具體機構設計
2.2.1變輻機構種類及工作原理
1- 自動裝卸錨桿裝置；2- 主梁上下移動裝置；3- 回轉(zhuǎn)裝置；4- 變幅液壓油缸；5- 主梁；6- 主梁移動液壓油缸；7- 動臂；8- 起架液壓油缸；9- 伸縮臂；10- 回轉(zhuǎn)架；11- 左右調(diào)節(jié)液壓油缸變幅
圖2-5 變幅機構圖
此變幅機構由起架液壓油缸8動作，使動臂7、伸縮臂9（伸縮臂由液壓油缸控制其動作以滿足作業(yè)要求）達到預定狀態(tài)；變輻液壓油缸4 動作，使主梁5 和自動裝卸錨桿裝置1達到豎直狀態(tài)；其中液壓油缸4 動作，通過回轉(zhuǎn)架10使主梁5和自動裝卸錨桿裝置1同時在垂直平面內(nèi)擺動一定的角度。主梁上下移動裝置2，這種結(jié)構可通過主梁上下移動油缸6 調(diào)節(jié)主梁在運輸和起架時的位置，使整機的受力狀態(tài)達到最佳效果。雖然此變幅機構使整機的高度增大，但通過調(diào)節(jié)不影響各工況的作業(yè)要求。
圖2-6 此變輻機構由液壓油缸(2個),矩形伸縮臂組成,伸縮式變輻機構有內(nèi)伸縮外伸縮之分,均有圓柱和矩形結(jié)構形式,靠近底座的液壓油缸動作使伸縮臂上下擺動從而調(diào)整立柱高度,伸縮臂末端液壓油缸動作從而調(diào)整立柱與伸縮臂的夾角, 可快速準確找到鉆孔位置.且此變輻機構結(jié)構緊湊,控制方便,動作靈活。
圖2-7 此變輻機構由三個液壓缸，兩個回轉(zhuǎn)裝置組成，臂右側(cè)液壓缸動作可以調(diào)整立柱與底座的夾角，左側(cè)的液壓缸動作可以調(diào)整立柱與車身的距離，使鉆孔位置更精確．另外采用兩個回轉(zhuǎn)裝置大大的避免了整個機身的旋轉(zhuǎn)，行走移動實現(xiàn)了節(jié)能、省時、方便的設想。
圖2-6伸縮式 圖2-7整體式
圖2-8此變輻機構由大臂、小臂及兩個液壓缸組成,大臂下面的液壓缸動作可以控制變輻機構與地面的夾角從而粗略控制鉆孔位置.小臂下面的液壓缸動作調(diào)整與大臂的夾角,從而精確控制鉆孔位置.另外，其立柱外面的矩形罩可以防噪音，防污染，對工人的工作環(huán)境起到了很好的保護作用．
圖2-9此變輻機構有三個液壓缸，臂上面液壓缸和立柱旁的液壓缸協(xié)同動作使臂旋轉(zhuǎn)調(diào)整立柱與臂的角度，靠近底座的液壓缸動作可以改變臂與地面夾角近而控制立柱的高度，使得精確快速鉆孔。
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圖2-8折疊式 圖2-9組合式
圖2-10折疊式
以上兩個變輻機構均由三個液壓缸及大臂小臂組成，靠近底座的液壓缸動作帶動中間的液壓缸工作，進而調(diào)整立柱與機身的距離，最外側(cè)液壓缸動作調(diào)整立柱與機身的夾角，其動作靈活變輻的范圍大。
本次設計中采用矩形伸縮式變輻機構。
2.2.2 履帶的種類及工作原理
履帶是由主動輪驅(qū)動、圍繞著主動輪、負重輪、誘導輪和托帶輪的柔性鏈環(huán)。履帶由履帶板和履帶銷等組成。履帶銷將各履帶板連接起來構成履帶鏈環(huán)。履帶板的兩端有孔，與主動輪嚙合，中部有誘導齒，用來規(guī)正履帶，并防止坦克轉(zhuǎn)向或側(cè)傾行駛時履帶脫落，在與地面接觸的一面有加強防滑筋（簡稱花紋），以提高履帶板的堅固性和履帶與地面的附著力。
主動輪是個主動件，它由輪轂、齒圈、帶齒墊圈、錐齒杯、固定螺帽和止動螺栓組成。它通過齒輪和履帶嚙合，將側(cè)減速器傳來的動力傳給履帶而使坦克運動。
誘導輪是從動輪，用來誘導和支撐履帶，并與履帶調(diào)整器一起調(diào)整履帶的松緊程度。它由輪轂、輪盤、滾珠軸承、輪軸蓋、固定螺帽、雙排滾珠軸承、支撐杯和回繞擋油蓋等組成。托帶輪主要用來托著上支履帶，沒有這種托帶輪，履帶就會發(fā)生撞擊。托帶輪軸的一端，牢固地固定在車體上。由于托帶輪直徑比負重輪小，其軸承的轉(zhuǎn)速卻高得多，然而它只支撐上支履帶，即履帶重量的1/3，以減少履帶的振蕩。
履帶調(diào)整器用來調(diào)整履帶的松緊度。它由支架、曲臂、軸套、蝸輪、蝸桿、螺桿、摩檫片和襯套等組成。履帶的張緊程度對坦克行駛和履帶壽命有較大影響。履帶過緊或過松都不好。不同的使用環(huán)境要求履帶有著不同的松緊度。如在堅硬路面上行駛，應將履帶張得緊些；在沙漠地區(qū)行駛則應將履帶張得松些。另外，隨著履帶銷和銷耳孔磨損的增加，履帶也會變松。為了保持履帶的適當張緊度，需要用履帶調(diào)整器來調(diào)節(jié)履帶的松緊。這是借助履帶調(diào)整器改變誘導輪相對于主動輪的距離來改變履帶的張緊度。履帶調(diào)整器使誘導輪向后擺動到某一位置，誘導輪就遠離主動輪，于是履帶被張緊；履帶調(diào)整器使誘導輪向前擺動到某一位置，履帶就變得松些。
負重輪用來承受坦克的重量和規(guī)正履帶。它由輪轂、輪盤、膠帶、滾珠軸承、輪軸蓋、固定螺母、回繞擋油蓋等組成。負重輪數(shù)量多，可使每個輪子所承擔的重量小，對地面的壓力分布均勻，有利于提高坦克的通行性能。
當發(fā)動機的動力傳到主動輪上時，主動輪按順時針方向撥動履帶，于是接地履帶和地面之間生產(chǎn)了相互作用力。根據(jù)力的作用與反作用原理，履帶沿水平方向給地面一個作用力，而地面給履帶一個反作用力，這個反作用力使坦克運動，稱為坦克的牽引力。
由此看來，履帶地盤的機器能否運動，主要受到兩個條件的限制；一是動力條件，二是地面條件。動力條件就是指發(fā)動機提供給坦克通過地面所必須的力量，沒有這個力量，主動輪就轉(zhuǎn)不動。地面條件則是指主動輪傳給履帶的力，必須由地面提供一個反作用力（即使履帶地盤的機器運動的牽引力）才能實現(xiàn)。當牽引力和行駛阻力相等時，其就作等速運動；當牽引力大于行駛阻力時，其就加速行駛；當牽引力小于行駛阻力時，其則減速行駛。
發(fā)動機的動力不斷地由主動輪傳出來，主動輪就不斷地撥動履帶卷繞運動。于是機器在推進過程中，一方面從誘導輪卷下去的履帶被鋪在地上，并壓在前進滾動的負重輪下面；另一方面則把最后一個負重輪滾過的履帶由主動輪卷上來，如此周而復始，形成了一條其自行鋪設的軌道，而且是一條履帶地盤的機器跑到哪里就鋪到那里的“無限軌道”。其在前進或后退時，兩條履帶就不斷地向前或朝后運動，像是“自帶的路” [3]。
圖2-11 輪胎式錨桿鉆機底座 圖2-12 履帶式錨桿鉆機底座
圖2-13 履帶底座 圖2-14 履帶底座
圖2-13所示履帶底座是用在起重機上的，其載重大運動平穩(wěn)． 圖2-14履帶底座是又一種形式的錨桿鉆機的履帶底座。相比之下其結(jié)構簡單，載重小。履帶式行走裝置比輪胎的接地面積大，接地比壓小，履帶所支撐的全機重量都是附著重量，而且在履帶的支撐面上大多制有履刺，可以深入土內(nèi)，抓地能力強，因此比輪胎式行走裝置的附著牽引性能和通過性能都好得多。這種性能在履帶行使于松軟地面時尤其顯著。由于本機經(jīng)常在野外或道路凸凹不平的地方作業(yè)，因此底盤選取接地比壓小、適應性強的液壓驅(qū)動履帶式底盤，其結(jié)構與圖2-12類似。
本次設計采用圖2-12履帶式錨桿鉆機底座。
2.２.3 推進機構的種類及工作原理
鉆機的推進機構是體現(xiàn)鉆機重量和強度的關鍵部件，也是鉆機實現(xiàn)其鉆孔功能的最主要部件，通常也稱作立柱。立柱一般由動力頭、夾持器、行走機構組成。有的還裝有卸扣器、除塵罩、自動換錨桿裝置等。
行走機構有:
(1)液壓推進行走機構是靠液壓缸的推力推動動力頭，從而達到推進的作用。如圖2-15所示
(2)馬達-鏈這種推進行走機構是由馬達提供旋轉(zhuǎn)動力，帶動齒輪在鏈上轉(zhuǎn)動行走，從而實現(xiàn)推進功能。如圖2-16所示
(3)馬達-齒條的推進行走機構工作原理同齒輪鏈的類似，是馬達提供旋轉(zhuǎn)動力帶動齒輪在齒條上轉(zhuǎn)動行走，從而實現(xiàn)推進功能[4]。如圖2-17所示
圖2-15 液壓缸 圖 2-16 馬達-鏈 2-17 馬達-齒條
圖2-18 馬達-鏈
本次設計采用馬達-鏈的推進機構。動力機構采用的結(jié)構如2-18圖
2.2.4 動力機構的種類及原理
(1) 馬達的選擇
馬達可分為氣馬達，油馬達，液壓馬達，液壓馬達是將輸入的壓力能轉(zhuǎn)換成機械能，以扭矩和轉(zhuǎn)速的形式輸送到執(zhí)行機構做功，是液壓傳動系統(tǒng)的執(zhí)行元件。
是實現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動的執(zhí)行元件，從原理上講，向容積式泵中輸入壓力油，使其軸轉(zhuǎn)動，就成為液壓馬達。常見的液壓馬達有齒輪式，葉片式和柱塞式等幾種主要形式；從轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速范圍分，有高速馬達和低速大扭矩馬達。
(2）液壓馬達的工作特點
①在一般工作條件下，液壓馬達的進、出口壓力都高于大氣壓，因此不存在液壓泵那樣的吸入性能問題，但是，如果液壓馬達可能在泵工況下工作，它的進油口應有最低壓力限制，以免產(chǎn)生汽濁。
②馬達應能正、反運轉(zhuǎn)，因此，就要求液壓馬達在設計時具有結(jié)構上的對稱性。
③液壓馬達的實際工作壓差取決與負載力矩的大小，當被驅(qū)動負載的轉(zhuǎn)動慣量大 、轉(zhuǎn)速高，并要求急速制動或反轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生較高的液壓沖擊，為此，應在系統(tǒng)中設置必要的安全閥、緩沖閥。
④由于內(nèi)部泄露不可避免，因此將馬達的排油口關閉而進行制動，仍會有緩慢的滑轉(zhuǎn)，所以，需要長時間精確制動時，應另行設置滑轉(zhuǎn)的制動器。
⑤某些形式的液壓馬達必須在回油口具有足夠的背壓才能保證正常工作，并且轉(zhuǎn)速越高所需背壓也越大，背壓的增高油源的壓力利用率低，系統(tǒng)的損失大[5]。
本次設計中采用液壓馬達 。
2.2.5 自動換錨桿系統(tǒng)
桿處理始終是鉆進工作中最繁重、最危險的工作，因為鉆桿的重量較重，而且一般都是采用手工裝卸。相反，這種自動的鉆桿處理系統(tǒng)是一種全液壓鉆桿自動裝拆系統(tǒng)，它免除了所有的手工作業(yè)，因而減輕了勞動強度，避免了意外事故的發(fā)生，并且可節(jié)約相當多的非生產(chǎn)時間[6]。
自動鉆桿處理系統(tǒng)包括三個基本的組成部分：鉆桿貯存架、操作臂和夾持卸扣器。鉆桿存放在鉆桿架內(nèi)，鉆桿處理由操作臂和夾持卸扣器完成。首先夾持器將鉆桿卡住，卸扣器擰開鉆桿接頭處的螺紋，動力頭反轉(zhuǎn)至脫離鉆桿，然后上升到鉆桿貯存架上方。這時操作臂動作將貯存架旋至動力頭下方，使缺口處的鉆桿正對動力頭的回轉(zhuǎn)中心，動力頭下放并旋緊下一根鉆桿，然后提升鉆桿到一定高度，操縱臂旋回初始位置，動力頭下行完成鉆桿的對接，夾持卸扣器松開，接鉆桿完畢，便可繼續(xù)進行鉆進作業(yè)。整個過程都不需要任何直接的人工輔助，而是由鉆機的操作者來完成。鉆進工作結(jié)束時，與上述過程相反，便可將鉆桿從鉆桿柱上卸下，并存放到鉆桿貯存架內(nèi)[6]。
2.２.6 消聲器的種類及原理
噪聲是眾所周知的公害之一。它損害人的聽覺,影響人的健康和工作,嚴重時還會造成各種意外事故。所以噪聲問題已日益引起重視并把它作為改善勞動條件和保護環(huán)境的重要內(nèi)容之一。使用消聲器消除噪聲的主要措施是吸聲。吸聲使用吸聲材料,如玻璃棉、礦渣棉等裝飾在容器的內(nèi)壁,或敷設在管道的內(nèi)壁上,將噪聲吸收一部分,從而達到降低噪聲的目的。本產(chǎn)品使用的阻性消聲器是利用在氣流通道內(nèi)表面的多孔吸聲材料來吸收聲能。其結(jié)構簡單,能在較寬的高頻范圍內(nèi)消聲,特別是對刺耳的高頻聲波有突出的消聲作用,但對低頻的消聲效果較差。
2.２.7 排渣機構的原理
機載干式除塵技術是四臂錨桿鉆車的關鍵技術之一。它不僅關系到鉆機的工作效率，而且對井下操作工人的環(huán)境安全具有很大影響。為此，提出了真空三級干式除塵的思路，即采用于式機械除塵機構，在設備上搭載三級串聯(lián)除華器，在真窄泵產(chǎn)生的負壓作用下。粉塵在流動的過程中，在重力等外力作用下，通過多級分離、落塵、過濾等形式使鉆孔所產(chǎn)生的粉塵落在固定的容器中，從而達到除塵效果。第一級采用旋流式除傘機理，大粒徑粉塵在負壓作用下，從切線方向水平進入旋流器，高速旋轉(zhuǎn)的粉塵在重力作用下，向下排出，實現(xiàn)第一級粉塵分離。第二級除塵采用變徑落塵方式實現(xiàn)，設計專用的除塵箱體，在負壓作用下，經(jīng)第一級旋流除塵后的細小粉塵進人箱體，通過2次上下變換路徑，使得粉塵流速發(fā)生變化，在重力作用下，較大粒徑粉塵再次降落儲存起來。最后一級除塵采用濾
芯過濾方式實現(xiàn)，通過濾芯后的最后粉塵通過消音器直接排出空氣中，過濾后可呼吸性粉塵密度小于1．5 mg,／m，形式如圖2-19所示。
a) b)
圖2-19 除塵箱
2.２.8 控制機構的種類
控制機構的形式如圖2-20
a) b)
c) d)
圖2-20 控制機構
圖2-20（a）（b）駕駛室控制形式造價高，安全。（c）（d）造價低，視野開闊，控制方便。在本次設計中采用駕駛室，這樣可保證工人的工作環(huán)境和安全[7]。
2.3 鉆機的工作原理
本次設計的錨桿鉆機采用沖擊旋轉(zhuǎn)式鉆進，較普通的錨桿鉆機增加了一套沖擊機構。沖擊機構有液動沖擊器和風動沖擊器，它們也各有特點。液動沖擊器具有結(jié)構簡單，易損件少，沖擊器不受孔內(nèi)圍壓、介質(zhì)密度、溫度等的影響，鉆具系統(tǒng)工作平穩(wěn)等特點[2]。風動沖擊器工作時單次沖擊功瞬間可產(chǎn)生極大的作用力，既可用于軟層沖擊擠密不排土鉆進，又可用于非開挖鋪管的夯管技術。因設計力求結(jié)構簡單、安全可靠、連續(xù)工作時間長等目的，所以選擇了液壓沖擊器。而風動沖擊器雖然瞬間沖擊功大，但風動將導致較大的噪聲，考慮其對工作人員及其周邊環(huán)境的影響，故不予采用。同時這種設計也使得整個錨桿鉆機傳動穩(wěn)定、效率高、適應性強，這些都是我們所追求的。本次設計的錨桿鉆機整機結(jié)構圖如圖2-21所示。
2.3.1 沖擊旋轉(zhuǎn)式鉆進原理
沖擊旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機是在旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機結(jié)構基礎上增加一套沖擊機構。鉆頭鉆桿的旋轉(zhuǎn)是由動力機構經(jīng)過齒輪傳動機構實現(xiàn)的，沖擊機構是在沖擊錘的往復運動中實現(xiàn)沖擊功能的。鉆進時，鉆頭在鉆桿的帶動下做回轉(zhuǎn)運動，而沖擊錘在循環(huán)介質(zhì)（壓縮空氣或水）的推動下，對孔底巖石進行沖擊破碎。這樣在鉆頭上存在的旋轉(zhuǎn)方向上的旋轉(zhuǎn)力和軸心方向上的靜壓力及沖擊力聯(lián)合作用，使巖石在破碎時，內(nèi)部裂隙得到擴張，在裂隙尖角出現(xiàn)應力集中，同時在高頻的沖擊力作用下，應力波在巖石內(nèi)部還來不及擴散，并出現(xiàn)應力集中，這兩種情況的出現(xiàn)，使巖石強度大大降低，并隨著旋轉(zhuǎn)力的作用，出現(xiàn)大塊大塊的崩落現(xiàn)象，破碎效果非常明顯[8]。
圖2-21 整機裝配圖
2.3.2 沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進的優(yōu)點
2.3.2.1 鉆進效率高
由于單次沖擊能量較大，巖石破碎更主要的以體積破碎形式出現(xiàn)，排渣速度高，孔底干凈，無重復破碎現(xiàn)象。生產(chǎn)實踐證明，沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進效率比普通金剛石回轉(zhuǎn)鉆進提高了3～5倍[4]。
2.3.2.2 鉆具轉(zhuǎn)速低
由于鉆具轉(zhuǎn)速低，減少了鉆具與孔壁的碰撞機會，同時沖擊器高頻對孔底沖擊，減小了對破碎或傾斜地層的影響，從而保證了鉆孔的平直度，提高了鉆孔質(zhì)量，而且也不易出現(xiàn)孔壁坍塌等事故。
2.3.2.3 鉆壓和扭矩小
由于鉆壓低，不僅改善了鉆桿的受力狀況，而且回轉(zhuǎn)扭矩也十分小，對設備能力要求不高。這樣可以減輕鉆機設備的質(zhì)量，使該項技術應用在大口徑硬巖鉆進、邊坡抗滑加固錨桿孔鉆進等眾多領域。
2.3.2.4 具有較好的防斜效果
因鉆壓低、進尺快，沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進的孔斜一般情況下都可控制在1O/100m的范圍內(nèi)。
2.3.2.5 有效地提高了鉆頭的使用壽命
由于鉆速快，使得球齒鉆頭在孔底摩擦路徑縮短，故鉆頭磨損減小，提高了鉆頭的使用壽命。
2.3.2.6 不破壞含水層
使用沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進過程中，由于孔內(nèi)沒有靜水柱壓力，排粉速度快，孔內(nèi)清潔，對含水層沒有堵塞和破壞作用，也可應用于水井鉆進和排水孔的施工[10]。
2.4 本章小結(jié)
本章主要介紹了錨桿鉆機的種類及其分析對比，錨桿鉆機的各機構的種類及工作原理，以及方案的確定．采用了履帶底盤，操作機構選擇了駕駛室，動力機構為液壓馬達，執(zhí)行機構為液壓缸，還采用了較為方便安全的自動換干裝置，還選擇了旋轉(zhuǎn)切削機構，除此之外，還簡單介紹一些錨桿鉆機常見的問題及其產(chǎn)生原因和分析。
第3章 錨桿鉆機的計算與分析
3.1 回轉(zhuǎn)支承的選型與計算
回轉(zhuǎn)支承所承受的作用力包括總軸向力Fa ,總側(cè)翻力矩M，在力矩作用平面內(nèi)的總徑向力Fr。如果主機做提升動作，則提升載荷應乘以提升慣性系數(shù)K（K=1.25）。按靜態(tài)工況下所承受的作用力選型并校核安裝螺栓強度，按動態(tài)工況下所承受的作用力校核壽命。
本設計采用單排四點接觸球式回轉(zhuǎn)支承的計算
按靜態(tài)工況選型
（1）分別按承載角α為45°和60°兩種情況計算。
方法一 （α=60°）：
Fa′=（Fa+5.046Fr）fa （3-1）
M′=Mfa （3-2）
方法二 （α=45°）：
Fa′=（1.225Fa+2.2676Fr）fa （3-3）
M′=1.225Mfa （3-4）
式中 Fa——回轉(zhuǎn)支承當量中心軸向力，10N；
M′——回轉(zhuǎn)支承當量側(cè)翻力矩，10N·m;
Fa——回轉(zhuǎn)支承靜態(tài)工況下的安全系數(shù)
（2） 按動態(tài)工況校核壽命
方法一 （α=60°）：
Fa′=（Fa+5.046Fr）fd （3-5）
M′=Mfd （3-6）
方法二 （α=45°）：
Fa′=（1.225Fa+2.676Fr）fd （3-7）
M′=1.225Mfd （3-8）
式中：fd——回轉(zhuǎn)支承動態(tài)工況下安全系數(shù)。
本設計采用單排四點接觸球式（01系列）回轉(zhuǎn)支承；
選型：（承載角α=45°）
Fa′=（1.225Fa+2.676Fr）fa=33.24N
M′=Mfa=33.34N.m
所以：D =821，D=776，D=710×30，d=70，D=572.4，d =608，D=644，D=711。
3.2 切削參數(shù)的計算
3.2.1 切屑轉(zhuǎn)速的計算
(3-9)
式中 ——巖石的普氏堅固系數(shù)，可取為；
——鉆孔直徑，mm；
——切削速度常數(shù)，，分別對應最佳轉(zhuǎn)速區(qū)的下限和上限。
由于我們總是希望錨桿鉆機在鉆孔作業(yè)以最理想的方式進行，因此設計中計算轉(zhuǎn)速時一般取最佳轉(zhuǎn)速的上限作為額定轉(zhuǎn)速，即：
根據(jù)工況要求?。?，最大鉆孔直徑=200mm，代入這兩個數(shù)據(jù)得到切削轉(zhuǎn)速；當鉆=40mm最小直徑孔時，。
3.2.2 切削轉(zhuǎn)矩的計算
鉆頭鉆孔時，巖石的破碎是在兩向載荷的同時作用下進行的。
圖3-1切削力學分析圖 圖3-2切削參考圖
從圖3-1中可以看到，兩向載荷分別是推進力引起的垂直鉆進方向的載荷和切削轉(zhuǎn)矩引起的水平方向的載荷，它們的合力即為。這種情形與平面切削相似，刀具的各主要參數(shù)及其在切削時的作用力如圖3-2所示。按照巖石破碎學中的西松裕切削破碎模型，單位刃寬上的力的表達式為：
(3-10)
式中 ——單位刃寬上的合力，N/mm；
——巖石抗剪強度，MPa；這里的，由巖石力學性質(zhì)可知，又根據(jù)普氏系數(shù)與抗壓強度的關系，故=5.18MPa。
——切削厚度，mm；
——刀具前角，根據(jù)錨桿鉆機鉆頭的通用設計，前角一般?。?
——合力與前刃面法線夾角，，其中為刀具與巖石之間的磨擦系數(shù)，取，則＝31.8o ；
——巖石內(nèi)磨擦角，類似的，，其中為內(nèi)磨擦系數(shù)，取，則=45o；
——應力分布系數(shù)，與刀具前刃角有關，取，根據(jù)實際的刀具前角數(shù)值，這里取=0。
上述各參數(shù)中，在鉆孔切削中與在平面切削中是一樣的，而切削厚度在鉆孔切削中表現(xiàn)為每鉆的截深。鉆削運動軌跡為螺旋線，它每鉆的截深受孔長和刀具以及巖石硬度的影響都較大。截深太小，影響效率，截深太大，會影響刀刃和鉆頭母體的使用壽命，并導致出現(xiàn)螺旋孔型。根據(jù)試驗，在巖石抗壓強度為40~100MPa的情況下，取，這里取。將上述參數(shù)代入公式(3-2)，得到[11]。
根據(jù)圖3-2，單位刃寬上的切削力為，單位刃寬上的推進力為。但鉆孔切削與平面切削有兩點不同之處：
一方面，鉆孔時的載荷分布情況與平面切削不同，平面切削可把載荷的分布視為沿刃面平均分布；而鉆孔時的情況則不同，刀刃中心和外緣切削巖石的數(shù)量和載荷分布是不等的，刀刃外緣，即鉆孔周邊實際受兩方面的剪切阻力，一是來自孔底，二是來自孔壁。因此我們可以假設在周邊所受的剪切阻力為平面切削時的二倍，平面切削時的剪切阻力為[12]：
(3-11)
將數(shù)據(jù)代入公式(3-3)得。
則切削刀刃外緣處的剪切阻力為＝2868.8N。
而轉(zhuǎn)矩表達式為：
(3-12)
取，將數(shù)據(jù)代入公式(3-4)得＝573.74Nm。
另一方面，鉆削破巖以切削破巖為主，但在鉆削過程中，塊率較大的巖屑的破碎，同時是克服了抗拉和抗彎強度實現(xiàn)的。按巖石各種強度性能的分析中可知，在時，隨抗壓強度的增加，抗拉與抗彎強度成小斜率線性增加；當時，它們的關系具有離散性。但抗拉強度與抗彎強度又呈現(xiàn)比較明顯的線性規(guī)律性。因此，回轉(zhuǎn)切削破巖可以由兩部分組成，一部分是克服抗剪阻力完成，它在鉆削過程中表現(xiàn)為較平穩(wěn)的一部分。另一部分是克服抗彎、抗拉強度完成的，它在鉆削過程中變化較大。在計算轉(zhuǎn)矩時增加一個拉彎影響系數(shù)，而的計算公式經(jīng)試驗分析得出如下：
(3-13)
將＝7代入公式(3-5)得＝1.09。
這樣總的轉(zhuǎn)矩公式為：
(3-14)
將數(shù)據(jù)代入得=625.38Nm。這是在=0時的轉(zhuǎn)矩，在滿足工作要求的情況下，設計時可以適當高于此值。
根據(jù)以上分析可知，當時，，對轉(zhuǎn)矩的數(shù)值影響較小，可以忽略不計；當時，的數(shù)值較大，相應的轉(zhuǎn)矩也大為增加。所以，當時，回轉(zhuǎn)切削鉆孔所需要的轉(zhuǎn)矩大幅上升，鉆機的鉆孔作業(yè)變得十分困難。因此，目前小功率錨桿鉆機的適用范圍一般在的巖石中，當然時，錨桿鉆機所需要的功率將大大增加。
3.2.3 鉆削功率的計算
知道了和，則：
(3-15)
式中 ——機械傳動效率。
代入數(shù)據(jù)得=76.34kW。
從公式(3-2)、(3-6)和(3-7)中我們可以看到：第一，轉(zhuǎn)矩與巖石的抗剪強度、抗壓強度成正比，即，，因而有，即轉(zhuǎn)矩與巖石的硬度近似成正比；第二，轉(zhuǎn)速與巖石的硬度成反比，從而與巖石的抗壓強度成反比關系。上述三個公式，簡單明了地表達出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和切削功率三者的關系。
3.3 本章小結(jié)
本章主要是設計中一些重要環(huán)節(jié)的計算，設計計算是必不可少的，是決定設計合理性的重要依據(jù)。通過計算得出數(shù)據(jù)顯示本次設計的各種參數(shù)都是合理的，并根據(jù)這些參數(shù)進行整機結(jié)構件的選取與設計。
第4章 有限元分析與整機穩(wěn)定性分析
4.1 重要零件的有限元分析
Cosmos是SRAC（Structural Research & Analysis Corporation）推出的一套強大的有限元分析軟件，自從Cosmos出現(xiàn)后，有限元分析的大門終于向普通工程師敞開，它易學易用，簡潔直觀，能夠在普通PC機上運行，不需要專業(yè)的有限元分析經(jīng)驗，可以迅速得到分析結(jié)果，從而最大限度的縮短設計周期，降低測試成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加大利潤空間。
CosmosWorks是一個與SolidWorks完全集成的設計分析系統(tǒng)，CosmosWorks提供了應力分析、頻率分析、扭曲分析、約束分析、熱分析和優(yōu)化分析。為設計者在SolidWorks的環(huán)境下，提供比較完整的分析手段，并獲得修正和優(yōu)化設計所需的必要信息，減少了復雜的計算，提高工作效率。
CosmosWorks集功能強大、計算精確和簡單好用三大特點于一身。使用它得到的零件應力分布狀況，是與實際工況相接近的。通過對比零件的最大應力與屈服應力、最大應力發(fā)生處與最小應力發(fā)生處等數(shù)據(jù)，可以完成對零部件的強度校核，并根據(jù)具體情況對零部件的結(jié)構進行優(yōu)化設計。
如下是對伸縮臂的算例分析，初始條件如表4-1，表4-2所示。
表4-1伸縮臂的材料屬性
屬性名稱
數(shù)值
單位
數(shù)值類型
彈性模量
2.1e+011
N/m
恒定
泊松比
0.28
NA
恒定
抗剪模量
7.9e+010
N/m
恒定
質(zhì)量密度
7800
kg/m
恒定
張力強度
3.9983e+008
N/m
恒定
屈服強度
2.2059e+008
N/m
恒定
熱擴張系數(shù)
1.3e-005
/Kelvin
恒定
熱導率
43
W/(m.K)
恒定
比熱
440
J/(kg.K)
恒定
表4-2 伸縮臂的網(wǎng)格信息
網(wǎng)格類型:
實體網(wǎng)格
所用網(wǎng)格器:
標準網(wǎng)格
自動過渡:
關閉
光滑表面:
打開
雅可比檢查:
4 Points
單元大小:
30.986 mm
公差:
1.5493 mm
品質(zhì):
高
單元數(shù):
10293
節(jié)數(shù):
20773
完成網(wǎng)格的時間(時;分;秒):
00:00:05
計算機名:
WWW-29F40C8C677
分析結(jié)果如圖4-1
a) b）
C） d）
圖4-1 伸縮臂應力分布云圖
從上四輻圖可得到位移變化最大的地方是第一節(jié)臂與第二節(jié)連接處，最大應變發(fā)生在臂的上部絞點處，最小應力是112.9MPa，發(fā)生在臂的中下部，應力圖中不符合的地方為奇異點，所以經(jīng)分析得此設計中此臂可用。
對棘輪進行分析，初始條件如表4-3，表4-4所示。
表4-3 棘輪的網(wǎng)格信息
網(wǎng)格類型:
實體網(wǎng)格
所用網(wǎng)格器:
標準網(wǎng)格
自動過渡:
關閉
光滑表面:
打開
雅可比檢查:
4 Points
單元大小:
8.6623 mm
公差:
0.43311 mm
品質(zhì):
高
單元數(shù):
15703
節(jié)數(shù):
24660
完成網(wǎng)格的時間(時;分;秒):
00:00:03
計算機名:
WWW-29F40C8C677
表4-4 棘輪的材料屬性
屬性名稱
數(shù)值
單位
數(shù)值類型
彈性模量
2.1e+011
N/m
恒定
泊松比
0.28
NA
恒定
抗剪模量
7.9e+010
N/m
恒定
質(zhì)量密度
7700
kg/m
恒定
張力強度
7.2383e+008
N/m
恒定
屈服強度
6.2042e+008
N/m
恒定
熱擴張系數(shù)
1.3e-005
/Kelvin
恒定
熱導率
50
W/(m.K)
恒定
比熱
460
J/(kg.K)
恒定
硬化因子 (0.0-1.0; 0.0=同向性; 1.0=運動性)
0.85
NA
恒定
從圖4-2可以看出，棘輪的最大應力為129.1MPa，發(fā)生在棘輪輪齒的根部。使用的材料是45號鋼，屈服應力是355MPa，安全系數(shù)約為2.7。因為棘輪是一個操作頻繁的零件，且經(jīng)常與棘爪之間發(fā)