冲击旋转式锚杆钻机的研制_李文松

收稿日期:2002-07-13
作者简介:李文松(1967-),男,河南永城人,工程师,1990年毕业于中国矿业大学经贸学院物资管理工程,现从事设备管理工作。

冲击旋转式锚杆钻机的研制
李文松
(永城煤电集团公司,河南永城　476600)
摘要:针对煤巷锚杆支护及其配套锚杆钻机存在的问题,提出了冲击旋转式锚杆钻机结构,并对其进行了设计研究。

在对冲击旋转钻孔破岩机理进行分析的基础上,制定出冲击旋转式锚杆钻机结构方案,并对其结构原理和特点作了论述。

同时,利用优化方法对冲击机构进行优化设计。

关键词:锚杆钻机;冲击旋转;破岩机理;优化设计
中图分类号:T D42112 文献标识码:B 文章编号:1003-0506(2002)06-0004-02
1　问题的提出
旋转式锚杆钻机具有效率高、结构简单、使用方便等特点,是目前广泛使用的钻孔机具型式。

但在实际应用时,由于巷道围岩构造的复杂性,煤巷顶板常存在夹层等局部坚硬岩层,其硬度超过旋转式锚杆钻机的适应范围,致使旋转式锚杆钻机的使用受到限制,效率大大降低,这也是目前打锚杆孔遇到的难题。

如何提高旋转式锚杆钻机的适应范围,以解决实际工作中存在的上述问题,是旋转式锚杆钻机进一步研究的内容之一,为此提出具有冲击功能的旋转式锚杆钻机的研究课题。

其基本思路是:在现有旋转式锚杆钻机结构基础上,增加一个冲击机构,即所谓冲击旋转式锚杆钻机,在正常顶板条件下,该锚杆钻机仍以旋转方式打锚杆孔,以充分发挥旋转式钻机高效的特点,但同时根据需要,可以辅以冲击,在旋转钻孔时超前冲击破岩,使孔底岩石产生微观裂隙,以使旋转钻孔更为有效。

当遇到局部坚硬岩石时,以冲击钻孔为主,充分发挥冲击破岩的特点,并辅以旋转切削,从而有效地解决不同围岩顶板条件下的锚杆支护问题。

2　冲击旋转钻孔时的破岩机理
冲击旋转钻孔时,钻头上同时作用着2个方向的3个力,即旋转方向的径向力P r 、钻进方向的轴向静压力P s 和冲击力P d ,其中P r 和P s 连续作用
在钻头上,是由旋转破岩产生的。

P d 间断作用在钻头上,是由冲击机构产生的,间断时间由钻机的冲击频率决定。

上述3个力相辅相成地使钻头进行有效地冲击旋转破岩,一方面,冲击力P d 以每分钟上千次的频率作用在岩体上,使孔底的坚硬岩体产生微观裂纹和旋转切削时的超前破碎,使得旋转切削时,能在坚硬顶板条件下更为有效地快速钻孔。

另一方面,静压力P s 的作用,又使冲击破岩更为有效。

当静动载荷同时作用在钻头上时,每次冲击岩石破碎深度和体积比单纯的冲击要大得多,当冲击能量一定时,随预加静载荷P s 的增加,破碎穴体积相应增加,其原因一是预加静载荷使岩石内部形成预加应力;二是预压静载荷改善了冲击能量的传递条件,使能量有效利用率增加;三是冲击旋转钻孔为斜冲击破碎岩石,因而存在最优施力角。

对于每一种岩石,当斜冲击破碎时,都有一个最优施力角,即钻头与岩石面成这一角度切入时,最容易使岩石破碎。

由于冲击旋转钻孔时,各钻孔参数能根据岩石的最优施力角自动匹配,因而能以最优的施力角度切入岩石,对硬岩进行有效的破碎。

3　结构原理与优化设计
新研制的冲击旋转锚杆钻机由动力机构、传动机构、冲击机构、操纵机构和推进机构等五部分组成。

钻头钻杆的旋转是由动力机构经过二级齿轮传动机构实现的,钻机的推进由操纵机构控制推进机构升降实现。

冲击机构的结构原理如图1所示,它由偏心机构1、活塞2、气室3、冲锤4和钻杆尾套5组成。

偏心机构将动力机构经一级齿轮减速后的旋
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4・2002年第6期 中州煤炭
总第120期
转运动转换为活塞的往复直线运动。

当活塞从右至左运动时,压缩气室内的密封气体,压力增加,使冲锤高速向左运动,并冲击钻杆尾套,实现冲击功能。

当活塞从左至右运动时,气室内压力降低并形成负压,从而使冲锤向右运动直至停止,这样便形成了冲击机构的一个工作循环。

冲击机构就是这样往复运动实现冲击功能的。

在每一工作循环的开始瞬间,通过配气槽向气室补充空气。

该结构的最大特点是用偏心套机构实现旋转和往复直线运动的转换,以及冲锤与活塞采用气室“软”连接。

1—偏心机构;2—活塞;3—气室;4—冲锤;5—钻杆尾套
图1　冲击机构结构原理
冲击机构是冲击旋转式锚杆钻机的关键部件,一方面要求在一定功率和旋转切削条件下,具有最佳冲击效果,另一方面由于冲锤与活塞间的“软”连接,要求冲锤的响应必须与活塞运动相匹配,因此在冲击机构性能和结构参数的选择上存在合理匹配。

本课题通过优化方法完成参数的最优匹配问题。

优化设计是以冲击功率最大作为目标函数,以影响目标函数独立参数:活塞运动频率、冲锤直径、冲锤长度、活塞运动振幅、气室最大长度作为设计变
量,并考虑性能约束和几何约束,形成一个具有12个不等式约束的5维优化设计问题(具体优化设计数学模型略)[1～2]。

利用所建优化数学模型进行参数优化设计,可
得出各参数优化结果,以此作为冲击旋转式锚杆钻
机冲击机构的实际几何参数。

4　结论
通过本文的研究,得出结论如下:
(1)冲击旋转式锚杆钻机是在旋转式锚杆钻机结构基础上增加一冲击机构。

该机构设计的最大特点是用偏心套机构实现旋转和往复直线运动的转换,以及冲锤与活塞采用气室“软”连接,这种软性连接减小了在冲击过程中,来自岩石的反作用力对机构的影响。

这种新颖独特的设计使得整个锚杆钻机结构极为紧凑、轻小,而且传动稳定、效率高、适应性强。

(2)冲击旋转方式破岩时,在钻头上存在的旋转方向上的旋转力和轴心方向上的静压力及冲击力联合作用,使岩石在破碎时,内部裂隙得到扩张,在裂隙尖角出现应力集中,同时在高频的冲击力作用下,应力波在岩石内部还来不及扩散,并出现应力集中,这两种情况的出现,使岩石强度大大降低,并随着旋转力的作用,出现大块大块的崩落现象,破碎效果非常明显。

(3)通过对冲击机构参数优化,得出使冲击功最大的几何尺寸和性能参数,依此可进行产品设计。

(4)采用优化方法进行设计,可使冲锤的响应与
活塞运动相匹配,从而实现了冲锤与活塞间有效的
“软”连接。

参考文献:[1]　孙正心1风动锚杆钻机的研究[D ]1徐州:中国矿业大学机电
学院,19991[2]　秦信康1冲击旋转式锚杆钻机的研究[D ]1徐州:中国矿业大
学机电学院,19991(责任编辑:林春凤)(上接第3页)　有利于安全生产,尤其是厚煤层放
顶煤回采,将回采巷道沿顶板布置改为沿底板布置,
减少采面两端底部三角煤损失,提高了煤炭采出率。

5　结论
通过现场实践和技术、经济分析得知,采用三维锚索+锚杆+金属网支护形式,配合卸压技术完全适应于厚煤层沿底掘进巷道支护,可有效地在巷道
围岩表面主动形成和增强径向、切向、轴向3个方向的反向预紧力,减少巷道煤岩达到动态平衡状态的
时间,增强巷道煤岩的整体抗压强度、整体稳定性及承载能力,达到了控制巷道煤岩离层和合理支护巷道的目的,且具有先进性、实用性和效益性。

如果再从支护工艺、支护机具上加以改进和完善,一定会在巷道围岩支护与控制领域创造更大的经济效益和社
会效益。

(责任编辑:闫　茜)
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5・2002年第6期 李文松:冲击旋转式锚杆钻机的研制 总第120期。