一種多缸液壓邁步式擴(kuò)孔刀頭的設(shè)計(jì)

一種多缸液壓邁步式擴(kuò)孔刀頭的設(shè)計(jì)

屋頂鉆孔是一種高效、安全、經(jīng)濟(jì)的機(jī)械化屋頂鉆孔設(shè)備。其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是，它逐漸取代了傳統(tǒng)的水平堆放法和桿狀爆炸法。目前世界上天井鉆機(jī)正朝著大能力、小巧化、大井深、大斜角、智能化和兩級邁步式擴(kuò)孔的方向發(fā)展。受礦山運(yùn)輸條件的影響,我國許多地下礦山不能搬運(yùn)大型天井鉆機(jī),使用小型鉆機(jī)鉆大直徑天井成為礦山工人的愿望。邁步式擴(kuò)孔刀頭可將天井?dāng)U孔作業(yè)分成兩步,以邁步的方式,依次完成。它所需要的擴(kuò)孔拉力和轉(zhuǎn)矩僅為相同直徑普通擴(kuò)孔刀頭的一半,使能力較小的天井鉆機(jī)采用較細(xì)的鉆桿能夠擴(kuò)出較大的天井。德國維爾特公司率先研制出邁步式擴(kuò)孔刀頭,并在南非和澳大利亞成功應(yīng)用,用擴(kuò)孔能力為4m的HG330型天井鉆機(jī)直接擴(kuò)出直徑為6.02m的天井。維爾特公司發(fā)明的邁步式擴(kuò)孔刀頭使用的液壓缸是以水為傳動介質(zhì),用1個(gè)大型液壓缸進(jìn)行邁步推進(jìn),沒有設(shè)置機(jī)械鎖緊裝置,因此邁步推進(jìn)缸要承受巨大的軸向擴(kuò)孔拉力,必須選用較高的系統(tǒng)壓力和較大的缸徑。為確保邁步推進(jìn)缸不受偏載力,必須將邁步推進(jìn)缸和刀盤拉桿設(shè)置在同一軸線上,增加了邁步推進(jìn)缸的設(shè)計(jì)和加工難度。為解決這一難題,筆者提出了一種用于邁步式擴(kuò)孔刀頭的多缸液壓邁步裝置和機(jī)械鎖緊裝置。1高壓液壓油控制多缸邁步機(jī)械鎖緊裝置是邁步式擴(kuò)孔刀頭實(shí)行邁步與鎖緊動作的執(zhí)行機(jī)構(gòu),以高壓液壓油為動力源,在液壓系統(tǒng)的控制下,自動完成邁步與鎖緊的程序動作。如圖1所示,多缸邁步機(jī)械鎖緊裝置主要由刀盤拉桿、掛鉤、前連桿、鎖緊液壓缸、后連桿、支座、二級刀盤、邁步推進(jìn)液壓缸和液壓缸支架等組成。1.1機(jī)械鎖定機(jī)構(gòu)如圖2所示,環(huán)形掛鉤式機(jī)械鎖緊裝置是二級刀盤與刀盤拉桿的離合機(jī)構(gòu),同時(shí)也承受軸向擴(kuò)孔拉力。掛鉤的下端鉸接在擴(kuò)孔刀頭的二級刀盤的耳座上,掛鉤的上端與前連桿的一端鉸接,前連桿的另一端分別與后連桿及鎖緊液壓缸的活塞桿鉸接,后連桿的另一端與位于二級刀盤上的支座鉸接,鎖緊液壓缸的下端鉸接在二級刀盤的耳座上,構(gòu)成1套機(jī)械鎖緊機(jī)構(gòu)。4套機(jī)械鎖緊機(jī)構(gòu)均布在擴(kuò)孔刀頭的二級刀盤上。鎖緊液壓缸的活塞桿上、下運(yùn)動時(shí),可通過前連桿和后連桿帶動掛鉤做張合動作。掛鉤合攏時(shí),4個(gè)掛鉤的內(nèi)廓組合成一個(gè)整圓,掛在擴(kuò)孔刀頭的刀盤拉桿的臺肩上,牢固地鎖住擴(kuò)孔刀頭的二級刀盤,不讓其下滑,由4個(gè)掛鉤來承受二級刀盤的軸向擴(kuò)孔拉力,而邁步推進(jìn)缸不再承受擴(kuò)孔拉力;當(dāng)掛鉤張開時(shí),4個(gè)掛鉤同時(shí)脫離刀盤拉桿的臺肩,二級刀盤呈上下浮動狀態(tài),二級刀盤可在邁步推進(jìn)缸的作用下,沿刀盤拉桿作下行邁步運(yùn)動,下行至二級刀盤的下端,接觸到拉桿下端的臺肩停止,由該臺肩承受二級刀盤的軸向力,邁步推進(jìn)缸不受力。1.2液壓缸組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示,多缸液壓邁步裝置是使二級刀盤完成上下往復(fù)邁步動作的工作執(zhí)行機(jī)構(gòu),主要由刀盤拉桿、邁步推進(jìn)液壓缸、鉸接支座、二級刀盤及液壓缸支架等組成。4個(gè)邁步推進(jìn)液壓缸均布在擴(kuò)孔刀頭的刀盤拉桿的四周,邁步推進(jìn)液壓缸的兩側(cè)設(shè)有中間鉸軸,鉸接于二級刀盤的鉸軸支座上。呈十字形的液壓缸支架設(shè)在刀盤拉桿的下端,通過銷軸與邁步推進(jìn)液壓缸的活塞桿鉸接。邁步液壓缸做上、下運(yùn)動時(shí),可通過中間鉸軸帶動二級刀盤做上下往復(fù)邁步運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)邁步式擴(kuò)孔刀頭的往復(fù)邁步動作。2級刀盤的擴(kuò)孔作業(yè)兩級邁步擴(kuò)孔刀盤工作原理如圖4所示。當(dāng)設(shè)置在一級刀盤上的2把中心滾刀的任意一把接觸巖石時(shí),液壓系統(tǒng)的發(fā)信裝置發(fā)出邁步換向信號,液壓油通過液控?fù)Q向閥進(jìn)入4個(gè)鎖緊液壓缸的有桿腔中,4個(gè)掛鉤張開,脫離刀盤拉桿的臺肩,二級刀盤呈上下浮動狀態(tài);當(dāng)掛鉤張開到位后,液壓油通過液壓行程閥進(jìn)入4個(gè)邁步推進(jìn)液壓缸的有桿腔,使二級刀盤下行,脫離破巖工作面,開始進(jìn)行一級刀盤的擴(kuò)孔作業(yè)。當(dāng)設(shè)置在一級刀盤上的2把中心滾刀均不接觸巖石(即脫離擴(kuò)孔巖面)時(shí),液壓發(fā)信裝置發(fā)出信號,液壓油通過液控?fù)Q向閥進(jìn)入4個(gè)邁步推進(jìn)液壓缸的無桿腔中,使二級刀盤上行,上行到位后,液壓油通過行程閥進(jìn)入4個(gè)鎖緊液壓缸的無桿腔,使4個(gè)掛鉤合攏,掛在刀盤拉桿的臺肩上,牢固鎖住二級刀盤,不讓其下滑。4個(gè)掛鉤承受二級刀盤的軸向擴(kuò)孔拉力,邁步推進(jìn)液壓缸不再承受擴(kuò)孔拉力。此時(shí),一級刀盤脫離了破巖工作面,二級刀盤開始實(shí)行擴(kuò)孔作業(yè)。如此循環(huán)往復(fù),從而實(shí)現(xiàn)兩級邁步擴(kuò)孔的連續(xù)作業(yè)。3機(jī)械鎖定裝置采用4個(gè)邁步缸,可降低每個(gè)邁步缸的承載力,液壓缸的外形尺寸較小,降低了液壓缸和刀盤拉桿的加工難度與制造成本。4個(gè)邁步缸均勻布置在刀盤拉桿周圍,避免了邁步缸與刀盤拉桿干涉,減小了邁步缸布置難度,邁步缸合力通過刀盤拉桿中心,使得邁步力不會產(chǎn)生偏載,邁步運(yùn)動更加穩(wěn)定可靠。采用機(jī)械鎖緊裝置后,原來由邁步推進(jìn)液壓缸承受的擴(kuò)孔拉力改由機(jī)械鎖緊裝置承擔(dān),邁步缸僅在邁步時(shí)承受二級刀盤的重力和邁步運(yùn)動的摩擦阻力,其合力不到擴(kuò)孔拉力的1/20。在擴(kuò)孔時(shí),邁步缸和鎖緊缸理論上不受力(由其他構(gòu)件受力),因此,邁步機(jī)構(gòu)更加小巧耐用。4模擬測試為了檢驗(yàn)多缸邁步機(jī)械鎖緊裝置的實(shí)際效果,專門設(shè)計(jì)了一套模擬試驗(yàn)裝置,進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。4.1機(jī)械鎖定液壓缸、機(jī)械進(jìn)入液壓缸多缸邁步機(jī)械鎖緊模擬試驗(yàn)裝置如圖5所示,由支架、拉桿、刀盤、邁步液壓缸、機(jī)械鎖緊掛鉤、鎖緊液壓缸及液壓控制系統(tǒng)等組成,工作原理與原裝置相同。該模擬試驗(yàn)裝置是按原裝置的1/4尺寸制造,邁步液壓缸行程為120mm,鎖緊液壓缸行程為36mm。為簡化起見,將原裝置上的4套邁步液壓缸、機(jī)械鎖緊掛鉤和鎖緊液壓缸改為2套。液壓系統(tǒng)采用自來水作為液壓動力源和液壓控制源,通過壓力表觀察試驗(yàn)時(shí)的壓力變化,通過在刀盤上增加配重來施加模擬負(fù)載。4.2多輪不同負(fù)載模擬系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果模擬試驗(yàn)在長沙礦山研究院有限責(zé)任公司的機(jī)械實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。分別做了多輪不同負(fù)載的模擬試驗(yàn),負(fù)載(配重)從100kg逐漸增加到800kg,模擬試驗(yàn)裝置均能正常完成邁步與鎖緊動作,動作連續(xù)、平穩(wěn)、快速、