第1章 鑿巖機(jī)械課件

第一章鑿巖機(jī)械第一節(jié)概述

破碎并剝落煤巖體，是采掘機(jī)械最主要的功能，采掘機(jī)械消耗的功率，主要與截割及牽引機(jī)構(gòu)剝落煤巖體所遇到的阻力有關(guān)。因此，研究煤巖的力學(xué)性質(zhì)，合理選擇機(jī)械結(jié)構(gòu)的形式和參數(shù)，計算截割機(jī)構(gòu)載荷，是選用電機(jī)功率、計算機(jī)械強(qiáng)度和可靠性的基礎(chǔ)。煤巖的物理性質(zhì)煤和巖石具有物理和化學(xué)多方面的特性。對采掘機(jī)械的工作有直接影響，它的某些物理性質(zhì)，如強(qiáng)度和堅固性、彈塑性和脆性、硬度和磨蝕性、粉碎特性等，統(tǒng)稱為煤巖的物理力學(xué)性質(zhì)。煤巖的機(jī)械性質(zhì)煤巖的機(jī)械性質(zhì)是指機(jī)械施加的外力時所表現(xiàn)出的性質(zhì)。

煤巖破碎理論是研究機(jī)械破落煤巖過程中，刀具與煤、巖體相互作用的有關(guān)能量轉(zhuǎn)換、破碎機(jī)理和受力分析等問題的一門學(xué)科。研究煤巖破碎理論，對設(shè)計、制造和使用采掘機(jī)械起著理論指導(dǎo)作用。

研究方法：現(xiàn)場試驗法模化試驗法“純”化試驗法在破碎煤巖時，可借助于煤巖的機(jī)械性質(zhì)選擇對煤巖體作用力的形式、破巖工具的種類和形狀等。因此，采用機(jī)械法破巖時，了解煤巖的機(jī)械性如截割阻抗、接觸強(qiáng)度、摩擦與磨蝕性等尤為重要。煤巖的物理機(jī)械性質(zhì)煤巖是非均質(zhì)、非連續(xù)和各向異性的脆性物質(zhì)，賦存地下的煤巖體內(nèi)部還受地應(yīng)力的作用。

一、煤巖的物理性質(zhì)密度、孔隙度、含水量、松散性、穩(wěn)定性、導(dǎo)電性、傳熱性等，與采掘機(jī)械的工作密切相關(guān)的性質(zhì)有：

1．密度單位體積煤巖在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量。在1.3～1.45t/m3變化，計算時取1.35t/m3。

2．濕度煤巖的濕度用其含水率表示。含水率指在煤巖的縫隙中存留的水的質(zhì)量與煤巖固體質(zhì)量之比。含水率高的煤巖體，結(jié)構(gòu)被弱化，強(qiáng)度明顯降低。開采時功率消耗會明顯降低，粉塵也將減少。但巷道圍巖易產(chǎn)生變形，巷道維護(hù)的難度增加。

3．松散性煤巖被破碎后其容積增大的性能。破碎后與破碎前煤巖的容積之比——松散比(或松散系數(shù))。4．穩(wěn)定性煤巖暴露出自由面以后，不致塌陷的性能。

二、煤巖的機(jī)械性質(zhì)煤巖體受到機(jī)械施加的外力時所表現(xiàn)的性質(zhì)。在破碎煤巖時，借助于煤巖的機(jī)械性質(zhì)選擇對煤巖體作用力的形式、破巖工具的種類和形狀。煤巖的機(jī)械性質(zhì)主要包括彈性、塑性、脆性、強(qiáng)度、硬度、堅固性、截割阻抗、磨礪性等。

1.強(qiáng)度煤巖體在一定條件下受外力作用開始破壞時所具有的極限應(yīng)力值。煤巖為非均質(zhì)材料，各向異性，抗壓、抗剪和抗拉強(qiáng)度關(guān)系

y：

j

：

l=1：(0.1～0.4)：(0.03～0.1)在設(shè)計采煤機(jī)械時，應(yīng)盡量利用拉伸或剪切破壞，以減少刀具受力和能耗。層理和節(jié)理發(fā)育的煤巖體，其強(qiáng)度要低于層理和節(jié)理不發(fā)育的煤巖體；沿垂直層理方向的強(qiáng)度要高于平行層理方向的強(qiáng)度。

2.硬度煤巖抵抗尖銳工具侵入的性能。反映煤巖體在較小的局部面積上抵抗外力作用而不被破壞的能力，大小取決于煤巖體的結(jié)構(gòu)、組成顆粒的硬度、形狀和排列方式等。硬度越大，截割、鉆鑿越困難。

3．彈性、塑性與脆性彈性、塑性與脆性反映煤巖受外力作用與其變形之間關(guān)系的性質(zhì)。

彈性：所受外力撤消后煤巖恢復(fù)原來形狀的性能。破碎彈性較高的煤巖，消耗的能量較多，且由于彈性變形，破碎也比較困難。

塑性：所受外力消失后煤巖不能恢復(fù)原來形狀的性能。破碎塑性高的煤巖，消耗的能量較多。

脆性：煤巖破碎時不帶殘余變形的性能。脆性高的煤巖，容易破碎，消耗的能量也較小。

4．堅固性表示煤巖破碎難易程度的綜合指標(biāo)，是煤巖體抵抗拉壓、剪切、彎曲和熱力等作用的綜合表現(xiàn)。堅固性系數(shù)(普氏系數(shù))表示煤巖的堅固性大小。①搗碎法測量堅固性系數(shù)試樣10塊，手錘敲碎，取20～30mm試樣5份，每份50g。搗錘自由下落n次，過篩0.5×0.5mm。篩下物裝量筒，測出高度l。②根據(jù)煤巖的極限抗壓強(qiáng)度(MPa)近似確定

f<4為煤，f=4～8為中等堅固巖石，f≥8為堅固巖石。煤分三級，軟煤f<1.5，中硬煤f=1.5～3，硬煤f>3。5．截割阻抗截割阻抗比普氏系數(shù)更能確切地反映煤的可截割性能，作為采掘機(jī)械設(shè)計和選型的主要技術(shù)參數(shù)。

截割阻抗：單位截割深度作用于刀具上的截割阻力，A(kN/m)表示。1，9-立柱；2-刀桿；3-卡緊器；4-刀具；5-測力傳感器；6-記錄儀；7-電動機(jī)；8-絞車為得到工作面的A值，在工作面接近頂板、底板、截高中間處，以及沿煤層傾斜方向不同部位進(jìn)行多次測量，取其平均值作為該工作面的A值。

煤層按截割阻抗分：

A≤180kN/m的煤為軟煤，適合用各種刨煤機(jī)特別是脆性煤層適于刨煤機(jī)；A=180～240kN/m的煤為中硬煤，其中韌性煤適合用采煤機(jī)，脆性煤適于滑行刨煤機(jī)；

A=240～360kN/m的煤為硬煤，韌性煤須用大功率采煤機(jī)，脆性煤可用滑行刨煤機(jī)。截割阻抗與堅固性系數(shù)關(guān)系：A=150統(tǒng)計資料，也存在A=1006．磨礪性刀具在截割過程中接觸煤巖而被磨損，引起截割阻力和生產(chǎn)費(fèi)用的增加，使采掘機(jī)械工作性能和開機(jī)率降低。煤巖磨損鋼鐵和硬質(zhì)合金的烈度稱為磨礪性(研磨性)。研究表明，煤巖的磨礪性與其石英含量、石英核直徑和抗拉強(qiáng)度有關(guān)。破碎性能指標(biāo)用于評價截割時煤層的可破碎性，其指標(biāo)定義為kW·h·cm/m37．破碎性能指標(biāo)式中B——煤巖的脆性程度指數(shù)該指標(biāo)與截割的工況和參數(shù)無關(guān)，僅取決于煤層的截割阻抗和脆性，它綜合反映煤層在穩(wěn)定的工況參數(shù)下破碎的可能性。按照破碎性能指標(biāo)，前蘇聯(lián)將煤層分為七類，即：極軟0～4，軟4.1～9，中硬9.1～16，中偏硬16.1～25，硬25.1～36，極硬36.1～49，特硬>49。-8.4韌性煤B<2.1，脆性煤2.1<B<3.5，極脆性煤B>3.5。一、切削破巖機(jī)理流行的機(jī)理學(xué)說主要有：楔裂說、剪裂說、密實核說、斷裂力學(xué)說、剪切變形說等。

密實核：指截齒刀刃接觸煤體時產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)達(dá)到極限值時，煤巖體會被局部粉碎成粉末，形成處于體積壓縮狀態(tài)時產(chǎn)生的核。

對應(yīng)的力學(xué)特性來以壓應(yīng)力對實核起壓碎作用，以剪應(yīng)力產(chǎn)生裂縫，以拉應(yīng)力擴(kuò)大裂縫，直到煤塊飛出，具有脆性破碎的特性。煤巖截割理論密實核說是拉伸和剪切聯(lián)合作用的切削破煤(巖)機(jī)理學(xué)說，截割機(jī)理如圖1-2所示。二、沖擊破巖機(jī)理沖擊破巖有砸碎、鑿巖、劈裂等多種方式，鑿巖是沖擊破巖最重要的應(yīng)用。鑿巖機(jī)的活塞以一定速度沖擊釬尾（或釬桿）時，使釬頭侵入巖體，形成破碎坑，又由于釬頭的轉(zhuǎn)動，使破碎坑擴(kuò)展成孔眼，并逐漸形成一定深度的鉆孔。三、截齒的截割阻力和比能耗試驗研究表明，靠近切削刃處的作用力最大，遠(yuǎn)離切削刃處將按雙曲線規(guī)律急劇衰減——在實際計算中用集中力代替測出的分布力，然后沿坐標(biāo)軸進(jìn)行分解。截割阻力平均值

Z=AhkN式中A——截割阻抗，kN/m；h——截割深度，m。推進(jìn)阻力

Y=aZ式中a——極脆煤0.5，脆性煤0.6，韌性煤0.7。X=(0.1～0.2)Z側(cè)向力G——剝落煤量，kg； ——煤巖的實體密度，t/m3。HW=式中L——截割長度，m；比能耗截齒和一組截齒以主切削刃相對被破碎面的方位和截齒排列次序，形成各種截槽形狀。截割力與截槽斷面面積成正比，截割力隨自由面增加而降低。截槽兩側(cè)具有崩裂角φ，φ隨煤質(zhì)脆性增加而增大，隨切削深度h增加而減小。截割參數(shù)：截距：相鄰截槽的間距。切削深度：截齒截割煤巖體的深度。

第二節(jié)鉆孔機(jī)械用鉆眼爆法掘進(jìn)巷道時，鉆鑿炮眼機(jī)具的總稱稱為鉆孔機(jī)械；爆破后碎落下來的煤巖用裝載設(shè)備運(yùn)離工作面，實現(xiàn)這一功能的設(shè)備統(tǒng)稱為裝載機(jī)械。鑿巖機(jī)沖擊破碎原理：工作時活塞做高頻往復(fù)運(yùn)動，沖擊釬尾。在沖擊力的作用下，用楔狀的釬頭將巖石壓碎并鑿入一定深度，釬桿轉(zhuǎn)過一定角度，形成凹痕。由釬頭上產(chǎn)生的水平分力將巖石剪碎，形成一定深度的圓形鉆孔。1-鑿巖機(jī)缸體；2-活塞；3-釬桿；4-釬頭（一）氣動鑿巖機(jī)

結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、使用安全，應(yīng)用較早且較多。按操作方式不同分手持式、支腿式和導(dǎo)軌式。按頻率分低頻鑿巖機(jī)(沖擊頻率42Hz以下)和高頻鑿巖機(jī)(沖擊頻率42Hz以上)。按轉(zhuǎn)釬機(jī)構(gòu)分內(nèi)回轉(zhuǎn)式鑿巖機(jī)和外回轉(zhuǎn)式鑿巖機(jī)。

手持式氣動鑿巖機(jī)以手托持，無其他支承，靠鑿巖機(jī)自重或操作者施加的推壓力推進(jìn)鑿巖。功率小、機(jī)重較輕，手持作業(yè)勞動強(qiáng)度大、鉆孔速度慢，鉆鑿小直徑淺孔。支腿式氣動鑿巖機(jī)用支腿支承和推進(jìn)，減輕勞動強(qiáng)度，提高鉆孔效率，用于在巖石巷道鉆鑿孔徑24～42mm，孔深2～5m的水平或傾角較小的孔，使用廣泛。導(dǎo)軌式氣動鑿巖機(jī)裝在鑿巖臺車鉆臂的推進(jìn)器上沿導(dǎo)軌推進(jìn)鑿孔。重量較重，沖擊能大，采用獨(dú)立外回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)矩較大，鑿孔速度較快，顯著減輕勞動強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，適用鉆鑿孔深5～10m、孔徑40～80mm硬巖炮眼。

氣動鑿巖機(jī)組成：沖擊配氣機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)釬機(jī)構(gòu)、排屑機(jī)構(gòu)和潤滑機(jī)構(gòu)等1-釬桿；2-鑿巖機(jī)；3-注油器；4-水管；5-風(fēng)管；6-氣腿支腿式鑿巖機(jī)

釬桿1尾端裝入鑿巖機(jī)2機(jī)頭釬套內(nèi)，注油器3連接在風(fēng)管5上，使壓氣中混有油霧，對鑿巖機(jī)內(nèi)零件進(jìn)行潤滑，水管4供給清除巖粉用水，氣腿6支撐鑿巖機(jī)并給以工作所需推進(jìn)力。

1．沖擊配氣機(jī)構(gòu)氣動鑿巖機(jī)實現(xiàn)活塞往復(fù)運(yùn)動以沖擊釬尾的機(jī)構(gòu)。

配氣機(jī)構(gòu)作用：將由操縱閥輸入的壓氣依次輸送到氣缸的后腔和前腔，推動活塞往復(fù)運(yùn)動——獲得活塞對釬尾的連續(xù)沖擊動作。常用配氣機(jī)構(gòu)有被動閥配氣機(jī)構(gòu)、控制閥配氣機(jī)構(gòu)和無閥配氣機(jī)構(gòu)。依靠活塞往復(fù)運(yùn)動時壓縮前后腔氣體，形成高壓氣墊推動配氣閥變換位置。配氣閥有球閥、環(huán)狀閥和蝶狀閥。球閥已很少使用。環(huán)狀閥和蝶狀閥配氣機(jī)構(gòu)動作原理基本相似。環(huán)狀閥配氣機(jī)構(gòu)1-壓氣入口；2-氣道；3-配氣閥；4-氣缸后腔；5-活塞；6-排氣口；7-氣動前腔；8-氣路通道

沖擊行程：壓縮空氣進(jìn)入氣缸后腔推動活塞，當(dāng)活塞前進(jìn)到關(guān)閉排氣孔6時，氣缸前腔成為密封腔，壓力隨活塞前移而上升→壓力通過氣孔作用于配氣閥后腔，當(dāng)壓力超過壓縮空氣壓力時配氣閥換位。

返回行程：壓縮空氣進(jìn)入前腔，活塞返回，待活塞關(guān)閉排氣口后，后腔壓力上升，推動配氣閥換位。配氣閥的不斷換位使活塞往復(fù)運(yùn)動，沖擊釬尾。

2．轉(zhuǎn)釬機(jī)構(gòu)使氣動鑿巖機(jī)釬桿回轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。內(nèi)回轉(zhuǎn)和外回轉(zhuǎn)(獨(dú)立回轉(zhuǎn))轉(zhuǎn)釬機(jī)構(gòu)。(1)內(nèi)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)釬機(jī)構(gòu)1-棘輪；2-棘爪3-螺旋棒；4-活塞5-轉(zhuǎn)釬套6-釬尾套；7-釬桿

活塞4往復(fù)運(yùn)動，通過螺旋棒3和棘輪機(jī)構(gòu)，使釬桿每被沖擊一次轉(zhuǎn)動一定角度。棘輪機(jī)構(gòu)具有單向間歇轉(zhuǎn)動特性，沖程時棘爪處于順齒位置，螺旋棒轉(zhuǎn)動，活塞依直線向前沖擊?；爻虝r棘爪處于逆齒位置，阻止螺旋棒轉(zhuǎn)動，迫使活塞轉(zhuǎn)動，帶動轉(zhuǎn)釬套和釬桿轉(zhuǎn)動。內(nèi)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)多用于輕型手持式或支腿式氣動鑿巖機(jī)。

(2)外回轉(zhuǎn)(獨(dú)立回轉(zhuǎn))轉(zhuǎn)釬機(jī)構(gòu)多用于重型導(dǎo)軌式氣動鑿巖機(jī)。外棘輪4裝在機(jī)頭中，內(nèi)裝螺母與沖擊活塞2上的螺旋槽3配合棘爪5裝在機(jī)頭內(nèi)，借助彈簧頂在外棘輪齒槽內(nèi)?；钊嫌兄被ㄦI6，與轉(zhuǎn)動套7配合，活塞返回行程帶動釬桿旋轉(zhuǎn)。

氣動馬達(dá)經(jīng)齒輪減速驅(qū)動釬桿轉(zhuǎn)動，具有轉(zhuǎn)速可調(diào)、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)動方向可變等特點(diǎn)，有利于裝拆釬頭、釬桿。螺旋槽與花鍵槽開在活塞桿上，削弱活塞桿強(qiáng)度。3．排屑機(jī)構(gòu)用水沖洗排除孔內(nèi)巖屑的機(jī)構(gòu)。

鑿巖機(jī)驅(qū)動后，壓力水經(jīng)水針進(jìn)入釬桿中心孔直通炮孔底，同時少量氣體從螺旋棒或花鍵槽經(jīng)釬桿滲入炮孔底部，與沖洗水一起排除孔底巖屑。鑿深孔和向下鑿孔時，孔底巖屑不易排出，扳動操縱手柄到強(qiáng)吹位置，使鑿巖機(jī)停止沖擊，停止注水，壓縮空氣按強(qiáng)吹氣路從操縱閥孔進(jìn)入，經(jīng)氣缸氣孔、機(jī)頭氣孔、釬桿中心孔滲入孔底，實現(xiàn)強(qiáng)吹，把巖屑泥水排除。

4．潤滑機(jī)構(gòu)向鑿巖機(jī)各運(yùn)動件注潤滑油，以保證正常鑿巖作業(yè)的機(jī)構(gòu)。在進(jìn)氣管上安裝一臺自動注油器，實現(xiàn)自動注油，油量大小用調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)。壓縮空氣進(jìn)入注油器后，對潤滑油施加壓力，在高速氣流作用下，潤滑油形成霧狀，在含潤滑油的壓縮空氣驅(qū)動鑿巖機(jī)的同時，各運(yùn)動零件相應(yīng)被潤滑。（二）液壓鑿巖機(jī)以循環(huán)高壓油為動力，驅(qū)動釬桿、釬頭，以沖擊回轉(zhuǎn)方式在巖體中鑿孔的機(jī)械。液壓鑿巖機(jī)一般安裝在鑿巖臺車的鉆臂上工作，可鉆鑿任何方位的炮孔，鉆孔直徑通常為30～65mm，適用于以鉆眼爆破法掘進(jìn)的礦山井巷、硐室和隧道的鉆孔作業(yè)。

優(yōu)點(diǎn)：1、能量利用率30～40%，風(fēng)動鑿巖機(jī)10%；2、機(jī)械性能好，鑿巖速度快(沖擊頻率每分鐘上萬次，風(fēng)動鑿巖機(jī)每分鐘三千次左右)，速度提高一倍以上；3、消除風(fēng)動鑿巖機(jī)的排氣噪音和油霧，改善作業(yè)條件；4、運(yùn)動件在油液中工作，潤滑條件好，提高零件壽命。

缺點(diǎn)：投資大，單位功率的重量較大，技術(shù)要求和維護(hù)費(fèi)用較高。液壓鑿巖機(jī)組成：沖擊機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)釬機(jī)構(gòu)、蓄能機(jī)構(gòu)、排屑機(jī)構(gòu)等。（三）鑿巖臺車

支承、推進(jìn)和驅(qū)動一臺或多臺鑿巖機(jī)實施鉆孔作業(yè)，并具有整機(jī)行走功能的鑿孔設(shè)備。用于礦山巷道掘進(jìn)及其他隧道施工。鑿孔直徑30～65mm，鑿孔深度2～5m。鑿孔時能準(zhǔn)確定位定向，并能鉆鑿平行炮孔。可與裝載機(jī)械及運(yùn)輸車輛配套，組成掘進(jìn)機(jī)械化作業(yè)線。1-鉆臂；2-鑿巖機(jī)；3-行走機(jī)構(gòu)4-操作臺；5-動力源

鑿巖臺車組成：鑿巖機(jī)、鉆臂(包括推進(jìn)器)、行走機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、操作臺和動力源(泵站)等。鑿巖機(jī)普遍采用導(dǎo)軌式液壓鑿巖機(jī)。鉆臂用于支承和推進(jìn)鑿巖機(jī)，并可自由調(diào)節(jié)方位，以適應(yīng)炮孔位置的需要。主要部件結(jié)構(gòu)

1.推進(jìn)器推進(jìn)器用來使鑿巖機(jī)移近或退出工作面，并提供鑿巖時所需的軸向推力。根據(jù)鑿巖工作的需要，推進(jìn)器產(chǎn)生的軸向推力大小和推進(jìn)速度應(yīng)能調(diào)節(jié)，以使鑿巖機(jī)在最優(yōu)軸推力下工作。推進(jìn)器按工作原理不同有螺旋式推進(jìn)器、液壓缸式推進(jìn)器、鏈?zhǔn)酵七M(jìn)器。(1)螺旋式推進(jìn)器1-氣動馬達(dá)；2-減速器；10-推進(jìn)螺母；4-托盤；5-絲杠；6-滑架；7-扶釬器

(3)鏈?zhǔn)酵七M(jìn)器(2)液壓缸式推進(jìn)器1-張緊裝置；2-導(dǎo)向鏈輪；3-導(dǎo)軌；4-滑板；5-減速器；6-氣動馬達(dá)；7-鏈條

氣動馬達(dá)通過蝸桿—蝸輪減速器驅(qū)動裝在導(dǎo)軌中間的封閉傳動鏈帶動托盤。

特點(diǎn)：工作可靠，調(diào)節(jié)方便，行程不受限制，適用于長行程推進(jìn)器，但傳動平穩(wěn)性不如螺旋式推進(jìn)器，推力過大時易出現(xiàn)斷鏈?zhǔn)鹿省?/p>

2.鉆臂用于支承和推進(jìn)鑿巖機(jī)，并可自由調(diào)節(jié)方位以適應(yīng)炮孔位置需要的機(jī)構(gòu)。鉆臂對臺車的動作靈活性、可靠性及生產(chǎn)率影響很大。按鉆臂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)動方式不同有直角坐標(biāo)式和極坐標(biāo)式兩類。(1)直角坐標(biāo)式鉆臂利用鉆臂液壓缸4和擺臂液壓缸1使鉆臂上下左右按直角坐標(biāo)位移的運(yùn)動方式確定孔位的鉆臂。

組成：臂桿、推進(jìn)器、自動平行機(jī)構(gòu)和支承缸等。推進(jìn)器通過俯仰