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(jí)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(guó)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(guó)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(dòng)介質(zhì),用1個(gè)大型液壓缸進(jìn)行邁步推進(jìn),沒(méi)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(pán)拉桿設(shè)置在同一軸線(xiàn)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(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu),以高壓液壓油為動(dòng)力源,在液壓系統(tǒng)的控制下,自動(dòng)完成邁步與鎖緊的程序動(dòng)作。如圖1所示,多缸邁步機(jī)械鎖緊裝置主要由刀盤(pán)拉桿、掛鉤、前連桿、鎖緊液壓缸、后連桿、支座、二級(jí)刀盤(pán)、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(jí)刀盤(pán)與刀盤(pán)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(jí)刀盤(pán)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(jí)刀盤(pán)上的支座鉸接,鎖緊液壓缸的下端鉸接在二級(jí)刀盤(pán)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(jí)刀盤(pán)上。鎖緊液壓缸的活塞桿上、下運(yùn)動(dòng)時(shí),可通過(guò)前連桿和后連桿帶動(dòng)掛鉤做張合動(dòng)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(pán)拉桿的臺(tái)肩上,牢固地鎖住擴(kuò)孔刀頭的二級(jí)刀盤(pán),不讓其下滑,由4個(gè)掛鉤來(lái)承受二級(jí)刀盤(pán)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(kāi)時(shí),4個(gè)掛鉤同時(shí)脫離刀盤(pán)拉桿的臺(tái)肩,二級(jí)刀盤(pán)呈上下浮動(dòng)狀態(tài),二級(jí)刀盤(pán)可在邁步推進(jìn)缸的作用下,沿刀盤(pán)拉桿作下行邁步運(yùn)動(dòng),下行至二級(jí)刀盤(pán)的下端,接觸到拉桿下端的臺(tái)肩停止,由該臺(tái)肩承受二級(jí)刀盤(pán)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(jí)刀盤(pán)完成上下往復(fù)邁步動(dòng)作的工作執(zhí)行機(jī)構(gòu),主要由刀盤(pán)拉桿、邁步推進(jìn)液壓缸、鉸接支座、二級(jí)刀盤(pán)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(pán)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(jí)刀盤(pán)的鉸軸支座上。呈十字形的液壓缸支架設(shè)在刀盤(pán)拉桿的下端,通過(guò)銷(xiāo)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(dòng)時(shí),可通過(guò)中間鉸軸帶動(dòng)二級(jí)刀盤(pán)做上下往復(fù)邁步運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)邁步式擴(kuò)孔刀頭的往復(fù)邁步動(dòng)作。2級(jí)刀盤(pán)的擴(kuò)孔作業(yè)兩級(jí)邁步擴(kuò)孔刀盤(pán)工作原理如圖4所示。當(dāng)設(shè)置在一級(jí)刀盤(pán)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(hào),液壓油通過(guò)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(kāi),脫離刀盤(pán)拉桿的臺(tái)肩,二級(jí)刀盤(pán)呈上下浮動(dòng)狀態(tài);當(dāng)掛鉤張開(kāi)到位后,液壓油通過(guò)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(jí)刀盤(pán)下行,脫離破巖工作面,開(kāi)始進(jìn)行一級(jí)刀盤(pán)的擴(kuò)孔作業(yè)。當(dāng)設(shè)置在一級(jí)刀盤(pán)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(hào),液壓油通過(guò)液控?fù)Q向閥進(jìn)入4個(gè)邁步推進(jìn)液壓缸的無(wú)桿腔中,使二級(jí)刀盤(pán)上行,上行到位后,液壓油通過(guò)行程閥進(jìn)入4個(gè)鎖緊液壓缸的無(wú)桿腔,使4個(gè)掛鉤合攏,掛在刀盤(pán)拉桿的臺(tái)肩上,牢固鎖住二級(jí)刀盤(pán),不讓其下滑。4個(gè)掛鉤承受二級(jí)刀盤(pán)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(jí)刀盤(pán)脫離了破巖工作面,二級(jí)刀盤(pán)開(kāi)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(jí)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(pán)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(pán)拉桿周?chē)?避免了邁步缸與刀盤(pán)拉桿干涉,減小了邁步缸布置難度,邁步缸合力通過(guò)刀盤(pán)拉桿中心,使得邁步力不會(huì)產(chǎn)生偏載,邁步運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定可靠。采用機(jī)械鎖緊裝置后,原來(lái)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(jí)刀盤(pán)的重力和邁步運(yùn)動(dòng)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(cè)試為了檢驗(yàn)多缸邁步機(jī)械鎖緊裝置的實(shí)際效果,專(zhuān)門(mén)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(pán)、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(jiǎn)化起見(jiàn),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(lái)水作為液壓動(dòng)力源和液壓控制源,通過(guò)壓力表觀(guān)察試驗(yàn)時(shí)的壓力變化,通過(guò)在刀盤(pán)上增加配重來(lái)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(zhǎng)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(dòng)作,動(dòng)作連續(xù)、平穩(wěn)、快速、