[01411508]新型非圆行星齿轮式液压锚杆钻机研究及应用

1.任务来源与背景 河南省重点科技攻关计划项目：新型非圆行星齿轮式液压锚杆钻机研究（项目号：102102210211） 锚杆支护是一种在煤炭行业广泛应用的井巷支护方法。它通过锚入围岩内的锚杆,改善围岩本身的力学状态,使支护体与围岩本身形成一个统一的能够承受载荷的结构体,从而提高岩体自身的强度,阻止或延缓围岩的变形发展,有效地保持围岩的完整性和巷道断面形状。而锚杆钻机是锚杆支护施工中的关键设备,直接影响着锚杆支护的施工质量和工作效率。 2.技术原理及性能指标 本项目从煤矿巷道高效锚杆支护作业的实际生产需要出发,研制开发以乳化液为液压介质、由非圆行星齿轮液压马达驱动、采用离合机构和曲轴连杆冲击机构的旋转冲击型液压锚杆钻机。该新型液压锚杆钻机工作介质不易燃,通过旋转和冲击旋转破岩工作方式的任意转化,实现f≤10的各种复杂煤岩层硬度变化条件下的高效锚杆支护作业。主要技术原理体现在： （1）非圆行星齿轮液压马达驱动的旋转冲击型液压锚杆钻机整体结构设计。 通过对锚杆钻机旋转破岩机理和冲击旋转破岩时冲击能在钻杆中的传递效果分析,确定新型旋转冲击型液压锚杆钻机的性能参数。采用曲轴连杆冲击机构实现对钻杆套的冲击,并通过离合结构的动作实现旋转和冲击旋转两种不同破岩工作方式的任意转化。 （2）曲轴连杆冲击机构运动学及动力学仿真。 利用ADAMS软件建立液压锚杆钻机冲击结构的虚拟样机,通过运动学和动力学仿真,分析冲击机构冲击头的运动特性、弹簧的压缩变形和冲击机构铰接处的受力情况,优化冲击机构相关结构参数。 （3）基于有限元法的锚杆钻机钻具振动分析。 创建锚杆钻机钻具的有限元模型,对五种不同尺寸下模型的固有频率和振型进行分析,得出锚杆钻机钻具固有频率受尺寸变化的影响规律,从而为合理选择钻具尺寸型号和液压锚杆钻机钻进工艺参数提供依据。 （4）旋转冲击型液压锚杆钻机试验研究。 试制所设计的以乳化液为液压介质、由非圆行星齿轮液压马达驱动、采用曲轴连杆冲击机构的旋转冲击型液压锚杆钻机,通过液压综合试验台对液压锚杆钻机样机的动态特性进行测试,并在煤矿井下进行实钻试验。 在岩石硬度较小时,锚杆钻机以旋转的工作方式破岩钻孔,充分发挥旋转切削钻孔效率高的特点,当遇到坚硬的局部岩石夹层时,开启冲击来进行旋转冲击式作业,锚杆钻机冲击头的冲击可以使孔底岩石产生微观裂隙,此时的旋转钻孔更加高效,从而提高锚杆支护的施工质量和工作效率。该旋转冲击型液压锚杆钻机额定转矩约为110N.m,冲击能量约为35J,冲击频率约为25Hz,可以通过离合机构在不停机状态下实现旋转和冲击旋转两种不同破岩工作方式的任意转换,实现在f≤10的各种复杂岩层中锚杆及锚索孔的快速钻进作业。 3.成果的创造性与先进性 项目研究成果的创新性及先进性体现如下： （1）研制开发的旋转冲击型液压锚杆钻机适用于f≤10的各种复杂煤岩层硬度变化的巷道锚杆支护作业。在软岩中钻孔时,采用纯旋转切削方式,在硬岩中钻孔时,采用冲击旋转切削方式,在岩层软硬交替变化或软岩层中夹杂着硬岩层时,根据岩层硬度的变化情况,本钻机可以在不停机的状态下随时转换为纯旋转切削工作方式或冲击旋转切削工作方式,提高了钻孔的工作效率。 （2）锥形摩擦离合机构转换速度快,操作方便,在钻机不停机的状态下,根据岩层硬度变化情况,通过转动拨叉控制杆实现凸形锥摩擦轮在输出轴上的滑动,从而控制凸形锥摩擦轮和凹形锥摩擦轮的开合状态。当锥形摩擦离合机构处于分离状态时,曲轴连杆冲击机构处于停止运动状态,钎尾套只有旋转,钻机实现纯旋转切削工作方式。当锥形摩擦离合机构处于压合状态时,液压马达的动力由齿轮轴、锥形摩擦离合机构、主动锥齿轮和从动锥齿轮传至曲轴连杆冲击机构,曲轴连杆冲击机构处于旋转冲击运动状态,钎尾套一边旋转一边产生冲击,钻机实现冲击旋转切削工作方式。 （3）利用ADAMS软件建立旋转冲击型液压锚杆钻机冲击机构的虚拟样机,对其进行运动学和动力学仿真,得出了冲击头的运动特性曲线,弹簧的变形曲线以及曲柄连杆和冲击头套间铰接处的受力图。通过分析不同弹簧刚性系数对冲击机构能量传递效果及结构受力效果的影响,优化冲击机构相关结构参数。所采用的曲轴连杆冲击机构冲击力大,对硬岩进行冲击旋转切削时,岩石的破碎效率高,钻孔速度快。 4.技术成熟性及应用情况 在软岩中钻孔时,采用纯旋转切削方式,在硬岩中钻孔时,采用冲击旋转切削方式,在岩层软硬交替变化或软岩层中夹杂着硬岩层时,根据岩层硬度的变化情况,本钻机可以在不停机的状态下随时转换为纯旋转切削工作方式或冲击旋转切削工作方式,提高了钻孔的工作效率。所设计的钻机噪声低,破岩能力强,钻进速度快,运转平稳,操作方便,质量可靠,完全能够满足煤矿现场的使用要求。该项目研究成果的推广应用可以为煤矿企业创造出显著的经济效益和社会效益。