掘进机机载锚杆机的设计与总体参数确定

李争春

摘 要：针对掘进机机载锚杆机，分析了锚杆机机构设计的设计原则，阐述了锚杆钻机破岩机理，确定了钻机的总体性能参数，为设计提供理论支持。

关键词：锚杆钻机 结构设计 总体参数

中图分类号：TH2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）02（c）-0-02

掘进机机载锚杆钻机掘进机和锚杆钻机的联合体，使掘进机具有锚孔功能，并且钻孔范围更广，效率更高，掘进机在向前掘进后，可以立即利用自身的支护系统进行锚杆支护，解决了掘进机切割与巷道支护之间时间跨度较大的瓶颈，极大地提高了进给速度。操纵者在临时支护条件下作业，提高了安全性。因此机载锚杆机在我国应用前景广阔，尤其是对于现代化高产高效

矿井[1]。

1 机载锚杆钻机机构设计原则

根据掘锚机组的功能参数和巷道支护的工艺流程，机载式锚杆钻机机构的设计应该保证以下原则[5]。

（1）液压锚杆钻机的适应性要强。

（2）掘进机与液压锚杆钻机应有良好的兼容性，功能独立，不干涉。

（3）满足掘进机移位一次锚孔、排锚杆孔的要求。

（4）液压锚杆钻机液压系统简单，且泵站不需要单独设置。

（5）机组要求结构简单、钻孔深、机身矮、操作方便。

2 破岩机理

锚杆钻机破岩时采用多刃切削钻头回转切削岩石，在岩石上形成圆形岩孔。旋转切削破岩要符合以下几点要求[3]：钻机具有一定的转矩，以克服钻头切削阻力矩，有一定的输出转速，带动钻杆及钻头旋转，具有一定的轴向推力，即对钻头施加一定的正压力，实现钻头的进给。

3 工作参数的初选

液压锚杆钻机的主要参数是推力、转速和扭矩，钻头直径、一次成孔深度等。在工作中钻机钻孔速度的快慢主要取决于钻机的输出转矩、转速、推力的大小以及三者之间的匹配关系。液压锚杆钻机的钻削特性就是钻机在转矩、推力、转速作用下，钻削破岩的性能及适应负载的变化能力。下面分项说明旋转式液压锚杆钻机的各种参数及相互间的关系[8-9]。

3.1 适用普氏系数

煤矿井巷顶板的普氏系数，多数为f=4～10，煤岩普氏系数f=1～4。

3.2 钻头直径

常用的钻头直径分为3种：28；32；42（mm）。

3.3 确定额定扭矩

钻机旋转切削破岩时，须克服切削阻力，转矩随岩石的抗压强度增大而增大。因此，转矩是保证钻机钻孔的基本性能参数。根据动力学关于作用力方向与运动方向一致的原理，钻翼切削部分的轴向推力和圆周切向力的合力方向，应与钻头螺旋前进的方向一致，当匀速钻进时，该合力的大小保持不变并与岩石阻力互相平衡。钻翼切削部分对岩石的挤压力均匀分布在受压面上，这个均布力可用一集中力代替（图1），其作用点通过受挤压岩石面的中点A。

式（7）说明钻头每转钻进度与扭矩成正比而与钻头内外径平方差及岩石抗压强度的乘积成反比。这时马达需要的转矩：

煤矿巷道中锚杆钻机每钻钻进量极限为16 mm左右，这里取=16 mm，煤矿巷道岩石最大普氏硬度取8，那么岩石的抗压强度为80 MPa，钻头外径=32 mm，钻头内径=6 mm，计算后得马达转矩M=160 N·m，考虑到煤矿巷道中岩石硬度不统一等原因，最后取M=180 N·m。

3.4 转速

锚杆钻机钻孔速度的快慢与钻机的输出转速有着密切的关系。当功率和推力一定时，对于某一种岩石都有一个最优转速。当转速处于大于或小于最优转速时，钻进速度都不是最佳的。

钻机的钻进速度：

式中，—钻进速度，mm/min；—钻机的转速，r/min。

当转速低于最佳转速时，如果保持其钻进速度，意味着钻头每转一圈的切削量加大，钻头的阻力加大，这样无论是钻头还是钻杆都会带来很大的伤害；否则，钻速将会降低。当转速大于最优钻速钻削岩石时，这样就会造成钻削岩石时所产生的岩屑不能及时的清理掉，导致钻头对岩屑重复的破碎，从而会大大降低钻进的进度。最佳转速与岩石的坚固性系数f有关。当遇到硬岩石时，钻孔转速就要适当的减小，遇到较软的岩石时钻孔转速便可加大些。在保证一定的转矩条件下，适当提高转速可以提高钻进速度，但转矩和转速保持良好的匹配关系仍是提高钻机钻进速度的关键。选取马达的最大转速=400 r/min，钻机的最大钻速=7280 mm/min。

3.5 推力

旋转切削破岩时，推力的大小可以决定钻速的快慢，而且与比功（单位钻削体积所耗功）有关，在这方面，前苏联学者阿里莫夫根据试验把它们的关系用推力与钻速和比功的关系曲线来说明，如图2所示。根据岩石破碎学理论，钻削破岩可分为以下四区：研磨区Ⅰ、研磨切削过渡区Ⅱ、切削区Ⅲ、阻塞区Ⅳ。在研磨区钻速与推力呈线性关系，当推力增加时，钻速随之增加的很小，而比功却很大，此时加大推力钻头并不能正常切削岩石而处于研磨状态。在阻塞区内钻速增长率随着推进力的增加而下降，而消耗的比功则随着推力的增加而上升很快，显然在阻塞区内也无法正常切削。在研磨切削过渡区，推力与钻速是非线性关系，钻速随推力增加而增加，虽然比功增加不大，但是却不是想要的效果。在钻削区，钻速与推力呈线性关系，钻速快而比功最小，这样才是切削破岩的最佳区域。

从钻头的结构看：钻头的推力等于每一钻翼推力的2倍，即：

1.比功与推力关系；2.钻速与推力关系；A.第Ⅲ区的最高点

图2 推力与钻速和比功关系

3.6 一次成孔深度

对于不同硬度及不同断面的巷道，要求锚杆孔的安装深度也不同，锚杆钻机一次成孔深度要尽量符合锚杆安装孔深度要求，这样换接钻杆的时间就可以大大减少，这里要求锚杆钻机的一次成孔深度为

1.4 m。

4 结语

根据巷道支护的工艺要求，分析确定了机载锚杆机的总体性能参数，为结构设计提供理论支持。

参考文献

[1] 宋宝新.机载锚杆钻结构设计与多体动力学分析[D].阜新：辽宁工程技术大学，2011.

[2] 徐锁庚.国内外掘锚机组的现状及发展趋势[J].煤矿机械，2006，27（10）：3-6.

[3] 李钦彬，鄂宇，周明.机载式侧帮锚杆机的设计研究[J].煤矿机械，2010（7）：16-17.

[4] 牛宝生.采掘锚、掘锚一体化快速掘进成巷技术[J].煤炭工程，2003（11）：9-13.

[5] 陈洪月.掘进机机载钻孔机械手力学特性研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2012.

[8] 赵学雷，孟国营，李卫涛.煤巷掘锚一体自动化快速掘进关键技术研究与实践[J].煤矿机械，2010，31（12）：183-186.