S82气腿式凿岩机的研究

王悦勇

（沈阳城市学院，辽宁 沈阳 110112）

气腿式凿岩机广泛应用于采矿、铁路及公路建设等工地，其工作环境一般是在露天、坑道或山地[1]。目前，市场上的气动凿岩机存在许多不足之处，以YT29A为例，气动凿岩机工作时，机头与转动套之间和活塞与转动螺母之间存在相对运动，容易磨损[2]，气动凿岩机正常工作过程中和结束时的倒灌会破坏气动凿岩机的润滑系统，加快磨损，降低零件寿命，也会使机器扭矩降低，凿岩速度下降[3]；原转钎回转机构为塔形弹簧和棘轮爪组成的棘轮机构，不足之处是转钎扭矩受到一定限制，螺旋母、棘轮爪等零件易于磨损[4]；理想状态下，在凿岩机工作时，供水针的水压应低于风压，如水针中的水压高于风压，水流将有进入风道及缸体的风险，破坏运动部件油膜，从而影响凿岩机的正常工作，使凿岩机中主要零部件被腐蚀或研伤[5]。

1 3D实体建模

Creo是美国PTC公司推出的CAD设计软件包。Creo是整合了PTC公司的三个软件Pro/Engineer的参数化技术、CoCreate的直接建模技术和ProductView的三维可视化技术的新型CAD设计软件包，针对不同的任务应用将采用更为简单化子应用的方式，所有子应用采用统一的文件格式，是PTC公司闪电计划所推出的第一个产品。

本文采用Creo的自顶向下(Top-Down)的建模方法，这是一种产品的设计开发过程，从产品的概念设计开始，而后逐渐的将产品定位设计，最后设计成具有完整零部件的整机。自顶向下设计的核心是将产品的关键信息放在一个骨架的模型上，在设计中通过捕捉骨架模型信息传递到底层的产品结构中。骨架模型更改后整个产品结构将随着更新。S82型气腿式凿岩机三维实体模型见图1。

图1 S82型气腿式凿岩机实体模型

凿岩机利用自顶向下建模便于管理，可以系统管理整体中的子零部件，能方便地控制零件与零件之间的装配间隙和约束关系，子零部件可方便顺利进行设计而不必考虑装配问题。

2 冲击配气机构

S82气动凿岩机对钎杆的冲击是由活塞在气缸中作往复运动来完成的。活塞能在气缸中产生往复运动主要依靠配气装置的作用。冲击配气结构由活塞、气缸、导向套、及配气装置（包括配气阀、阀套、阀柜）组成。冲击配气机构图见图2。

S82凿岩机强劲的气体控制系统：将缸径增大，密封性增强，产生更强劲的凿岩冲击能量，使得凿岩速度显著提升。

图2 冲击配气机构

3 冷却润滑机构

S82凿岩机的润滑及冷却机构，由操纵阀、柄体、缸体、导向套和机头组成，操纵阀设在柄体内，在操纵阀上开有强吹孔，柄体上设有柄体孔道。其特征在于，在操纵阀的强吹孔的位置上，沿操纵阀的径向开了个环形沟槽，当气动凿岩机通入压缩空气（含油）时，压缩空气（含油）就会通过操纵阀环形沟槽沿柄体孔道、缸体孔道、导向套体孔道和机头气孔进入气动凿岩机前端的机头内。环形沟槽的宽度为2mm，环形沟槽的深度为0.5 mm。压缩空气（含油）进入机头后，经过机头与转动套之间的间隙并形成油膜，实现润滑及冷却功能，再通过转动套气孔进入转动套体内，经过转动螺母与活塞之间的间隙并形成油膜，实现润滑及冷却功能，同时气体在机头内形成压力腔，压力腔内的压力高于水压，从而防止水从钎杆的中心孔倒灌到气动凿岩机内。润滑冷却结构见图3。

图3 冷却润滑结构

4 回转机构

常见的棘轮弹簧为蜗卷螺旋弹簧，此种弹簧伸缩受力为非线性，且塔形弹簧受力差别较大，故而棘轮爪受力不均，固定不牢，降低扭矩利用率；且蜗卷螺旋弹簧在高频伸缩过程中极易疲劳失效，从而造成气动凿岩机的运行不稳定，限制了其在凿岩领域中的更广泛应用。

S82气动凿岩机及其回转和逆锁机构包括棘轮、螺旋棒和棘轮爪，其还包括至少两个棘轮销和棘轮弹簧，所述的棘轮销沿螺旋棒轴向对称设置。棘轮销至少为一对，其一端接棘轮弹簧并且设置于螺旋棒的弹簧孔内，所述的弹簧孔沿螺旋棒轴的径向并错位均匀分布；其另一端与棘轮爪的一端平面为点面形式接触，支撑棘轮爪实现往复摆动。回转机构断面如图4所示。

图4 回转机构断面图

S82凿岩机设置了棘轮销和棘轮弹簧，其使棘轮爪在螺旋棒旋转的过程中受力更均匀，增强了设备的扭矩利用率。棘轮弹簧为线性弹簧，配合高硬度棘轮销一起应用，相比原来单一的塔形弹簧而言，寿命大幅度提高。

5 冲洗机构

S82凿岩机冲洗机构用于凿岩过程中控制水针处水的流量，设计这个气动凿岩机的水冲洗机构目的在于防止水压高于风压时，使凿岩工作异常。冲洗机构中包含了一个水阀，当水压低于风压时，允许水通过水针。水阀中有一个通道可以使水从水针通过并且能被风压所阻止。如果水压高于风压，这个水阀会移动到某一位置阻止水流经过水针直到水压下降到某一点并且低于风压的时候，水阀将再次开启。冲洗机构结构如图5所示。

图5 冲洗机构结构图

由于设置了此结构，使得无论外接水源压力为多少，都能保证凿岩机工作过程中，水针内的水压低于风压，防止水倒灌至机体，破坏零部件的油膜，导致零部件腐蚀或研伤。

6 试验数据

S82凿岩机样机试制后，在工厂实验室和客户现场进行了大量试验，其中表1为厂内实验室性能测试数据，表2为客户现场凿岩数据。

从表中可以看出，S82凿岩机与YT29A凿岩机相比，扭矩提升约20%，冲击能提升约10%，凿速提升约15%。

从表中可以看出，现场实际测试，S82与YT29A凿速对比，平均进尺效率提高约18.8%。

7 结语

S82凿岩机是阿特拉斯·科普柯（沈阳）公司针对现有气动凿岩产品存在的不足做了深入研究，逐一制定解决办法，以提升凿岩效率为核心目标，对现有产品的结构做了四项升级。强劲的气体控制系统，将缸径增大，密封性增强，产生更强劲的凿岩冲击能量，使凿岩速度显著提升；先进的回转结构，使扭矩比YT29A产品提高20%左右，在软硬岩或破碎岩石的情况下，均能流畅使用，并发挥出快速的凿岩功效；新增两处冷却润滑系统，机器使用更加平稳流畅，同时，提升活塞、钎套及钎杆的使用寿命，降低零件及配件的更换成本；创新的冲洗结构，当水压高于风压时，注水阀自动减压，防止水倒灌至机体产生停机，操作简单，作业更高效。这四项技术创新将帮助客户实现快速凿岩，流畅作业，工时缩短，成本降低，实现客户利益的最大化。

表1 厂内实验室性能测试数据

表2 客户现场凿岩数据S82现场试验报告-保定来源

参考文献：

[1]刘恩国．浅析气动凿岩机械的发展趋势[J]．凿岩机械气动工具，2013，（4）：14-16．

[2]陈秉志译．凿岩机械的耐久性及配合零件精度的确定[J]．凿岩机械气动工具，1987，(2)，47．

[3]王悦勇等.一种新型气动凿岩机润滑及冷却机构[J]．润滑与密封，2016，（12）：134-135．

[4]刘恩国，张峰华．一种气动凿岩机及其回转和逆锁机构：中国,201520296432.1[P]．2015-05-11．

[5]张峰华，刘鉴，刘恩国，王悦勇．一种气动凿岩机及其水冲洗机构：中国，201620481313.8[P]．2016-05-25．