（机械电子工程专业论文）气动万向钻机的研制与实验研究.pdf

j e 立交迫丕堂亟堂位途塞生童摘要 中文摘要 摘要：铁路隧道、地铁隧道以及煤矿等地下工程中广泛涉及各方向钻孔支护问题。 煤矿巷道掘进中最常见的事故有瓦斯突出、透水以及顶板塌方。采用超前钻孑l 探 水、探瓦斯是预防瓦斯突出、透水的重要保证：同时，各个方向的锚杆和锚索支 护能保障巷道的稳定和安全。目前完成以上工作需要多种动力驱动的多个设备在 拥挤的掘进工作面轮番作业，严重制约了掘进效率，并带来很大的安全隐患。部 分矿山的地下作业中不进行超前钻探，是近年来矿难频发的一个重要原因。 本文研制了一种能够对钻机钻孔的高度和角度进行调节的气动式万向钻机。 万向钻机分为固定支架和气缸推进的钻机两部分。支架的底座站在巷道底板上， 上部的支撑气缸顶住巷道顶板保持稳定；固定支架的立柱起导轨的作用，钻机的 升降机构、旋转机构和夹紧机构在立柱上滑动并通过滑轮组和绞车调整高度。钻 机的双作用气缸夹在夹紧机构中，由气动马达旋转，气缸提供钻孔所需要的推力。 论文对钻机支架进行了力学分析，保障了工作过程中支架的稳定性。对双级 双作用气缸进行了气动分析和力学计算，初步解决了双作用气缸缩回时的卡滞问 题。通过理论分析改进了角度调节机构固定孔的分布，使钻机定位角度精度达到1 度以内。 样机研制后经历了实验室测试和现场试验。实验室检测表明，万向钻机的扭 矩、推力比人力操作的帮锚杆钻机有显著的提高，钻机定位定向方便快捷，能方 便地在巷道的各个方向钻孔。在煤矿掘进巷道的工业性试验表明，钻机操作省力、 方便，定位准确，钻孔速度快，动力强劲，占用煤矿巷道空间小，通用性强。不 仅可以取代现有的单体锚杆钻机和手持式锚杆钻机，还能够完成巷道前向的探水、 探瓦斯的工作，为煤矿生产安全提供了新的保障。 关键词：万向钻机，角度调节，钻机支架，双作用多级气缸 j 量立銮道太堂亟_ 主堂僮j 金塞旦s ! 丛! a b s t r a c t a b s t r a c t ：d r i l l i n gh o l e si na l ld i r e c t i o n si nt h et u r m e la r ew i d e l yr e q u i r e di n r a i l w a yt u n n e l i n g , u r b a ns u b w a yt u n n e l i n ga n dc o a l m i n er o a d w a ye x c a v a t i o n s t h e c o m m o nd i s a s t e r si nc o a l m i n e sa r eg a s w a t e rg u s h i n g n e s si nt h et u n n e la n dc o l l a p s eo f t h et u n n e lw a l lo rr o o f as i m p l ew a yt oa v o i dg a s w a t e rg u s h i n g n e s si st od r i l lad e e p h o l ei nt h ed i r e c t i o no ft h et u n n e l l i n gb e f o r et h et u n n e li se x c a v a t e d a n dh i g hq u a l i t y c a b l eb o l t si na l ld i r e c t i o n so ft h et u n n e lw i l lg u a r a n t e et h es t a b i l i t ya n ds a f e t y u n f o r t u n a t e l y , h o w e v e r , t oa c c o m p l i s ht h e s ew o r kn e e dm a n yt y p e so fd r i l l i n g e q u i p m e n tw i t hd i f f e r e n tp o w e ri nt h en a l t o ww o r kf a c eo ft h et u n n e la tp r e s e n t ，a n d t h a tm u c hd e p r e s s e dt h ew o r ke f f i c i e n c y , a n db r o u g h ts o m ep o t e n t i a lr i s ka sw e l l s o m e c o a l m i n e si g n o r e dt h ed r i l l i n ga h e a db e f o r ee x c a v a t i o n ，a n dh e n c ec a u s e dm a n ym i n e d i s a s t e r sr e c e n ty e a r s t h i st h e s i sd e v e l o p e dau n i v e r s a ld r i l lp o w e r e db yc o m p r e s s e da i r , i t sd r i l l i n g p o s i t i o na n dd i r e c t i o nc a nb ea d j u s t e de a s i l y t h eu n i v e r s a ld r i l lc a nb ed i v i d e di n t ot w o p a r t s ，t h e ya r ed r i l lr i ga n da d r i l lt h r u s tb yc y l i n d e r t h ed r i l lr i gs t a n d so nt h ef l o o ro f t h et u n n e l ，a n dam u l t i - s t a g ea i rc y l i n d e ro nt h et o po ft h er i ga n ds u p p o r t st h er o o fo f t h et u n n e lt om a k et h er i gs t a b l e t h ep o l e so ft h er i gw o r ka sat r a c ko ft h ed r i l l ，a n dt h e e l e v a t i o nm e c h a n i s m ，a n g l ea d j u s tm e c h a n i s ma n dd r i l lc l a s pm e c h a n i s ma r ei n s t a l l e d o nt h et r a c ka n dc a ns l i d eo ni t t h eh e i g h to ft h ed r i l li sc o n t r o l l e db yap u l l e yb l o c k a n daw i n c h t h ed o u b l ea c t i n gm u l t i - s t a g ep n e u m a t i cc y l i n d e ro ft h ed r i l lc l a m p e di n t h ec l a s pm e c h a n i s m t h ed r i l li sp o w e r e db yp n e u m a t i cm o t o ra n dp n e u m a t i cc y l i n d e r i nd r i l l i n g t h es t r e n g t ha n ds t a b i l i t yo ft h ed r i l lr i gw a sg u a r a n t e e db yc a r e f u lm e c h a n i c s a n a l y s i s t h eb l o c kp r o b l e mo ft h ed o u b l e - a c t i n gc y l i n d e rw h e nr e t r a c t i n gw a s i m p r o v e dt h r o u g hm e c h a n i c sa n a l y s i s ；a n dt h ep r e c i s i o no ft h ed r i l lp o s i t i o n i n gw a s i m p r o v e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ef i xh o l e sa r r a n g e m e n t s b o t hl a b o r a t o r yt e s t sa n df i e l dt r i a lw e r ec a r r i e do u ta f t e rt h eu n i v e r s a ld r i l l d e v e l o p e d t h el a b o r a t o r yt e s t ss h o wt h a tt h et h r u s ta n dt o r q u eo ft h ed r i l l i sm u c h h i g h e rt h a ne x i s t i n gr i bd r i l l s ，a n dt h eu n i v e r s a ld r i l li se a s yi np o s i t i o n i n ga n dd i r e c t i o n a d j u s t m e n t t h ef i e l dt r i a li nar o a d w a yo fac o a lm i n es h o wt h a tt h eu n i v e r s a ld r i l li s e a s yo p e r a t e d ，q u i c kd r i l l ，p o w e r f u l i tc o u l dr e p l a c eb o t hr o o fb o l t e r sa n dr i bd r i l l s ，a n d i ta l s oc a nb eu s e df o rg a s w a t e re x p l o r a t i o nd r i l l i n g t h eu n i v e r s a ld r i l ls u p p l i e san e w g u a r a n t e eo fs a f e t yf o rt h ec o a lm i n ep r o d u c t i o n k e y w o r d s ：u n i v e r s a ld r i l l ；a n g l ea d j u s t m e n t ；d r i l lr i g ；d o u b l ea c t i n gm u l t i s t a g e p n e u m a t i cc y l i n d e r j e 塞变通盍堂亟堂位论塞 国塞到 图索引 图1 1 电动工程钻机2 f i g 1 一le l e c t r i cd r i l l 一2 图1 2s 1 0 0 、a m 5 0 掘进机3 f i g 1 - 2s 1 0 0b o r i n g m a c h i n ea n da m 5 0b o r i n gm a c h i n e 3 图l 一3 几种锚杆钻机。3 f i g i - 3s e v e r a lr o o fb o l t e r s 3 图1 - 4 采用锚网支护的巷道。4 f i g 1 - 4u n d e r g r o u n dr o a d w a yw i t hb o l ta n dm e s hs u p p o r t i n g 4 图1 - 5 机载式锚杆钻机一6 f i g 1 - 5a i r b o m er o o f b o l t e r 6 图1 - 6 锚杆钻机气动系统8 f i g 1 - 6t h ep n e u m a t i cs y s t e mo f t h er o o f b o l t e r 8 图2 - 1 双缸支撑、钻机销旋转式万向钻示意图1 2 f i g 2 一lt h er o o f b o l t e rw i 也t w i n c y l i n d e rs u p p o r t 1 2 图2 2 单缸支撑、钻机侧面旋转式万向钻示意图1 3 f i g 2 - 2t h er o o fb o l t e rw i t hs i n g l ec y l i n d e rs u p p o r t 13 图2 3 单缸支撑、支架式万向钻示意图1 4 f i g 2 - 3r o o f b o l t e rw i t hs i n g l ec y l i n d e ra n ds t e n ts u p p o r t 1 4 图2 4 支架式万向钻机平面示意图l5 f i g 2 - 4p o s i t i v ev i e wo fu n i v e r s a ld r i l lw i t hs i n g l ec y l i n d e ra n ds t e n ts u p p o r t15 图3 - l 万向钻机支架部分正面视图18 f i g 3 - lf r o n tv i e wo f r i go f u n i v e r s a ld r i l l 1 8 图3 2 支架主体视图l9 f i g 3 - 2p o s i t i v ev i e wo f m a i nr a c k 2 0 图3 3 气缸支撑式支架钻机的受力分析2 0 f i g 3 - 3t h em e c h a n i c sa n a l y s i so f r a c k 2 0 图3 - 4 气缸的受力与弯矩图2 3 f i g 3 - 4f o r c ea n db e n d i n gm o m e n tc h a r to f c y l i n d e r 2 3 图3 5 气缸弯曲图2 4 f i g 3 - 5b e n d i n gm o m e n tc h a r to f c y l i n d e r 2 4 图3 - 6 等价受力图2 4 一 i e 塞交通太堂亟堂僮论童 f i g 3 - 6e q u i v a l e n tf o r c eo f c y l i n d e r 2 4 图3 7 多级气缸之间的连接示意图2 6 f i g 3 - 7s c h e m a t i cd i a g r a mo fc y l i n d e rc o n n e c t i o n 2 6 图4 1 滑移升降机构总体正向视图3 0 f i g 4 1p o s i t i v ev i e wo f l i f t i n ga g e n c y 3 0 图4 2 滑移升降机构总体侧向视图31 f i g 4 - 2s i d ev i e wo fg e n a r a ll i f t i n gm e c h a n i s m ：il 图4 3 下加强筋板处俯视视图3 1 f i g 4 - 3v e r t i c a lv i e wo fs t r e n g t h e n i n gt e n d o n - p l a t e 3l 图4 4 支撑缸底板处俯视图3 2 f i g 4 - 4v e r t i c a lv i e wo f c y l i n d e rs u p p o r t i n gp l a t e 3 2 图4 5 连接部主视图3 2 f i g 4 5f r o n tv i e wo fj u n c t i o n 3 2 图4 - 6 连接部俯视图3 3 f i g 4 - 6s i d e tv i e wo fj u n c t i o n 3 3 图4 7 连接部实物图3 3 f i g 4 - 7p h o t oo f j u n c t i o n 3 3 图4 8 夹紧组件图3 4 f i g 4 - 8f r o n tv i e wo fc l a s p i n gm e c h a n i s m 3 4 图舡9 旋转机构实物图3 5 f i g 4 9p h o t oo f a n g l ea d j u s tm e c h a n i s m 3 5 图4 1 0 夹紧组件与连接部连接示意图3 6 f i g 4 - 1 0c u t a w a yv i e wo f c o n n e c t i o nb e t w e e nc l a s p i n gm e c h a n i s ma n dj u n c t i o n ：；6 图4 11 分度原理示意图3 7 f i g 4 - 11s k e t c ho f i n d e x i n gp r i n c i p l e 3 7 图4 1 2 刻度指示图。3 8 f i g 4 1 2c a l i b r a t i o ni n s t r u c t i o n s 3 8 图5 1 双作用多级缸原理图4 0 f i g 5 - 1s c h e m a t i c so fd o u b l e - a c t i n gm u l t i - c y l i n d e r 4 0 图5 2 双作用缸结构图4 l f i g 5 - 2s t r u c t u r eo fd o u b l e a c t i n gm u l t i - c y l i n d e r 4 2 图5 3 多级气缸伸展状态图4 2 f i g 5 - 3e x t e n s i o no f m u l t i c y l i n d e r 4 2 j 塞窑通左堂亟堂僮淦窑 图塞到 图5 4 钻机极限位置图4 3 f i g 5 - 4l i m i tl o c a t i o no f d r i l l ，4 3 图5 - 5 气缸受力分析图4 4 f i g 5 - 5t h em e c h a n i c sa n a l y s i so fd o u b l e a c t i n gm u l t i c y l i n d e r 4 4 图5 - 6 气缸弯矩图4 5 f i g 5 1 6f o r c ea n db e n d i n gm o m e n tc h a r to fd o u b l e a c t i n gm u l t i c y l i n d e r 4 5 图5 - 7y 方向的位移4 6 f i g 5 - 7d i s p l a c e m e n to f yd i r e c t i o n 4 6 图5 - 8 多级气缸之间的连接示意图4 7 f i g 5 - 8s c h e m a t i cd i a g r a mo fc y l i n d e rc o n n e c t i o n 4 7 图5 - 9 接触表面图4 8 f i g 5 - 9f r i c t i o ns u r f a c e 4 8 图5 1 0 考虑s t r i b e c k 效应的摩擦特性曲线4 9 f i g 5 1 0c h a r a c t e r i s t i c so f f r i c t i o nc o n s i d e r e dt h es t r i b e c ke f f e c t s 一4 9 图5 l l 爬行现象的力学模型5 l f i g5 1 1m e c h a n i c a lm o d e lo f r e p t i l e s 5 1 图5 - 1 2 滑块出现爬行现象时的位移一时间曲线5 2 f i g 5 - 1 2d i s p l a c e m e n t t i m ec a l i v ew h e nr e p t i l e sh a p p e n e d 5 2 图5 - 1 3 双作用气缸5 2 f i g 5 - 13d o u b l e - c y l i n d e r 5 2 图5 - 1 4 玻璃钢双作用气缸的缸筒5 4 f i g 5 1 4c y l i n d e rm a d eo f f r p 5 4 图5 1 5y 形密封圈和防尘圈5 4 f i g 5 15v s h a p e dr i n ga n dd u s tr i n g 5 4 图5 1 6 支撑环的安装。5 6 f i g 5 1 6t h ei n s t a l l a t i o no f c e n t r a ls u p p o r tr i n g 5 6 图5 17 支撑环一5 6 f i g 5 - 1 7c e n t r a ls u p p o r tr i n g 5 6 图5 1 8 导向环5 7 f i g 5 - 1 8c e n t r a ls t e e r i n gr i n g 5 7 图5 - 1 9 带导向环的气缸简。5 7 f i g 5 - 1 9c y l i n d e rt u b ew i t ht h ec e n t r a ls t e e r i n gr i n g 5 7 图6 1 气动系统原理图5 9 f i g 6 - 1p n e u m a t i cs y s t e ms c h e m a t i c s 5 9 图6 2 操纵机构与双作用缸的连接图6 l f i g 6 2o p e r a t i n g a g e n c y a n d d o u b l e - a c t i n gc y l i n d e rc o n n e c t i n gm a p 6 1 图6 3 操纵机构示图6 1 f i g 6 一：；o p e r a t i n ga g e n c y 6 1 图6 - 4 马达阀结构图6 2 f i g 6 4s t r u c t u r eo f t h em o t o rv a l v e 6 2 图6 - 5 双作用缸气阀结构图一6 3 f i g 6 5s t r u c t u r eo f t h ed o u b l e - a c t i n gc y l i n d e rv a l v e 6 3 图6 - 6 快速排气阀结构图6 3 f i g 6 6s t r u c t u r eo f t h er a p i de x h a u s tv a l v e 6 3 图垂7 万向钻机整体图6 4 f i g 6 - 7p h o t oo f t h ep n e u m a t i cu n i v e r s a ld r i l l 6 4 图7 1 锚杆钻机实验台结构6 6 f i g 7 - 1s t r u c t u r eo f t e s t i n gb e n c hf o rr o o f b o l t e r 6 6 图7 - 2 锚杆钻机实验台6 6 f i g 7 - 2t e s t i n gb e n c ho fr o o fb o l t e r 6 6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：；王泻 签字日期： 砷降等月 t a 日 导师签名： 签字日期：舻罾年s 月略日 j e 塞童适厶堂亟堂僮论童 独剑性岜明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 致谢 本论文的工作是在我的导师周明连副教授的悉心指导下完成的，周明连教授 严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年 来周老师对我的关心和指导。 周明连副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向周老师表示衷心的谢意。 周明连副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示 衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，液力实验室的同学对我论文中研究工作给予 了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1地下工程中钻机的应用 1 绪论 铁路隧道、城市地铁、水利工程、地下矿物开采中都有大量的地下巷道的掘 进与支护问题。在地下巷道的施工中会发生各种危险，其中以煤矿中的采掘危险 性最大。 1 1 1煤矿掘进中的主要安全事故分析及其措施 我国是煤炭生产和使用大大国，煤炭产量世界第一，但是煤矿的安全事故也 居高不下。据国家安全监管总局政府网站报道，山西省临汾市洪洞县瑞之源煤业 有限公司“1 2 5 ”特别重大瓦斯爆炸事故，经过连续搜救，全部巷道于1 2 月7 日 下午3 时搜完一遍，发现1 0 4 名遇难矿工遗体。1 2 月8 日，现场指挥部又组织进 行了第二遍全面搜寻，又发现1 名遇难矿工遗体，死亡总人数共计1 0 5 人。0 8 年 1 月1 8 日5 时1 5 分，重庆南川县高桥煤矿，在水平西翼煤巷掘进过程中发生煤与 瓦斯突出事故，造成1 3 人死亡。1 月1 6 日1 8 时，河南省许昌禹州市大仝煤业有 限公司井下1 1 0 1 0 机巷迎头发生透水事故，当班下井3 1 人，其中1 3 人自行出井， 1 8 人被困。经全力抢救，1 7 日4 时3 8 分，已成功救出1 7 人。另1 名被困矿工正 在搜救中。山西临汾市汾西县峪家岭村私开煤矿“1 2 0 ”瓦斯爆炸事故，经过进一 步搜救，又发现5 名遇难人员，该事故死亡人数升至2 5 人。0 8 年3 月5 日7 时 3 0 分，吉林辽源市东辽县金安煤矿，8 5 米标高平巷煤层局部冒顶，当班井下作业 的有3 0 人，其中1 3 人安全升井，造成1 7 人死亡i l l 。 国务院总理温家宝3 月5 日在十一届全国人大一次会议上作政府工作报告， 在回顾过去五年工作成绩谈到安全生产工作时说，高度重视安全生产工作，健全 安全监管体制，落实安全生产责任制，加强安全生产法制建设。温家宝在部署今 年着重抓好的九个方面工作时强调：要强化安全生产工作。加大源头治理力度， 遏制重特大安全事故发生。巩固和发展煤矿瓦斯治理和整顿关闭两个攻坚战成果， 继续开展重点行业领域安全专项整治。加强对各类安全事故隐患排查和整治工作， 健全重大隐患治理、重大危险源监控制度，完善预报、预警、预防和应急救援体 系。依法加强监管，严肃查处安全生产事故。 分析近期发生的煤矿安全事故可以发现，煤矿掘进中的常见事故有( 1 ) 顶板 冒落：巷道顶板垮落，造成事故。( 2 ) 水灾：煤层或岩层中的地下水和与井下相 通的地表水突然大量涌入工作面。( 3 ) 瓦斯突出：大量瓦斯突然涌入掘进巷道， 造成事故。( 4 ) 火灾：施工期间电器或机械摩擦产生电火花引燃瓦斯。 目前防止煤矿掘进安全事故的主要技术措施有：( 1 ) 在巷道的顶板和两帮采 用锚杆、锚索支护，提高巷道稳定性；( 2 ) 每个掘进生产班在掘进前向前钻探3 0 5 0 米，检查水或瓦斯的涌出量，防止大量瓦斯或水突然涌出；( 3 ) 在巷道侧壁上 钻深孔，抽放瓦斯等。 1 1 2 现有施工工艺中对钻机的要求 目前实现防止煤矿掘进安全事故施工需要使用的设备很多，一般应采用钻探、 掘进、支护的工艺顺序。 钻探主要是沿掘进方向向前钻进3 0 - - 5 0 m ，钻孔直径为4 0 - - 5 0 m m ，以探明煤 层中的含水含瓦斯情况。如和地下水打通，可将水在控制下放出，通过水泵排除 工作面。如有瓦斯涌出，也可在控制下放出，由通风机随风排出。目前能实现钻 探的钻机主要由7 5 型工程钻机或15 0 型工程钻机。这种钻机是有防爆电机驱动麻 花钻杆旋转钻孔，在支架上采用机械传动推进，钻孔速度较慢，机器重量大，搬 移不方便。在钻探后确认安全的情况下再进行掘进作业。 图1 1 电动工程钻机 f i g 1 - 1e l e c t r i cd r i l l 大部分截矿的巷道掘进施工采用部分断面掘进机，也有的巷道使用传统的钻 爆法施工。国内煤矿广泛应用的掘进机有s 1 0 0 型纵轴掘进机和a m 5 0 型横轴式掘 进机。两种都是部分断面掘进机，机重3 0 吨左右，如图2 所示。这两种掘进机可 以对f 7 以下硬度的煤岩或半煤岩高效地截割。掘进机采用履带行走，带有蟹爪式 装载机和刮板式运输机。掘进机开挖一段巷道后要停下，进行巷道支护，不能空 顶作业。 图l - 2s 1 0 0 、a m 5 0 掘进机 f i g i - 2s 1 0 0b o r i n gm a c h i n ea n d a m 5 0b o r i n gm a c h i n e 巷道支护普遍采用锚杆支护，在巷道的顶板和两边铺上金属丝后，在岩体或 煤体中钻孔，然后插入锚固剂( 树脂药卷) 和锚杆杆体，搅拌后使锚杆和孔壁锚 固。尾部再装上背板和螺母，拧紧螺母，使每跟锚杆产生3 吨以上的预紧力。 实现锚杆支护有各种顶板锚杆钻机、帮锚杆钻机，我国锚杆钻机以气动式锚 杆钻机为主。采用从地面供给的压缩空气作动力，安全型好。钻机结构简单、轻 便。钻机多为单体型，顶板钻机由气动马达驱动旋转，多级气缸一端支地，端 推进马达及其钻杆钻孔，钻孔深度可达2 0 米。两帮锚杆水平钻孔采用手持式钻机， 气动马达驱动，人力推进并平衡钻孔扭矩，钻孔深度一般小于2 米。 图1 3 几种锚杆钻机 f i g 1 - 3s e v e r a lr o o fb o l t e r s 锚杆支护经过多年的发展，已成为煤矿巷道支护的重要手段。它施工工艺简 单，操作方便，安全可靠，成本低廉，巷道断面利用率高，可大量减少巷道挖掘 量，适应高产高效的要求。心儿驯。采用锚杆支护的巷道如图卜6 所示。 图1 4 采用锚网支护的巷道 f i g 1 - 4u n d e r g r o u n dr o a d w a y w i t hb o l ta n dm e s hs u p p o r t i n g 完成以上施工，需各种设备在狭小的工作面轮番作业，降低了掘进速度。各 种钻机的动力各不一样，有气动、电动和液压驱动，所以工作面布置的各种管道、 电缆很多，也造成安全隐患。在这些步骤中，超前钻探费时很多，并且绝大多数 钻探没有发现危险，有的煤矿掘进作业中为提高效率，不进行超前钻探，是近年 矿难频发的原因之一。所以研发相对集成，功能多的设备是提高煤矿安全性和工 作效率的重要方向。 1 1 3 锚杆钻机使用的问题分析与万向钻机的研制思路 煤矿用锚杆支护技术需要在巷道壁面的各个方向进行钻孔作业。已有顶置式 气动锚杆钻机可以完成巷道垂向钻孔和锚杆安装作业；侧面煤壁的锚杆作业则需 使用煤电钻钻孔，煤电钻作业都需要靠人力推进，劳动强度大，钻孔速度慢，对 较硬的岩石甚至钻不动，孔的位置和角度只能依靠操作人员的实际经验，仅依靠 人工判断的方法，无论是角度还是精度都不能保证。 针对国内现有煤矿巷道实际情况，根据m t t 6 8 8 1 9 9 7 煤矿用锚杆钻机通用 技术条件和g b 5 6 2 1 8 5 凿岩机械与气动工具性能试验方法，在现有锚杆钻 机基础上研制一种新的产品，使其能够在气缸推动下钻孔，不依靠人的推力，以 4 适应钻深孔的需要。另外，在不改变钻机位置的情况下，能够对钻孔的角度和高 度进行调节并在钻孑l 的过程中保证定位准确牢固且操作简单可靠。 1 2钻机技术的国内外发展概况 锚杆钻机是实现锚杆支护技术的重要机械设备，它影响着锚杆支护的质量， 即孔的方位、深度、孔径的准确性以及锚杆安装质量；又涉及操作业者的人身安 全、劳动强度与作业条件。随着锚杆支护技术的飞速发展，用于钻凿锚杆孔的锚 杆钻机也得到了快速发展，但它仍然是制约煤巷锚杆支护技术在我国快速推广的 主要原因之一i ”。 1 2 1 锚杆钻机的种类和应用 锚杆钻机从型式上可分为三大类：台车型锚杆钻机、机载型锚杆钻机和单体 型锚杆钻机。在国外，这三种型式的锚杆钻机都有应用，但主要是以单体型锚杆 钻机为主导。在我国，台车型锚杆钻机、机载型锚杆钻机在一些矿区有少量使用， 受地质条件和巷道断面等因素的制约，没有得到较大的推广。 台车型锚杆钻机自7 0 年代末在国外出现，该项技术得到了较快的发展，微机 控制的台车型锚杆钻机已投入市场，代表了该类钻机的发展方向。其主要特点是 机械化程度高，输出功率大，破岩能力强，能耗低，作业环境好，易于实现自动 控制等。目前，瑞典a t l a s - - c o p c o 公司、芬兰t a m r o c k 公司以及法国s e c o m a 公司 等欧洲国家的公司，在台车型锚杆钻机方面具有竞争实力，其中a t l a s - - c o p c o 公 司、t a m r o c k 公司台车型锚杆钻机的产品销量占全世界台车型锚杆钻机总量的6 5 以上。 机载锚杆钻机主要是作为煤巷掘进机的配套机具。早期的机载锚杆钻机只是 简单的在煤巷掘进机上附加一个或两个钻臂，虽然能够实施钻锚杆孔，但是由于 辅助油管很多，而且经常混在一起，钻机与煤巷掘进机之间在工作时干涉较多， 造成每成形1 个锚杆孔辅助用时长，从而影响了巷道的掘进进尺。 r a m d u 甜 图1 - 5 机载式锚杆钻机 f i g 1 - 5a i r b o r n er o o f o o l t e r 目前，以a b m 2 0 为代表的新一代机载锚杆钻机( 即掘锚联合机组) 的开发使用， 受到了现场的欢迎，该机设计时从总体上考虑了掘进机和锚杆钻机的工作状况， 将两者有机的结合在一起，避免了相互干涉的问题，且油管的相对移动较少，隐 蔽性好，另外它具有紧跟迎头作业，速度快等优点【3 】【4 】。 单体型锚杆钻机则以其结构简单、重量轻、操作方便等优点得到煤矿工人的 青睐，使用较为普遍。单体型锚杆钻机从动力上分为3 种：液压、电动和风动， 这3 种型式的锚杆钻机在我国都有使用。 1 ) 液压锚杆钻机 液压锚杆钻机是通过液压缸推进、液压马达驱动旋转切削破岩。通常都附带 泵站，由泵站输送的液压油提供动力。现多采用低速转动的结构，省去齿轮传动 机构，直接带动钻机。液压锚杆钻机可分为单体型和手持型两种形式。 单体钻机主要是m z 系列，由主机、操纵架和泵站三大部分组成。主机由旋 转供水机构、推进机构、支撑油缸和导轨等组成。泵站输出的压力油通过高压油 管输送到操纵阀组，由操纵阀组控制主机的各执行机构。旋转供水机构直接带动 钻杆钻头旋转切削，推进机构由推进油缸、钢丝绳带动主机前进，除尘水由水阀 直接经供水机构进入钻杆及钻头。支撑油缸的作用是补偿主机的高度，工作时使 主机顶紧于顶底板之间，同时还可以减少钻眼时主机的振动。m z 系列液压锚杆钻 机具有安全可靠、能实现一次成孔、孔形好、输出功率大、破岩能力强等优点， 比较适合于顶板平缓、岩石偏硬的巷道中使用。不足的是重量较重。一般均在7 0 k g 以上，移动费力【5 1 。 液压锚杆钻机输出的扭矩高于气动锚杆钻机，在某些场合下应用较好，特别 是与掘进机配套是较优越的工作方式。从目前已正式投入使用的支腿式液压锚杆 钻机来看，钻机输出扭矩仍然偏低，系统效率低，油液容易发热。由于以矿物油 为工作介质，在煤矿井下使用中存在安全隐患。 液压锚杆钻机因其工作压力高、扭矩大、动力系统可不受外界影响，在一些 场合下是合理的机型。一个时期内，液压锚杆钻机主要用于与掘进机配套，共用 该液压泵站。经过一定时期以后，用户会根据锚杆支护的需要与具体条件，进行 综合技术经济分析，在适宜的场所确定采用液压锚杆钻机。由于液压锚杆钻机使 用量的增加，矿物油介质的安全性问题会日益突出，开发难燃液锚杆钻机的问题 将适时提到日程上来。今后液压锚