一种多缸液压迈步式扩孔刀头的设计

一种多缸液压迈步式扩孔刀头的设计

屋顶钻孔是一种高效、安全、经济的机械化屋顶钻孔设备。其独特的优点是，它逐渐取代了传统的水平堆放法和杆状爆炸法。目前世界上天井钻机正朝着大能力、小巧化、大井深、大斜角、智能化和两级迈步式扩孔的方向发展。受矿山运输条件的影响,我国许多地下矿山不能搬运大型天井钻机,使用小型钻机钻大直径天井成为矿山工人的愿望。迈步式扩孔刀头可将天井扩孔作业分成两步,以迈步的方式,依次完成。它所需要的扩孔拉力和转矩仅为相同直径普通扩孔刀头的一半,使能力较小的天井钻机采用较细的钻杆能够扩出较大的天井。德国维尔特公司率先研制出迈步式扩孔刀头,并在南非和澳大利亚成功应用,用扩孔能力为4m的HG330型天井钻机直接扩出直径为6.02m的天井。维尔特公司发明的迈步式扩孔刀头使用的液压缸是以水为传动介质,用1个大型液压缸进行迈步推进,没有设置机械锁紧装置,因此迈步推进缸要承受巨大的轴向扩孔拉力,必须选用较高的系统压力和较大的缸径。为确保迈步推进缸不受偏载力,必须将迈步推进缸和刀盘拉杆设置在同一轴线上,增加了迈步推进缸的设计和加工难度。为解决这一难题,笔者提出了一种用于迈步式扩孔刀头的多缸液压迈步装置和机械锁紧装置。1高压液压油控制多缸迈步机械锁紧装置是迈步式扩孔刀头实行迈步与锁紧动作的执行机构,以高压液压油为动力源,在液压系统的控制下,自动完成迈步与锁紧的程序动作。如图1所示,多缸迈步机械锁紧装置主要由刀盘拉杆、挂钩、前连杆、锁紧液压缸、后连杆、支座、二级刀盘、迈步推进液压缸和液压缸支架等组成。1.1机械锁定机构如图2所示,环形挂钩式机械锁紧装置是二级刀盘与刀盘拉杆的离合机构,同时也承受轴向扩孔拉力。挂钩的下端铰接在扩孔刀头的二级刀盘的耳座上,挂钩的上端与前连杆的一端铰接,前连杆的另一端分别与后连杆及锁紧液压缸的活塞杆铰接,后连杆的另一端与位于二级刀盘上的支座铰接,锁紧液压缸的下端铰接在二级刀盘的耳座上,构成1套机械锁紧机构。4套机械锁紧机构均布在扩孔刀头的二级刀盘上。锁紧液压缸的活塞杆上、下运动时,可通过前连杆和后连杆带动挂钩做张合动作。挂钩合拢时,4个挂钩的内廓组合成一个整圆,挂在扩孔刀头的刀盘拉杆的台肩上,牢固地锁住扩孔刀头的二级刀盘,不让其下滑,由4个挂钩来承受二级刀盘的轴向扩孔拉力,而迈步推进缸不再承受扩孔拉力;当挂钩张开时,4个挂钩同时脱离刀盘拉杆的台肩,二级刀盘呈上下浮动状态,二级刀盘可在迈步推进缸的作用下,沿刀盘拉杆作下行迈步运动,下行至二级刀盘的下端,接触到拉杆下端的台肩停止,由该台肩承受二级刀盘的轴向力,迈步推进缸不受力。1.2液压缸组合结构设计如图3所示,多缸液压迈步装置是使二级刀盘完成上下往复迈步动作的工作执行机构,主要由刀盘拉杆、迈步推进液压缸、铰接支座、二级刀盘及液压缸支架等组成。4个迈步推进液压缸均布在扩孔刀头的刀盘拉杆的四周,迈步推进液压缸的两侧设有中间铰轴,铰接于二级刀盘的铰轴支座上。呈十字形的液压缸支架设在刀盘拉杆的下端,通过销轴与迈步推进液压缸的活塞杆铰接。迈步液压缸做上、下运动时,可通过中间铰轴带动二级刀盘做上下往复迈步运动,实现迈步式扩孔刀头的往复迈步动作。2级刀盘的扩孔作业两级迈步扩孔刀盘工作原理如图4所示。当设置在一级刀盘上的2把中心滚刀的任意一把接触岩石时,液压系统的发信装置发出迈步换向信号,液压油通过液控换向阀进入4个锁紧液压缸的有杆腔中,4个挂钩张开,脱离刀盘拉杆的台肩,二级刀盘呈上下浮动状态;当挂钩张开到位后,液压油通过液压行程阀进入4个迈步推进液压缸的有杆腔,使二级刀盘下行,脱离破岩工作面,开始进行一级刀盘的扩孔作业。当设置在一级刀盘上的2把中心滚刀均不接触岩石(即脱离扩孔岩面)时,液压发信装置发出信号,液压油通过液控换向阀进入4个迈步推进液压缸的无杆腔中,使二级刀盘上行,上行到位后,液压油通过行程阀进入4个锁紧液压缸的无杆腔,使4个挂钩合拢,挂在刀盘拉杆的台肩上,牢固锁住二级刀盘,不让其下滑。4个挂钩承受二级刀盘的轴向扩孔拉力,迈步推进液压缸不再承受扩孔拉力。此时,一级刀盘脱离了破岩工作面,二级刀盘开始实行扩孔作业。如此循环往复,从而实现两级迈步扩孔的连续作业。3机械锁定装置采用4个迈步缸,可降低每个迈步缸的承载力,液压缸的外形尺寸较小,降低了液压缸和刀盘拉杆的加工难度与制造成本。4个迈步缸均匀布置在刀盘拉杆周围,避免了迈步缸与刀盘拉杆干涉,减小了迈步缸布置难度,迈步缸合力通过刀盘拉杆中心,使得迈步力不会产生偏载,迈步运动更加稳定可靠。采用机械锁紧装置后,原来由迈步推进液压缸承受的扩孔拉力改由机械锁紧装置承担,迈步缸仅在迈步时承受二级刀盘的重力和迈步运动的摩擦阻力,其合力不到扩孔拉力的1/20。在扩孔时,迈步缸和锁紧缸理论上不受力(由其他构件受力),因此,迈步机构更加小巧耐用。4模拟测试为了检验多缸迈步机械锁紧装置的实际效果,专门设计了一套模拟试验装置,进行了模拟试验。4.1机械锁定液压缸、机械进入液压缸多缸迈步机械锁紧模拟试验装置如图5所示,由支架、拉杆、刀盘、迈步液压缸、机械锁紧挂钩、锁紧液压缸及液压控制系统等组成,工作原理与原装置相同。该模拟试验装置是按原装置的1/4尺寸制造,迈步液压缸行程为120mm,锁紧液压缸行程为36mm。为简化起见,将原装置上的4套迈步液压缸、机械锁紧挂钩和锁紧液压缸改为2套。液压系统采用自来水作为液压动力源和液压控制源,通过压力表观察试验时的压力变化,通过在刀盘上增加配重来施加模拟负载。4.2多轮不同负载模拟系统的试验结果模拟试验在长沙矿山研究院有限责任公司的机械实验室中进行。分别做了多轮不同负载的模拟试验,负载(配重)从100kg逐渐增加到800kg,模拟试验装置均能正常完成迈步与锁紧动作,动作连续、平稳、快速、