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1 前言

鉆車主要用于非煤礦山井下的鑿巖作業(yè)，鉆車需要在工作面鉆鑿爆破孔，井下需要開采的截面不一而同，液壓鉆車的鉆臂需能實(shí)現(xiàn)較大調(diào)整，以滿足井下開采的需要。液壓掘進(jìn)鉆車通常在一個(gè)工作面要鉆多個(gè)孔，每鉆一個(gè)孔都要調(diào)節(jié)鉆臂進(jìn)行相應(yīng)定位，因?yàn)槭侨藶椴僮?，這就要求液壓掘進(jìn)鉆車的鉆臂在定位時(shí)要調(diào)節(jié)精準(zhǔn)、適應(yīng)性強(qiáng)、且操作方便，鉆臂結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度必須完全滿足鉆車作業(yè)時(shí)的要求。

2 鉆臂機(jī)構(gòu)的工作結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓鉆車的推進(jìn)機(jī)構(gòu)具有360 度旋轉(zhuǎn)功能，而且要快速準(zhǔn)確定位，因?yàn)橥七M(jìn)機(jī)構(gòu)是與主臂連接的，要滿足推進(jìn)機(jī)構(gòu)的工作要求就要從鉆臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開始。在設(shè)計(jì)鉆臂時(shí)需要建立一個(gè)鉸接點(diǎn)，這個(gè)鉸接點(diǎn)必須是可上下左右旋轉(zhuǎn)的，可以設(shè)計(jì)一個(gè)鉆臂座，把鉆臂座作為基點(diǎn)，主臂和左右舉臂油缸可以圍繞鉆臂座的鉸接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。左右舉臂油缸提供動力，讓鉆臂機(jī)構(gòu)升高、下降以及左、右旋轉(zhuǎn)，再加上可以輔助調(diào)節(jié)推進(jìn)機(jī)構(gòu)的左、右平動油缸，主臂可以在內(nèi)部油缸的作用下進(jìn)行伸縮，從而改變鉆臂機(jī)構(gòu)的長度。主臂的另一端需要設(shè)計(jì)一個(gè)可放置推進(jìn)機(jī)構(gòu)的承載結(jié)構(gòu)，也就是推進(jìn)器座，推進(jìn)器座不能直接與主臂連接，因?yàn)橥七M(jìn)機(jī)構(gòu)還需旋轉(zhuǎn)360°，上下擺動和左右擺動，需要在主臂和推進(jìn)器座之間加輔助裝置，首先增加一個(gè)能自轉(zhuǎn)360°的螺線擺動油缸，最后再增加一個(gè)能使推進(jìn)器座上下擺動的擺角油缸，然后輔助裝置與主臂和推進(jìn)器座連接，這樣就完成了鉆臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本模型，見圖1。

圖1

3 鉆臂機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)是整個(gè)鉆臂機(jī)構(gòu)的核心，在設(shè)計(jì)整個(gè)液壓系統(tǒng)時(shí)需要用一個(gè)多路閥來分別控制各個(gè)油缸。其中左右舉臂油缸使鉆臂進(jìn)行升高、下降和左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，需要兼顧兩個(gè)方向，這是液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。我們思考如果只對一個(gè)油缸進(jìn)液口加壓，另一個(gè)進(jìn)液口不加壓力，油缸就會在液體壓力的作用下產(chǎn)生左右轉(zhuǎn)動，想實(shí)現(xiàn)這種功能，我們需要增加一個(gè)液控?fù)Q向閥和一個(gè)液控單向閥來完成控制。液控?fù)Q向閥的作用是控制多路閥的其中兩片閥，這兩片閥分別控制舉臂油缸和平動油缸。液控單向閥的作用是切換油路，分開控制舉臂油缸和平動油缸，當(dāng)液控單向閥關(guān)閉時(shí)，左右舉臂油缸就可以讓液壓油進(jìn)入，左舉臂油缸進(jìn)液時(shí)，右舉臂油缸會隨著運(yùn)動軌跡自動收縮，從而完成右轉(zhuǎn)動作。相反當(dāng)右舉臂油缸進(jìn)液時(shí)，左舉臂油缸會隨著運(yùn)動軌跡自動收縮，從而完成左轉(zhuǎn)動作。同時(shí)設(shè)計(jì)舉臂油缸和平動油缸聯(lián)動，當(dāng)舉臂油缸伸出時(shí)，平動油缸也會伸出，相反一方收縮，另一方也會收縮，正是由于前后油缸的油路成對地聯(lián)動，保證了鉆臂在垂直和水平方向都保持平行移動。當(dāng)液控單向閥打開時(shí)，液壓油直接進(jìn)入液控單向閥，而左右舉臂油缸的進(jìn)液口則沒有液壓油進(jìn)入，這時(shí)只有左右平動油缸動作，舉臂油缸不再動作。我們可以用一個(gè)按鈕開關(guān)通過油壓來控制液控單向閥的開關(guān)，十字手柄通過油壓來控制液控?fù)Q向閥，十字手柄的作用就是給液控?fù)Q向閥傳遞油壓信號，然后液控?fù)Q向閥再根據(jù)十字手柄的油壓信號來控制多路閥中的兩片閥，然后這兩片閥再控制舉臂油缸和平動油缸，此外按鈕開關(guān)和十字手柄需要進(jìn)行減壓。

多路閥的其他閥片再分別控制鉆臂伸縮油缸、補(bǔ)償油缸、手動推進(jìn)油缸、翻轉(zhuǎn)油缸和擺角油缸，各個(gè)油缸需加液壓雙向鎖來穩(wěn)定狀態(tài)和動作。

把多路閥的工作壓力設(shè)定在190 bar左右，串聯(lián)溢流閥用來控制調(diào)節(jié)整個(gè)鉆臂機(jī)構(gòu)的工作壓力，液壓系統(tǒng)的原理見圖2。

圖2

4 油缸的設(shè)計(jì)

通過上面的簡易結(jié)構(gòu)圖可以看出：左右舉臂油缸用來調(diào)節(jié)鉆臂機(jī)構(gòu)的上下升降角度和左右旋轉(zhuǎn)角度。通過做鉆臂機(jī)構(gòu)的極限狀態(tài)來確定舉臂油缸的長度和行程；缸徑和桿徑的大小通過油缸的推力和拉力來確定；推力和拉力的大小通過鉆臂機(jī)構(gòu)力矩的分析和計(jì)算來確定，整個(gè)受力分析可以借助三維軟件來完成，計(jì)算出最大的推力和拉力后，再根據(jù)公式S=F/P，最終確定缸徑和桿徑的大小，其他油缸的參數(shù)設(shè)計(jì)仿此進(jìn)行。

5 結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)

主臂內(nèi)部裝有油缸，油缸可以伸縮從而改變整個(gè)鉆臂機(jī)構(gòu)的長度，主臂的長度根據(jù)整個(gè)鉆車的要求進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)考慮油缸的伸縮量對長度的影響，主臂的內(nèi)徑大小與油缸的直徑相關(guān)聯(lián)，可借助三維軟件的受力分析來確定主臂的壁厚尺寸，這樣主臂的長度、直徑和壁厚就可確定了。

主臂確定后，鉆臂座的基本尺寸就能確定，推進(jìn)器座的尺寸設(shè)計(jì)可以通過推進(jìn)器的尺寸來確定，連接架的設(shè)計(jì)可以根據(jù)螺線擺動缸和推進(jìn)器座的尺寸來確定，同時(shí)需要考慮鉆臂機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)帶來的影響。

結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)完成后，我們最終得到了一個(gè)完整的鉆臂機(jī)構(gòu)，見圖3。

圖3