单轨吊钻锚一体机钻臂设计_卫排锋.pdf

doi:10.13436/j.mkjx.202305003煤矿机械Coal Mine MachineryVol.44 No.5May.2023第44卷第5期2023年5月0引言单轨吊钻锚一体机是一种集凿孔（爆破孔、锚杆孔）、吊装转运于一体的大型岩巷掘进设备。单轨吊钻锚一体机施工时位于巷道顶部的第一水平，当进行凿岩施工时，位于第二水平（地面）配套巷道掘进设备可同步进行出矸及转运施工，可有效提高巷道掘进的施工效率。钻臂是单轨吊钻锚一体机的重要工作机构，主要用于安装凿岩机及其辅助钻进机构并进行凿孔作业。单轨吊在凿孔施工时，钻臂首先需通过伸缩油缸、翻转油缸等驱动机构调整姿态，并按规定的钻孔轨迹定位孔心，待孔心位置确定后托架推进油缸推动托架向前顶紧工作面，便可进行凿孔施工。钻臂设计是否合理决定了钻臂工作时结构强度及施工稳定性是否满足使用要求；钻臂结构工作轨迹规划是否合理决定了钻臂的施工范围能否进行全断面无死角钻孔作业；钻臂结构钻孔顺序（路径）规划是否合理决定了钻孔施工效率的高低。1钻臂结构总体方案设计单轨吊钻锚一体机钻臂安装在单轨吊最前端，主要由伸缩臂、各类伸缩油缸、翻转油缸、托架及多种辅助钻进机构组成。其中，伸缩臂为钻臂的俯仰及摆转机构，该机构采用双三角油缸驱动实现俯仰及摆转动作，伸缩臂末端通过销轴铰接于固定安装座。托架为钻臂的末端执行机构，通过联接座及翻转油缸等机构安装在伸缩臂上方，主要用于安装凿岩机、锚杆机及各种辅助钻孔装置。钻臂托架与伸缩臂上安装有多种直线油缸及回转油缸，可实现巷道全断面钻孔施工。单轨吊钻锚一体机钻臂结构如图1所示。2钻臂托架结构设计根据单轨吊钻锚一体机凿岩机钎杆、锚杆长度以及凿岩机尺寸，初步确定出钻臂长度及宽度尺寸，钻臂主梁采用箱形焊接结构，内腔焊接加强肋提高单轨吊钻锚一体机钻臂设计卫排锋1，郝少楠2（1.重庆能源职业学院 重庆402260；2.中煤科工集团 重庆研究院有限公司，重庆400039)摘要：钻臂是单轨吊钻锚一体机的重要工作部件。针对目前单轨吊钻臂仅安装1台凿岩机，钻孔使用工况单一的情况，设计了一种可同时安装1台凿岩机、1台锚杆机的钻臂；该钻臂上凿岩机与锚杆机在圆周方向呈90布置，可同步进行巷道断面爆破孔及巷道顶板及侧帮锚杆孔的施工作业。同时在钻臂上安装有卷管器、扶钎器、顶紧装置等各种辅助钻进装置，这些辅助装置可使凿岩机在钻孔工作时快速钻进，提高凿岩效率并降低卡钻故障。关键词：单轨吊钻锚一体机；钻臂；凿岩机中图分类号：TD402文献标志码：A文章编号：1003 0794（2023）05 0008 03Design of Drilling Arm of Monorail Crane-drilling-anchor IntegratedMachineWei Paifeng1，Hao Shaonan2（1.Chongqing Energy College，Chongqing 402260，China；2.Chongqing Research Institute,China Coal Technology andEngineering Group,Chongqing 400039，China)Abstract:Drilling arm is an important working part of monorail crane-drill-anchor integrated machine.Aiming at the situation that only one rock drill is installed on monorail crane-drill arm at present andthe working condition of drilling is single,a drilling arm which can simultaneously install one rock drilland one bolt machine was designed.The rock drill and the bolt machine on the drilling arm arearranged at 90 in the circumferential direction,which can simultaneously carry out the construction ofthe tunnel section blasting hole,the tunnel roof and the side wall bolt hole.At the same time,variousauxiliary drilling devices,such as pipe winder,drill holder and jacking device are installed on thedrilling arm.These auxiliary devices can make the drill drill drill quickly during drilling,improve thedrilling efficiency and reduce the sticking fault.Key words:monorail crane-drilling-anchor integrated machine；drilling arm；jack drill8整体刚度。因凿岩机在导轨上频繁滑动易磨损，故凿岩机导轨采用分段式可拆结构，以便于更换。凿岩机在钻孔推进时，液压管路需同步前后、进退，为防止管路磨损，在钻臂托架后方安装有卷管器，可有效避免胶管的磨损。图1单轨吊钻锚一体机钻臂结构1.伸缩臂2.上调姿油缸3.下调姿油缸4.摆动油缸5.翻转油缸6.摆转油缸7.托架由于爆破孔凿孔深度为2 130 mm，锚杆孔钻孔深度为1 900 mm，确定钻臂推进深度为2 300 mm，钻臂推进时采用液压油缸驱动，推进行程采用滑轮组-钢丝绳倍增机构，可有效缩短推进油缸行程及安装距。为降低凿岩机在凿岩推进时因钎杆受轴向压力而弯曲变形，在凿岩机与钻臂三角定位座之间安装随动扶钎装置，该扶钎装置内置环套可减少钎杆钻孔时的径向跳动，从而避免钻杆弯曲变形。托架总体方案如图2所示，托架油缸及凿岩机型号如表1所示。图2单轨吊钻锚一体机托架结构1.卷管器2.炮孔凿岩机3.锚杆凿岩机4.钎杆5.张紧装置6.推进油缸7.扶钎装置8.导轨9.三角定位座表1托架油缸及凿岩机型号（1）托架卷管器结构设计根据凿岩机进出油口数及所需流量，可确定出凿岩机胶管通径及数量，从而确定卷管器旋绕圈数及间距。卷管器卷筒采用焊接结构，内部为转动轴，转动轴安装在卷管器底板上并用止动螺母锁紧。卷筒与转动轴间采用滚动轴承联接，用于滚筒绕管时转动。卷管器下端安装有倍增滑轮A，用于旋绕钢丝绳。卷管器结构如图3所示。（2）托架扶钎器结构设计单轨吊托架在凿岩时通过凿岩机的高频冲击打碎矸石，并通过高压水将碎岩冲出实现凿孔作业。在冲击钻孔过程中，凿岩机推进依靠油缸驱动，由于钎杆为细长杆，受推力作用大时会出现压杆失稳弯曲从而影响正常钻进。凿岩机安装扶钎器可有效减少钎杆变弯的情况。图3托架卷管器结构1.卷筒2.转动轴3.止动螺母4.轴承5.滑轮A托架扶钎器安装在推进油缸伸出端，可随油缸伸缩前后移动，扶钎器下端安装有倍增动滑轮B，用于旋绕钢丝绳。当推进油缸推进时，钢丝绳拉动卷管器下端动滑轮A并带动凿岩机向前推进，由于动滑轮的倍增作用，推进油缸向前推进L时，凿岩机向前推进2 L，与此同时扶钎器向前推进L，从而实现扶钎器在钎杆中部同步导向。扶钎器结构如图4所示。图4托架扶钎器结构1.导轨座2.钢套3.安装座4.滑轮B（3）托架翻转机构设计托架在凿孔之前需通过钻臂调节姿态进行定位，而爆破孔为前掘进正面布置，锚杆孔为全断面布置，所以钻臂调节姿态要求能满足全断面施工要求。单轨吊钻臂主要由伸缩臂与托架两部分组成，钻臂的俯仰角度及左右摆动角度通过伸缩臂双三角俯仰油缸及伸缩臂左右摆转油缸实现，钻臂上下翻转、钻孔方位则通过托架翻转机构实现，根据钻孔定位要求，托架翻转机构采用2个螺旋摆转油缸叠加安装实现，具体安装方式如图5所示，翻转机构下端为垂直回转油缸用来翻转托架，上端为水平摆转油缸，用来调节托架方位，2个螺旋摆转油缸均为底角安装。3伸缩臂方案设计伸缩臂是钻臂的支撑机构，主要用于支承托架第44卷第5期Vol.44 No.5单轨吊钻锚一体机钻臂设计卫排锋，等名称推进油缸锚杆凿岩机炮孔凿岩机型号HG50/32HYD200DF530X备注行程1 100 mm锚杆孔直径22 mm炮孔直径38 mm12345678912345671234512349并进行辅助调节姿态。伸缩臂俯仰及摆转采用双三角油缸驱动，伸缩臂俯仰及摆转的运动轨迹根据双三角油缸的运动特点，可引入平行坐标进行解耦，可得到2组油缸的匹配伸缩量，将伸缩量转换为油缸的流量输入进行控制，便可得到伸缩臂的运动轨迹。伸缩臂主要结构包括固定座、双三角油缸、伸缩油缸、伸缩筒及托架联接座等。伸缩筒主要包含伸缩内筒、外筒及滑块等，伸缩内筒与伸缩油缸活塞杆联接，在内筒外壁与外筒内壁间安装有导向滑块，伸缩内筒在油缸的驱动下通过导向滑块与外筒做相对运动。钻臂结构如图6所示。图5托架翻转机构1.翻转座2.水平联接座3.垂直翻转油缸4.水平回转油缸图6钻臂结构1.固定座2.双三角油缸3.伸缩油缸4.伸缩臂5.托架联接座4单轨吊钻臂、托架轨迹调节（1）钻臂凿爆破孔时轨迹调节单轨吊在巷道工作面钻爆破孔时，需按预设的钻孔位置进行钻孔作业。掘进破孔时，炮孔的位置、角度、深度对爆破效果有很大影响，凿爆破孔时一般都按照设计好的断面炮眼孔图进行施工，炮孔位置一般布满整个巷道断面，所以必须对钻臂的运动轨迹进行规划，使钻臂轨迹能满足所有孔位的凿孔作业。根据巷道掘进面炮孔的凿孔位置，设计时对钻臂上下、左右方向极限位置进行设计规划，以满足全断面钻孔要求。钻臂全断面钻孔姿态如图7所示。（a）钻臂左右可达位置（b）钻臂垂直方向可达位置图7钻臂全断面钻孔姿态（2）钻臂凿锚杆孔时轨迹调节单轨吊在巷道工作面钻锚杆孔时，除在巷道正前断面钻外，还需在顶板及侧帮钻锚杆孔。顶板锚杆孔呈扇形分布，一般按规定的孔距进行布孔，侧帮锚杆孔呈网状分布。根据锚杆孔凿孔轨迹及位置要求，对钻臂轨迹进行规划以同时满足爆破孔锚杆孔的凿孔作业。凿顶板及侧帮锚杆孔时钻臂位置如图8所示。（a）凿顶板锚杆孔（b）凿侧帮锚杆孔图8凿锚杆孔钻臂位置5结语针对目前大多数凿岩钻臂仅装1台凿岩机，使用工况单一的情况，设计了一种适用于单轨吊钻锚一体机的新型钻臂，该钻臂可同时装凿岩机与锚杆机，可在巷道顶部第一水平进行锚杆孔及爆破孔的钻孔施工，该新型钻臂结构有以下特点：（1）有效地将液压凿岩机与液压锚杆机集成在同一钻臂上，扩大了钻臂的施工范围；（2）钻臂采用双三角液压油缸实现钻臂的俯仰与摆转，有效提高钻臂的稳定性及定位准确性；（3）钻臂采用多种直线油缸及回转油缸驱动，实现了钻臂的多自由调节，可实现巷道全断面钻孔施工；（4）钻臂上集成了多种钻进辅助机构，可有效提高钻孔效率并降低钻孔卡钻事故。参考文献：1朱利民,杨林,任晓华,等.ZZ2-8/100型钻装机可钻凿区域的计算J.煤矿机械.2012,33(3):37-38.2郝少楠.单轨吊钻锚一体机悬挂总成设计J.煤矿机械,2021,42(1):107-109.3朱利民.单轨吊钻锚一体机双三角伸缩钻臂的设计J.煤矿机械,2020,41(10):23-25.4姚海峰.构型改进型凿岩机器人钻孔定位和机身位姿确定方法研究D.北京：中国矿业大学（北京）,2021.5郭凯.窄体四臂锚杆锚索钻车的设计J.煤矿机械,2021,42(5):113-115.6王愁.全液压凿岩台车设计及钻臂性能分析D.徐州：中国矿业大学,2021.作者简介：卫排锋（1984），女，山西晋城人，副教授，硕士，现从事机电专业教学研究工作，电子信箱：.责任编辑：赵荣收稿日