露天潛孔鉆機圓盤式連桿換位儲桿器的設計探討

武成路

在我國冶金、建材、煤炭、化工、有色等行業(yè)的礦山及水電、鐵路、交通、國防和港灣等巖土工程中，廣泛使用露天潛孔鉆機。特別是在礦山的三角體處理和施工工程中的邊坡處理、自然災害處理、水井等鉆鑿中，廣泛鉆鑿25～50m甚至更深的巖孔。由于鉆機結構的限制，須采用2～10根乃至更多的鉆桿進行接桿鉆進。為此，鉆機制造商們，為使自己的產品暢銷，他們本著“好使、好修、好造、成本低”的原則，不斷開發(fā)研究新產品及其每一個零部件，如原由人工接卸鉆桿發(fā)展到半機械化接卸鉆桿，又由半機械化接卸鉆桿發(fā)展到全機械化接卸鉆桿等。在實現(xiàn)全機械化鉆桿接卸中，廣泛采用圓盤式儲桿器，如果采用圓盤式連桿換位儲桿器，不僅可減少輔助時間還可降低維護成本，使鉆機發(fā)揮更大的經濟效益。

圓盤式連桿換位儲桿器，只采用一個液壓缸作用公轉軸旋轉，在其送入及退出鉆桿工位的同時，由于連桿機構的作用，使所儲鉆桿的工位順時針或逆時針方向可依次更換，故稱之為圓盤式連桿換位儲桿器。

1 結構

圓盤式連桿換位儲桿器的結構如圖1所示。它由上軸承座1、下軸承座16和24、公轉軸2、上轉臂4、自轉軸7、儲桿室9、下轉臂12、換位連桿17、公轉液壓缸22等零部件組成。

該儲桿器的上軸承座1、下軸承座16和24，分別用螺栓固定在鉆架上、下部的側壁上。公轉軸2為無縫鋼管焊接件，其上端、下端及下部分別與其軸承座1、16、24鉸接。公轉液壓缸22活塞桿鉸接的耳座20，焊接在下軸承座16與24間的公轉軸2上，其缸耳通過銷軸23，與焊接在下軸承座24上的耳座鉸接。上、下轉臂4、12通過鍵安裝在公轉軸2的上、下部位。上轉臂4為焊接件，其上面有公轉軸鍵孔、自轉軸軸承座及開有一個弧形進出桿工位A的圓擋盤5，圓擋盤5以防護所儲存的鉆桿軸向或徑向移動。自轉軸7為無縫鋼管焊接件，兩端分別通過軸承與上、下轉臂4和12鉸接，其上部焊有儲桿盤6、中部焊有支承盤8、下部焊有儲桿室9。儲桿室9采用六個帶孔盛桿座穿焊上、中兩圓盤后，與下圓盤焊接，三個圓盤均與自轉軸7焊為一體。在儲桿室9上、中兩圓盤間的各盛桿座外圓，不僅開有與盛桿座內圓相通的矩形孔，還焊有銷軸26之耳座，卡塊25與銷軸26鉸接后，在板簧作用下，卡塊25的卡牙進入矩形孔，而其邊沿部貼緊在盛桿座外圓；卡塊25的卡牙在盛桿座的內孔中與所儲鉆桿下接頭的卡槽卡住后，使所儲鉆桿既不能反轉也不能軸向移動，只有此鉆桿正轉時，卡塊25的卡牙與鉆桿下接頭的卡槽方可脫開，此時鉆桿才能軸向移動。

圖1 圓盤式連桿換位儲桿器結構簡圖

下轉臂12上焊有分度插座11，該座上端裝有分度微型液壓缸10。因該微型液壓缸的活塞桿，在此起到分度定位的銷軸作用，故稱之為液控分度銷，該分度銷插裝在分度插座11的中心孔中。當分度微型液壓缸的無桿腔進油時，其分度液控銷下伸穿過分度插座11的滑槽至其底端；當有桿腔進油時，分度液控銷縮至滑槽上部。當公轉液壓缸22作用公轉軸2使儲桿器送、取鉆桿時，儲桿室9的下圓盤設有六個分度工位鉸接孔，其在分度插座11的滑槽中，通過液控分度銷鉸接定位或滑轉一個工位角度；分度換位板13通過軸承與自轉軸7鉸接，并安裝在下轉臂12與儲桿室9的下端面間。在分度換位板13的上面焊有分度插座11，其上端也裝有微型分度液壓缸10，通過該缸的液控分度銷，使儲桿室9的下圓盤分度工位鉸接孔，在該分度插座11的滑槽中鉸接定位或滑轉一個工位角度。換位連桿17的一端，通過銷軸18與用螺栓固定在鉆架側壁上的換位連桿座12鉸接，另一端連接的螺桿耳15，通過銷軸14與分度換位板13鉸接。換位連桿17連接的螺桿耳15，用來調整其鉸接長度，以確保儲桿室所儲鉆桿的工位，在換位或定位時的準確度。

圖2所示該儲桿器，同時可儲存6根鉆桿，故儲桿盤6、支撐盤8均設六工位弧形開口；儲桿室9設六個盛桿座，其下圓盤設有六個循環(huán)分度工位鉸接孔。

下轉臂12和分度換位板13上，分別安裝的分度微型液壓缸10，其供油原理如圖1所示。當PA供油OA回油時，下轉臂12上的分度微型液壓缸10，其液控分度銷在分度插座11的中心孔中下伸，將儲桿室9的下圓盤分度工位鉸接孔，在分度插座11的滑槽中鉸接定位；與此同時，分度換位板13上的分度微型液壓缸10，其液控分度銷在其分度插座11的中心孔中上縮，將儲桿室9的下圓盤另一分度工位鉸接孔，在其分度插座11的滑槽中脫開定位鉸接。反之，當PB供油OB回油時，下轉臂12上的液控分度銷，在分度插座11的中心孔中上縮，從而使儲桿室9的下圓盤分度工位鉸接孔，在分度插座11的滑槽中脫開定位鉸接；與此同時，分度換位板13上的液控分度銷，在其分度插座11的中心孔中下伸，從而使儲桿室9的下圓盤另一分度工位鉸接孔，在該分度插座11的滑槽中鉸接定位。

2 工作原理及工作過程

如圖2（其標注的零部件名稱和序號均同于圖1）為該儲桿器的換位工作原理示意圖，圖示位置為儲桿器退出位置。下轉臂12上的液控分度銷，將儲桿室9的下圓盤之分度工位鉸接孔與分度插座11處于鉸接定位狀態(tài)，分度換位板13上的液控分度銷處于脫開狀態(tài)，即PA供油OA回油（圖1所示）。該儲桿器在此退出位置時，也可以PB供油OB回油，使液控分度銷處于與上述相反狀態(tài)。下轉臂12和換位板13的液控分度銷截面中心，分別繞公轉軸2和自轉軸7的旋轉擺角線成60°夾角，即一個工位夾角。

圖2 圓盤式連桿換位儲桿器的換位原理示意圖

當鉆桿鉆進孔中，需要接鉆桿時，首先使接卸鉆桿機構與回轉供氣機構協(xié)作配合，即接卸鉆桿機構的下對夾緊塊將孔中鉆桿上接頭夾緊后，回轉供氣機構反轉與孔中鉆桿的上接頭旋卸下來。此時，在推進提升機構的作用下，將回轉供氣機構提升至高于儲桿器圓擋盤5的上端位置。此后，公轉液壓缸22的無桿腔進油，使上、下轉臂4、12繞公轉軸2旋轉所需角度β（圖2所示），將儲桿器進出鉆桿工位A所儲的鉆桿送到位置O。在上、下轉臂4、12繞公轉軸2旋轉所需角度β的同時，分度換位板13在換位連桿17的作用下，以順時針方向繞自轉軸7旋轉60°角，即一個工位夾角（圖2所示），從而其旋轉擺角線與送入位置時的下轉臂12的旋轉擺角線成120°夾角（圖2所示）；這時，回轉供氣機構邊正轉邊在推進提升機構的作用下向下空推，使回轉供氣機構與儲桿器A工位的鉆桿上接頭旋接。爾后，推進提升機構再將正轉的回轉供氣機構及其相連之鉆桿提升（因鉆桿下接頭的卡槽，被儲桿室9的盛桿座安裝的卡塊25的卡牙卡住，只有該鉆桿正轉時，卡塊25的卡牙與鉆桿下接頭的卡槽才會脫開，脫開后可軸向提升），致使鉆桿下接頭從儲桿室9的盛桿座孔中脫開為止。此時，PB供油OB回油，使分度換位板13上的液控分度銷與儲桿室9的下圓盤分度工位鉸接孔處于鉸接定位狀態(tài)的同時，下轉臂12上的液控分度銷與儲桿室9的下圓盤分度工位鉸接孔鉸接定位脫開；然后，公轉液壓缸22的有桿腔進油，使上、下轉臂4、12繞公轉軸2旋轉至退出位置。在上、下轉臂4、12旋轉至退出位置的同時，由于換位連桿17的作用，使儲桿室9的六個盛桿座工位、支承盤8及儲桿盤6繞自轉軸7的軸線，以逆時針方向旋轉60°角（一個工位夾角），即原進出鉆桿的A工位盛桿座旋轉到C工位、原B盛桿座工位旋轉到進出鉆桿A的工位上，以便續(xù)接。這時，回轉供氣機構邊正轉邊在推進提升機構的作用下向下推進，將所接鉆桿下接頭與孔中鉆桿上接頭旋接后，接卸鉆桿機構的下對夾緊塊松開孔中鉆桿上接頭。最后，PA供油OA回油，使下轉臂12上的液控分度銷與儲桿室9的下圓盤分度工位鉸接孔鉸接定位，同時，分度換位板13上的液控分度銷與儲桿室9的下圓盤分度工位鉸接孔脫開鉸接，以便續(xù)接鉆桿時續(xù)換位，完成全部接桿工序。如此重復上述工序，便可依次旋接儲桿器中各根鉆桿。

上述是在接鉆桿時，儲桿器為退出位置，PA供油OA回油時的動作原理和工作過程。當儲桿器為退出位置，PB供油OB回油時的動作原理與上述基本相同，所不同的工作過程為：當儲桿器為退出位置，PB供油OB回油時，分度換位板13上的液控分度銷與儲桿室9的下圓盤分度工位鉸接孔處于鉸接定位狀態(tài)，下轉臂12上的液控分度銷與儲桿室9的下圓盤分度工位鉸接孔處于鉸接脫開狀態(tài)。由于公轉液壓缸22的作用，使儲桿器旋轉到送入位置的同時，因連桿17的作用，換位板13帶動儲桿室9的盛桿座工位、支撐盤8和儲桿盤6等，以順時針方向繞其自轉軸7的軸線旋轉60°角（一個工位夾角），使換位板13工位孔的旋轉擺角線，與送入位置時下轉臂12的工位孔之旋轉擺角線成120°夾角（圖2所示），并且換位到進出桿工位A之鉆桿被送到送入位置，即C工位在轉換到進出鉆桿A工位的同時，也被送到送入位置O，以續(xù)接鉆桿。

當一個巖孔鉆完之后，需卸鉆桿時，該儲桿器的動作原理及工作過程與接鉆桿時的基本相同，略述。

此儲桿器在公轉液壓缸22的作用下，使上、下轉臂4、12在旋轉所需角度β的同時，由于連桿機構的作用，使所儲鉆桿的六個工位，順時針或逆時針方向均可依次更換到進出桿A的工位上，且送到送入位置進行鉆桿的接卸。因儲桿室9的下圓盤的分度工位鉸接孔，始終有一個液控分度銷，將其定位鉸接在下轉臂12或分度換位板13上，故在接卸鉆桿中，不會因儲桿器的半側未裝或未卸鉆桿，而重心偏移產生的重力矩使自轉軸7自由轉動。儲桿器的上、下轉臂均設有限位調整塊3，通過該限位塊之調整，以確保儲桿器的進出桿工位A與送入位置的對中。

3 機構設計

3.1 機構運動的確定性

當接鉆桿時，由圖3不難看出，構件9、12、13、16、17、21、22、24構成了一個平面回轉（回轉角度60°、β）連桿機構，圖3為其結構運動簡圖。

圖3 平面回轉連桿變幅機構運動簡圖

由圖3可知，連桿變幅機構的總件數(shù)為8。儲桿室9在每次送入或退出工位工作時，其工位可繞中心D旋轉60°角，故可視為連桿構件；液控分度銷10將連桿（儲桿室）9與連桿（下轉臂）12鉸接后相互間沒有相對運動，故可視為1個構件。根據(jù)圓盤式連桿換位儲桿器在實際工作中的換位需要，當連桿9與連桿（分度換位板）13被液控銷10鉸接的同時，則連桿9與連桿12自動脫開，此時，連桿9與13可視為1個構件，而連桿9與連桿12則成為2個構件。構件22的公轉液壓缸筒與活塞桿有相對運動，故可視為2個構件。構件16、21和構件24均固定不動，故可視為1個構件。此時連桿變幅回轉機構的活動件數(shù)n=5，其中，低幅（平面回轉幅及移動幅）Pd=7，高幅Pg=0，其活動度W=3n-2Pd-Pg=3×5-2×7-0=1。

如上所述，該圓盤式連桿換位儲桿器在每次送入或退出工位工作時，機構的原動件數(shù)等于機構的活動度數(shù)，故有完全確定的運動。

3.2 設計要求

由上述分析可知，該圓盤式連桿換位儲桿器在每次送入或退出工位工作時，有完全確定的運動。該儲桿器雖是低速間歇運動的組合部件，但其承受著沖擊、振動、軸向和徑向載荷。故對其設計要求是，在強度和剛度足夠的前提下，結構緊湊、簡單、重量輕，操縱簡便，動作平穩(wěn)、準確、可靠、壽命長，維修方便。

輪廓及結構尺寸。根據(jù)鉆桿直徑和鉆桿長度來確定連桿換位儲桿器的輪廓尺寸、上下轉臂的長度、儲桿室及儲桿盤的工位數(shù)及其自轉軸的直徑、公轉軸直徑、兩轉臂間的距離等結構尺寸和工作參數(shù)。露天潛孔鉆機，一般由槽鋼或工字鋼或方鋼管等焊接成箱型桁架結構作為其鉆架。因鉆機規(guī)格型號不一，故其鉆架具體結構也不盡相同，除滿足設計要求外，還應考慮圓盤式連桿換位儲桿器與鉆架比例尺寸較為協(xié)調為宜。如果各構件的尺寸及角度值選取不當，則會出現(xiàn)比例失調，或因結構不當難以布置。各尺寸或角度可按實際結構予以調整。

最大載荷。因露天鉆機規(guī)格型號不一，故鉆孔角度的范圍也不盡相同。一般大型露天潛孔鉆機常鉆鑿與工作地面的夾角為60°～90°之炮孔或工程用孔，而中小型露天潛孔鉆機鉆鑿對工作面的傾角范圍甚為廣泛。鉆架對地面的夾角越小，轉臂上的工作載荷力矩就越大；當然，轉臂上的載荷力矩隨鉆架對地面的夾角和轉臂轉角β的變化而變化，當鉆機鉆鑿水平孔時（一般只有中小型潛孔鉆機鉆鑿水平孔），即鉆架對地面的夾角為0°時和βmax時轉臂載荷力矩為最大。轉臂上的載荷有儲桿盤、支撐盤、儲桿室、自轉軸、擋盤等零部件及所儲鉆桿。故在設計計算公轉液壓缸驅動公轉軸時，須以最大載荷力矩來設計計算，并能滿足送入或退出工位時間的要求，一般送入或退出工位的時間依鉆機型號之大小，一般約為6s。當然，公轉液壓缸在實際工作中，通過調整液壓系統(tǒng)對其輸入的壓力和流量，可使其對公轉軸載荷驅動力及送入或退出鉆桿時間進行適當調整。

圓盤式儲桿器的鉆桿儲存數(shù)量常為6～10根，其鉆桿長度常為3～8m，不同型號和不同規(guī)格的潛孔鉆機，其采用鉆桿長度也不盡相同。在接卸鉆桿時因公轉軸承受著較大的軸向和徑向載荷，加之自身重力作用，在鉆鑿斜孔時，易產生撓度彎曲。為使公轉軸重量輕且有足夠的剛度，同時保證儲桿器動作平穩(wěn)、準確、可靠，一般在鉆桿長度約6～8m時公轉軸中部給予回轉支撐，其結構和布局方式因鉆架的具體結構不同而不同，根據(jù)鉆架的具體結構和布局，可將該回轉支撐座27布置在鉆架側面，如圖4所示。

圖4 中間支撐座27(序號)的布局示意圖

4 圓盤式連桿換位儲桿器的特點

（1）雙向依次更換鉆桿。只采用一個液壓缸作用公轉軸旋轉，在其送入、退出鉆桿工位的同時，由于連桿機構的作用，使所儲鉆桿的工位可實現(xiàn)雙向即順時針方向或逆時針方向依次更換，克服了圓盤式儲桿器單一方向依次更換鉆桿帶來不便的弊病，不僅減少輔助時間，提高生產效率，而且安全、可靠。

（2）經濟性好。該機構由于采用焊接件和標準件，不僅加工周期短，而且成本低。

（3）結構新穎。國外鉆機常使用連桿換位儲桿器，國內還未見過。

（4）應用范圍廣。該機構均有液壓缸直接驅動，故操縱簡便，動作平穩(wěn)、準確、可靠、壽命長，維修方便。因此，該機構不僅用于露天潛孔鉆機、露天潛孔切削兩用鉆機、井下潛孔鉆機，也可用于錨固鉆機的儲桿器。