S82氣腿式鑿巖機(jī)的研究

王悅勇

（沈陽(yáng)城市學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110112）

氣腿式鑿巖機(jī)廣泛應(yīng)用于采礦、鐵路及公路建設(shè)等工地，其工作環(huán)境一般是在露天、坑道或山地[1]。目前，市場(chǎng)上的氣動(dòng)鑿巖機(jī)存在許多不足之處，以YT29A為例，氣動(dòng)鑿巖機(jī)工作時(shí)，機(jī)頭與轉(zhuǎn)動(dòng)套之間和活塞與轉(zhuǎn)動(dòng)螺母之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，容易磨損[2]，氣動(dòng)鑿巖機(jī)正常工作過(guò)程中和結(jié)束時(shí)的倒灌會(huì)破壞氣動(dòng)鑿巖機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)，加快磨損，降低零件壽命，也會(huì)使機(jī)器扭矩降低，鑿巖速度下降[3]；原轉(zhuǎn)釬回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為塔形彈簧和棘輪爪組成的棘輪機(jī)構(gòu)，不足之處是轉(zhuǎn)釬扭矩受到一定限制，螺旋母、棘輪爪等零件易于磨損[4]；理想狀態(tài)下，在鑿巖機(jī)工作時(shí)，供水針的水壓應(yīng)低于風(fēng)壓，如水針中的水壓高于風(fēng)壓，水流將有進(jìn)入風(fēng)道及缸體的風(fēng)險(xiǎn)，破壞運(yùn)動(dòng)部件油膜，從而影響鑿巖機(jī)的正常工作，使鑿巖機(jī)中主要零部件被腐蝕或研傷[5]。

1 3D實(shí)體建模

Creo是美國(guó)PTC公司推出的CAD設(shè)計(jì)軟件包。Creo是整合了PTC公司的三個(gè)軟件Pro/Engineer的參數(shù)化技術(shù)、CoCreate的直接建模技術(shù)和ProductView的三維可視化技術(shù)的新型CAD設(shè)計(jì)軟件包，針對(duì)不同的任務(wù)應(yīng)用將采用更為簡(jiǎn)單化子應(yīng)用的方式，所有子應(yīng)用采用統(tǒng)一的文件格式，是PTC公司閃電計(jì)劃所推出的第一個(gè)產(chǎn)品。

本文采用Creo的自頂向下(Top-Down)的建模方法，這是一種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程，從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)開始，而后逐漸的將產(chǎn)品定位設(shè)計(jì)，最后設(shè)計(jì)成具有完整零部件的整機(jī)。自頂向下設(shè)計(jì)的核心是將產(chǎn)品的關(guān)鍵信息放在一個(gè)骨架的模型上，在設(shè)計(jì)中通過(guò)捕捉骨架模型信息傳遞到底層的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中。骨架模型更改后整個(gè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)將隨著更新。S82型氣腿式鑿巖機(jī)三維實(shí)體模型見(jiàn)圖1。

圖1 S82型氣腿式鑿巖機(jī)實(shí)體模型

鑿巖機(jī)利用自頂向下建模便于管理，可以系統(tǒng)管理整體中的子零部件，能方便地控制零件與零件之間的裝配間隙和約束關(guān)系，子零部件可方便順利進(jìn)行設(shè)計(jì)而不必考慮裝配問(wèn)題。

2 沖擊配氣機(jī)構(gòu)

S82氣動(dòng)鑿巖機(jī)對(duì)釬桿的沖擊是由活塞在氣缸中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成的。活塞能在氣缸中產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)主要依靠配氣裝置的作用。沖擊配氣結(jié)構(gòu)由活塞、氣缸、導(dǎo)向套、及配氣裝置（包括配氣閥、閥套、閥柜）組成。沖擊配氣機(jī)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。

S82鑿巖機(jī)強(qiáng)勁的氣體控制系統(tǒng)：將缸徑增大，密封性增強(qiáng)，產(chǎn)生更強(qiáng)勁的鑿巖沖擊能量，使得鑿巖速度顯著提升。

圖2 沖擊配氣機(jī)構(gòu)

3 冷卻潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)

S82鑿巖機(jī)的潤(rùn)滑及冷卻機(jī)構(gòu)，由操縱閥、柄體、缸體、導(dǎo)向套和機(jī)頭組成，操縱閥設(shè)在柄體內(nèi)，在操縱閥上開有強(qiáng)吹孔，柄體上設(shè)有柄體孔道。其特征在于，在操縱閥的強(qiáng)吹孔的位置上，沿操縱閥的徑向開了個(gè)環(huán)形溝槽，當(dāng)氣動(dòng)鑿巖機(jī)通入壓縮空氣（含油）時(shí)，壓縮空氣（含油）就會(huì)通過(guò)操縱閥環(huán)形溝槽沿柄體孔道、缸體孔道、導(dǎo)向套體孔道和機(jī)頭氣孔進(jìn)入氣動(dòng)鑿巖機(jī)前端的機(jī)頭內(nèi)。環(huán)形溝槽的寬度為2mm，環(huán)形溝槽的深度為0.5 mm。壓縮空氣（含油）進(jìn)入機(jī)頭后，經(jīng)過(guò)機(jī)頭與轉(zhuǎn)動(dòng)套之間的間隙并形成油膜，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑及冷卻功能，再通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)套氣孔進(jìn)入轉(zhuǎn)動(dòng)套體內(nèi)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)螺母與活塞之間的間隙并形成油膜，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑及冷卻功能，同時(shí)氣體在機(jī)頭內(nèi)形成壓力腔，壓力腔內(nèi)的壓力高于水壓，從而防止水從釬桿的中心孔倒灌到氣動(dòng)鑿巖機(jī)內(nèi)。潤(rùn)滑冷卻結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 冷卻潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)

4 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

常見(jiàn)的棘輪彈簧為蝸卷螺旋彈簧，此種彈簧伸縮受力為非線性，且塔形彈簧受力差別較大，故而棘輪爪受力不均，固定不牢，降低扭矩利用率；且蝸卷螺旋彈簧在高頻伸縮過(guò)程中極易疲勞失效，從而造成氣動(dòng)鑿巖機(jī)的運(yùn)行不穩(wěn)定，限制了其在鑿巖領(lǐng)域中的更廣泛應(yīng)用。

S82氣動(dòng)鑿巖機(jī)及其回轉(zhuǎn)和逆鎖機(jī)構(gòu)包括棘輪、螺旋棒和棘輪爪，其還包括至少兩個(gè)棘輪銷和棘輪彈簧，所述的棘輪銷沿螺旋棒軸向?qū)ΨQ設(shè)置。棘輪銷至少為一對(duì)，其一端接棘輪彈簧并且設(shè)置于螺旋棒的彈簧孔內(nèi)，所述的彈簧孔沿螺旋棒軸的徑向并錯(cuò)位均勻分布；其另一端與棘輪爪的一端平面為點(diǎn)面形式接觸，支撐棘輪爪實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)斷面如圖4所示。

圖4 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)斷面圖

S82鑿巖機(jī)設(shè)置了棘輪銷和棘輪彈簧，其使棘輪爪在螺旋棒旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中受力更均勻，增強(qiáng)了設(shè)備的扭矩利用率。棘輪彈簧為線性彈簧，配合高硬度棘輪銷一起應(yīng)用，相比原來(lái)單一的塔形彈簧而言，壽命大幅度提高。

5 沖洗機(jī)構(gòu)

S82鑿巖機(jī)沖洗機(jī)構(gòu)用于鑿巖過(guò)程中控制水針處水的流量，設(shè)計(jì)這個(gè)氣動(dòng)鑿巖機(jī)的水沖洗機(jī)構(gòu)目的在于防止水壓高于風(fēng)壓時(shí)，使鑿巖工作異常。沖洗機(jī)構(gòu)中包含了一個(gè)水閥，當(dāng)水壓低于風(fēng)壓時(shí)，允許水通過(guò)水針。水閥中有一個(gè)通道可以使水從水針通過(guò)并且能被風(fēng)壓所阻止。如果水壓高于風(fēng)壓，這個(gè)水閥會(huì)移動(dòng)到某一位置阻止水流經(jīng)過(guò)水針直到水壓下降到某一點(diǎn)并且低于風(fēng)壓的時(shí)候，水閥將再次開啟。沖洗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 沖洗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

由于設(shè)置了此結(jié)構(gòu)，使得無(wú)論外接水源壓力為多少，都能保證鑿巖機(jī)工作過(guò)程中，水針內(nèi)的水壓低于風(fēng)壓，防止水倒灌至機(jī)體，破壞零部件的油膜，導(dǎo)致零部件腐蝕或研傷。

6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

S82鑿巖機(jī)樣機(jī)試制后，在工廠實(shí)驗(yàn)室和客戶現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大量試驗(yàn)，其中表1為廠內(nèi)實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試數(shù)據(jù)，表2為客戶現(xiàn)場(chǎng)鑿巖數(shù)據(jù)。

從表中可以看出，S82鑿巖機(jī)與YT29A鑿巖機(jī)相比，扭矩提升約20%，沖擊能提升約10%，鑿速提升約15%。

從表中可以看出，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，S82與YT29A鑿速對(duì)比，平均進(jìn)尺效率提高約18.8%。

7 結(jié)語(yǔ)

S82鑿巖機(jī)是阿特拉斯·科普柯（沈陽(yáng)）公司針對(duì)現(xiàn)有氣動(dòng)鑿巖產(chǎn)品存在的不足做了深入研究，逐一制定解決辦法，以提升鑿巖效率為核心目標(biāo)，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)做了四項(xiàng)升級(jí)。強(qiáng)勁的氣體控制系統(tǒng)，將缸徑增大，密封性增強(qiáng)，產(chǎn)生更強(qiáng)勁的鑿巖沖擊能量，使鑿巖速度顯著提升；先進(jìn)的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，使扭矩比YT29A產(chǎn)品提高20%左右，在軟硬巖或破碎巖石的情況下，均能流暢使用，并發(fā)揮出快速的鑿巖功效；新增兩處冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)，機(jī)器使用更加平穩(wěn)流暢，同時(shí)，提升活塞、釬套及釬桿的使用壽命，降低零件及配件的更換成本；創(chuàng)新的沖洗結(jié)構(gòu)，當(dāng)水壓高于風(fēng)壓時(shí)，注水閥自動(dòng)減壓，防止水倒灌至機(jī)體產(chǎn)生停機(jī)，操作簡(jiǎn)單，作業(yè)更高效。這四項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新將幫助客戶實(shí)現(xiàn)快速鑿巖，流暢作業(yè)，工時(shí)縮短，成本降低，實(shí)現(xiàn)客戶利益的最大化。

表1 廠內(nèi)實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 客戶現(xiàn)場(chǎng)鑿巖數(shù)據(jù)S82現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)報(bào)告-保定來(lái)源

參考文獻(xiàn)：

[1]劉恩國(guó)．淺析氣動(dòng)鑿巖機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)[J]．鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，2013，（4）：14-16．

[2]陳秉志譯．鑿巖機(jī)械的耐久性及配合零件精度的確定[J]．鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，1987，(2)，47．

[3]王悅勇等.一種新型氣動(dòng)鑿巖機(jī)潤(rùn)滑及冷卻機(jī)構(gòu)[J]．潤(rùn)滑與密封，2016，（12）：134-135．

[4]劉恩國(guó)，張峰華．一種氣動(dòng)鑿巖機(jī)及其回轉(zhuǎn)和逆鎖機(jī)構(gòu)：中國(guó),201520296432.1[P]．2015-05-11．

[5]張峰華，劉鑒，劉恩國(guó)，王悅勇．一種氣動(dòng)鑿巖機(jī)及其水沖洗機(jī)構(gòu)：中國(guó)，201620481313.8[P]．2016-05-25．