鉆臂機構在輪胎式液壓鉆車上的簡單設計

（山東萊特瑞重工智能有限公司，山東 淄博255129）

1 前言

鉆車主要用于非煤礦山井下的鑿巖作業，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現較大調整，以滿足井下開采的需要。液壓掘進鉆車通常在一個工作面要鉆多個孔，每鉆一個孔都要調節鉆臂進行相應定位，因為是人為操作，這就要求液壓掘進鉆車的鉆臂在定位時要調節精準、適應性強、且操作方便，鉆臂結構的強度必須完全滿足鉆車作業時的要求。

2 鉆臂機構的工作結構設計

液壓鉆車的推進機構具有360 度旋轉功能，而且要快速準確定位，因為推進機構是與主臂連接的，要滿足推進機構的工作要求就要從鉆臂機構的設計開始。在設計鉆臂時需要建立一個鉸接點，這個鉸接點必須是可上下左右旋轉的，可以設計一個鉆臂座，把鉆臂座作為基點，主臂和左右舉臂油缸可以圍繞鉆臂座的鉸接點旋轉。左右舉臂油缸提供動力，讓鉆臂機構升高、下降以及左、右旋轉，再加上可以輔助調節推進機構的左、右平動油缸，主臂可以在內部油缸的作用下進行伸縮，從而改變鉆臂機構的長度。主臂的另一端需要設計一個可放置推進機構的承載結構，也就是推進器座，推進器座不能直接與主臂連接，因為推進機構還需旋轉360°，上下擺動和左右擺動，需要在主臂和推進器座之間加輔助裝置，首先增加一個能自轉360°的螺線擺動油缸，最后再增加一個能使推進器座上下擺動的擺角油缸，然后輔助裝置與主臂和推進器座連接，這樣就完成了鉆臂機構設計的基本模型，見圖1。

圖1

3 鉆臂機構的液壓系統設計

液壓系統是整個鉆臂機構的核心，在設計整個液壓系統時需要用一個多路閥來分別控制各個油缸。其中左右舉臂油缸使鉆臂進行升高、下降和左轉、右轉，需要兼顧兩個方向，這是液壓系統的設計難點。我們思考如果只對一個油缸進液口加壓，另一個進液口不加壓力，油缸就會在液體壓力的作用下產生左右轉動，想實現這種功能，我們需要增加一個液控換向閥和一個液控單向閥來完成控制。液控換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，當液控單向閥關閉時，左右舉臂油缸就可以讓液壓油進入，左舉臂油缸進液時，右舉臂油缸會隨著運動軌跡自動收縮，從而完成右轉動作。相反當右舉臂油缸進液時，左舉臂油缸會隨著運動軌跡自動收縮，從而完成左轉動作。同時設計舉臂油缸和平動油缸聯動，當舉臂油缸伸出時，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動，保證了鉆臂在垂直和水平方向都保持平行移動。當液控單向閥打開時，液壓油直接進入液控單向閥，而左右舉臂油缸的進液口則沒有液壓油進入，這時只有左右平動油缸動作，舉臂油缸不再動作。我們可以用一個按鈕開關通過油壓來控制液控單向閥的開關，十字手柄通過油壓來控制液控換向閥，十字手柄的作用就是給液控換向閥傳遞油壓信號，然后液控換向閥再根據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，此外按鈕開關和十字手柄需要進行減壓。

多路閥的其他閥片再分別控制鉆臂伸縮油缸、補償油缸、手動推進油缸、翻轉油缸和擺角油缸，各個油缸需加液壓雙向鎖來穩定狀態和動作。

把多路閥的工作壓力設定在190 bar左右，串聯溢流閥用來控制調節整個鉆臂機構的工作壓力，液壓系統的原理見圖2。

圖2

4 油缸的設計

通過上面的簡易結構圖可以看出：左右舉臂油缸用來調節鉆臂機構的上下升降角度和左右旋轉角度。通過做鉆臂機構的極限狀態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構力矩的分析和計算來確定，整個受力分析可以借助三維軟件來完成，計算出最大的推力和拉力后，再根據公式S=F/P，最終確定缸徑和桿徑的大小，其他油缸的參數設計仿此進行。

5 結構件的設計

主臂內部裝有油缸，油缸可以伸縮從而改變整個鉆臂機構的長度，主臂的長度根據整個鉆車的要求進行計算，同時考慮油缸的伸縮量對長度的影響，主臂的內徑大小與油缸的直徑相關聯，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，推進器座的尺寸設計可以通過推進器的尺寸來確定，連接架的設計可以根據螺線擺動缸和推進器座的尺寸來確定，同時需要考慮鉆臂機構旋轉帶來的影響。

結構件設計完成后，我們最終得到了一個完整的鉆臂機構，見圖3。

圖3