鉆機配油套試驗裝置設(shè)計與密封機理分析

楊江波，鄔 迪，陳逢雷，王 松，陳 翔

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

0 引言

國內(nèi)煤礦坑道鉆探廣泛采用全液壓動力頭式坑道鉆機，這種鉆機大多采用膠囊式卡盤夾緊鉆桿。工作時，卡盤既要夾緊鉆桿還要隨動力頭主軸高速回轉(zhuǎn)，故采用配油套這種浮動式自動平衡定心結(jié)構(gòu)來為卡盤供油。配油套通過與主軸配合形成一個極小的密封間隙來阻止壓力油的泄漏，使得配油套與主軸之間既能起到密封作用，還可以存在高速的相對轉(zhuǎn)動，如圖1所示[1]?，F(xiàn)有的檢測手段很難直接測量配油套在工作時密封間隙的大小，因此通過檢測其泄漏量衡量其密封性能。配油套型號多樣，拆裝工作復(fù)雜，因此有必要研究一種配油套密封性能快速檢測裝置。

圖1 膠囊式液壓卡盤工作原理圖

1 配油套密封機理分析

如圖1所示，高壓油從濾油器、經(jīng)芯管進入主軸與配油套形成的密封間隙內(nèi)（這個密封間隙很小，對高壓油存在流阻效應(yīng)），可有效阻止高壓油從配油套兩端泄漏，使密封間隙內(nèi)的油液可以保持較高的壓力，形成一個高壓油環(huán)，從而使高壓油通過主軸上配油孔進入卡盤，壓縮膠筒實現(xiàn)卡盤的夾緊功能。這種卡盤供油結(jié)構(gòu)使得配油套與主軸之間既有高速的相對轉(zhuǎn)動，又能起到密封作用，是一種高效的密封方式。

浮環(huán)密封屬于非接觸式密封，在密封間隙處存在一定的泄漏量。配油套泄漏量過大時會影響卡盤工作性能，因此必須控制其泄漏量在一定范圍內(nèi)。配油套的泄漏量計算可參考偏心環(huán)縫中流體流動公式[2]：

式中，Q為泄漏量，m3/s；△p為密封液體壓降，Pa；μ 為流體動力粘度，Pa·s；L 為節(jié)流長度，m；d 為環(huán)形間隙直徑，m；δ為密封間隙，m；e為偏心距，m；ε為相對偏心，ε =e/δ。

2 試驗裝置設(shè)計

2.1 總體設(shè)計要求

配油套試驗裝置要盡可能真實地模擬配油套的工作狀況，測量在各種工作參數(shù)下配油套泄漏量的具體數(shù)值，對其性能進行量化分析。試驗裝置的總體設(shè)計要求如下：

（1）可以反映卡盤工作狀態(tài)下的實際工況，例如主軸轉(zhuǎn)速的變化情況，配油套與主軸間隙內(nèi)液壓油溫度和壓力的變化情況。

（2）可以準確的對裝置的試驗數(shù)據(jù)進行測量，對試驗數(shù)據(jù)的采集必須迅速、簡便，還需要具有動態(tài)儲存功能。

（3）可以檢測大部分型號的配油套，檢測裝置需要具有拆裝方便、準備時間短等優(yōu)點。

2.2 方案設(shè)計

結(jié)合配油套的實際工作狀態(tài)，配油套在回轉(zhuǎn)器中的裝配關(guān)系以及配油套的工作參數(shù)范圍、型號尺寸信息設(shè)計了如圖2所示的試驗裝置。

圖2 配油套密封性能檢測試驗裝置

檢測裝置根據(jù)中煤科工集團西安研究院有限公司（以下簡稱西安院）ZDY系列鉆機設(shè)計，主要包括底座、電機、箱體、主軸、配油套和濾油器等幾部分。檢測裝置采用電動機直接驅(qū)動主軸回轉(zhuǎn)的懸臂式結(jié)構(gòu)，整個裝置通過電動機安裝在底座上。這種懸臂式布局具有整體結(jié)構(gòu)緊湊、更換配油套快捷、可準確模擬配油套的工作狀態(tài)等優(yōu)點。通過箱體外側(cè)的有機玻璃窗口，可以觀察主軸和配油套的工作情況。

回轉(zhuǎn)部件分為主軸和軸套兩部分，配油套安裝在軸套上，模擬其工作狀態(tài)。軸套和配油套都可以在不拆開箱體的情況下快速裝卸，通過跟換相匹配的軸套和配油套，就可以實現(xiàn)不同型號配油套的快速檢測。

檢測時，采用液壓泵站將高壓油經(jīng)濾油器、芯管注入配油套與主軸間隙內(nèi)，然后啟動電機，驅(qū)動主軸回轉(zhuǎn)。通過泵站控制液壓油壓力，通過電機控制主軸轉(zhuǎn)速就能模擬不同工況下的配油套的工作狀態(tài)。

2.3 驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了準確模擬工作狀態(tài)下主軸持續(xù)回轉(zhuǎn)而配油套浮動的工作狀態(tài)，采用電動機驅(qū)動主軸，同時通過變頻器驅(qū)動電動機來調(diào)節(jié)主軸回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。檢測裝置采用YJTG-132M2-6型電動機，其主要技術(shù)參數(shù)如下：額定電壓 380 V；額定頻率 50 Hz，5～50 Hz范圍內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，同步轉(zhuǎn)速1 000 r/min；變頻器采用LK530型開環(huán)矢量變頻器，其主要技術(shù)參數(shù)如下：輸出頻率0～600 Hz、適合電機7.5 kW及以下。采用變頻器驅(qū)動電動機的方式可以將電動機的輸出轉(zhuǎn)速控制在100～1 000 r/min，額定功率是5.5 kW，額定電流是12 A，額定扭矩是52.5 N·m，可以滿足檢測裝置設(shè)計的要求。

2.4 主軸的設(shè)計

ZDY系列鉆機動力頭中，主軸作為回轉(zhuǎn)部件，它與配油套的配合尤為重要。在本檢測裝置中，主軸和軸套作為關(guān)鍵零件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)會直接影響檢測結(jié)果。主軸結(jié)構(gòu)如圖2所示，左端通過軸承安裝在箱體上，右端通過圓錐面和軸套配合。在主軸右側(cè)端面上設(shè)計有螺紋孔，可以對軸套進行快速安裝和拆卸。采用這種結(jié)構(gòu)形式，只需要一根主軸，就可以對多種型號的配油套進行檢測，具有節(jié)約成本的優(yōu)點，同時還使得整個檢測裝置結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝快捷。

2.5 液壓泵站的選擇

通過液壓泵站為配油套密封間隙內(nèi)供油來模擬主軸回轉(zhuǎn)時配油套的工作狀態(tài)，同時控制液壓油的輸出壓力和溫度模擬配油套不同的工作狀態(tài)。試驗裝置所用液壓泵站選用西安院的MK-3型液壓泵站，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。其液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

表1 MK-3型液壓泵站技術(shù)參數(shù)

圖3 MK-3型泵站液壓系統(tǒng)原理

電機帶動液壓泵泵吸入油箱低壓油，輸出高壓油到換向閥。換向閥控制高壓油經(jīng)過濾油器進入配油套與主軸之間的密封間隙內(nèi)，模擬鉆機卡盤的工作狀態(tài)，濾油器進油口處安裝壓力傳感器，可以實時檢測配油套的工作壓力。通過調(diào)節(jié)溢流閥可以控制密封間隙內(nèi)壓力油的大小。

為了可以準確的對檢測裝置的試驗數(shù)據(jù)進行精確、實時測量，檢測裝置還需要配備一套試驗參數(shù)檢測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)分為硬件和軟件兩個部分。硬件包含計算機、傳感器、信號采集器和電源控制器；軟件可以對采集到的數(shù)據(jù)進行顯示、存儲和處理。

2.6 傳感器的選型

（1）壓力傳感器選用CYB13XMSK智能數(shù)顯壓力開關(guān)，其主要技術(shù)參數(shù)如下：

量程 0～40 MPa

精度等級±0.3%

介質(zhì)溫度 -20～+85℃

輸出信號4～20 mA標準信號輸出

（2）溫度傳感器選用SBYW一體化溫度變送器，其主要技術(shù)參數(shù)如下：

量程 0～80℃

精度等級±0.2%

輸出信號4～20mA標準信號輸出

（3）稱重傳感器選用MS—1型鋼制“S”稱重傳感器，其主要參數(shù)如下：

量程 0～20 kg

精度等級±0.2%

輸出信號4～20 mA標準信號輸出

本配油套密封性能檢測試驗裝置如圖4所示，其技術(shù)參數(shù)如表2所示。

圖4 配油套密封性能檢測試驗裝置

表2 配油套密封性能檢測試驗裝置技術(shù)參數(shù)

3 試驗方案設(shè)計

此次試驗選用應(yīng)用廣泛的ZDY4000S型全液壓坑道鉆機配油套進行測試，鉆機的相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 Z D Y4000S鉆機技術(shù)參數(shù)

現(xiàn)有配油套的密封間隙一般控制在0.02mm[3-4]，但由于配油套工作時受液壓油溫度升高、壓力增大影響，導(dǎo)致配油套密封間隙增大，泄漏量迅速增大，影響鉆機性能。

將配油套工作壓力作為一個考察變量，研究其泄漏量與工作壓力的關(guān)系；將配油套內(nèi)、外套厚度比η作為一個考察變量，研究配油套泄漏量與其厚度比的關(guān)系，內(nèi)、外套厚度比為η=h2/h1，其中h2為外套壁厚，h1為內(nèi)套壁厚。試驗所需配油套如表4所示。

表4 配油套參數(shù)

采用表中所列配油套，制定試驗方案如下：

（1）6組配油套在工作壓力與溫升一定時，配油套厚度比對其泄漏量的影響；

（2）厚度比與溫升一定時，工作壓力對配油套泄漏量的影響。

4 試驗數(shù)據(jù)分析

選定主軸轉(zhuǎn)速為200 r/min進行試驗。

（1）厚度比對泄漏量的影響

圖5為試驗得到的厚度比與配油套泄漏量的關(guān)系圖。分析圖中數(shù)據(jù)可知，壓力、溫度相同時，泄漏量隨著厚度比的增大而減小。配油套在21 MPa工作壓力，25℃溫度時，當(dāng)厚度比大于1.4時，配油套的泄漏量小于5 L/min。

圖5 配油套泄漏量與厚度比關(guān)系

（2）壓力對泄漏量的影響

圖6為試驗得到的壓力與配油套泄漏量的關(guān)系圖。分析圖中數(shù)據(jù)可知，厚度比不變時，泄漏量隨著壓力的增大而增大，厚度比為1.4時，壓力超過21 MPa后，配油套泄漏量明顯增大。

圖6 配油套泄漏量與壓力關(guān)系

5 結(jié)語

通過利用此試驗裝置對配油套進行實際檢測證明，設(shè)計的配油套性能檢測試驗裝置性能可靠，檢測范圍廣，拆裝方便，對完善配油套的檢測方法，有效提高鉆機液壓系統(tǒng)容積效率具有較大的意義。

厚度比不足會導(dǎo)致配油套抗變形能力差，配油套泄漏量增大，ZDY4000S鉆機的配油套推薦厚度比不得小于1.4。