履帶式鉆桿吊裝車總體方案設(shè)計(jì)及性能參數(shù)確定

王 杰

1中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 重慶 400039

2瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400037

目 前，煤礦井下瓦斯抽放鉆孔多為巷道內(nèi)近水平鉆孔施工，在加接鉆桿時(shí)，主要采用人工搬運(yùn)、舉升和手?jǐn)Q對(duì)中的傳統(tǒng)方式，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度高、操作效率低，而且對(duì)人員的人身安全存在著較大的風(fēng)險(xiǎn)。隨著近幾年來(lái)“煤礦井下頂板高位大直徑定向鉆孔”工藝的興起，瓦斯抽采鉆孔的直徑越來(lái)越大，施工鉆具的質(zhì)量和尺寸都相應(yīng)增加，傳統(tǒng)的人工加接鉆桿方式將需要更多的人力和輔助工具，無(wú)法滿足高效鉆孔的要求。相比地面豎直鉆進(jìn)工程，由于井下鉆場(chǎng)作業(yè)空間受限、煤礦特殊環(huán)境要求和施工方式的不同，無(wú)法采用鉆機(jī)隨車配備卷?yè)P(yáng)機(jī)的方案，其他輕小型起重設(shè)備也較難滿足井下瓦斯抽采鉆孔施工工藝的要求。因此，亟需研制一種能夠適應(yīng)井下鉆孔要求的鉆桿吊裝車，實(shí)現(xiàn)從鉆桿堆放區(qū)到鉆機(jī)施工處的短距離鉆桿搬運(yùn)和上鉆“定位”功能，僅需人工輔助即可完成上下鉆桿的操作流程，解決大直徑鉆桿加接困難的問題。

1 設(shè)計(jì)要求

煤礦井下大直徑定向鉆機(jī)由于外形尺寸較大，施工過程中所需輔助設(shè)備及鉆桿數(shù)量較多，在布置鉆場(chǎng)時(shí)，一般將鉆桿擺放在距離主機(jī) 10～30 m 的地方，因此鉆桿吊裝車需要具有獨(dú)立行走和裝載鉆桿的功能，且裝載鉆桿的數(shù)量能夠滿足 1 個(gè)作業(yè)班組的施工需求。為了能抓取鉆桿并起吊到鉆桿車或鉆機(jī)上的搓桿機(jī)構(gòu)中，需具有輔助起吊及鉆桿定位的功能，鉆桿可以在起吊空間任意位置隨遇平衡，滿足定位的需求。

2 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

履帶式鉆桿吊裝車在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，將各個(gè)功能部件布置在履帶行走底盤上，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能多樣、便于維修的特點(diǎn)。

2.1 總體方案布局

鉆桿吊裝車由履帶底盤、液壓平衡吊、鉆桿吊具、液壓泵站、電控柜和操縱臺(tái)等部件組成，整體結(jié)構(gòu)布局如圖 1 所示。鉆桿按照分層擺放的形式固定在車體一側(cè)，每層及每根鉆桿之間都留有間隙，便于吊具抓放鉆桿。通過更換鉆桿卡座，可以擺放不同規(guī)格和數(shù)量的鉆桿，最大裝載鉆桿長(zhǎng)度為 3 m，最多可裝載 16 根直徑 127 mm 的定向鉆桿。履帶車搬運(yùn)鉆桿過程中，由卡座兩側(cè)的拉桿螺母鎖緊鉆桿，防止竄動(dòng)。起吊時(shí)由鉸接在液壓平衡吊末端的鉆桿吊具鎖緊鉆桿，平衡吊具有水平、豎直和回轉(zhuǎn) 3 種運(yùn)動(dòng)方式，可將鉆桿“定位”到工作空間的任一位置，滿足鉆機(jī)上、下鉆桿的工藝需求。

圖1 鉆桿吊裝車結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of drill pipe lifting truck

2.2 履帶底盤

履帶底盤由履帶總成、行走馬達(dá)、機(jī)架和錨固液壓缸等組成，結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。左右對(duì)稱的 2 套行走履帶與機(jī)架剛性連接，由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車體前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎，具有接地比壓低、轉(zhuǎn)彎半徑小、通過能力強(qiáng)的特點(diǎn)。在履帶車體前、后側(cè)分別安裝了 2 只錨固液壓缸，用于起吊作業(yè)時(shí)車體的穩(wěn)固和調(diào)平。

圖2 履帶行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of crawler walking mechanism

2.3 液壓平衡吊

液壓平衡吊是一種采用液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械式平衡吊，由平行四邊形桿系、頭架、配重、固定立柱和驅(qū)動(dòng)液壓缸組成，結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，運(yùn)用平形四邊形的縮放原理和桿系的平衡原理，實(shí)現(xiàn)了空間內(nèi)任一點(diǎn)的隨遇平衡。工作時(shí)，平衡吊的水平運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由手動(dòng)控制，僅需操作者施加幾千克的輔助力，升降運(yùn)動(dòng)由驅(qū)動(dòng)液壓缸控制，具有省力高效、操作方便的特點(diǎn)。

圖3 液壓平衡吊結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of hydraulic balance crane

2.4 鉆桿吊具

鉆桿吊具用于抓取鉆桿，由橫梁、兩組 X 形抓手、卡瓦和螺旋鎖定機(jī)構(gòu)等組成，結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)，X 形抓手上部收緊，下部夾緊鉆桿，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)則松開鉆桿，能夠滿足直徑 89～127 mm 范圍內(nèi)的多種規(guī)格鉆桿的夾緊需求。每個(gè)抓手上安裝有 4 片卡瓦，可增加抓手與鉆桿壁之間的摩擦力，防止鉆桿滑落。吊具與平衡吊吊鉤鉸接連接，可有效擴(kuò)展鉆桿的活動(dòng)范圍。

圖4 鉆桿吊具結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of drill pipe lifter

3 液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

鉆桿吊裝車為間歇性工作方式，時(shí)間間隔在 30～120 min 之間，工作頻率較低。從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，采用定量泵開式液壓系統(tǒng)，包括行走錨固系統(tǒng)和起吊系統(tǒng)兩大部分，操作方式為液壓先導(dǎo)操作，液壓原理如圖 5 所示。

其中，主多路閥 3 為 4 片式液控?fù)Q向閥，第 1 聯(lián)控制液壓平衡吊升降液壓缸 5 的伸出或收回，第 2、3 聯(lián)分別控制履帶車左、右側(cè)行走馬達(dá) 6.1 和 6.2 前進(jìn)和后退，第 4 聯(lián)為錨固液壓缸 8 提供工作油源。先導(dǎo)油源閥 2 串聯(lián)在定量泵 1 的出口，為先導(dǎo)手柄 7 提供控制油源。功能選擇閥 10 為兩位四通換向閥，用于行走錨固和起吊功能的切換，置于前位時(shí)，先導(dǎo)手柄 7.1 可以工作，控制起吊系統(tǒng)正常工作；置于后位時(shí)，行走手柄 7.2 和 7.3 可以工作，同時(shí)，先導(dǎo)油路控制主多路閥的第 4 聯(lián)換向，為錨固多路閥 9 提供壓力油。錨固多路閥 9 分別控制 4 根錨固液壓缸的伸出與收回，液壓缸上安裝有液壓鎖用于回路保壓。調(diào)速閥 4 安裝在升降液壓缸的有桿腔上，通過調(diào)節(jié)節(jié)流口的開度可以控制液壓缸伸出和收回速度，液控單向閥用于防止重物下落。

圖5 鉆桿吊裝車液壓系統(tǒng)Fig.5 Hydraulic system of drill pipe lifting truck

4 主要技術(shù)參數(shù)確定及選型計(jì)算

4.1 技術(shù)參數(shù)的確定

履帶式鉆桿吊裝車的技術(shù)參數(shù)應(yīng)能滿足鉆機(jī)上下鉆桿的工藝需求，其載質(zhì)量由機(jī)身自身質(zhì)量和最大鉆桿數(shù)確定，行走速度和爬坡能力與鉆機(jī)參數(shù)相適應(yīng)，平衡吊的工作范圍和技術(shù)參數(shù)由上下鉆桿時(shí)的空間要求確定，各項(xiàng)主要技術(shù)參數(shù)如表 1 所列。

表1 履帶式鉆桿吊裝車主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of crawler drill pipe lifting truck

4.2 履帶行走系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

行走系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算的依據(jù)主要是履帶的牽引力，包括行走馬達(dá)排量、轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)流量的計(jì)算。而計(jì)算牽引力需要考慮履帶行走過程中的各種阻力系數(shù)，比較繁瑣，此處計(jì)算主要考慮坡道滾動(dòng)阻力、回轉(zhuǎn)阻力和爬坡阻力，則所需牽引力[1]

式中：f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，取f=0.1；為回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)，取為爬坡阻力系數(shù)，取=20°；m為履帶車總質(zhì)量，m=6 000 kg。

由牽引力計(jì)算馬達(dá)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，然后得到所需行走馬達(dá)的當(dāng)量排量

式中：Dk為驅(qū)動(dòng)輪齒節(jié)圓直徑；Δp為馬達(dá)工作壓差；為馬達(dá)機(jī)械效率。

由履帶行走速度可計(jì)算驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速

式中：v為履帶行走速度。

由驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速和馬達(dá)當(dāng)量排量計(jì)算所需液壓泵的流量

4.3 起吊系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

起吊系統(tǒng)計(jì)算主要是計(jì)算平衡吊驅(qū)動(dòng)液壓缸參數(shù)。為了確定液壓缸工作面積及所需流量，需要計(jì)算液壓缸的輸出力及位移。液壓平衡吊的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理如圖 6 所示，A為平衡吊的吊鉤位置；D為活動(dòng)支點(diǎn)，只能沿x方向運(yùn)動(dòng)，J為與液壓缸連接的鉸接點(diǎn)，受液壓缸控制只能沿y方向運(yùn)動(dòng)，在受力分析時(shí)為固定支點(diǎn)。A和A′組成的陰影區(qū)域?yàn)槠胶獾踉趚y平面內(nèi)的工作范圍。

圖6 液壓平衡吊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.6 Sketch of hydraulic balance crane mechanism

根據(jù)平衡吊平行四邊形桿系的受力分析結(jié)果，為了實(shí)現(xiàn)桿系平衡，需滿足=k，k為平衡吊的放大系數(shù)，一般取k=5～10。由相似三角形原理可以得出A點(diǎn)的位移及受力計(jì)算公式[2-3]

式中：sx為A點(diǎn)的水平位移；sy為A點(diǎn)的垂直位移；GA為吊點(diǎn)A處的重物重力；FJ為液壓缸的J點(diǎn)處的拉力。

根據(jù)技術(shù)參數(shù)，確定液壓缸的工作壓力p=5 MPa，桿系放大系數(shù)取k=6，則驅(qū)動(dòng)液壓缸有桿腔的工作力FJ、速度vJ和行程sJ分別為

5 結(jié)語(yǔ)

煤礦井下履帶式鉆桿吊裝車采用履帶行走機(jī)構(gòu)解決了多根鉆桿的搬運(yùn)和存放問題，利用液壓平衡吊實(shí)現(xiàn)了鉆桿的起吊和空間定位，能夠滿足“頂板高位大直徑”鉆孔過程中輔助上下鉆桿的使用要求，為鉆機(jī)上下鉆桿提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。按照該思路設(shè)計(jì)的吊裝車，相比傳統(tǒng)的“肩扛手?jǐn)Q”加接鉆桿方式，具有高效、省力、操作便捷的特點(diǎn)，同時(shí)，有效降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，具有廣闊的應(yīng)用前景。