煤礦井下炮眼施工鉆機(jī)液壓泵站的設(shè)計

高 鑫

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

在煤礦綜采過程中經(jīng)常會遇到硬巖斷層等的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造情況，制約了綜采工作面的推進(jìn)速度，給煤礦安全生產(chǎn)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]，尤其是遇到巖性硬度等級較高的斷層時影響最為突出[2]。煤礦長期以來對于煤層變薄甚至尖滅、斷層落差較大且頂?shù)装鍘r石硬度系數(shù)較大的工作面多采用放震動炮的方法進(jìn)行解決處理[3]，而其中作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)的炮眼施工直接影響著爆破效率，以至于影響著整個綜采工作面的施工速度[4]。為此，一種適用于綜采工作面炮眼施工的履帶式全液壓坑道鉆機(jī)，一種能提高炮眼施工效率，搬遷穩(wěn)固迅速、降低工人勞動強(qiáng)度的履帶式鉆機(jī)應(yīng)運而生。

該型炮眼鉆機(jī)為整體履帶式結(jié)構(gòu)，集成了包括給進(jìn)裝置、調(diào)角裝置、操縱臺、液壓泵站、履帶車體、油霧潤滑器等主要結(jié)構(gòu)部件。而其中液壓泵站是炮眼鉆機(jī)的動力源部分，液壓泵站由電機(jī)泵組、冷卻器、油箱總裝等組成，泵站中的齒輪泵從油箱中吸入低壓油的同時輸出高壓油，然后分流進(jìn)入各個液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)[5]，從而完成炮眼鉆機(jī)的各個功能。因此，保證液壓泵站的平穩(wěn)、可靠運行是保證整個炮眼鉆機(jī)安全、高效工作的關(guān)鍵要素之一[6]。

1 炮眼鉆機(jī)泵站液壓原理

炮眼鉆機(jī)泵站液壓原理圖如圖1。采用煤礦井下坑道鉆機(jī)液壓系統(tǒng)中經(jīng)典的雙泵開式循環(huán)系統(tǒng)，液壓元器件上選用定量齒輪泵和電磁比例換向閥等先進(jìn)的液壓元件和控制技術(shù)[7]。主泵、副泵共用同一個油箱總裝，Ⅰ泵經(jīng)自封式吸油濾油器吸入低壓油，輸出的高壓油經(jīng)過高壓濾油器后進(jìn)入電磁回轉(zhuǎn)行走閥，供給動力頭沖擊和履帶行走液壓執(zhí)行元件。Ⅱ泵也通過自封式吸油濾油器吸入低壓油，泵出口高壓油經(jīng)過高壓濾油器后進(jìn)入到調(diào)角穩(wěn)固多路閥，包括切換鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)給進(jìn)起拔和調(diào)角穩(wěn)固功能。最終，鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的總回油經(jīng)過冷卻器、回油濾油器再次循環(huán)回油箱腔體中。

圖1 炮眼鉆機(jī)泵站液壓原理圖Fig.1 Hydraulic schematic diagram of blasthole drilling rig pump station

2 炮眼鉆機(jī)液壓泵站方案

炮眼鉆機(jī)泵站由Ⅰ泵、Ⅱ泵高壓濾油器、電機(jī)泵組、油箱總裝和冷卻器等液壓元件構(gòu)成，根據(jù)鉆機(jī)在日常操作使用過程中對壓力、流量以及清潔度的要求，穩(wěn)定提供液壓油介質(zhì)。按照液壓泵安裝位置的不同，可以將油箱分為上置式、旁置式和下置式3 種結(jié)構(gòu)[8]。由于炮眼施工本身就存在振動較大等現(xiàn)象，不宜將液壓泵和電動機(jī)等安裝在油箱上，因而不能采用上置式結(jié)構(gòu)。而下置式結(jié)構(gòu)，即電機(jī)泵組安裝在油箱之下，盡管可使設(shè)備的安裝面積減少，使液壓泵的吸入性能得到有效改善，但該結(jié)構(gòu)常常是加高到使人能在油箱底下穿越，從而便于對液壓泵的安裝與維修[9]，但相對于窄體履帶式坑道鉆機(jī)來說，由于履帶車體本身已經(jīng)在高度上占用了很大空間，因而下置式結(jié)構(gòu)不具有高度低且搬遷方便的優(yōu)勢[10]。最終，鉆機(jī)采用了旁置式的布局結(jié)構(gòu)，即電機(jī)泵組安裝于油箱總裝的旁側(cè)，與油箱總裝共同裝配在履帶車體平臺上，電機(jī)泵組采用立式安裝形式，不僅使油箱內(nèi)的液面最大程度上高于液壓泵的吸油口，從而收到更好的吸油效果，而且有效地優(yōu)化了泵站空間占比，最大限度挖掘出了履帶車體上部的空間利用率，且便于日常維修保養(yǎng)。炮眼鉆機(jī)泵站布置圖如圖2。

圖2 炮眼鉆機(jī)泵站布置圖Fig.2 Layout of blasthole drilling rig pump station

3 炮眼鉆機(jī)液壓泵站設(shè)計

3.1 液壓泵選型

泵的設(shè)計準(zhǔn)則和習(xí)慣一般是高壓系統(tǒng)選擇軸向柱塞泵，中低壓系統(tǒng)選擇葉片泵或齒輪泵[11]，本鉆機(jī)選用了齒輪泵形式。根據(jù)鉆機(jī)使用工況、沖擊和轉(zhuǎn)速等的需求，選擇主、副泵開式循環(huán)液壓系統(tǒng)，由液壓泵的空間利用率的角度出發(fā)，采用串聯(lián)式雙泵結(jié)構(gòu)。主泵為鉆機(jī)動力頭沖擊、履帶行走提供動力，副泵為鉆機(jī)動力頭回轉(zhuǎn)給進(jìn)、調(diào)角穩(wěn)固、電纜卷筒轉(zhuǎn)動等輔助動作提供動力。

外購沖擊動力頭在正常沖擊使用時又分為開孔沖擊和正常沖擊，其中開孔沖擊時額定壓力為6 MPa，正常沖擊時油路液壓壓力為12 MPa，沖擊所需液壓流量為45 L/min，動力頭回轉(zhuǎn)所需要流量為25 L/min，給進(jìn)油缸所需要的流量為15 L/min，給進(jìn)速度要求3 m/min，起拔速度30 m/min，于是采用通過鋼絲繩倍程倍速結(jié)構(gòu)實現(xiàn)動力頭的快進(jìn)快退[12]，驅(qū)動履帶行走的額定壓力為22 MPa。通過以上要求，并以管路損失及國內(nèi)外現(xiàn)有產(chǎn)品的情況為考量依據(jù)，最終選擇排量為主泵36 mL/r 和副泵26 m L/r的液壓齒輪泵為鉆機(jī)提供動力。

3.2 電動機(jī)選型

電動機(jī)是泵站的“心臟”，進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換。通過計算，按照主、副泵消耗的功率來選擇電動機(jī)的驅(qū)動功率。

主泵理論最大輸出流量Qm=50.3 L/min。

主泵的驅(qū)動功率Nm=20.5 kW。

副泵理論最大輸出流量Qs=36.3 L/min。

副泵的驅(qū)動功率Ns=9.4 kW。

式中：n 為轉(zhuǎn)速，n=1 470 r/min；qm為主泵的每轉(zhuǎn)最大排量，qm＝36 mL/r；qs為副泵的每轉(zhuǎn)最大排量，qs＝26 mL/r；η1為主、副泵的容積效率，η1＝0.95；pm為主泵的額定壓力，pm＝22 MPa；ps為副泵的額定壓力，ps＝14 MPa；ηm、ηs為主、副泵的總效率，取ηm＝ηs＝0.9。

總消耗功率N=Nm+Ns=29.9 kW。

根據(jù)設(shè)計原理，由于鉆機(jī)在實際工作中主、副泵不會同時在最高壓力和最大排量下工作，且電動機(jī)自身具有一定的過載能力，因此按照鉆機(jī)驅(qū)動功率略小于計算值的標(biāo)準(zhǔn)選用電動機(jī)，選用YBK3-180L-4 型煤礦井下用隔爆型電動機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)：額定功率22 kW，額定轉(zhuǎn)速1 470 r/min。

3.3 聯(lián)軸器

聯(lián)軸器是連接兩軸或連接軸和回轉(zhuǎn)件的一個部件，在傳遞運動和動力過程中和軸一同回轉(zhuǎn)不脫開。聯(lián)軸器除有連接功能之外，也可使之具有安全防護(hù)等功能[13]。

考慮鉆機(jī)在進(jìn)行炮眼施工時會受到反作用力，選擇可減振、緩沖、傳動系統(tǒng)對中性能好、徑向尺寸小的梅花形彈性聯(lián)軸器，具有使用時不用潤滑，維護(hù)方便的優(yōu)點。主動端與電動機(jī)連接部分加裝調(diào)整環(huán)，使最終裝配完成后主動端與從動端之間的間隙達(dá)到為5～8 mm。

聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩T=557 N·m。

式中：Pw為驅(qū)動功率，Pw＝22 kW；n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速，n＝1 470 r/min；Kw為動力機(jī)系數(shù)，Kw＝1；K 為工況系數(shù)，K＝2.5；Kz為啟動系數(shù)，Kz＝1.3；Kt為溫度系數(shù)，Kt＝1.2。

結(jié)合煤礦井下工作條件，選用聚氨酯梅花形彈性體MT6，元件耐磨耐油，承載能力大，使用壽命長，安全可靠，維護(hù)工作量少，可連續(xù)長期運行。

電機(jī)泵組由液壓泵、電動機(jī)、聯(lián)軸器以及泵座等部件組成，采取立式安裝結(jié)構(gòu)，根據(jù)以上選型設(shè)計的電機(jī)泵組結(jié)構(gòu)如圖3。

3.4 油箱總裝

圖3 電機(jī)泵組結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of motor pump set

一般在液壓系統(tǒng)的液壓泵選型確定以后，可以根據(jù)泵的排量基本確定油箱的容積，除此之外還應(yīng)該充分考慮現(xiàn)場空間，各液壓件的排列安裝方式等來進(jìn)一步確定油箱的尺寸。

油箱在鉆機(jī)液壓系統(tǒng)中起著儲油、散熱、逸出油液中的氣體及沉淀雜質(zhì)的重要作用。因此，油箱設(shè)計也是液壓泵站設(shè)計中的一個重要部分。根據(jù)炮眼鉆機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)和空間布局要求，同時滿足安裝、維護(hù)、清洗方便的要求，油箱采用側(cè)開口的開式結(jié)構(gòu)，油箱總裝結(jié)構(gòu)圖如圖4。

圖4 油箱總裝結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural diagram of oil tank assembly

鉆機(jī)油箱的有效容量一般為泵最大流量的2～3倍。設(shè)計油箱時應(yīng)充分考慮鉆機(jī)高度、寬度以及電機(jī)泵組和操縱臺等部件的參數(shù)和位置，計算出系統(tǒng)發(fā)熱量與散熱量，同時考慮冷卻器的選型，合理散熱，從熱平衡角度最終計算出油箱的容積。最終確定將油箱的有效容積定為164 L。油箱被其中設(shè)置的隔板分成吸油區(qū)和回油區(qū)，底部放入磁鐵，在油液進(jìn)行循環(huán)的過程中為了保證清潔度，油箱蓋上加裝有空氣濾清器及回油濾油器，油箱側(cè)邊泵吸油口處安裝了更換濾芯方便的自封式外置吸油濾油器，并在主副泵的出油口增設(shè)壓力管路濾油器?；赜凸芄芸诔?5°斜角，使油液流動時速度變化不致過大。管口面向油箱壁，插入最低油面之下，距油箱側(cè)邊和底部距離不小于管徑的3 倍，以免發(fā)生吸空和回油沖濺產(chǎn)生氣泡[14]。

3.5 冷卻器

在鉆機(jī)正常工作時，液壓元器件的容積損失和機(jī)械損失，以及控制元件、管路的壓力損失、液體摩擦損失等消耗的能量，幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱量的形式。這些熱量除一部分熱對流散失外，大部分使油液及元件的溫升。如果油溫過高（＞60 ℃），將嚴(yán)重影響液壓系統(tǒng)穩(wěn)定。油箱雖然可以起到一定的散熱作用，但僅靠油箱自身冷卻難以滿足整個液壓系統(tǒng)熱平衡的需求，因此需要選用冷卻器為液壓系統(tǒng)的回油進(jìn)行強(qiáng)制冷卻[15]。

液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率H=10.24 kW。

式中：Pp為液壓泵的總輸入功率，Pp=22 kW；η2為液壓系統(tǒng)總效率，綜合多方面因素，η2=0.53。

冷卻器的散熱面積A=0.39 m2。

式中：k 為冷卻器的傳熱系數(shù)，釬焊式冷卻器k=1 114 W/（m2·K）；△tm為液壓油和冷卻水之間的平均溫差；t1為液壓油的進(jìn)口溫度，t1=341.15 K；t2為液壓油的出口溫度，t2=323.15 K；t1′ 為冷卻水的進(jìn)口溫 度，t1′=302.15 K；t2′ 為 冷 卻 水 的 出 口 溫 度，t2′=315.15 K。

考慮油箱的表面自然散熱、現(xiàn)有產(chǎn)品的規(guī)格以及井下施工經(jīng)驗，最終選擇了傳熱面積為2.9 m2、最大流量為18 m3/h 的板式冷卻器，可以完全滿足液壓系統(tǒng)的散熱要求，板式冷卻器如圖5。

4 性能試驗與效果

安裝該液壓泵站的炮眼鉆機(jī)在試制完成后，在車間進(jìn)行了各項功能調(diào)試，泵站的各項性能參數(shù)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。油箱液壓油的溫升測試曲線如圖6，通過圖6 可以得出，工作介質(zhì)液壓油的溫升較低，液壓系統(tǒng)處于良好的性能狀態(tài)。

圖5 板式冷卻器Fig.5 Plate type cooler

圖6 油箱溫升測試曲線Fig.6 Oil tank temperature rise test curve

5 結(jié) 語

以適用于綜采工作面炮眼施工的履帶式全液壓坑道鉆機(jī)為例，闡述了其液壓泵站的方案設(shè)計及其關(guān)鍵部件選型、注意事項、計算方法等，同時為了保障油液的清潔度與散熱性，對各濾油器部分給出了闡述并對冷卻器進(jìn)行了經(jīng)驗計算。