雙臂窄體分體式履帶鉆機研制

闞志濤，邵俊杰，李旺年，鐘自成

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國煤炭儲量豐富，但由于煤礦的水文地質(zhì)條件復(fù)雜，隨著煤炭開采深度和強度的加大，煤礦安全生產(chǎn)中遇到的水害問題愈加突出。水害事故具有突發(fā)性強、危害性大等特點，其危害性僅次于瓦斯事故。從水害事故發(fā)生點分析，掘進工作面已成為主要的透水地點[1-3]。

鉆探是一種最直接的隱蔽致災(zāi)因素探查技術(shù)，它具有精度高、直觀性強、適應(yīng)面寬等優(yōu)點[4]。掘進工作面工作環(huán)境和地理位置特殊，對鉆探施工的要求如下：

1)時間短。大多數(shù)煤礦希望掘進工作面的探放水鉆孔施工時間短，為掘進機留出更多的掘進時間，增加煤炭產(chǎn)量。比如山西王家?guī)X煤礦希望利用掘進機檢修班完成5個掘進工作面70m探放水鉆孔的施工，以達到掘進月進千米的目標。

2)空間受限。由于掘進工作面掘進機、錨桿機、鉆機交替進行施工，鉆機的移動及打鉆空間均受到限制。

3)鉆孔數(shù)量多。為全面反映掘進工作面前方的水文地質(zhì)情況，需要在掘進工作面布置多個鉆孔。鉆孔的布置方式主要分為扇形和半扇形兩種，一般設(shè)置為4～6個。

目前我國大多數(shù)煤礦采用分體式液壓鉆機進行掘進工作面探放水鉆孔施工，存在的問題如下：①鉆機通常由主機、泵站、操作臺組成，主機、泵站質(zhì)量大，由于掘進機與鉆機交替進行施工，造成鉆機搬遷頻率高，距離長，工人勞動強度大；②鉆機只具有一個工作臂，每次只能施工一個鉆孔，短時間內(nèi)施工多個鉆孔的效率低；③鉆機不具備多方位、大角度鉆孔施工能力；④回轉(zhuǎn)器缺少相應(yīng)的防、導(dǎo)水功能。

綜上所述，基于掘進工作面探放水鉆探施工要求和分體式鉆機存在問題，開發(fā)一款可高效施工多個探水鉆孔的新型鉆探設(shè)備已是當務(wù)之急。針對這一情況，中煤科工集團西安研究院有限公司研制了ZDY2-3200LF型雙臂窄體分體式履帶鉆機，鉆機具有寬度窄、轉(zhuǎn)矩大、調(diào)角范圍廣、可同時施工兩個鉆孔等特點，為有效降低掘進工作面的水害事故提供了裝備保障。

1 鉆機的總體設(shè)計

1.1 總體設(shè)計思路

鉆機總體設(shè)計主要包括機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、液壓系統(tǒng)設(shè)計和施工工藝研究三部分。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方面：鉆機設(shè)計兩個工作臂，可同時施工兩個不同方位、角度鉆孔；采用履帶分體結(jié)構(gòu)，分為鉆車和泵車兩部分，體積小，井下移動快捷、現(xiàn)場布置靈活，且寬度設(shè)置為1m，方便與掘進機、錨桿機交替進行施工；采用中心通孔式回轉(zhuǎn)器、油缸鏈條給進機構(gòu)及多自由度變幅機構(gòu)的設(shè)計，輔助時間短、巷道適應(yīng)性強。液壓系統(tǒng)方面：兩個工作臂的液壓回路相互獨立、互不影響；采用復(fù)合雙泵控制系統(tǒng)，功率分配合理，傳動效率高。施工工藝研究的主要目的是通過在鉆機上增加輔助設(shè)備或采用適當?shù)墓に嚪椒?，縮短輔助時間、提高工作效率。比如配備開孔定位儀，工作臂定位速度快、精度高；采用中間加桿、后部卸桿的鉆桿加卸方式，無需反復(fù)拆卸水便。

1.2 鉆機主要性能參數(shù)

ZDY2-3200LF型雙臂窄體分體式履帶鉆機主要性能參數(shù)見表1。

表1 主要性能參數(shù)

1.3 鉆車

鉆車(如圖1所示)包括左主機、右主機、行走操作臺、右主操作臺、鉆車履帶車體和左主操作臺。

圖1 鉆車結(jié)構(gòu)示意圖

1.3.1 主機

主機(如圖2所示)由夾持器、給進裝置、回轉(zhuǎn)器、調(diào)角裝置和上穩(wěn)固裝置組成。

圖2 主機結(jié)構(gòu)示意圖

夾持器固定在給進裝置的前端，用于夾持孔內(nèi)鉆桿，鉆進施工時，也起到扶正鉆桿的作用。夾持器是常閉式結(jié)構(gòu)，采用碟形彈簧夾緊、油缸反向松開?？ㄍ甙惭b在卡瓦座上，施工時可選配63.5/73兩種規(guī)格，滿足不同的工況的需要。

給進裝置受到掘進工作面空間的限制，采用了單油缸雙鏈條的給進形式，從而實現(xiàn)在給進裝置長度受限的情況下給進行程最大。給進裝置的最大上頂力Fsmax以?73mm規(guī)格的鉆桿在-90°鉆進350m時計算：

Fsmax=K·q·g·L

(1)

式中，F(xiàn)smax為給進機構(gòu)最大上頂力，N；K為卡塞系數(shù)，取1.5；q為每米鉆桿的質(zhì)量，kg/m；g為重力加速度，m/s2；L為額定孔深時孔內(nèi)全部鉆具總長，m。

由于?73mm規(guī)格的鉆桿q=17kg/m，代入公式計算得到Fsmax=87.465kN。

設(shè)計要求油缸的最大負荷Fmax可按下式計算：

Fmax=2Fsmax

(2)

代入數(shù)值，F(xiàn)max=174.83kN。

給進油缸的提升能力F為：

F=pmax·π·(D2-d2)/4(3)

式中，F(xiàn)為給進油缸提升力，N；pmax為油缸最大工作壓力，MPa；D為油缸內(nèi)徑，m；d為活塞桿直徑，m。

設(shè)計油缸的最大工作壓力為23MPa，油缸內(nèi)徑0.125m，活塞桿直徑0.063m，代入數(shù)值，計算得到F=210.556kN。F>Fmax，滿足提升鉆具要求。

回轉(zhuǎn)器由卡盤、減速箱和液壓馬達組成，實現(xiàn)液壓能到機械能的轉(zhuǎn)變?？ūP為常開式結(jié)構(gòu)，油壓夾緊、彈簧松開，具有自動對中、卡緊力大等特點。液壓馬達可通過手動調(diào)節(jié)排量，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)。

調(diào)角裝置由上回轉(zhuǎn)裝置、二次滑動組件、擺動機構(gòu)、上調(diào)角油缸、動臂、底座和下調(diào)角油缸組成，可使主軸仰俯角在-90°～+90°，方位角在-90°～+90°的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

上穩(wěn)固裝置由上穩(wěn)固油缸、加長桿及接地裝置等組成，安裝于調(diào)角裝置上，保證施工過程中車體穩(wěn)固。

1.3.2 行走操作臺

行走操縱臺包括左履帶行走、右履帶行走、功能切換以及平臺回轉(zhuǎn)操作手柄。左、右履帶行走分別控制左、右行走馬達，實現(xiàn)履帶車體的前進、后退及停止；功能切換可實現(xiàn)鉆進系統(tǒng)和姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)系統(tǒng)間的相互獨立；平臺回轉(zhuǎn)控制鉆車履帶車體內(nèi)的中央回轉(zhuǎn)器，實現(xiàn)履帶和車體平臺間的相對轉(zhuǎn)動。

1.3.3 工作操作臺

工作操作臺用于控制鉆機的鉆進系統(tǒng)，包括回轉(zhuǎn)器正/反轉(zhuǎn)、給進裝置給進/起拔、卡盤打開/關(guān)閉、夾持器打開/關(guān)閉、給進浮動及給進調(diào)速。工作操作臺可旋轉(zhuǎn)一定角度，保障操作者的安全的同時方便觀察孔口情況。

1.3.4 鉆車履帶車體

鉆車履帶車體由底盤、車體平臺及中央回轉(zhuǎn)器三部分組成。底盤選用無輪摩擦式履帶底盤，承載力大、高度低。車體平臺由鋼板焊接而成，前后布置伸縮式穩(wěn)固油缸，穩(wěn)固油缸支撐范圍可在1～1.4m范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，保證行走和打鉆過程中整機穩(wěn)定性。中央回轉(zhuǎn)器連接底盤和車體平臺，可使兩者間的相對角度在0°～90°范圍內(nèi)調(diào)整。

1.4 泵車結(jié)構(gòu)

泵車(如圖3所示)由行走操縱臺、電磁啟動器、防爆車燈、油箱、冷卻器、電機泵組、泵車履帶車體等部件組成。

圖3 泵車結(jié)構(gòu)示意圖

行走操作臺上布置有履帶行走操作手柄，控制泵車的前后移動。電磁起動器用于控制電動機的起動、停止，為防爆機車燈提供電源。防爆機車燈采用LED光源，產(chǎn)熱量小，使用壽命長。油箱為液壓泵提供所需的液壓油，為保證液壓系統(tǒng)正常工作，在油箱上安裝吸油濾油器、回油濾油器、空氣濾清器、液位計等附件。冷卻器選用釬焊板式換熱器，它是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝經(jīng)過釬焊加工而成的新型高效換熱器，具有換熱率高、造價低、便于拆洗維修等特點。電機泵組主要包括電動機和四個串聯(lián)的液壓泵，負責從油箱吸油并排出高壓油，經(jīng)過控制閥達到各執(zhí)行機構(gòu)。泵車履帶車體由無輪摩擦式履帶底盤和車體平臺兩部分組成，兩者之間通過螺栓連接。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

鉆機液壓系統(tǒng)采用開式系統(tǒng)，Ⅰ泵負責泵車履帶行走、左主機回轉(zhuǎn)器的回轉(zhuǎn)；Ⅱ泵負責鉆車履帶行走、右主機回轉(zhuǎn)器的回轉(zhuǎn)，同時還能控制兩主機的姿態(tài)調(diào)整及鉆車車體平臺的伸縮穩(wěn)固油缸動作。Ⅲ泵負責兩主機給進裝置的給進、起拔。設(shè)計時采用LUDV控制系統(tǒng)，給進裝置的動作不受負載影響，相互獨立。Ⅳ泵負責鉆機主機夾持器、卡盤的獨立工作。Ⅰ泵、Ⅱ泵及Ⅲ泵的額定壓力為23MPa，Ⅳ泵的額定壓力為10MPa，這樣既能滿足回轉(zhuǎn)鉆進的需要，又能滿足履帶行走、卡盤夾緊、姿態(tài)調(diào)整等的需求。液壓元件選用國際知名品牌產(chǎn)品，性能穩(wěn)定、可靠。

3 鉆機試驗

ZDY2-3200LF型雙臂窄體分體式履帶鉆機加工、裝配、調(diào)試完成后在國家安全生產(chǎn)檢測檢驗中心鉆機性能試驗臺上進行了負載性能測試，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 負載性能測試曲線

從圖4中可以看出，左主機回轉(zhuǎn)器和右主機回轉(zhuǎn)器在高速擋時，轉(zhuǎn)速均大于200r/min，對應(yīng)轉(zhuǎn)矩大于750N·m，在低速擋時，轉(zhuǎn)速均大于50r/min，對應(yīng)轉(zhuǎn)矩大于3200N·m，結(jié)果表明負載性能滿足設(shè)計要求。

此外，鉆機還進行了空載運轉(zhuǎn)性能、過載性能、穩(wěn)定性能、溫升等多項測試，各測試技術(shù)指標均達到設(shè)計要求，滿足行業(yè)標準。

4 結(jié) 論

1)ZDY2-3200LF型雙臂窄體分體式履帶鉆機結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、性能穩(wěn)定可靠，可用于煤礦井下掘進工作面探放水孔施工。

2)鉆機采用分體式履帶形式，機身窄、方便可與掘進機、鉆錨機交替進行施工；具有兩個工作臂，可同時施工兩個不同角度、方位的探水孔，鉆孔施工效率高。

3)鉆機性能測試的各項技術(shù)指標均達到設(shè)計要求、滿足行業(yè)標準，為提高巷道掘進速度、保證安全生產(chǎn)提供了強有力的裝備支撐。