ZLY2500L 型煤礦用履帶式坑道鉆機(jī)的研制

胡海峰，熊文祥，鄭明輝

（浙江杭鉆機(jī)械制造股份有限公司，浙江 杭州 310020）

0 引言

我國(guó)是煤炭工業(yè)大國(guó)，為確保煤礦產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，加強(qiáng)瓦斯治理對(duì)提高煤礦安全保障程度極具重要性［1］。早期，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局提出了“先抽后采，監(jiān)測(cè)監(jiān)控，以風(fēng)定產(chǎn)”的十二字方針［2-3］。而煤礦井下鉆孔抽采是有效的瓦斯治理手段，坑道鉆機(jī)是抽采鉆孔施工的專用設(shè)備。煤礦常用的坑道鉆機(jī)有三大機(jī)型，即分體式、分體式履帶、整體式履帶。隨著煤礦機(jī)械化程度的不斷提高，履帶鉆機(jī)正逐步替代分體式鉆機(jī)［4-7］。

目前，傳統(tǒng)液壓鉆機(jī)主要由主機(jī)、泵站、操作臺(tái)組成，一般依靠人力搬運(yùn)，輔助工序長(zhǎng)，施工效率低，主要適用于小型煤礦巷道。

整體式履帶鉆機(jī)是將主機(jī)、泵站、操作臺(tái)集成至履帶上方，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，移動(dòng)方便，主要適用于中大型煤礦。在用的整體式鉆機(jī)受其整體布置結(jié)構(gòu)的局限，基本應(yīng)用于近水平鉆孔，調(diào)角范圍小，不能有效地進(jìn)行大角度施工及方便對(duì)孔作業(yè)［8-9］。

針對(duì)目前履帶鉆機(jī)存在的布置不合理情況，本文提出了ZLY2500L 型煤礦用履帶式坑道鉆機(jī)。它是一種新型鉆孔裝備，鉆機(jī)屬于整體式，履帶驅(qū)動(dòng)，機(jī)動(dòng)靈活，主機(jī)配置升降、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，調(diào)角范圍大，對(duì)孔方便，主操作臺(tái)采用可移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操控，提高了設(shè)備的安全性能。具備小巧、機(jī)動(dòng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該設(shè)備在中小煤礦使用前景廣闊。

1 總體技術(shù)

鑒于目前市場(chǎng)應(yīng)用需求，綜合國(guó)內(nèi)外鉆機(jī)的特點(diǎn)，履帶式鉆機(jī)已廣泛應(yīng)用，同時(shí)考慮狹窄巷道的快速搬遷及施工需求，鉆機(jī)總體方案確定采用履帶式、整體布置結(jié)構(gòu)。鉆機(jī)操作臺(tái)、動(dòng)力裝置布置于后方，主機(jī)布置于前方，采用雙立柱外懸掛結(jié)構(gòu)，機(jī)動(dòng)靈活，調(diào)角對(duì)孔方便，大大節(jié)省了鉆孔對(duì)位、支撐輔助時(shí)間，切實(shí)有效地提高了鉆孔效率，同時(shí)減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度［10-11］。

ZLY2500L 型煤礦用履帶式坑道鉆機(jī)重點(diǎn)解決了鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)布置、變速箱結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。根據(jù)鉆孔實(shí)際工藝需求，經(jīng)過(guò)多方面對(duì)比分析，確定鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 ZLY2500L 型技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of ZLY2500L drill

2 鉆機(jī)主要結(jié)構(gòu)

鉆機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由主副操作臺(tái)、泵站、油箱、行走裝置、變速箱、移動(dòng)機(jī)構(gòu)及回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭等部件構(gòu)成。主機(jī)位于鉆機(jī)正前方，泵站及主、副操作臺(tái)位于鉆機(jī)后方，泵站固定于履帶上方。主操作臺(tái)為活動(dòng)操作臺(tái)，副操作臺(tái)安裝于泵站后方，各部件之間采用高壓膠管連接。各部件共同安裝在履帶底盤(pán)上，具有自主移動(dòng)、轉(zhuǎn)向功能，結(jié)構(gòu)緊湊，鉆孔移機(jī)方便［12-13］。

圖1 ZLY2500L 型煤礦用履帶式坑道鉆機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of ZLY2500L crawler tunnel drill for coal mines

（1）為方便操作，操作臺(tái)分為固定式的副操作臺(tái)以及活動(dòng)式的主操作臺(tái)。副操作臺(tái)主要控制履帶行走，鉆機(jī)的支撐、穩(wěn)固，動(dòng)力頭的回轉(zhuǎn)、升降、滑移及調(diào)角工作。主操作臺(tái)主要控制鉆機(jī)立軸的回轉(zhuǎn)，卡盤(pán)、夾持器的開(kāi)、閉以及給進(jìn)油缸的給進(jìn)、起拔工作。

（2）泵站采用主、副泵并聯(lián)式皮帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，主泵是卡盤(pán)旋轉(zhuǎn)、履帶行走及快速給進(jìn)用油泵。系統(tǒng)的壓力與負(fù)載變化相適應(yīng)，并始終高于負(fù)載壓力一個(gè)小的固定值。副油泵是給進(jìn)及液壓卡盤(pán)、夾持器、液壓支柱、回轉(zhuǎn)、升降用油泵。系統(tǒng)始終提供恒定的壓力。

（3）油箱配備吸油過(guò)濾器、回油過(guò)濾器、空氣濾芯器、液位液溫計(jì)、截止閥以及冷卻器等部件。油箱為旁置式結(jié)構(gòu)，連接、拆卸方便，維修空間大，配備液壓油有效存儲(chǔ)容量（180 L）。

（4）行走裝置由腳踏板、液壓支腿、平臺(tái)、履帶總成、回轉(zhuǎn)減速器和回轉(zhuǎn)平臺(tái)等組成。履帶總成配置液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)鋼制鏈板，帶動(dòng)鉆車前、后行走。平臺(tái)固定安裝于履帶總成上方，作為操作臺(tái)、油箱、泵站及主機(jī)的固定平臺(tái)。在平臺(tái)前方安裝有回轉(zhuǎn)減速器，其上方安裝有回轉(zhuǎn)平臺(tái)，回轉(zhuǎn)平臺(tái)上方安裝移動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)減速器回轉(zhuǎn)時(shí)，鉆機(jī)可以實(shí)現(xiàn)±90°回轉(zhuǎn)作業(yè)。液壓支腿固定于行走裝置側(cè)方，配備液壓鎖，方便鉆機(jī)施工時(shí)穩(wěn)固鉆車。

（5）變速箱結(jié)構(gòu)如圖2 所示。變速箱為高、低速兩擋傳動(dòng)，經(jīng)螺旋傘齒輪輸出至回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭。高速擋為2 級(jí)減速輸出；低速擋為4 級(jí)減速輸出，可以實(shí)現(xiàn)60～680 r/min 跨度轉(zhuǎn)速輸出。變速箱由液壓馬達(dá)、變速箱箱體、高低速手柄、回轉(zhuǎn)減速器等部件組成。液壓馬達(dá)為斜軸式手動(dòng)變量軸向柱塞馬達(dá)，通過(guò)手輪調(diào)節(jié)馬達(dá)的單轉(zhuǎn)排量，可以方便實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速輸出。按手輪min 指示方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，排量減小，扭矩減小，轉(zhuǎn)速增加；按手輪max 指示方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，排量增加，扭矩增大，轉(zhuǎn)速降低。鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)，可通過(guò)變速手柄與調(diào)節(jié)手輪結(jié)合來(lái)調(diào)整鉆機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速范圍大，應(yīng)用范圍廣。

圖2 變速箱結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Transmission structure

（6）移動(dòng)機(jī)構(gòu)用于為鉆機(jī)輔助支撐、滑移、升降及調(diào)整鉆孔角度，由滑移油缸、升降油缸、支座、立柱、節(jié)套等組成?；朴透讓?shí)現(xiàn)主機(jī)前、后滑移功能，方便下套管時(shí)讓開(kāi)孔口。升降油缸可以將變速箱與回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭整體上、下調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同高度鉆孔施工，可以實(shí)現(xiàn)中心高1200～1700 mm 大跨度施工。立柱用于鉆進(jìn)時(shí)頂住上頂板，能方便的實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的固定，配備活動(dòng)式調(diào)節(jié)桿，適應(yīng)不同高度巷道施工，適應(yīng)范圍3000～5000 mm。

（7）回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭如圖3 所示，由機(jī)身、主軸箱、卡盤(pán)、導(dǎo)柱、回轉(zhuǎn)器、給進(jìn)油缸、夾持器等部件組成，整體安裝在變速箱上面。鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)是由變速箱，經(jīng)傘齒形輪輸出至回轉(zhuǎn)器，回轉(zhuǎn)器通過(guò)傘形齒輪帶動(dòng)六方軸回轉(zhuǎn)，傳動(dòng)至主軸箱，主軸箱經(jīng)齒輪傳動(dòng)輸出至卡盤(pán)?？ūP(pán)采用碟簧與液壓夾緊、液壓松開(kāi)的復(fù)合式結(jié)構(gòu)，卡盤(pán)內(nèi)部通孔大，可配?50、63.5 mm 鉆桿卡瓦。主軸箱與卡盤(pán)整體通過(guò)導(dǎo)柱定位安裝至機(jī)身上方，通過(guò)給進(jìn)油缸帶動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆孔給進(jìn)、起拔作業(yè)，給進(jìn)行程500 mm。夾持器采用液壓卡緊和彈簧松開(kāi)式結(jié)構(gòu)，內(nèi)置5 片式卡瓦，夾緊力大，可與卡盤(pán)匹配相同直徑的卡瓦。通過(guò)卡盤(pán)、夾持器以及給進(jìn)油缸的聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)鉆孔打鉆、倒桿、卸鉆作業(yè)。

圖3 回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of the rotary power head

3 鉆機(jī)液壓系統(tǒng)

鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)為雙泵供油的開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)［14-16］，如圖4 所示。

圖4 液壓系統(tǒng)原理Fig.4 Schematic diagram of the hydraulic system

主泵為鉆機(jī)動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)馬達(dá)及履帶行走動(dòng)力源，副泵為給進(jìn)、起拔、卡盤(pán)、夾持器、其他輔助提供供油動(dòng)力。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，主油泵2 經(jīng)過(guò)濾器5 吸入低壓油，輸出高壓油，進(jìn)入多路換向閥13，多路換向閥13 的第一片閥為主機(jī)功能切換閥，操作手柄至“主機(jī)”位置，主泵液壓油進(jìn)入多路換向閥19，多路換向閥19 第一片閥控制馬達(dá)的正、反轉(zhuǎn)及停止；多路換向閥19 第二片閥控制給進(jìn)、起拔、停止和浮動(dòng)；多路換向閥19 第三片閥控制卡盤(pán)打開(kāi)和關(guān)閉；多路換向閥19 第四片閥控制夾持器打開(kāi)和關(guān)閉。當(dāng)馬達(dá)手柄處于中位時(shí)，切換給進(jìn)、起拔手柄，大泵與小泵合流，實(shí)現(xiàn)快速給進(jìn)、起拔。

多路換向閥13 的第二、三片閥，控制履帶馬達(dá)行走，手柄向前推履帶前進(jìn)，手柄向后拉履帶后退，手柄一前一后履帶原地旋轉(zhuǎn)。

副泵3 經(jīng)過(guò)濾器7 吸入低壓油，輸出高壓油進(jìn)入多路換向閥31 及多路換向閥32。

多路換向閥31 第一個(gè)手柄為切換手柄，操作手柄置于“主機(jī)”位置，實(shí)現(xiàn)副泵液壓油至副泵功能閥塊，副油泵的油液全部進(jìn)入給進(jìn)回路由調(diào)壓溢流閥控制給進(jìn)壓力，閥塊出口直接進(jìn)入多路換向閥19 副泵進(jìn)油口。副泵功能閥塊安裝有安全閥及調(diào)壓閥，安全閥起到限定副泵工作壓力，調(diào)壓閥為給進(jìn)起拔調(diào)壓閥，起到鉆進(jìn)及起鉆時(shí)給進(jìn)、起拔壓力的調(diào)節(jié)作用。

操作多路換向閥31 第二個(gè)手柄實(shí)現(xiàn)平臺(tái)回轉(zhuǎn)功能，控制平臺(tái)±90°回轉(zhuǎn)；操作多路換向閥31 第三個(gè)手柄，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)轉(zhuǎn)角功能，控制回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭360°回轉(zhuǎn)；操作多路換向閥31 第四個(gè)手柄，控制升降油缸升降功能，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)不同高位孔鉆孔作業(yè)。

操作多路換向閥32 第一、二、三及四個(gè)手柄控制下液壓支腿支撐，配置液壓鎖，可靠鎖緊支腿油缸；第五個(gè)手柄控制上液壓支腿支撐。

液壓馬達(dá)的回轉(zhuǎn)速度（即動(dòng)力頭的回轉(zhuǎn)速度）可以通過(guò)操縱馬達(dá)上的變量手輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在夾持器油路中設(shè)置有單向閥、液控單向閥及截止閥，夾持器回油通過(guò)液控單向閥回油。在下鉆過(guò)程中，可以操作截止閥，保證夾持器完全打開(kāi)。

液壓系統(tǒng)配置有主、副泵壓力表，給進(jìn)起拔壓力表，回油壓力表，液位液溫計(jì)，冷卻器，回油過(guò)濾器，檢修截止閥等附件。

整個(gè)液壓系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，維護(hù)檢修方便，可操作性強(qiáng)。

4 鉆機(jī)試驗(yàn)

（1）工廠測(cè)試。ZLY2500L 型煤礦用履帶式坑道鉆機(jī)試制完成后，在我公司的蕭山工業(yè)園區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)，如圖5 所示，試驗(yàn)進(jìn)行了扭矩、轉(zhuǎn)速、高、低換擋、給進(jìn)起拔力、升降、回轉(zhuǎn)、行走及爬坡測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，鉆機(jī)駐車可靠，轉(zhuǎn)彎靈活，鉆機(jī)升降、調(diào)角方便，整機(jī)工作穩(wěn)定，主要參數(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試照片F(xiàn)ig.5 Field test of the drill

（2）工業(yè)測(cè)試。2020 年 12 月，ZLY2500L 型煤礦用履帶式坑道鉆機(jī)在皖北任樓礦Ⅱ-7226 底抽巷進(jìn)行試驗(yàn)，與杭鉆ZDY3200S 鉆機(jī)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，其中ZDY3200S 鉆機(jī)2 班平均進(jìn)尺在70～80 m之間，而新型ZLY2500L 型煤礦用履帶式坑道鉆機(jī)2 班平均進(jìn)尺達(dá)到100 m 以上。同時(shí)對(duì)兩款鉆機(jī)在搬運(yùn)、調(diào)角、對(duì)孔及穩(wěn)固等工序上做了對(duì)比，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2 所示。測(cè)試結(jié)果表明，鉆機(jī)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，效率高，能大大降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

表2 鉆機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Test data of the drill

5 結(jié)論

（1）作為一種新型鉆機(jī)，ZLY2500L 型煤礦用履帶式坑道鉆機(jī)布置緊湊合理，結(jié)構(gòu)新穎，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，井下移動(dòng)方便快捷。

（2）鉆機(jī)調(diào)角方便，對(duì)孔效率高，機(jī)動(dòng)靈活，液壓系統(tǒng)操作性強(qiáng)，系統(tǒng)傳動(dòng)簡(jiǎn)單，維修方便，配備移動(dòng)式操作臺(tái)，方便司鉆人員遠(yuǎn)離孔口安全操作。

（3）鉆機(jī)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍大，可以在60～680 r/min 內(nèi)無(wú)極調(diào)節(jié)，扭矩、給進(jìn)、起拔等參數(shù)設(shè)計(jì)合理，鉆進(jìn)效率高，工藝適應(yīng)性強(qiáng)，能較好地滿足中小煤礦巷道的工作條件。