煤礦坑道鉆機(jī)大直徑鉆桿上卸裝置設(shè)計(jì)

劉 智

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

自動(dòng)化、智能化是近年來煤炭行業(yè)發(fā)展的主要方向。利用具有自動(dòng)化、智能化功能的裝備來代替人工，不但可以解決人工勞動(dòng)強(qiáng)度高以及勞動(dòng)作業(yè)安全的問題，還可以有效緩解煤炭行業(yè)日漸突出的“招工難”問題。自動(dòng)化、智能化裝備將引領(lǐng)煤炭行業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，代表著煤炭行業(yè)裝備發(fā)展的新方向[1-4]。

煤礦坑道鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化必然離不開自動(dòng)上卸鉆桿裝置。每一臺具有自動(dòng)化、智能化功能的坑道鉆機(jī)都必須配備穩(wěn)定可靠的自動(dòng)上卸鉆桿裝置[5-6]。近年來，針對煤礦坑道鉆機(jī)自動(dòng)上卸鉆桿裝置的研究很多，根據(jù)不同的使用要求，自動(dòng)上卸鉆桿裝置的結(jié)構(gòu)及功能也不盡相同[7-8]。目前上卸鉆桿裝置多使用在動(dòng)力頭與夾持器之間上卸鉆桿的模式，機(jī)械手和儲(chǔ)桿箱的結(jié)構(gòu)形式，1 個(gè)儲(chǔ)桿箱可儲(chǔ)存45～80 根鉆桿，2～3 箱鉆桿既能夠滿足施工常規(guī)鉆孔孔深的要求[9]。但此類儲(chǔ)桿箱結(jié)構(gòu)的上卸鉆桿裝置適用于鉆桿直徑?73 mm 以下，鉆桿長度1 m 以內(nèi)的鉆桿。因鉆桿直徑小，長度短，儲(chǔ)桿箱的外形尺寸小，能夠滿足集成在鉆機(jī)上的條件。但對于大直徑鉆桿，例如鉆桿直徑?89 mm 以上、鉆桿長度1.5 m 以上的鉆桿，鉆桿體積大，質(zhì)量重，不適合采用儲(chǔ)桿箱的結(jié)構(gòu)形式。為此，研制了煤礦坑道鉆機(jī)用大直徑鉆桿上卸裝置。

1 礦用坑道鉆機(jī)大直徑鉆桿上卸裝置方案

大直徑鉆桿施工的多為長鉆孔，利用鉆孔設(shè)計(jì)孔深大、使用的鉆桿數(shù)量多的特點(diǎn)，采用將10 根鉆桿組成1 個(gè)鉆桿束，以鉆桿束為單元進(jìn)行整體吊裝移運(yùn)的方式，在巷道頂板安裝移運(yùn)軌道及吊裝裝置；鉆桿束碼放在軌道下方，需要使用鉆桿時(shí)，將鉆桿束吊運(yùn)至鉆桿托架上，拆除兩側(cè)護(hù)板即可供施工使用；施工完成后，在鉆桿托架上重新組裝鉆桿束，并將其吊運(yùn)至巷道內(nèi)碼放整齊。

采用在動(dòng)力頭與夾持器之間加鉆桿的模式，每上1 根鉆桿可以減少1 次拆裝水便的次數(shù)，可有效提高上鉆桿的效率。但這種模式也存在一定的弊端，卸鉆桿時(shí)，需要卸開待卸鉆桿兩端的絲扣，與動(dòng)力頭后部卸鉆桿的方式相比，需要多卸1 組絲扣。若從動(dòng)力頭后端卸鉆桿只需擰卸1 組鉆桿絲扣即可。為提高上卸鉆桿效率，采用在動(dòng)力頭與夾持器之間加鉆桿，在動(dòng)力頭后部卸鉆桿的形式。為提高卸鉆效率，設(shè)計(jì)了卸鉆專用的搓桿裝置。上卸鉆桿裝置如圖1。

圖1 上卸鉆桿裝置Fig.1 Drill pipe loading and unloading device

2 上桿裝置

上桿裝置如圖2。上桿裝置主要由機(jī)械手、鉆桿托架、鉆桿束和吊裝單元組成。機(jī)械手和鉆桿托架分別安裝在機(jī)身兩側(cè)。鉆桿托架用于承托鉆桿束，上鉆桿時(shí)用于放置吊裝單元移運(yùn)過來的鉆桿束，卸鉆桿時(shí)用于在鉆桿托架上組裝鉆桿束，完成后由吊裝單元移運(yùn)至巷道內(nèi)碼放整齊。

圖2 上桿裝置Fig.2 Drill pipe loading device

1）機(jī)械手。利用機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬人工上鉆桿動(dòng)作比較復(fù)雜。將上鉆桿動(dòng)作進(jìn)行水平方向和豎直方向上的分解，從起點(diǎn)至終點(diǎn)均為直線運(yùn)動(dòng)，分為鉆桿抓取、平移至指定位置、鉆桿釋放、機(jī)械手復(fù)位4 個(gè)步驟。機(jī)械手共設(shè)置3 級運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)：第1 級為豎直方向移動(dòng)，用于抓手從鉆桿托架的指定位置抓取鉆桿；第2 級為水平方向移動(dòng)，用于將鉆桿運(yùn)送到動(dòng)力頭中心通孔上方；第3 級為抓手的豎直方向移動(dòng)，用于將鉆桿運(yùn)送到動(dòng)力頭中心孔位置。3 級伸縮機(jī)構(gòu)均為伸縮套式結(jié)構(gòu)，外套為正方形套筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)芯為矩形結(jié)構(gòu)外壁焊接定位鋼帶。為了增加伸縮套結(jié)構(gòu)的活動(dòng)流暢性及可調(diào)節(jié)功能，在外套端口部設(shè)置黃銅材質(zhì)的微調(diào)機(jī)構(gòu)。夾持型抓手是目前應(yīng)用最為廣泛的一種抓手形式[10]。鉆桿為外形規(guī)則的圓柱狀結(jié)構(gòu)，為適應(yīng)鉆桿的外形，抓手由手掌、手指、轉(zhuǎn)軸、滑塊、定位板、控制油缸等組成。手指通過轉(zhuǎn)軸與手掌相連，控制油缸的缸桿與滑塊連接?；瑝K可在手指背部設(shè)置的橢圓型槽內(nèi)滑動(dòng)?？刂朴透椎母讞U全部伸出時(shí)，手掌與手指共同作用夾緊鉆桿?？刂朴透椎母讞U全部縮回時(shí)，抓手處于張開狀態(tài)。抓手中設(shè)置的滑塊機(jī)構(gòu)，可以有效減少控制油缸的伸縮行程，減小了抓手的外形尺寸。

2）鉆桿托架。鉆桿托架用于儲(chǔ)存沿軌道吊裝移運(yùn)來的鉆桿束，并將待上鉆桿滑送到指定位置。鉆桿托架由撐桿支座、定位板、鉸支座、托盤體、上桿支座、收桿支座、支撐桿和平移組件組成。撐桿支座、定位板通過螺栓連接在平移組件上。在進(jìn)行傾角鉆孔施工時(shí)，鉆桿托架與機(jī)身保持同樣的傾角，不用單獨(dú)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)鉆桿托架傾角的裝置。支撐桿與上桿支座鉸接，托盤體與水平面成正角，鉆桿可在重力的作用下自由滾落至定位板的直角凹槽處，機(jī)械手在此位置取走鉆桿。支撐桿與收桿支座鉸接，托盤體與水平面成負(fù)角，從鉆桿柱上卸下來的鉆桿可在重力的作用下滑滾放滿整個(gè)托盤，組裝成鉆桿束后吊離托盤。平移組件安裝在機(jī)身側(cè)邊，用于移動(dòng)鉆桿托架的位置。上鉆桿時(shí)，鉆桿托架位于機(jī)身側(cè)邊動(dòng)力頭與夾持器之間，卸鉆桿時(shí)，鉆桿托架位于動(dòng)力頭后端。托盤體兩端設(shè)計(jì)有調(diào)整油缸，可將放置在托盤上的鉆桿鐓齊。同時(shí)調(diào)整油缸也可以將鉆桿束沿軸線方向進(jìn)行微調(diào)，以適應(yīng)加卸鉆桿時(shí)準(zhǔn)確位置的需要。

3）鉆桿束。鉆桿束如如圖3。鉆桿束由端蓋組件、鉆桿、拉桿、螺母組成。端蓋組件套裝在鉆桿束兩端，通過拉桿把整個(gè)鉆桿束組裝成一個(gè)整體。端蓋組件由U 型夾、吊環(huán)、限位銷和定位塊組成。U 型夾側(cè)邊焊接有2 個(gè)吊環(huán)，用于吊裝整個(gè)鉆桿束。U 型夾上端焊接2 個(gè)限位銷，下端設(shè)計(jì)有2 個(gè)限位孔。鉆桿束在巷道內(nèi)按層碼放時(shí)，上層鉆桿束的限位孔套裝在下層鉆桿束的限位銷中。

圖3 鉆桿束Fig.3 Drill pipes bundle

4）吊裝單元。在鉆桿束存放位置的頂板上方至鉆機(jī)施工位置的頂板上方安裝滑移軌道，帶有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑輪卡裝在軌道內(nèi)，滑輪架下端連接吊繩。吊繩用于連接并且吊裝鉆桿束，利用遙控器可控制吊裝的鉆桿束的移動(dòng)速度和起停位置。

3 搓桿裝置

煤礦坑道鉆機(jī)普遍是低轉(zhuǎn)速，大扭矩鉆機(jī)，動(dòng)力頭的轉(zhuǎn)速較小，卸桿速度較慢。搓桿裝置的作用是加快卸桿時(shí)鉆桿的旋轉(zhuǎn)速度，提高卸鉆效率。搓桿裝置如圖4。搓桿裝置由搓輪組件、夾緊裝置、滑移架組成，采用2 組滾輪對夾的結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式可滿足直徑在一定范圍內(nèi)鉆桿的使用要求。

圖4 搓桿裝置Fig.4 Drill pipe rubbing device

搓桿裝置中還需要設(shè)計(jì)鉆桿沿軸線方向的移動(dòng)功能，移動(dòng)行程大于鉆桿絲扣的長度。搓桿裝置的性能參數(shù)如下：①最大輸出扭矩：175 N·m；②最大輸出轉(zhuǎn)速：120 r/min；③適用鉆桿范圍：73～114 mm；④馬達(dá)排量：145 L/min。

1）搓輪組件。搓輪組件為搓桿裝置的核心部件，其將高壓油的液壓能轉(zhuǎn)化為搓輪的動(dòng)能。搓輪組件如圖5。搓輪組件中設(shè)置有齒輪箱，齒輪箱中設(shè)置有3 個(gè)齒輪，分別安裝在馬達(dá)軸上和2 個(gè)搓輪軸上。馬達(dá)軸上的齒輪同時(shí)與2 個(gè)搓輪軸上的齒輪嚙合，可將馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)速傳遞給2 個(gè)搓輪。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的減速比設(shè)計(jì)為2.416。傳動(dòng)路線為：液壓馬達(dá)-齒輪副-搓輪。由于搓輪受到的反扭距較小，齒輪表面的硬度不需要太高。綜合加工成本和使用壽命計(jì)算，主動(dòng)齒輪材質(zhì)選用42GrMo，調(diào)質(zhì)處理，硬度20～32 HRC；被動(dòng)齒輪材質(zhì)選用20GrMnTi，表面滲碳處理，硬度30～42 HRC。齒輪副硬度相差10 HRC，對于齒輪副的使用壽命比較有利。計(jì)算得出齒輪表面的接觸應(yīng)力不超過相應(yīng)材料的許用應(yīng)力，齒根的彎曲應(yīng)力也不超過對應(yīng)材料的許用屈服極限。

圖5 搓輪組件Fig.5 Roller assembly

2）夾緊裝置。夾緊裝置為左右對稱結(jié)構(gòu)，夾緊裝置中設(shè)置有1 個(gè)中心框架和2 個(gè)側(cè)支架。中心框架上設(shè)置有2 個(gè)導(dǎo)向孔，導(dǎo)向孔可沿滑移架中圓形滑軌滑動(dòng)。中心框架中固定安裝有4 個(gè)導(dǎo)向軸，每側(cè)設(shè)置2 個(gè)導(dǎo)向軸。側(cè)支架中設(shè)置有2 個(gè)導(dǎo)向套。導(dǎo)向套可沿導(dǎo)向軸滑動(dòng)。夾緊油缸為2 個(gè)單桿雙作用油缸缸筒端同軸線背對背焊接的整體，中間設(shè)置鉸接軸。夾緊油缸缸筒端鉸接在中心框架上，缸桿端鉸接在側(cè)支架上的油缸支座上。

3）滑移架?；萍苡糜谥螉A緊裝置及搓輪組件，并將搓桿裝置連接于給進(jìn)裝置上?；萍苡砂惭b底座、滑軌、定位板和復(fù)位彈簧組成。推拉油缸缸筒端鉸接在滑移架的安裝底座上，缸桿端鉸接在夾緊裝置的中心框架上。

4 上卸鉆桿過程

1）加桿過程。加桿過程主要有：①鉆桿吊裝單元起吊鉆桿束并沿導(dǎo)軌移動(dòng)至鉆桿托架上方，將鉆桿束放置在鉆桿托架內(nèi)；②拆除鉆桿束的拉桿及兩端的U 形夾板，鉆桿在自重的作用下滑滾至托盤體的直角凹槽處；③控制一級油缸、二級油缸、三級油缸和抓手油缸的組合動(dòng)作，將鉆桿從托盤內(nèi)抓取移動(dòng)至動(dòng)力頭中心線位置，鉆機(jī)夾持器夾緊鉆桿；④抓手松開，回到初始位置，準(zhǔn)備進(jìn)行下1 根鉆桿的抓取動(dòng)作；⑤鉆機(jī)完成鉆進(jìn)動(dòng)作；⑥鉆桿托架中的其余鉆桿按照上述步驟完成上桿動(dòng)作；⑦鉆桿吊裝單元起吊下1 組鉆桿束繼續(xù)重復(fù)上述動(dòng)作。

2）卸桿過程。卸桿過程主要有：①搓桿裝置處于張開狀態(tài)，推拉油缸缸桿收緊；②利用鉆機(jī)動(dòng)力頭與夾持器配合將待卸鉆桿絲扣松開1～2 扣，動(dòng)力頭倒桿將待卸鉆桿整體移動(dòng)至動(dòng)力頭后端；③搓桿機(jī)構(gòu)夾緊鉆桿快速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)推拉油缸的缸桿伸出，使鉆桿反轉(zhuǎn)的同時(shí)向后移動(dòng)，鉆桿接頭與前端鉆桿完全脫開；④搓桿裝置張開，鉆桿滑落至鉆桿托架上；⑤重復(fù)上述動(dòng)作，在鉆桿架上組裝完成鉆桿束后，吊運(yùn)至巷道內(nèi)碼放整齊。

5 應(yīng)用情況

大直徑鉆桿上卸裝置工業(yè)性試驗(yàn)在內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市某礦進(jìn)行。試驗(yàn)期間共施工鉆孔6 個(gè)，累計(jì)進(jìn)尺7 420 m，累計(jì)上卸2 m 長鉆桿3 710 根。試驗(yàn)過程中機(jī)械手從鉆桿托盤內(nèi)取桿至上桿完成所需時(shí)間28 s，搓桿裝置快速卸桿至鉆桿滑滾至鉆桿托架上所需時(shí)間為18 s 左右，與從動(dòng)力頭后方上卸鉆桿的方式相比大大減少了上卸鉆桿的輔助時(shí)間。工業(yè)性試驗(yàn)中機(jī)械手抓取鉆桿動(dòng)作穩(wěn)定可靠，移動(dòng)位置精確，卸桿裝置快速高效，無卡滯、打滑等現(xiàn)象發(fā)生。

6 結(jié) 語

煤礦坑道鉆機(jī)大直徑鉆桿上卸裝置采用在動(dòng)力頭與夾持器中間上鉆桿、動(dòng)力頭后部卸鉆桿的方式，集成了2 種上卸鉆桿方式的優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)化了上卸鉆桿的方式；機(jī)械手將人工加鉆桿的復(fù)雜動(dòng)作分解為笛卡爾坐標(biāo)內(nèi)的平移動(dòng)作，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高；搓桿裝置旋轉(zhuǎn)速度高，在低轉(zhuǎn)速大扭矩鉆機(jī)上使用時(shí)可明顯提高卸鉆效率。大直徑鉆桿上卸裝置實(shí)現(xiàn)了大直徑鉆桿連續(xù)上卸，減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了井下作業(yè)的危險(xiǎn)系數(shù)，提高了煤礦坑道鉆機(jī)上卸大直徑鉆桿的自動(dòng)化水平。