煤礦液壓鉆機的設(shè)計及動態(tài)特性試驗分析

李 杰

（山西華陽集團新能股份有限公司一礦， 山西 陽泉 045000）

引言

煤礦生產(chǎn)除了掘進、開采等大型工作任務(wù)外，還需要很多輔助工程，包括對工作面瓦斯的抽采、地質(zhì)勘探等。其中，對于瓦斯抽采和地質(zhì)勘探均離不開鉆機支撐。目前，在我國不論是瓦斯抽采鉆機和地質(zhì)勘探鉆機還是液壓鉆機研究的起步較晚，主要體現(xiàn)為鉆機的扭矩和功率偏小，在某些巷道深部無法滿足實際抽采或者探測任務(wù)[1]。因此，開發(fā)一款大功率、大扭矩的液壓鉆機滿足煤礦生產(chǎn)需求任務(wù)具有重要意義。本文設(shè)計了一款液壓鉆機并對其中關(guān)鍵分系統(tǒng)以及部件特性進行研究。

1 煤礦液壓鉆機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 液壓鉆機的功能分析

本文所設(shè)計液壓鉆機的工作目標(biāo)為鉆進1500 m的孔。因此，要求液壓鉆機必須具備能夠輸出大扭矩、具有較大給進和起拔的能力。與此同時，在長距離鉆孔的需求牽引下要求與其所配套的泥漿泵具有高壓力、大流量的特點做支撐，以保證鉆桿的順利鉆進和排渣功能的完成[2]。綜上所述，為了滿足在中硬煤層工作面實現(xiàn)長距離和大直徑鉆孔的高效鉆進任務(wù)，要求煤礦液壓鉆機具備如下功能特點：

1）要具備基于大通孔全液壓動力頭的主軸制動功能；

2）可根據(jù)工作需求選擇不同鉆機工藝方案開展鉆進任務(wù)；

3）整機各結(jié)構(gòu)和分系統(tǒng)布置緊密，且可滿足不同角度鉆孔的施工需求；

4）為提升鉆機的鉆進效率，要求設(shè)備具備自主機械化、快速化的對鉆桿進行加裝或拆卸；5）整機具備對實時鉆進參數(shù)進行監(jiān)測和控制的功能，整機必須操作簡單、功能齊全且性能可靠。

1.2 液壓鉆機功能模塊設(shè)計

根據(jù)煤礦液壓鉆機需要完成對煤層1500 m 和頂板1000 m 的鉆進任務(wù)，充分結(jié)合理論計算和實踐經(jīng)驗完成該液壓鉆機各項參數(shù)的設(shè)計。鑒于篇幅有限，此處僅列出煤礦液壓鉆機的主要性能參數(shù)，如表1 所示。

表1 煤礦液壓鉆機主要性能參數(shù)

同時，結(jié)合液壓鉆機的工作任務(wù)，主要是對水平孔的施工。因此，將液壓鉆機按照分體式的結(jié)構(gòu)進行布局，整體布局結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 液壓鉆機整體布局結(jié)構(gòu)圖

2 煤礦液壓鉆機液壓系統(tǒng)的設(shè)計

本小節(jié)重點對煤礦鉆機液壓控制系統(tǒng)進行設(shè)計。本系統(tǒng)的液壓介質(zhì)為液壓油，實現(xiàn)液壓油循環(huán)的方式包括有開式循環(huán)和閉式循環(huán)方式[3]。其中，將于煤礦液壓鉆機屬于大功率、扭矩大的設(shè)備，而且在日常工作中的發(fā)熱量大，同時還需要通過液壓系統(tǒng)完成直行和轉(zhuǎn)彎的單獨操作。因此，本系統(tǒng)采用開式循環(huán)系統(tǒng)對液壓油進行循環(huán)。

根據(jù)煤礦液壓鉆機的工作任務(wù)，要求其液壓系統(tǒng)具備鉆進、輔助和行走等控制功能。其中，鉆進系統(tǒng)主要是對回轉(zhuǎn)回路和鉆進回路進行控制；輔助系統(tǒng)主要是對穩(wěn)固回路和調(diào)角回路進行控制；行走系統(tǒng)完成對液壓鉆機的直線行走控制、轉(zhuǎn)彎控制和行走制動控制。其中，回轉(zhuǎn)回路和鉆進回路為液壓鉆機的關(guān)鍵回路[4]，本小節(jié)重點對其進行設(shè)計。

2.1 回轉(zhuǎn)回路的設(shè)計

回轉(zhuǎn)回路主要是對液壓鉆機回轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)進行控制，使得回轉(zhuǎn)器具備足夠且穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)矩，從而保證鉆機的工作任務(wù)。為保證液壓鉆機能夠適應(yīng)多種鉆進工藝，本回轉(zhuǎn)回路采取“變量泵+變量馬達(dá)”的雙變量容積調(diào)速系統(tǒng)進行控制，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對回轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)的無級控制，從而保證整個回路的回轉(zhuǎn)剛性。

同時，在回轉(zhuǎn)回路中基于負(fù)載敏感控制技術(shù)設(shè)計了防沖擊回路，從而實現(xiàn)對回轉(zhuǎn)回路中液壓馬達(dá)的保護。

2.2 給進回路的設(shè)計

給進回路主要是對液壓鉆機液壓缸的給進和快速倒桿操作。結(jié)合實際鉆機需求，系統(tǒng)給予的給進力應(yīng)根據(jù)煤層的變化進行實時控制，保證其能夠適應(yīng)不同地質(zhì)條件的鉆進任務(wù)。本給進回路采用“變量泵+液壓油缸”的驅(qū)動方式進行控制。給進路為整個鉆探操作的核心，在整個操作過程中應(yīng)將給進速度慢速、精確控制，主要通過比例先導(dǎo)和負(fù)載敏感控制技術(shù)實現(xiàn)。

結(jié)合液壓鉆機的工作需求，此處對關(guān)鍵液壓元器件進行選型。首先是對液壓馬達(dá)和液壓油泵的選型，選型結(jié)果如表2 所示。

表2 液壓鉆機關(guān)鍵元器件的選型

3 液壓回路動態(tài)性能試驗研究

為了驗證所設(shè)計的液壓鉆機系統(tǒng)的合理性，本節(jié)選取液壓回路的關(guān)鍵元器件進行性能試驗研究。重點對液壓油泵、液壓馬達(dá)和負(fù)載敏感多路閥進行試驗研究。具體試驗方法如下。

將回轉(zhuǎn)器端的壓力設(shè)定為30 MPa，重點對液壓泵和液壓馬達(dá)的出口壓力進行研究，試驗結(jié)果如圖2 所示。

圖2 額定工況液壓泵和液壓馬達(dá)出口壓力曲線

如圖2 所示，在額定工況下液壓泵和液壓馬達(dá)出口壓力波動明顯，導(dǎo)致液壓線路中的管道出現(xiàn)嚴(yán)重的振動現(xiàn)象，從而對鉆機液壓元器件和機械部件造成損壞。經(jīng)分析可知，導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要原因為高壓管路的通徑選擇不合理，導(dǎo)致主閥壓力補償器的壓力調(diào)節(jié)出現(xiàn)偏差。

為解決上述問題，工作人員將液壓鉆機的高壓管路的通徑更換為39 mm；對應(yīng)的合流管路的通徑為25 mm。與此同時，將系統(tǒng)原合流管路改進為采用通向合流方式，保證主閥壓力補償器能夠正常對壓力進行調(diào)整，并具有較好的響應(yīng)速度。改進后的性能試驗結(jié)果如圖3 所示。

圖3 改進后額定工況液壓泵和液壓馬達(dá)進出口壓力曲線

如圖3 所示，優(yōu)化后液壓泵出口和液壓馬達(dá)的進口壓力在額定工況下不再出現(xiàn)劇烈的振動情況。

4 結(jié)論

液壓鉆機為煤礦生產(chǎn)必不可少的設(shè)備，其主要應(yīng)用于瓦斯抽采鉆孔和地質(zhì)勘探鉆孔。為解決深孔的鉆進任務(wù)，本文設(shè)計一款大功率、大扭矩的液壓鉆機，并總結(jié)如下：

1）所設(shè)計的液壓鉆機可滿足煤層1500 mm，頂板1000 m 的鉆進任務(wù)。

2）根據(jù)鉆機的工作任務(wù)，針對其回轉(zhuǎn)回路采用回轉(zhuǎn)回路采取“變量泵+變量馬達(dá)”的雙變量容積調(diào)速系統(tǒng)進行控制，給進回路采用“變量泵+液壓油缸”的驅(qū)動方式進行控制。

3）經(jīng)性能試驗可知，液壓鉆機原設(shè)計的高壓管路通徑和合流管路通徑設(shè)計不合理導(dǎo)致液壓泵和液壓馬達(dá)出口壓力振動劇烈。為此，將液壓鉆機的高壓管路的通徑更換為39 mm；對應(yīng)的合流管路的通徑更換為25 mm 后解決了振動劇烈的問題。