高轉(zhuǎn)速跨輸送帶螺旋鉆機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

張澤飛

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

當(dāng)前在松軟突出煤層瓦斯抽采鉆孔施工中采用的大扭矩低轉(zhuǎn)速鉆機(jī)存在排粉效果差、事故處理能力低等問(wèn)題，有必要進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)對(duì)于松軟煤層而言，鉆孔需要在巷道兩側(cè)進(jìn)行施工，因此還要求鉆機(jī)需要具有跨輸送帶實(shí)施施工的能力。針對(duì)以上問(wèn)題，研制了ZDY15000 型高轉(zhuǎn)速跨輸送帶螺旋鉆進(jìn)鉆機(jī)，并在王坡煤業(yè)松軟突出煤層進(jìn)行了鉆孔現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[1-5]。

1 ZDY15000 型鉆機(jī)的設(shè)計(jì)總體方案

1.1 設(shè)計(jì)總體方案分析

ZDY15000 型鉆機(jī)主要應(yīng)用工況為松軟突出煤層，具有跨輸送帶實(shí)施施工的能力，設(shè)計(jì)有鉆桿吊裝機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)升降與旋轉(zhuǎn)互鎖，開孔高度在1.2～1.6 m之間，巷道尺寸寬×高=5 m×4 m。

ZDY15000 型鉆機(jī)以《煤礦坑道勘探用鉆機(jī)》（MT/T790-2006）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該鉆機(jī)應(yīng)當(dāng)具備以下功能：（1）主軸回轉(zhuǎn)最大扭矩15 000 N·m，高速經(jīng)驗(yàn)值轉(zhuǎn)速80～120 r/min，低速經(jīng)驗(yàn)值轉(zhuǎn)速40～60 r/min；（2）最大給進(jìn)起拔力500 kN，給進(jìn)速度最快1 m/min；（3）卡盤，螺旋鉆桿不適用卡盤，不方便裝夾；（4）夾持器一般2 根油缸，可加持Φ110 mm、Φ280 mm、Φ426 mm 的螺旋鉆桿；（5）二次給進(jìn)起拔油缸輔助裝卸鉆桿；（6）上穩(wěn)固油缸一般2 根，下穩(wěn)固油缸一般4 根，前頂油缸一般2 根，后頂油缸一般2 根，均應(yīng)當(dāng)滿足鉆機(jī)的穩(wěn)固要求；（7）調(diào)角油缸或者馬達(dá)一般成對(duì)使用，應(yīng)當(dāng)滿足鉆機(jī)的調(diào)角要求；（8）履帶行走一般成對(duì)使用，爬坡一般20°驅(qū)動(dòng)力滿足鉆機(jī)行走要求。

鉆桿吊裝機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具備以下功能：吊臂旋轉(zhuǎn)應(yīng)當(dāng)滿足吊裝的旋轉(zhuǎn)要求；吊臂升降應(yīng)當(dāng)滿足吊裝的升降要求；吊鉤伸縮根據(jù)鉆機(jī)的整體布局合理選擇。

1.2 結(jié)構(gòu)分析

ZDY15000 型鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1，主要由風(fēng)冷散熱器、電磁啟動(dòng)器、履帶車體、操縱臺(tái)、穩(wěn)固調(diào)角裝置、吊裝提升裝置、主機(jī)等組成。

圖1 ZDY15000 型鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 ZDY15000 型鉆機(jī)關(guān)鍵部件及技術(shù)分析

2.1 電機(jī)功率選型

功率計(jì)算：依據(jù)《煤礦坑道勘探用鉆機(jī)》（MT/T790-2006）煤礦坑道勘探用鉆機(jī)計(jì)算公式：

式中：P2為主軸輸出功率，kW；n為回轉(zhuǎn)器主軸轉(zhuǎn)速，r/min；M為主軸轉(zhuǎn)矩，kN·m。

若最大扭矩15 000 N·m 時(shí)轉(zhuǎn)速120 r/min，輸出功率=輸出扭矩×輸出轉(zhuǎn)速×π/30/1000，代入計(jì)算P2=15 000×120×3.14/30/1000=188.4 kW。

依據(jù)《煤礦坑道勘探用鉆機(jī)》（MT/T790-2006）中的鉆機(jī)整機(jī)效率：機(jī)械傳動(dòng)≥70%，液壓傳動(dòng)≥40%，參考MT/T790 的液壓傳動(dòng)的效率≥40%，按40%選用的話需要188.4/0.4=471 kW。

根據(jù)計(jì)算，可確定選擇YBK3-355L2-4-315kW（660/1140）隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)。

最大扭矩15 000 N·m 時(shí)轉(zhuǎn)速50 r/min，計(jì)算功率P2=15 000×50×3.14/30/1000=78.5 kW。

參考MT/T790 的液壓傳動(dòng)的效率≥40%，按40% 選用的話需要78.5/0.4=196.25 kW。查《煤礦用隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件 第1 部分：YBK3 系列煤礦井下用隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)（機(jī)座號(hào)80～355）》（JB/T9593.1-2015）標(biāo)準(zhǔn)選標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)最為接近的為YBK3-315L2-4（660/1140）200 kW。 若 按 輸 出 功 率 為78.5 kW 計(jì) 算，M=P2×9550/120 ≈6247 N·m。

通過(guò)計(jì)算得出理論數(shù)值：扭矩6247 N·m 時(shí)轉(zhuǎn)速120 r/min；扭矩15 000 N·m 時(shí)轉(zhuǎn)速50 r/min。

2.2 液壓馬達(dá)和傳動(dòng)比選擇

選定液壓馬達(dá)時(shí)要考慮的因素有工作壓力、轉(zhuǎn)速范圍、運(yùn)行扭矩、總效率、容積效率、滑差特性、壽命等機(jī)械性能以及在機(jī)械設(shè)備上的安裝條件、外觀等。

已知參數(shù)：扭矩6247 N·m 時(shí)轉(zhuǎn)速120 r/min；扭矩15 000 N·m 時(shí)轉(zhuǎn)速50 r/min；額定工作壓力一般在16～35 MPa 之間。結(jié)合以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)大扭矩、高速、小尺寸的液壓馬達(dá)應(yīng)當(dāng)選用2 個(gè)OMV-630 型擺線馬達(dá)，其輸出功率最大為56 kW，初算傳動(dòng)比：i=15 000/1940/2=3.8。試計(jì)算時(shí)沒有考慮效率問(wèn)題，減速器的實(shí)際傳動(dòng)比與公稱傳動(dòng)比的相對(duì)偏差Δi，單級(jí)減速器|Δi|≤3%。選0.97，計(jì)算可得i=3.8/0.97 ≈3.91，在單級(jí)減速器推薦里面選擇i=4，即傳動(dòng)比定位i=4。

單馬達(dá)工作時(shí)：斷續(xù)轉(zhuǎn)速為380/4=95 r/min，扭矩為T=1660×4=6640 N·m。雙馬達(dá)工作時(shí)：連續(xù)轉(zhuǎn)速為315/4/2 ≈40 r/min，扭矩為T=1660×4×2=13 280 N·m；斷續(xù)轉(zhuǎn)速為380/4/2=47.5 r/min，扭矩為T=1940×4×2=15 520 N·m。

2.3 液壓主泵選擇

這里存在單馬達(dá)轉(zhuǎn)速和雙馬達(dá)轉(zhuǎn)速，根據(jù)液壓馬達(dá)OMV-630 的性能參數(shù)表分別計(jì)算：?jiǎn)务R達(dá)工作時(shí)，Vg=380×630/1480 ≈162 mL/r；雙馬達(dá)工作時(shí)，Vg=380×630×2/1480 ≈324 mL/r。根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定選擇力士樂的A11VLO190 串泵。

2.4 聯(lián)軸器選擇

聯(lián)軸器的選擇： 電機(jī)200 kW，油泵190 cc。聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩為2903 N·m，確定采用北京古德高機(jī)電公司的新型星形聯(lián)軸器的彈性元件為星形式（或稱凸爪式）， 具有緩沖減振、不需潤(rùn)滑、維護(hù)方便的特點(diǎn)，具有補(bǔ)償兩軸相對(duì)偏移的能力。泵選擇DIN5480 的花鍵軸W50×2×30×24×9g 連接方式，則聯(lián)軸器泵端花鍵為N50×2×30×24×10H。

2.5 鉆桿、鉆頭及導(dǎo)向桿的設(shè)計(jì)

螺旋鉆桿直徑110 mm、280 mm、426 mm，鉆頭直徑180 mm、380 mm、550 mm。

Φ110 mm 鉆桿，桿體采用Φ73×7.5 無(wú)縫鋼管牌號(hào)R780，公母頭材質(zhì)為42CrMoA，桿體與接頭的抗拉強(qiáng)度σb≥1080 MPa，屈服強(qiáng)度σs≥930 MPa。Φ180 mm 鉆頭采用Φ110 mm 鉆桿的母頭，同時(shí)選擇球面柱頭硬質(zhì)合金。

鉆頭前端用Φ42 mm 的煤鉆頭導(dǎo)向開孔，正轉(zhuǎn)時(shí)用硬質(zhì)合金或金剛石復(fù)合片切削，反轉(zhuǎn)時(shí)用球面柱頭硬質(zhì)合金反向切割。

Φ380 mm、Φ550 mm 鉆頭翼片均采用此種設(shè)計(jì)方案。Φ110 mm 鉆桿與鉆頭接頭為4 方，但是Φ280 mm、Φ426 mm 鉆桿直徑較大，接頭選用8 方。

開孔作業(yè)順序是先打Φ180 mm 的底孔，再打Φ380 mm 或Φ550 mm 的終孔，因此導(dǎo)向鉆桿外型選擇類似子彈頭形狀。導(dǎo)向鉆桿的尾端連接鉆頭，與鉆頭連接采用六方插接，鉆頭六刀翼之間均有環(huán)形鋼帶加固，抵消鉆頭切割時(shí)的反作用力，保證六刀翼的強(qiáng)度；鉆頭的桿體與鉆桿的桿體一致，強(qiáng)度也夠；導(dǎo)向鉆桿基本不承受扭矩，只承受本身及鉆頭的重力，所以他的強(qiáng)度要求不高。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

ZDY15000 型跨輸送帶螺旋鉆機(jī)在王坡煤業(yè)3203 回風(fēng)巷進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。第一步，基于該巷道3#松軟突出煤層工況，建立松軟突出煤層鉆進(jìn)工藝方法；第二步，改進(jìn)調(diào)整鉆機(jī)和配套鉆具，提高鉆進(jìn)效率。

ZDY15000 型鉆機(jī)配套單根長(zhǎng)度1 m 的Φ110 mm/Φ63.5 mm 插接螺旋鉆桿和保直效果更好的四翼內(nèi)凹鉆頭進(jìn)行鉆孔施工，截至2021 年8 月一共完成鉆孔58 個(gè)，有效總進(jìn)尺5365 m，平均孔深92.5 m，其中最大孔深為205 m。對(duì)比相鄰3316 輔助回風(fēng)巷采用的其他鉆機(jī)施工情況，ZDY15000 型鉆機(jī)的鉆進(jìn)效率和鉆孔深度都有了顯著提高，鉆孔施工效果理想。

4 結(jié)語(yǔ)

ZDY15000 高轉(zhuǎn)速跨輸送帶螺旋鉆機(jī)具有高轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)、跨輸送帶施工、開孔傾角和開孔高度可調(diào)、整體式履帶自行走、給進(jìn)行程大等特點(diǎn)。ZDY15000 型鉆機(jī)在3203 回風(fēng)巷瓦斯抽采鉆孔中進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，結(jié)果表明：該鉆機(jī)配合螺旋鉆桿和四翼內(nèi)凹鉆頭可進(jìn)行高轉(zhuǎn)速跨膠帶螺旋鉆進(jìn)，鉆進(jìn)效率、成孔深度顯著提高，在松軟突出煤層鉆進(jìn)施工中的效果較好。