李宗奎+李建超

摘 要：ZDY400型煤礦用全液壓鉆機(jī)是一款為煤礦井下施工小直徑近距離鉆孔而設(shè)計(jì)的低成本、輕便、高效鉆機(jī)，文章介紹了該型鉆機(jī)的總體方案、技術(shù)參數(shù)、主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、液壓原理以及型式試驗(yàn)和井下工業(yè)性試驗(yàn)情況。

關(guān)鍵詞：分體式鉆機(jī)；操縱臺(tái)；恒功率變量油泵；液壓

1 概述

全液壓鉆機(jī)由于結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)平穩(wěn)、操縱簡(jiǎn)單等一系列的優(yōu)點(diǎn)，在煤礦井下的鉆孔施工中得到了普遍應(yīng)用。同時(shí)從煤礦井下施工的特殊工況來(lái)看，對(duì)于搬遷便利、安裝方便，自動(dòng)化程度高、鉆進(jìn)能力強(qiáng)的小型鉆機(jī)需求量較大；另一方面，從鉆機(jī)行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢(shì)看來(lái)，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，均表現(xiàn)出向小型、集成化和大型、功能全兩個(gè)方向發(fā)展的局面。ZDY400型煤礦用全液壓坑道鉆機(jī)的研制，旨在減輕主機(jī)重量，降低成本，簡(jiǎn)化系統(tǒng)，提高可靠性，以增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。

2 鉆機(jī)的總體設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)要求，除了考慮鉆探工藝的特殊要求外，應(yīng)盡可能的采用機(jī)械行業(yè)的通用件、標(biāo)準(zhǔn)件及各種液壓元件，以縮短鉆機(jī)的試制周期，提高整機(jī)的可靠性、互換性、通用性。ZDY400型鉆機(jī)采用全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)設(shè)計(jì)[1]，整機(jī)分為主機(jī)、泵站、操縱臺(tái)三大部分，各部分間用高壓膠管相連接。解體性好，便于井下搬遷運(yùn)輸。操作人員可遠(yuǎn)離主機(jī)和孔口，有利于安全施工。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

由于在煤礦井下，瓦斯抽放孔、煤層注水孔、探放水孔、注漿孔、防滅火孔、地質(zhì)勘探孔等鉆孔施工中，70m左右孔深的鉆孔比較多[2]，加上在井下巷道內(nèi)施工，要求搬遷運(yùn)輸方便，因而鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)選取如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)

2.3 主要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 主機(jī)

主機(jī)由回轉(zhuǎn)器、送水器、給進(jìn)裝置、墊叉組、機(jī)架組成，如圖1所示。

（1）回轉(zhuǎn)器?；剞D(zhuǎn)器是鉆機(jī)的核心部件，為了減輕重量，采用擺線液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)主軸的傳動(dòng)方式，主軸與送水器軸連接，帶動(dòng)鉆桿實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。使用恒功率變量油泵實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)器的無(wú)級(jí)調(diào)速，以滿足開(kāi)孔和鉆進(jìn)兩種工藝要求?；剞D(zhuǎn)器與拖板之間用銷(xiāo)軸式連接，安裝方便。

（2）送水器。送水器也叫水便，用于在鉆進(jìn)過(guò)程中沿鉆桿內(nèi)孔向鉆頭部位輸送水（沖洗液），以便排出孔內(nèi)巖屑，另外還可以冷卻鉆頭，保證正常鉆進(jìn)，延長(zhǎng)鉆頭使用壽命。水便由中心軸、殼體、密封圈、導(dǎo)向環(huán)等組成。由于采用了定長(zhǎng)鉆桿，在回轉(zhuǎn)器前加桿，所以水便安裝于回轉(zhuǎn)器主軸前端。水便軸與回轉(zhuǎn)器主軸之間既可以傳遞拉、壓力，也可以傳遞正、反轉(zhuǎn)扭矩。水便殼體與回轉(zhuǎn)器殼體之間采用特殊連接，以限制水便殼體的圓周轉(zhuǎn)動(dòng)。為了防止水便軸前端接頭的磨損，通過(guò)過(guò)渡接頭與鉆桿相連接。

（3）墊叉組。為了固定孔內(nèi)鉆具，在給進(jìn)裝置前端設(shè)置了墊叉組。墊叉組由墊叉座和墊叉組成。當(dāng)鉆桿接頭上的扁平缺口處于墊叉座中間時(shí)，可以插入墊叉，以限制鉆桿的軸向和周向運(yùn)動(dòng)，起到固定孔內(nèi)鉆具的作用，以便擰卸鉆桿。另外，墊叉座還可以起扶正鉆桿的作用。

（4）給進(jìn)裝置。給進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)主要是給進(jìn)油缸的選擇，另外給進(jìn)裝置的長(zhǎng)度也影響鉆機(jī)的整體長(zhǎng)度。給進(jìn)裝置由機(jī)身導(dǎo)軌、拖板、油缸等組成。油缸采用單桿雙作用缸，利用活塞桿的伸縮，推動(dòng)拖板及回轉(zhuǎn)器沿機(jī)身導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)給進(jìn)、起拔運(yùn)動(dòng)，采用這種結(jié)構(gòu)拆裝方便，并且拖板的加工比較容易。為了增大油缸的有效行程，采用缸體固定安裝。具體作法是用缸體中部法蘭連接，用V形夾板固定缸頭，做到缸體安裝牢靠。活塞桿端與拖板之間采用耳環(huán)、銷(xiāo)軸連接。為了消除拖板與導(dǎo)軌之間的襯板在使用一段時(shí)間后由于磨損帶來(lái)的不利影響，銷(xiāo)孔設(shè)置成長(zhǎng)孔，使活塞桿端在垂直面內(nèi)具有一定的自由度，以改善活塞桿的受力情況。給進(jìn)裝置通過(guò)機(jī)身下面的夾瓦與機(jī)架連接。

（5）機(jī)架。機(jī)架用于安裝固定給進(jìn)裝置。給進(jìn)裝置可以在機(jī)架上調(diào)頭安裝，機(jī)架的橫梁設(shè)計(jì)成高度可調(diào)的結(jié)構(gòu)，用于調(diào)整鉆孔傾角，使鉆孔傾角在-30°～+30°之間變化。機(jī)架由底座、立柱、斜撐桿和橫梁等組成。

2.3.2 操縱臺(tái)

操縱臺(tái)是鉆機(jī)的控制裝置?？梢钥刂苹剞D(zhuǎn)器的正、反轉(zhuǎn)或停止，控制給進(jìn)裝置的給進(jìn)、起拔或停止。操縱臺(tái)由多路換向閥、安全閥、節(jié)流閥、減壓閥、壓力表及管件等組成。靠安全閥限制液壓系統(tǒng)最高壓力，起安全保護(hù)作用，靠減壓閥調(diào)節(jié)給進(jìn)壓力。節(jié)流閥與減壓閥配合，可以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)和給進(jìn)壓力的匹配，保證正常鉆進(jìn)?？繅毫Ρ砜梢员O(jiān)視回轉(zhuǎn)和給進(jìn)的工作壓力。

2.3.3 泵站

泵站是鉆機(jī)的動(dòng)力來(lái)源，由防爆電動(dòng)機(jī)、液壓油泵、油箱、濾油器、冷卻器和底座等組成。電動(dòng)機(jī)與油泵通過(guò)柱銷(xiāo)式聯(lián)軸器連接，在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)工作，油泵從油箱中吸油并排出高壓油，經(jīng)過(guò)操縱臺(tái)的液壓閥驅(qū)動(dòng)和控制鉆機(jī)上的各個(gè)工作機(jī)構(gòu)。油箱設(shè)置在了油泵的上方，有利于油泵的吸油。為了減小油箱的容積和降低油液溫度，在總回油路上裝設(shè)了板翅式水冷冷卻器。為保持油液的清潔并使油液中的雜物不進(jìn)入油路系統(tǒng)，在油泵吸油口安裝吸油濾油器，在回油路上安裝回油濾油器，在油箱蓋上安裝有空氣濾清器。為滿足低速大扭矩開(kāi)孔和高速小扭矩鉆孔兩種工況，同時(shí)，提高電機(jī)的功率利用率，采用恒功率變量油泵，該泵結(jié)構(gòu)為斜盤(pán)式柱塞泵[3]。

2.4 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鉆機(jī)采用回轉(zhuǎn)和給進(jìn)并聯(lián)供油的單泵開(kāi)式液壓系統(tǒng)。當(dāng)鉆機(jī)正常給進(jìn)時(shí)，泵的一部分液壓油進(jìn)入液壓馬達(dá)使鉆機(jī)動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)，另一部分液壓油進(jìn)入給進(jìn)液壓缸使鉆機(jī)動(dòng)力頭前進(jìn)后退，由于減壓閥能保持進(jìn)口壓力變化時(shí)出口壓力恒定、出口壓力低于進(jìn)口壓力，因此在鉆進(jìn)近水平或下斜鉆孔時(shí)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力和給進(jìn)壓力兩者不相互影響，即可任意調(diào)節(jié)減壓閥控制給進(jìn)壓力，而此時(shí)回轉(zhuǎn)壓力不隨減壓閥的調(diào)節(jié)而變化；同時(shí)當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力變化時(shí)，如果不調(diào)節(jié)減壓閥，給進(jìn)壓力同樣不受影響，這就滿足了正常鉆進(jìn)的需要。采用回油路節(jié)流閥調(diào)速可以使給進(jìn)速度更加平穩(wěn)，從而減少了對(duì)鉆頭切削具上的動(dòng)載作用，延長(zhǎng)了鉆頭壽命。