韓 健

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710007）

煤炭是我國(guó)的基礎(chǔ)能源，支撐了我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速平穩(wěn)發(fā)展?，F(xiàn)階段，國(guó)家一直在推進(jìn)煤炭安全、高效、智能、綠色開(kāi)采和清潔高效利用，這也對(duì)煤礦配套裝備的技術(shù)革新、自動(dòng)化轉(zhuǎn)型提出了新的要求[1-3]。

煤礦井下坑道鉆機(jī)在礦井災(zāi)害防治、隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素探查、煤層氣資源開(kāi)發(fā)等方面發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。對(duì)于煤礦井下鉆探施工，加接鉆桿一直以來(lái)都是勞動(dòng)強(qiáng)度最大、最容易造成安全事故的工序。施工人員需將鉆桿人力送至給進(jìn)裝置中部或后部，再由另一操作人員操作動(dòng)力頭，配合完成鉆桿絲扣的擰緊，每加接1根鉆桿都需要拆卸送水器，整個(gè)過(guò)程勞動(dòng)強(qiáng)度較大，需要2人配合進(jìn)行，施工效率低，更重要的是，若出現(xiàn)操作或配合不當(dāng)，極易引發(fā)安全事故[4-5]。

近年來(lái)，為了提高鉆探施工安全性，降低施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度，改善鉆桿加卸人員的工作環(huán)境，以中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司、中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司等為代表的鉆探裝備研發(fā)企業(yè)相繼開(kāi) 發(fā) 了ZDY4300LK、ZDY4500LFK、ZYWL-4000Y、ZYWL-6000Y等型號(hào)自動(dòng)鉆機(jī)，部分機(jī)型已經(jīng)開(kāi)始了工業(yè)性推廣[6-7]。與傳統(tǒng)鉆機(jī)比，此類(lèi)鉆機(jī)均采用電液控制技術(shù)，除傳統(tǒng)全液壓鉆機(jī)部件外，還有配置電控控制柜、電磁閥、傳感器等電控元件，預(yù)先寫(xiě)入程序通過(guò)電信號(hào)進(jìn)行各個(gè)動(dòng)作的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多個(gè)動(dòng)作的自動(dòng)化運(yùn)行[8-9]。

電控自動(dòng)鉆機(jī)的出現(xiàn)一定程度上改善了鉆探施工安全性的問(wèn)題。但是受制于目前電控自動(dòng)鉆機(jī)價(jià)格昂貴；各個(gè)煤礦專(zhuān)業(yè)技術(shù)力量有限，難以滿(mǎn)足日常維保要求；電控自動(dòng)鉆機(jī)部分功能可靠性及適用性依然存在問(wèn)題等方面原因，相對(duì)整個(gè)龐大的煤炭行業(yè)而言，采用人力進(jìn)行鉆桿加卸依然是最常見(jiàn)、最普遍的方式，并且這種狀態(tài)還將持續(xù)若干年。

針對(duì)以上問(wèn)題，研制了全液壓自動(dòng)加桿裝置，采用全液壓控制方式，易與行業(yè)內(nèi)最普遍的卡盤(pán)式單夾持器鉆機(jī)相集成，成本僅為電控自動(dòng)鉆機(jī)的十分之一。裝置采用全液壓控制，操作簡(jiǎn)便，操作人員可獨(dú)立完成最多7根鉆桿的連續(xù)加接。在淮北礦業(yè)集團(tuán)祁南煤礦井下對(duì)其在用鉆機(jī)進(jìn)行了全液壓自動(dòng)加桿裝置的集成升級(jí)，通過(guò)一段時(shí)間的應(yīng)用表明，該裝置能切實(shí)、有效的改善工人的施工安全性，裝置操作簡(jiǎn)便，性能可靠。

1 總體設(shè)計(jì)方案

目前行業(yè)內(nèi)的普通坑道鉆機(jī)幾乎都采用卡盤(pán)式動(dòng)力頭配合單夾持器的結(jié)構(gòu)，鉆桿可穿過(guò)動(dòng)力頭中間通孔，卡盤(pán)可液壓夾持鉆桿并跟隨動(dòng)力頭主軸旋轉(zhuǎn)，夾持器用于夾持孔內(nèi)鉆具，鉆桿的絲扣擰卸依靠動(dòng)力頭與夾持器的配合完成。

自動(dòng)加桿裝置總體方案如圖1。

圖1 自動(dòng)加桿裝置總體方案Fig.1 Overall plan of automatic drill pipe adding device

為了適配普通坑道鉆機(jī)卡盤(pán)式動(dòng)力頭配合單夾持器的結(jié)構(gòu)，加桿裝置設(shè)計(jì)由機(jī)械手和鉆桿倉(cāng)組成，分別布置于給進(jìn)裝置兩側(cè)，在動(dòng)力頭通孔內(nèi)設(shè)置有主動(dòng)鉆桿，整體裝置采用中間加桿方式。機(jī)械手可沿鉆機(jī)給進(jìn)裝置寬度方向平移，主要用于抓取鉆桿倉(cāng)鉆桿并配合動(dòng)力頭進(jìn)行主動(dòng)鉆桿與待加鉆桿間的絲扣擰合，加接完成后，機(jī)械手可退出機(jī)身，不影響鉆進(jìn)。鉆桿倉(cāng)可存放數(shù)根鉆桿，在倉(cāng)體內(nèi)呈單列排布，下部設(shè)計(jì)有液壓升降裝置，可將鉆桿不斷送入特定的位置供機(jī)械手抓取。通過(guò)液壓油缸可將鉆桿倉(cāng)側(cè)向打開(kāi)，通過(guò)人工方式進(jìn)行鉆桿填充。

在整個(gè)過(guò)程中，機(jī)械手抓取、遞送、推出，鉆桿倉(cāng)托舉鉆桿等動(dòng)作均為油缸運(yùn)動(dòng)的極限位置，無(wú)需在油缸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行位置判斷，大大降低了操作難度。

2 部件關(guān)鍵技術(shù)

2.1 機(jī)械臂

機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖2。機(jī)械臂主要由連接底座、平移油缸、軌座、機(jī)械臂外套、機(jī)械臂內(nèi)套、伸縮油缸、手爪機(jī)構(gòu)、間隙調(diào)整裝置、扶正機(jī)構(gòu)組成。

圖2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of manipulator

連接底座與給進(jìn)裝置一側(cè)連接。平移油缸一端與連接底座相連，另一端連接機(jī)械臂外套。在平移油缸帶動(dòng)下，機(jī)械臂外套會(huì)沿著軌座滑動(dòng)，進(jìn)而使整個(gè)機(jī)械臂滑移。機(jī)械臂外套與內(nèi)套通過(guò)內(nèi)部伸縮油缸連接，機(jī)械臂內(nèi)套可沿機(jī)械臂外套內(nèi)側(cè)伸出或縮回。手爪機(jī)構(gòu)與機(jī)械臂內(nèi)套螺接固定，隨機(jī)械臂內(nèi)套同步運(yùn)動(dòng)，手抓可通過(guò)油缸實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆桿的抓取。平移油缸和伸縮油缸的互相配合，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂手抓處于取桿、加桿、退出3個(gè)工作位置。機(jī)械臂外套兩側(cè)設(shè)計(jì)有扶正機(jī)構(gòu)，用于保證機(jī)械手遞送鉆桿的精度，同時(shí)在與動(dòng)力頭上扣的過(guò)程中可起到保護(hù)手抓的作用。

2.2 浮動(dòng)式自補(bǔ)償式手抓

在機(jī)械手夾持鉆桿與動(dòng)力頭主動(dòng)鉆桿配合上扣的過(guò)程中，需要操作動(dòng)力頭前進(jìn)對(duì)絲扣，由于動(dòng)力頭推進(jìn)力達(dá)150 kN，為了保證對(duì)扣過(guò)程中手抓不被損壞，手抓部分設(shè)計(jì)了軸向自補(bǔ)償浮動(dòng)機(jī)構(gòu)。浮動(dòng)式自補(bǔ)償式手抓如圖3。

圖3 浮動(dòng)式自補(bǔ)償式手抓Fig.3 Self-adaption gripper

浮動(dòng)式自補(bǔ)償式手抓主要由滑動(dòng)軸、安裝座、自潤(rùn)滑軸套、彈簧、大螺母、上頂柱、下頂柱組成。2根滑動(dòng)軸可分別從安裝座的一側(cè)孔穿入，依次穿過(guò)上頂柱、調(diào)整墊環(huán)、彈簧、下頂柱、手爪、下頂柱、彈簧、調(diào)整墊環(huán)、上頂柱，并通過(guò)滑動(dòng)軸兩側(cè)的大螺母限位固定于安裝座襠部空間內(nèi)。當(dāng)絲扣接觸后，手抓受動(dòng)力頭推力，作用在一側(cè)壓縮彈簧，手抓沿滑動(dòng)軸軸向緩沖，從而起到保護(hù)手抓的作用；在絲扣擰合的過(guò)程中，手抓受到絲扣擰合軸向力的作用，原本受壓的彈簧逐漸復(fù)位，靠近動(dòng)力頭一側(cè)的彈簧開(kāi)始受壓形變，過(guò)程中手抓沿軸向自動(dòng)匹配絲扣擰合速率，直至絲扣完全上緊。這種結(jié)構(gòu)有效的解決了主動(dòng)鉆桿與待加鉆桿絲扣擰合過(guò)程中的受力緩沖和絲扣磨損問(wèn)題[10]，保護(hù)了整個(gè)機(jī)械臂，大大延長(zhǎng)了主動(dòng)鉆桿的使用壽命。

2.3 鉆桿倉(cāng)結(jié)構(gòu)

鉆桿倉(cāng)結(jié)構(gòu)如圖4。鉆桿倉(cāng)主要由外倉(cāng)、內(nèi)倉(cāng)、推出油缸、擋板、限位塊I、液壓升降裝置、限位塊II、檔桿機(jī)構(gòu)及鉆桿組成。

圖4 鉆桿倉(cāng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of drill pipe warehouse

液壓壓升降機(jī)舉升鉆桿的過(guò)程中，只與該列鉆桿最下部的1根接觸，而該列鉆桿只能在兩側(cè)尼龍滑條II的特定間隙內(nèi)向上直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了鉆桿的整體上升。內(nèi)倉(cāng)與外倉(cāng)一端通過(guò)轉(zhuǎn)軸連接，另一端通過(guò)液壓油缸相連接。在油缸的作用下內(nèi)倉(cāng)可側(cè)向打開(kāi)，可方便人填入鉆桿?？赏ㄟ^(guò)更換內(nèi)倉(cāng)滑條以適配不同規(guī)格的鉆桿。

2.4 檔桿機(jī)構(gòu)

檔桿機(jī)構(gòu)主要用于防止被液壓升降機(jī)送入頂部的第1根鉆桿因自重滑落出桿倉(cāng)，并能在待加鉆桿橫移出鉆桿倉(cāng)時(shí)讓出通道。檔桿機(jī)構(gòu)主要由雙扭簧、擋片、軸套、銷(xiāo)軸組成。擋片上帶有通孔，通過(guò)銷(xiāo)軸將其與雙扭簧、軸套穿連在一起，安裝后雙扭簧以一定預(yù)壓力讓擋片處于豎直狀態(tài)。預(yù)壓力可保證頂部鉆桿靜止。當(dāng)頂部鉆桿被抓手橫向移出桿倉(cāng)時(shí)，雙扭簧受到橫向推力進(jìn)一步壓縮并沿銷(xiāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，即讓開(kāi)了移出通道；當(dāng)待加鉆桿完全移出桿倉(cāng)后，擋片受力消失，扭簧自動(dòng)復(fù)位，擋片豎直繼續(xù)保持初始預(yù)壓狀態(tài)。

3 加桿流程

單根鉆桿加接的流程主要有：①鉆桿倉(cāng)上桿：操作液壓升降機(jī)將頂部鉆桿送入待加位置；②機(jī)械手取桿：操作機(jī)械手平移油缸、伸縮油缸將手抓送入待加位置并夾持待加鉆桿；③機(jī)械手遞桿：操作伸縮油缸完全收回，將待加鉆桿送入動(dòng)力頭與夾持器間中心軸線(xiàn)；④機(jī)械手上扣：操作動(dòng)力頭完成主動(dòng)鉆桿與待加鉆桿間的絲扣擰合；⑤機(jī)械手退出：操作平移油缸，將機(jī)械手退出機(jī)身；⑥前端上扣：操作動(dòng)力頭前進(jìn)并與夾持器配合完成與孔內(nèi)鉆具的絲扣擰合。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2020年7月全液壓自動(dòng)加桿裝置在淮北礦業(yè)祁南煤礦開(kāi)展工業(yè)性試驗(yàn)，裝置與現(xiàn)場(chǎng)在用鉆機(jī)ZDY6500LF在井下完成了集成改造。鉆機(jī)在744下底板巷進(jìn)行穿層瓦斯鉆孔施工，設(shè)計(jì)孔深60～100 m，采用φ73 mm寬翼片螺旋鉆桿。從2020年7月19日至2020年10月15日累計(jì)進(jìn)尺10 136 m，單班最高進(jìn)尺120 m，裝置原理、功能及可靠性得到了充分驗(yàn)證。

試驗(yàn)過(guò)程中操作人員單根鉆桿加接時(shí)間僅為35 s左右，且連續(xù)加接7根鉆桿的過(guò)程中原加桿輔助人員可有充足時(shí)間去執(zhí)行輔助工作，如清渣、記錄、匯報(bào)等。

5 結(jié)語(yǔ)

1）全液壓自動(dòng)加接鉆桿裝置針對(duì)在用坑道鉆機(jī)結(jié)構(gòu)，以消除加桿人員安全風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)而開(kāi)發(fā)，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了與在用鉆機(jī)的快速自動(dòng)化改造升級(jí)，為煤礦井下在用鉆機(jī)提供的自動(dòng)化轉(zhuǎn)型方案。

2）裝置所有動(dòng)作均由液壓手把控制，均采用油缸極限限位定位，操作簡(jiǎn)單，整個(gè)加桿過(guò)程僅需35 s左右，運(yùn)行效率高。浮動(dòng)式自補(bǔ)償式手抓的設(shè)計(jì)保護(hù)了裝置，延長(zhǎng)了主動(dòng)鉆桿壽命。

3）鉆桿倉(cāng)可滿(mǎn)足多種規(guī)格鉆桿，且具備一定的攜桿量，可實(shí)現(xiàn)多根鉆桿連續(xù)加接，采用的剪叉式的升降機(jī)作為提升動(dòng)力可滿(mǎn)足桿倉(cāng)單列鉆桿在各種角度下的鉆桿托舉。

4）在淮北礦業(yè)祁南煤礦的工業(yè)性試驗(yàn)表明，本套裝置操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行效率高，能有效改善加桿人員的施工安全性，大大減輕其勞動(dòng)強(qiáng)度，綜合施工效率也得到了一定的提高。