劉小華

1瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室 重慶 400039

2中煤科工集團重慶研究院有限公司 重慶 400039

隨 著技術的進步，我國煤礦井下瓦斯抽放鉆孔施工正從機械化向自動化方向發(fā)展[1]。中煤科工集團重慶研究院有限公司研制的 ZYWL-4000SY 自動鉆機，是首臺用于煤礦井下瓦斯抽放鉆孔的自動化鉆探設備[2]。該設備采用無線遙控操作、自動上下鉆桿、一鍵全自動鉆孔以及數(shù)據(jù)采集與存儲技術，達到先進水平。

ZYWL-4000SY 自動鉆機的提升系統(tǒng)作為鉆機輔助操作的重要組成部分，主要用于鉆機對開孔高度的調節(jié)[3-4]。為保證鉆孔參數(shù)的準確性，通常需要對開孔高度進行微調，在常規(guī)鉆機的定量泵控制系統(tǒng)中，小流量、高壓力的微調工況，通常會伴隨大量的能量損失和系統(tǒng)發(fā)熱，影響鉆機的穩(wěn)定性。為提高ZYWL-4000SY 自動鉆機的穩(wěn)定性，迫切需要一種穩(wěn)定可靠的鉆機機構提升液壓系統(tǒng)。

1 提升機構的結構原理

為增強鉆機對各種巷道條件的適應性，根據(jù)ZYWL-4000SY 自動鉆機的總體結構設計，鉆機的主機結構采用全方位布局的形式[5]，其提升機構如圖 1所示。

圖1 ZYWL-4000SY 自動鉆機提升機構Fig.1 Lifting mechanism of ZYWL-4000SY automatic drill rig

ZYWL-4000SY 自動鉆機的主機通過履帶車搭載，在回轉平臺上設置提升套和 2 根提升立柱。提升液壓缸的兩端分別與提升套和提升立柱相連，通過提升液壓缸的驅動，可使提升套以提升立柱為導向上下滑動。提升套的外側連接傾角回轉減速器。底架分別連接傾角回轉減速器和機架。機架上的鉆進機構可以在其軌道上前后移動，并可?？吭谌我馕恢?。由于主機的全方位結構設計，其重心必然會偏置。當提升液壓缸驅動提升套進行鉆孔高度調節(jié)時，由于鉆進機構的重心偏置，勢必會造成提升液壓缸負載不均勻和液壓缸不同步的問題。

2 提升機構液壓系統(tǒng)設計

為降低鉆機提升系統(tǒng)中的能量損失和系統(tǒng)發(fā)熱，同時滿足小流量、高壓力的微調工況，液壓系統(tǒng)采用負載敏感的變量泵控制系統(tǒng)[6]。液壓系統(tǒng)采用電比例控制，并用遙控器對主機的升降機構進行無線遙控操作。為克服提升機構因重心偏置、負載不均勻導致液壓缸不同步的問題，在升降油路中設置分流集流閥。ZYWL-4000SY 自動鉆機的提升液壓系統(tǒng)如圖 2 所示。

1.電動機 2.負載敏感變量泵 3.高壓過濾器 4.負載敏感比例多路閥 5.壓力表 6.液壓鎖 7.分流集流閥 8.提升液壓缸

電動機驅動負載敏感變量泵為整個液壓系統(tǒng)提供壓力油源。液壓油經(jīng)過高壓過濾器 3 進入負載敏感比例多路閥 4，控制系統(tǒng)驅動比例多路閥 4的閥芯換向，使得液壓油經(jīng)液壓鎖 6 和分流集流閥 7 進入提升液壓缸 8。壓力表 5 可實時監(jiān)測提升機構的負載壓力。該系統(tǒng)為負載敏感系統(tǒng)，通過控制比例多路閥 4的閥芯開度來控制提升液壓缸的運行速度，不會有多余的溢流損失，能大幅降低液壓系統(tǒng)的能量損失和系統(tǒng)發(fā)熱。液壓鎖 6 能將提升液壓缸鎖定在鉆孔施工所需的任意高度，分流集流閥 7 可對 2 個提升液壓缸進行同步控制，讓其在允許的誤差范圍內同步升降。為提高分流集流閥的控制精度，將分流集流閥設置在液壓缸的無桿腔油路。

3 關鍵液壓件選型計算

系統(tǒng)最關鍵的液壓元件為提升液壓缸和分流集流閥，因此需要對提升液壓缸和分流集流閥進行選型計算。

3.1 液壓缸選型計算

根據(jù)自動鉆機的總體方案設計要求，鉆機高度不宜太高，否則無法通過罐籠和井下的風門。提升液壓缸的行程應控制在合理的范圍內，因此將提升液壓缸的行程設置為 0.4 m。根據(jù)主機結構估算其質量，可得到提升液壓缸的負載，通過負載可計算出單根提升液壓缸的缸徑。單根液壓缸所需的活塞面積

式中：nk為安全系數(shù)，取nk=4；m為主機提升機構的質量，m=2 500 kg；Δp為提升液壓缸的無桿腔與有桿腔的壓差，該系統(tǒng)為中壓系統(tǒng)，取 Δp=14 MPa；ηm為液壓缸的機械效率，ηm=0.9。

將參數(shù)代入式 (1)，計算得單根提升液壓缸所需的活塞面積AL=3 889 mm2，由此可計算出單根液壓缸的直徑D=70.8 mm。結合液壓缸的缸徑系列，確定提升液壓缸的缸徑D=80 mm。該缸徑對應的桿徑有 3種，分別為 43、45 和 55 mm，相應速比分別為 1.33、1.46 和 2.00。在此選用速比為 1.46的液壓缸，其對應桿徑為 45 mm。由此可確定提升液壓缸的缸徑D=80 mm，桿徑d=45 mm，行程為 400 mm，從液壓技術手冊查出該液壓缸的安裝距為 700 mm。

3.2 分流集流閥選型

為保證提升機構在上升和下降過程中，2 根液壓缸能在負載不均勻的情況下實現(xiàn)同步動作，需在油路中設置分流集流閥。分流集流閥的選型需要確定其工作壓力、流量和分流比。在確定液壓缸的缸徑和桿徑后，即可對分流集流閥進行選型。由于提升機構采用中壓系統(tǒng)，大部分的分流集流閥的工作壓力均可滿足使用要求。ZYWL-4000SY 自動鉆機的提升機構采用2 根規(guī)格相同的液壓缸并聯(lián)驅動，需同時升降，因此選用分流比為 1∶1的分流集流閥。為確定分流集流閥的流量，需獲得提升機構的運行速度。按照現(xiàn)場施工要求，提升機構的運行速度v=0.01～ 0.05 m/s，根據(jù)選定的液壓缸參數(shù)，提升機構所需的流量

由式 (2) 可計算出分流集流閥所需的流量Q=6～30 L/min，按照該流量選擇相應的分流集流閥。當提升機構向下運動時，因分流集流閥安裝在無桿腔油路上，其背壓會增大，但因重力作用，不會造成無法下降的情況。

4 校核計算

液壓件選型完成后，需要對關鍵元件進行校核計算，自動鉆機的提升機構則需對提升液壓缸進行壓桿穩(wěn)定性校核[7]。在液壓缸運行中，需要保證伸出到極限位置，活塞桿不產(chǎn)生縱向彎曲?；钊麠U的推力與極限力的關系為

式中：PK為活塞桿縱向彎曲破壞的臨界載荷，N；n為末端條件系數(shù)，按兩端鉸接安裝方式，取n=1；E為液壓缸活塞桿材料的彈性模量，對于鋼，取E=2.1×1012Pa；J為活塞桿截面的轉動慣量；L為液壓缸伸出到極限位置的計算長度，即安裝距與行程之和，L=1.1 m。

由式 (3) 可計算得提升液壓缸的活塞桿縱向彎曲破壞臨界載荷PK=3.44×105N。

一般在實際使用時，為了保證活塞桿不產(chǎn)生縱向彎曲，活塞桿實際承受的縱向載荷 (單根提升液壓缸所受的正壓力F) 應小于極限載荷，即

通過計算可知，采用缸徑為 80 mm，桿徑為 45 mm，行程為 400 mm，安裝距為 700 mm的液壓缸，在提升機構中，其推力小于具有 4 倍安全系數(shù)的極限載荷，具有較好的壓桿穩(wěn)定性。

5 試驗研究

ZYWL-4000SY 自動鉆機在瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室進行了現(xiàn)場試驗。試驗結果證明：

(1) 鉆機的提升機構可實現(xiàn)無線遙控操作；

(2) 提升機構在高速狀態(tài)下，2 個液壓缸同步性能較好，運行平穩(wěn)；

(3) 在低速狀態(tài)下，左右兩側液壓缸在運行至末端之時，約有 2～ 3 mm的同步誤差，該誤差主要因分流集流閥在小流量時精度相對較低的特性所致，不影響提升機構的現(xiàn)場使用；

(4) 提升機構不宜在低于0.01 m/s的速度下運行，此時系統(tǒng)流量低于分流集流閥的最小流量，分流集流閥會失效，此時該閥只相當于1 個三通。

6 結語

自2017 年至今，ZYWL-4000SY 自動鉆機分別在安徽淮南謝橋、神東錦界、山東趙樓等多個煤礦進行瓦斯抽放鉆孔施工、探放水鉆孔施工和防沖卸壓鉆孔施工。從現(xiàn)場使用情況看，ZYWL-4000SY 自動鉆機的提升系統(tǒng)可實現(xiàn)無線遙控操作，機構運行平穩(wěn)，能滿足各種開孔高度的使用要求，具有一定的推廣應用價值。