劉小華

1中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 重慶 400039

2瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400039

煤礦井下瓦斯、沖擊地壓等災(zāi)害通常采用鉆孔的方式進(jìn)行治理，作業(yè)環(huán)境均為高危，目前煤礦井下鉆探設(shè)備還處于機(jī)械化階段，現(xiàn)場(chǎng)需要多人合作才能完成鉆孔作業(yè)，智能化鉆探設(shè)備的研發(fā)才剛剛起步[1]。近年來(lái)，隨著“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”的不斷推進(jìn)[2]，煤礦井下鉆探設(shè)備在自動(dòng)化方面有了較大的進(jìn)展，中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司研制的 ZYWL-4000SY 型自動(dòng)鉆機(jī)[3-4]已在全國(guó)幾十對(duì)礦井推廣應(yīng)用。該鉆機(jī)采用折疊式鉆桿箱[5]，僅可裝載 10根直徑為 73 mm 的鉆桿，在施工過(guò)程中，每 0.5 h 需停機(jī)添加 1 次鉆桿。而 ZYWL-6000Y 型自動(dòng)鉆機(jī)采用直徑為 89 mm 的鉆桿，其質(zhì)量也相應(yīng)增大，加大了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，原折疊式鉆桿箱容量偏小的缺點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。因此，ZYWL-6000Y 型自動(dòng)鉆機(jī)需要一種與之相匹配的、容量更大的鉆桿箱。隨著鉆桿箱容量增大，鉆桿箱結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的液壓系統(tǒng)與之匹配，并通過(guò)工業(yè)性試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該液壓系統(tǒng)的性能。

1 自動(dòng)上桿系統(tǒng)

ZYWL-4000SY 型自動(dòng)鉆機(jī)的自動(dòng)上桿系統(tǒng)由機(jī)械手[6]和折疊式鉆桿箱組成，可放置 10 根直徑為 73 mm 的鉆桿，結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 ZYWL-4000SY 型自動(dòng)鉆機(jī)的自動(dòng)上桿系統(tǒng)Fig.1 Automatic drilling rod addition system ZYWL-4000SY automatic drilling rig

當(dāng)需要鉆進(jìn)時(shí)，可操作鉆桿箱升降液壓缸，使鉆桿箱外側(cè)高于內(nèi)側(cè)，鉆桿在重力作用下滾動(dòng)至最內(nèi)側(cè)，機(jī)械手每次只抓取最內(nèi)側(cè)的鉆桿，被抓取的鉆桿位置固定；當(dāng)需要卸鉆時(shí)，操作鉆桿箱的升降液壓缸，使外側(cè)低于內(nèi)側(cè)，鉆桿在重力作用下滾動(dòng)至外側(cè)；當(dāng)鉆機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)，可操作鉆桿箱升降液壓缸，將鉆桿箱折疊收攏至機(jī)械手位置，減小鉆機(jī)寬度，方便運(yùn)輸。該自動(dòng)上桿系統(tǒng)采用單機(jī)械手與折疊式鉆桿箱結(jié)構(gòu)，機(jī)械手抓取與卸桿的位置固定，動(dòng)作簡(jiǎn)單，多年的實(shí)際應(yīng)用證明該上桿系統(tǒng)的性能穩(wěn)定可靠。

為擴(kuò)大鉆桿箱容量，同時(shí)保留 ZYWL-4000SY 型自動(dòng)鉆機(jī)自動(dòng)上桿系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，在其基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了ZYWL-6000Y 型自動(dòng)鉆機(jī)的自動(dòng)上桿系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 ZYWL-6000Y 型自動(dòng)鉆機(jī)的自動(dòng)上桿系統(tǒng)Fig.2 Automatic drilling rod addition system ZYWL-6000Y automatic drilling rig

新的自動(dòng)上桿系統(tǒng)采用固定的箱式鉆桿箱，在鉆桿箱的最內(nèi)側(cè)設(shè)置 2 根升降液壓缸，用于將最內(nèi)側(cè)鉆桿向上輸送至固定位置，在該位置設(shè)置 1 個(gè)由接近開(kāi)關(guān)組成的定位組件。同時(shí)，在機(jī)械手卡瓦固定座上設(shè)置 1 個(gè)定位塊，鉆進(jìn)或卸鉆時(shí)，機(jī)械手伸出，定位塊接觸定位組件并觸發(fā)信號(hào)，鉆機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)判斷機(jī)械手到達(dá)指定位置，執(zhí)行抓取鉆桿或釋放鉆桿的操作。

箱式鉆桿箱采用螺栓固定在鉆機(jī)的提升套上，結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

圖3 鉆桿箱結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structural sketch of drilling rod box

鉆桿箱內(nèi)側(cè)設(shè)置軌道 2，在軌道內(nèi)側(cè)設(shè)置升降液壓缸 1，軌道上設(shè)置滑塊 3，滑塊與升降液壓缸的活塞桿相連，并可在軌道上滑動(dòng)。升降液壓缸采用倒置安裝方式。鉆桿箱的底板上側(cè)設(shè)置托板 6，可通過(guò)托舉液壓缸 7 將托板升起或放下。當(dāng)托板放下時(shí)，鉆桿在重力作用下從外側(cè)滾動(dòng)至內(nèi)側(cè)；當(dāng)托板升起時(shí)，鉆桿可從內(nèi)側(cè)滾動(dòng)至外側(cè)。在箱體內(nèi)的上部設(shè)置擋板 4，以使擋板上側(cè)的鉆桿有序下滑。在箱體的外側(cè)設(shè)置翻板 5，當(dāng)進(jìn)行鉆進(jìn)操作時(shí)，翻板翻至上側(cè)并固定，使鉆桿箱容納鉆桿；當(dāng)進(jìn)行卸鉆操作時(shí)，翻板翻至下側(cè)，鉆桿順著托板向下滾動(dòng)至鉆桿箱外。該箱式鉆桿箱比折疊式鉆桿箱容量更大，可容納 30 根直徑73 mm 的鉆桿，或 20 根直徑 89 mm 的鉆桿。

2 鉆桿箱液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為匹配新的自動(dòng)上桿系統(tǒng)，箱式鉆桿箱的液壓系統(tǒng)與折疊式鉆桿箱有所不同。折疊式鉆桿箱的液壓系統(tǒng)只需鉆進(jìn)和卸鉆 2 個(gè)狀態(tài)，箱式鉆桿箱除鉆進(jìn)和卸鉆狀態(tài)，在鉆進(jìn)時(shí)，還需要配合機(jī)械手進(jìn)行鉆桿輸送操作。箱式鉆桿箱液壓系統(tǒng)如圖 4 所示。

圖4 鉆桿箱液壓系統(tǒng)Fig.4 Hydraulic system of drilling rod box

箱式鉆桿箱的液壓系統(tǒng)采用變量泵 2 與比例多路閥 4 組成負(fù)載敏感控制方式，鉆桿箱的 2 個(gè)動(dòng)作分別是滑塊的升降和托板的托舉?；瑝K的升降動(dòng)作采用 2根液壓缸 8 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并在油路上設(shè)置液壓鎖 6.1。為保持升降液壓缸同步，在無(wú)桿腔油路設(shè)置了分流集流閥 7。托板的托舉動(dòng)作采用 2 根液壓缸 9 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在油路上設(shè)置液壓鎖 6.2。為保持油路清潔，在泵出口設(shè)置高壓過(guò)濾器 3。比例多路閥的測(cè)壓口設(shè)置有壓力表 5，對(duì)鉆桿箱系統(tǒng)進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)。

3 關(guān)鍵液壓件選型計(jì)算

鉆桿箱液壓系統(tǒng)中的升降和托舉 2 個(gè)動(dòng)作中，最關(guān)鍵的是托舉液壓缸的選型，需通過(guò)計(jì)算確定托舉液壓缸的缸徑、桿徑及行程等重要參數(shù)。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，托板需要在 2 個(gè)極限角度范圍內(nèi)自由翻轉(zhuǎn)，托舉液壓缸能在最下端的最大載荷下將托板及其上面的鉆桿托起，托板與托舉液壓缸的受力分析如圖 5 所示。

圖5 托舉液壓缸受力分析Fig.5 Force analysis on lifting cylinder

圖5 中A點(diǎn)為液壓缸活塞桿與托板的連接點(diǎn)，C點(diǎn)為托舉液壓缸與鉆桿箱體底板的連接點(diǎn)，O點(diǎn)為托板與鉆桿箱的連接點(diǎn)，B點(diǎn)為托板向上托起后的最高點(diǎn)。托板 (長(zhǎng)度為AO) 在托舉液壓缸 (長(zhǎng)度為AC) 的作用下可繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，在最下端的A點(diǎn)位置，托舉液壓缸將承受最大負(fù)載，在向上轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中負(fù)載逐漸減小，到達(dá)B點(diǎn)位置時(shí)，所受載荷最小。因此，在A點(diǎn)可通過(guò)計(jì)算確定托舉液壓缸的缸徑和桿徑，在B點(diǎn)位置通過(guò)繪圖可確定該液壓缸的行程，從而確定整個(gè)液壓缸的參數(shù)。根據(jù)簡(jiǎn)化的受力分析可得

式中：G為托板與箱內(nèi)鉆桿作用在A點(diǎn)的重力，N；m為托板與箱內(nèi)鉆桿的有效質(zhì)量之和，m=200 kg；θ1為A點(diǎn)重力與垂直于托板方向的夾角，θ1=10°；F為托舉液壓缸在A點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)力；n為托舉液壓缸的根數(shù)，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，n=2；D為托舉液壓缸的缸徑，m；Δp為托舉液壓缸的驅(qū)動(dòng)壓力，此處多路閥托舉油路安全閥壓力設(shè)置為 16 MPa，其驅(qū)動(dòng)壓力按安全閥設(shè)置壓力的 0.6 倍取值，即 Δp=9.6 MPa；θ2為A點(diǎn)托舉液壓缸與垂直于托板方向的夾角，此處θ2=83.47°。

計(jì)算得D=33.54 mm。根據(jù)液壓缸的內(nèi)徑系列，選擇最接近的缸徑D=32 mm，再根據(jù)壓力設(shè)置，確定相應(yīng)的速比?=1.46，從而可確定托舉液壓缸的桿徑d=18 mm。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，托板向上翻轉(zhuǎn)至高于水平面 8°時(shí)，BC與AC之間的差值即為液壓缸的行程，通過(guò)繪圖可得液壓缸的行程為 45 mm。

4 校核計(jì)算

當(dāng)液壓缸的活塞桿完全伸出，其支撐長(zhǎng)度大于活塞桿直徑的 10 倍時(shí)，需要對(duì)液壓缸進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性校核計(jì)算。為使活塞桿不產(chǎn)生縱向彎曲，活塞桿實(shí)際承受的縱向載荷應(yīng)小于極限載荷，即

式中：F1為托舉液壓缸所受的正壓力，N；Δpmax為最大驅(qū)動(dòng)壓力，Δpmax=16 MPa；Fk為活塞桿彎曲失穩(wěn)的臨界載荷，N；E1為活塞桿材料的彈性模量，E1=1.8×105MPa；I為活塞桿橫斷面的慣性矩，m4；K為液壓缸安裝及導(dǎo)向系數(shù)，此處兩端鉸接，K=1；LB為托舉液壓缸活塞桿完全伸出時(shí)的支撐長(zhǎng)度，LB=0.217 m；nk為安全系數(shù)，nk=4。計(jì)算得

通過(guò)校核計(jì)算可知，采用缸徑為 32 mm，桿徑為18 mm，行程為 45 mm 的液壓缸，在最大 16 MPa 的驅(qū)動(dòng)壓力下，活塞桿實(shí)際承受的縱向載荷小于 4 倍安全系數(shù)的極限載荷，具有較好的壓桿穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

ZYWL-6000Y 型自動(dòng)鉆機(jī)于 2019 年 11 月完成試制，2019 年 12 月在瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試表明：鉆桿箱升降動(dòng)作的同步性能滿足設(shè)計(jì)要求，鉆桿箱液壓系統(tǒng)與機(jī)械手的匹配性較好，在滿負(fù)荷狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上桿和卸桿操作。2020 年 11—12 月在山西焦煤集團(tuán)汾西礦業(yè)集團(tuán)公司隸屬的中興煤業(yè)有限責(zé)任公司對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了井下工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，鉆桿箱可容納直徑 73 mm 的鉆桿 30 根，鉆桿箱液壓系統(tǒng)配合機(jī)械手的自動(dòng)上桿和卸桿動(dòng)作運(yùn)行流暢，與機(jī)械手的匹配性達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)卡鉆桿的情況。