摘 要：ZDY400型煤矿用全液压钻机是一款为煤矿井下施工小直径近距离钻孔而设计的低成本、轻便、高效钻机，文章介绍了该型钻机的总体方案、技术参数、主要结构设计、液压原理以及型式试验和井下工业性试验情况。
关键词：分体式钻机；操纵台；恒功率变量油泵；液压
1 概述
全液压钻机由于结构紧凑、传动平稳、操纵简单等一系列的优点，在煤矿井下的钻孔施工中得到了普遍应用。同时从煤矿井下施工的特殊工况来看，对于搬迁便利、安装方便，自动化程度高、钻进能力强的小型钻机需求量较大；另一方面，从钻机行业发展的现状和趋势看来，在不同的应用领域内，均表现出向小型、集成化和大型、功能全两个方向发展的局面。ZDY400型煤矿用全液压坑道钻机的研制，旨在减轻主机重量，降低成本，简化系统，提高可靠性，以增强市场竞争能力。
2 钻机的总体设计
2.1 整体结构形式
根据钻机的结构原理与设计要求，除了考虑钻探工艺的特殊要求外，应尽可能的采用机械行业的通用件、标准件及各种液压元件，以缩短钻机的试制周期，提高整机的可靠性、互换性、通用性。ZDY400型钻机采用全液压动力头式钻机设计[1]，整机分为主机、泵站、操纵台三大部分，各部分间用高压胶管相连接。解体性好，便于井下搬迁运输。操作人员可远离主机和孔口，有利于安全施工。
2.2 主要技术参数
由于在煤矿井下，瓦斯抽放孔、煤层注水孔、探放水孔、注浆孔、防灭火孔、地质勘探孔等钻孔施工中，70m左右孔深的钻孔比较多[2]，加上在井下巷道内施工，要求搬迁运输方便，因而钻机的主要技术参数选取如表1所示。
表1 技术参数
2.3 主要的结构设计
2.3.1 主机
主机由回转器、送水器、给进装置、垫叉组、机架组成，如图1所示。
（1）回转器。回转器是钻机的核心部件，为了减轻重量，采用摆线液压马达直接驱动主轴的传动方式，主轴与送水器轴连接，带动钻杆实现回转运动。使用恒功率变量油泵实现回转器的无级调速，以满足开孔和钻进两种工艺要求。回转器与拖板之间用销轴式连接，安装方便。
（2）送水器。送水器也叫水便，用于在钻进过程中沿钻杆内孔向钻头部位输送水（冲洗液），以便排出孔内岩屑，另外还可以冷却钻头，保证正常钻进，延长钻头使用寿命。水便由中心轴、壳体、密封圈、导向环等组成。由于采用了定长钻杆，在回转器前加杆，所以水便安装于回转器主轴前端。水便轴与回转器主轴之间既可以传递拉、压力，也可以传递正、反转扭矩。水便壳体与回转器壳体之间采用特殊连接，以限制水便壳体的圆周转动。为了防止水便轴前端接头的磨损，通过过渡接头与钻杆相连接。
（3）垫叉组。为了固定孔内钻具，在给进装置前端设置了垫叉组。垫叉组由垫叉座和垫叉组成。当钻杆接头上的扁平缺口处于垫叉座中间时，可以插入垫叉，以限制钻杆的轴向和周向运动，起到固定孔内钻具的作用，以便拧卸钻杆。另外，垫叉座还可以起扶正钻杆的作用。
（4）给进装置。给进装置的设计主要是给进油缸的选择，另外给进装置的长度也影响钻机的整体长度。给进装置由机身导轨、拖板、油缸等组成。油缸采用单杆双作用缸，利用活塞杆的伸缩，推动拖板及回转器沿机身导轨实现给进、起拔运动，采用这种结构拆装方便，并且拖板的加工比较容易。为了增大油缸的有效行程，采用缸体固定安装。具体作法是用缸体中部法兰连接，用V形夹板固定缸头，做到缸体安装牢靠。活塞杆端与拖板之间采用耳环、销轴连接。为了消除拖板与导轨之间的衬板在使用一段时间后由于磨损带来的不利影响，销孔设置成长孔，使活塞杆端在垂直面内具有一定的自由度，以改善活塞杆的受力情况。给进装置通过机身下面的夹瓦与机架连接。
（5）机架。机架用于安装固定给进装置。给进装置可以在机架上调头安装，机架的横梁设计成高度可调的结构，用于调整钻孔倾角，使钻孔倾角在-30°～+30°之间变化。机架由底座、立柱、斜撑杆和横梁等组成。
2.3.2 操纵台
操纵台是钻机的控制装置。可以控制回转器的正、反转或停止，控制给进装置的给进、起拔或停止。操纵台由多路换向阀、安全阀、节流阀、减压阀、压力表及管件等组成。靠安全阀限制液压系统最高压力，起安全保护作用，靠减压阀调节给进压力。节流阀与减压阀配合，可以实现回转和给进压力的匹配，保证正常钻进。靠压力表可以监视回转和给进的工作压力。
2.3.3 泵站
泵站是钻机的动力来源，由防爆电动机、液压油泵、油箱、滤油器、冷却器和底座等组成。电动机与油泵通过柱销式联轴器连接，在电动机的带动工作，油泵从油箱中吸油并排出高压油，经过操纵台的液压阀驱动和控制钻机上的各个工作机构。油箱设置在了油泵的上方，有利于油泵的吸油。为了减小油箱的容积和降低油液温度，在总回油路上装设了板翅式水冷冷却器。为保持油液的清洁并使油液中的杂物不进入油路系统，在油泵吸油口安装吸油滤油器，在回油路上安装回油滤油器，在油箱盖上安装有空气滤清器。为满足低速大扭矩开孔和高速小扭矩钻孔两种工况，同时，提高电机的功率利用率，采用恒功率变量油泵，该泵结构为斜盘式柱塞泵[3]。
2.4 液压传动系统的设计
钻机采用回转和给进并联供油的单泵开式液压系统。当钻机正常给进时，泵的一部分液压油进入液压马达使钻机动力头回转，另一部分液压油进入给进液压缸使钻机动力头前进后退，由于减压阀能保持进口压力变化时出口压力恒定、出口压力低于进口压力，因此在钻进近水平或下斜钻孔时，回转系统压力和给进压力两者不相互影响，即可任意调节减压阀控制给进压力，而此时回转压力不随减压阀的调节而变化；同时当回转压力变化时，如果不调节减压阀，给进压力同样不受影响，这就满足了正常钻进的需要。采用回油路节流阀调速可以使给进速度更加平稳，从而减少了对钻头切削具上的动载作用，延长了钻头寿命。
液压系统配备有系统和给进两个压力表，能适时反映孔底压力变化情况，以帮助钻机操作人员适时调整给进压力和速度，预防孔内事故的发生。
采用的恒功率变量油泵以实现容积调速，在工作负载较小时，油泵在大排量下工作，输出流量大，压力小，从而回转器输出的转速高，扭矩小，油缸输出的给进、起拔速度快，给进、起拔力小。在工作负载较大时，油泵在小排量下工作，输出流量小，压力大，从而回转器输出的转速低，扭矩大，油缸输出的给进、起拔速度低，给进、起拔力大，从而可以实现工作机构的无级调速。在一定范围内，油泵输出功率基本为恒定值，实现恒功率变量，还可以提高电机的功率利用率。
该钻机采用定长钻杆，取消了液压卡盘和夹持器，而且由于钻孔倾角确定在-30°～+30°之间。不考虑减压钻进，所以起拔油路上的节流阀可以省略，油路系统比较简单。液压传动系统工作原理（如图2），如下：
1.电动机；2.变量油泵；3.截止阀；4.吸油滤油器；5.油箱；6.冷却器；7.回油滤油器；8.多路换向阀；9.单向节流阀；10.液压马达；11.单向减压阀；12.给进油缸；13.系统压力表；14.给进压力表
图2 液压原理图
3 型式试验与工业性试验
3.1 型式试验
样机组装调试完成后在“国家安全生产西安钻机检测检验中心”进行了钻机的型式试验。按照企业标准分别进行空载、负载、过载等试验检测，同时对外观质量、噪声指标、温升等项目[4]，参照煤炭行业标准《煤矿坑道勘探用钻机》（MT/T790-1998）中的有关规定进行检测，测试的各项数据均达到了设计要求。
3.2 工业性试验
为进一步检验其钻进能力及工作的可靠性，样机在陕西省铜川矿务局下石节煤矿进行现场试验。
3.2.1 钻场设计
试验地点位于下石节煤矿215灌浆巷32#钻场，215综放工作面位于暗皮带井东侧，上部为已开采的213工作面，下部为未开拓的217综放工作面，西部为已开采的214工作面，东部至井田边界为薄煤区。井下的工作面上界、下界高程为1055～936m[5]。
32#钻场长×宽×高为3m×2m×2.5m，为锚杆支护平顶硐室，硐口为两轨上延伸巷道，矿车可直接到达硐口，交通及水电供应便利，通风条件良好。在下石节煤矿215综放面灌浆巷内布置钻场设计-组7个穿层钻孔（如图3）进行采空区瓦斯抽放，该组钻孔是在未进行采空区冒落带高度测定前设计的。
3.2.2 试验设备
所用钻杆为φ42mm定长钻杆，一端加工出垫叉槽，用垫叉在垫叉座中部位置固定孔内钻具。使用φ75mm和φ94mmPDC金刚石复合片钻头完成开孔和钻孔施工。
钻孔冲洗液采用管道静压清水，压力为2～3MPa，能够满足排渣和冷却钻头的要求。
3.2.3 现场试验情况
本次现场试验历时一周，先后完成7个钻孔，用于瓦斯抽放。其中1#和2#为钻机能力孔，剩余孔为达到设计孔深，平均孔深68m。在施工安排上，每天1班，每班4人，工作时间每班为6小时，根据不同地质情况，施工人员采用相应的钻进工艺顺利完成了试验任务。据统计，钻机的平均钻进效率为15m/h，在整个过程中钻机运行状态良好，未发生任何故障，1#和2#两个钻孔均达到了75m的设计孔深和技术要求，也达到了验证钻机能力和工作可靠性的目的。
表2 钻孔施工记录
4 结束语
ZDY400型煤矿用全液压坑道钻机，结构简单，性能可靠，重量轻便，成本低廉。该钻机适用于煤矿井下钻进瓦斯抽放孔、煤层注水孔、探放水孔、注浆孔、防灭火孔、地质勘探孔等钻孔施工。
该钻机具有以下特点：
（1）钻机由三大部分组成。解体性好，拆装搬运方便。
（2）主机和操纵台重量轻，能够在狭窄的巷道及断面空间作业。
（3）由于采用分体式结构，可根据工作场地大小灵活摆布，操纵台可以远离孔口，有利于人身安全。
（4）液压系统简单，性能可靠，简化了钻机操作。
（5）主轴与钻杆直接连接，使用垫插固定孔内钻具，避免了跑钻事故的发生，工作可靠。
（6）钻机采用动力头主轴前端水便送水，在钻进过程中不用卸掉水便，减少辅助时间，提高工作效率。
（7）回转器使用摆线液压马达直接驱动，重量减轻，结构简单。
（8）使用恒功率变量油泵，可以满足钻进工艺参数，并且提高了电动机的功率利用率。
参考文献
[1]冯德强.钻机设计[M].武汉：中国地质大学出版社，1993.
[2]韩广德，等.中国煤炭工业钻探工程学[M].北京：煤炭工业出版社，2000：469～489.
[3]雷天觉.液压工程手册[M].北京：机械工业出版社，1990.
[4]刘凤琴，范国强.煤矿坑道钻机性能检测试验台[J].煤田地质与勘探，2003，10.
[5]张绪州.下石节煤矿瓦斯治理技术及利用分析[J].陕西煤炭，2007.
推荐访问： 坑道 钻机 研制 型煤 全液压
