ZYWL-4000SY 自動(dòng)鉆機(jī)提升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉小華

1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

2中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 重慶 400039

隨 著技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)煤礦井下瓦斯抽放鉆孔施工正從機(jī)械化向自動(dòng)化方向發(fā)展[1]。中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司研制的 ZYWL-4000SY 自動(dòng)鉆機(jī)，是首臺(tái)用于煤礦井下瓦斯抽放鉆孔的自動(dòng)化鉆探設(shè)備[2]。該設(shè)備采用無(wú)線遙控操作、自動(dòng)上下鉆桿、一鍵全自動(dòng)鉆孔以及數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)技術(shù)，達(dá)到先進(jìn)水平。

ZYWL-4000SY 自動(dòng)鉆機(jī)的提升系統(tǒng)作為鉆機(jī)輔助操作的重要組成部分，主要用于鉆機(jī)對(duì)開(kāi)孔高度的調(diào)節(jié)[3-4]。為保證鉆孔參數(shù)的準(zhǔn)確性，通常需要對(duì)開(kāi)孔高度進(jìn)行微調(diào)，在常規(guī)鉆機(jī)的定量泵控制系統(tǒng)中，小流量、高壓力的微調(diào)工況，通常會(huì)伴隨大量的能量損失和系統(tǒng)發(fā)熱，影響鉆機(jī)的穩(wěn)定性。為提高ZYWL-4000SY 自動(dòng)鉆機(jī)的穩(wěn)定性，迫切需要一種穩(wěn)定可靠的鉆機(jī)機(jī)構(gòu)提升液壓系統(tǒng)。

1 提升機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理

為增強(qiáng)鉆機(jī)對(duì)各種巷道條件的適應(yīng)性，根據(jù)ZYWL-4000SY 自動(dòng)鉆機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鉆機(jī)的主機(jī)結(jié)構(gòu)采用全方位布局的形式[5]，其提升機(jī)構(gòu)如圖 1所示。

圖1 ZYWL-4000SY 自動(dòng)鉆機(jī)提升機(jī)構(gòu)Fig.1 Lifting mechanism of ZYWL-4000SY automatic drill rig

ZYWL-4000SY 自動(dòng)鉆機(jī)的主機(jī)通過(guò)履帶車搭載，在回轉(zhuǎn)平臺(tái)上設(shè)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(guò)提升液壓缸的驅(qū)動(dòng)，可使提升套以提升立柱為導(dǎo)向上下滑動(dòng)。提升套的外側(cè)連接傾角回轉(zhuǎn)減速器。底架分別連接傾角回轉(zhuǎn)減速器和機(jī)架。機(jī)架上的鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)可以在其軌道上前后移動(dòng)，并可停靠在任意位置。由于主機(jī)的全方位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其重心必然會(huì)偏置。當(dāng)提升液壓缸驅(qū)動(dòng)提升套進(jìn)行鉆孔高度調(diào)節(jié)時(shí)，由于鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)的重心偏置，勢(shì)必會(huì)造成提升液壓缸負(fù)載不均勻和液壓缸不同步的問(wèn)題。

2 提升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為降低鉆機(jī)提升系統(tǒng)中的能量損失和系統(tǒng)發(fā)熱，同時(shí)滿足小流量、高壓力的微調(diào)工況，液壓系統(tǒng)采用負(fù)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(duì)主機(jī)的升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行無(wú)線遙控操作。為克服提升機(jī)構(gòu)因重心偏置、負(fù)載不均勻?qū)е乱簤焊撞煌降膯?wèn)題，在升降油路中設(shè)置分流集流閥。ZYWL-4000SY 自動(dòng)鉆機(jī)的提升液壓系統(tǒng)如圖 2 所示。

1.電動(dòng)機(jī) 2.負(fù)載敏感變量泵 3.高壓過(guò)濾器 4.負(fù)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載敏感變量泵為整個(gè)液壓系統(tǒng)提供壓力油源。液壓油經(jīng)過(guò)高壓過(guò)濾器 3 進(jìn)入負(fù)載敏感比例多路閥 4，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)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(jìn)入提升液壓缸 8。壓力表 5 可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提升機(jī)構(gòu)的負(fù)載壓力。該系統(tǒng)為負(fù)載敏感系統(tǒng)，通過(guò)控制比例多路閥 4的閥芯開(kāi)度來(lái)控制提升液壓缸的運(yùn)行速度，不會(huì)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(duì) 2 個(gè)提升液壓缸進(jìn)行同步控制，讓其在允許的誤差范圍內(nèi)同步升降。為提高分流集流閥的控制精度，將分流集流閥設(shè)置在液壓缸的無(wú)桿腔油路。

3 關(guān)鍵液壓件選型計(jì)算

系統(tǒng)最關(guān)鍵的液壓元件為提升液壓缸和分流集流閥，因此需要對(duì)提升液壓缸和分流集流閥進(jìn)行選型計(jì)算。

3.1 液壓缸選型計(jì)算

根據(jù)自動(dòng)鉆機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)要求，鉆機(jī)高度不宜太高，否則無(wú)法通過(guò)罐籠和井下的風(fēng)門。提升液壓缸的行程應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)，因此將提升液壓缸的行程設(shè)置為 0.4 m。根據(jù)主機(jī)結(jié)構(gòu)估算其質(zhì)量，可得到提升液壓缸的負(fù)載，通過(guò)負(fù)載可計(jì)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(jī)提升機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，m=2 500 kg；Δp為提升液壓缸的無(wú)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(jī)械效率，ηm=0.9。

將參數(shù)代入式 (1)，計(jì)算得單根提升液壓缸所需的活塞面積AL=3 889 mm2，由此可計(jì)算出單根液壓缸的直徑D=70.8 mm。結(jié)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(duì)應(yīng)的桿徑有 3種，分別為 43、45 和 55 mm，相應(yīng)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(duì)應(yīng)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(shù)手冊(cè)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(jī)構(gòu)在上升和下降過(guò)程中，2 根液壓缸能在負(fù)載不均勻的情況下實(shí)現(xiàn)同步動(dòng)作，需在油路中設(shè)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(duì)分流集流閥進(jìn)行選型。由于提升機(jī)構(gòu)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(dòng)鉆機(jī)的提升機(jī)構(gòu)采用2 根規(guī)格相同的液壓缸并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，需同時(shí)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(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度。按照現(xiàn)場(chǎng)施工要求，提升機(jī)構(gòu)的運(yùn)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(jī)構(gòu)所需的流量

由式 (2) 可計(jì)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(yīng)的分流集流閥。當(dāng)提升機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，因分流集流閥安裝在無(wú)桿腔油路上，其背壓會(huì)增大，但因重力作用，不會(huì)造成無(wú)法下降的情況。

4 校核計(jì)算

液壓件選型完成后，需要對(duì)關(guān)鍵元件進(jìn)行校核計(jì)算，自動(dòng)鉆機(jī)的提升機(jī)構(gòu)則需對(duì)提升液壓缸進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性校核[7]。在液壓缸運(yùn)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(guān)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(duì)于鋼，取E=2.1×1012Pa；J為活塞桿截面的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；L為液壓缸伸出到極限位置的計(jì)算長(zhǎng)度，即安裝距與行程之和，L=1.1 m。

由式 (3) 可計(jì)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(shí)際使用時(shí)，為了保證活塞桿不產(chǎn)生縱向彎曲，活塞桿實(shí)際承受的縱向載荷 (單根提升液壓缸所受的正壓力F) 應(yīng)小于極限載荷，即

通過(guò)計(jì)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(jī)構(gòu)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(yàn)研究

ZYWL-4000SY 自動(dòng)鉆機(jī)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)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明：

(1) 鉆機(jī)的提升機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控操作；

(2) 提升機(jī)構(gòu)在高速狀態(tài)下，2 個(gè)液壓缸同步性能較好，運(yùn)行平穩(wěn)；

(3) 在低速狀態(tài)下，左右兩側(cè)液壓缸在運(yùn)行至末端之時(shí)，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(shí)精度相對(duì)較低的特性所致，不影響提升機(jī)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)使用；

(4) 提升機(jī)構(gòu)不宜在低于0.01 m/s的速度下運(yùn)行，此時(shí)系統(tǒng)流量低于分流集流閥的最小流量，分流集流閥會(huì)失效，此時(shí)該閥只相當(dāng)于1 個(gè)三通。

6 結(jié)語(yǔ)

自2017 年至今，ZYWL-4000SY 自動(dòng)鉆機(jī)分別在安徽淮南謝橋、神東錦界、山東趙樓等多個(gè)煤礦進(jìn)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(chǎng)使用情況看，ZYWL-4000SY 自動(dòng)鉆機(jī)的提升系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控操作，機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，能滿足各種開(kāi)孔高度的使用要求，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。