胡海峰，魏斌斌，陸惠明

(浙江杭鉆機械制造股份有限公司，浙江 杭州 310020)

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ZDY4000LS型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機的研制

胡海峰，魏斌斌，陸惠明

(浙江杭鉆機械制造股份有限公司，浙江 杭州 310020)

一般傳統(tǒng)鉆機主要由主機、操作臺、泵站三大件組成，質(zhì)量大，搬運不方便。ZDY4000LS型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機是一種新型的鉆機，結(jié)構(gòu)布置合理，輔助功能齊全，它能有效地改善中小煤礦鉆孔施工效率，提高鉆掘產(chǎn)量，降低工人勞動強度。主要介紹了ZDY4000LS型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機的主要技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)布局特點、液壓系統(tǒng)及生產(chǎn)試驗情況。試驗應(yīng)用表明，對于巷道較小或者有運輸皮帶限制的煤礦巷道，該鉆機具有推廣價值。

坑道鉆機；履帶自行；液壓傳動

0 引言

煤炭是我國的主要能源，目前國有重點煤礦的礦井大多數(shù)屬于瓦斯礦井，其中高瓦斯礦井和突出礦井占全國礦井總數(shù)的44%，預(yù)防和控制瓦斯爆炸事故是實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。為了確保煤礦安全生產(chǎn)，國家煤礦安全監(jiān)察局提出了“先抽后采，監(jiān)測監(jiān)控，以風(fēng)定產(chǎn)”的十二字方針。所謂先抽后采就是利用煤礦鉆機鉆孔，預(yù)抽瓦斯，減小瓦斯?jié)舛?，保證安全生產(chǎn)[1-2]。

目前，國內(nèi)煤礦液壓鉆機主要以三大件機型為主，主要由主機、泵站及操作臺組成。一般煤礦瓦斯抽放孔孔深在100～300 m左右，鉆機成孔速度快，搬運較為頻繁。因此，采用普通三體式鉆機需要搬遷、組裝及穩(wěn)固，耗費時間，嚴(yán)重影響鉆孔效率。而市場上大多數(shù)履帶鉆機，存在結(jié)構(gòu)布置不合理、寬度寬，調(diào)角不方便等缺陷，很難被中小煤礦所接受[3-4]。

針對中小煤礦出現(xiàn)的瓦斯抽放鉆進鉆孔效率、鉆機輔助工作時間及鉆機利用率等問題，特別研制了ZDY4000LS型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機，該鉆機具有自主行走、結(jié)構(gòu)布置合理、可靠性高及輔助功能全等突出優(yōu)點，特別適用于巷道較小或者有運輸皮帶限制的煤礦巷道。

1 鉆機主要技術(shù)參數(shù)(見表1)

2 結(jié)構(gòu)布局及特點

2.1 鉆機布局

ZDY4000LS型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機為整體布局，如圖1所示，主要由開關(guān)1(用戶自配)、移動沙箱2(用戶自配)、操作臺3、動力源4、行走裝置5、油箱6、主機7等部件構(gòu)成。動力源、油箱、操作臺、行走裝置、穩(wěn)固機構(gòu)、操作臺各部分之間用高壓軟管連接，共同安裝在履帶底盤上[5-7]。

2.1.1 行走裝置

鉆機行走裝置主要由履帶總成、車體平臺、液壓支柱等部件組成。鋼制履帶總成配置柱塞式減速馬達、剎車制動裝置及張緊裝置。車體平臺采用船形結(jié)構(gòu)，在有效避開障礙物的前提下，保證行走裝置的整體剛性。行走裝置側(cè)面配置4個液壓支柱，自帶液壓鎖，實現(xiàn)鉆機工作時支撐與頂固。

表1 ZDY4000LS型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機技術(shù)參數(shù)

2.1.2 動力源

動力源是鉆機的動力輸入端，由電機和串泵組成。設(shè)計采用B35電機安裝形式，通過連接架連接串泵，內(nèi)部采用梅花形彈性聯(lián)軸器，結(jié)構(gòu)緊湊、實用。采用板翅式冷卻器，對液壓油進行強制冷卻，有效提高液壓系統(tǒng)效能。

2.1.3 油箱

油箱采用矩形整體式結(jié)構(gòu)，與動力源并排布置。內(nèi)部設(shè)計有回油過濾器、空氣濾芯器、外置式吸油過濾器、泄油管總成及擋板等。油箱內(nèi)部采用磷化處理，保證油液清潔度。油箱額定容積為300 L。

2.1.4 主機

主機是ZDY4000LS型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機的核心工作部件，主要由液壓立柱、機身、馬達、動力頭、托板、液壓卡盤、液壓夾持器和給進油缸等組成。液壓立柱實現(xiàn)鉆機支撐和頂固；機身內(nèi)部安裝有雙伸出雙作用油缸，通過托板連接至減速器，實現(xiàn)鉆機給進起拔；機身底下配置液壓升降油缸，實現(xiàn)鉆機自動升降調(diào)角；減速器采用兩級齒輪減速結(jié)構(gòu)，通過液壓馬達驅(qū)動，輸入至減速箱，通過主軸傳遞至卡盤，實現(xiàn)鉆機回轉(zhuǎn)。減速器內(nèi)部采用液壓油循環(huán)潤滑與冷卻；液壓卡盤采用膠筒式結(jié)構(gòu)，通過配油盤將高壓液壓油輸入至卡盤，夾緊力大，使用壽命長。液壓卡盤與主軸通過銷軸連接，可靠傳遞扭矩；液壓夾持器采用復(fù)合式結(jié)構(gòu)，通過碟簧及液壓夾緊、液壓打開，能實現(xiàn)機械擰卸鉆桿。主機整體安裝于轉(zhuǎn)盤上，通過回轉(zhuǎn)軸承實現(xiàn)±90°回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)機構(gòu)通過液壓馬達帶動嚙合齒輪實現(xiàn)自動驅(qū)動。

1—開關(guān)；2—移動沙箱；3—操作臺；4—動力源；5—行走裝置；6—油箱；7—主機圖1 ZDY4000LS型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機結(jié)構(gòu)

2.1.5 操作臺

操作臺是ZDY4000LS型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機的控制中心，由主操作臺、行走操作臺和輔助操作臺組成。鉆機主操作臺控制鉆機回轉(zhuǎn)、給進、起拔、卡盤、夾持器打開與夾緊。行走操作臺控制鉆機履帶前進、后退、轉(zhuǎn)彎及原地旋轉(zhuǎn)。輔助操作臺控制鉆機升降調(diào)角、液壓支柱上下頂固及回轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)向方位控制。整個操作臺安裝于履帶平臺后方，遠(yuǎn)離孔口操作，保障操作人員的安全，同時能方便地觀察鉆機孔口工作狀態(tài)。

2.2 特點

(1)該鉆機具有自主行走、轉(zhuǎn)向功能，結(jié)構(gòu)緊湊，便于搬遷運輸。

(2)液壓系統(tǒng)為雙油泵系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)和給進的鉆進工藝參數(shù)可獨立調(diào)節(jié)，變量馬達可實現(xiàn)恒功率調(diào)速，變量油泵可實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

(3)液壓卡盤和雙向作用式夾持器的配合動作，可實現(xiàn)機械擰卸鉆桿。

(4)兩支液壓支柱安裝于轉(zhuǎn)盤上方，通過兩支液壓缸的調(diào)整并將鉆機穩(wěn)固在鉆場中。同時配有節(jié)套，能適應(yīng)不同高度的巷道。底下4個液壓支柱固定于行走裝置側(cè)面，通過操作臺遠(yuǎn)程操作，實現(xiàn)鉆機穩(wěn)固。

(5)回轉(zhuǎn)機構(gòu)采用液壓馬達帶動回轉(zhuǎn)軸承，通過操作臺遠(yuǎn)程操作，可以實現(xiàn)±90°回轉(zhuǎn)。

(6)機身通過液壓升降油缸升降，傾角調(diào)節(jié)方便。

(7)更換不同直徑的卡盤、夾持器卡瓦組可夾持不同直徑的鉆桿。

(8)液壓元件均采用國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，保證整機性能穩(wěn)定可靠。

3 鉆機液壓系統(tǒng)

3.1 原理

該鉆機的液壓系統(tǒng)為雙泵供油的開式循環(huán)系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)原理[8-10]如圖2所示。

1—電動機；2—主泵；3—副泵；4—主泵截止閥；5—副泵截止閥；6—主泵吸油過濾器；7—副泵吸油過濾器；8—液位液溫計；9—空氣濾芯器；10—油箱；11—回油過濾器；12—冷卻器；13—節(jié)流閥；14—主泵壓力表；15—單向閥；16—液控單向閥；17—主泵安全閥；18—液控閥；19—手動換向閥；20—副泵安全閥；21—副泵壓力表；22—手動換向閥；23—順序閥；24—減壓閥；25—手動換向閥；26—液控?fù)Q向閥；27—單向閥；28—液控單向閥；29—卡盤壓力表；30—壓力管路過濾器；31—梭閥；32—正轉(zhuǎn)調(diào)壓閥；33—夾持器；34—馬達；35—卡盤；36—梭閥；37—給進起拔壓力表；38—單向節(jié)流閥；39—油缸；40—多路換向閥；40A—調(diào)壓閥；41—多路換向閥；41A—調(diào)壓閥；41B—調(diào)壓閥；41C—節(jié)流閥；42—回轉(zhuǎn)馬達；43—升降油缸；44—立柱油缸；45—后支腿；46—前支腿；47—履帶馬達圖2 ZDY4000LS型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機液壓系統(tǒng)原理

該鉆機液壓操作系統(tǒng)主要由履帶行走多路換向閥40、切換閥、主機多路換向閥41、馬達換向閥19、鉆進卸鉆功能閥25、給進后退換向閥22、集成閥塊等組成。主泵2為鉆機動力頭回轉(zhuǎn)馬達動力源，副泵3為給進、起拔、卡盤35、夾持器33、履帶行走47及其他輔助機構(gòu)提供供油動力。

電動機1帶動主油泵2，經(jīng)過濾網(wǎng)、截止閥4吸入低壓油，經(jīng)集成閥塊輸出，主要供馬達旋轉(zhuǎn)工作。液壓馬達正轉(zhuǎn)時，一部分液壓油可以通過單向閥補油至液壓卡盤35工作，實現(xiàn)馬達旋轉(zhuǎn)時與卡盤的聯(lián)動功能，同時保證卡盤可靠夾緊鉆桿鉆進；液壓馬達反轉(zhuǎn)時，一部分液壓油可以通過單向閥31補油至液壓卡盤工作，一部分液壓油可以補油至夾持器33工作，實現(xiàn)馬達旋轉(zhuǎn)時與卡盤夾持器的聯(lián)動功能，同時保證卡盤與夾持器可靠擰卸鉆桿。

電動機1帶動副油泵3，經(jīng)過濾網(wǎng)、截止閥5吸入低壓油，進入履帶行走閥40、切換閥、主機閥41，再進入集成閥塊輸出，主要供履帶行走、給進起拔和卡盤夾持器工作以及液壓支柱、回轉(zhuǎn)馬達和升降油缸工作。

多路換向閥40，主要供給履帶行走及主機切換閥，該閥為過橋多路換向閥。第一片閥為主機功能切換閥，中位工作時，副泵液壓油至履帶行走閥片及多路換向閥41工作，可實現(xiàn)履帶行走獨立控制及輔助功能控制；前位工作時，副泵液壓油至集成閥塊，控制卡盤夾持器及給進起拔聯(lián)動工作。第二片閥至第三片閥為履帶行走控制閥，動作該閥片至前位時，履帶前進；動作該閥片至后位，履帶后退；一前一后工作時，可實現(xiàn)履帶原地旋轉(zhuǎn)。

多路換向閥41，主要供給主機升降、主機回轉(zhuǎn)及鉆機液壓支柱頂固。第一片閥是控制主機回轉(zhuǎn)的手柄，該閥片自帶調(diào)壓閥，能實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制回轉(zhuǎn)馬達控制壓力。第二片閥控制主機升降的手柄，該閥片自帶單向節(jié)流閥，能遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)鉆機主機升降速度；升降油缸自帶液壓鎖，能起到保壓鎖緊功能。第三片閥是控制上液壓支柱升降的手柄，該閥片自帶液壓鎖，能起到保壓支護功能。第四及第五片是控制下液壓支柱的手柄，同樣，這兩個閥片也自帶液壓鎖，能起到鉆機支撐時保壓功能，防止鉆機松動。

集成閥塊將馬達換向閥19、鉆進卸鉆功能閥25、給進后退換向閥22、液控?fù)Q向閥及其他輔助功能閥于一體，結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便。

3.2 工作狀態(tài)

(1)當(dāng)“馬達換向手柄19”處于正轉(zhuǎn)，“鉆進卸鉆功能手柄25”處于下鉆狀態(tài)。

動作“給進后退換向手柄22”，當(dāng)手柄處于給進狀態(tài)，卡盤立即夾緊，夾持器松開，馬達正轉(zhuǎn)，鉆機向前鉆進；當(dāng)手柄處于起拔狀態(tài)，卡盤立即松開，夾持器夾緊，馬達停轉(zhuǎn)，動力頭快速后退。

(2)當(dāng)“馬達換向手柄19”處于正轉(zhuǎn)，“鉆進卸鉆功能手柄25”處于起鉆狀態(tài)。

動作“給進后退換向手柄22”，當(dāng)手柄處于起拔狀態(tài)，卡盤立即夾緊，夾持器松開，馬達正轉(zhuǎn)，鉆機快速后退起拔鉆桿；當(dāng)手柄處于給進狀態(tài)，卡盤立即松開，夾持器夾緊，馬達停轉(zhuǎn)，鉆機往前快速給進；當(dāng)手柄處于中位狀態(tài)，卡盤立即夾緊，夾持器夾緊，“馬達換向手柄19”置于反轉(zhuǎn)，鉆機立即可以卸鉆桿。

3.3 新操作臺特點

(1)操作簡單，馬達、卡盤、夾持器與給進起拔全聯(lián)動，操作簡單，動作靈活。

(2)操作臺內(nèi)部采用集成閥塊形式，體積小，質(zhì)量輕。

(3)操作臺只有3個手柄，從左至右，第一個是馬達換向手柄19，第二個是鉆進卸鉆功能手柄25，第三個是給進后退換向手柄22。

4 試驗

ZDY4000LS型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機在我公司的蕭山工業(yè)園區(qū)試驗臺進行了扭矩、轉(zhuǎn)速、給進起拔力、升降、回轉(zhuǎn)、行走、爬坡、液壓支柱保壓性能及其鉆機整體穩(wěn)定性等測試工作(如圖3所示)。經(jīng)測試，鉆機基本參數(shù)滿足設(shè)計需求，爬坡能力達到了20°，駐車可靠，轉(zhuǎn)彎靈活，鉆機調(diào)角方便，整機工作穩(wěn)定。

圖3 ZDY4000LS型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場試驗在河南神火集團完成。鉆孔施工情況如下：根據(jù)礦煤層條件、地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點，采用?73 mm的螺旋高強鉆桿加接保直組合穩(wěn)定鉆具配備復(fù)合片鉆頭進行鉆進2個近水平孔深孔，孔深分別是210和240 m。歷經(jīng)6天的現(xiàn)場試驗，完成了2個試驗鉆孔的施工，其中117號試驗鉆孔孔深210 m、終孔直徑94 mm；118號試驗鉆孔孔深240 m、終孔直徑94 mm，8 h平均時效60 m，在鉆進過程中，鉆機運轉(zhuǎn)正常。工業(yè)性試驗驗證了ZDY4000LS型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機的鉆進、行走和輔助功能等性能,檢驗了液壓系統(tǒng)的性能及可靠性。

5 結(jié)語

針對煤礦瓦斯抽放鉆孔需求及現(xiàn)有履帶式鉆機存在的問題，研制了ZDY4000LS型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機，該鉆機整機寬度小，可以在中小巷道工作；鉆機行走方便，爬坡能力強；自帶液壓支柱固定方便，可以適合不同巷道高度；鉆機自帶回轉(zhuǎn)液壓馬達，調(diào)角方便。生產(chǎn)試驗表明，該鉆機具有良好的可靠性和操控性，搬遷移位、調(diào)角及頂固方便快速，操作系統(tǒng)操作簡單，聯(lián)動可靠。該鉆機的研制成功，提高了煤礦井下瓦斯抽放鉆機的整體技術(shù)水平，提升了煤礦井下瓦斯抽采的經(jīng)濟效益和社會效益?？捎糜谕咚故鹿蕬?yīng)急救援、瓦斯抽放等煤礦安全技術(shù)領(lǐng)域。

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Development of ZDY4000LS All-hydraulic Crawler Tunnel Drilling Rig for Coal Mine/

HUHai-feng,WEIBin-bin,LUHui-ming

(Zhejiang Hangzhou Drilling Machine Manufactory Co., Ltd., Hangzhou Zhejiang 310020, China)

Traditional drilling rig is mainly composed of major structure, work station and pump station, the heavy weight makes inconvenient transportation. ZDY4000LS all-hydraulic crawler tunnel drilling rig is a new one for coal mine, which has reasonable structure layout and complete auxiliary functions. It can effectively improve the drilling efficiency in small and medium-sized coal mines, increase drilling production and reduce labor intensity of workers. This paper introduces ZDY4000LS all-hydraulic crawler tunnel drilling rig about its main technical parameters, structure layout characteristics and hydraulic system. The application shows that this drilling rig has popularization value for the tunnels which are narrow or being restricted by conveying belt.

tunnel drilling rig; track self-propelled; hydraulic transmission

2016-08-13；

2017-05-04

胡海峰，男，漢族，1983年生，從事煤礦鉆探設(shè)備研發(fā)及試驗工作，浙江省杭州市凱旋路385號杭鉆大廈16樓，huhaifeng_1219@163.com。

P634.3+1

A

1672-7428(2017)06-0028-05