楊江波，鄔 迪，陳逢雷，王 松，陳 翔

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

0 引言

國(guó)內(nèi)煤礦坑道鉆探廣泛采用全液壓動(dòng)力頭式坑道鉆機(jī)，這種鉆機(jī)大多采用膠囊式卡盤夾緊鉆桿。工作時(shí)，卡盤既要夾緊鉆桿還要隨動(dòng)力頭主軸高速回轉(zhuǎn)，故采用配油套這種浮動(dòng)式自動(dòng)平衡定心結(jié)構(gòu)來(lái)為卡盤供油。配油套通過(guò)與主軸配合形成一個(gè)極小的密封間隙來(lái)阻止壓力油的泄漏，使得配油套與主軸之間既能起到密封作用，還可以存在高速的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1所示[1]?，F(xiàn)有的檢測(cè)手段很難直接測(cè)量配油套在工作時(shí)密封間隙的大小，因此通過(guò)檢測(cè)其泄漏量衡量其密封性能。配油套型號(hào)多樣，拆裝工作復(fù)雜，因此有必要研究一種配油套密封性能快速檢測(cè)裝置。

圖1 膠囊式液壓卡盤工作原理圖

1 配油套密封機(jī)理分析

如圖1所示，高壓油從濾油器、經(jīng)芯管進(jìn)入主軸與配油套形成的密封間隙內(nèi)（這個(gè)密封間隙很小，對(duì)高壓油存在流阻效應(yīng)），可有效阻止高壓油從配油套兩端泄漏，使密封間隙內(nèi)的油液可以保持較高的壓力，形成一個(gè)高壓油環(huán)，從而使高壓油通過(guò)主軸上配油孔進(jìn)入卡盤，壓縮膠筒實(shí)現(xiàn)卡盤的夾緊功能。這種卡盤供油結(jié)構(gòu)使得配油套與主軸之間既有高速的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，又能起到密封作用，是一種高效的密封方式。

浮環(huán)密封屬于非接觸式密封，在密封間隙處存在一定的泄漏量。配油套泄漏量過(guò)大時(shí)會(huì)影響卡盤工作性能，因此必須控制其泄漏量在一定范圍內(nèi)。配油套的泄漏量計(jì)算可參考偏心環(huán)縫中流體流動(dòng)公式[2]：

式中，Q為泄漏量，m3/s；△p為密封液體壓降，Pa；μ 為流體動(dòng)力粘度，Pa·s；L 為節(jié)流長(zhǎng)度，m；d 為環(huán)形間隙直徑，m；δ為密封間隙，m；e為偏心距，m；ε為相對(duì)偏心，ε =e/δ。

2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)要求

配油套試驗(yàn)裝置要盡可能真實(shí)地模擬配油套的工作狀況，測(cè)量在各種工作參數(shù)下配油套泄漏量的具體數(shù)值，對(duì)其性能進(jìn)行量化分析。試驗(yàn)裝置的總體設(shè)計(jì)要求如下：

（1）可以反映卡盤工作狀態(tài)下的實(shí)際工況，例如主軸轉(zhuǎn)速的變化情況，配油套與主軸間隙內(nèi)液壓油溫度和壓力的變化情況。

（2）可以準(zhǔn)確的對(duì)裝置的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集必須迅速、簡(jiǎn)便，還需要具有動(dòng)態(tài)儲(chǔ)存功能。

（3）可以檢測(cè)大部分型號(hào)的配油套，檢測(cè)裝置需要具有拆裝方便、準(zhǔn)備時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 方案設(shè)計(jì)

結(jié)合配油套的實(shí)際工作狀態(tài)，配油套在回轉(zhuǎn)器中的裝配關(guān)系以及配油套的工作參數(shù)范圍、型號(hào)尺寸信息設(shè)計(jì)了如圖2所示的試驗(yàn)裝置。

圖2 配油套密封性能檢測(cè)試驗(yàn)裝置

檢測(cè)裝置根據(jù)中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司（以下簡(jiǎn)稱西安院）ZDY系列鉆機(jī)設(shè)計(jì)，主要包括底座、電機(jī)、箱體、主軸、配油套和濾油器等幾部分。檢測(cè)裝置采用電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸回轉(zhuǎn)的懸臂式結(jié)構(gòu)，整個(gè)裝置通過(guò)電動(dòng)機(jī)安裝在底座上。這種懸臂式布局具有整體結(jié)構(gòu)緊湊、更換配油套快捷、可準(zhǔn)確模擬配油套的工作狀態(tài)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)箱體外側(cè)的有機(jī)玻璃窗口，可以觀察主軸和配油套的工作情況。

回轉(zhuǎn)部件分為主軸和軸套兩部分，配油套安裝在軸套上，模擬其工作狀態(tài)。軸套和配油套都可以在不拆開箱體的情況下快速裝卸，通過(guò)跟換相匹配的軸套和配油套，就可以實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)配油套的快速檢測(cè)。

檢測(cè)時(shí)，采用液壓泵站將高壓油經(jīng)濾油器、芯管注入配油套與主軸間隙內(nèi)，然后啟動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)主軸回轉(zhuǎn)。通過(guò)泵站控制液壓油壓力，通過(guò)電機(jī)控制主軸轉(zhuǎn)速就能模擬不同工況下的配油套的工作狀態(tài)。

2.3 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了準(zhǔn)確模擬工作狀態(tài)下主軸持續(xù)回轉(zhuǎn)而配油套浮動(dòng)的工作狀態(tài)，采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸，同時(shí)通過(guò)變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)主軸回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。檢測(cè)裝置采用YJTG-132M2-6型電動(dòng)機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如下：額定電壓 380 V；額定頻率 50 Hz，5～50 Hz范圍內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，同步轉(zhuǎn)速1 000 r/min；變頻器采用LK530型開環(huán)矢量變頻器，其主要技術(shù)參數(shù)如下：輸出頻率0～600 Hz、適合電機(jī)7.5 kW及以下。采用變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的方式可以將電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速控制在100～1 000 r/min，額定功率是5.5 kW，額定電流是12 A，額定扭矩是52.5 N·m，可以滿足檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)的要求。

2.4 主軸的設(shè)計(jì)

ZDY系列鉆機(jī)動(dòng)力頭中，主軸作為回轉(zhuǎn)部件，它與配油套的配合尤為重要。在本檢測(cè)裝置中，主軸和軸套作為關(guān)鍵零件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)直接影響檢測(cè)結(jié)果。主軸結(jié)構(gòu)如圖2所示，左端通過(guò)軸承安裝在箱體上，右端通過(guò)圓錐面和軸套配合。在主軸右側(cè)端面上設(shè)計(jì)有螺紋孔，可以對(duì)軸套進(jìn)行快速安裝和拆卸。采用這種結(jié)構(gòu)形式，只需要一根主軸，就可以對(duì)多種型號(hào)的配油套進(jìn)行檢測(cè)，具有節(jié)約成本的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還使得整個(gè)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝快捷。

2.5 液壓泵站的選擇

通過(guò)液壓泵站為配油套密封間隙內(nèi)供油來(lái)模擬主軸回轉(zhuǎn)時(shí)配油套的工作狀態(tài)，同時(shí)控制液壓油的輸出壓力和溫度模擬配油套不同的工作狀態(tài)。試驗(yàn)裝置所用液壓泵站選用西安院的MK-3型液壓泵站，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。其液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

表1 MK-3型液壓泵站技術(shù)參數(shù)

圖3 MK-3型泵站液壓系統(tǒng)原理

電機(jī)帶動(dòng)液壓泵泵吸入油箱低壓油，輸出高壓油到換向閥。換向閥控制高壓油經(jīng)過(guò)濾油器進(jìn)入配油套與主軸之間的密封間隙內(nèi)，模擬鉆機(jī)卡盤的工作狀態(tài)，濾油器進(jìn)油口處安裝壓力傳感器，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)配油套的工作壓力。通過(guò)調(diào)節(jié)溢流閥可以控制密封間隙內(nèi)壓力油的大小。

為了可以準(zhǔn)確的對(duì)檢測(cè)裝置的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確、實(shí)時(shí)測(cè)量，檢測(cè)裝置還需要配備一套試驗(yàn)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，該檢測(cè)系統(tǒng)分為硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件包含計(jì)算機(jī)、傳感器、信號(hào)采集器和電源控制器；軟件可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和處理。

2.6 傳感器的選型

（1）壓力傳感器選用CYB13XMSK智能數(shù)顯壓力開關(guān)，其主要技術(shù)參數(shù)如下：

量程 0～40 MPa

精度等級(jí)±0.3%

介質(zhì)溫度 -20～+85℃

輸出信號(hào)4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出

（2）溫度傳感器選用SBYW一體化溫度變送器，其主要技術(shù)參數(shù)如下：

量程 0～80℃

精度等級(jí)±0.2%

輸出信號(hào)4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出

（3）稱重傳感器選用MS—1型鋼制“S”稱重傳感器，其主要參數(shù)如下：

量程 0～20 kg

精度等級(jí)±0.2%

輸出信號(hào)4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出

本配油套密封性能檢測(cè)試驗(yàn)裝置如圖4所示，其技術(shù)參數(shù)如表2所示。

圖4 配油套密封性能檢測(cè)試驗(yàn)裝置

表2 配油套密封性能檢測(cè)試驗(yàn)裝置技術(shù)參數(shù)

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

此次試驗(yàn)選用應(yīng)用廣泛的ZDY4000S型全液壓坑道鉆機(jī)配油套進(jìn)行測(cè)試，鉆機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 Z D Y4000S鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)

現(xiàn)有配油套的密封間隙一般控制在0.02mm[3-4]，但由于配油套工作時(shí)受液壓油溫度升高、壓力增大影響，導(dǎo)致配油套密封間隙增大，泄漏量迅速增大，影響鉆機(jī)性能。

將配油套工作壓力作為一個(gè)考察變量，研究其泄漏量與工作壓力的關(guān)系；將配油套內(nèi)、外套厚度比η作為一個(gè)考察變量，研究配油套泄漏量與其厚度比的關(guān)系，內(nèi)、外套厚度比為η=h2/h1，其中h2為外套壁厚，h1為內(nèi)套壁厚。試驗(yàn)所需配油套如表4所示。

表4 配油套參數(shù)

采用表中所列配油套，制定試驗(yàn)方案如下：

（1）6組配油套在工作壓力與溫升一定時(shí)，配油套厚度比對(duì)其泄漏量的影響；

（2）厚度比與溫升一定時(shí)，工作壓力對(duì)配油套泄漏量的影響。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

選定主軸轉(zhuǎn)速為200 r/min進(jìn)行試驗(yàn)。

（1）厚度比對(duì)泄漏量的影響

圖5為試驗(yàn)得到的厚度比與配油套泄漏量的關(guān)系圖。分析圖中數(shù)據(jù)可知，壓力、溫度相同時(shí)，泄漏量隨著厚度比的增大而減小。配油套在21 MPa工作壓力，25℃溫度時(shí)，當(dāng)厚度比大于1.4時(shí)，配油套的泄漏量小于5 L/min。

圖5 配油套泄漏量與厚度比關(guān)系

（2）壓力對(duì)泄漏量的影響

圖6為試驗(yàn)得到的壓力與配油套泄漏量的關(guān)系圖。分析圖中數(shù)據(jù)可知，厚度比不變時(shí)，泄漏量隨著壓力的增大而增大，厚度比為1.4時(shí)，壓力超過(guò)21 MPa后，配油套泄漏量明顯增大。

圖6 配油套泄漏量與壓力關(guān)系

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)利用此試驗(yàn)裝置對(duì)配油套進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)證明，設(shè)計(jì)的配油套性能檢測(cè)試驗(yàn)裝置性能可靠，檢測(cè)范圍廣，拆裝方便，對(duì)完善配油套的檢測(cè)方法，有效提高鉆機(jī)液壓系統(tǒng)容積效率具有較大的意義。

厚度比不足會(huì)導(dǎo)致配油套抗變形能力差，配油套泄漏量增大，ZDY4000S鉆機(jī)的配油套推薦厚度比不得小于1.4。