張 銳

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

定向長(zhǎng)鉆孔可提高回采煤層瓦斯鉆孔成孔率和抽采效率[1-2]。隨著煤炭產(chǎn)業(yè)供給側(cè)改革對(duì)煤礦產(chǎn)能優(yōu)化，大型、特大型煤礦產(chǎn)能占比達(dá)到70%以上，大型礦井超長(zhǎng)工作面機(jī)械化快速開(kāi)采對(duì)瓦斯、水害等災(zāi)害高效防治技術(shù)需求日益迫切；對(duì)災(zāi)害防治定向孔的成孔深度、鉆進(jìn)效率、成孔質(zhì)量等提出了更高要求，因此對(duì)大功率深孔定向裝備的需求更加迫切[3-4]。動(dòng)力頭是大功率定向鉆機(jī)的關(guān)鍵部件，其主要作用是傳遞動(dòng)力，使鉆具以不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩作正向或反向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)具備處理孔內(nèi)事故的能力。根據(jù)鉆進(jìn)工藝要求，回轉(zhuǎn)器的轉(zhuǎn)速和扭矩性能應(yīng)能適應(yīng)孔內(nèi)鉆進(jìn)情況變化的要求。

1 總體方案

煤礦井下鉆進(jìn)施工工藝與地面鉆探施工工藝不同，具有特殊性，因此制定設(shè)計(jì)動(dòng)力頭總體方案時(shí)采用液壓驅(qū)動(dòng)為設(shè)計(jì)思路。輸入原件選用高速軸向柱塞變量馬達(dá)，由于該類(lèi)型馬達(dá)屬高速小扭矩，要實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭的低速大扭矩輸出，就應(yīng)與大降速比的變速箱結(jié)構(gòu)相組合，才能實(shí)現(xiàn)其性能，動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)通過(guò)調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的排量進(jìn)行。雙馬達(dá)動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)如圖1。動(dòng)力頭的結(jié)構(gòu)包括液壓馬達(dá)、變速箱、制動(dòng)裝置和卡盤(pán)，其工作原理是變量柱塞馬達(dá)通過(guò)變速箱帶動(dòng)卡盤(pán)回轉(zhuǎn)，從而使鉆具回轉(zhuǎn)。變速箱為二級(jí)減速機(jī)構(gòu)，包括行星減速和斜齒輪減速[5]。

2 動(dòng)力頭性能參數(shù)

圖1 雙馬達(dá)動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural configuration of dual motor power head

設(shè)備的用途和所配套的鉆進(jìn)工藝是動(dòng)力頭轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的決定性因素。深孔鉆進(jìn)時(shí)回轉(zhuǎn)速度過(guò)高對(duì)鉆孔內(nèi)壁擾動(dòng)大，影響成孔率，因此動(dòng)力頭的轉(zhuǎn)速不宜過(guò)高。深孔定向鉆進(jìn)時(shí)需通過(guò)動(dòng)力頭帶動(dòng)孔內(nèi)鉆具緩慢調(diào)節(jié)螺桿馬達(dá)的工具面向角，此時(shí)需要?jiǎng)恿︻^具備慢速回轉(zhuǎn)精準(zhǔn)控制的功能。動(dòng)力頭的輸出扭矩應(yīng)滿(mǎn)足大直徑回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔和頂板高位鉆孔的需要，還必須具備處理孔內(nèi)事故的能力。綜合以上因素，將回轉(zhuǎn)器的輸出扭矩設(shè)定為15 000 N·m，輸出轉(zhuǎn)速設(shè)定為135 r/min。

3 動(dòng)力頭關(guān)鍵部件

3.1 雙馬達(dá)大扭矩動(dòng)力頭

為了解決大能力輸出和設(shè)備小型化的矛盾，采用雙液控變量馬達(dá)作為動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)單元[6-7]。

動(dòng)力頭上安裝2 個(gè)液壓馬達(dá)，液控馬達(dá)選用進(jìn)口A6V200 型液壓馬達(dá)，理論排量50～200 mL/r；系統(tǒng)泵采用的是A10V190，理論排量190 mL/r，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n 為1 480 r/min。當(dāng)液壓馬達(dá)排量qm最大時(shí)，即qm=160 mL/r 時(shí)，nmin=600.9 r/min；當(dāng)液壓馬達(dá)的排量最小時(shí)，即qm=50 mL/r 時(shí)，nmax=2 812 r/min；故液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù)范圍在700～2 812 r/min 之間，小于允許最高轉(zhuǎn)速。

液壓馬達(dá)的輸出扭矩M 如式(1)：

式中:△p 為壓力差，MPa；qm為馬達(dá)排量，mL/r；ηmm為馬達(dá)機(jī)械效率；k 為馬達(dá)個(gè)數(shù)。

液壓馬達(dá)輸出扭矩見(jiàn)表1。

變速箱部分采用的是二級(jí)減速機(jī)構(gòu)，第一級(jí)減速機(jī)構(gòu)為行星減速，第二級(jí)減速機(jī)構(gòu)為斜齒機(jī)構(gòu)，兩級(jí)傳動(dòng)比之和為11.86，經(jīng)過(guò)變速箱減速后其輸出性能參數(shù)見(jiàn)表2，動(dòng)力頭最大扭矩可達(dá)到18 463 N·m。

表1 液壓馬達(dá)輸出性能參數(shù)表Table 1 Table of output performance parameters of hydraulic motor

表2 動(dòng)力頭輸出性能參數(shù)表Table 2 Table of output performance parameters of rotary head

3.2 卡 盤(pán)

大功率雙馬達(dá)動(dòng)力頭卡盤(pán)采用橡膠囊式構(gòu)造。液壓卡盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖2，它由外殼、套座、橡膠套筒、卡瓦組組成?？ㄍ呓M由4 塊卡瓦組成，各卡瓦接觸面之間均由若干彈簧，卡瓦外邊有1 塊擋板，當(dāng)沒(méi)有液壓力作用時(shí)，4 塊卡瓦面之間即保持一定間隙又不致散開(kāi)。

圖2 液壓卡盤(pán)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of hydraulic chuck

膠囊式液壓卡盤(pán)工作原理是高壓油進(jìn)入橡膠套外側(cè)，壓迫卡瓦使其產(chǎn)生徑向位移從而夾緊鉆桿。配油套與主軸之間的密封屬于非接觸密封，非接觸密封也是間隙密封，它是使用有限的通道，允許有很小的但能控制的油量排除，這部分油還可以起到潤(rùn)滑軸承和散熱的作用。

膠囊式卡盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作迅速，機(jī)械效率高，通過(guò)調(diào)節(jié)夾緊壓力可調(diào)整卡盤(pán)夾緊力，這對(duì)保護(hù)鉆桿是非常有用，因而在坑道鉆機(jī)中有著廣泛的應(yīng)用。

膠囊是膠囊式卡盤(pán)中一個(gè)關(guān)鍵部件，其作用是不但要傳遞抱緊鉆桿的徑向力，還要保證液壓油的密封，材質(zhì)多選用耐油橡膠，邵氏硬度為60～70 左右[8-10]。太硬彈性差，容易撕裂，太軟的容易擠入端面間隙中，使啃噬問(wèn)題加劇。

膠囊的形狀非常重要，對(duì)膠囊的內(nèi)孔形狀曾有3 種不同的設(shè)計(jì)：方形、圓形和多邊形。方形和多邊形的形狀較復(fù)雜，不利于加工成型，且壁厚變化處易產(chǎn)生裂紋而撕裂漏油，使密封失效。圓形的形狀較簡(jiǎn)單，膠囊與卡盤(pán)組之間產(chǎn)生相對(duì)滑移，有利于均衡膠囊內(nèi)部的應(yīng)力，克服了前2 種形狀的缺點(diǎn)，因此采用這種形狀。為了保證膠囊各部分尺寸的準(zhǔn)確性，應(yīng)了解橡膠收縮率的大小，根據(jù)多次試驗(yàn)，一般取0.15%左右合適。在膠囊的中部設(shè)有隔圈支撐，它與膠囊外緣形成高壓油腔的密封，并限制其變形的范圍?；宓淖饔檬欠乐鼓z囊擠入卡盤(pán)體之間。

3.3 箱 體

變速箱箱體通常采用鑄鋼，其壁厚根據(jù)回轉(zhuǎn)器能力的大小一般為10～12 mm，線(xiàn)體表面應(yīng)平整，外壁鑄造出加強(qiáng)筋以提高強(qiáng)度和剛度。加強(qiáng)筋的位置布置應(yīng)有利于提高軸承孔處的剛度以及箱體抵抗外載荷引起的變形的能力。

為了便于箱體的鑄造和加工，應(yīng)盡量減少箱體內(nèi)壁的臺(tái)階和隔板。軸孔設(shè)計(jì)，應(yīng)使同一直線(xiàn)上不同的孔依大小順序排列，便于一次裝夾就能將同一軸線(xiàn)上的軸孔鉆、鏜加工出來(lái)，保證各孔的同軸度。

變速箱的密封必須可靠。箱體、軸承和軸承座之間采用密封圈和石棉墊進(jìn)行密封，箱體上的螺孔不應(yīng)鉆透防止?jié)櫥脱芈菁y孔泄漏，軸的外伸段采用雙唇骨架油封。

3.4 定向制動(dòng)裝置

定向制動(dòng)裝置安裝在動(dòng)力頭輸入軸后端，用于定向鉆進(jìn)施工時(shí)抱緊主軸[11-12]。其原理是制動(dòng)時(shí)油壓推動(dòng)活塞桿沿軸向運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)壓盤(pán)移動(dòng)，使主動(dòng)摩擦片和被動(dòng)摩擦片接觸，伴隨壓力的增加，摩擦力逐漸增大，完成制動(dòng)功能。摩擦片是抱緊裝置的關(guān)鍵零件，其可靠性的高低影響整個(gè)制動(dòng)的性能。由于摩擦片為非標(biāo)結(jié)構(gòu)件，在加工中也遇到了各種困難，開(kāi)始加工選用15 號(hào)鋼，通過(guò)滲碳和淬火等方式增加材料的強(qiáng)度和耐摩性能，由于摩擦片本身很薄，很難保證要求的滲碳深度，材料的性能將不能完全滿(mǎn)足使用要求，經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)，最終選取65Mn 作為摩擦片的材料，經(jīng)過(guò)一定熱處理，采用線(xiàn)切割的方式成功加工出符合使用要求的高品質(zhì)摩擦片。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

雙馬達(dá)動(dòng)力頭設(shè)計(jì)加工試制完成后安裝在中煤科工集團(tuán)西安研究院生產(chǎn)的大功率定向鉆機(jī)上，在國(guó)家安全生產(chǎn)西安勘探設(shè)備檢測(cè)中心進(jìn)行性能測(cè)試后取得煤礦安全標(biāo)志證書(shū)。整機(jī)在晉煤集團(tuán)寺河煤礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)從 2014 年 8 月 10 日開(kāi)鉆，8 月 22 日結(jié)束，施工完成最大主孔深度為1 881 m 鉆孔，單孔總進(jìn)尺2 601 m，分支孔11 個(gè)，其中探頂分支7 個(gè)、探底分支4 個(gè)，鉆孔施工平均日進(jìn)尺210 m。

從2014 年10 月至今，晉煤集團(tuán)寺河礦使用大功率鉆機(jī)已施工本煤層定向長(zhǎng)鉆孔和頂板高位定向長(zhǎng)鉆孔累計(jì)進(jìn)尺超過(guò)60 000 m，其中直徑為φ153 mm 的煤層頂板高位大直徑定向鉆孔進(jìn)尺約3 000 m，對(duì)雙馬達(dá)動(dòng)力頭的性能進(jìn)行了充分的驗(yàn)證。

5 結(jié) 語(yǔ)

雙馬達(dá)動(dòng)力頭采用行星輪加斜齒輪兩級(jí)減速型式，通過(guò)雙液驅(qū)高速馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，具備大扭矩的輸出性能，提高了鉆機(jī)處理孔內(nèi)事故的能力，具有較強(qiáng)的工藝適應(yīng)性；采用濕式摩擦片結(jié)構(gòu)的制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)，解決了大扭矩動(dòng)力頭在大直徑孔、超深孔鉆進(jìn)過(guò)程中的強(qiáng)力制動(dòng)難題；滿(mǎn)足本煤層和頂板高位瓦斯抽放鉆孔深孔施工需要。