徐鵬博， 陳逢雷

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司， 陜西 西安 710077)

引言

近年來，我國(guó)煤礦瓦斯事故頻發(fā)，瓦斯含量高、瓦斯超限和煤與瓦斯突出一直是制約礦井生產(chǎn)的主要因素，尤其對(duì)采煤工作面防突具有重要意義。煤礦用全液壓坑道鉆機(jī)多采用動(dòng)力頭式鉆機(jī)，在鉆進(jìn)時(shí)通過動(dòng)力頭上的卡盤夾持鉆桿在給進(jìn)機(jī)身上前后移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆具的給進(jìn)與起拔[1]。小鉆機(jī)(如煤電鉆)鉆孔成孔率低；而輕型防突鉆機(jī)打鉆占用人員多，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，打眼速度慢，而且電氣設(shè)備多、易失爆，給安全管理工作增加了難度[2-5]。液壓鉆機(jī)具有輸出扭矩大、推進(jìn)快、噪聲小、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)， 廣泛用于煤礦采煤工作面瓦斯抽放孔、注水孔、探水孔、防突孔等的鉆進(jìn)[6-9]。液壓油鉆機(jī)需要獨(dú)立配套液壓泵站，并且以液壓油為工作介質(zhì)的鉆機(jī)體積較大、搬遷不方便，在采煤工作面由于作業(yè)空間有限，液壓油鉆機(jī)不能發(fā)揮其能力[10]。而乳化液泵站作為煤礦井下液壓動(dòng)力源， 源源不斷地向采煤工作面提供高壓工作介質(zhì)——乳化液[11]。乳化液鉆機(jī)直接采用工作面乳化液泵站的高壓乳化液作為動(dòng)力源，無需單獨(dú)配備液壓泵站和電纜拖移裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、移動(dòng)方便、可靠性高[12]。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)乳化液鉆機(jī)配置的乳化液馬達(dá)主要分為擺線馬達(dá)和非圓馬達(dá)。擺線馬達(dá)內(nèi)部涂有防腐防銹涂層，這種馬達(dá)由于批量生產(chǎn)，價(jià)格便宜，但是使用乳化液作為工作介質(zhì)后由于乳化液潤(rùn)滑性不足導(dǎo)致馬達(dá)壽命短、效率低；非圓馬達(dá)由于內(nèi)部采用非圓結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子圍繞著定子往復(fù)回轉(zhuǎn)的過程中不停吸油和排油，機(jī)械效率極高，同時(shí)馬達(dá)的壽命也得到了極大的提高。本研究選取2款馬達(dá)為研究對(duì)象。

1 乳化液鉆機(jī)的研制

1.1 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

給進(jìn)裝置是全液壓鉆機(jī)最主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一，鉆進(jìn)過程中給進(jìn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的主要工作是鉆具的給進(jìn)和起拔[13]。乳化液鉆機(jī)主要應(yīng)用在綜采工作面附近，用于瓦斯抽放孔的施工。由于綜采工作面空間狹小，不利于履帶鉆機(jī)施工，所以乳化液鉆機(jī)采用架柱式結(jié)構(gòu)(本項(xiàng)目涉及工業(yè)性試驗(yàn)，所以未設(shè)計(jì)機(jī)架)。鉆機(jī)主要由給進(jìn)裝置和動(dòng)力頭水便兩大部分組成，如圖1所示。

1.給進(jìn)裝置 2.動(dòng)力頭水便

動(dòng)力頭水便為動(dòng)力頭和水便的剛性聯(lián)接體，前部為水便和主動(dòng)鉆桿，起到鉆孔時(shí)通水的作用；后端為動(dòng)力頭，動(dòng)力頭與馬達(dá)采用平鍵聯(lián)接，后透蓋設(shè)計(jì)成可以聯(lián)接擺線馬達(dá)和非圓馬達(dá)，而不需要過渡裝置進(jìn)行聯(lián)接，縮短了測(cè)試過程中更換馬達(dá)的輔助時(shí)間，提高了測(cè)試效率。

1.2 工作原理

乳化液鉆機(jī)的動(dòng)力來源于綜采工作面的乳化液泵站，液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。主進(jìn)液為系統(tǒng)提供高壓乳化液，主回液為系統(tǒng)的低壓乳化液回流通道，為了整個(gè)液壓系統(tǒng)的安全性，在主進(jìn)液和主回液之間布置了安全閥，設(shè)定壓力為16 MPa，進(jìn)液壓力表和回液壓力表能實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的壓力，以便操作人員觀察系統(tǒng)運(yùn)行狀況。回轉(zhuǎn)手動(dòng)閥用于控制回轉(zhuǎn)馬達(dá)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，給進(jìn)手動(dòng)閥用于控制給進(jìn)液壓缸的伸出和縮回，在回轉(zhuǎn)馬達(dá)和給進(jìn)液壓缸的回路上分別布置了調(diào)速閥。這樣在施工時(shí)可以根據(jù)地層條件配比合適的回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速和給進(jìn)液壓缸速度，在提高鉆進(jìn)效率的同時(shí)，可預(yù)防安全事故的發(fā)生。

1.回轉(zhuǎn)手動(dòng)閥 2.給進(jìn)手動(dòng)閥 3.回轉(zhuǎn)調(diào)速閥 4.給進(jìn)調(diào)速閥 5.回轉(zhuǎn)馬達(dá) 6.給進(jìn)液壓缸 7.主溢流閥 8.進(jìn)液壓力表 9.回液壓力表

2 乳化液選型及配比濃度研究

為了研究不同型號(hào)乳化液以及乳化液在不同濃度時(shí)對(duì)乳化液鉆機(jī)性能參數(shù)的影響，選用符合MT 76—2011《液壓支架用乳化液、濃縮液及其高含水液壓液》標(biāo)準(zhǔn)的HFAE10-5型液壓支架用乳化液、HFAE15-5型液壓支架用乳化液和HFAE25-5型液壓支架用乳化液3種型號(hào)，其適用硬水等級(jí)及硫酸根離子含量如表1所示。

煤礦一般按MT 76—2011《液壓支架用乳化液、濃縮液及其高含水液壓液》標(biāo)準(zhǔn)將乳化液與水配比成5%的濃度，但是本次試驗(yàn)對(duì)象為鉆機(jī)，主要目的是測(cè)試不同類型及不同濃度乳化液對(duì)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)效率的影響，所以將3種乳化液分別與水配比成7%，5%和3%3種濃度，共計(jì)9種測(cè)試液，如表2所示。

表2 乳化液與水配比濃度

3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

在國(guó)家安全生產(chǎn)西安勘探設(shè)備檢測(cè)檢驗(yàn)中心的15000 N·m煤礦坑道鉆機(jī)綜合性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行檢測(cè)，如圖3所示。檢測(cè)是將乳化液鉆機(jī)接通乳化液泵站，鉆機(jī)動(dòng)力頭輸出的扭矩和轉(zhuǎn)速通過鉆桿傳遞到檢測(cè)臺(tái)主動(dòng)軸，主軸通過變速箱的加載實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)動(dòng)態(tài)扭矩和轉(zhuǎn)速的測(cè)量，檢測(cè)按照乳化液型號(hào)分為3個(gè)階段進(jìn)行，3款馬達(dá)測(cè)試數(shù)據(jù)如表3～表5所示。

圖3 鉆機(jī)室內(nèi)檢驗(yàn)

表3 MRF160馬達(dá)測(cè)試數(shù)據(jù)

表4 BM4U-200馬達(dá)測(cè)試數(shù)據(jù)

表5 BM4U-252馬達(dá)測(cè)試數(shù)據(jù)

分析表3～表5，非圓馬達(dá)MRF160、擺線馬達(dá)BM4U-200和擺線馬達(dá)BM4U-252在HFAE10-5型、HFAE15-5型和HFAE25-5型3種液壓支架用乳化液的配比濃度分別為7%，5%和3%的3種濃度下，分別測(cè)試回轉(zhuǎn)效率c，得到圖4～圖6所示。

圖4 3種馬達(dá)在乳化液濃度為7%時(shí)測(cè)得的回轉(zhuǎn)效率曲線圖

圖5 3種馬達(dá)在乳化液濃度為5%時(shí)測(cè)得的回轉(zhuǎn)效率曲線圖

圖6 3種馬達(dá)在乳化液濃度為3%時(shí)測(cè)得的回轉(zhuǎn)效率曲線圖

從圖4可以看出，MRF160馬達(dá)在乳化液濃度為7%時(shí)，在HFAE10-5、HFAE15-5、HFAE25-5 3種型號(hào)乳化液中測(cè)試的回轉(zhuǎn)效率基本保持在33%不變，BM4U-200馬達(dá)和BM4U-252馬達(dá)在乳化液濃度為7%時(shí)，在HFAE10-5型乳化液中測(cè)得的回轉(zhuǎn)效率最高，分別達(dá)到了35%和32%；在HFAE15-5型乳化液中回轉(zhuǎn)效率又迅速降低，分別降至19%和17%，在HFAE25-5型乳化液中測(cè)得的數(shù)據(jù)又恢復(fù)上升，達(dá)到了27%。分析原因是因?yàn)镸RF160馬達(dá)為非圓結(jié)構(gòu)，容積效率高，所以測(cè)得的回轉(zhuǎn)效率也比2款擺線馬達(dá)高。2款擺線馬達(dá)在乳化液濃度為7%時(shí)， HFAE10-5型乳化液中測(cè)得的回轉(zhuǎn)效率明顯高于在HFAE15-5型和HFAE25-5型乳化液中測(cè)得的回轉(zhuǎn)效率，是由于測(cè)試兌比的是西安市自來水，水質(zhì)較軟，HFAE10-5型乳化液在這種水質(zhì)中更容易溶解，所以配比的乳化液溶液更適用于乳化液鉆機(jī)工作。

從圖5可以看出，MRF160馬達(dá)在乳化液濃度為5%時(shí)，在HFAE10-5、HFAE15-5、HFAE25-5 3種型號(hào)乳化液中測(cè)試的回轉(zhuǎn)效率基本保持在33%不變。BM4U-200馬達(dá)和BM4U-252馬達(dá)在乳化液濃度為5%時(shí)，在HFAE10-5型乳化液中測(cè)得的回轉(zhuǎn)效率最高，分別達(dá)到了27%和21%；在HFAE15-5型乳化液中回轉(zhuǎn)效率又迅速降低，分別降低21%和18%；在HFAE25-5型乳化液中測(cè)得的數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定在27%。原因是MRF160馬達(dá)為非圓結(jié)構(gòu)，容積效率高，所以測(cè)得的回轉(zhuǎn)效率也比2款擺線馬達(dá)高。2款擺線馬達(dá)在乳化液濃度為5%時(shí)， HFAE10-5型乳化液中測(cè)得的回轉(zhuǎn)效率明顯高于在HFAE15-5型和HFAE25-5型乳化液中測(cè)得的回轉(zhuǎn)效率，是由于測(cè)試兌比的是西安市自來水水質(zhì)較軟，HFAE10-5型乳化液在這種水質(zhì)中更容易溶解，所以配比的乳化液溶液更適用于乳化液鉆機(jī)工作。

從圖6可以看出，MRF160馬達(dá)在乳化液濃度為3%時(shí)，在HFAE10-5、HFAE15-5、HFAE25-5 3種型號(hào)乳化液中測(cè)試的回轉(zhuǎn)效率基本保持在33%不變。BM4U-200馬達(dá)和BM4U-252馬達(dá)在乳化液濃度為3%時(shí)，在HFAE10-5型乳化液中測(cè)得的回轉(zhuǎn)效率為21%；在HFAE15-5型乳化液中回轉(zhuǎn)效率分別降至16%和20%；在HFAE25-5型乳化液中測(cè)得的數(shù)據(jù)分別為18%和22%。原因是MRF160馬達(dá)為非圓結(jié)構(gòu)，容積效率高，所以測(cè)得的回轉(zhuǎn)效率也比2款擺線馬達(dá)高。

對(duì)比圖4～圖6非圓馬達(dá)MRF160馬達(dá)在測(cè)試時(shí)回轉(zhuǎn)效率基本保持在33%，擺線馬達(dá)回轉(zhuǎn)效率隨著乳化液濃度從7%降至5%而迅速降低，乳化液濃度從5%降至3%時(shí)，馬達(dá)回轉(zhuǎn)效率基本保持在20%左右，可以得出結(jié)論，BM4U-200型擺線馬達(dá)和BM4U-252型擺線馬達(dá)在乳化液濃度為3%～5%時(shí)，回轉(zhuǎn)效率基本在20%。

從表3～表5中看出，在HFAE10-5型乳化液濃度5%、系統(tǒng)壓力為16 MPa時(shí)，非圓馬達(dá)MRF160轉(zhuǎn)速為264 r/min，扭矩為318 N·m，擺線馬達(dá)BM4U-200轉(zhuǎn)速為183 r/min，扭矩為401 N·m，擺線馬達(dá)BM4U-252轉(zhuǎn)速為126 r/min，扭矩為485 N·m。

4 結(jié)論

(1) 非圓馬達(dá)和擺線馬達(dá)都可以作為乳化液鉆機(jī)馬達(dá)使用，3個(gè)馬達(dá)在乳化液濃度為7%時(shí)回轉(zhuǎn)效率均在33%左右，能夠輸出較大扭矩；

(2) 非圓馬達(dá)回轉(zhuǎn)效率明顯優(yōu)于擺線馬達(dá)，隨著濃度的變化，非圓馬達(dá)回轉(zhuǎn)效率基本保持不變，但是擺線馬達(dá)隨著乳化液濃度的降低，回轉(zhuǎn)效率直線降低；

(3) 不同的乳化液對(duì)回轉(zhuǎn)馬達(dá)的效率影響比較大，要根據(jù)水的硬度選擇適合的乳化液型號(hào)。